ТЕПЛОПЕРЕНОС. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Стр 1 из 13Следующая ⇒

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ........................................ 5

Глава 1

ТЕПЛОВОЙ МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЙ. ....... 7

Глава 2

ТЕПЛОПЕРЕНОС. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

И ЗАКОНЫ. ....................................... 23

2.1. Виды теплообмена................................ 23

2.2. Теплопроводность................................ 24

2.3. Коэффициент теплопроводности.................... 27

2.4. Теплопроводность плоской стенки.................. 31

2.5. Теплообмен у поверхности ограждения.............. 35

Глава 3

СТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ. ................ 40

3.1. Сопротивление теплопередаче ограждающих

конструкций........................................ 40

3.2. Распределение температур в ограждающей

конструкции......................................... 43

3.3. Приведенное сопротивление теплопередаче

неоднородных ограждающих конструкций................ 53

3.4. Требуемое сопротивление теплопередаче.............. 69

3.5. Ограждения с воздушными прослойками.............. 84

3.6. Санитарно-гигиенический показатель тепловой........ 92

защиты зданий

3.7. Светопрозрачные ограждающие конструкции.......... 97

Глава 4

ОСНОВЫ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ ОГРАЖДЕНИЯ. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ (В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА). ................................... 104

Глава 5

ВЛАЖНОСТНОЕ СОСТОЯНИЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ. .................................. 127

5.1. Причины увлажнения ограждающих конструкций......128

5.2. Основные параметры влажностного состояния

воздуха............................................. 129

5.3. Конденсация влаги на поверхности ограждения........131

5.4. Паропроницаемость материалов ограждающих

конструкций......................................... 135

5.5. Сорбционное увлажнение материалов................ 150

5.6. Расчет влажностного режима ограждающих

конструкций......................................... 153

5.7. Пароизоляция.................................... 172

Глава 6

ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ. ................................... 175

ОБОЗНАЧЕНИЯ. ................................... 196

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. ........................... 199

ПРИЛОЖЕНИЯ. ................................... 201

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в нашей стране были существенно повышены требования к уровню тепловой защиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии. Эти требования связаны не только со стремлением к экономии топливно-энергетических ресурсов, но и с задачами охраны окружающей среды, необходимостью уменьшить влияние «парникового» эффекта и сократить выделения двуокиси углерода и других вредных веществ атмосферу.

Современные нормы по тепловой защите зданий установлены с целью проектирования зданий с рациональным использованием энергии. На это направлен комплекс архитектурных, строительных и инженерных решений.

Основной предмет строительной теплофизики - это обоснование и выбор наружных ограждающих конструкций зданий, которые обеспечивают заданный температурно-влажностный режим помещений, экономию энергоресурсов и долговечность самих конструкций ограждения.

Предлагаемое пособие посвящено теплофизическим основам проектирования ограждающих конструкций.

Цель учебного пособия – дать представление о связи комфортной тепловой среды в зданиях с использованием конструктивных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов; научить студентов на основании расчетов выбирать ограждающие конструкции зданий, обеспечивающие необходимый уровень тепловой защиты архитектурных объектов, требуемые экологические качества искусственной среды.

Для достижения цели при написании учебного пособия были поставлены следующие задачи: дать студентам знания об основных понятиях и законах процессов теплопередачи, паро- и воздухопроницаемости, о теплофизических свойствах строительных материалов; научить студентов определять нормативные и расчетные теплотехнические показатели ограждающих конструкций, проводить анализ полученных результатов и вносить необходимые коррективы.

Предлагаемое пособие написано коллективом авторов кафедры инженерно-экономических дисциплин ИАрхИ ЮФУ: введение, главы 1, 2, 3, 4 – Карасевой Л.В., глава 5 – Геппель С.А., глава 6 – Чебановой Е.В.

Учебное пособие «Теплофизика ограждающих конструкций архитектурных объектов» служит теоретической базой для курсового и дипломного проектирования для студентов направления «Архитектура».

Глава 1

Глава 2

ТЕПЛОПЕРЕНОС. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЗАКОНЫ

Виды теплообмена

Одним из основных процессов, рассматриваемых в строительной теплофизике, является теплообмен, происходящий в конструкциях зданий. Теплообмен возникает, если существует разность температур в отдельных зонах помещения или участках строительной конструкции. При этом тепловая энергия распространяется от зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой.

