Факторы, влияющие на теплозащиту

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра теплогазоснабжения, вентиляции

И водоснабжения и водоотведения

Строительная теплофизика

Пермь

201 7

 

 УДК 697.13(07)

     Г20

Рецензент:

 

Гаражий О.В.

Г20 Строительная теплофизика: учебное пособие/ О.В. Гаражий – Пермь, 2017

 

Изложены основные понятия теплофизики ограждающих строительных конструкций, рассмотрены вопросы теплопередачи при стационарных и нестационарных условиях, воздухопроницаемости и влагопередачи.

Предназначено для студентов специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».

 

 

Пермский национальный исследовательский    

политехнический университет, 2017

 

--

 

ВВЕДЕНИЕ

 

          Здание – это совокупность помещений, представляющих собой ограниченный объём, в пределах которого протекает жизнедеятельность человека. Современное гражданское здание должно быть, прежде всего, комфортным для человека, экологически чистым, соответствовать своему функциональному назначению. В нем необходимо обеспечить эффективное использование энергии и других материально-технических ресурсов. Оно должно быть экономически рациональным.

До 50 % стоимости здания расходуется на выполнение ограждающих конструкций. Защищая помещение от внешних климатических воздействий, они формируют его интерьер и создают такую внутреннюю среду, которая необходима для нормального выполнения тех или иных функциональных процессов. Основным качеством ограждающих конструкций являются их теплозащитные свойства.

     Строительная теплофизика изучает теплопередачу, воздухопроницание и влажностный режим ограждений в связи с процессами тепло - и массообмена, обусловленными действием внешних климатических факторов и работой инженерных систем создания микроклимата.

Изучение этой дисциплины приобретает особое значение в настоящее время в связи с повышением требований к комфортности внутреннего климата помещений  и уменьшению затрат энергии и материальных ресурсов на инженерные системы.

      В строительной теплофизике рассматриваются вопросы:

- теплозащиты (уменьшение теплопередачи через ограждающие конструкции);

    - влагозащиты (уменьшение поступления влаги в ограждающие конструкции);

    - шумозащиты (уменьшение передачи звука через ограждающие конструкции);

    - пожарозащиты (увеличение огнестойкости ограждающих конструкций).

    В данном пособии рассматриваются только тепло - и влагозащита, являющиеся наиболее значимыми при проектировании инженерных систем создания микроклимата, так как от теплотехнических качеств наружных ограждений зависят тепловые потери здания и соответственно мощность системы отопления.

     Влажностный режим наружных ограждений влияет на их теплозащиту и, следовательно, на мощность системы отопления.

    От воздушного режима здания зависит не только наличие или отсутствие инфильтрации, но и работа систем вентиляции, особенно естественных.             

        

 

                                                                                                  

 

  Оглавление_____________________________________________________

 

Введение………………………………………………………………………….5

1.Теплозащита…………………………………………………………………...6

1.1.Основы теплозащиты……………………………………………………..6

1.2. Источники тепла для инженерных систем………………………….......6

1.3. Факторы, влияющие на теплозащиту…………………………………...7

1.4. Теплопередача……………………………………………………………7

1.5. Теплотехнические свойства строительных материалов…………….....9

1.6. Ощущение комфорта в помещении……………………………………10

      1.6.1. Первое условие комфортности…………………………………..12

      1.6.2. Второе условие комфортности…………………………………..13

1.7. Теплопередача при стационарном тепловом потоке………………....14

       1.7.1. Теплопередача через ограждение……………..……………......15

       1.7.2. Приведенное сопротивление теплопередаче…………………...17

       1.7.3. Термическое сопротивление воздушных прослоек……………19

1.8. Требуемое сопротивление теплопередаче……………………………..21

       1.8.1. Предписывающий подход……………………………………….21

       1.8.2. Потребительский подход………………………………………..22

1.9. Расчет температуры в толще ограждения……………………………..23

1.10. Температурное поле…………………………………………………...24

1.11. Теплотехнический расчет ограждающей конструкции……………..27

1.12. Теплопередача при нестационарном тепловом потоке……………..29

       1.12.1. Теплоусвоение………………………………………………….29

       1.12.2. Тепловая инерция здания………………………………………30

        1.12.3 Теплоустойчивость помещения………………………………..32

2. Влагозащита……………………………………………………………….33

       2.1.Влажностный режим ограждающих конструкций……………….33

       2.2.Влажность воздуха…………………………………………………35

       2.3.Конденсация влаги на внутренней поверхности ограждение…...36

       2.4.Паропроницаемость………………………………………………...37

       2.5. Сорбционное увлажнение…………………………………………38

3.Воздухопроницаемость……………………………………………………39

      3.1.Воздухопроницаемость материалов………………………………42

       3.3.Воздухопроницаемость конструкций……………………………..42

       3.3.Теплофизические особенности окон………………………………43

4.Зимний тепловой режим помещения……………………………………..45

       4.1.Обеспеченность расчетных условий………………………………45

       4.2.Расчётные значения параметров внутреннего микроклимата…...47

       4.3. Определение наибольших потерь тепла помещением…………...48

       4.4.богрев помещения…………………………………………………...49

          4.5.Тепловой баланс……………………………………………………50

 Библиографический список ……………………………………………………51

 Приложения……………………………………………………………………...52

-6-

 

