Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепловой режим зданий. Ч.1. Строительная теплофизика. Учебное пособие по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 «Строительство» направленности «Те
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства»
(ПГУАС)
А.И. Еремкин, Т.И. Королева
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗДАНИЙ
Часть 1
СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
Рекомендовано Редсоветом университета
в качестве учебного пособия
по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 «Строительство»
направленности «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Пенза 2020
1
УДК 697.1(107,697.3:5(107)
ББК 31.38я73
Е70
Рецензенты: кандидат технических наук, зам. дирек-
тора по техническим вопросам – главный инженер филиала ОАО «МРСК
Волга – Пензаэнерго» М.А. Кожевников;
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» В.И. Горшков (ПГУАС)
Е70
Еремкин А.И.
Тепловой режим
зданий. Ч. 1. Строительная теплофизика: учеб. пособие по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 «Строительство»
направленности «Теплогазоснабжение и вентиляция»/ А.И. Еремкин,
Т.И. Королева. – Пенза: ПГУАС, 2020. – 116 с.
Рассмотрены теоретические основы расчета средств обеспечения теплового режима
зданий, порядок теплотехнической оценки ограждающих конструкций и методика проектирования строительных ограждений из условий теплоустойчивости, теплоусвоения,
паро- и воздухопроницаемости; приведены методические рекомендации по расчету теплопотерь через наружные ограждения.
Представлены примеры расчета по всем вышеперечисленным разделам.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Теплогазоснабжение и
предназначено для использования студентами, обучающимися по направлениям подго-
товки 08.03.01
тиляция», при изучении дисциплины «Строительная теплофизика».
Оно может также использовано инженерами-проектировщиками при разработке систем отопления зданий различного назначения.
, 08.04.01 «Строительство» направленности «Теплогазоснабжение и вен-
вентиляция» и
© Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства, 2020
© Королева Т.И., Еремкин А.И., 2020
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Жизнь современного человека немыслима без определенного уровня
комфортности помещений. В сущности любое здание нельзя рассматривать
без инженерных систем.
Цель дисциплины – системное изложение положений, составляющих
физическую сущность теплового, воздушного и влажностного режимов здания и представляющих основу изучения технологии обеспечения микроклимата для подготовки дипломированного бакалавра по профилю «Теплогазоснабжение и вентиляция».
Задачи освоения дисциплины:
сформировать общее представление о постановке и методах решения
теплового, влажностного и воздушного режима здания, как единой системы
обеспечения заданного микроклимата в помещении;
научить студента умению использовать теоретические положения и
методы расчета в процессе проектирования и эксплуатации систем обеспечения микроклимата здания.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
знать:
– законы движения тепла, воздуха и влаги применительно к ограждающим конструкциям зданий;
– фундаментальные основы физики, включая разделы «термодинамика»
и «теплопередача»;
– экономико-математические модели для теплотехнического расчета
наружных ограждающих конструкций;
– фундаментальные основы высшей математики, включая линейную ал-
гебру и математический анализ;
– отечественную и зарубежную научно-техническую информацию для
теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций;
– основные методы теплофизических расчетов, используя отечественный и зарубежный
уметь:
– квалифицированно выполнить теплотехнические расчеты наружных
ограждающих конструкций;
– проводить на практических занятиях расчеты по исследованию тепловлажностного режима в ограждениях;
– экономично подбирать наружные ограждающие конструкции с учетом
конкретных условий наружного климата;
– проводить расчеты влажностного и воздушного режимов наружных
ограждений;
– пользоваться справочной технической литературой;
– экономично выполнять ограждающие конструкции с учетом энергосбережения;
опыт;
3
– проводить теплофизических расчеты, расчеты влажностного и воз-
душного режимов наружных ограждений, используя отечественный и зарубежный опыт;
– пользоваться справочной технической литературой;
владеть:
– современными методиками расчета наружных ограждающих кон-
струкций;
– методикой расчета наружных ограждающих конструкций для различ-
ных зданий и сооружений;
– современными методиками расчета наружных ограждающих кон-
струкций для различных зданий и сооружений;
иметь представление:
– о конструкциях наружных ограждающих конструкций;
– о планировании и выполнении теоретических исследований
зованием современных методов эксперимента и средств ЭВМ для обработки
результатов;
– о планировании и выполнении теоретических исследований с исполь-
зованием современных методов отечественного и зарубежного опыта.
