Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технические принципы проектирования и эксплуатации ограждающих конструкций гражданских зданий. Часть 1. Наружные стены. Учебное пособие.pdf
Передача тепла к внутренней поверхности стены в зимних усло-
τ−α
=
τα=
α+α=α
α
+α=α
виях происходит от воздуха помещения за счёт конвекции и от других
ограждений помещения (стен, полов, потолков) за счёт излучения. При
этом вблизи стены происходит понижение температуры воздуха от t
до температуры τ
(см. рис. 2.6). Перепад температур Δtв = tв – τв, опре-
в
деляется процессами теплопередачи у поверхности стены. Величина
его зависит от коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности
стены α
на стену, q
, Вт/(м2⋅°С). Плотность потока тепловой энергии, приходящей
в
, Вт/м2, в этом случае находится по формуле
в
)(
tq . (2.1)
вввв
Передача тепловой энергии в сплошной без воздушной прослойки
стене происходит путём теплопроводности. Величина теплового потока, проходящего через стену, зависит от её толщины δ, м и от коэффициента теплопроводности кладки λ, Вт/м⋅°С. В этом случае плотность
теплового потока q, Вт/м
ется по формуле
2
, проходящего через толщу стены, вычисля-
λ
= tq
δ
. (2.2)
)(нвτ−
Отдача тепла наружной поверхностью стены внешней воздушной
среде происходит за счёт конвекции и излучения. При этом происходит понижение температуры от τ
до tн. Это связано с процессом теп-
н
лообмена, происходящим у наружной поверхности, зависящим от коэффициента теплоотдачи наружной поверхности стены α
Плотность теплового потока q
ны, определяется по формуле
, Вт/м2, уходящего с поверхности сте-
н
)(
tq −
. (2.3)
нннн
, Вт/(м2⋅°С).
н
Из формул (2.1) и (2.3) видно, что передача тепла на внутренних и
наружных поверхностях стен определяется величинами коэффициентов α
и αн, зависящими от условий конвективного теплообмена и теп-
в
лового излучения, т.е.
где
, αα ,
нлвк
,
влвкв
,αα – коэффициенты передачи тепла за счёт кон-
влвк
, (2.4)
нлнкн
векции и излучения соответственно на поверхностях стены. Для конкретных условий эксплуатации стен эти коэффициенты могут быть
найдены расчётом, выполняемым с использованием экспериментальных данных о температурах поверхностей стен и воздушной среды,
41
в
а также о характеристиках поверхностей ограждений, излучающих
α
α
тепловую энергию.
Коэффициенты излучения
лам, приведенным в [24]:
=α
вл
=α
нл
1
111
−+
CCC
1
−+
CCC
,
можно определять по форму-
нлвл
+τ
273
+
100
4
⎤
⎥
⎦
, (2.5)
4
273
⎤
⎥
⎦
. (2.6)
⎡
в
⎢
100
⎣
021
+τ
273
⎡
н
⎢
100
⎣
111
021
⎡
⎤
в
−
⎢
⎥
⎦
t
100
⎣
τ−
вв
4
t
⎡
⎤
н
−
⎢
⎥
⎣
⎦
t
−τ
нн
4
+
t
273
В формулах (2.5) и (2.6) C0 = 5,77 Вт/(м2⋅К4) – коэффициент излу-
чения абсолютно чёрного тела; C
и C2 – коэффициенты излучения
1
поверхностей наружной стены и других излучающих на эту стену поверхностей.
Если стена находится на достаточно большом расстоянии от стен
других зданий, коэффициент C
C
и формулу (2.6) можно записать в виде
0
C
1
=α
нл
−τ
в формуле (2.6) можно брать равным
2
+τ
273 t
⎤
⎥
⎦
4
⎡
н
−
⎢
⎣
⎧
⎪
⎡
н
⎨
⎢
100
t
⎪
⎣
нн
⎩
+
100
273
4
⎫
⎪
⎤
. (2.7)
⎬
⎥
⎪
⎦
⎭
Значения коэффициентов излучения для ряда отделочных мате-
риалов, используемых в практике, даны в табл. 2.5.
