Физика среды и ограждающих конструкций

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКА СРЕДЫ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Курс лекций

 

для студентов, обучающихся по направлению подготовки

08.03.01. – Строительство

Ставрополь, 2014

 

Данное учебное пособие содержат основной теоретический материал, соответствующий рабочей программе курса «Физика среды и ограждающих конструкций» и рекомендуемую литературу для самостоятельного изучения отдельных разделов данного курса. Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01. – Строительство.

.

 

 

Составители: д.т.н., доцент Стоянов Н.И., к.ф-м.н., доцент Хащенко А.А.

 

Рецензент: к.т.н., доцент Воронин А.И.

Содержание

1. Введение……………………………………………………………………………………..3

1.1 Цель и задачи курса………………………………………………………………………..3

1.2 Предмет курса………………………………………………………………………………3

1.3 Здание как единая энергетическая система………………………………………………4

2. Тепловлагопередача через наружные ограждения………………………………………..5

2.1 Основы теплопередачи в здании………………………………………………………….5

2.1.1 Теплопроводность………………………………………………………………………..5

2.1.2 Конвекция………………………………………………………………………………...8

2.1.3 Излучение………………………………………………………………………………..10

2.1.4 Термическое сопротивление воздушной прослойки………………………………….11

2.1.5 Коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях…………….13

2.1.6 Теплопередача через многослойную стенку…………………………………………..13

2.1.7 Приведенное сопротивление теплопередаче………………………………………….15

2.1.8 Распределение температуры по сечению ограждения………………………………..17

2.2 Влажностный режим ограждающих конструкций……………………………………...18

2.2.1 Причины появления влаги в ограждениях…………………………………………….18

2.2.2 Отрицательные последствия увлажнения наружных ограждений…………………..19

2.2.3 Связь влаги со строительными материалами………………………………………….20

2.2.4 Влажный воздух………………………………………………………………………....21

2.2.5 Влажность материала……………………………………………………………………23

2.2.6 Сорбция и десорбция……………………………………………………………………23

2.2.7 Паропроницаемость ограждений………………………………………………………24

2.3 Воздухопроницаемость наружных ограждений………………………………………..28

2.3.1 Основные положения…………………………………………………………………..28

2.3.2 Разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждений…………29

2.3.3 Воздухопроницаемость строительных материалов………………………………….33

Введение

Цель и задачи курса

Учебное пособие "Лекции по строительной теплофизику" предназначено для студентов, изучающих в рамках специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция" одноименную дисциплину. Содержание пособия соответствует программе дисциплины и в значительной мере ориентировано на курс лекций, читаемый в МГСУ. Цель курса - с помощью системного изложения сформировать подход к физической сущности тепло-воздушного и влажностного режимов здания как к основе изучения технологии обеспечения микроклимата. В задачи дисциплины входит: формирование общего представления о теплотехнической роли внешней оболочки здания и работе инженерных систем, обеспечивающих его микроклимат, как о единой энергетической системе; обучение студента умению использовать теоретические положения и методы расчета в дальнейшей профессиональной работе, то есть при проектировании и эксплуатации систем обеспечения микроклимата здания. В результате освоения дисциплины студент должен знать понятия, определяющие тепловой, воздушный и влажностный режимы здания, включая климатологическую и микроклиматическую терминологию; законы передачи теплоты, влаги, воздуха в материалах, конструкциях и элементах систем здания и величины, определяющие тепловые и влажностные процессы; нормативы теплозащиты наружных ограждающих конструкций, нормирование параметров наружной и внутренней среды здания. Студент должен уметь формулировать и решать задачи передачи теплоты и массы во всех элементах здания и демонстрировать способность и готовность вести поверочный расчет защитных свойств наружных ограждений, и расчет коэффициентов лучистого и конвективного теплообмена на поверхностях, обращенных в помещение.

