Лекція № 5. Теплофізичні властивості огороджувань

 

Навчальна мета: розглянути основні величини та закони, які описують перенесення тепла, вологи та повітря; теорію поширення тепла; термічний опір.

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

5.1. Перенесення тепла, вологи та повітря.

5.2. Теорія поширення тепла в огороджувальних конструкціях.

5.3. Термічний опір огороджувальних конструкцій.

5.1. Перенесення тепла, вологи та повітря

Розглянемо фізичні процеси, пов'язані з перенесенням тепла, вологи і повітря в захисних конструкціях (стінах, покриттях, підлогах, вікнах, ліхтарях та ін.).

Тепло – один з видів енергії, а волога і повітря представляють різновиди речовини, тому фізичний механізм процесів перенесення тепла (енергії), вологи і повітря (речовини) – неоднаковий.

Параметри, які визначають інтенсивність: напрям руху теплового обміну і масообміну (при перенесенні вологи і повітря), називають потенціалами перенесення. У теплових процесах потенціал перенесення – температура, потенціал вологи і повітря – енергія, віднесена до одиниці маси. Цю енергію виражають:

Ø парціальним тиском водяної пари – при перенесенні вологи, дифундуючої в огороджуванні, переважно в пароподібній фазі;

Ø загальним тиском, що створюється, наприклад, силою тяжіння, дією вітру та іншими – при перенесенні вологи в рідкому стані, або зволоженого повітря.

Перенесення тепла, вологи, повітря в огороджуваннях і приміщеннях виникає тільки при різниці температури або тиску в різних зонах приміщень або ділянках захисних конструкцій.

Перенесення тепла в твердих матеріалах виникає при різниці температур Δ t в різних його ділянках. При. цьому кількість тепла Q, що переноситься, пропорційна різниці потенціалів.

Перенесення маси вологи або повітря залежить від структури матеріалу, в якому протікає цей процес. Кількість вологи, що переноситься, пропорційна різниці між енергетичними рівнями зовнішнього потенціалу  та опором її перенесенню, яке створюється всередині огороджування р. При постійному розподілі температури або тиску в огороджуванні воно знаходиться в стані постійного термодинамічного рівноважного обміну теплом (вологою, повітрям) з довкіллям.

Використовувані захисні конструкції мають велику протяжність за висотою і довжиною, тому при сталій теплопередачі температура в плані та розрізі в довільній точці захисної конструкції є функцією двох координат t· = ·f (x, у). Закономірність зміни температурного поля характеризується ізотермами (лініями рівних температур).

Для спрощення розрахунків передачі тепла зовнішньої теплової дії, тобто кількість тепла і різниця температур приймаються постійними (сталі умови). Проте зовнішні температури змінюються в часі, тому в теплотехнічних розрахунках захисних конструкцій доводиться враховувати їх періодичне охолодження або нагрівання. В результаті в огороджуванні створюється змінне температурне поле, для якого характерні закономірні періодичні зміни. Таке положення створюється, наприклад, у південних районах країни при щоденному опроміненні будівель сонцем.

Теплофізичні розрахунки захисних конструкцій для холодної пори року виконуються, виходячи з гранично можливого їх охолодження, яке виникає при найбільш низьких температурах зовнішнього повітря, при дотриманні їх постійності протягом певного часу, що стабілізує створення в конструкції найбільш несприятливого захисного температурного поля.

5.2. Теорія поширення тепла в огороджувальних конструкціях

Поширення тепла від зони з високою температурою до зони з нижчою температурою відбувається в результаті теплопровідності, конвекції та випромінювання.

Теплопровідність – це вид теплообміну між дотичними частками матеріалу або структурними елементами середовища. Цей вид передачі тепла характерний для огороджувань з твердих матеріалів (бетон, цегла та ін.).

Кількість тепла Q, яка передається теплопровідністю, знаходиться за формулою:

 

де λ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу огороджування, який показує кількість тепла, що проходитиме через 1 · м² плоскої стіни завтовшки в 1 · м з цього матеріалу при різниці температури на її внутрішній та зовнішній поверхнях, рівній 1°С, (розмірність Вт/м·К); grad t – градієнт температури в напрямі, протилежному до теплового потоку, К; F – площа, м²;  – час передачі тепла в год; знак мінус вказує, що тепловий потік завжди спрямований у бік пониження температур.

На коефіцієнт теплопровідності великий вплив чинять:

· середня щільність матеріалу; наприклад, коефіцієнт теплопровідності бетону складає при щільності,  = 2400 кг/м³ – 2,1 Вт/м·К, а легкий бетон при = · 600 · кг/м³ – 0,18 Вт/м·К. Ця відмінність пояснюється зміною характеру пористості та особливостями передачі тепла в порах різної величини;

· хіміко-мінералогічний склад твірних матеріалу. Наприклад, на теплопровідність бетону значно впливає перевищена кількість піску в бетоні в порівнянні з великими заповнювачами;

· вологість матеріалу; для визначення коефіцієнта теплопровідності вологого матеріалу користуються формулою:

, 

де  – вагова вологість матеріалу, %;  – коефіцієнт приросту теплопровідності на 1% вологості (значення  складають: для пінобетону: 0,011; для керамзитобетону 0,005).

Перенесення тепла з одного середовища з вищою температурою в інше з меншою температурою через розділювальне огороджування, називають теплопередачею. Цей процес включає:

а). теплообмін між поверхнею огороджування і прилеглим до неї нагрітим повітряним середовищем α_в – теплосприйняття; такий теплообмін відбувається, наприклад, в опалювальних приміщеннях при зіткненні внутрішньої поверхні стіни з внутрішнім повітрям;

б). теплообмін між поверхнею огороджування і прилеглим до неї охолодженим повітряним середовищем α_з; подібний теплообмін спостерігається при зіткненні стіни (її зовнішньої поверхні) із зовнішнім повітрям.

Залежність теплообміну між повітряним середовищем приміщення і поверхнею захисної конструкції виражається формулою:

, 

де Q – кількість тепла, Вт·с; t_в–τ_в – різниця температур повітря і поверхні огороджування, ⁰С; F – площа поверхні, м²; τ – час, год; α – коефіцієнт теплообміну, який представляє суму коефіцієнтів передачі тепла конвекцією α_Е і випромінюванням α_λ  , тобто α·=· α_Е + α_λ; розмірність – Вт/(м²·К).

Величина, зворотна коефіцієнту теплообміну R_α =1/ α – це опір теплообміну. Значення α залежить від температурного режиму внутрішньої поверхні огороджування і повітряного середовища, його розмірів, характеристики повітрообміну (аерації) в приміщенні.

5.3. Термічний опір огороджувальних конструкцій

У загальному випадку тепловий потік Q, що проходить через переріз теплофізично однорідної захисної конструкції, обчислюється за формулою:

,

де Δ t – різниця температур на поверхні огороджування, °C;. R – термічний опір огороджування, м²·К/Вт. Термічний опір однорідної стіни, а також окремого її шару знаходиться за формулою:

,

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

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; R ₁, R ₂, R_n  – термічний опір шарів стіни.

Загальний опір теплопередачі огороджування з урахуванням теплосприйняття і теплообміну R₀ знаходиться з виразу:

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

Рисунок 5.1 – Схема побудови лінії розподілу температури в товщі стіни