ТЕПЛОЗАЩИТА                

 

Основы теплозащиты

Здание должно не только служить убежищем, но и создавать комфорт и поддерживать здоровье.

Комфорт в помещении зависит от следующих факторов:

- температуры внутреннего воздуха, t_в;

- радиационной температуры помещения, t_R;

- относительной влажности воздуха в помещении,φ_в;

- подвижности воздуха υ < 0.2 м/с.;

- деятельности человека.

Задачи теплозащиты:

- напряжения от влияния температуры ведут к повреждениям конструкции (летом – расширяются, зимой – уменьшаются). Следует разрабатывать новые строительные материалы, выдерживающие эти перепады температур.

- запросы людей возрастают, а сырьевые запасы не восполняются, их количество ограничено. Сырье следует экономить.

- сжигание жидкого топлива для отопительной цели загрязняет окружающую среду за счет выбросов, вредных газов и кислот. Поэтому теплозащита – это защита окружающей среды.

 

1.2.Источники тепла для инженерных систем

Существующие в настоящее время источники тепла для инженерных систем делятся на две группы: природные (возобновляемые) и искусственные.

К природным источникам относятся:

- солнечная энергия, накапливаемая в солнечных коллекторах для нагрева воды или в солнечных фотоэлементах для превращения в электрическую энергию;

- энергия воды, используемая в тепловых насосах для нагрева другого теплоносителя;

- воздух, отдающий в тепловых насосах свою теплоту другому теплоносителю;

- земля, отдающая в тепловых насосах теплоту, накопленную за теплый период, на обогрев здания;

- грунт, используемый для выращивания растений, из которых затем получается газ;

- ветер, вращающий крылья ветряной мельницы и вырабатывающий электрическую энергию.

К искусственным источникам относятся:

- механические; температура объекта увеличивается при трении( по этому принципу работают вихревые водонагреватели);

  

-7-

 

 - химические (не возобновляемые); тепло выделяется в реакции горения газа, нефти, угля;

- электрические, преобразующие ток в тепловую энергию;

- атомные, для нагрева используется атомная энергия.

 

Факторы, влияющие на теплозащиту

 

1. Теплоизоляция ограждающих конструкций.

2. Тепловая инерция ограждающих конструкций.

3. Расположение слоев в многослойной конструкции. Это важно и для образования конденсата.

4. Пропускание энергии окнами и другими светопрозрачными конструкциями.

5. Отношение площади окон к площади поверхности наружных ограждений.

6. Ориентация окон по сторонам света.

7. Наличие вентиляции.

8. Окраска наружных поверхностей: светлые – отражают солнечные лучи, темные – поглощают.

 

Теплопередача

         Перемещение теплоты всегда происходит от более тёплой среды к      более холодной. Процесс переноса теплоты из одной точки пространства в другую за счет разности температур называется теплопередачей. Теплопередача включает в себя три элементарных вида теплообмена:

- теплопроводность (кондукция);

-  конвекция;

- излучение (радиация).

Потенциалом переноса теплоты является разность температуры. 

Теплопроводность – передача теплоты от молекулы к молекуле за счет передачи кинетической энергии одних молекул другим. Наблюдается во всех трех агрегатных состояниях вещества. Выражается коэффициентом теплопроводности λ (Вт / м·⁰С). В чистом виде встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.

λ– количество тепла, передаваемого через 1 м² ограждения, толщиной  1 м за 1 час при разности температур в 1º С.

Чем меньше λ, тем меньше тепловые потери через конструкцию.

Процесс одномерной стационарной теплопроводности в однородном материале описывается уравнением Фурье

                            q_т = -λ· ( dt / dx),       ( 1)

 

-8-

 

где q_т- поверхностная плотность теплового потока, проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку, Вт/м²;

  λ- теплопроводность материала, Вт/м·^оС;

            t – температура, изменяющаяся вдоль оси х, ^оС.

Знак минус, стоящий в правой части уравнения (1), показывает, что увеличение теплового потока не совпадает с увеличением температуры.

