Ограждающие поверхности помещений

Ограждающие поверхности изготавливают из различных строительных материалов: кирпича, бетонных блоков, шлакоблоков, местных материалов.

По форме и внешнему виду строительные материалы делят на штучные изделия (плиты, блоки, кирпичи и т.п.) и рулонные.

Наружные ограждающие поверхности разделяют по количеству слоев – на одно- и многослойные, по степени тепловой инерции, определяемой значением коэффициента D (формула (11.13)), расположению в плане здания – на продольные или торцовые, наличию или отсутствию экранов.

Для наружных стен используют панели из бетона, изготовленного на природных плотных (железобетон, бетон на гравии или щебне), на природных пористых (туфобетон, пемзобетон, бетон на вулканическом шлаке), на искусственных пористых заполнителях (керамзитобетон, перлитобетон, шлакопемзобетон) и т.д. заполнителях, шлакоблоки или кирпич. Применяют также бутовый камень, местные материалы (саман и др.) [18].

К теплоизоляционным материалам относят материалы с теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м·К) при температуре 25°С и плотностью не более 600 кг/м³. Их подразделяют на неорганические (асбест, шлаки, перлит и другие вещества перлитного происхождения) и органические (древесноволокнистые, пробковые, пенопласты). Материалы делятся по плотности: особо низкая плотность (ОНП) – 25, 35, 50, 75 кг/м³; низкая (НП) – 100, 125, 150, 175 кг/м³; средняя (СП) – 200, 225, 250, 300, 350 кг/м³ и плотная (Пл) – 400, 450, 500, 600 кг/м³. По теплопроводности: А – низкая (до 0,006 Вт/(м·К)); Б – средняя (0,06–0,115 Вт/(м·К)); В – повышенная (свыше 0,115 Вт/(м·К)).

Основные теплофизические характеристики строительных материалов – удельная теплоемкость с, теплопроводность λ и плотность ρ, а также влаго- и воздухопроницаемость – зависят от пористости материала.

Теплопроводность строительных материалов – это теплофизическая характеристика, учитывающая всю совокупность явлений, связанных с передачей теплоты в самом материале. Поры материала заполнены воздухом и влагой, которая может быть в разном агрегатном состоянии, поэтому при изменении климатических условий теплофизические характеристики строительных материалов могут изменяться.

В порах, заполненных влажным воздухом, кроме процесса теплопроводности, имеют место также конвекция и излучение. Через твердый материал и жидкость теплота передается теплопроводностью. Из-за воздухопроницаемости некоторая часть теплоты переносится через материал фильтрующимся воздухом. Увеличение пористости материала приводит к уменьшению значения λ. Это вызвано тем, что в порах находится воздух с низкой теплопроводностью.

С увеличением влажности теплопроводность растет. Так, повышение влажности кирпичной кладки может привести к увеличению теплопроводности на 30% и более.

Для материалов, используемых в строительстве, значение λ колеблется в пределах 0,1–1,05 Вт/(м∙К). Для изоляционных материалов А = 0,045–0,1 Вт/(м∙К).

В сельскохозяйственных производственных сооружениях пол чаще всего расположен непосредственно на грунте. Поэтому условия формирования температурного поля в почве и, следовательно, в зоне нахождения корней растений имеют большой практический интерес.

Удельная теплоемкость почв колеблется в больших пределах в зависимости от влажности и плотности почвы. С увеличением глубины теплоемкость почвы растет. Теплопроводность почвы зависит в основном от ее состава и влажности. Теплопроводность грубодисперсных почв выше, чем мелкодисперсных, так как в них находится много воздуха.

С увеличением влажности почвы λ_п вначале быстро растет, но в дальнейшем при насыщении почвы влагой практически не увеличивается.

Передача теплоты через ограждающие поверхности

Помещений

Теплообмен помещения с окружающей средой в зимний период осуществляется за счет теплоотдачи от воздуха внутри помещения к внутренней стенке ограждения, теплопроводности через стенку ограждения и теплоотдачи от наружной стенки к окружающему помещение воздуху. В летний период этот процесс протекает в обратном направлении. Количество теплоты, передаваемое через единичную поверхность ограждения, можно определить по формуле (9.11) q = к(t_в1 – t_в2), где t_в1, t_в2 – температура воздуха внутри и снаружи помещения; к – коэффициент теплопередачи.

 

Термическое сопротивление теплопередаче

При использовании многослойных конструкций ограждений коэффициент теплопередачи может быть определен по формуле

, (11.7)

где выражение

(11.8)

представляет суммарное сопротивление теплопередаче многослойного ограждения. Сопротивление выбирается путем подбора необходимой толщины слоя изоляции для обеспечения требуемого сопротивления R₀^тр [15; 16].

Для неоднородных материалов в ограждении площадь ограждения разбивается на площади, имеющие одинаковое термическое сопротивление, и определяется среднее термического сопротивления по формуле [3]

, (11.9)

где F_I, F_II, F_N – площади, занимаемые отдельными элементами поверхности ограждения, м².

Средний коэффициент теплопроводности слоя, в котором нарушена однородность материала, определяется по формуле

, (11.10)

где λ_I, λ_II, λ_N – коэффициенты теплопроводности отдельных материалов слоя.