Различают три вида (или способа) переноса тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность – это теплоперенос при непосредственном соприкосновении тел или частей одного тела с разной температурой. Механизм теплопроводности можно объяснить на основе молекулярно-кинетических представлений; перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов), составляющих тело, и взаимодействия между ними.

Конвекцией называется перенос теплоты при движении жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) - это теплообмен между телами с разной температурой через лучепрозрачную среду (например, воздух, вакуум) с помощью электромагнитных волн. Он состоит из превращения внутренней энергии тела в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения другим телом.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача – теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого тела. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением.

Процессы переноса тепла в зданиях и их ограждающих конструкциях связаны со всеми видами теплообмена. Однако в воздушной среде у поверхностей конструкции, а также в воздушных прослойках и пустотах преобладает теплообмен конвекцией и излучением, в твердых же материалах конструкций перенос тепла осуществляется путем теплопроводности.

Включающий все виды теплообмена перенос тепла от нагретой среды к холодной через разделяющую эти среды стенку называется теплопередачей.

Теплопроводность

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела.

Совокупность значений температуры для всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. В общем случае температура t является функцией координат x, y, z и времени τ, то есть уравнение температурного поля имеет вид

t = f (x, y, z, τ ) (2.1)

Если температура со временем меняется, то поле называется нестационарным, а если не меняется – стационарным. В последнем случае

t = f (x, y, z) (2.2)

В строительной физике обычно не рассматриваются пространственные температурные поля, так как для большинства практических расчетов достаточно изучить двухмерное или одномерное температурное поле, возникающее в одной из проекций, т.е. в плане или разрезе конструкции. В этом случае при стационарных условиях температура в каждой точке проекции является функцией одной или двух координат:

t = f (x, y) - двухмерное стационарное температурное поле;

t = f (x) - одномерное стационарное температурное поле.

Температурное поле можно наглядно представить, если соединить точки с одинаковыми температурами и получить таким образом изотермы – линии равных температур. Так как в одной точке пространства одновременно не может быть двух разных температур, изотермы друг с другом не пересекаются. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермы, а сильнее всего температура меняется по нормали к изолиниям (рис.2.1).

Важной величиной, характеризующей температурное поле, является градиент температуры.

Рассмотрим отношение изменения температуры между двумя изотермами Δ t к кратчайшему расстоянию между ними Δ n (рис.2.1). Предел отношения Δ t / Δ n при Δ n, стремящимся к нулю, дает численное значение температурного градиента.

(2.3)

Градиент температуры является мерой интенсивности изменения температуры в направлении нормали к изолиниям. Он является вектором и направлен в сторону возрастания температуры. Единица измерения grad t - ˚ C/м.

Тепло самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимого в единицу времени через произвольную поверхность, называется тепловым потоком Q, Вт. Количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади, - это плотность теплового потока (или удельный тепловой поток) q, Вт/м². q – это вектор, направленный в сторону уменьшения температуры.

Изучая процесс теплопроводности, Фурье установил, что количество теплоты, передаваемое теплопроводностью, прямо пропорционально градиенту температур. Математическим выражением закона Фурье являются уравнения:

для плотности теплового потока

q = - λ grad t, (2.4)

для теплового потока Q, передаваемого через площадь F,

Q = - λ grad t · F, (2.4а)

для количества теплоты Q_τ, проходящего через площадь F за время τ,

Q_τ = - λ grad t · F · τ . (2.4б)

В дальнейшем изложении речь будет идти, в основном, о q – удельном тепловом потоке.

Множитель λ в (2.4) называется коэффициентом теплопроводности и является теплофизической характеристикой материала данного тела.

Знак минус в (2.4) указывает на то, что направления плотности теплового потока и температурного градиента противоположны.

Глава 3

Глава 4

ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ (В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА)

Рассматриваемые до сих пор теплотехнические расчеты относятся к стационарным условиям теплопередачи, когда температуры внутреннего и наружного воздуха постоянны. При этом через наружные ограждающие конструкции проходит установившийся поток тепла. В реальных условиях такое постоянство температур наблюдается редко, в связи с чем в некоторых случаях при расчетах ограждений следует учитывать нестационарный характер теплопереноса.

В холодный период года возможны значительные изменения температуры наружного воздуха, например, в период оттепели: от -30°С до +5°С в течение нескольких суток. Колебания температуры воздуха в помещении в этот период характерны для зданий с периодически действующим отоплением (комнатными печами и т.д.).