с исполь-
4
ВВЕДЕНИЕ
Вследствие особенностей климата на большей части территории страны
человек проводит в закрытых помещениях до 80 % времени. Для создания
нормальных условий его жизнедеятельности необходимо поддерживать в
этих помещениях строго определенный тепловой режим.
Тепловой режим в помещении, обеспечиваемый системой отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха, определяется в первую очередь
теплотехническими и теплофизическими свойствами ограждающих кон
струкций. В связи с этим высокие требования предъявляются к выбору конструкции наружных ограждений, защищающих помещения от сложных
климатических воздействий: резкого переохлаждения или перегрева, увлажнения, промерзания и оттаивания, паро- и воздухопроницания.
При принятии научно обоснованного решения по теплотехнической
оценке ограждения и выбору средств поддержания требуемого теплового
режима необходимо базироваться
мена и теплопередачи, теории подобия, термодинамики воздуха, климатологии и других наук, которые лежат и в основе современных методик расчета, регламентируемых, в частности, действующими, СНиП 41-01-2003,
СП 60.13330.2012, СП 131.13330.2012, СП 50.13330.2012, СП 54.13330.2011,
СП 118.13330.2012 и другими нормативными документами.
В данном пособии ставится цель ознакомить студентов с систематизированными
ществующими методиками расчета экономически целесообразного сопротивления теплопередаче наружных ограждений с наименьшими приведенными затратами, с имеющимися методиками проверочных расчетов принятых ограждений на соответствие влажностному и воздушному режиму, а
также на теплоустойчивость и теплоусвоение.
Ограждающие конструкции с высокоэффективными теплоизоляционными свойствами обеспечивают
отопления зданий на основе определения оптимальных теплопотерь, а следовательно, и тепловой нагрузки отопительных установок. Такой подход
позволяет оптимизировать выбор оборудования и конструктивное исполнение систем отопления и, в частности, выбор обоснованных диаметров труб
и площадей поверхностей нагрева отопительных приборов.
Изложенные в работе подходы позволяют при минимальных
материальных затратах обеспечить тепловой режим помещений, который
важен не только для создания среды обитания человека и сохранения зданий
и сооружений, а также расположенных в них материальных ценностей, но в
ряде случаев и для поддержания технологического процесса, высокой производительности труда и высокого качества продукции.
теоретическими материалами по обозначенной проблеме, с су-
на положениях теории тепло- и массооб-
выбор экономически обоснованных систем
энерго- и
-
5
1. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЯ
НА ЧЕЛОВЕКА
Известно, что при взаимодействии человека с окружающей средой происходит теплообмен, в результате которого поверхность тела может поглощать теплоту или отдавать ее в окружающую среду. Так, в спокойном состоянии взрослый человек отдает 120 Вт, при легкой работе до 250 Вт, при
тяжелой – до 500 Вт. Если выбранная телом теплота равна отдаваемой, то
человек чувствует себя хорошо, не ощущает влияния окружающей среды.
Такое его состояние называется комфортным, а внутренние условия помещения оптимальными, или комфортными.
Процесс теплообмена тела человека с окружающей средой происходит
на основе общих теплофизических законов путем конвективного теплообмена, лучистого теплообмена, испарения и через дыхание.
При комфортных условиях теплоотдача, т.
составляет 14–30 % от общей величины теплообмена и зависит от разности
температуры тела человека и внутреннего воздуха, а также от подвижности
воздуха в помещении. В жилых помещениях для обеспечения комфортных
условий, т.е. теплообмена конвекцией в указанных пределах (до 30 %),
е. конвективный теплообмен,
должна поддерживаться температура от 18 до 28 С и подвижность воздуха
в
пределах от 0,1 до 0,3 м/с.
Теплообмен излучением, т.е. лучистый теплообмен, являющийся доминирующим и колеблющийся при оптимальных условиях в пределах от
44–65 % от общей величины теплообмена, определяется разностью температуры внутренних поверхностей помещения и поверхности тела человека
и зависит от расположения и размеров нагретых поверхностей.
