Воздушные прослойки в ограждающих конструкциях. Ограждения с воздушными прослойками. Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке

Контрольная работа

по теплофизике № 11

Термическое сопротивление воздушной прослойки

1. Доказать, что линия снижения температуры в толще многослойного ограждения в координатах «температура - термическое сопротивление» является прямой

2. От чего зависит термическое сопротивление воздушной прослойки и почему

3. Причины, вызывающие возникновение разности давления с одной и другой стороны ограждения

температура сопротивление воздух прослойка ограждение

Пользуясь уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно определить толщину одного из его слоев (чаще всего утеплителя - материала с наименьшим коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь заданную (требуемую) величину сопротивления теплопередаче. Тогда требуемое сопротивление утеплителя можно вычислить как, где - сумма термических сопротивлений слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя - так: . Для дальнейших расчетов толщину утеплителя необходимо округлять в большую сторону кратно унифицированным (заводским) значениям толщины того или иного материала. Например, толщину кирпича - кратно половине его длины (60 мм), толщину бетонных слоев - кратно 50 мм, а толщину слоев из иных материалов - кратно 20 или 50 мм в зависимости от шага, с которым они изготавливаются на заводах. При ведении расчетов сопротивлениями удобно пользоваться из-за того, что распределение температур по сопротивлениям будет являться линейным, а значит расчеты удобно вести графическим способом. В этом случае угол наклона изотермы к горизонту в каждом слое одинаков и зависит только от соотношения разности расчетных температур и сопротивления теплопередачи конструкции. А тангенс угла наклона есть не что иное как плотность теплового потока, проходящего через данное ограждение: .

При стационарных условиях плотность теплового потока постоянна во времени, и значит, где R х - сопротивление части конструкции, включающее сопротивление теплообмену внутренней поверхности и термические сопротивления слоев конструкции от внутреннего слоя до плоскости, на которой ищется температура.

Тогда. Например, температура между вторым и третьим слоем конструкции может быть найдена так: .

Приведенные сопротивления теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций или их участков (фрагментов) следует определять по справ очнику, приведенные сопротивления плоских ограждающих конструкций с теплопроводными включениями также следует определять по справ очнику.

2. От чего зависит термическое сопротивление воздушной прослойки и почему

Происходит помимо передачи тепла теплопроводностью и конвекцией в воздушной прослойке еще и непосредственное излучение между поверхностями, ограничивающими воздушную прослойку.

Уравнение теплообмена излучением: , где б л - коэффициент передачи тепла излучением, в большей степени зависящий от материалов поверхностей прослойки (чем ниже коэффициенты излучения материалов, тем меньше и б л) и средней температуры воздуха в прослойке (с увеличением температуры растет коэффициент теплопередачи излучением).

Таким образом, где л экв - эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки. Зная л экв, можно определить термическое сопротивление воздушной прослойки. Впрочем, сопротивления R вп можно определить и по справ очнику. Они зависят от толщины воздушной прослойки, температуры воздуха в ней (положительной или отрицательной) и вида прослойки (вертикальной или горизонтальной). О количестве тепла, передаваемого теплопроводностью, конвекцией и излучением через вертикальные воздушные прослойки, можно судить по следующей таблице.

Толщина прослойки, мм	Плотность теплового потока, Вт/м 2	Количество тепла в %, передаваемого	Эквивалентный коэффициент теплопроводности, м о С/Вт	Термическое сопротивление прослойки, Вт/м 2о С
		теплопроводностью	конвекцией	излучением




Примечание: приведенные в таблице величины соответствуют температуре воздуха в прослойке, равной 0 о С, разности температур на ее поверхностях 5 о С и коэффициенту излучения поверхностей С=4,4.

Таким образом, при проектировании наружных ограждений с воздушными прослойками необходимо учитывать следующее:

1) увеличение толщины воздушной прослойки мало влияет на уменьшение количества тепла, проходящего через нее, и эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины (3-5 см);

2) рациональнее делать в ограждении несколько прослоек малой толщины, чем одну прослойку большой толщины;

3) толстые прослойки целесообразно заполнять малотеплопроводными материалами для увеличения термического сопротивления ограждения;

4) воздушная прослойка должна быть замкнутой и не сообщаться с наружным воздухом, то есть вертикальные прослойки необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий (более частое перегораживание прослоек по высоте практического значения не имеет). Если есть необходимость устройства прослоек, вентилируемых наружным воздухом, то они подлежат особому расчету;

5) вследствие того, что основная доля тепла, проходящего через воздушную прослойку, передается излучением, прослойки желательно располагать ближе к наружной стороне ограждения, что повышает их термическое сопротивление;

6) кроме того, более теплую поверхность прослойки рекомендуется покрывать материалом с малым коэффициентом излучения (например, алюминиевой фольгой), что значительно уменьшает лучистый поток. Покрытие же таким материалом обеих поверхностей практически не уменьшает передачу тепла.

3. Причины, вызывающие возникновение разности давления с одной и другой стороны ограждения

В зимнее время воздух в отапливаемых помещениях имеет температуру более высокую, чем наружный воздух, и, следовательно, наружный воздух обладает большим объемным весом (плотностью) по сравнению с внутренним воздухом. Эта разность объемных весов воздуха и создает разности его давлений с двух сторон ограждения (тепловой напор). Воздух попадает в помещение через нижнюю часть наружных его стен, а уходит из него через верхнюю часть. В случае воздухонепроницаемости верхнего и нижнего ограждений и при закрытых проемах разность давлений воздуха достигает максимальных значений у пола и под потолком, а на середине высоты помещения равна нулю (нейтральная зона).

Подобные документы

Тепловой поток, проходящий через ограждение. Сопротивления тепловосприятию и теплоотдаче. Плотность теплового потока. Термическое сопротивление ограждения. Распределение температур по сопротивлениям. Нормирование сопротивления теплопередаче ограждений.

контрольная работа , добавлен 23.01.2012

Передача тепла через воздушную прослойку. Малый коэффициент теплопроводности воздуха в порах строительных материалов. Основные принципы проектирования замкнутых воздушных прослоек. Меры по повышению температуры внутренней поверхности ограждения.

реферат , добавлен 23.01.2012

Сопротивление от трения в буксах или подшипниках полуосей троллейбусов. Нарушение симметрии распределения деформаций по поверхности колеса и рельса. Сопротивление движению от воздействия воздушной среды. Формулы для определения удельного сопротивления.

лекция , добавлен 14.08.2013

Изучение возможных мер по повышению температуры внутренней поверхности ограждения. Определение формулы по расчету сопротивления теплопередаче. Расчетная температура наружного воздуха и теплопередача через ограждение. Координаты "температура-толщина".

контрольная работа , добавлен 24.01.2012

Проект релейной защиты линии электропередачи. Расчет параметров ЛЭП. Удельное индуктивное сопротивление. Реактивная и удельная емкостная проводимость воздушной лини. Определение аварийного максимального режима при однофазном токе короткого замыкания.

курсовая работа , добавлен 04.02.2016

Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Удельный тепловой поток Термическое сопротивление теплопроводности трехслойной плоской стенки. Графический метод определения температур между слоями. Определение констант интегрирования.

презентация , добавлен 18.10.2013

Влияние числа Био на распределение температуры в пластине. Внутреннее, внешнее термическое сопротивление тела. Изменение энергии (энтальпии) пластины за период полного ее нагревания, остывания. Количество теплоты, отданное пластиной в процессе охлаждения.

презентация , добавлен 15.03.2014

Потери напора на трение в горизонтальных трубопроводах. Полная потеря напора как сумма сопротивления на трение и местные сопротивления. Потери давления при движении жидкости в аппаратах. Сила сопротивления среды при движении шарообразной частицы.

презентация , добавлен 29.09.2013

Проверка теплозащитных свойств наружных ограждений. Проверка на отсутствие конденсации на внутренней поверхности наружных стен. Расчет тепла на нагрев воздуха, поступающего инфильтрацией. Определение диаметров трубопроводов. Термическое сопротивление.

курсовая работа , добавлен 22.01.2014

Электрическое сопротивление - основная электрическая характеристика проводника. Рассмотрение измерения сопротивления при постоянном и переменном токе. Изучение метода амперметра-вольтметра. Выбор метода, при котором погрешность будет минимальна.

В статье рассматривается конструкция теплоизоляционной системы с замкнутой воздушной прослойкой между теплоизоляцией и стеной здания. Предлагается использовать паропроницаемые вставки в теплоизоляции с целью предотвращения конденсации влаги в прослойке воздуха. Приводится метод расчета площади вставок в зависимости от условий использования теплоизоляции.

This paper describes the thermal insulating system having dead air space between the thermal insulation and the outer wall of the building. Water vapour-permeable inserts are proposed for use in the thermal insulation in order to prevent moisture condensation in the air space. The method for calculating the area of the inserts has been offered depending on the conditions of the thermal insulation usage.

ВВЕДЕНИЕ

Воздушная прослойка является элементом многих ограждающих конструкций зданий. В работе исследованы свойства ограждающих конструкций с замкнутой и вентилируемой воздушными прослойками. В то же время особенности ее применения во многих случаях требуют решения задач строительной теплотехники в конкретных условиях использования.

Известна и широко используется в строительстве конструкция теплоизоляционной системы с вентилируемой воздушной прослойкой . Основное преимущество этой системы перед легкими штукатурными системами - возможность выполнения работ по утеплению зданий круглый год. К ограждающей конструкции вначале прикрепляется система крепежа утеплителя. Утеплитель прикрепляется к этой системе. Наружная защита утеплителя устанавливается от него на некотором расстоянии, так что между утеплителем и наружным ограждением образуется воздушная прослойка. Конструкция системы утепления позволяет осуществлять вентиляцию воздушной прослойки с целью удаления излишков влаги, что обеспечивает снижение количества влаги в утеплителе. К недостаткам этой системы можно отнести сложность и необходимость наряду с использованием утеплительных материалов применять сайдинговые системы, обеспечивающие необходимый зазор для движущегося воздуха.

Известна система вентиляции, в которой воздушная прослойка примыкает непосредственно к стене здания . Теплоизоляция выполнена в виде трехслойных панелей: внутренний слой – теплоизоляционный материал, наружные слои – алюминий и алюминиевая фольга. Такая конструкция защищает утеплитель от проникновения как атмосферной влаги, так и влаги из помещений. Поэтому его свойства не ухудшаются в любых условиях эксплуатации, что позволяет сэкономить до 20 % утеплителя по сравнению с обычными системами . Недостатком указанных систем является необходимость проветривания прослойки для удаления влаги, мигрирующей из помещений здания . Это приводит к снижению теплоизоляционных свойств системы. К тому же, тепловые потери нижних этажей зданий увеличиваются, так как холодному воздуху, поступающему в прослойку через отверстия внизу системы, требуется некоторое время для нагрева до установившейся температуры.

