Учебное пособие 285

Лабораторная работа № 3

Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи

3.1. Цель работы

Закрепить знания о характеристиках конвективного и лучистого теплообмена, получить навыки расчета коэффициента теплопередачи.

3.2.Приборы и принадлежности: пирометр оптический микропроцессорный С-Фаворит С-300, метеометр МЭС-2.

3.3.Общие сведения

Через ограждения при разности температур на их внутренней и наружной поверхностях идет поток тепловой энергии. Процесс передачи тепла через стену в холодный период года состоит из трех этапов: восприятия тепла внутренней поверхностью стены от воздуха помещения, передачи его через толщу ограждения и последующей отдачи наружной поверхностью окружающей среде.

Передача тепла к поверхности ограждения или отдача ею тепла осуществляется излучением и конвекцией с прилегающим воздухом [4]. Следовательно, коэффициент теплоотдачи может быть выражен как сумма двух коэффициентов: коэффициента отдачи тепла излучением, αл и коэффициента отдачи тепла конвекцией, αк, Вт/(м2°С), т.е.

Передача тепла излучением к внутренней поверхности ограждения происходит от поверхностей внутренних конструкций (перегородок, потолка, пола и пр.), имеющих температуру более высокую, чем температура внутренней поверхности ограждения. Наружная поверхность ограждения отдает тепло излучением в окружающую среду (атмосфера, соседние здания, деревья и пр.). Коэффициент теплоотдачи излучением можно определить по формуле

(3.2)

где С1 и С2 – коэффициенты излучения поверхностей, Вт/(м2°К4); С0=5,67 Вт/(м2°К4) – коэффициент излучения поверхности абсолютно черного тела; t1 и t2 – температуры поверхностей.

При определении коэффициента тепловосприятия внутренней поверхности, Вт/(м2°С), в формуле (3.2) принимается: t1 – равной температуре внутреннего воздуха; t2 – равной температуре внутренней поверхности ограждения. При определении коэффициента теплоотдачи наружной поверхности принимается: t1 – равной температуре наружной поверхности ограждения; t2 – равной температуре наружного воздуха.

11

Характер передачи тепла конвекцией различен у внутренней и у наружной поверхностей ограждения. У внутренней поверхности ограждения – естественная конвекция, вызываемая разностью температур воздуха и поверхности; у наружной поверхности стены из-за действия ветра в основном происходит вынужденная конвекция. Поэтому и формулы для определения αк будут разными для внутренней и для наружной поверхности ограждения.

Точное определение величины αк при естественной конвекции является сложной задачей. Величина αк зависит от разности температур воздуха и поверхности t , линейного размера в направлении движения воздуха l, коэффициента теплопроводности воздуха у поверхности ограждения λ, коэффициента кинематической вязкости воздуха ν, коэффициента температуропроводности воздуха a. Величины λ, ν и a зависят от средних температур воздуха и поверхности ограждения. Все перечисленные величины объединяются в безразмерныекомплексы(критерииподобия), объединяемыевкритериальноеуравнение

Коэффициент теплоотдачи конвекцией внутренних поверхностей наружных стен αк в отапливаемых помещениях можно определить по формуле [1,4]

где t = tв – τв – температурный перепад между температурой воздуха и поверхности, оС, К – коэффициент, учитывающий положение поверхности. Для вертикальной поверхности К = 1,66.

Для горизонтальных поверхностей величину αк, полученную по формуле (3.3), рекомендуется: для потолков увеличивать на 30%, для полов уменьшать на 30%. Учитывая, что на поверхность пола воздействует общий конвективный поток воздуха всего помещения, для полов можно принимать величину αк такую же, как и для вертикальных поверхностей.

Для наружных поверхностей ограждающих конструкций αк определяется по формуле Франка

где v – скорость ветра в м/с; e = 2,718 – основание натуральных логарифмов. За расчетную скорость ветра для зимних условий принимается средняя скоростьизтехрумбовзаянварь, повторяемостьветракоторыхсоставляет16 % иболее. Следует отметить, что первый член формулы (3.4) учитывает вынужденную конвекцию, а второй – естественную. Видно, что при наличии ветра второй член практически приближается к нулю и теплообмен происходит в основном

за счет вынужденной конвекции.