Теплоустойчивость ограждающих конструкций – это их способность поддерживать постоянное значение температуры воздуха в помещении при колебаниях наружных и внутренних тепловых воздействий. Тепловые воздействия разделяют на гармонические и прерывистые. К первым относится, например, воздействие в течение суток солнечной энергии на ограждения. Поток теплоты от некруглосуточно работающего оборудования, находящегося в помещении, как правило, имеет прерывистый характер. Теплоустойчивость ограждающих поверхностей характеризуют следующие параметры:

Коэффициент теплоусвоения Y определяет соотношение между колебаниями теплового потока и температурой на поверхности ограждения.

Коэффициент теплопоглощения i-й поверхности ограждения Bi характеризует зависимость теплового потока ограждения от температуры воздуха и определяется по формуле

Bi = 1,05/(1/Y + 1/α_к), (11.11)

где Y – коэффициент теплоусвоения; α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Коэффициент удельного теплоусвоения слоя материала S, Вт/(м²·К):

S = (2π · c · ρ · λ/П)^0,5, (11.12)

где П – период колебания температуры.

Условная толщина слоя характеризует его тепловую инерцию:

D_n = R_n · S_n, (11.13)

где R_n – термическое сопротивление n-го слоя, (м²·К)/Вт; S_n – коэффициент удельного теплоусвоения n-го слоя, Вт/(м²·К).

При D_n < 1 слой считают «тонким», при D_n > 1 слой считают «толстым».

Для многослойных ограждений значение D равно сумме D_n.

Теплопоглощение помещения характеризует устойчивость теплового режима в помещении, определяется по формуле

. (11.14)

Примеры решения задач

Задача 1. Определить толщину изоляционного слоя наружной стены помещения для крупного рогатого скота, расположенного в Омской области. Конструкция наружной стены представлена на рис. 11.10. Кирпичная кладка в 2 кирпича (0,5 м), покрытая с двух сторон цементной штукатуркой по 0,02 м. Пароизоляционный слой состоит из двух слоев битумной мастики и одного слоя гидроизола (общая толщина 0,004 м). В качестве теплоизоляции применены жесткие минераловатные плиты. Отделочный слой – цементная штукатурка (0,02 м). Температура воздуха в помещении 10ºС. Наружная температура –35ºС.

Рис. 11.10. Конструкция наружной стены: 1 – штукатурка цементная;

2 – теплоизоляция; 3 – кирпичная кладка; 4 – пароизоляция

 

Решение. Коэффициенты теплоотдачи и соответствующие термические сопротивления [18]: для наружной поверхности αн = 23,3 Вт/(м²·К), для внутренней поверхности αв = 8 Вт/(м²·К). Коэффициенты теплопроводности материалов, α Вт/(м·К): штукатурки цементной λ₁ = 0,88; минераловатных плит λ₂ = 0,85; кирпичной кладки λ₃ = 0,88; пароизоляции λ₄ = 0,35.

Необходимая толщина изоляционного слоя из (11.7):

δ_из = λ_из [1/к – (1/α_н + δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂ + δ₃/λ₃ + 1/α_в)] = 0,085 [1/0,23 –
– (1/23,3 + 3 · 0,02/0,88 + 0,5/0,82 + 0,004/0,35 + 1/8)] = 0,297 м.

Задача 2. Наружная стена жилого дома состоит из четырех слоев: первый и четвертый наружные слои изготовлены из бетона, объемный вес которого γ = 2500 кг/м³, теплопроводность λ = 1,624 Вт/(м·К). Второй слой из фибролита цементного: γ = 350 кг/м³, λ = 0,15 Вт/(м·К). Третий слой из минераловатных плит: γ = 200 кг/м³, λ = 0,069 6Вт/(м·К). Определить сопротивление теплопередаче наружной стены.

Решение. Сопротивление теплопередаче определяем по формуле (11.8): , где 1/α₁ = R_в – сопротивление тепловосприятию; 1/α₂ = R_н – сопротивление теплоотдаче; R₁ = δ₁/λ₁,
R₂ = δ₂/λ₂, R₃ = δ₃/λ₃, R₄ = δ₄/λ₄ – сопротивления отдельных слоев конструкции стены. Сопротивление тепловосприятию [3] R_в = 0,114 м²·К/Вт, сопротивление теплоотдаче R_н = 0,038 м²·К/Вт. Сопротивления отдельных слоев: R₁ = 0,05/1,624 = 0,031 м²·К/Вт; R₂ = 0,145/0,15 = 0,967 м²·К/Вт; R₃ = = 0,055/0,070 = 0,768 м²·К/Вт; R₄ = 0,05/1,624 = 0,031 м²·К/Вт.

 

 

Рис. 11.10. Конструкция наружной стены

 

После подстановки в формулу численных значений входящих в нее величин получим R₀ = 0,114 + 0,031 + 0,967 + 0,786 + 0,031 + + 0,038 = 1,967 м²·К/Вт.

11.12. Контрольные вопросы

1.Что называется требуемым сопротивлением? Для чего его используют?

2. Что называют микроклиматом помещения? От каких факторов зависит микроклимат помещения?

3. Как определяют значение толщины изоляционного слоя?

4. Как определяют тепловыделения от производственного оборудования?

5. Что называется теплоустойчивостью помещения.

6. Коэффициент теплопоглощения, что он определяет?

7. От каких величин зависит коэффициент удельного теплоусвоения?

8. Какой показатель характеризует тепловую инерцию помещения?