СИСТЕМА УТЕПЛЕНИЯ С ЗАМКНУТОЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ

Возможна система теплоизоляции, аналогичная , с замкнутой воздушной прослойкой. Следует обратить внимание на тот факт, что движение воздуха в прослойке необходимо только для удаления влаги. Если решить задачу удаления влаги другим способом, без проветривания, получим систему теплоизоляции с замкнутой воздушной прослойкой без указанных выше недостатков.

Для решения поставленной задачи система теплоизоляции должна иметь вид, представленный на рис. 1. Теплоизоляцию здания следует выполнить с паропроницаемыми вставками из теплоизоляционного материала, например, минеральной ваты. Систему теплоизоляции необходимо устроить таким образом, чтобы обеспечивалось удаление пара из прослойки, а внутри нее влажность была ниже точки росы в прослойке.

1 – стена здания; 2 – крепежные элементы; 3 – теплоизоляционные панели; 4 – паротеплоизоляционные вставки

Рис. 1. Теплоизоляция с паропроницаемыми вставками

Для давления насыщенного пара в прослойке можно записать выражение :

Пренебрегая термическим сопротивлением воздуха в прослойке, среднюю температуру внутри прослойки определим по формуле

(2)

где T in , T out – температура воздуха внутри здания и наружного воздуха соответственно, о С;

R 1 , R 2 – сопротивление теплопередаче стены и теплоизоляции соответственно, м 2 × о С/Вт.

Для пара, мигрирующего из помещения через стену здания, можно записать уравнение:

(3)

где P in , P – парциальное давление пара в помещении и прослойке, Па;

S 1 – площадь наружной стены здания, м 2 ;

k пп1 – коэффициент паропроницаемости стены, равный:

здесь R пп1 = m 1 /l 1 ;

m 1 – коэффициент паропроницаемости материала стены, мг/(м×ч×Па);

l 1 – толщина стены, м.

Для пара, мигрирующего из воздушной прослойки через паропроницаемые вставки в теплоизоляции здания, можно записать уравнение:

(5)

где P out – парциальное давление пара в наружном воздухе, Па;

S 2 – площадь паропроницаемых теплоизоляционных вставок в теплоизоляции здания, м 2 ;

k пп2 – коэффициент паропроницаемости вставок, равный:

здесь R пп2 = m 2 /l 2 ;

m 2 – коэффициент паропроницаемости материала паропроницаемой вставки, мг/(м×ч×Па);

l 2 – толщина вставки, м.

Приравняв правые части уравнений (3) и (5) и решив полученное уравнение для баланса пара в прослойке относительно P , получим значение давления пара в прослойке в виде:

(7)

где e = S 2 /S 1 .

Записав условие отсутствия конденсации влаги в воздушной прослойке в виде неравенства:

и решив его, получим требуемое значение отношения суммарной площади паропроницаемых вставок к площади стены:

В таблице 1 приведены полученные данные для некоторых вариантов ограждающих конструкций. В расчетах предполагалось, что коэффициент теплопроводности паропроницаемой вставки равен коэффициенту теплопроводности основной теплоизоляции в системе.

Таблица 1. Значение ε для различных вариантов стены

Материал стены	l 1 , м	l 1 , Вт/(м× о C)	m 1 , мг/(м×ч ×Па)	l 2 , м	l 2 , Вт/(м× о C)	m 2 , мг/(м×ч ×Па)
Материал стены	l 1 , м	l 1 , Вт/(м× о C)	m 1 , мг/(м×ч ×Па)	l 2 , м	l 2 , Вт/(м× о C)	m 2 , мг/(м×ч ×Па)	P нас
Газосиликатный кирпич
Керамический кирпич

Приведенные в таблице 1 примеры показывают, что возможна конструкция теплоизоляции с замкнутой воздушной прослойкой между теплоизоляцией и стеной здания. Для некоторых конструкций стены, как в первом примере из таблицы 1, можно обойтись без паропроницаемых вставок. В других случаях площадь паропроницаемых вставок может быть незначительной по сравнению с площадью утепляемой стены.

СИСТЕМА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Конструкция теплоизоляционных систем претерпела за последние пятьдесят лет существенное развитие, и сегодня в распоряжении проектировщиков имеется большой выбор материалов и конструкций: от использования соломы до вакуумной теплоизоляции. Возможно также применение активных теплоизоляционных систем, особенности которых позволяют включать их в систему энергоснабжения зданий . В этом случае свойства теплоизоляционной системы также могут изменяться в зависимости от условий окружающей среды, обеспечивая постоянный уровень теплопотерь из здания независимо от наружной температуры.

Если задать фиксированный уровень теплопотерь Q через ограждающие конструкции здания, требуемое значение приведенного сопротивления теплопередаче будет определяться по формуле

(10)

Такими свойствами может обладать теплоизоляционная система с прозрачным наружным слоем или с вентилируемой воздушной прослойкой . В первом случае используется солнечная энергия, а во втором дополнительно может использоваться энергия тепла грунта совместно с грунтовым теплообменником.

В системе с прозрачной теплоизоляцией при низком положении солнца его лучи практически без потерь проходят к стене, нагревают ее, снижая тем самым теплопотери из помещения. В летнее время, при высоком положении солнца над горизонтом, солнечные лучи практически полностью отражаются от стены здания, предотвращая тем самым перегрев здания. В с целью уменьшения обратного теплового потока теплоизоляционный слой выполнен в виде сотовой структуры, играющей роль ловушки для солнечных лучей. Недостатком такой системы является невозможность перераспределения энергии по фасадам здания и отсутствие аккумулирующего эффекта. К тому же, эффективность этой системы прямо зависит от уровня солнечной активности.

По мнению авторов, идеальная теплоизоляционная система должна, в какой-то степени, напоминать живой организм и в широких пределах изменять свои свойства в зависимости от условий окружающей среды. При понижении наружной температуры теплоизоляционная система должна снизить теплопотери из здания, при повышении температуры наружного воздуха – ее термическое сопротивление может уменьшиться. В летнее время поступление солнечной энергии в здание также должно зависеть от наружных условий.

Предлагаемая в теплоизоляционная система во многом обладает сформулированными выше свойствами. На рис. 2а представлена схема стены с предлагаемой теплоизоляционной системой, на рис. 2б – температурный график в теплоизоляционном слое без и с наличием воздушной прослойки.

Теплоизоляционный слой выполнен с вентилируемой воздушной прослойкой. При движении в ней воздуха с температурой более высокой, чем в соответствующей точке графика, величина температурного градиента в слое теплоизоляции от стены до прослойки уменьшается по сравнению с теплоизоляцией без прослойки, что снижает потери тепла из здания через стену. При этом следует иметь ввиду, что уменьшение теплопотерь из здания будет компенсировано теплом, отдаваемым потоком воздуха в прослойке. То есть температура воздуха на выходе из прослойки будет меньше, чем на входе.

Рис. 2. Схема теплоизоляционной системы (а) и температурный график (б)

Физическая модель задачи расчета теплопотерь через стену с воздушной прослойкой представлена на рис. 3. Уравнение теплового баланса для этой модели имеет следующий вид:

Рис. 3. Расчетная схема теплопотерь через ограждающую конструкцию

При расчете тепловых потоков учитывается кондуктивный, конвективный и радиационный механизмы переноса тепла:

где Q 1 – тепловой поток от помещения к внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м 2 ;

Q 2 – тепловой поток через основную стену, Вт/м 2 ;

Q 3 – тепловой поток через воздушную прослойку, Вт/м 2 ;

Q 4 – тепловой поток через слой теплоизоляции за прослойкой, Вт/м 2 ;

Q 5 – тепловой поток от внешней поверхности ограждающей конструкции в атмосферу, Вт/м 2 ;

Т 1 , Т 2 , – температура на поверхности стены, о С;

Т 3 , Т 4 – температура на поверхности прослойки, о С;

Т k , Т а – температура в помещении и наружного воздуха соотвественно, о С;

s – постоянная Стефана-Больцмана;

l 1 , l 2 – коэффициент теплопроводности основной стены и теплоизоляции соответственно, Вт/(м× о С);

e 1 , e 2 , e 12 – степень черноты внутренней поверхности стены, наружной поверхности слоя теплоизоляции и приведенная степень черноты поверхностей воздушной прослойки соответственно;

a в, a н, a 0 – коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности стены, на наружной поверхности теплоизоляции и на поверхностях, ограничивающих воздушный промежуток, соответственно, Вт/(м 2 × о С).

Формула (14) записана для случая, когда воздух в прослойке неподвижен. В том случае, когда в прослойке со скоростью u движется воздух с температурой T u , вместо Q 3 рассматриваются два потока: от продуваемого воздуха к стене:

и от продуваемого воздуха к экрану:

Тогда система уравнений распадается на две системы:

Коэффициент теплоотдачи выражается через число Нуссельта:

где L – характерный размер.

Формулы для вычисления числа Нуссельта брались в зависимости от ситуации. При расчете коэффициента теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях ограждающих конструкций использовались формулы из :

где Ra= Pr×Gr – критерий Релея;

Gr = g ×b ×D T ×L 3 /n 2 – число Грасгофа.

При определении числа Грасгофа в качестве характерного перепада температуры выбиралась разность между температурой стенки и температурой окружающего воздуха. За характерные размеры принимались: высота стены и толщина прослойки.

При расчете коэффициента теплоотдачи a 0 внутри замкнутой воздушной прослойки для вычисления числа Нуссельта использовалась формула из :

(22)

Если же воздух внутри прослойки двигался, для вычисления числа Нуссельта использовалась более простая формула из :

(23)

где Re = v ×d /n – число Рейнольдса;

d – толщина воздушной прослойки.

Значения числа Прандтля Pr, кинематической вязкости n и коэффициента теплопроводности воздуха l в в зависимости от температуры рассчитывались путем линейной интерполяции табличных значений из . Системы уравнений (11) или (19) решались численно путем итерационного уточнения относительно температур T 1 , T 2 , T 3 , T 4 . Для численного моделирования была выбрана теплоизоляционная система на основе теплоизоляции, подобной пенополистиролу, с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м 2 × о С). Температура воздуха на входе прослойки предполагалась равной 8 о С, общая толщина теплоизоляционного слоя – 20 см, толщина прослойки d – 1 см.

