Лекція № 2. Основні фізичні величини теплозахисту

Навчальна мета: проаналізувати теплопровідність будівельних матеріалів, розглянути питання теплопередачі та опору теплопередачі, розрахунок теплопроникності огороджувальних конструкцій.

Час: 70 хвилин.

Метод: лекція.

Місце: навчальна аудиторія.

Навчальні питання:

1. 20 хв.

2. 20 хв.

3. 20 хв.

4. Заключна частина – 10 хв. (підсумок лекції, відповіді на запитання).

Матеріально-технічне забезпечення: схеми, рисунки, збірники задач та матеріалів.

Джерела та література:

Л – 2, 3, 6.

План

2.1. Теплопровідність будівельних матеріалів.

2.2. Теплопередача. Опір теплопередачі.

2.3. Розрахунок теплопроникності огороджувальних конструкцій.

2.1. Теплопровідність будівельних матеріалів

1. Кількість тепла Q. Під кількістю тепла Q (Вт/с) розуміють таку кількість енергії, яку може бути віддано або сприйнято тілом при тепловому потоці – (Вт) за секунду (1с).

Кількість тепла 1 · Дж = 1 Вт · с = 1 · Нм

Тепловий потік 1 · Дж/с =1 · Вт = 1 · Нм/с.

2. Теплопровідність λ. λ – маленька грецька буква λ (вимовляється лямбда). Розрахункова величина теплопровідності показує кількість тепла в Вт/с, яке проходить в стаціонарному режимі (при постійно працюючому опалюванні) в 1 секунду через 1 · м² шару матеріалу товщиною 1 · м, коли різниця температур на зовнішній і внутрішній поверхнях шару складає 1 Кельвін (1К≡1^OС).

Розмірність: – Вт · с · м/с · м² · К = Вт/м · К. Чим більша λ, тим більша теплопровідність. Чим менша λ, тим краща теплоізоляція.

Теплопровідність залежить від:

· Щільності матеріалу. Повітря має дуже добрі теплоізоляційні властивості. Теплопровідність повітря – λ = 0,02 · Вт/м · К. Матеріали з малою щільністю мають багато повітряних пор, які покращують їх теплоізоляційні властивості.

· Виду, величини і розподілу пор;

Вид: круглі, шароподібні пори кращі, ніж продовгуваті.

Величина: багато маленьких пор краще, ніж менша кількість великих.

Розподіл: рівномірний розподіл кращий, ніж нерівномірний.

· Вологовміст матеріалу;

Він залежить від:

– Структури матеріалу (пори, будова)

– Положення в конструкції (підхід повітря)

– Кліматичної дії (всередині – знадвору)

Зволоження погіршує теплоізоляційну здатність.

· Температура матеріалу;

Молекули теплих матеріалів більш рухливі, ніж молекули холодних матеріалів. Чим нижча температура матеріалу, тим гірша теплопровідність.

3. Коефіцієнт теплообміну Λ. Λ – велика грецька буква лямбда. Коефіцієнт теплообміну Λ виражає кількість тепла (Вт · с), яка в стаціонарному режимі проходить через 1м² елемента однорідної огороджувальної конструкції товщиною d (в м) за секунду, якщо різниця температур поверхонь конструкції складає 1 Кельвін (1К ≡1^оС).

Розмірність: – Λ = λ / d = Вт/м · К/м = Вт/м² · К

4. Опір теплопередачі R. Тепловий потік Q, що проходить через переріз теплофізично однорідної захисної конструкції, обчислюється за формулою:

Q = Δ t / R,

де Δ t = τ_в - τ_з – різниця температур на поверхні огороджування, ^оС; τ_в, τ_з – температура на внутрішній та зовнішній поверхні огороджування, відповідно; R – термічний опір огороджування.

Виражаючи термічний опір через тепловий потік Q і різницю температури на протилежних поверхнях стіни, отримаємо:

R = (t_в – t_з)/ Q,

t_в та t_з – відповідно, внутрішня та зовнішня температури.

Термічний опір однорідної стіни, а також окремого її шару визначається також за формулою:

R = d / λ,

де d – товщина стіни (чи шару), м; λ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу.

Термічний опір багатошарової стіни визначається за формулою:

,

де d ₁; d ₂; … d_n – товщина шарів стіни, м; λ ₁; λ ₂; … λ_n – коефіцієнти теплопровідності матеріалів окремих шарів стіни; R₁; R₂; … R_n – термічний опір шарів стіни.

Розмірність R: – (м² К/Вт).

Для оцінки огороджувальної конструкції визначальним є не те, яка кількість теплової енергії вона пропускає, а те, яка величина її опору пропусканню тепла. Якщо конструкція складається з декількох шарів, то опори теплопередачі окремих шарів можуть складатися. Товщина окремого шару має свій коефіцієнт теплопровідності. Чим більший опір теплопередачі конструкції, тим краща її теплоізоляційна здатність.

5. Коефіцієнт теплообміну h. Коефіцієнт теплообміну h – це кількість тепла (Вт · с), яка за секунду (с) обмінюється між 1м² поверхні твердого матеріалу і прилеглим до нього повітрям, коли різниця температур між повітрям і поверхнею матеріалу складає 1К.

Тоді, як в будівельній конструкції тепло передається внаслідок теплопровідності, на поверхнях стін теплопередача здійснюється за рахунок радіації h_s та конвекції h_k. Так, наприклад: взимку зовнішня стіна всередині холодніша, ніж внутрішнє повітря, тоді як поверхня стіни зовні тепліша від зовнішнього повітря.