2.5. Коэффициенты излучения материалов
Наименование материала и состояние поверхностей
Мрамор шлифованный:
– серый 5,37
– тёмный 5,37
Гранит серый светлый шлифованный 2,42
Известняк шлифованный:
– светлый 2,31
– тёмный 2,31
Песчаник шлифованный красный 3,29
С, Вт/(м
2⋅К4
)
42
Продолжение табл. 2.5
Наименование материала и состояние поверхностей
С, Вт/(м
2⋅К4
)
Кирпич обыкновенный красный 5,37
Бетон, гладкая поверхность 3,58
Силикатный кирпич 5,25
Штукатурка:
– светлая 5,25
– тёмная 5,42
Эмалевые краски 5,18
Передача тепла за счёт конвекции различна для внутренней и наружной поверхностей стен. На внутренней поверхности происходит
передача тепла за счёт конвекции, возникающей при разности температур воздуха и поверхности стены. На наружной поверхности стены
передача тепла происходит в основном за счёт вынужденной конвекции воздуха при действии ветра. Поэтому коэффициенты теп
конвекцией α
Величину α
где
и αнк вычисляются по разным формулам.
вк
можно определить как [24]
вк
3
вк
τ−=Δ tt , °С; K – коэффициент, учитывающий положение по-
вв
tK Δ=α , (2.8)
верхности, равный для вертикальной гладкой поверхности стены 1,66.
Значения α
возможно определить, используя формулу Франка [18]:
нк
78,334,7
нк
+=α , (2.9)
v
91,1656,0
−
ev
где v – скорость ветра, м/с; e – основание натурального логарифма. За
расчётную скорость ветра для зимы принимается средняя скорость
ветра за январь тех румбов, повторяемость которых 16% и более. Расчётные скорости ветра даны в СП [21].
В формуле (2.9) первый член учитывает вынужденную за счёт
ветра конвекцию, а второй – естественную. При большой скорости
ветра вт
орой член формулы приближается к нулю, следовательно, в
этом случае отдача тепла в основном будет происходить только путём
вынужденной конвекции.
Пример 2.1. Необходимо определить коэффициенты теплообмена
у поверхностей наружной стены. При обследовании установлено, что
стена сложена из глиняного обожжённого кирпича. Толщина кладки
равна 0,51 м. Изнутри стена оштукатурена известково-цементной штукату
ркой толщиной 0,02 м. Снаружи стена выполнена без штукатурки.
лоотдачи
43
Температура и относительная влажность внутреннего воздуха соответственно равны t
ружной поверхностях стены равны τ
наружного воздуха – t
поверхности стены и других ограждений помещения имеют коэффициент излучения С = 5,25 Вт/(м
ной поверхности стены равен С = 5,37 Вт/(м
Решение. Величины α
= 18 °С, ϕв = 50%. Температуры на внутренней и на-
в
= 12 °С, τн = –23 °С. Температура
в
= –25 °С. Скорость ветра – 5 м/с. Внутренние
н
2⋅К4
). Коэффициент излучения наруж-
и αн определяются по формулам (2.4) –
в
2⋅К4
).
(2.9).
По формуле (2.5) находим коэффициент теплоотдачи излучением
стеной
27318
+
⎡
⎢
=α
вл
1
1
1
25,5
−+
25,5
100
⎣
1
77,5
⎡
⎤
−
⎢
⎥
⎣
⎦
1218
−
+
100
44
27312
⎤
⎥
⎦
2
СмВт56,4
°⋅=
.