На рис. 4 представлены графики зависимости удельных теплопотерь через изолирующий слой обычного теплоизолятора при наличии замкнутой теплоизоляционной прослойки и с вентилируемой воздушной прослойкой. Замкнутая воздушная прослойка почти не улучшает свойств теплоизоляции. Для рассмотренного случая наличие теплоизоляционной прослойки с движущимся потоком воздуха более чем вдвое снижает теплопотери через стену при температуре наружного воздуха минус 20 о С. Эквивалентное значение сопротивления теплопередаче такой теплоизоляции для этой температуры равно 10,5 м 2 × о С/Вт, что соответствует слою пенополистирола толщиной более 40,0 см.

D d = 4 см с неподвижным воздухом; ряд 3 – скорость воздуха 0,5 м/с

Рис. 4. Графики зависимости удельных теплопотерь

Эффективность теплоизоляционной системы возрастает по мере снижения температуры наружного воздуха. При температуре наружного воздуха 4 о С эффективность обеих систем одинакова. Дальнейшее повышение температуры делает нецелесообразным использование системы, так как приводит к повышению уровня теплопотерь из здания.

На рис. 5 приведена зависимость температуры наружной поверхности стены от температуры наружного воздуха. Согласно рис. 5, наличие воздушной прослойки увеличивает температуру наружной поверхности стены при отрицательной температуре наружного воздуха по сравнению с обычной теплоизоляцией. Это объясняется тем, что движущийся воздух отдает свое тепло как внутреннему, так и наружному слоям теплоизоляции. При высокой наружной температуре воздуха такая теплоизоляционная система играет роль охлаждающего слоя (см. рис. 5).

Ряд 1 – обычная теплоизоляция, D = 20 см; ряд 2 – в теплоизоляции имеется воздушная щель шириной 1 см, d = 4 см, скорость воздуха 0,5 м/с

Рис. 5. Звисимость температуры наружной поверхности стены от температуры наружного воздуха

На рис. 6 показана зависимость температуры на выходе прослойки от температуры наружного воздуха. Воздух в прослойке, остывая, отдает свою энергию ограждающим поверхностям.

Рис. 6. Зависимость температуры на выходе прослойки от температуры наружного воздуха

На рис. 7 представлена зависимость теплопотерь от толщины наружного слоя теплоизоляции при минимальной наружной температуре. Согласно рис. 7, минимум теплопотерь наблюдается при d = 4 см.

Рис. 7. Зависимость теплопотерь от толщины наружного слоя теплоизоляции при минимальной наружной температуре

На рис. 8 показана зависимость теплопотерь для наружной температуры минус 20 о С от скорости воздуха в прослойке с различной толщиной. Подъм скорости воздуха выше 0,5 м/с несущественно влияет на свойства теплоизоляции.

Ряд 1 – d = 16 см; ряд 2 – d = 18 см; ряд 3 – d = 20 см

Рис. 8. Зависимость теплопотерь от скорости воздуха при различной толщине воздушной прослойки

Следует обратить внимание на обстоятельство, что вентилируемая воздушная прослойка позволяет эффективно управлять уровнем теплопотерь через поверхность стены изменением скорости воздуха в пределах от 0 до 0,5 м/с, что невозможно осуществить для обычной теплоизоляции. На рис. 9 приведена зависимость скорости движения воздуха от наружной температуры для фиксированного уровня теплопотерь через стену. Такой подход к тепловой защите зданий позволяет снижать энергоемкость вентиляционной системы по мере повышения температуры наружного воздуха.

Рис. 9. Зависимость скорости движения воздуха от наружной температуры для фиксированного уровня теплопотерь

При создании рассматриваемой в статье теплоизоляционной системы основным является вопрос об источнике энергии для повышения температуры прокачиваемого воздуха. В качестве такого источника предполагается забирать тепло грунта под зданием путем использования почвенного теплообменника. Для более эффективного использования энергии почвы предполагается, что система вентиляции в воздушной прослойке должна быть замкнутой, без подсоса атмосферного воздуха. Так как температура воздуха, поступающего в систему в зимнее время, ниже температуры грунта, проблемы конденсации влаги здесь не существует.

Наиболее эффективное использование такой системы авторы видят в сочетании использования двух источников энергии: солнечной и тепла грунта. Если обратиться к ранее упомянутым системам с прозрачным теплоизоляционным слоем, становится очевидным стремление авторов этих систем реализовать тем или иным способом идею теплового диода, то есть решить задачу направленной передачи солнечной энергии к стене здания, приняв при этом меры, препятствующие движению теплового потока энергии в обратном направлении.

В качестве наружного поглощающего слоя может выступать окрашенная в темный цвет металлическая пластина. А вторым поглощающим слоем может быть воздушная прослойка в теплоизоляции здания. Движущийся в прослойке воздух, замыкаясь через грунтовый теплообменник, в солнечную погоду нагревает грунт, аккумулируя солнечную энергию и перераспределяя ее по фасадам здания. Тепло от наружного слоя внутреннему может передаваться с помощью тепловых диодов, выполненных на тепловых трубках с фазовыми переходами.

Таким образом, предлагаемая система теплоизоляции с управляемыми теплофизическими характеристиками базируется на конструкции с теплоизоляционным слоем, имеющим три особенности:

– вентилируемую воздушную прослойку, параллельную ограждающей конструкции здания;

– источник энергии для воздуха внутри прослойки;

– систему управления параметрами потока воздуха в прослойке в зависимости от наружных погодных условий и температуры воздуха в помещении.

Один из возможных вариантов конструкции – использование прозрачной теплоизоляционной системы. В этом случае теплоизоляционная система должна быть дополнена еще одной воздушной прослойкой, примыкающей к стене здания и имеющей сообщение со всеми стенами здания, как это показано на рис. 10.

Теплоизоляционная система, приведенная на рис. 10, имеет две воздушные прослойки. Одна из них находится между теплоизоляцией и прозрачным ограждением и служит для предотвращения перегрева здания. Для этой цели имеются воздушные клапаны, соединяющие прослойку с наружным воздухом вверху и внизу теплоизоляционной панели. В летнее время и в моменты высокой солнечной активности при возникновении опасности перегрева здания заслонки открываются, обеспечивая вентиляцию наружным воздухом.

Рис. 10. Прозрачная теплоизоляционная система с вентилируемой воздушной прослойкой

Вторая воздушная прослойка примыкает к стене здания и служит для транспортирования солнечной энергии в оболочке здания. Такая конструкция позволит использовать солнечную энергию всей поверхностью здания в течение светового дня, обеспечивая, к тому же, эффективную аккумуляцию солнечной энергии, так как аккумулятором выступает весь объем стен здания.

Возможно также использование традиционной теплоизоляции в системе. В этом случае в качестве источника тепловой энергии может служить грунтовый теплообменник, как это показано на рис. 11.

Рис. 11. Система теплоизоляции с грунтовым теплообменником

В качестве еще одного варианта можно предложить для этой цели вентиляционные выбросы здания . В этом случае для исключения конденсации влаги в прослойке необходимо удаляемый воздух пропустить через теплообменник, а в прослойку запустить наружный воздух, нагретый в теплообменнике. Из прослойки воздух может поступать в помещение для вентиляции. Воздух нагревается, проходя через грунтовый теплообменник, и отдает свою энергию ограждающей конструкции.

Необходимым элементом системы теплоизоляции должна стать автоматическая система управления ее свойствами. На рис. 12 представлен блок-схема системы управления. Управление происходит на основе анализа информации от датчиков температуры и влажности путем изменения режима работы или отключения вентилятора и открывания и закрывания воздушных заслонок.

Рис. 12. Блок-схема системы управления

Блок-схема алгоритма работы вентиляционной системы с управляемыми свойствами представлен на рис. 13.

На начальном этапе работы системы управления (см. рис. 12) по измеренным значениям температуры наружного воздуха и в помещениях в блоке управления выполняется расчет температуры в воздушной прослойке для условия неподвижного воздуха. Это значение сравнивается с температурой воздуха в прослойке южного фасада при конструкции теплоизоляционной системы, как на рис. 10, или в грунтовом теплообменнике – при конструкции теплоизоляционной системы, как на рис. 11. Если значение расчетной температуры больше или равно измеренному, вентилятор остается выключенным, а воздушные заслонки в прослойке закрытыми.

Рис. 13. Блок-схема алгоритма работы вентиляционной системы с управляемыми свойствами

Если значение расчетной температуры меньше измеренного, включают циркуляционный вентилятор и открывают заслонки. В этом случае энергия нагретого воздуха отдается стеновым конструкциям здания, снижая потребность в тепловой энергии для отопления. Одновременно измеряется значение влажности воздуха в прослойке. Если влажность приближается к точке конденсации, открывается заслонка, связывающая воздушную прослойку с наружным воздухом, что обеспечивает предотвращение конденсации влаги на поверхности стен прослойки.

Таким образом, предложенная система теплоизоляции позволяет реально управлять теплотехническими свойствами.

ИСПЫТАНИЕ МАКЕТА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ЗДАНИЯ

Схема эксперимента представлена на рис. 14. Макет теплоизоляционной системы смонтирован на кирпичной стене помещения верхней части лифтовой шахты. Макет состоит из теплоизоляции, представляющей паронепроницаемые теплоизоляционные пластины (одна поверхность – алюминий толщиной 1,5 мм; вторая – алюминиевая фольга), заполненные пенополиуретаном толщиной 3,0 см с коэффициентом теплопроводности 0,03 Вт/(м 2 × о С). Сопротивление теплопередаче пластины – 1,0 м 2 × о С/Вт, кирпичной стены – 0,6 м 2 × о С/Вт. Между теплоизоляционными пластинами и поверхностью ограждающей конструкции здания - воздушная прослойка толщиной 5 см. С целью определения температурных режимов и движения теплового потока через ограждающую конструкцию в ней устанавливались датчики температуры и теплового потока.

Рис. 14. Схема экспериментальной системы с управляемой теплоизоляцией

Фотография смонтированной теплоизоляционной системы с энергоснабжением от системы утилизации тепла вентиляционных выбросов представлена на рис. 15.