Предмет курса

Строительная теплофизика изучает процессы передачи теплоты, переноса влаги, фильтрации воздуха применительно к строительству.

В основном строительная теплофизика изучает процессы, происходящие на поверхностях и в толще ограждающих конструкций здания. Причем, по установившейся традиции и для краткости, часто ограждающие конструкции здания называются просто ограждениями. Причем, значительное место в строительной теплофизике отведено наружным ограждениям, которые отделяют отапливаемые помещения от наружной среды или от неотапливаемых помещений (неотапливаемых техподполий, подвалов, чердаков, тамбуров и т.п.)

Не смотря на то, что наука относится в основном к ограждающим конструкциям здания, для специалистов по отоплению и вентиляции строительная теплофизика очень важна. Дело в том, что, во-первых, от теплотехнических качеств наружных ограждений зависят теплопотери здания, влияющие на мощность отопительных систем и расход теплоты ими за отопительный период. Во-вторых, влажностный режим наружных ограждений влияет на их теплозащиту, а, следовательно, на мощность систем, обеспечивающих заданный микроклимат здания. В-третьих, коэффициенты теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений играют роль не только в оценке общего приведенного сопротивления теплопередаче конструкции, но и в оценке температуры на внутренней поверхности этого ограждения. В-четвертых, "плотные" окна имеют вполне определенное сопротивление воздухопроницанию. И при "плотных" окнах в малоэтажных зданиях до 5 этажей инфильтрацией в расчете теплопотерь можно пренебречь, а в более высоких на нижних этажах она уже будет ощутимой. В-пятых, от воздушного режима здания зависит не только наличие или отсутствие инфильтрации, но и работа систем вентиляции, особенно естественных. В-шестых, радиационная температура внутренних поверхностей наружных и внутренних ограждений, важнейшая составляющая оценки микроклимата помещений, в основном является производной от теплозащиты здания. В-седьмых, теплоустойчивость ограждений и помещений влияет на постоянство температуры в помещениях при переменных тепловых воздействиях на них, особенно в современных зданиях, в которых воздухообмен близок к минимальной норме наружного воздуха.

В проектировании и теплотехнической оценке наружных ограждений имеется ряд особенностей. Утепление здания - дорогостоящая и ответственная составляющая современного строительства, поэтому важно обоснованно принимать толщину утеплителя. Специфика сегодняшнего теплотехнического расчета наружных ограждений связана:

во-первых, с повысившимися требованиями к теплозащите зданий;

во-вторых, с необходимостью учитывать роль эффективных утеплителей в ограждающих конструкциях, коэффициенты теплопроводности которых настолько малы, что требуют очень аккуратного отношения к подтверждению их величин в эксплуатационных условиях;

в-третьих, с тем, что в ограждениях появились различные связи, сложные примыкания одного ограждения к другому, снижающие сопротивление теплопередаче ограждения. Оценка влияния различного рода теплопроводных включений на теплозащиту зданий требует опоры на специальные подробные исследования.

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:

, (2.1)

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

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

t - температура, изменяющаяся вдоль оси x, оС;

Отношение , носит название градиента температуры, ^оС/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 м² площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 ^оС/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.

Рис.1 Направления теплового потока и градиента температуры.

_______ - 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^оС (у пластмассы) до 14 Вт/м^оС (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт/м^оС. 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/м³, имеют различные значения теплопроводности:

Таблица 1.

Теплопроводность материалов с одинаковой плотностью 1800 кг/м³ [38].

Материал	Теплопроводность, Вт/ (м ^оС)
Цементно-песчаный раствор	0,93
Кирпич	0,76
Асфальт	0,72
Портландцементный камень	0,46
Асбестоцемент	0,35

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^оС 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^оС, на значения их при 0^оС служит эмпирическая формула О.Е. Власова:

 

λ_о= λ_t/ (1+β^. t), (2.2)

где λ_о - теплопроводность материала при 0 ^оС;

λ_t - теплопроводность материала при t ^оС;

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

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:

, (2.3)

где τ₁,τ₂ - значения температуры на поверхностях стенки, ^оС.

