книги / Физико-техническое проектирование ограждающих конструкций зданий

Излучение (радиация) - процесс передачи тепла с помо­ щью электромагнитных волн, которые передаются от более на­ гретого другому, менее нагретому телу, превращаясь в нем в те­ пловую энергию.

Теплопроводностью называется процесс, когда передача тепла происходит в результате соприкосновения частиц твердо­ го материала (бетон, кирпич и т.п.). При теплопроводности мо­ лекулы твердого вещества в процессе передачи тепла остаются на месте, в то время как при конвекции передача тепла происхо­ дит путем изменения положения частичек вещества теплоноси­ теля (нагретого воздуха или горячей воды), что в результате ме­ няет тепловой потенциал окружающей среды.

Тепловая энергия путем излучения может передаваться как через воздух, так и через безвоздушное пространство. Тепловые лучи в виде электромагнитных волн, попадая на поверхность кого-либо материального вещества, частично поглощаются им, а частично отражаются от него. Эффект поглощения обычно ис­ пользуется в солнечных коллекторах, благодаря ему происходит нагревание воды и отопление помещений. Эффект отражения используется для задержания радиационного тепла в помещении путем наклеивания алюминиевой фольги за отопительными приборами или под утепляющим слоем мансарды, а также путем нанесения специального отражающего слоя на внутренние по­ верхности оконных стекол.

В ограждающих конструкциях теплообмен главным обра­ зом происходит за счет теплопроводности, но одновременно он сопровождается конвекцией и излучением. Так, через сплошные ограждающие конструкции передача тепла происходит путем теплопроводности, а через воздушные, прослойки ограждения и у его внутренних и наружных поверхностей - путем конвек­ ции и излучения.

Передача тепла из одной нагретой газообразной среды к другой через разделяющую твердую ограждающую конструк­ цию, при котором действуют все три вида теплообмена, называ­ ется теплопередачей.

И

1.3. Теплопередача через ограждения

Ограждающие конструкции - стены и покрытия - разделя­ ют две среды с различными температурами, давлением и влаж­ ностью.

Перенос тепла всегда происходит при разности температур на наружных и внутренних поверхностях ограждения. Тепловой поток, проходящий через ограждения, редко бывает постоян­ ным, он почти всегда меняется во времени.

Для упрощения расчетов принимают, что количество тепла, проходящее через ограждение, постоянно во времени. Такой те­ пловой поток называют стационарным.

ния, °С;

tat - то же, с наружной стороны, °С;

F - площадь ограждения, м2; z - время передачи тепла, ч;

к - коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств материала ограждения, называемый коэффициентом теплопе­ редачи.

Когда вместо температуры воздуха с двух сторон известны температуры на наружной и внутренней поверхности огражде­ ния, формула (1.1) принимает вид

12

Преобразовав формулу (1.2) относительно коэффициента теплопроводности X, можно получить его размерность

Численное значение коэффициента теплопроводности в ос­ новном зависит от плотности материала, влажности и природы материала.

Пористые материалы, как правило, содержат большое ко­ личество воздушных пор, а воздух имеет хорошие теплоизоля­ ционные показатели [Х = 0,02 Вт/(м-°С)]. Увлажнение материала ухудшает его теплоизоляционную способность, так как часть воздушных пор заполняется влагой, вследствие чего увеличива­ ется его плотность.

Таким образом, чем меньше значение коэффициента тепло­ проводности у материала ограждения, тем выше его теплоизо­ ляционные свойства, и наоборот, чем больше величина Х> тем большую теплопроводность имеет материал ограждения.

1.4.Сопротивление теплопередачи через однослойные

имногослойные ограждающие конструкции,

вы полненные из однородных слоев

Для теплотехнической оценки ограждающей конструкции главным является не то, какое количество тепловой энергии она пропускает, а то, как она сопро­ тивляется прохождению тепла.

Чем большим сопротивлением теплопередачи она обладает, тем выше ее теплоизоляционные

13

При прохождении теплового потока Q через плоскую од­ нородную пластинку толщиной 5 последняя оказывает сопро­ тивление, а сам процесс передачи тепла можно разложить на 3 составляющих его этапа: тепловосприятие; теплопроницание; теплоотдача.

На первом этапе прохождения теплового потока Q сопро­ тивляется внутренняя поверхность ограждения. Этот этап ха­ рактеризуется изменением температур {tinl- ^ si) между темпе­ ратурой внутреннего воздуха tin( (°С) и температурой внутрен­ ней поверхности ограждения тА7. (°С).

Для количественной оценки первого этапа теплообмена ис­ пользуется коэффициент тепловосприятия a int, Вт/(м2-°С), и ве­ личина ему обратная - сопротивление тепловосприятию м2-°С/Вт:

(1.4)

а.

На втором этапе прохождению теплового потока сопротив­ ление оказывает материал ограждающей конструкции на глуби­ ну 5. Это сопротивление характеризуется разностью температур (т„ - т ле) между внутренней и наружной поверхностью конст­

рукции и называется термическим сопротивлением ограждения. Численное значение термического сопротивления ограждения R (м2 оС/Вт) определяется по формуле

где 5 - толщина конструкции, м; А. - расчетный коэффициент теплопроводности материа­

ла конструкции, Вт/(м2 °С), принимаемый по приложению Д СП 23-1014)4.