Дополнительная энергия внутрь прослойки подается с воздухом, взятым на выходе системы рекуперации тепла вентиляционных выбросов здания. Вентиляционные выбросы забирались с выхода вентиляционной шахты корпуса ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.», подавались на первый вход рекуператора (см. рис. 15а). На второй вход рекуператора подавался воздух из вентиляционной прослойки, а со второго выхода рекуператора – снова в вентиляционную прослойку. Воздух вентиляционных выбросов нельзя подавать непосредственно в воздушную прослойку из-за опасности конденсации влаги внутри нее. Поэтому вентиляционные выбросы здания сначала проходили через теплообменник-рекуператор, на второй вход которого поступал воздух из прослойки. В рекуператоре он нагревался и с помощью вентилятора подавался в воздушную прослойку вентиляционной системы через фланец, смонтированный в нижней части теплоизоляционной панели. Через второй фланец в верхней части теплоизоляции воздух удалялся из панели и замыкал цикл своего движения на втором входе теплообменника. В процессе работы выполнялась регистрация информации, поступающей от датчиков температуры и теплового потока, установленных по схеме рис. 14.

Для управления режимами работы вентиляторов и съема и регистрации параметров проведения эксперимента использовался специальный блок управления и обработки данных.

На рис. 16 представлены графики изменения температуры: наружного воздуха, воздуха в помещении и воздуха в различных частях прослойки. С 7.00 до 13.00 часов система выходит на стационарный режим функционирования. Разность между температурой на входе воздуха в прослойку (датчик 6) и температурой на выходе из нее (датчик 5) оказалась около 3 о С, что свидетельствует о потреблении энергии из проходящего воздуха.

а)

б)

Рис. 16. Графики изменения температуры: а – наружного воздуха и воздуха в помещении; б – воздуха в различных частях прослойки

На рис. 17 представлены графики зависимости от времени температуры поверхностей стены и теплоизоляции, а также температуры и теплового потока через ограждающую поверхность здания. На рис. 17б четко фиксируется снижение теплового потока из помещения после подачи подогретого воздуха в вентиляционную прослойку.

а)

б)

Рис. 17. Графики зависимости от времени: а – температуры поверхностей стены и теплоизоляции; б – температуры и теплового потока через ограждающую поверхность здания

Экспериментальные результаты, полученные авторами, подтверждают возможность управления свойствами теплоизоляции с вентилируемой прослойкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Важным элементом энергоэффективных зданий является ее оболочка. Основные направления развития снижения тепловых потерь зданий через ограждающие конструкции связаны с активной теплоизоляцией, когда ограждающая конструкция играет важную роль в формировании параметров внутренней среды помещений . Наиболее наглядным примером может служить ограждающая конструкция с наличием воздушной прослойки .

2 Авторами предложена конструкция теплоизоляции с замкнутой воздушной прослойкой между теплоизоляцией и стеной здания. С целью предотвращения конденсации влаги в прослойке воздуха без снижения теплоизолирующих свойств рассмотрена возможность использования в теплоизоляции паропроницаемых вставок. Разработан метод расчета площади вставок в зависимости от условий использования теплоизоляции. Для некоторых конструкций стены, как в первом примере из таблицы 1, можно обойтись без паропроницаемых вставок. В других случаях площадь паропроницаемых вставок может быть незначительной относительно площади утепляемой стены.

3 Разработаны методика расчета теплотехнических характеристик и конструкция теплоизоляционной системы, обладающей управляемыми теплотехническими свойствами. Конструкция выполнена в виде системы с вентилируемой воздушной прослойкой между двумя слоями теплоизоляции. При движении в прослойке воздуха с температурой более высокой, чем в соответствующей точке стены с обычной теплоизоляционной системой, величина температурного градиента в слое теплоизоляции от стены до прослойки уменьшается по сравнению с теплоизоляцией без прослойки, что снижает потери тепла из здания через стену. В качестве энергии для повышения температуры прокачиваемого воздуха возможно использование тепла грунта под зданием, применяя почвенный теплообменник, или солнечной энергии. Разработаны методы расчета характеристик такой системы. Получено экспериментальное подтверждение реальности использования системы теплоизоляции с управляемыми теплотехническими характеристиками для зданий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богословский, В. Н. Строительная теплофизика / В. Н. Богословский. – СПб.: АВОК–СЕВЕРО-ЗАПАД, 2006. – 400 с.

2. Системы теплоизоляции зданий: ТКП.

4. Проектирование и устройство системы утепления с вентилируемой воздушной прослойкой на основе панелей фасадных трехслойных: Р 1.04.032.07. – Минск, 2007. – 117 с.

5. Данилевский, Л. Н. К вопросу о снижении уровня теплопотерь здания. Опыт Белорусско-Германского сотрудничества в строительстве / Л. Н. Данилевский. – Минск: Стринко, 2000. – С. 76, 77.

6. Alfred Kerschberger «Solares Bauen mit transparenter Wаrmedаmmung». Systeme, Wirtschaftlichkeit, Perspektiven, BAUVERLAG GMBH, WEISBADEN UND BERLIN.

7. Die ESA-Solardassade – Dаmmen mit Licht / ESA-Energiesysteme, 3. Passivhaustagung 19 bis 21 Februar 1999. Bregenz. –Р. 177–182.

8. Peter O. Braun, Innovative Gebаudehullen, Wаrmetechnik, 9, 1997. – Р. 510–514.

9. Пассивный дом как адаптивная система жизнеобеспечения: тезисы докладов Междунар. науч.-технич. конф. «От тепловой санации зданий – к пассивному дому. Проблемы и решения» / Л. Н. Данилевский. – Минск, 1996. – С. 32–34.

10. Теплоизоляция с управляемыми свойствами для зданий с низким уровнем теплопотерь: сб. тр. / ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.»; Л. Н. Данилевский. – Минск, 1998. – С. 13–27.

11. Данилевский, Л. Теплоизоляционная система с управляемыми свойствами для пассивного дома / Л. Данилевский // Архитектура и строительство . – 1998. – № 3. – С. 30, 31.

12. Мартыненко, О. Г. Свободно конвективный теплообмен. Справочник / О. Г. Мартыненко, Ю. А. Соковишин. – Минск: Наука и техника, 1982. – 400 с.

13. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – М.: Энергия, 1977. – 321 с.

14. Наружное вентилируемое ограждение здания: пат. 010822 Евраз. патентное ведомство, МПК (2006.01) Е04В 2/28, Е04В 1/70 / Л. Н. Данилевский; заявитель ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.». – № 20060978; зявл. 05.10.2006; опубл. 30.12.2008 // Бюлл. Евразийского патентного ведомства. – 2008. – № 6.

15. Наружное вентилируемое ограждение здания: пат. 11343 Респ. Беларусь, МПК (2006) E04B1/70, E04B2/28 / Л. Н. Данилевский; заявитель ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.». – № 20060978; заявл. 05.10.2006; опубл. 30.12.2008 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. – 2008.

Тепловлагопередача через наружные ограждения

Основы теплопередачи в здании

Перемещение теплоты всегда происходит от более теплой среды к более холодной. Процесс переноса теплоты из одной точки пространства в другую за счет разности температуры называется теплопередачей и является собирательным, так как включает в себя три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и излучение . Таким образом, потенциалом переноса теплоты является разность температуры .

Теплопроводность

Теплопроводность - вид передачи теплоты между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразными вещества. Таким образом, теплопроводность - это теплообмен между частицами или элементами структуры материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом. При изучении теплопроводности вещество рассматривается как сплошная масса, его молекулярное строение игнорируется. В чистом виде теплопроводность встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.

Большинство строительных материалов являются пористыми телами . В порах находится воздух, имеющий возможность двигаться, то есть переносить теплоту конвекцией. Считается, что конвективной составляющей теплопроводности строительных материалов можно пренебречь ввиду ее малости. Внутри поры между поверхностями ее стенок происходит лучистый теплообмен. Передача теплоты излучением в порах материалов определяется главным образом размером пор, потому что чем больше поры, тем больше разность температуры на ее стенках. При рассмотрении теплопроводности характеристики этого процесса относят к общей массе вещества: скелету и порам совместно.

Ограждающие конструкции здания, как правило, является плоско-параллельными стенками , теплоперенос в которых осуществляется в одном направлении. Кроме того, обычно при теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкций принимается, что теплопередача происходит при стационарных тепловых условиях , то есть при постоянстве во времени всех характеристик процесса: теплового потока, температуры в каждой точке, теплофизических характеристик строительных материалов. Поэтому важно рассмотреть процесс одномерной стационарной теплопроводности в однородном материале , который описывается уравнением Фурье:

где q T - поверхностная плотность теплового потока , проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку , Вт/м 2 ;

λ - теплопроводность материала , Вт/м. о С;

t - температура, изменяющаяся вдоль оси x, оС;

Отношение , носит название градиента температуры , о С/м, и обозначается grad t . Градиент температуры направлен в сторону возрастания температуры, которое связано с поглощением теплоты и уменьшением теплового потока. Знак минус, стоящий в правой части уравнения (2.1), показывает, что увеличение теплового потока не совпадает с увеличением температуры.

Теплопроводность λ является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (2.1) теплопроводность материала - это мера проводимости теплоты материалом, численно равная тепловому потоку, проходящему сквозь 1 м 2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 о С/м (рис.1). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в таком материале процесс теплопроводности, больше тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м. о С.

Изотермы; - ------ - линии тока теплоты.

Изменение теплопроводности строительных материалов с изменением их плотности происходит из-за того, что практически любой строительный материал состоит из скелета - основного строительного вещества и воздуха. К.Ф. Фокин для примера приводит такие данные: теплопроводность абсолютно плотного веществе (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/м о С (у пластмассы) до 14 Вт/м о С (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт/м о С. Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение его теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют сравнительно небольшую плотность.

Различия в пористости и в теплопроводности скелета приводит к различию в теплопроводности материалов, даже при одинаковой их плотности. Например, следующие материалы (табл.1) при одной и той же плотности, ρ 0 =1800 кг/м 3 , имеют различные значения теплопроводности:

Таблица 1.

Теплопроводность материалов с одинаковой плотностью 1800 кг/м 3 .

С уменьшением плотности материала его теплопроводность l уменьшается, так как снижается влияние кондуктивной составляющей теплопроводности скелета материала, но, однако при этом возрастает влияние радиационной составляющей. Поэтому, уменьшение плотности ниже некоторого значения приводит к росту теплопроводности. То есть существует некоторое значение плотности, при котором теплопроводность имеет минимальное значение. Существуют оценки того, что при 20 о С в порах диаметром 1мм теплопроводность излучением составляет 0,0007 Вт/ (м°С), диаметром 2 мм - 0,0014 Вт/ (м°С) и т.д. Таким образом, теплопроводность излучением становится значимой у теплоизоляционных материалов с малой плотностью и значительными размерами пор.