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:

, (2.4)

Рис.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке

Следовательно, тепловой поток q_Т, Вт/м², через однородную плоскопараллельную стенку толщиной δ, м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/м^{. о}С, можно записать в виде

, (2.5)

Термическое сопротивление слоя - это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м².

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, ^оС;

τ - температура поверхности стенки, ^оС;

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^оС.

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:

, (2.7)

 

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/м² от поверхности к воздуху или наоборот. Сопротивление R_к является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи a_к:

, (2.8)

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/м², определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене:

, (2.9)

где τ₁и τ₂ - значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, ^оС;

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^оС.

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/м².

Тогда уравнение (2.8) можно переписать в виде:

, (2.10)

Сопротивление R_л является величиной обратной коэффициенту лучистой теплоотдачи a_л:

 

. (2.11)

Влажный воздух

Атмосферный воздух, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа и небольшого количества инертных газов всегда содержит некоторое количество влаги в виде водяного пара. Смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.

С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется всем законам смеси идеальных газов. Каждый газ, в том числе и пар, входящий в состав смеси, занимает тот же объем, что и вся смесь.

Пар находится под своим парциальным давлением, которое определяют по уравнению Менделеева-Клайперона:

, (2.33)

где M_i - масса i-го газа, в данном случае водяного пара, кг;

R - универсальная газовая постоянная, равная 8 314,41 Дж/ (кмоль^. К);

Т - температура смеси в абсолютной шкале, К;

V - объем, занимаемый смесью газов, м³;

μ_i - молекулярный вес газа, кг/моль. Для водяного пара μ_п= 18,01528 кг/кмоль.

По закону Дальтона сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси равна полному давлению смеси. Влажный воздух принято рассматривать как бинарную смесь, состоящую из водяного пара и сухой части атмосферного воздуха, эффективный молекулярный вес которого равен μ_{в ≈} 29 кг/моль. Барометрическое давление влажного воздуха Р_б, Па, складывается из парциального давления сухого воздуха е_св, Па, и парциального давления пара е_п, Па:

. (2.34)

Парциальное давление водяных паров называют также упругостью водяного пара.

Для характеристики меры увлажнения воздуха пользуются понятием относительной влажности воздуха φ_в, которая показывает степень насыщенности воздуха водяным паром в% или долях единицы полного насыщения при одинаковых температуре и давлении.

При относительной влажности 100% воздух полностью насыщен водяным паром и называется насыщенным. Парциальное давление насыщенного водяного пара называют также давлением насыщения воздуха водяным паром или максимальной упругостью водяных паров и обозначают Е. Величина относительной влажности φ_в равна отношению парциального давления водяного пара е_п во влажном воздухе при определенных атмосферном давлении и температуре к давлению насыщения Е при тех же условиях:

, (2.35)

или φ,% . (2.36)

Парциальное давление насыщенного водяного пара - максимальная упругость водяных паров - при заданном барометрическом давлении является функцией только температуры t:

. (2.37)

Его значения определяют экспериментальным путем и приводят в специальных таблицах. Кроме того, имеется ряд формул, аппроксимирующих зависимость Е от температуры.

Над поверхностью льда при температуре от - 60 ^оС до 0 ^оС

, (2.38)

Над поверхностью чистой воды при температуре от 0 ^оС до 83 ^оС

, (2.39)

Нормальным для пребывания человека гигиенистами считается диапазон относительной влажности от 30% до 60%. При относительной влажности воздуха выше 60% испарение влаги с кожи человека затруднено и его самочувствие ухудшается. При более низкой относительной влажности воздуха, чем 30% испарение с поверхности кожи и слизистых оболочек человека усиливается, что вызывает сухость кожи, першение в горле, способствующие простудным заболеваниям.

