книги / Строительная теплофизика

Для поддержания постоянной температуры организм человека непрерывно вырабатывает теплоту, которая отдается окружающей среде. В зависимости от эмоционального состояния человека, его одежды, возраста, вида выполняемой работы и физиологических особенностей организма, количество теплоты, теряемой в окружающую среду, может быть различным.

Общий тепловой баланс человека характеризуется следующим уравнением:

Q4± Q; ± Q: - Q: -Q! - Q Î ±ьоч =о

где Q4- теплопродукция организма человека, Вт;

Q*, Q l,Q“- теплообмен человека с окружающей средой путем конвекции, лучистого теплообмена и за счет трат на испарение влаги, Вт;

QÏ - расход теплоты на механическую работу, Вт;

Q f - теплота, затрачиваемая на физиологические процессы (обмен веществ, нагрев вдыхаемого воздуха и т.д.), Вт;

AQ4- избыток или недостаток тепла в организме человека, Вт;

Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы, то в организме может наблюдаться накопление теплоты, связанное с повышением температуры, или его дефицит, приводящий к переохлаждению организма. Интенсивность отдачи тепла человеком зависит от тепловой обстановки в помещении, характеризующейся:

температурой внутреннего воздуха, /в; влажностью внутреннего воздуха, рв; подвижностью внутреннего воздуха иь.

Комфортное сочетание этих показателей соответствует оптимальным метеорологическим условиям, при которых сохраняется тепловое равновесие, отсутствует напряжение в системе терморегуляции.

Допустимыми считаются такие условия, при которых возникает некоторая напряженность процесса терморегуляции и может иметь место небольшая дискомфортность тепловой обстановки.

Оптимальные условия применяются для расчета автоматически регулируемых систем, допустимые условия - для расчета обычных систем отопления и вентиляции.

/ - характерный размер панели, м2, / = ;

Fn - площадь панели, м2.

Эти формулы неприменимы для определения допустимой температуры на поверхности пола.

Допустимая температура нагретой поверхности пола может определяться по формуле

г™,=55,7 - l,63tmh

где /в1температура воздуха на высоте 1 м от пола.

Применение этой формулы ограничено предельными значениями температуры пола. Эти ограничения учитывают тип обуви:

-для голой стопы г „л=52-53 °С;

-для обуви с тонкой подошвой г пл = 36-38 °С;

-для обуви с толстой подошвой г „л = 45-48 °С.

При нагретой поверхности пола температура воздуха помещения на высоте 1 метр от пола выше расчетной температуры воздуха в помещении на R3 °С. Для проходов и переходов, не являющихся местом постоянного пребывания людей, целесообразно повышать температуру пола и снижать на 2-3 °С температуру воздуха.

Нормирование параметров воздуха в помещении осуществляется по СН 245-81, СНиП 41-01-2003 и ГОСТ 12.1.005-88 «Требования к воздуху рабочей зоны».

1.7. Теплопередача при стационарном тепловом потоке

Теплотехнические свойства ограждений должны обеспечивать требуемый температурный режим в помещении, допустимую величину колебаний температуры внутренней поверхности при температурных изменениях наружного воздуха. Температура внутренней поверхности не должна вызывать у человека ощущения холода, а также способствовать конденсации влаги, приводящей к разрушению отдельных слоев ограждения.

Ограждающие конструкции должны также в достаточной мере обладать сопротивлением воздухопроницанию, так как проникновение наружного холодного воздуха через конструкцию снижает ее теплотехнические свойства.

Для того чтобы определить, какие конструктивные меры могут обеспечить указанные теплотехнические требования, необходимо рассмотреть тепловые процессы, возникающие при прохождении теплового потока через толщу ограждения.

Тепловые потоки, проникающие через ограждения, делятся на стационарные и нестационарные. Стационарные характеризуются неизменной величиной во времени при постоянной температуре ограждения. Действительные условия теплопередачи обычно отличаются от стационарного режима, однако, практически расчет стационарных тепловых потоков дает достаточную точность, которая может быть принята при проектировании.

1.7.1. Теплопередача через однослойное ограждение

Элемент ограждающей конструкции соприкасается с внутренним и наружным воздухом. В холодное время года температура внутреннего воздуха значительно выше температуры наружного воздуха и тепловой поток направлен от внутреннего воздуха к наружному. В теплое время года температура наружного воздуха больше, чем внутреннего, и тепловой поток идет с улицы в помещение.

В зимний период теплота воздуха помещения воспринимается внутренней поверхностью, затем проходит через толщу ограждения и отдается наружному воздуху, то есть весь процесс состоит из трех этапов:

восприятие теплоты внутренней поверхностью от воздуха помещения;

передача теплоты через толщу ограждения;

отдача теплоты наружной поверхностью окружающему наружному воздуху.

От воздуха помещения к внутренней поверхности ограждения теплота передается конвекцией и излучением. Количество этой теплоты определяется по формуле

- г .)

ав - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения

(количество тепла, перешедшее к 1м2 ограждения за 1 час при разности температур воздуха помещения и внутренней поверхности ограждения 1 °С);

F - площадь ограждения, м2;

Количество тепла, проходящее через ограждение

X - коэффициент теплопроводности материала;

б - толщина слоя ограждения, м;

F - площадь ограждения, м2;

тв,т„ - температуры внутренней и наружной поверхностей ограждения,°С.