В летний период, особенно в южных регионах нашей страны, наблюдаются существенные изменения температуры наружного воздуха в течение суток, что связано с действием солнечной радиации. Прогрев ограждающих конструкций и проникновение солнечных лучей через светопроемы могут привести к перегреву помещений, нарушению в них комфортной тепловой среды.

Возникновение значительных периодических изменений температур наружного и внутреннего воздуха приводит к необходимости ввести дополнительные требования к теплозащитным качествам ограждающих конструкций. Ограждения должны обладать теплоустойчивостью.

Теплоустойчивость – это свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры на ее внутренней поверхности при изменении температуры воздушной среды.

Свойство теплоустойчивости ограждений способствует поддержанию в помещении постоянной температуры воздуха, что обеспечивает комфортные условия для людей. В зданиях с недостаточно теплоустойчивыми ограждающими конструкциями температура воздуха летом быстро поднимается, а зимой (при перерывах в работе отопительной системы) - быстро падает.

Следует отметить, что расчет ограждающих конструкций на теплоустойчивость, как правило, проводится для теплого периода года. Это можно объяснить тем, что для холодного периода характерен режим стационарной теплопередачи (п.3.1). В зимних условиях теплозащитные свойства ограждений определяются, в основном, величиной приведенного сопротивления теплопередаче R^r₀, а летом – при периодических суточных изменениях параметров наружного воздуха – теплоустойчивостью.

Рассмотрим нестационарную теплопередачу через ограждающие конструкции зданий в теплый период года.

Солнечная радиация относится к основным климатообразующим факторам. Значительное воздействие тепловой солнечной радиации на наружные поверхности ограждающих конструкций зданий в летнее время может существенно изменить температурную картину как внутри зданий, так и на прилежащей территории.

Общий тепловой эффект солнечного облучения вызван суммарной радиацией, включающей прямую и рассеянную радиацию. Прямая радиация связана с непосредственным воздействием прямых солнечных лучей; рассеянная радиация возникает в результате диффузного отражения солнечных лучей от облаков, капелек влаги, пылинок, содержащихся в приземном слое атмосферы.

Количество солнечного радиационного тепла, падающего на 1 м² поверхности за 1 с, определяет интенсивность суммарной солнечной радиации – I, Вт/ м².

Интенсивность солнечной радиации зависит от географической широты местности, состояния атмосферы, расположения поверхности и ее ориентации по сторонам света, времени дня. Если вести речь о непрозрачных ограждающих конструкциях, то наибольшую тепловую нагрузку от солнечного облучения претерпевают горизонтальные поверхности (кровли) и вертикальные поверхности (стены) западной и юго-западной ориентации. В последнем случае это связано с тем, что они облучаются солнцем во второй половине дня. Совпадают максимумы значений нестационарной температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации.

Максимальные и средние значения интенсивности суммарной солнечной радиации при ясном небе в июле приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Максимальные и средние значения интенсивности суммарной солнечной радиации при ясном небе в июле

Градусы с.ш.	Ориентация поверхности	Интенсивность солнечной радиации, Вт/ м²
максимальная I_max	средняя I_av
	Горизонтальная Западная
	Горизонтальная Западная
	Горизонтальная Западная
	Горизонтальная Западная
	Горизонтальная Западная
	Горизонтальная Западная
	Горизонтальная Западная

Температура воздуха у наружной поверхности ограждающих конструкций с учетом солнечной радиации определяется по формуле

t'_ext = t_ext + t_экв, (4.1)

где t_ext – расчетная температура наружного воздуха в тени;

t_экв - температура, эквивалентная тепловому действию солнечной радиации, вычисляемая по формуле

t_экв = , (4.2)

в которой ρ – коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью ограждения, принимаемый по таблице 4.2;

I – интенсивность суммарной солнечной радиации, падающей на наружную поверхность рассматриваемого ограждения;

a_ext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям; он рассчитывается по формуле

a_ext = 1, 16 (5 + 10 ), (4.3)

где υ – минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которой составляет 16% и более, принимаемая по СНиП 23-01, но не менее 1 м/с.

Проведенные расчеты показали, что суммарная температура у наружной поверхности кровли (ρ = 0, 9), определяемая по формуле (4.1) может превышать 70°С, а вблизи кирпичных стеновых ограждений (ρ = 0, 7) достигает 55°С. Возникает значительный нагрев поверхности, тепло передается через толщу ограждения, что может привести к перегреву помещения.