При повышении температуры воздуха заданной абсолютной влажности его относительная влажность понижается, так как в соответствии с формулой (2.36) величина парциального давления водяного пара останется без изменения, а давление насыщения возрастет из-за увеличения температуры. Наоборот, при охлаждении воздуха относительная влажность возрастет вследствие снижения величины давления насыщения Е. По мере остывания воздуха при некоторой его температуре, когда е_п станет равно Е, относительная влажность воздуха станет равной 100%, то есть воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Температура t_р, ^оС, при которой воздух с определенной абсолютной влажностью находится в состоянии полного насыщения, называется точкой росы. Если воздух будет охлаждаться ниже точки росы, то, часть влаги начнет конденсироваться из воздуха. Воздух при этом будет оставаться насыщенным водяным паром, а давление насыщения воздуха Е соответственно достигнутой температуре будет снижаться. Причем температура воздуха в каждый момент времени будет точкой росы для сформировавшейся абсолютной влажности воздуха.

При соприкосновении влажного воздуха с внутренней поверхностью наружного ограждения, имеющей температуру τ_в ниже точки росы воздуха t_р, на этой поверхности будет конденсироваться водяной пар. Таким образом, условиями отсутствия выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения и в его толще является поддержание температуры выше точки росы, а это означает, что парциальное давление водяных паров в каждой точке сечения ограждения должно быть меньше давления насыщения.

 

Влажность материала

В капиллярно-пористых материалах в естественной воздушной среде всегда находится некоторое количество химически несвязанной влаги. Если образец материала, находящегося в естественных условиях, подвергнуть сушке, то его масса уменьшится. Весовая влажностьматериала ω_в,%, определяется отношением массы влаги, содержащейся в образце, к массе образца в сухом состоянии:

, (2.40)

где М₁ - масса влажного образца, кг,

М₂ - масса сухого образца, кг.

Объемная влажность ω_о,%, определяется отношением объема влаги, содержащейся в образце, к объему образца:

, (2.41)

где V₁ - объем влаги в образце, м^3, V₂ - объем самого образца, м³.

Между весовой ω_в и объемной влажностью ω_о материала существует соотношение:

, (2.42)

где ρ - плотность материала в сухом состоянии, кг/м³.

В расчетах чаще используется весовая влажность.

 

Сорбция и десорбция

При длительном нахождении образца материала во влажном воздухе с постоянными температурой и относительной влажностью, масса влаги, содержащейся в образце станет неизменной - равновесной. При повышении относительной влажности воздуха масса влаги в материале увеличивается, а при увеличении температуры - уменьшается. Это равновесное влагосодержание материала, соответствующее тепловлажностному состоянию воздушной среды, в зависимости от химического состава, пористости и некоторых других свойств материала может быть больше или меньше. Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в среду влажного воздуха, называется сорбцией, а процесс уменьшения влагосодержания избыточно влажного материала в среде влажного воздуха - десорбцией.

Закономерность изменения равновесного влагосодержания материала в воздушной среде с постоянной температурой и возрастающей относительной влажностью выражается изотермой сорбции.

Для подавляющего числа строительных материалов изотермы сорбции и десорбции не совпадают. Разность весовых влажностей строительного материала при одной и той же относительной влажности воздуха φ называется сорбционным гистерезисом. На рис.8 представлены изотермы сорбции и десорбции водяного пара для пеносиликата. Из рис.8 видно, что, например, для φ = 40% при сорбции пеносиликат имеет весовую влажность ω_в=1,75%, а при десорбции ω_в=4%, следовательно, сорбционный гистерезис равен 4-1,75=3,25%.

 

Рис.8. Весовая влажность пеносиликата при сорбции (1) и десорбции (2)

Основные положения

Воздухопроницаемостью называется свойство строительных материалов и ограждающизх конструкций пропускать сквозь себя поток воздуха, воздухопроницаемостью считают также расход воздуха в кг, который проходит через 1м² ограждения за час G, кг/ (м^2. ч).