Теплопроводность материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Увеличение теплопроводности материалов объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры большого значения не имеет.д.ля пересчета значений теплопроводности материалов, полученных при температуре до 100 о С, на значения их при 0 о С служит эмпирическая формула О.Е. Власова:

λ о = λ t / (1+β . t), (2.2)

где λ о - теплопроводность материала при 0 о С;

λ t - теплопроводность материала при t о С;

β - температурный коэффициент изменения теплопроводности, 1/ о С, для различных материалов, равный около 0,0025 1/ о С;

t - температура материала, при которой его коэффициент теплопроводности равен λ t .

Для плоской однородной стенки толщиной δ (рис.2) тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через однородную стенку, может быть выражен уравнением:

где τ 1 ,τ 2 - значения температуры на поверхностях стенки, о С.

Из выражения (2.3) следует, что распределение температуры по толщине стенки линейное. Величина δ/λ названа термическим сопротивлением материального слоя и обозначена R Т , м 2. о С/Вт:

Рис.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке

Следовательно, тепловой поток q Т , Вт/м 2 , через однородную плоскопараллельную стенку толщиной δ , м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/м. о С, можно записать в виде

Термическое сопротивление слоя - это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 .

Теплообмен теплопроводностью имеет место в материальных слоях ограждающих конструкций здания.

Конвекция

Конвекция - перенос теплоты движущимися частицами вещества. Конвекция 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.

Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях ограждений здания. В теплообмене внутренних поверхностей помещения конвекция играет существенную роль. При различных значениях температуры поверхности и прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей температуры. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность, от температуры, плотности и вязкости движущейся среды, от шероховатости поверхности, от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.

Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью) протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения газа. 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 вентиляторов, ветра).

Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться процессом естественной конвекции, но так как интенсивность вынужденной конвекции заметно превосходит интенсивность естественной, то при рассмотрении вынужденной конвекции естественной часто пренебрегают.

В дальнейшем будут рассматриваться только стационарные процессы конвективного теплообмена, предполагающие постоянство во времени скорости и температуры в любой точке воздуха. Но так как температура элементов помещения изменяется довольно медленно, полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на процесс нестационарного теплового режима помещения , при котором в каждый рассматриваемый момент процесс конвективного теплообмена на внутренних поверхностях ограждений считается стационарным. Полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на случай внезапной смены природы конвекции от естественной к вынужденной, например, при включении в помещении рециркуляционного аппарата нагрева помещения (фанкойла или сплит-системы в режиме теплового насоса). Во-первых, новый режим движения воздуха устанавливается быстро и, во-вторых, требуемая точность инженерной оценки процесса теплообмена ниже возможных неточностей от отсутствия коррекции теплового потока в течение переходного состояния.

Для инженерной практики расчетов для отопления и вентиляции важен конвективный теплообмен между поверхностью ограждающей конструкции или трубы и воздухом (или жидкостью). В практических расчетах для оценки конвективного теплового потока (рис.3) применяют уравнения Ньютона:

, (2.6)

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

t a - температура воздуха, омывающего поверхность стенки, о С;

τ - температура поверхности стенки, о С;

α к - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Рис.3 Конвективный теплообмен стенки с воздухом

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, a к - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности между температурой воздуха и температурой поверхности тела, равной 1 о С.

При таком подходе вся сложность физического процесса конвективного переноса теплоты заключена в коэффициенте теплоотдачи, a к . Естественно, что величина этого коэффициента является функцией многих аргументов. Для практического использования принимаются весьма приближенные значения a к .

Уравнение (2.5) удобно переписать в виде:

где R к - сопротивление конвективной теплоотдаче на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхности ограждения и температуры воздуха при прохождении теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 от поверхности к воздуху или наоборот. Сопротивление R к является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи a к :

Излучение

Излучение (лучистый теплообмен) - перенос теплоты с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту (рис.4).

Рис.4. Лучистый теплообмен между двумя поверхностями

Любое физическое тело, имеющее температуру отличную от абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию в виде электромагнитных волн. Свойства электромагнитного излучения характеризуются длиной волны. Излучение, которое воспринимается как тепловое и имеющее длины волн в диапазоне 0,76 - 50 мкм, называется инфракрасным.

Например, лучистый теплообмен происходит между поверхностями, обращенными в помещение, между наружными поверхностями различных зданий, поверхностями земли и неба. Важен лучистый теплообмен между внутренними поверхностями ограждений помещения и поверхностью отопительного прибора. Во всех этих случаях лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, является воздух.

В практике расчетов теплового потока при лучистом теплообмене используют упрощенную формулу. Интенсивность передачи теплоты излучением q л, Вт/м 2 , определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене:

, (2.9)

где τ 1 и τ 2 - значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, о С;

α л - коэффициент лучистой теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Коэффициент теплоотдачи излучением, a л - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от одной поверхности к другой путем излучения при разности между температурой поверхностей, равной 1 о С.

Введем понятие сопротивления лучистой теплоотдачеR л на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхностях ограждений, обменивающихся лучистой теплотой, при прохождении с поверхности на поверхность теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 .

Тогда уравнение (2.8) можно переписать в виде:

Сопротивление R л является величиной обратной коэффициенту лучистой теплоотдачи a л :

Термическое сопротивление воздушной прослойки

Для внесения единообразия сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек , расположенных между слоями ограждающей конструкции, называют термическим сопротивлением R в. п, м 2. о С/Вт.

Схема передачи теплоты через воздушную прослойку представлена на рис.5.

Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке

Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку q в. п , Вт/м 2 , складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) q т , Вт/м 2 , конвекцией (1) q к , Вт/м 2 , и излучением (3) q л, Вт/м 2 .

q в. п =q т +q к +q л . (2.12)

Прямой расчет этих составляющих достаточно громоздок. Поэтому в нормативных документах приводятся данные о термических сопротивлениях замкнутых воздушных прослоек, которые в 50-х годах ХХ века была составлена К.Ф. Фокиным по результатам экспериментов М.А. Михеева. При наличии на одной или обеих поверхностях воздушной прослойки теплоотражающей алюминиевой фольги, затрудняющей лучистый теплообмен между поверхностями, обрамляющими воздушную прослойку, термическое сопротивление следует увеличить в два раза. Для увеличения термического сопротивления замкнутыми воздушными прослойками рекомендуется иметь в виду следующие выводы из исследований:

1) эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины;

2) рациональнее делать в ограждении несколько прослоек малой толщины, чем одну большой;

3) воздушные прослойки желательно располагать ближе к наружной поверхности ограждения, так как при этом в зимнее время уменьшается тепловой поток излучением;

4) вертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий;

5) для сокращения теплового потока, передаваемого излучением, можно одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой, имеющей коэффициент излучения около ε=0,05. Покрытие фольгой обеих поверхностей воздушной прослойки практически не уменьшает передачу теплоты по сравнению с покрытием одной поверхности.

Вопросы для самоконтроля

1. Что является потенциалом переноса теплоты?

2. Перечислите элементарные виды теплообмена.

3. Что такое теплопередача?

4. Что такое теплопроводность?

5. Что такое коэффициент теплопроводности материала?

6. Напишите формулу теплового потока, передаваемого теплопроводностью в многослойной стенке при известных температурах внутренней t в и наружной t н поверхностей.

7. Что такое термическое сопротивление?

8. Что такое конвекция?

9. Напишите формулу теплового потока, передаваемого конвекцией от воздуха к поверхности.

10. Физический смысл коэффициента конвективной теплоотдачи.

11. Что такое излучение?

12. Напишите формулу теплового потока, передаваемого излучением от одной поверхности к другой.

13. Физический смысл коэффициента лучистой теплоотдачи.

14. Как называется сопротивление теплопередаче замкнутой воздушной прослойки в ограждающей конструкции?

15. Из тепловых потоков какой природы состоит общий тепловой поток через воздушную прослойку?

16. Какой природы тепловой поток превалирует в тепловом потоке через воздушную прослойку?

17. Как влияет толщина воздушной прослойки на распределение потоков в ней.

18. Как уменьшить тепловой поток через воздушную прослойку?

.
1.3 Здание как единая энергетическая система .
2. Тепловлагопередача через наружные ограждения .
2.1 Основы теплопередачи в здании .
2.1.1 Теплопроводность .
2.1.2 Конвекция .
2.1.3 Излучение .
2.1.4 Термическое сопротивление воздушной прослойки.
2.1.5 Коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях.
2.1.6 Теплопередача через многослойную стенку.
2.1.7 Приведенное сопротивление теплопередаче.
2.1.8 Распределение температуры по сечению ограждения.
2.2 Влажностный режим ограждающих конструкций.
2.2.1 Причины появления влаги в ограждениях.
2.2.2 Отрицательные последствия увлажнения наружных ограждений.
2.2.3 Связь влаги со строительными материалами.
2.2.4 Влажный воздух.
2.2.5 Влажность материала.
2.2.6 Сорбция и десорбция.
2.2.7 Паропроницаемость ограждений.
2.3 Воздухопроницаемость наружных ограждений.
2.3.1 Основные положения.
2.3.2 Разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждений.
2.3.3 Воздухопроницаемость строительных материалов.

2.1.4 Термическое сопротивление воздушной прослойки.

Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке.

Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку q в.п , Вт/м ² , складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) q т , Вт/м ² , конвекцией (1) q к , Вт/м ² , и излучением (3) q л , Вт/м ² .