Формула (4.1) определяет текущее значение суммарной температуры, которое в течение суток меняется от максимального до минимального значения.

Во-первых, изменяется температура наружного воздуха в тени t_ext; максимальная амплитуда ее изменения A_t_,_ext принимается согласно СНиП 23-01-99 для июля. В расчетах рассматривается отклонение максимального значения температуры от среднего за сутки, такое отклонение составит 0, 5 A_t_,_ext.

Таблица 4.2

Коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции

№ п.п.	Материал наружной поверхности ограждающей конструкции	Коэффициент поглощения солнечной радиации r
	Алюминий	0, 5
	Асбестоцементные листы	0, 65
	Асфальтобетон	0, 9
	Бетоны	0, 7
	Дерево неокрашенное	0, 6
	Защитный слой рулонной кровли из светлого гравия	0, 65
	Кирпич глиняный красный	0, 7
	Кирпич силикатный	0, 6
	Облицовка природным камнем белым	0, 45
	Окраска силикатная темно-серая	0, 7
	Окраска известковая белая	0, 3
	Плитка облицовочная керамическая	0, 8
	Плитка облицовочная стеклянная синяя	0, 6
	Плитка облицовочная белая или палевая	0, 45
	Рубероид с песчаной посыпкой	0, 9
	Сталь листовая, окрашенная белой краской	0, 45
	Сталь листовая, окрашенная темно-красной краской	0, 8
	Сталь листовая, окрашенная зеленой краской	0, 6
	Сталь кровельная оцинкованная	0, 65
	Стекло облицовочное	0, 7
	Штукатурка известковая темно-серая или терракотовая	0, 7
	Штукатурка цементная светло-голубая	0, 3
	Штукатурка цементная темно-зеленая	0, 6
	Штукатурка цементная кремовая	0, 4

Во-вторых, меняется с течением времени интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность. Рассматривается отклонение максимального значения от среднего (см табл.4.1).

В итоге расчетную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха (с учетом солнечной радиации) определяют по формуле

. (4.4)

На рис.4.1 показана многослойная конструкция, температура наружного воздуха у поверхности которой меняется в течение суток с амплитудой . Можно представить, что у поверхности существует источник температурных волн. Колебания температуры передаются вглубь ограждающей конструкции, их амплитуды уменьшаются, т.е. колебания постепенно затухают.

Амплитуда изменения температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции - .

На рис.4.1 пунктиром показано мгновенное распределение температуры внутри конструкции, а сплошными линиями – границы возможных изменений температуры в каждом сечении.

Количественной мерой теплоустойчивости ограждающих конструкций является затухание температурных колебаний ν:

. (4.5)

Согласно СНиП 23-02-2003 амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности не должна превышать нормируемую амплитуду колебаний , определяемую по формуле

= 2, 5 – 0, 1(t_ext – 21), (4.6)

где t_ext – средняя месячная температура наружного воздуха за июль, принимается по СНиП 23-01.

Следует отметить, что расчет ограждающих конструкций на теплоустойчивость проводится для районов строительства со среднемесячной температурой июля t_ext ≥ +21°С.

При введении ограничений на амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности можно ввести требуемую величину затухания температурных колебаний ν ^req как

. (4.7)

Пример 4.1

Определить нормируемую амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности и требуемую величину затухания температурных колебаний ν ^req для западной стены с наружной отделкой штукатуркой известковой терракотовой в г. Ростове-на-Дону.

Решение

По данным СНиП 23-01: t_ext = +23°С; расчетная скорость ветра υ = 3, 6 м/с, максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха A_t_,_ext = 19°С.

Из таблицы 4.1 выпишем максимальное и среднее значения интенсивности суммарной солнечной радиации для 48º с.ш.: I_max = 764 Вт/м² и I_av = 184 Вт/м². Коэффициент поглощения солнечной радиации материалом поверхности (табл.4.2) ρ = 0, 7.

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям рассчитывается по формуле (4.3):

a_ext = 1, 16 (5 + 10 ) = 27, 8 Вт/(м² ∙ °С).

Нормируемую амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности определим по формуле (4.6):

= 2, 5 – 0, 1(23 – 21) = 2, 3°С.

Расчетную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха (с учетом солнечной радиации) вычислим, используя выражение (4.4):

= 0, 5∙ 19 + [0, 7 (764 – 184)]/ 27, 8 = 24, 1°С.