Воздухопроницанием через ограждения называют процесс проникновения воздуха сквозь их неплотности. Проникновение воздуха снаружи внутрь помещений называется инфильтрацией, а из помещения наружу - эксфильтрацией.

Различают два типа неплотностей, через которые осуществляется фильтрация воздуха: поры строительных материалов и сквозные щели. Щели образуют стыки стеновых панелей, щели в переплетах окон и в местах прилегания окна к оконной коробке и т.д. Кроме сквозной поперечной фильтрации, при которой воздух проходит через ограждение насквозь в направлении. перпендикулярном поверхности ограждения, существует, по терминологии Р.Е. Брилинга, еще два вида фильтрации - продольная и внутренняя.

Вообще говоря, воздухопроницаемостью обладают все наружные ограждения, но в расчете теплопотерь обычно учитывается только инфильтрация через окна, балконные двери и витражи. Нормы плотности остальных ограждений исключают возможность сквозной воздухопроницаемости, ощутимо влияющей на тепловой баланс помещения.

Как уже было сказано в гл.2, для пароизоляции ограждающих конструкций с их внутренней стороны делается плотный слой. Этот слой обычно достаточно воздухонепроницаем для поперечной фильтрации. Однако, если с наружной стороны фасадный слой не плотный, может происходить продольная фильтрация, заключающаяся в том, что под воздействием ветра холодный наружный воздух проходит внутрь ограждающей конструкции и в другом месте выходит из нее. Этим вызываются дополнительные теплопотери.

У современных наружных стен с вентилируемым фасадом в слоях из минеральной ваты, пенополистирола или других вспененных материалов может наблюдаться продольная фильтрация, которая местно снижает приведенное сопротивление этих конструкций за счет выноса фильтрующимся воздухом теплоты в атмосферу.

Даже, если с обеих сторон ограждающей конструкции обеспечена хорошая защита от проникновения воздуха, а внутренние слои выполнены из воздухопроницаемых материалов, движение воздуха внутри конструкции может возникнуть из-за разности температур в толще ограждения по типу движения воздуха в замкнутых воздушных прослойках. Однако, внутренняя фильтрция, как правило, не увеличивает заметно коэффициент теплопередаче ограждения.

Инфильтрация и эксфильтрация и, вообще, любая фильтрация воздуха возникают под воздействием перепадов полных давлений воздуха∆P, Па, с разных сторон ограждения.

То есть, потенциалом переноса воздуха через материалы и ограждающие конструкции является разность давлений воздуха изнутри здания и снаружи. Она объясняется, во-первых, различной плотностью холодного наружного воздуха и теплого внутреннего - гравитационной составляющей и, во-вторых, действием ветра, создающего положительное дополнительное давление в набегающем потоке с наветренной стороны и разрежение с подветренной - ветровой составляющей.

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКА СРЕДЫ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Курс лекций

 

для студентов, обучающихся по направлению подготовки

08.03.01. – Строительство

Ставрополь, 2014

 

Данное учебное пособие содержат основной теоретический материал, соответствующий рабочей программе курса «Физика среды и ограждающих конструкций» и рекомендуемую литературу для самостоятельного изучения отдельных разделов данного курса. Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01. – Строительство.

.

 

 

Составители: д.т.н., доцент Стоянов Н.И., к.ф-м.н., доцент Хащенко А.А.

 

Рецензент: к.т.н., доцент Воронин А.И.

Содержание

1. Введение……………………………………………………………………………………..3

1.1 Цель и задачи курса………………………………………………………………………..3

1.2 Предмет курса………………………………………………………………………………3

1.3 Здание как единая энергетическая система………………………………………………4

2. Тепловлагопередача через наружные ограждения………………………………………..5

2.1 Основы теплопередачи в здании………………………………………………………….5

2.1.1 Теплопроводность………………………………………………………………………..5