Для стін справедливо:

З внутрішньої сторони: h ₁ ≈ h_k + h_s ≈ 4 + 4; h ₁ ≈ 8 [Вт/(м²·К)]

Із зовнішньої сторони: h_e ≈ h_k + h_s ≈ 13 + 10; h_e ≈ 23 [Вт/(м²·К)]

Коефіцієнт теплообміну залежить від:

· Температури повітря;

· Руху повітря;

· Стану та форми поверхні стіни (гладка, шорстка);

· Положення огороджувальної конструкції (горизонтальне - вертикальне);

· Конструктивного виконання (одношарова - багатошарова).

Розмірність: – Вт · с/с · м² · К = Вт/(м² · К).

2.2. Теплопередача. Опір теплопередачі

1. Загальний коефіцієнт теплопередачі U (величина U). Під загальним коефіцієнтом теплопередачі розуміється все транспортування теплової енергії від повітряного простору через будівельну конструкцію і знову в сусідній повітряний простір за огороджувальною конструкцією. В загальний коефіцієнт теплопередачі разом з Λ входять також коефіцієнти теплообміну: внутрішній h ₁ та зовнішній h _e (в СНіП – 3 – 79 α_в і α_з).

.

Загальний коефіцієнт теплопередачі U є найважливішою характеристикою будівельної фізики з теплозахисту.

Чим менша величина U, тим більша економія енергії.

Для вікон та інших видів скління даються відразу величини U.

 

2. Загальний опір теплопередачі R_T (в СНіП – 3 – 79 – R_O). Загальний опір теплопередачі огороджування з урахуванням теплосприйняття і теплообміну R ₀ знаходиться з виразу:

,

де R_в – опір теплообміну на внутрішній поверхні огороджування; R_з – опір теплообміну на зовнішній поверхні огороджування.

Розмірність R ₀ – м²·К/Вт.

.

R – опір теплопередачі конструкції або термічний опір.

Сталий тепловий потік, що проходить через однорідну стіну, не змінює ні своєї величини, ні напряму. На різних ділянках шляху його руху тепловий потік визначається наступними рівняннями:

а) при переході від внутрішнього середовища до внутрішньої поверхні стіни:

; 

б) при проходженні через товщу стіни:

;

в)  при переході від зовнішньої поверхні в зовнішній простір:

 

З формул знаходимо, що t_в - τ_в = Q R_в; τ_в - τ_з = Q R; τ_з - t_з = Q R_з.

При підсумовуванні цих значень отримуємо:

t_в – t_з = Q (R_в + R + R_з),

звідки

,

де К = 1/ R ₀

2.3. Розрахунок теплопроникності огороджувальних конструкцій.

1. Коефіцієнт питомої теплоємкості с. Це кількість тепла, яка необхідна для того, щоб підвищити температуру матеріалу масою 1кг на 1Кельвін (1К).

Розмірність: – Вт · с/(кг · К) = Дж/(кг · К).

2. Коефіцієнт теплопроникності (b). Коефіцієнт теплопроникності характеризує кількість тепла (Вт · с), що проникає в матеріал через 1м² його поверхні так, щоб нагріти його на 1К за час с^0,5.

Розмірність: – Дж/м² · К · с^0,5 = Вт · с/м² · К · с^0,5.

.

с – питома теплоємкість; розмірності – λ – Вт/м · К; ρ – кг/м³; с – Дж/кг · К.

Розрахункові значення питомої ваги ρ, теплопровідності λ, питомої теплоємкості с та коефіцієнта теплопроникності b

Матеріал	Питома вага, ρ, кг/м^3	Теплопровідність λ, Вт/(м·К)	Коефіцієнт питомої теплоємкості с, Дж/кг К	Коефіцієнт теплопроникності b, Дж/м^2 К с^0,5
Повітря	1,293	0,02	1000	14
Вода	1000	0,64	4200	1630
Дерево сосна	600	0,13	2100	400
Дерево дуб	800	0,20	2100	400
Матеріали з дерева			2100	400
Алюміній	2700	200	800	20785
Сталь	7680	60	400	13735
Мідь	8900	380
Бетон	2400	2,1	1000	2240
Легкий бетон	600	0,18	1000	930
Цементна стяжка	2000	1,4	1000	1670
Вапняна штукатурка	1800	0,87	1000	1250
Піщаний камінь	2600	2,3	1000	990
Стінна цегла	1200	0,50	1000	900
Легка цегла	800	0,39	1000	510
Силікатна цегла	1200	0,56	1000	800
Газобетон	500	0,22	1000	340
Пробка	80	0,045	1700	160
Пінопласти	30	0,030	1500	35
Мінеральне волокно	50	0,045	1000	30
Скло	2500	0,8	1000	1400

 

При великому коефіцієнті теплопроникності багато тепла проникає в одиницю часу в матеріал і мало тепла залишається для нагрівання повітря в приміщенні. При цьому приміщення нагрівається повільно.

При малому коефіцієнті теплопроникності менше тепла проникає в одиницю часу в матеріал, при цьому залишається більше теплової енергії для нагрівання повітря в приміщенні.

При однаковій температурі в залежності від коефіцієнта теплопроникності, наприклад бетонна поверхня відчувається більш прохолодною, ніж дерев’яна.