книги / Строительная теплофизика

Q A — к 4 О ху - i d

Из условия теплового баланса сумма этих количеств тепла должна быть равна нулю, то есть

ki (txytj) + к2 Оху- ti) + к 3 Оху U) + к 4 Оху- U) = О

Решая данное уравнение относительно Ц получаем

Вчастном случае, когда температурное поле однородно, т.е.

к/= к 2 = к 3 = к4 =Const

t,+ t2+t3 +t4

1*у л

Иными словами, в однородном поле температура в каждом угле сетки равна среднему арифметическому температур в четырех ближайших углах.

Для определения величины коэффициентов теплопередачи полагают, что передача теплоты от точки Ц к точке tb происходит по квадрату abed (заштрихованная часть) со стороной А. Аналогично теплота передается и к другим точкам. Если материал в пределах квадрата abed со стороной А однороден, то

X

к

А ;

когда в пределах квадрата «abcd» материал неоднороден,

к ]_

R

R - термическое сопротивление части ограждения, ограниченной квадратом «abcd» со стороной А.

Величина к между углами, которые лежат на поверхности, граничащей с воздухом, определяется по формуле

aR

Коэффициент теплопередачи от этих узлов к воздуху равен коэффициенту теплоотдачи от поверхности к воздуху.

Рассчитав температурное поле, можно точно вычислить величину сопротивления теплопередаче ограждения. Для этого необходимо определить среднюю температуру поверхности тср и проходящее через поверхность количество тепла

Q '= ( txrxr-Сер) а

где tmi - температура воздуха, прилегающего к данной поверхности;

а - коэффициент теплоперехода от воздуха к поверхности.

Количество тепла, проходящего через ограждение

По условиям теплового баланса Çf =Qnt следовательно

К о э д -* с р

Решение задачи можно упростить, если применить метод электросиловой аналогии. Для этого используется специальная электрическая модель. Она состоит из электроприводной сетки, между узлами которой введены омические сопротивления, пропорциональные по величине термическим сопротивлениям сетки. Такая модель дает значения функций в узлах.

Исследование температурных полей данным методом производится с помощью специальных приборов-электрогенераторов.

1.11. Теплотехнический расчет ограждающей конструкции

Этот расчет выполняется для определения необходимых теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

Расчет производится в следующем порядке:

определяется требуемое сопротивление теплопередаче - R^ , либо исходя из условия энергосбережения, либо исходя из санитарногигиенических или комфортных условий;

определяется термическое сопротивление всех слоев без утепляющего слоя;

определяется термическое сопротивление утепляющего слоя

R ут.сл 'C - Z * .

-поскольку материал утепляющего слоя известен, определяется толщина утепляющего слоя, м

Полученную толщину утепляющего слоя округляют в большую сторону стандартного размера штучных изделий, а для засыпок - до целого числа сантиметров. После этого определяют окончательную величину термического сопротивления ограждения.

Пример 1. Теплотехнический расчет ограждающей конструкции

Определить толщину утепляющего слоя ограждения, состоящего из:

1.Кирпича Ô = 0,38, X = 0,81 ВТ/(м К);

2.Утеплитель «URSA» 6 = х, X = 0,04 ВТ/(м-К);

3.Кирпич Ô= 0,12, X = 0,81 ВТ/(м-К).

Ограждение возводится в г. Перми. R^ = 3,42

Этот расчет справедлив для многослойных ограждений, слои которых однородны, т.е. состоят из одного материала.

Очень часто строительные конструкции имеют неоднородное строение, так как слой может состоять из 2-х или более материалов, имеющих различные значения коэффициентов теплопроводности X. Тогда конструкция делится на несколько элементов, состоящих из однородных слоев.

Для подобных ограждений термическое сопротивление определяют по формуле

д,+2Л х

Когр 2

где — /?||- термическое сопротивление элементов конструкции, при условном делении ее плоскостями, параллельными тепловому потоку;

RL - термическое сопротивление элементов конструкции, при условном делении ее плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку

F, + F2+F3+...

где F и R - площадь и термическое сопротивление элемента конструкции, состоящего из однородных слоев

R±= # / + Я „ е о д + . . . Я „

g

где R„, R! - термическое сопротивление однородных слоев; R =—

/?Неод - термическое сопротивление неоднородного слоя;

Fl +F1+...Fn

Rнсод

^ F. F, Fn

Л, Л2 /to

Если Rn, Ri отличаются друг от друга не более, чем на 25 % , расчет закончен, если больше, то необходимо рассчитывать температурное поле и определять сопротивление теплопередаче по формуле

RZ = R T 4

где R™- сопротивление теплопередаче однородной ограждающей конструкции;

ч - коэффициент теплотехнической однородности конструкции, принимаемый по СНиП 23-02-2003.

В действительности температура внутреннего и наружного воздуха ограждающих конструкций не остается постоянной. Достигая за определенный промежуток времени максимальной или минимальной величины, она периодически меняется, вызывая изменение и теплового потока. Теплопередача в таких условиях носит название теплопередачи при нестационарных тепловых условиях.