Требуемое значение затухания колебаний в стене составит (4.7)

ν ^req = 24, 1/ 2, 3 = 10, 48.

Следовательно, почти в 10, 5 раз должна уменьшится амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности по отношению к расчетной амплитуде колебаний температуры наружного воздуха.

Чтобы установить, является ограждающая конструкция теплоустойчивой по летним условиям или нет, следует сравнить требуемое значение затухания колебаний ν ^req с расчетной величиной ν. Конструкция отвечает требованиям теплоустойчивости в теплый период, если выполняется условие

ν ≥ ν ^req (4.8)

или ≤ .

Теория теплоустойчивости была разработана в СССР О.Е.Власовым, Л.А.Семеновым, А.М.Шкловером. На основе этой теории были созданы методы расчетов колебаний температур в ограждающих конструкциях, подвергающихся периодическим тепловым воздействиям, и получены формулы, которые применяются в Своде правил и приводятся ниже.

Расчетная величина затухания температурных колебаний в ограждении зависит от различных теплофизических свойств материалов конструкции. Эти свойства, в частности, определяют толщину слоя резких колебаний, непосредственно прилегающего к поверхности, воспринимающей периодические тепловые воздействия. Внутри слоя резких колебаний однородной конструкции амплитуда температуры затухает примерно вдвое.

Допустим, что однородная конструкция или внешний конструктивный слой имеет толщину больше, чем толщина слоя резких колебаний. При периодическом изменении теплового потока, поступающего на поверхность, температура этой поверхности также периодически изменяется. Отношение амплитуды колебаний плотности теплового потока к амплитуде колебаний температуры поверхности, периодически воспринимающей это тепло, представляет собой коэффициент теплоусвоения материала S. По своему физическому смыслу этот коэффициент является коэффициентом теплообмена при передаче через ограждения периодических тепловых воздействий путем теплопроводности. S измеряется в Вт/(м²∙ °С).

Величина коэффициента теплоусвоения зависит от периода тепловых воздействий, коэффициента теплопроводности, плотности и теплоемкости материала. при периоде в 24 часа, который характерен для летнего режима, значения S приведены в Приложении Б. Наибольшее теплоусвоение имеют тяжелые теплопроводные материалы: для стали S = 126, 5 Вт/(м²∙ °С), для гранита S = 25, 04 Вт/(м²∙ °С), для мрамора S = 22, 86 Вт/(м²∙ °С). Наименьшее теплоусвоение у легких теплоизоляционных материалов, например: у пенополистирола S = 0, 25 – 0, 89 Вт/(м²∙ °С) (в зависимости от плотности).

Величина усвоения тепла поверхностью относительно тонкого слоя будет отличаться от S, так как на нее влияет или степень усвоения тепла материалом, расположенным под тонким слоем – в многослойных конструкциях, или теплоотдача с противоположной поверхности ограждения – в однослойных. Коэффициент теплоусвоения поверхности тонкого слоя (с номером n в многослойной конструкции) определяется по формуле

, (4.9)

где R_n и S_n – соответственно термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения материала рассматриваемого слоя;

Y_n_-1 – коэффициент теплоусвоения следующего (по направлению тепловой волны) слоя. В случае, если противоположная поверхность рассматриваемого слоя граничит с внутренним воздухом, этот коэффициент принимается равным коэффициенту теплоотдачи внутренней поверхности α _int.

Степень затухания температурных колебаний в однослойной конструкции связана с показателем тепловой инерции ограждения D, который представляет собой произведение термического сопротивления на коэффициент теплоусвоения материала:

D = R∙ S. (4.10)

Эту безразмерную величину иногда называют «условной толщиной» ограждения.

Для многослойного ограждения показатель тепловой инерции определяют суммированием условных толщин отдельных слоев

D = R₁∙ S₁ + R₂∙ S₂ + …+ R_n∙ S_n. (4.11)

Показатель тепловой инерции для слоя резких колебаний D = 1.

Тепловая инерция – это свойство ограждения сохранять или медленно изменять существующее распределение температур внутри конструкции. Чем больше показатель D, тем большей тепловой инерцией обладает конструкция.

После введения ряда понятий опишем, в чем состоит расчет затухания температурных колебаний в конструкции, состоящей из N слоев.