Наружная поверхность отдает тепло окружающему воздуху конвекцией и излучением

Q = OCH' F(T„-/„ )

а„ - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции;

тн, tH- температуры, соответственно, наружной поверхности стены и наружного воздуха,'“С. Общее количество тепла с учетом теплообмена с поверхностями и теплопередачи через толщу ограждения

температуры, при которой 1 м2 внутренней или наружной поверхности

ограждения за 1 час отдает 1 Вт тепла, при этом — - сопротивление

тепловосприятию на внутренней поверхности ограждения, 1

сопротивление теплоотдаче на наружной поверхности ограждения, £Я

термическое сопротивление теплопередаче материала ограждения.

Мерой теплозащитных качеств ограждения является его термическое сопротивление R„((м2*°С)/Вт). Это такой тепловой напор между внутренним и наружным воздухом, при котором через 1 м2 ограждения толщиной б и с коэффициентом теплопроводности X в 1 час проходит 1 ватг тепла.

То есть Ra - зависит отав и а„, Ô и X.

незначительных пределах, что вызвано более или менее разнообразными условиями теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждения. Поэтому для всех типовых строительных конструкций могут быть приняты заранее вычисленные и проверенные опытом значения коэффициентов теплоотдачи. Все они указаны в таблицах СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита здания».

Для многослойного ограждения R<, равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев, сопротивления тепловосприятию и сопротивления теплоотдаче.

1.7.2.Термическое сопротивление воздушных прослоек

Всостав многослойных ограждений часто включаются замкнутые воздушные прослойки, которые повышают сопротивление теплопередаче, так как коэффициент теплопроводности воздуха мал.

Величина термического сопротивления воздушной прослойки зависит от ее толщины, расположения и направления воздушного потока в ней. Значение термического сопротивления воздушной прослойки не рассчитывается, а берется из таблицы СНиП Н-3-79, так как его сложно рассчитать из-за того, что тепло передается теплопроводностью, конвекцией и излучением. Увеличение толщины воздушной прослойки не дает существенного увеличения ее термического сопротивления, так как увеличивается доля конвективной теплопередачи, что уменьшает термическое сопротивление воздушной прослойки.

Следовательно, при выборе конструкций с такими прослойками лучше отдать предпочтение нескольким тонким слоям, чем одному толстому.

Если в ограждении есть воздушная прослойка, сообщающаяся с наружным воздухом, то при определении термического сопротивления ограждения учитываются слои, расположенные от внутренней поверхности до вентилируемой воздушной прослойки.

Формулы для определения сопротивления теплопередаче дают возможность установить меру теплозащитных качеств в ограждения. Чтобы оценить полученное при расчете термическое сопротивление теплопередачи ограждения, необходимо сравнить его с нормативным.

В основу нормирования сопротивления теплопередаче положено ограничение тепловых потерь в зимний период и поддержание такой температуры внутренней поверхности, которая не вызывала бы у человека интенсивного радиационного охлаждения, и при которой на самой поверхности не образовывался бы конденсат. Сопротивление теплопередаче, отвечающее всем этим требованиям, носит название требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции. Требуемое сопротивление, из условий энергосбережения, определяется из таблицы 4 СНиП 23-02-2003 в зависимости от градусо-суток отопительного периода:

Md ~ Z(tinrtht) )

где Д а - градусо-сутки отопительного периода;

Z - продолжительность отопительного периода, сут.;

th, - средняя за отопительный период температура наружного воздуха,'“С;

tinr температура внутреннего воздуха1, °С.

Таким образом, определяется требуемое сопротивление для ограждающих конструкций жилых, общественных и административных зданий.

Для зданий с выделением явных теплоизбытков более 23 Вт/час и tj„t<\2 С, а также для зданий с сезонной эксплуатацией

АГ а я

где п - коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху;

At" - нормируемый перепад между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения;

авкоэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающей конструкции________________________________

'обозначения температур наружного t„, и внутреннего 1*п| воздуха используются только в СНиП 23-02-2003.

При проектировании и выборе конструкций ограждения необходимо знать распределение температуры в его толще и на поверхности.

Рассчитать температуру в любом слое ограждения можно по формуле

к о

где тхтемпература на границе рассчитываемого слоя; ^Л в.х- сумма термических сопротивлений слоев, расположенных от

внутренней поверхности до рассчитываемого слоя. Эту формулу можно записать в виде равенства

Следовательно, падение температуры прямо пропорционально изменению термического сопротивления в ограждении. Это положение лежит в основе графического метода определения температур в толще

Сумма всех отрезков дает величину сопротивления теплопередаче ограждения по всей толще. Через полученные точки проводят вертикальные линии и на крайних отмечают отрезки, соответствующие температурам внутреннего и наружного воздуха. Положительные температуры откладывают вверх, отрицательные - вниз.

Рис. 1. Графический метод построения распределения температур в толще ограждения

Точки 1и 2 соединяют прямой линией. Точки пересечения этой прямой с вертикалями дают отрезки, выражающие величины температур на границах слоев ограждения.

1.10. Температурное поле

Рассмотренный ранее метод определения температур в толще ограждения справедлив для плоских неограниченных стенок при направлении теплового потока перпендикулярно к поверхности стенки. Изменение температуры в данном случае происходит только в направлении движения теплового потока.

Схема распределения температур в плоскости или в пространстве называется температурным полем.

При изменении температур в одном направлении температурное поле одномерное, в двух направлениях двухмерное (плоское), в трех направлениях - трехмерное (пространственное).

Одномерность температурного поля может быть нарушена ограничением плоскости стенки (углы, проемы), изменением формы поверхности (выступы), наличием теплопроводных включений с коэффициентом теплопроводности, отличным от коэффициента теплопроводности основного материала.

Большое практическое значение имеет расчет плоского температурного поля, который позволяет точно установить сопротивление