- •Основы строительной теплофизики
- •1. Методологические основы теплофизики
- •Основные понятия
- •Теплота (количество тепла) – изменение энергии тела в процессе теплообмена.
- •2. Теплопередача через однослойное ограждение
- •3. Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Однослойное однородное ограждение
- •4. Некоторые правила теплотехнического конструирования
- •5.Требуемое сопротивление теплопередаче
- •6. Температура на поверхности и внутри ограждения
- •Воздушный режим.
- •2. Влажностный режим.
- •2.3.Условие конденсации влаги в толще ограждения.
2. Теплопередача через однослойное ограждение
Стационарный тепловой поток формируется при неизменных во времени температурах внутреннего (tв) и наружного (tз) воздуха. Тогда температура в любом слое ограждающей конструкции не изменяется, поскольку не происходит нагревания или охлаждения этого слоя. Действительные условия теплопередачи отличаются от стационарных, однако в практических расчетах дают достаточную точность, необходимую для инженерных расчетов.
Рассмотрим процесс перехода тепла (см. рис. 4.1) от внутреннего воздуха к наружному через однородную однослойную конструкцию толщиной δ с теплопроводностью λ. Условно можно выделить три этапа прохождения тепла.
направление теплопередачи
αв=1/ Rв λ αз=1/Rз
tв = 22 оС
τв=16оС Qк
Qв Qз
Rв= tв- τв Rк= τв- τз τз= -2 оС Rз= τз- tз
tз=-12 оС
δ
Рис. 4.1 – Схема перехода тепла через однослойное ограждение
Тепловосприятие у внутренней поверхности. Передача тепла от внутреннего воздуха к поверхности происходит конвекцией и лучистым теплообменом. Совместное действие может характеризоваться коэффициентом теплоотдачи у внутренней поверхности αв.
Величина αв характеризует количество теплоты, перешедшей на 1 м2 площади ограждения за 1 час при разности температур 1 оС [Вт/(м2∙К)].
Количество тепла (Qв, Вт), перешедшего на внутреннюю поверхность (площадью F, м2) с температурой (τв. оС) может быть выражено зависимостью
. (1)
Теплопередача через ограждение. Происходит теплопроводностью и согласно закону Фурье количество передаваемой теплоты равно
, (2)
где - теплопроводность материала, Вт/(м∙К), зависящая от его плотности, влажностного состояния и условия єксплуатации.
Теплоотдача у наружной поверхности. Происходит также конвекцией и лучистым теплообменом, характеризуется коэффициентом теплоотдачи у наружной поверхности, αз, Вт/(м2∙К). На величину αз существенное влияние оказывает скорость ветра.
Количество тепла (Qз, Вт), перешедшего от наружной поверхности с температурой (τз, оС) к наружному воздуху может быть выражено зависимостью
. (3)
Общее количество теплоты (Qо, Вт), перешедшее от (tв) к (tз) равно
.
Решая это уравнение по правилу сложных пропорций, находим
. (4)
Величина - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м2∙К).
Тогда с учетом k
. (5)
Удельное количество тепла, проходящее через 1 м2 ограждения, равно
. (6)
В дальнейших расчетах индекс “o” опускается.
3. Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Однослойное однородное ограждение
Тепло, покидающее помещение, преодолевает сопротивления на всех рассмотренных (см. рис. 4.1) этапах.
1. Сопротивление теплоотдаче у внутренней поверхности, Rв, м2∙К/Вт, характеризующее необходимую разность температур (тепловой напор), при котором 1 м2 поверхности ограждения отдает 1 кДж теплоты. Иначе оно называется сопротивлением тепловосприятию и определяется как
. (7)
2. Термическое сопротивление слоя
. (8)
Сопротивление теплоотдаче у наружной поверхности
. (9)
Тогда полное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции такого типа, , находится как сумма рассмотренных сопротивлений по формуле
. (10)
Многослойное ограждение, состоящее из однородных слоев
В таком случае термическое сопротивление конструкции равно сумме термических сопротивлений ее слоев, т.е. , а общее сопротивление находится как
. (11)
Замкнутые герметичные воздушные прослойки.
За счет низкого значения теплопроводности воздуха воздушные прослойки часто используются в качестве теплоизоляции. Воздушная прослойка может быть герметичной или вентилируемой, в последнем случае ее называют воздушным продухом. Если бы воздух был в состоянии покоя, то его термическое сопротивление было бы очень высоким, Однако за счет теплопередачи конвекцией и излучением сопротивление воздушных прослоек падает.
Сопротивление теплопередаче может быть найдено в зависимости от толщины, положения (вертикальная или горизонтальная) и температуры внутри (положительная или отрицательная) прослойки.
Уменьшить поток тепла можно покрытием теплой поверхности (для избежания конденсата) фольгой, применив т.н. “армирование”. Лучистый поток уменьшается примерно в 10 раз, а сопротивление увеличивается вдвое. Иногда в воздушную прослойку вводятся сотовые ячейки из фольги, которые уменьшают и конвективный теплообмен, однако такое решение не долговечно.
Применение отражающей теплоизоляции (фольга плюс вспененный полиэтилен) может значительно увеличить сопротивление теплопередаче воздушной прослойки.
Термическое сопротивление неоднородных конструкций
В конструкциях могут находиться теплопроводные включения (бетонные ребра в стеновых панелях, колонны, перемычки над окнами и т.п.) или теплоизоляционные материалы (утеплитель в облегченной кирпичной кладке) существенно меняющие сопротивление теплопередаче ограждения.
В таких случаях определяется приведенное сопротивление теплопередаче, т.е. сопротивление условного ограждения с одномерным температурным полем той же площади, что и двумерное.
Если известны термические сопротивления j-х участков однородных зон Rj и их площади Fj, то приведенное сопротивление для участка ограждения общей площадью F определяется по формуле
. (12)
Тепловые потоки искажаются и вместо одномерного вида распределения имеется более сложная плоская или пространственная. В таких случаях, на основании экспериментальных исследований либо численного моделирования определяется значение Rj по формуле
. (13)
где , - средние температуры внутренней и внешней поверхностях термически однородной зоны, оC, соответственно;
qj – плотность теплового потока через термически однородную зону, Вт/м2;
Для типовых узловых соединений достаточно определить значение линейного коэффициента теплопередаче теплопроводного включения, kj, Вт/(мК), а затем приведенное сопротивление находить следующим образом
. (14)
В этой формуле Lj – длина теплопроводного включения, м. Таким линейным включением может быть стык плит перекрытия с наружной стеной, перемычки или монолитные пояса над проемами и т.п.
Температурные поля строятся с использованием специальных программ (ELCUT, THERM и т.д.) или могут быть рассчитаны по математическим моделям самостоятельно.