Для чердачных перекрытий, наружная поверхность которых выходит на чердак, защищенный от ветра, можно принять v = 0,5 v/c. При этом коэффициент отдачи тепла конвекцией по формуле (3.4) равен αк =5,25 Вт/(м2.°С). Для на-

12

ружных поверхностей, выходящих в замкнутое помещение αк определяется по формуле (3.3).

При эксплуатации гражданских зданий в зимний период, как правило, на поверхностях наружных стен обеспечиваются примерно одни и те же условия теплообмена и при расчетах теплозащиты можно использовать коэффициенты αв и αн, принимаемые для гладких стен αв = 8,7 Вт/(м2·°С), αн = 23 Вт/(м2 °С), приведенные в [3].

3.4. Рабочее задание

1.Измерить температуру внутреннего воздуха в помещении.

2.Измерить температуру внутренней поверхности наружной стены в пяти точках (четыре по углам и одна в центре исследуемой поверхности).

3.Определить по формуле (3.2) коэффициент теплоотдачи излучением, αв, Вт/(м2°С). Принимаем коэффициент излучения внутренней поверхности стены

иокружающих поверхностей С = 5,25 Вт/(м2 К4).

Рис. 3.1. Значения коэффициентов теплоотдачи αл (а) и αк (б), Вт/(м2 оС)

4.По формуле (3.3) определить коэффициент теплоотдачи конвекцией, αв, Вт/(м2°С), а по формуле (3.1) – коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности наружной стены, α в, Вт/(м2°С),

5.Определить коэффициенты теплообмена, αл’, αк’, Вт/(м2°С) по графикам, приведенным на рис.3.1. Для этого определить температурный перепад у поверхности стены ∆t = tв– τв, °С, и среднее значение температур tср = (tв+ τв)/2,°С.

6.Результаты расчетов занести в табл. 3.1.

7.Сравнить расчетные значения и значения, полученные по графикам, сделать заключение о долях лучистого и конвективного теплообмена в общем значении коэффициента теплоотдачи.

13

Контрольные вопросы

1.Дать определение конвективного теплообмена.

2.Дать определение лучистого теплообмена.

3.Что такое температурный градиент и тепловой поток?

4.Что такое конвекция и какие виды движения вы знаете?

5.Рассказать о характере передачи тепла у внутренней и у наружной поверхностей ограждения.

Литература [1, 3 - 4]

Лабораторная работа № 4

Определение звукоизоляции ограждающей конструкции

4.1. Цель работы

Закрепить знания о характеристиках звука и звукоизоляции помещений. Определить графоаналитическим способом зависимость звукоизоляции ограждающей конструкции в аудитории от частоты звука и сравнить полученную кривую с нормативной.

4.2.Приборы и принадлежности: линейка, карандаш.

4.3.Общие сведения

Звук как физическое явление представляет собой волновое колебание упругой среды и определяется слуховым ощущением от него. Распространение колебаний происходит в виде волн со скоростью, называемой скоростью звука (c, м/с). Количество энергии, переносимой звуковыми волнами в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения звука, называется интенсивностью звука (I, Вт/м2). Давление, возникающее в звуковой волне, называется звуковым давлением (P, Па).

14

Величины P и I в природе изменяются в широких пределах: давление от 2·102 до 2·10–5 Па, интенсивность звука от 102 до 10–12 Вт/м2. В технической акустике принято оценивать эти величины в относительных логарифмических единицах – децибелах (дБ). Поскольку оперировать многозначными числами неудобно, а также вследствие способности уха человека оценивать не абсолютное, а относительное изменение величин, введено понятие уровней.

В плоской или сферической волнах интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления и, следовательно, уровень звукового давления определяется как

где P0 = 2·10–5 Па – величина звукового давления, соответствующая пороговой интенсивности звука I0 = 10–12 Вт/м2, соответствующей едва слышимому звуку в области наибольшей чувствительности уха.