Расчет затухания внутри многослойной конструкции следует начинать с последнего слоя на пути тепловой волны и переходить от слоя к слою, приближаясь к поверхности, подвергающейся периодическим тепловым воздействиям. То есть в летних условиях, когда нагревается наружная поверхность, вычисления начинают со слоя, граничащего с воздухом помещения. Нумерация слоев показана на рис.4.1.

Расчетное значение затухания температурных колебаний ν вычисляется по формуле

ν = 0, 9∙ ν ₁∙ ν ₂∙ …∙ ν _N∙ ν _ext, (4.12)

где ν _n – затухание в n-ном слое определяемое по формуле

, (4.13)

где Y_n – коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя n.

Если показатель тепловой инерции этого слоя D_n ≥ 1, слой считается толстым; в этом случае Y_n = S_n. Если D_n < 1, слой тонкий и Y_n находят по формуле (4.9).

Таким образом, расчет затухания температурных колебаний ν сводится, в основном, к последовательному вычислению коэффициентов теплоусвоения поверхностей конструктивных слоев Y_n. Степень затухания в наружном пограничном слое воздуха

ν _ext = . (4.14)

Пример 4.2

Оценить теплоустойчивость двухслойной стены при разном расположении конструктивных слоев. В расчете принять климатические условия г.Ростова-наДону (пример 4.1).

Стена состоит из следующих слоев:

- слой керамзитобетона на керамзитовом песке плотностью 800 кг/м³: толщина δ = 0, 24 м, коэффициент теплопроводности λ = 0, 24 Вт/(м∙ °С), коэффициент теплоусвоения S = 3, 83 Вт/(м²∙ °С);

- пенополистирольные плиты Стиропор PS15: δ = 0, 06 м, λ = =0, 04 Вт/(м∙ °С), S = 0, 25 Вт/(м²∙ °С).

Облицовочные слои в расчет не принимаются.

Варианты расположения слоев (нумерация ведется от внутренней поверхности):

а) 1-й слой – керамзитобетон, 2-ой слой – пенополистирол;

б) 1-й слой – пенополистирол, 2-ой слой – керамзитобетон.

Решение

Определим расчетную величину затухания температурных колебаний ν для двух вариантов и сравним результаты.

а) Вычисления начинаем с первого слоя.

n=1:

R₁= 0, 24/0, 24 = 1 м²·°С/Вт; D₁= 1·3, 83 = 3, 83> 1; значит: Y₁ = =S₁= 3, 83 Вт/(м²∙ °С); Y₀ = α _int = 8, 7 Вт/(м²∙ °С).

По формуле (4.13) найдем затухание в первом слое:

= 24, 54

n=2:

R₂= 0, 06/0, 04 = 1, 5 м²·°С/Вт; D₂= 1, 5·0, 25 = 0, 375< 1; слой тонкий, поэтому Y₂ рассчитаем по формуле (4.9):

= 0, 58

Тогда затухание ν ₂ составит (4.13):

= 6, 41

наружный слой воздуха:

a_ext = 27, 8 Вт/(м² ∙ °С).

Затухание в наружном слое рассчитаем по формуле (4.14):

ν _ext = = 1, 02

Затухание температурных колебаний стены с наружным расположением теплоизоляционного слоя составит (4.12):

ν = 0, 9∙ 24, 54∙ 6, 41·1, 02 = 144, 4

б) Аналогично проведем расчет для второго варианта расположения слоев в стене.

n=1:

R₁= 0, 06/0, 04 = 1, 5 м²·°С/Вт; D₁= 1, 5·0, 25 = 0, 375< 1; слой тонкий, поэтому Y₁ определим по формуле (4.9), при этом Y₀ = α _int = 8, 7 Вт/(м²∙ °С):

= 0, 626

Затухание ν ₁ составит (4.13):

= 13, 32.

n=2:

R₂= 0, 24/0, 24 = 1 м²·°С/Вт; D₂= 1·3, 83 = 3, 83> 1; значит: Y₂ = S₂ = =3, 83 Вт/(м²∙ °С);

По формуле (4.13) найдем затухание во втором слое:

= 8, 73.

наружный слой воздуха:

a_ext = 27, 8 Вт/(м² ∙ °С).

Затухание в наружном слое равно:

ν _ext = = 1, 14.