Изменения температуры могут возникать:

1.в результате смены холодных и теплых масс наружного воздуха в зимнее время в течение одних и тех же суток;

2.при периодическом отоплении зданий;

3.под воздействием солнечной радиации.

1.12.1 Теплоусвоение

Предположим, что через толщу ограждения проходит нестационарный тепловой поток, величина которого меняется во времени по закону синуса с периодом колебания Z и амплитудой AQ(см. рис.З).

Ув зависит от периода колебаний теплового потока Z и ог теплотехнических свойств самого ограждения. Величина YBпредставляет собой максимальное изменение амплитуды колебания теплового потока, воспринимаемого внутренней поверхностью ограждения при амплитуде колебания температуры, равной 1 °С и имеет размерность Вт/(м2 ч . °С).

Если ограждение большой толщины состоит из однородного материала, то теплоусвоение его внутренней поверхности, при заданном периоде колебания температуры, зависит только от физических свойств материала и называется коэффициентом теплоусвоения материала (Вт/м2ч . °С):

• Г' *

5=2, 507 1 Z

X- коэффициент теплопроводности материала, вт/м .ч . °С;

у- объемная масса, кг/м3;

с- удельная теплоемкость, Дж/кг °С;

Z - период колебания теплового потока, ч.

При периоде колебаний Z= 24 часа.

S = 0,51

Наглядно свойство теплоусвоения можно представить следующим образом. Если приложить обе руки одновременно к двум поверхностям из бетона и из дерева, имеющим одинаковую температуру, то первая будет восприниматься как более холодная. Это ощущение вызывается тем, что бетон более интенсивно усваивает (отбирает) тепло, т.к. у него больший коэффициент теплоусвоения, чем у дерева ( S6 =12,5; Sa= 3,6).

1.12.2. Тепловая инерция здания

Колебания температуры на внутренней поверхности ограждения вызывают колебания температуры в его толще ( рис.4). По мере удаления от внутренней поверхности амплитуда колебания температуры в толще уменьшается и температурные волны затухают. Количество таких волн определяет собой свойство ограждения, которое получило название характеристики тепловой инерции. Величина ее безразмерна и для однородного ограждения определяется по формуле

D - R0. S

D - характеристика тепловой инерции;

Roтермическое сопротивление толщи ограждения;

S - коэффициент теплоусвоения материала.

Для многослойного ограждения D=£Rj*Sj

По величине тепловой инерции устанавливается степень массивности ограждающей конструкции. В зависимости от степени массивности все конструкции делятся на четыре вида:

Основным элементом здания, с которым человек имеет непосредственный контакт, является пол. Полы определяют тепловой комфорт помещений, поэтому их теплофизические характеристики не должны нарушать нормального режима терморегуляции. Теплотехнические свойства полов оцениваются по величине приведенного коэффициента тепловой активности пола Вп, который рассчитывается по формуле

B n= 0 '3 1 B 2+ 0 >4 ] B 6+ 0 ,28 B j2>

где В2,Вб,/^-эквивалентный коэффициент тепловой активности пола при продолжительности непрерывного контакта ноги с полом 2,6 или 12 минут.

Величина приведенного коэффициента тепловой активности пола сравнивается с требуемой, которая принимается в зависимости от назначения помещения и группы пола по таблице 13 СНиП 23-02-2003.

Коэффициенты В2,В6 и Bi2 определяются с учетом расположения нижней границы активного слоя, вовлекаемого в теплообмен с ногой. Активным называется слой материала, влияние теплотехнических свойств которого на величину количества поглощенного тепла составляет 95% общего воздействия. Расчетное значение показателя теплоусвоения поверхности пола В следует определять по своду правил СП 23-101-2000.

2.1.Влажностный режим ограждающих конструкций

Повышение влажности ограждающих конструкций приводит к ухудшению их эксплуатационных качеств, прежде всего снижает теплозащитные свойства. Это объясняется тем, что с увеличением влажности материала растет коэффициент его теплопроводности, и, следовательно, уменьшается сопротивление теплопередаче.

Кроме того увлажненные материалы быстро разрушаются от коррозии, замораживания и биологических процессов, тем самым ухудшая интерьер и микроклимат в помещении. Поэтому при проектировании ограждений необходимо предусматривать мероприятия, предотвращающие нежелательное увеличение влажности ограждающих конструкций.

Различают следующие виды влаги:

строительную, попадающую в ограждение вместе с растворами;

грунтовую (подземные воды);

метеорологическую ( дождь, снег);

эксплуатационную, выделяющуюся при различных процессах и работах;

гигроскопическую, поглощаемую из воздуха;

конденсационную (выпадение конденсата либо на поверхности ограждения, либо в его толще).

Два последних вида самые опасные для ограждений.

2.2. Влажность воздуха

Водяной пар, содержащийся в воздухе, характеризуется парциальным давлением, которое называется упругостью водяного пара е.

При данной температуре и давлении упругость водяного пара может достигать определенной величины, которая называется максимальной упругостью водяного пара Е. С увеличением температуры воздуха растет и максимальная упругость водяного пара.

Степень насыщения воздуха влагой обычно выражают через относительную влажность ср, представляющую собой отношение

действительной упругости водяных паров к максимальной ср - ^ 100 %.