При падении звуковой волны на некоторую поверхность, большая часть звуковой энергии отражается, некоторое количество ее поглощается и переходит в тепло, а часть проникает через конструкцию. Звуки могут проникать в смежное помещение через незакрытые поры материала, отверстия и щели, а также за счет излучения энергии колеблющимся под воздействием звуковых волн ограждением. Способность ограждающей конструкции уменьшать проходящий через нее звук называется звукоизоляцией. Звукоизолирующая способность или изоляция воздушного шума ограждения, R, дБ, может быть определена по формуле

где τ – коэффициент звукопередачи, определяемый как отношение звуковой энергии, прошедшей через конструкцию, к падающей на нее; I – интенсивность звука, Вт/м2.

Звукоизоляция ограждения, R, дБ, может быть охарактеризована разностью уровней звукового давления в помещении с источником звука и в изолируемом от звука помещении, определяемой по формуле

где L1 – уровень звукового давления в помещении с источником звука, дБ; L2 – уровень звукового давления в защищаемом помещении, дБ; S – площадь ограждающей конструкции, м2; А – эквивалентная площадь звукопоглощения в защищаемом помещении, м2 (площадь поверхности с коэффициентом звукопоглощения α = 1 (полностью поглощающей звук), которая поглощает такое же количество звуковой энергии, как и данная поверхность или предмет).

В частотной характеристике звукоизоляции ограждающей конструкции можно выделить три характерных диапазона. В первом частотном диапазоне

15

звукоизоляция не поддается расчету (для большинства ограждений этот диапазон лежит ниже нормируемого диапазона частот). Во втором диапазоне звукоизоляция определяется по закону массы. В третьем частотном диапазоне звукоизоляция зависит не только от массы, но и от жесткости и коэффициента потерь звуковой энергии в материале конструкции.

4.4. Рабочее задание

Определить частотную характеристику звукоизоляции однослойной ограждающей конструкцией поверхностной плотностью 100…1000 кг/ м2 из бетона, железобетона, кирпича, керамических блоков графическим способом в виде ломаной линии, аналогичной ABCD на рис.4.1.

Рис. 4.1. Построение частотной характеристики звукоизоляции однослойным плоским ограждением

1. Определить абсциссу точки В – fв по табл. 4.1 в зависимости от толщины, h, мм, и плотности, , кг/м3, материала конструкции, округляя ее до среднегеометрической частоты, в пределах которой находится fв.

Таблица 4.1 Зависимость частоты от толщины и плотности материала конструкции

Примечание: для промежуточных значений частота fв определяется интерполяцией.

16

3.Из точки В влево провести горизонтальный отрезок ВА, а вправо от

точки В – отрезок ВС с наклоном 6 дБ на октаву до точки С с ординатой RС = 65 дБ. Из точки С вправо провести горизонтальный отрезок CD. Если точка С ле-

жит за пределами нормируемого диапазона частот (fС > 3150 Гц), отрезок CD отсутствует.

4.На том же графике построить оценочную частотную характеристику звукоизоляции ограждающей конструкции по нормативным данным (прил. В).

5.Сравнить построенные кривые и сделать заключение о частотной характеристике исследуемой ограждающей конструкции.

Контрольные вопросы

1.Дать определение уровней интенсивности звука и звукового давления.

2.Пути передачи звуковой энергии через ограждающие конструкции.

3.Звукоизолирующая способность ограждений и ее расчет.

4.Что такое коэффициент звукопередачи?

5.Рассказатьочастотнойхарактеристикезвукоизоляцииограждающихконструкций.

Литература [5] 17

Лабораторная работа № 5

Определение индекса изоляции воздушного шума ограждающей конструкцией

5.1. Цель работы

Ознакомиться с основными приборами, применяемыми при экспериментальных исследованиях изоляции воздушного шума ограждающими конструкциями, определить индекс звукоизоляции ограждающей конструкции по экспериментальной кривой. Проанализировать полученные результаты.

5.2.Приборы и принадлежности: шумомер ВШВ-003-М2 с комплектом шнуров и микрофонов, исследуемая конструкция или лабораторная установка, источник шума (акустическая звуковая колонка или громкоговоритель).