Теплоотдача через испарение влаги с
словленная разностью парциального давления водяных паров на поверхности кожи и в воздухе, при оптимальных условиях составляет 20–30 % от общей величины теплопотерь тела человека; наиболее оптимальной считается
35–40 % при температуре внутреннего воздуха 18…20 С.
Для ощущения полного теплового комфорта необходимо, чтобы тепловой режим в помещении обеспечивал указанные
ных видов теплообмена между человеком и окружающей средой. Нарушение этих соотношений или глубокое их перераспределение приводит к резкому изменению физиологических процессов в организме человека и вызывает дискомфорт.
Взаимосвязь рассматриваемых факторов и их влияние на человека впервые отметил русский инженер И.И. Фловицкий, а
поверхности тела человека, обу-
выше соотношения отдель-
позднее американские
6
ученые выработали критерии оценки теплового режима помещений, называемые эффективной (ЭТ) и эквивалентно-эффективной температурой
(ЭЭТ).
Критерий ЭТ учитывает одновременное влияние температуры и относительной влажности воздуха. В критерий ЭЭТ включалось еще и влияние на
самочувствие человека подвижности воздуха.
Однако предложенные критерии не учитывают доминирующий лучистый теплообмен (теплообмен
окружающих поверхностях существует радиационно-эффективная температура (РЭТ), которая, в свою очередь, не учитывает подвижность и относительную влажность внутреннего воздуха.
Для полного учета влияния основных метеорологических факторов на
самочувствие человека В.В. Стефанов предложил критерии результирующей температуры (РТ).
В последние годы для оценки теплового
ются различные критерии, представленные в виде номограмм.
При гигиенической оценке внутреннего микроклимата, кроме указанных выше параметров и критериев, необходимо, кроме того, учитывать характер поддерживаемого в помещении теплового режима: статический (постоянный) или динамический (изменяющийся во времени). Динамический
тепловой режим более благоприятен для человека, так как
ритмическому изменению активности человека, кроме того, при изменяющихся условиях происходит закаливание организма. По данным гигиенических наблюдений, в жилых помещениях рекомендуется изменять темпера-
излучением). Для учета температуры на
режима помещений применя-
он соответствует
туру воздуха в течение дня и понижать ее на 2..3 С ночью. Так, в учреждениях в зимнее время считается целесообразным поддерживать с утра внутреннюю температуру tв=19 С, повышая ее к полудню до 21 С и понижая
после обеда до 18 С.
7
2. УСЛОВИЯ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА В ПОМЕЩЕНИИ
Исходя из технико-экономической целесообразности комфортные условия должны поддерживаться не во всем объеме помещения, а лишь в местах
преимущественной деятельности человека и постоянного его пребывания,
т.е. в рабочей зоне высотой 2 м от пола. За расчетное значение t
температуру воздуха на высоте 1,5 м от пола и на расстоянии 1 м от наружной стены.
Тепловой режим помещения, характеризуемый температурой воздуха t
С, и температурой внутренних поверхностей
, С, считается комфорт-
вп
ным, если соблюдаются первое и второе условия комфортности.
По первому условию комфортности поддерживается такой температур-
принимают
в
в
,
ный режим в помещении (t
, вп, С), при котором человек, находясь в сере-
в
дине помещения, не испытывает перегрева или переохлаждения.
Радиационная температура в помещении t
, С, определяется по фор-
R
муле
, (2.1)
где
Ti
коэффициент излучения с поверхности тела человека в сто-
i
r
–
вп()Rir
рону окружающих поверхностей;
–
вп()i
Зависимость между t
п
–
где t
Зависимость между t
температура окружающих поверхностей, С.
и tв в холодный период можно выразить как
R
= 1,57tп – 0,057t
t
R
температура помещения, равная t
состоянии человека t
умеренной работе t
и tв в теплый период можно записать как
R
= (1,57tп) – (0,05tв) 1,5, (2.3)
t
R
= 23 С, при легкой работе – tп = 21 С, при
п
= 18,5 С, при тяжелой работе – tп = 16 С).