Затухание температурных колебаний стены с внутренним расположением теплоизоляционного слоя составит (4.12):

ν = 0, 9∙ 13, 32∙ 8, 73·1, 14 = 119, 3

На основании результатов, полученных в примере расчета величины затухания температурных колебаний, можно сделать следующие выводы:

1. Расчетная величина ν в обоих вариантах на порядок превышает требуемое значение (ν ^req = 10, 48 – из примера 4.1). Конструкция, запроектированная по зимним условиям (с большим сопротивлением теплопередаче), оказывается теплоустойчивой с большим запасом.

2. Теплоустойчивость ограждающей конструкции зависит от порядка расположения слоев материалов; величина затухания температурных колебаний ν в двухслойной конструкции увеличивается при расположении теплоизоляционного слоя снаружи.

Пример 4.3

Определить, удовлетворяет ли требованиям теплоустойчивости покрытие с утеплителем из пенополиуретана.

Исходные данные

1. Район строительства – г. Ростов-на-Дону.

Возьмем климатические параметры из данных примера 4.1:

t_ext = +23°С; расчетная скорость ветра υ = 3, 6 м/с, максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха A_t_,_ext = 19°С. Там же рассчитан коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции:

a_ext = 27, 8 Вт/(м² ∙ °С). Из таблицы 4.1 выпишем максимальное и среднее значения интенсивности суммарной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, для 48º с.ш.: I_max = 866 Вт/м² и I_av = 328 Вт/м².

2. Состав покрытия:

1-ый слой – железобетон: толщина δ ₁ = 0, 14 м, коэффициент теплопроводности λ ₁ = 1, 92 Вт/(м∙ °С), коэффициент теплоусвоения S₁ = 17, 98 Вт/(м²∙ °С);

2-ой слой – пенополиуретан: δ ₂ = 0, 16 м, λ ₂ = 0, 04 Вт/(м∙ °С), S₂ = =0, 4 Вт/(м²∙ °С);

3-ий слой – стяжка из цементно-песчаного раствора: δ ₃ = 0, 03 м, λ ₃ = 0, 76 Вт/(м∙ °С), S₃ = 9, 6 Вт/(м²∙ °С);

4-ый слой – рубероид: δ ₄ = 0, 01 м, λ ₄ = 0, 17 Вт/(м∙ °С), S₄ = 3, 53 Вт/(м²∙ °С)

Теплотехнические характеристики материалов принимаются по таблице Приложения Б для условий эксплуатации А.

Коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью рубероида (табл.4.2) ρ = 0, 9.

Решение

1. Нормируемую амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности определим по формуле (4.6):

= 2, 5 – 0, 1(23 – 21) = 2, 3°С.

= 0, 5∙ 19 + [0, 9 (866 – 328)]/ 27, 8 = 26, 9°С.

Требуемое значение затухания колебаний в покрытии составит (4.7)

ν ^req = 26, 9/ 2, 3 = 11, 7.

2. Определим расчетную величину затухания температурных колебаний ν.

а) Вычисления начинаем с первого слоя.

n=1:

R₁= 0, 14/1, 92 = 0, 073 м²·°С/Вт; D₁= 0, 073·17, 98 = 1, 31> 1; значит: Y₁ = S₁= 17, 98 Вт/(м²∙ °С); Y₀ = α _int = 8, 7 Вт/(м²∙ °С).

Найдем затухание в первом слое (формула (4.13)):

= 1, 87.

n=2:

R₂= 0, 16/0, 04 = 4 м²·°С/Вт; D₂= 4·0, 4 = 1, 6> 1; значит: Y₁ = S₁= =0, 4 Вт/(м²∙ °С).

Затухание ν ₂ составит (4.13):

= 71, 22.

n=3:

R₃= 0, 03/0, 76 = 0, 04 м²·°С/Вт; D₃= 0, 04·9, 6 = 0, 384< 1; слой тонкий, поэтому Y₃ рассчитаем по формуле (4.9):

= 4, 022.

Затухание температурных колебаний ν ₃ равно:

= 0, 96.

n=4:

R₄= 0, 01/0, 17 = 0, 06 м²·°С/Вт; D₄= 0, 06·3, 53 = 0, 212< 1; слой тонкий, Y₄ найдем по формуле (4.9):

= 3, 84.

Величина затухания ν ₄ составляет

= 1, 19.

наружный слой воздуха:

a_ext = 27, 8 Вт/(м² ∙ °С).

Затухание в наружном слое найдем по формуле (4.14):

ν _ext = = 1, 14

Расчетная величина затухания температурных ко

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