5.3.Общие сведения

Всякий нежелательный для человека звук называют шумом. Шум от одного помещения другому передается посредством звуковых волн. Шумы разделяются на стационарные и нестационарные по фактору зависимости от начала отсчета времени. Шум в помещениях в преобладающем большинстве случаев является нестационарным, т.е. значительно изменяющимся во времени по величине уровней звукового давления. Биологическое воздействие нестационарного шума на организм человека в существенной мере отличается от воздействия стационарного шума и определяется рядом факторов. К ним относят средний или эквивалентный уровень звуковой энергии, характер шума (периодический или случайный), время нарастания звуковой энергии, величина фонового шума, соотношение максимального и минимального значений уровней.

Борьба с шумом имеет не только санитарно-гигиеническое, но и большое технико-экономическое значение. В зависимости от способа реализации методы борьбы с шумом подразделяются на организационно-технические, архитек- турно-планировочные и акустические.

К акустическим методам относятся звукоизоляция, звукопоглощение и экранирование [6]. Разработка указанных мероприятий производится инженерами проектировщиками. Выбор метода снижения шума и его эффективность зависят от конкретных условий: частотного состава шума; требуемого снижения уровней; объемно-планировочного решения помещений и т.п. [7].

В процессе эксплуатации зданий нередко возникает необходимость быстрой и нетрудоемкой оценки звукоизоляции ограждения или его отдельного участка. В таких случаях производится экспериментальное измерение уровней звукового давления в помещении с диффузным звуковым полем и в изолируемом помещении. По результатам измерений производится расчет индекса изоляции, Rw, дБ – нормативного параметра звукоизоляции ограждающих конструкций жилых и общественных зданий одним числом. Полученные результаты позволяют в первом приближении установить соответствие изоляции требованиям норм и наметить практические пути ее повышения. В данной лабораторной ра-

18

3.Определить сумму неблагоприятных отклонений данной частотной характеристики от оценочной кривой. Неблагоприятными считают отклонения вниз от оценочной кривой.

Если сумма неблагоприятных отклонений максимально приближается к

32 дБ, но не превышает эту величину, величина индекса Rw составит 52 дБ. Если сумма неблагоприятных отклонений превышает 32 дБ, оценочную кривую сместить вниз на целое число децибел так, чтобы сумма неблагоприятных отклонений не превышала указанную величину. Если сумма неблагоприятных отклонений значительно меньше 32 дБ или неблагоприятные отклонения отсутствуют, оценочную кривую сместить вверх на целое число децибел так, чтобы сумма неблагоприятных отклонений от смещенной оценочной кривой максимально приблизилась к 32 дБ, но не превысила эту величину.

4.За величину индекса Rw принять ординату смещенной вверх или вниз оценочнойкривойвтретьоктавнойполосесосреднегеометрическойчастотой500 Гц.

5.Сравнить индексы изоляции воздушного шума конструкцией, полученные экспериментом, с нормативными значениями. При большой разнице (более 25%) необходимо выявить причину расхождения.

Контрольные вопросы

1.Что такое шум, и как подразделяются методы борьбы с шумом.

2.Индекс изоляции воздушного шума и методика его определения

3.Пути повышения изоляции воздушного шума ограждениями.

4.Факторы, влияющиенаизоляциювоздушногошумаограждениями.

5.Экспериментальные исследования изоляции воздушного шума.

Литература [6-7]

Лабораторная работа № 6

Определение коэффициента естественной освещенности при боковом освещении помещения

6.1. Цель работы

Определить при помощи люксметров значение естественной освещенности помещения лаборатории при боковом освещении, выявить соответствие коэффициента естественной освещенности нормативным требованиям.

6.2. Приборы и принадлежности: люксметр, рулетка.

6.3.Общие сведения

Естественное освещение – освещение помещений светом неба (прямым или отраженным), проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях. Оно зависит от многих объективных факторов: времени года и дня, погоды, географического положения и т.п.

Количественно естественное освещение помещений принято характеризовать относительной величиной, показывающей, во сколько раз естественная

20