п
1,5, (2.2)
в
=(tв +t
п
)/2, С, (при спокойном
R
где t
помещениях t
пятидневки) t
t
в
служебных помещениях t
– то же, что и формула (2.2) (при спокойном состоянии человека
п
= 26 С, при умеренной работе tп = 24 С, при тяжелой работе –
t
п
= 22 С).
t
п
Расчетные значения t
= 18…24 С, при температуре наружного воздуха (холодной
в
ниже –31 С tв= 22 С; на лестничной клетке tв = 16 С; в кухне
хп
определяются назначением помещений: в жилых
в
= 18 С; в помещениях детских и больничных учреждений tв = 18…25 С; в
= 18…20 С.
в
Второе условие комфортности определяет температурный режим для
человека, находящегося около нагретых или охлажденных поверхностей в
рабочей зоне (главным образом в условиях производственных цехов).
8
Из уравнения лучистого теплообмена при контакте человека с окружа-
ющими поверхностями допустимая температура нагретой поверхности в по-
доп
мещении
, С, для холодного периода года определится как
п
доп
19,2 + 8,7/r n, (2.4)
п
где
n –
r
коэффициент излучения с поверхности тела человека в сторону
нагретых поверхностей [1].
В теплый период года температура нагретых поверхностей должна быть
не более
доп
29,3 + 2,7/r n. (2.5)
п
Допустимая температура холодной поверхности в холодный период
года, определяемая выражением
доп
23 – 5/r n, (2.6)
п
обеспечивает условие недопустимости конденсации влаги на внутренней
поверхности наружных ограждений.
Допустимая температура на внутренней поверхности окна:
доп
14 – 4,4 / r n. (2.7)
ок
В практике строительства, особенно с применением систем напольного
панельно-лучистого отопления, необходимо учитывать, что ноги человека
особенно чувствительны к переохлаждению и перегреву поверхности пола.
Допустимая температура поверхности пола
, С, зависит от tв, С, и на вы-
пл
соте 1 м составляет
доп
55,7 – 1,63t
Предельные значения
пл
для голой ноги составляют 32–33 С, для обуви
пл
в.
с тонкой подошвой 36–38 С, для обуви с толстой подошвой 45–48 С.
В связи с этим не рекомендуется располагать панели для охлаждения
помещения в теплый период года в плоскости пола.
(2.8)
9
3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ
Значительное повышение требований к уровню теплозащиты зданий,
согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (Актуализированная
редакция СНиП 23-02-2003), приводит к необходимости широкого использования в однослойных ограждающих конструкциях легких и ячеистых бетонов с низкой плотностью от 400 до 1000 кг/м
дениях – эффективных утеплителей из пенопласта и минваты с плотностью
40–100 кг/м
3
и других современных утеплителей. Для большей части терри-
тории России проектирование конструкций наружных стен жилых, общественных и других зданий из обыкновенного кирпича становится нецелесообразным, т.к. это приводит к чрезмерно большой толщине ограждения. В
этом случае рационально принять стену из облегченной кладки или из обыкновенного кирпича со
сверхлегким утеплителем, размещенным снаружи
или внутри ограждений.
Теплотехнический расчет проводится для всех наружных ограждений
для холодного периода года с учетом района строительства, условий эксплуатации, назначения здания и санитарно-гигиенических требований,
предъявляемых к ограждающим конструкциям и помещению, из условия,
3
, а в многослойных ограж-
что температура на внутренней поверхности t
пературы точки росы t
, С, но не менее чем на 2–3 С. Теплотехнический
р
, С, должна быть выше тем-
в
расчет внутренних ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий) проводится при условии, если разность температур воздуха в помеще-
ниях более 3 С.
3.1. Исходные данные и расчетные параметры
внутреннего и наружного воздуха
В качестве исходных данных для выполнения теплотехнического расчета, определения теплозащитных свойств ограждающих конструкций и
проектирования систем отопления принимаются термодинамические параметры внутреннего и наружного воздуха и теплофизические характеристики строительных материалов ограждений.
Район строительства характеризуется расчетными параметрами наружного воздуха для холодного и теплого периодов года, которые представлены
в
1, табл.1.
В холодный период (t
8 С) в качестве исходных данных принимают:
н
расчетную зимнюю температуру наружного воздуха наиболее холодной пятидневки t
ную t
н.min
, С, наиболее холодных суток tхс, С, и абсолютно минималь-
хп
, С с коэффициентами обеспеченности 0,92 или 0,98; среднюю
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]