Коэффициент теплоотдачи за счёт конвекции на внутренней по-
верхности стены определяется по формуле (2.8)
вк
3
2
°⋅=−=α
.СмВт02,3121866,1
Тогда коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности сте-
ны по формуле (2.4) определяется как
влвкв
2
СмВт58,756,402,3
°⋅=+=α+α=α .
Так как здание находится на большом удалении от других зданий,
будет равен С0, расчёт коэффициента теплоотдачи излучением сте-
С
2
ны выполняем по формуле (2.7)
⎧
+−
100
27323
⎡
⎤
−
⎢
⎥
⎦
100
⎣
=α
нл
37.5
⎡
⎨
⎢
−−−
)25(23
⎣
⎩
44
+−
⎫
27325
⎤
⎬
⎥
⎦
⎭
2
.СмВт31,3
°⋅=
Конвективный коэффициент теплоотдачи наружной поверхности
стены вычисляется по формуле (2.9)
нк
⋅−
e
2591,1656,0
.СмВт06,2178,3534,7
°⋅=+⋅=α
В целом коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены
равен
нлнкн
2
°⋅=+=α+α=α
.СмВт37,2431,306,21
Величины коэффициентов теплоотдачи αвк и αнл можно опреде-
лить также по графикам рис. 2.7.
44
α
′
α
′
τ+=
Вт/(м
Δ
τ−=
Δ
α
αвл,
2
⋅°С)
4,6
Вт/(м
2
⋅°С)
вк
3,6
,
3,8
3,0
2,8
2,0
–16 –8 0 8 16 24
2/)(
Рис. 2.7. Графики для определения коэффициентов лучистого αвл
и конвективного α
tt
a
ввв
1,2
0,4
0 4 8 12 16 20
теплообмена внутренней поверхности ограждения
вк
tt
вв
Для данных условий при Δt = t
– τв = 18 – 12 = 6 °С и t
в
= (18 + 12)/2 = 15 °С, коэффициенты
′
вк
2
°⋅=α
′
)См/(Вт99,2
,
вл
Соответственно, коэффициент теплоотдачи
′
Видно, что αв и
влвкв
практически совпадают.
в
′
α
и
вк
2
)См/(Вт63,4
°⋅=α
.
в
= (tв + τв)/2 =
aв
′
α
будут равны
вл
равен
2
).См/(Вт62,763,499,2
°⋅=+=α′+α′=α
Из результатов примера видно, что теплообмен на внутренней поверхности стены в данных условиях определяется в большей мере излучением (60%). В то же время с наружной поверхности стены отдача
тепловой энергии за счёт излучения незначительна и составляет величину 13,6% от общей отдачи тепла поверхностью. Конвективная отдача тепла наружной по
верхностью стены в основном вызвана вынужденной конвекцией. Отдача тепла за счёт естественной конвекции при
скорости ветра 5 м/с и более близка к нулю.
Так как зимой на поверхностях наружных стен, как правило,
создаются одни и те же условия теплообмена, при расчётах можно
также использовать коэффициенты α
и αн, принимаемые по
в
СП 50.13330.2012 [19] и равные для стен с гладкой поверхностью
= 8,7 Вт/(м2·°С), αн = 23 Вт/(м2·°С).
α
в
45
t
2.3.2. Теплофизические характеристики материалов кладки
Теплозащитные свойства наружных стен характеризуются величинами проходящих через них потоков тепловой энергии. В соответствии с (2.2) величина плотности потока тепловой энергии зависит от
коэффициентов теплопроводности материала стены λ.
Коэффициент теплопроводности λ показывает способность ма-
териала передавать тепло через свою массу. Коэффициент показывает
какое количество тепла в Дж, проходит за 1 с через 1 м
2
плоской стен-
ки толщиной в 1м при разности температур на ее поверхностях в 1 °С.
Коэффициент λ имеет размерность – Вт/( м·°С).
Величина коэффициента теплопроводности зависит от объёмной
плотности материалов, которая в свою очередь зависит от их пористости, структуры и влажности. Ниже рассмотрены все перечисленные
характеристики материалов, используемых для кладки стен.