Чем выше величина сопротивления теплопередаче конст­ рукции, тем выше теплозащитные свойства ограждения. Для по­ вышения сопротивления теплопередаче необходимо или увели­

14

чить толщину ограждения (5), или уменьшить коэффициент те­

плопроводности (к).

На третьем этапе прохождения теплового потока через ог­ раждающую конструкцию (теплоотдача) начинает сопротив­ ляться наружная поверхность ограждения, которая характеризу­ ется сопротивлением теплоотдачи Rse, м2*°С/Вт, и коэффициен­

том теплоотдачи а ехП Вт/(м2 °С), обратно связанным с Rse:

Этот этап характеризуется изменением температуры между наружной поверхностью ограждения и температурой наружного

Просуммировав три сопротивления прохождения тепла че­ рез ограждающую конструкцию, можно определить общее со­ противление теплопередаче однородной ограждающей конст­

поверхности ограждающей конструкций, Вт/(м2-°С);

R , , а ех1 - коэффициент теплоотдачи наружной по- ОСext

верхности ограждающей конструкции, Вт/(м2 °С);

Rk - термическое сопротивление ограждающей конструк­

ции, м2 °С/Вт, с последовательно расположенными однородны­ ми слоями, определяемое по формуле

15

где Rv R2, ..., Rn - термические сопротивления отдельных слоев

ограждающей конструкции, определяемые по формуле (1.5). Коэффициенты теплообмена a ini и а ех1 выражают количе­

ство тепла, которое в течение 1 ч обменивается между 1 м2 по­ верхности ограждающей конструкции и касающимся ее возду­ хом, когда разность температур между воздухом и поверхно­ стью ограждения составляет 1 °С. Численные значения этих коэффициентов приведены в табл. 1.1 и 1.2 и зависят от вида и положения ограждающей конструкции (горизонтальная - вер­ тикальная), а также характеристики поверхности ограждения (гладкая - шероховатая).

Наибольшее влияние на величину коэффициента а ех1 ока­ зывает скорость ветра, а на величину коэффициента a int - тем­

пературы внутреннего воздуха и внутренней поверхности огра­ ждения, а также интенсивность излучения поверхностей.

Таблица 1.1

Коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности ограждающей конструкции

16

Таблица 1.2

и стоимости целесообразно размещать внутри ограждения замк­ нутые воздушные прослойки. Воздух, обладая малой величиной коэффициента теплопроводности [ А, = 0,02 Вт/(м-°С)], является достаточно эффективным теплоизолятором и при разумном его применении позволяет получать ощутимую добавку к тепловой защите здания.

17

Расчет общего сопротивления теплопередаче ограждений с замкнутыми воздушными прослойками не отличается от по­ добного расчета сплошного ограждения за исключением того, что в формулу (1.8) включается термическое сопротивление воздушной прослойки, т.е.

где Ral - термическое сопротивление замкнутой воздушной

прослойки, принимаемое по табл. 1.3.

Таблица 1.3

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки Ral, м2-°С/Вт

При наличии в ограждающих конструкциях замкнутых воз­ душных прослоек рекомендуется руководствоваться следую­ щими положениями:

- размер прослойки по высоте не должен превышать высо­ ту этажа и быть не более 6 м; размер толщины - не менее 40 мм и не более 100 мм;

- воздушную прослойку необходимо располагать ближе к холодной стороне ограждения.

18

Установлено, что с увеличением толщины воздушной про­ слойки термическое сопротивление возрастает незначительно, поэтому целесообразно делать несколько узких прослоек, чем одну широкую. При использовании замкнутых воздушных про­ слоек следует предохранять их от проникновения наружного воздуха, так как в противном случае эффективность их исполь­ зования снижается в 5-10 раз из-за понижения температуры в прослойке до температуры, близкой к температуре наружного воздуха.

При использовании замкнутых воздушных прослоек в не­ оштукатуренных кирпичных стенах необходимо тщательно производить расшивку наружных швов, а в районах с сильными ветрами - оштукатуривать наружную поверхность.

1.5. Расчет температуры внутри ограждающих конструкций

Для проведения расчетов влажностного состояния ограж­ дающих конструкций и определения возможности образования конденсата на внутренней поверхности и в толще ограждения необходимо знать значения температур на границах слоев огра­ ждающей конструкции.

В стационарных условиях теплопередачи имеет место ра­ венство входящего и выходящего через ограждение теплового потока.

Согласно формуле (1.1) количество входящего в однослой­ ное ограждение теплового потока

По той же формуле (1.1) можно определить количество те­ плового потока, проходящего через ограждение:

где tiM и - расчетные температуры соответственно внутрен­

него и наружного воздуха, °С;

19

Rsi - сопротивление теплопередаче внутренней поверхно­

сти ограждения, м2-°С/Вт;

R0 - общее сопротивление теплопередаче однослойной ог­

раждающей конструкции.

Ko

В случае двухслойной ограждающей конструкции количе­ ство тепла, проходящего через первый слой ограждения, можно

0 .1 8 )

Ко По аналогии имеем, что температура на внутренней т к

верхности любого «-го слоя

20