(2.12)

При этом доля потока, передаваемого излучением самая большая. Рассмотрим замкнутую вертикальную воздушную прослойку, на поверхностях которой разность температуры составляет 5ºС. С увеличением толщины прослойки от 10 мм до 200 мм доля теплового потока за счет излучения возрастает с 60% до 80%. При этом доля теплоты, передаваемой путем теплопроводности, падает от 38% до 2%, а доля конвективного теплового потока возрастает с 2% до 20% .
Прямой расчет этих составляющих достаточно громоздок. Поэтому в нормативных документах приводятся данные о термических сопротивлениях замкнутых воздушных прослоек, которые в 50-х годах ХХ века была составлена К.Ф. Фокиным по результатам экспериментов М.А. Михеева . При наличии на одной или обеих поверхностях воздушной прослойки теплоотражающей алюминиевой фольги, затрудняющей лучистый теплообмен между поверхностями, обрамляющими воздушную прослойку, термическое сопротивление следует увеличить в два раза. Для увеличения термического сопротивления замкнутыми воздушными прослойками в рекомендуется иметь в виду следующие выводы из исследований:
1) эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины;
2) рациональнее делать в ограждении несколько прослоек малой толщины, чем одну большой;
3) воздушные прослойки желательно располагать ближе к наружной поверхности ограждения, так как при этом в зимнее время уменьшается тепловой поток излучением;
4) вертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий;
5) для сокращения теплового потока, передаваемого излучением, можно одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой, имеющей коэффициент излучения около ε=0,05. Покрытие фольгой обеих поверхностей воздушной прослойки практически не уменьшает передачу теплоты по сравнению с покрытием одной поверхности.
Вопросы для самоконтроля
1. Что является потенциалом переноса теплоты?
2. Перечислите элементарные виды теплообмена.
3. Что такое теплопередача?
4. Что такое теплопроводность?
5. Что такое коэффициент теплопроводности материала?
6. Напишите формулу теплового потока, передаваемого теплопроводностью в многослойной стенке при известных температурах внутренней tв и наружной tн поверхностей.
7. Что такое термическое сопротивление?
8. Что такое конвекция?
9. Напишите формулу теплового потока, передаваемого конвекцией от воздуха к поверхности.
10. Физический смысл коэффициента конвективной теплоотдачи.
11. Что такое излучение?
12. Напишите формулу теплового потока, передаваемого излучением от одной поверхности к другой.
13. Физический смысл коэффициента лучистой теплоотдачи.
14. Как называется сопротивление теплопередаче замкнутой воздушной прослойки в ограждающей конструкции?
15. Из тепловых потоков какой природы состоит общий тепловой поток через воздушную прослойку?
16. Какой природы тепловой поток превалирует в тепловом потоке через воздушную прослойку?
17. Как влияет толщина воздушной прослойки на распределение потоков в ней.
18. Как уменьшить тепловой поток через воздушную прослойку?

Малый коэффициент теплопроводности воздуха в порах строительных материалов, достигающий 0,024 Вт/(м °С), привел к идее замены в наружных ограждающих конструкциях строительных материалов воздухом, т. е. созданию наружных ограждений из двух стенок с воздушной прослойкой между ними. Однако теплотехнические качества таких стен оказались чрезвычайно низкими, т.к. передача теплоты воздушными прослойками происходит иначе, чем в телах твердых и сыпучих. Для воздушной прослойки такой пропорциональности не существует. В твердом материале передача теплоты происходит только теплопроводностью, в воздушной прослойке к этому присоединяется еще передача теплоты конвекцией и излучением.

На рис показан вертикальный разрез воздушной прослойки, имеющей толщину δ, и температуры на ограничивающих поверхностях τ 1 и τ 2 , причем τ 1 > τ 2 . При такой разности температур через воздушную прослойку будет проходить тепловой поток Q.

Передача теплоты теплопроводностью подчиняется закону передачи теплоты в твердом теле. Следовательно, можно написать:

Q 1 =(τ 1 - τ 2)λ 1 /δ

где λ 1 - коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха (при температуре 0 °С λ 1 = 0,023 Вт/(м °С)), Вт/(м °С); δ - толщина прослойки, м.

Конвекция воздуха в прослойке возникает вследствие разности температур на ее поверхностях и имеет характер естественной конвекции. При этом у поверхности с более высокой температурой воздух нагревается и движется в направлении снизу вверх, а у более холодной поверхности охлаждается и движется в направлении сверху вниз. Таким образом, в вертикальной воздушной прослойке создается постоянная циркуляция воздуха, показанная на рис стрелками. По аналогии с формулой для количества теплоты, передаваемой конвекцией, можно написать:

Q 2 =(τ 1 - τ 2)λ 2 /δ 2

где λ 2 - условный коэффициент, называемый коэффициентом передачи теплоты конвекцией, Вт/(м °С).

В отличие от обычного коэффициента теплопроводности этот коэффициент не является постоянной величиной, а зависит от толщины прослойки, температуры воздуха в ней, разности температур на поверхностях прослойки и расположения прослойки в ограждении.

Для вертикальных прослоек значения величин коэффициентов влияние температуры воздуха в пределах от +15 до -10 °С на теплопередачу конвекцией не превышает 5 %, а поэтому им можно пренебречь.

Коэффициент передачи теплоты конвекцией возрастает с увеличением толщины прослойки. Это возрастание объясняется тем, что в тонких прослойках восходящий и нисходящий токи воздуха взаимно тормозятся и в очень тонких прослойках (меньше 5 мм) величина λ 2 становится равной нулю. С увеличением толщины прослойки, наоборот, конвекционные токи воздуха становятся более интенсивными, увеличивая значение λ 2 . С увеличением разности температур на поверхностях прослойки величина λ 2 возрастает вследствие повышения интенсивности конвекционных токов в прослойке.

Увеличение значений λ 1 + λ 2 в горизонтальных прослойках при потоке теплоты снизу вверх объясняется непосредственным направлением конвекционных токов по вертикали от нижней поверхности, имеющей более высокую температуру, к верхней поверхности, имеющей более низкую температуру. В горизонтальных прослойках при потоке теплоты сверху вниз конвекция воздуха отсутствует, поскольку поверхность с более высокой температурой расположена над поверхностью с более низкой температурой. В этом случае принимается λ 2 = 0.

Кроме передачи теплоты теплопроводностью и конвекцией в воздушной прослойке происходит еще непосредственное излучение между поверхностями, ограничивающими воздушную прослойку. Количество теплоты Q 3 , передаваемой в воздушной прослойке излучением от поверхности с более высокой температурой τ 1 к поверхности с более низкой температурой τ 2 , можно выразить по аналогии с предыдущими выражениями в виде:

Q 2 =(τ 1 - τ 2)α л

где α л - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2 °С).

В этом равенстве отсутствует множитель δ, т. к. количество теплоты, передаваемой излучением, в воздушных прослойках, ограниченных параллельными плоскостями, не зависит от расстояния между ними.

Коэффициент α л определяется по формуле. Коэффициент α л также не является постоянной величиной, а зависит от коэффициентов излучения поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку и, кроме того, от разности четвертых степеней абсолютных температур этих поверхностей.

При температуре, равной 25 °С, значение температурного коэффициента увеличивается на 74 % по сравнению с его значением при температуре -25 °С. Следовательно, теплозащитные свойства воздушной прослойки будут улучшаться по мере понижения ее средней температуры. В теплотехническом отношении лучше располагать воздушные прослойки ближе к наружной поверхности ограждения, где температуры в зимнее время будут более низкими.

Выражение λ 1 + λ 2 + α л δ можно рассматривать как коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, подчиняющийся законам передачи теплоты через твердые тела. Этот суммарный коэффициент носит название «эквивалентного коэффициента теплопроводности воздушной прослойки» λ э Таким образом, имеем:

λ э = λ 1 + λ 2 + α л δ

Зная эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, термическое сопротивление его определяют по формуле так же, как и для слоев из твердых или сыпучих материалов, т. е.

Эта формула применима только для замкнутых воздушных прослоек, т. е. не имеющих сообщения с наружным или внутренним воздухом. Если прослойка имеет сообщение с наружным воздухом, то в результате проникания холодного воздуха термическое сопротивление ее может не только стать равным нулю, но и послужить причиной уменьшения сопротивления теплопередаче ограждения.

Для уменьшения количества теплоты, проходящей через воздушную прослойку, необходимо уменьшить одну из составляющих полного количества теплоты, передаваемой прослойкой. Эта задача прекрасно решена в стенках сосудов, предназначенных для хранения жидкого воздуха. Стенки этих сосудов состоят из двух стеклянных оболочек, между которыми выкачивается воздух; поверхности стекла, обращенные внутрь прослойки, покрываются тонким слоем серебра. При этом количество теплоты, передаваемой конвекцией, сводится к нулю вследствие значительного разрежения воздуха в прослойке.

В строительных конструкциях с воздушными прослойками передача теплоты излучением

значительно сокращается при покрытии излучающих поверхностей алюминием, имеющим малый коэффициент излучения С = 0,26 Вт/(м 2 К 4). Передача теплоты теплопроводностью при обычных разрежениях воздуха не зависит от его давления, и только при разрежении ниже 200 Па коэффициент теплопроводности воздуха начинает уменьшаться

В порах строительных материалов передача теплоты происходит так же, как и в воздушных прослойках Вот почему коэффициент теплопроводности воздуха в порах материала имеет различные значения в зависимости от размеров пор. Повышение теплопроводности воздуха в порах материала при повышении температуры происходит, главным образом, вследствие увеличения теплопередачи излучением.

При проектировании наружных ограждений с воздушными прослойками необходимо

учитывать следующее:

1) эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой

2) при выборе толщины воздушных прослоек желательно учитывать, чтобы λ э воздуха в них не был больше коэффициента теплопроводности материала, которым можно было бы заполнить прослойку; обратный случай может быть, если это оправдывается экономическими соображениями;

3) рациональнее делать в ограждающей конструкции несколько прослоек малой

толщины, чем одну большой толщины;

4) воздушные прослойки желательно располагать ближе к наружной стороне ограждения,

т. к. при этом в зимнее время уменьшается количество теплоты, передаваемой излучением;

5) воздушная прослойка должна быть замкнутой и не сообщаться с воздухом; если необходимость сообщения прослойки с наружным воздухом вызывается другими соображениями, как например, обеспечением бесчердачных покрытий от конденсации в них влаги, то это необходимо учитывать при расчете;

6) вертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными

диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий; более частое перегораживание прослоек по высоте практического значения не имеет;

7) для сокращения количества теплоты, передаваемой излучением, можно рекомендовать одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой, имеющей коэффициент излучения С = 1,116 Вт/(м 2 К 4). Покрытие фольгой обеих поверхностей практически не уменьшает передачу теплоты.

Также в строительной практике нередко встречаются наружные ограждения, имеющие воздушные прослойки, сообщающиеся с наружным воздухом. Особенно большое распространение получили прослойки, вентилируемые наружным воздухом, в бесчердачных совмещенных покрытиях как наиболее эффективная мера борьбы с конденсацией в них влаги. При вентилировании воздушной прослойки наружным воздухом последний, проходя через ограждение, отнимает от него теплоту, увеличивая теплоотдачу ограждения. Это приводит к ухудшению теплозащитных свойств ограждения и повышению его коэффициента теплопередачи. Расчет ограждений с вентилируемой воздушной прослойкой проводится с целью определения температуры воздуха в прослойке и действительных величин сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи таких ограждений.