ериалы кирпичной кладки являются пористыми телами.
Мат
Пористость материала оценивается объёмом пор в материале и
выражается через отношение объёма пор к общему объёму материала
в процентах, p, %.
Объёмная плотность материала ρ
, кг/м3 определяется массой
0
единицы объёма в том состоянии, при котором он используется во
время строительства. Объёмная плотность значительно отличается от
плотности материала при отсутствии в нём пор ρ, кг/м
керамические кирпичи, состоящие из глины и песка, имеют плотность
исходного материала – ρ = 2600 кг/м
плотность ρ
кирпича и до 700 кг/м
может изменяться в пределах от 1900 кг/м3 для плотного
0
3
для пористого кирпича.
3
. В то же время его объёмная
3
. Например,
Таким образом, величина пористости материала при наличии сведений о его плотности ρ и объёмной плотности ρ
определяется по
0
формуле
ρ−ρ
0
=p
100
ρ
, % . (3.10)
В материалах стены всегда содержится влага. Влажность кладки
определяется наличием в ней химически свободной воды. Влажность,
содержащаяся в кладке, оценивается относительными величинами влаги по массе w или по объёму w
w
=
v
mm
−
21
,%100
⋅
m
1
, ,%100
V
1
w
⋅=
v
V
2
, (3.11)
где m1, m2 – массы влажного и сухого материала; V1 – объём влаги,
содержащейся в материале; V
46
– объём сухого материала.
2
В зависимости от объёмной плотности материала при одном и
том же объёмном содержании влаги в образце значения влажности по
массе различны. Для материала с большей плотностью влажность по
массе имеет меньший процент, чем для материала с меньшей объёмной плотностью. Следовательно, показатель содержания влаги по объёмной влажности более полно оценивает наличие вла
ги в материале,
чем показатель влажности по массе. Объёмную влажность материала
практически невозможно определить экспериментально. Её находят
через влажность по массе, определяемой экспериментально
ρ=w
w
0
v
, (3.12)
1000
где w, ρ0 – влажность по массе и объёмная плотность сухого материала.
Теплопроводность кладки зависит от её объёмной плотности и,
следовательно, от пористости кирпичей. В связи с тем, что воздух имеет меньшую теплопроводность, чем материал кирпича, рост его пористости приводит к снижению коэффициента теплопроводности. Зависимость коэффициента теплопроводности от объёмной плотности для
глиняного кир
пича дана на рис. 2.8. Из графика видно, что по объёмной плотности кирпичей можно приближённо оценивать их коэффициенты теплопроводности. Коэффициент теплопроводности кирпича
кроме пористости зависит от размеров пор и структуры его материала.
При росте пор в них растёт конвекция воздуха и излучение и, соответственно, растёт теплопроводность воздуха в п
орах всего изделия. Это
влияние хорошо видно на графике рис. 2.8 в месте перелома графика в
точке 3.
Теплопроводность кирпичей зависит также от вида пор и их взаимной связи. При связанных порах возникают конвекционные токи
воздуха в материале и коэффициент теплопроводности возрастает. Так
как в материалах кладки поры в основном замкнуты и не сооб
щаются
между собой, то данное явление практически не влияет на теплопроводность кладки.
Коэффициент теплопроводности во многом определяется теплопроводностью основного материала. Это хорошо видно на примере
кладки из силикатного кирпича. Кирпич кладки и раствор кладки
имеют одинаковую объёмную плотность 1800 кг/м
3
. Однако их тепло-
проводность различна. Согласно [25] коэффициент теплопроводности
силикатного кирпича равен 0,754 Вт/(м·°С), а цементно-песчаного рас-
твора – 0,692 Вт/(м·°С).