    Конвекция – перенос теплоты движущимися частицами вещества. Имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела. При этом происходит передача теплоты и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности называют конвективным теплообменом. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, за-висит от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность, от температуры, плотности и вязкости движущей среды, от шероховатости поверхности, от разности между температурами поверхности и омывающей её среды. Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа, во втором – за счет внешних для данного процесса сил ( работы вентилятора, ветра). В практических расчетах для оценки конвективного теплового потока применяют уравнение Ньютона

 

q_к = α_к(t_в-τ),      (2)

 

    где q_к- тепловой поток, передаваемый конвекцией от движущейся среды к поверхности или наоборот, Вт;

          α_к- коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м²·^оС;

           t_в- температура воздуха, омывающего поверхность стенки, ^оС;

           τ- температура поверхности стенки, ^оС.

  Коэффициент теплоотдачи конвекцией, α_к- физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности температур воздуха и поверхности равной 1^оС. Вся сложность физического процесса конвективного переноса теплоты заключена в коэффициенте теплоотдачи α_к. Величина его является функцией многих аргументов. Для практического использования принимаются приближенные значения α_к.

   Излучение (лучистый теплообмен) – перенос теплоты с поверхности на поверхность через заполненное воздухом пространство, а также и без воздуха электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту.

  Любое физическое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию в виде электромагнитных волн. Например, лучистый теплообмен происходит между поверхностями, обращенными в помещение, между наружными поверхностями различных зданий. Важен лучистый теплообмен между внутренними поверхностями

-9-

 

ограждений помещения и поверхностью отопительного прибора. Интенсив-ность передачи теплоты излучением определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене

 

q_л = α_л·(τ₁- τ₂),           (3)

 

    где q_л- интенсивность передачи теплоты излучением, ВТ/м²;

        α_л – коэффициент лучистой теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м²·^оС;

        τ₁ и τ₂ – значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, ^оС.

         α_л- коэффициент теплоотдачи излучением - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от одной поверхности к другой путем излучения при разности между температурами поверхностей, равной

1 ^оС.

         

     1.5. Теплотехнические свойства строительных материалов

 

     Теплозащитные качества ограждающих конструкций в значительной мере зависят от теплотехнических свойств материалов, из которых они изготовлены. Величины теплотехнических показателей материалов определяются экспериментальным путем.

Основными теплотехническими показателями являются: плотность, пористость, влажность, теплопроводность, теплоемкость, теплоусвоение.

     Плотность материала – это масса единицы объема материала в сухом состоянии (кг/м³):

,  (4)

где m – масса материала, кг;

    ν – объём материала в рабочем состоянии, м³.

             Пористость материала – степень заполнения его объема порами:

Ρ=(1-γ/γ_º)·100%     (5)

где γ – объемная масса материала в естественном состоянии, кг/м³;

γ_о – объёмная масса материала в том состоянии, в котором он используется в строительстве, кг/м³.

Влажность – содержание в материале свободной воды. Бывает объемная и массовая.

Объемная влажность W _γ =               (6)

V₁ – объем влаги, содержащейся в материале;

V₂ – объем сухого материала

 

 

-10-

 

Влажность массовая

 

W_m = . 100 %,    (7)

где m₁, m₂ – масса сухого и влажного материала, кг.

 Определение объемной влажности связано с рядом трудностей, поэтому ее определяют через массовую влажность

 

 

       (8)

 

Теплопроводность– свойство материала проводить теплоту  через свою поверхность. Выражается через коэффициент теплопроводности λ Вт/м·^оС. Он определяется опытным путем. Теплопроводность зависит:

- от плотности материала, чем меньше плотность, тем больше сопротивление теплопередаче и меньше теплопроводность. То есть меньшее количество теплоты проходит через ограждение;

- от величины и распределения пор. Шарообразные поры лучше продолговатых, много маленьких пор лучше, чем мало больших, так как в продолговатых и больших порах увеличивается конвективный теплообмен;

- от влагосодержания материала. Увлажнение ухудшает теплоизолирующие свойства материала;

- от температуры материала. Молекулы нагретых материалов более подвижны, чем молекулы охлажденных материалов, следовательно, чем ниже температура материала, тем хуже теплопроводность.

Теплоемкость – свойство материалов поглощать теплоту при повышении температуры. Удельная теплоёмкость С - это количество теплоты в Дж, необходимое для нагрева 1 кг материала на 1⁰ (Дж/кг·^оС).

Коэффициент теплоусвоения Ѕ - это количество теплоты, проникающее в материал через 1 м², чтобы нагреть его на 1⁰ за время  (Вт/м²·^оС).

При большом коэффициенте теплоусвоения больше теплоты поглощается материалом и меньше поступает в помещение для нагрева воздуха и наоборот.