23.Конструктивные решения отдельных узлов зданий (оконные перемычки, откосы, углы, стыки и т.п.) с целью недопущения конденсации на внутренних поверхностях.

Дополнительное количество теплоты, теряемое через наружные углы, невелико по сравнению с полной теплопотерей наружных стен. Понижение же температуры поверхности стены в наружном углу особенно неблагоприятно с санитарно-гигиени ческой точки зрения как единственная причина отсыревания и промерзания наруж ных углов*. Это понижение температуры вызывается двумя причинами:

1) геометрической формой угла, т. е. неравенством площадей тепловосприятия и теплоотдачи в наружном углу; в то время как на глади стены площадь тешювоспри ятия F в равна площади теплоотдачи F н, в наружном углу площадь тепловосприятия F в оказывается меньше площади теплоотдачи F н; таким образом, наружный угол испытывает большее охлаждение, чем гладь стены;

2) уменьшением коэффициента α в тепловосприятия в наружном углу против гла ди стены в основном вследствие уменьшения передачи теплоты излучением, а также в результате понижения интенсивности конвекционных токов воздуха в наружном углу. Уменьшение величины α в увеличивает сопротивление тепловосприятию R в, а это оказывает влияние на понижение температуры наружного угла Ту.

При конструировании наружных углов необходимо принимать меры к повыше нию температуры на их внутренней поверхности, т. е. утеплять углы, что можно де лать следующими способами.

1. Скашиванием внутренних поверхностей наружного угла вертикальной плоскостью. При этом с внутренней стороны прямой угол разбивается на два тупых угла (рис. 50а). Ши рина скашивающей плоскости должна быть не менее 25 см. Это скашивание можно делать или тем же материалом, из которого состоит стена, или другим материалом с несколько меньшим коэффициентом теплопроводности (рис. 506). В последнем случае утепление уг лов можно делать независимо от возведения стен. Эта мера рекомендуется для утепления углов уже существующих зданий, если теп лотехнический режим этих углов оказывает ся неудовлетворительным (отсыревание или промерзание). Скашивание утла при ширине скашивающей плоскости 25 см снижает раз ность температур между гладью стены и наружным углом, по данным опыта, при

мерно на 30 %. Какое влияние оказывает утепление угла скашиванием, видно на примере 1,5-кир-

пичной стены опытного дома в Москве. При /н = -40 °С угол промерз (рис. 51). В ребрах двух тупых углов, образованных пересечением плоскости скашивания с гранями прямого угла, промерзание поднялось на 2 м от пола; на самой же плоскости

скашивания это промерзание поднялось только до высоты около 40 см от пола, т. е. на середине плоскости скашивания температура поверхности оказалась более высокой, чем у ее примыкания к поверхности наружных стен. Если бы угол не был утеплен, то он промерз бы на всю высоту.

2. Скруглением наружного угла. Внутренний радиус скругления должен быть не менее 50 см. Скругле- ние угла можно делать как по обеим поверхностям угла, так и по одной его внутренней поверхности (рис. 50г).

В последнем случае утепление аналогично скашиванию угла и радиус скругления может быть уменьшен до 30 см.

В гигиеническом отношении скругление угла дает еще бо лее благоприятный результат, поэтому в первую очередь ре комендуется для лечебных и других зданий, к чистоте кото рых предъявляются повышенные требования. Скругление угла при радиусе 50 см снижает разность температур между

гладью стены и наружным углом примерно на 25 %. 3. Устройством на наружной поверхности угла утепля ющих пилястр (рис. 50д) - обычно в деревянных домах.

В брусчатых и рубленых домах эта мера имеет особенно большое значение при рубке стен в лапу, в этом случае пи лястры защищают угол от излишней потери теплоты по тор цам бревен вследствие большей теплопроводности древеси ны вдоль волокон. Ширина пилястр, считая от наружной грани угла, должна быть не менее полуторной толщины стены. Пилястры должны иметь достаточное термичес кое сопротивление (ориентировочно не менее R = 0,215 м2 °С/Вт, что соответствует деревянным пилястрам из досок 40 мм). Дощатые пилястры на углах стен, рубленных в лапу, желательно ставить на слой утеплителя.

4. Установкой в наружных углах стояков разводящего трубопровода центрально го отопления. Эта мера наиболее эффективна, т. к. при этом температура внутренней поверхности наружного угла может стать даже выше температуры на гла ди стены. Поэтому при проектировании систем центрального отопления стояки раз водящего трубопровода, как правило, прокладываются во всех наружных углах зда ния. Стояк отопления повышает температуру в углу примерно на 6 °С при расчетной температуре наружного воздуха.

Карнизным узлом назовем узел примыкания чердачного перекрытия или совме щенного покрытия к наружной стене. Теплотехнический режим такого узла близок к теплотехническому режиму наружного угла, но отличается от него тем, что примы кающее к стене покрытие имеет более высокие теплозащитные качества, чем стена, а при чердачных перекрытиях температура воздуха на чердаке будет несколько выше температуры наружного воздуха.

Неблагоприятный теплотехнический режим карнизных узлов вызывает необ ходимость их дополнительного утепления в выстроенных домах. Это утепление приходится делать со стороны помещения, причем оно должно проверяться рас четом температурного поля карнизного узла, т. к. иногда излишнее утепление мо жет привести к отрицательным результатам.

Утепление более теплопроводными древесноволокнистыми плитами оказалось значительно эффективнее, чем малотеплопроводным пенополистиролом.

Аналогичным температурному режиму карнизного узла является режим цоколь ного узла. Понижение температуры в углу примыкания пола первого этажа к поверх ности наружной стены может оказаться значительным и приближаться к температуре в наружных углах.

Для повышения температуры пола первых этажей у наружных стен желательно повышать теплозащитные свойства пола по периметру здания. Необходимо также, чтобы цоколь имел достаточные теплозащитные качества. Это имеет особенно боль шое значение при полах, расположенных непосредственно на грунте или бетонной подготовке. В этом случае рекомендуется устройство за цоколем по периметру здания теплой отсыпки, например, шлаком.

Полы, укладываемые по балкам с подпольным пространством между конструк цией цокольного перекрытия и поверхностью земли, имеют более высокие тепло защитные свойства по сравнению с полом на сплошном основании. Плинтус, при биваемый к стенам у пола, утепляет угол между наружной стеной и полом. Поэтому в первых этажах зданий необходимо обращать внимание на повышение теплозащит ных свойств плинтусов, что может быть достигнуто увеличением их размеров и уста новкой на слое мягкого утеплителя.

Понижение температуры внутренней поверхности наружных стен крупнопанель ных домов наблюдается также против стыков панелей. В однослойных панелях это вызвано заполнением полости стыка более теплопроводным материалом, чем мате риал панели; в многослойных панелях -бетонными ребрами, окаймляющими па нель.

Для предупреждения конденсации влаги на внутренней поверхности вертикаль ных стыков панелей наружных стен домов серии П-57 используют прием повышения температуры путем замоноличивания стояка отопления в примыкающей к стыку пе регородке.

Недостаточное утепление наружных стен в междуэтажном поясе может вызвать значительное понижение температуры пола у наружных стен даже в кирпичных до мах. Это обычно наблюдается при утеплении наружных стен с внутренней стороны только в пределах помещения, а в междуэтажном поясе стена остается неутепленной. Повышенная воздухопроницаемость стен в междуэтажном поясе может привести к дополнительному резкому охлаждению междуэтажного перекрытия.

24.Теплоустойчивость наружных ограждающих конструкций и помещений.

Неравномерность отдачи теплоты приборами отопления вызывает колебания температуры воздуха в помещении и на внутренних поверхностях наружных ограж дений. Величины амплитуд колебания температуры воздуха и температур внутренних поверхностей ограждений будут зависеть не только от свойств отопительной системы, теплотехнических качеств его наружных и внутренних ограждающих конструкций, а также от оборудования помещения.

Теплоустойчивость наружного ограждения - это его способность давать большее или меньшее изменение температуры внутренней поверхности при колебании тем пературы воздуха в помещении или температуры наружного воздуха. Чем меньше из менение температуры внутренней поверхности ограждения при одной и той же амп литуде колебания температуры воздуха, тем оно более теплоустойчиво, и наоборот.

Теплоустойчивость помещения - это его способность уменьшать колебания тем пературы внутреннего воздуха при колебаниях теплового потока от отопительного прибора. Чем меньше при прочих равных условиях будет амплитуда колебания тем пературы воздуха в помещении, тем оно будет более теплоустойчивым.

Для характеристики теплоустойчивости наружных ограждений О. Е. Власовым было введено понятие коэффициента теплоустойчивости ограждения φ. Коэффициент φ есть отвлеченное число, представляющее собой отношение разности температур внутреннего и наружного воздуха к максимальной разности температур внутреннего воздуха ивнутренней поверхности ограждения. Величина φ будет зависеть от теплотехнических свойств ограждения, а также от системы отопления и ее эксплуатации Для вычисления величины φ О. Е. Власовым дана следующая формула:

φ=R o /(R в +m/Y в)

где R о - сопротивление теплопередаче ограждения, м2 °С/Вт; R в - сопротивление тепловосприятию, м2 °С/Вт; Y в - коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2 °С).

25.Потери теплоты на нагревание инфильтрующегося наружного воздуха через ограждающие конструкции помещений.

Затраты теплоты Q и Вт, для нагревания инфильтрующегося воздуха и помещениях жилых и общественных зданий при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемого подогретым приточным воздухом, следует принимать равным большей из величин, рассчитанных согласно методике, по формулам:

Q и = 0,28ΣG i C (t в -t н) k;

G i =0.216(ΣF ок)×ΔP 2/3 /R i(ок)

где - ΣG i расход инфильтруюшегося воздуха, кг/ч, через ограждающие конструкции помещения, с - удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг-°С); t в,t н - расчетные температуры воздуха в помещении н наружного воздуха в холодный период года, С; k - коэффициент, учитывающий влияние встречного теплового потока в конструкциях, равный: 0,7 - для стыков панелей стен, для окон с тронными переплетами, 0,8 - для окон и балконных дверей с раздельными переплетами и 1,0 -для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами и открытых проемов; ΣF ок – вся площадь, м; ΔP – расчетная разность давлений на расчетном этаже, Па; R i(ок) – сопротивление паропроницанию м 2 ×ч×Па/мг

Подсчитанные для каждого помещения расходы теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха следует добавить к теплопотерям этих помещений.