47
ρ
λ,
Вт/м⋅°С
0,8
0,7
5
4
0,6
0,5
0,4
2
3
0,3
1
0,2
0,1
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
0
кг/м
Рис. 2.8. Зависимость коэффициента теплопроводности глиняного
кирпича от объёмной плотности по данным [24]:
1 – высокопористый кирпич с пористостью p = 69%;
2 – пористый кирпич с p = 54%; 3 – слабопористый кирпич с p = 46%;
4 – плотный кирпич пластического формования с p = 31%;
Коэффициент теплопроводности кирпичей в незначительной мере
зависит также от размеров контактных площадок между частицами
материала. При росте площадок контакта коэффициент теплопроводности возрастает.
При росте температур материала кладки происходит рост их коэффициентов теплопроводности. Увеличение связано с ростом кинетической энергии молекул материала, ростом теплопроводности воздуха в порах и с рос
ко, согласно [25] изменения коэффициентов теплопроводности материалов кладки в рабочем диапазоне температур кладки (от –50 °С до
+50 °С) незначительны и ими можно пренебречь.
48
5 – кирпич сухого прессования с p = 27%
том внутри их передачи тепла излучением. Одна-
,
3
λ,
Вт/м⋅°С
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0 0,1 0,7 2 2,4 4 6 8 9 w, %
Рис. 2.9. Зависимость теплопроводности кладки от влажности кирпича
по данным К. Ф. Фокина [24]
На величину коэффициентов теплопроводности материалов кладки существенно влияет их влажность. С увеличением влажности происходит рост теплопроводности, значительно снижающий теплозащитные качества стен. Влияние влажности на коэффициенты теплопроводности кладки показано на рис. 2.9 для стены, кладка которой
выполнена из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе.
Исследования влияния влаги на теплопроводности кир
пичей и
растворов были выполнены в середине XX века в НИИСФе А. У. Франчуком [25]. Часть данных, полученных им, приведена в табл. П2.
Увеличение теплопроводности кладки при росте её влажности
происходит в связи с тем, что вода, находящаяся в порах, имеет примерно в двадцать раз больший коэффициент теплопроводности по
сравнению с заменяем
ым ею воздухом. К тому же вода, появляясь в
порах, увеличивает размеры контактных связей между частицами материала и, соответственно, дополнительно растёт теплопередача.
Увеличение теплопроводности происходит не пропорционально
росту влажности. Из графика рис. 2.9 видно, что при увеличении начальной влажности кладки идёт более интенсивный рост коэффициента теплопроводности. Далее его ро
ст замедляется. Связано это с тем,
что при начальном увлажнении водой наполняются более мелкие поры
и капилляры. Их заполнение водой оказывает большее влияние на теплопроводность кирпичей, чем заполнение более крупных пор.
49
Теплопроводность влажной кладки при её замерзании возрастает
ещё больше. Вызвано это тем, что лёд, образующийся в порах, имеет
коэффициент теплопроводности, в 4 раза превышающий коэффициент
теплопроводности воды. Рост теплопроводности хорошо заметен при
сравнении коэффициентов теплопроводности, получаемых экспериментально при разных температурах [26]. На рисунке 2.10 в качестве
примера этого даны графики изменения коэффициента теплопроводно
сти керамического кирпича при увеличении его объёмной влажности для случаев положительных и отрицательных температур материала кладки.
Теплопроводность влажной кладки растёт с понижением температур ниже 0 °С. Связано это с тем, что замерзание влаги в порах
может происходить при более низких температурах, чем 0 °С.
Температура замерзания воды в порах зависит от их р
азмеров.
λ,
Вт/м⋅°С
1,200
1,100
1,000
0,900
0,800
0,700
0,600
0,500
0 2 5 10 15 20 wv, %
Рис. 2.10. Рост коэффициента теплопроводности керамического кирпича
с объёмной плотностью γ
при положительных (–■– –■–) и отрицательных ( • • ) температурах
от роста объёмной влажности:
= 1800 кг/м3 в зависимости
0
50