Теплоустойчивость наружних ограждений

Общие положения

В реальных условиях процесс теплопередачи через ограждение нестационарный.

Температура наружного воздуха изменяется как по периодам года, так и по часам суток, а температуры внутреннего воздуха меняются вследствие колебаний теплоотдачи нагревательных прибо­ров, бытовых и технологических тепловыделений. Поэтому тепловой поток также меняется, температурное поле в массиве конструкции переменно. Для учета реальных условий теплообмена при теплотех­нических расчетах ограждающих конструкций используется теория теплоустойчивости, разработанная О.Е. Власовым и развитая Л.А.Семеновым и А.М.Шкловером.

В основу этой теории положено предположение, что тепловой поток периодически изменяется по закону гармонических колебаний.

Если при стационарном режиме тепловой поток неизменный, то при гармонических колебаниях через определенный период времени Z тепловой поток изменяется от до . Отклонения величин теплового потока выра­жаются амплитудами Aq.

Колебания величины теплового потока сказываются на темпера­туре внутренней поверхности, которая изменяется также по синусои­де и с тем же периодом колебания Z, но с некоторым запазды­ванием. При стационарном тепловом состоянии температура внутрен­ней поверхности постоянна, а при колебаниях температурного потока изменяется с определенной амплитудой .

Свойство ограждения сопротивляться изменениям температуры и тепловых потоков, уменьшая амплитуду колебания температуры внутренней поверхности называется теплоустойчивостью.

Теплоустойчивость ограждения проявляется в гашении проходящей через него температурной волны.

Особенно важна теплоустойчивость конструкций в летнее вре­мя, когда суточные изменения температуры воздуха и солнечное облучение вызывают резкое изменение температуры наружных поверхностей ограж­дений.

При проектировании ограждающих конструкций часто возникает необходимость рассчитать теплофизические свойства для летнего режима, ограничивающего перегрев помещения при периодическом повышении температуры наружного воздуха в течение суток и действии солнечной радиации. При незначительной разности среднесуточных температур у наружной и внутренней поверхности ограждений передача теплоты внутрь помещения через стены и другие непрозрач­ные конструкции в основном происходит из за периодических повы­шений температуры на наружной поверхности ограждения. Колебания температуры наружной поверхности ограждения вызывают соответ­ствующее колебание на поверхности, обращенной в помещение.

Установлено, что различные материалы и ограждения при одинаковых колебаниях температур на внутренней поверхности воспринимают различное количество теплоты.

Свойства ограждений воспринимать или отдавать тепловую энергий при колебаниях температур воздуха и теплового потока называют теплоусвоением.

Отношение величины амплитуда колебаний теплового потока Aq к величине амплитуды колебаний температуры на внутрен­ней поверхности ограждения называют коэффициентом теплоусвоения внутренней поверхности Yв. Таким образом,

 

(5.1)

.

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Yв имеет размерность Вт/(м2·К) и характеризует плотность теплового потока (Вт/м2), воспринимаемого внутренней поверхностью при изменении её температуры, равной 1^OC.

Значение коэффициента теплоусвоения зависит от периода колебаний Z и теплофизических показателей материалов слоев ограждения.

Предположим, что ограждение состоит из одного материала. В этом случае теплоусвоение его внутренней поверхности зависит от характеристик этого материала, представляет теплофизический показатель этого материала и называется коэффициентом теплоусвоения материала S.

Величина коэффициента теплоусвоения материала имеет ту же размерность и физический смысл, что и коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения, и определяется по формуле

 

(5.2)

,

 

где Z - период колебаний, ч.

В частном случае при Z=24 часа формула (5.2) принимает вид

	(5.3)

.

 

Значения коэффициентов теплоусвоения материалов приведены в таблицах норм, справочниках и других литературных источни­ках.

Наибольшее теплоусвоение имеют плотные теплопроводные ма­териалы, а наименьшее - пористые теплоизоляционные.

Величина называется коэффициентом тепловой активности материала. Она показывает способность материала воспринимать тепловую энергию и учитывается при конструировании ограждений, особенно полов.

Колебания температур и теплового потока сказываются на температурном режиме ограждения, то есть колебаниях температур в массиве. Температурная волна по мере ее продвижения в толще ограждения затухает и может даже не вызвать изменения темпера­туры на противоположной поверхности конструкции.

Толщина в массиве ограждения, на которой амплитуда коле­бания температуры в два раза меньше, чем на поверхности, назы­вается толщиной слоя резких колебаний.

Интенсивность изменений температур на поверхности и в мас­сиве зависит от инерционных свойств материалов ограждения. Если слой ограждения способен аккумулировать тепловую энергию, то в нём резко гасится температурная волна и колебания теплового потока не сказываются на температурном режиме соседних. Поэтому в заданиях с толстыми массивными стенами (из кирпича, бетона и т.д.) практически не ощущается перегрев в летнее время, а также изменения погоды весеннего и осеннего периода года.

Об инерционных свойствах ограждения в целом какого-нибудь слоя судят по величине безразмерной характеристики тепловой инерции D, которая для отдельного слоя равна произведению термического сопротивления R на коэффициент теплоусвоения материала этого слоя S.

Строительные нормы и правила предусматривают сравнение ам­плитуды колебаний температуры на внутренней поверхности с тре­буемой. При этом сначала определяют расчетную амплитуду колеба­ний температуры наружного воздуха , затем показатель сквозного затухания колебаний в ограждении .

Величину определяют по климатологическим характе­ристикам и свойствам отделочных слоев ограждений.

Под коэффициентом затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха понимают отношение .

Значение зависит от тепловой инерции ограждения, коэффициен­тов теплоусвоения поверхностей отдельных слоев и материалов, а также условий теплообмена.

Таким образом, изменяя толщину и материал слоя, можно обеспечить требуемые показатели теплоустойчивости ограждений конструкции для климатических условий района строительства.