Для поддержания расчетной температуры воздуха помещении система отопления должка компенсировать теплопотери помещения. Однако следует иметь в виду, что кроме теплопотерь в помещении могут быть дополнительные расходы теплоты: на нагревание поступающих в помещение холодных материалов и въезжающего транспорта.

26.потери теплоты через ограждающие конструкции помещения

27.Расчетные теплопотери помещения.

Каждая система отопления предназначена для создания в колодный период года в помещениях здания заданной температуры воздуха, соответствующей комфортным условиям и отвечающей требованиям технологического процесса. Тепловой режим в зависимости от назначения помещений может быть как постоянным, так и переменным.

Постояннын тепловой режим должен поддерживаться круглосуточно в течение всего отопительного периода в зданиях: жилых, производственных с непрерывным режимом работы, детских и лечебных учреждений, гостиниц, санаториев и т. и.

Неременный тепловой режим характерен для производственных зданий с одно- и двухсменной работой, а также для ряда общественных зданий (административные, торговые, учебные и т. п.) и зданий предприятий обслуживания населения. В помещениях этих зданий необходимые тепловые условия поддерживают только в рабочее время. В нерабочее время используют либо имеющуюся систему отопления, либо устраивают дежурное отопление, поддерживающее в помещении пониженную температуру воздуха. Если в рабочее время тенлопосту- пления превышают потери теплоты, то устраивают только дежурное отопление.

Теплопотери в помещении складываются из потерь через ограждающие конструкции (учитывается ориентация конструкции по концам света) и из расхода тепла на нагревание наружного холодного воздуха, поступающего в помещение для его вентиляции. Кроме того учитываются теплопоступления в помещение от людей и электробытовых приборов.

Дополнительный расход тепла для нагревания наружного холодного воздуха поступающего в помещение для его вентиляции.

Дополнительный расход тепла на нагревания наружного воздуха поступающего в помещение путем инфильтрации.

Теплопотери через ограждающие конструкции.

Поправочный коэффициент учитывающий ориентацию по сторонам света.

n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху

28.Виды нагревательных приборов.

Отопительные приборы, применяемые в системах центрального отопления, подразделяются: по преобладающему способу теплоотдачи - на радиационные (подвесные панели), конвективно-радиационные (приборы с гладкой внешней поверхностью) и конвективные (конвекторы с ребристой поверхностью и ребристые трубы); по виду материала - на приборы металлические (чугунные из серого чугуна и стальные из листовой стали и стальных труб), малометаллические (комбинированные) и неметаллические (керамические радиаторы, бетонные панели с заделанными стеклянными или пластмассовыми трубами или с пустотами, вообще без труб и др.); по характеру внешней поверхности - на гладкие (радиаторы, панели, гладкотрубные приборы), ребристые (конвекторы, ребристые трубы, калориферы).

Радиаторы чугунные и стальные штампованные. Промышленность выпускает секционные и блочные чугунные радиаторы. Секционные радиаторы собирают из отдельных секций, блочные - из блоков. Производство чугунных радиаторов требует большого расхода металла, они трудоемки в изготовлении и монтаже. При этом усложняется изготовление панелей вследствие устройства в них ниши для установки радиаторов, Кроме того, производство радиаторов приводит к загрязнению окружающей среды. Изготовляют однорядные и двухрядные стальные панельные радиаторы: штампованные колончатые типа РСВ1 и штампованные змеевиковые типа РСГ2

Ребристые трубы. Ребристые трубы изготовляют чугунными длиной 0,5; 0,75; I; 1,5 и 2 м с круглыми ребрами и поверхностью нагрева 1; 1,5; 2; 3 и 4 м 2 (рис. 8.3). На концах трубы предусмотрены фланцы для присоединения их к фланцам теплопровода системы отопления. Оребренность прибора увеличивает теплоотдающую поверхность, но затрудняет очистку его от пыли и понижает коэффициент теплопередачи. Ребристые трубы в помещениях с продолжительным пребыванием людей не устанавливают.

Конвекторы. В последние годы стали широко применяться конвекторы - отопительные приборы, передающие теплоту в основном конвективным путем.

29.классификация отопительных приборов.требования предевляемые к ним.

30.Расчет необходимой поверхности отопительных приборов.

Целью отопления является компенсация потерь каждого обогреваемого помещения для обеспечения в нем расчетной температуры. Система отопления представляет собой комплекс инженерных устройств, обеспечивающих выработку тепловой энергии и передачи ее в каждое обогреваемое помещение в требуемом количестве.

– температура подоваемой воды, равная 90 0 С;

– температура обратной воды, равная 70 0 С.

Все расчеты в таблице 10.

1) Определяем общую тепловую нагрузку на стояк:

, Вт

2) Количество теплоносителя, проходящего через стояк:

Gст=(0,86* Qст)/(tг- tо), кг/ч

3) Коэффициент затекания в однотрубной системе α=0,3

4) Зная коэффициент затекания, можно определить количество теплоносителя, проходящий через каждый нагревательный прибор:

Gпр= Gст*α, кг/ч

5) Определяем температурный напор для каждого прибора:

где Gпр – расход теплопотери через прибор,

– полная теплопотеря данного помещения

6) Определяем температуры теплоносителя в нагревательном приборе на каждом этаже:

tвх = tг - ∑ Qпр/ Qст(tг- tо) , 0 С

где ∑Qпр – теплопотери всех предшествующих помещений

7) Температура теплоносителя на выходе из прибора:

tвых= tвх- Δtпр, 0 С

8) Определяем среднюю температуру теплоносителя в отопительном приборе:

9) Определяем температурный напор между средней температурой теплоносителя в приборе и температурой окружающего воздуха

10) Определяем требуемую теплоотдачу одной секции отопительного прибора:

где Qну- номинальный условный тепловой поток, т.е. количество тепла в Вт, отданное одной секцией отопительного прибора МС-140-98. Qну=174 Вт.

Если расход теплоносителя через прибор G находится в пределах 62..900, то коэффициент с=0,97 (коэффициент учитывает схему подключения отопительных приборов). Коэффициенты n, p выбираются из справочника в зависимости от вида отопительного прибора, расхода теплоносителя в нём и схемы подачи теплоносителя в прибор.

Для всех стояков принимаем n=0,3 , p=0 ,

Для третьего стояка принимаем c=0,97

11) Определяем требуемое минимальное количество секций отопительных приборов:

N= (Qпр/(β3* ))*β4

β 4 – коэффициент, учитывающий способ установки радиатора в помещении.

Радиатор установленный под подоконником с декоративной защитной решёткой установленной с лицевой стороны = 1,12 ;

радиатор с декоративной защитной решёткой установленной с лицевой стороны и свободной верхней частью = 0,9 ;

радиатор установленный в нише стены и свободной лицевой частью = 1,05 ;

радиаторы расположенные друг над другом = 1,05.

Принимаем β 4 =1,12

β 3 – коэффициент, учитывающий число секций в одном радиаторе

3 - 15 секций = 1 ;

16 - 20 секций = 0,98 ;

21 - 25 секций = 0,96.

Принимаем β 3 =1

Т.к. требуется установка 2 –х отопительных приборов в помещении, то распределяем Q приб 2/3 и 1/3 соответственно

Рассчитываем количество секций для 1-ого и 2-ого отопительного прибора

31.Основные факторы, определяющие величину коэффициента теплопередачи нагревательного прибора.

Коэффициент теплопередачи отопительного прибора

Основными факторами, определяющими величину k являются: 1) вид и конструктивные особенности, приданные типу прибора при его разработке; 2) температурный напор при эксплуатации прибора

Среди второстепенных факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи приборов систем водяного отопления, прежде всего укажем на расход воды G np , включенный в формулу.В зависимости от расхода воды изменяются скорость движения w и режим течения воды в приборе, т. е. условия теплообмена на его внутренней поверхности. Кроме того, изменяется равномерность температурного поля на внешней поверхности прибора.

На коэффициент теплопередачи влияют также следующие второстепенные факторы:

а) скорость движения воздуха v у внешней поверхности прибора.

б) конструкция ограждения прибора.

в) расчетное значение атмосферного давления, установленное для места расположения здания

г) окраска прибора..

На значении коэффициента теплопередачи сказываются также качество обработки внешней поверхности, загрязненность внутренней поверхности, наличие воздуха в приборах и другие эксплуатационные факторы.

32Виды систем отопления. Области применения.

Системы отопления: виды, устройство, выбор

Одной из важнейших составляющих инженерного обеспечения являетсяотопление.

Важно знать, что хорошим показателем работы системы отопления является способность системы поддерживать комфортную температуру в доме при температуре теплоносителя низкой настолько, насколько это возможно, тем самым затраты на эксплуатацию системы отопления сводятся к минимуму.

Все отопительные системы, с использованием теплоносителя, делятся на:

· системы отопления с естественной циркуляцией (гравитационная система), т.е. движение теплоносителя внутри замкнутой системы возникает за счет разницы веса горячего теплоносителя в подающей трубе (вертикальном стояке большого диаметра) и холодного - после остывания в приборах и обратном трубопроводе. Необходимое оборудование для этой системы – это расширительный бак открытого типа, который устанавливается в самой верхней точке системы. Довольно часто он же используется для заполнения и подпитки системы теплоносителем.

· система отопления с принудительной циркуляцией основана на действии насоса, который заставляет двигаться теплоноситель, преодолевая сопротивление в трубах. Такой насос называется циркуляционным и позволяет отапливать большое количество помещений с разветвленной системы труб и радиаторов, когда разница температур на входе и выходе не обеспечивает достаточную силу теплоносителю, чтобы преодолеть всю сеть. К необходимому оборудованию, используемому при этой системе отопления, стоит отнести расширительный мембранный бак, циркуляционный насос, группу безопасности.

Первый вопрос, который следует изучить при выборе системы отопления, - какой источник энергии будет использоваться: твердое топливо (уголь, дрова и др.); жидкое топливо (мазут, солярка, керосин); газ; электричество. Топливо является основой для выбора отопительного оборудования и расчета общих затрат при максимальном наборе других показателей. Расход топлива загородных домов существенно зависит от материала и конструкции стен, объема дома, режима его эксплуатации и возможности системы отопления по управлению температурными характеристиками. Источником тепла в коттеджах являются одноконтурные (только для отопления) и двухконтурные (отопления и горячее водоснабжение) котлы.

Административно-территориальное устройство Челябинской области: понятие, виды административно-территориальных единиц, населенных пунктов

Анализ валового производства молока в ОАО «Семьянское» Воротынского района Нижегородской области