Будівельна теплофізика. Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях
1. Введення
1.1 Мета і завдання курсу
1.2 Предмет курсу
1.3 Будівля як єдина енергетична система
2. Тепловлагопередача через зовнішні огородження
2.1 Основи теплопередачі в будівлі
2.1.1 Теплопровідність
2.1.2 Конвекція
2.1.3 Випромінювання
2.1.4 Термічний опір повітряного прошарку
2.1.5 Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях
2.1.6 Теплопередача через багатошарову стінку
2.1.7 Приведений опір теплопередачі
2.1.8 Розподіл температури по перетину огорожі
2.2 Вологісний режим огороджувальних конструкцій
2.2.1 Причини появи вологи в огорожах
2.2.2 Негативні наслідки зволоження зовнішніх огороджень
2.2.3 Зв'язок вологи з будівельними матеріалами
2.2.4 Вологе повітря
2.2.5 Вологість матеріалу
2.2.6 Сорбція і десорбція
2.2.7 Паропроникність огороджень
2.3 Повітропроникність зовнішніх огороджень
2.3.1 Основні положення
2.3.2 Різниця тисків на зовнішній і внутрішній поверхні огороджень
1. Введення
1.1 Мета і завдання курсу
Навчальний посібник "Лекції по будівельної теплофізики" призначено для студентів, які вивчають в рамках спеціальності "Теплогазопостачання і вентиляція" однойменну дисципліну. Зміст посібника відповідає програмі дисципліни і значною мірою орієнтоване на курс лекцій, що читається в МГСУ. Мета курсу - за допомогою системного викладу сформувати підхід до фізичної сутності тепло-повітряного та вологісного режимів будівлі як до основи вивчення технології забезпечення мікроклімату. До завдань дисципліни входить: формування загального уявлення про теплотехнічної ролі зовнішньої оболонки будівлі та роботі інженерних систем, що забезпечують його мікроклімат, як про єдину енергетичну систему; навчання студента вмінню використовувати теоретичні положення і методи розрахунку в подальшій професійній роботі, тобто при проектуванні і експлуатації систем забезпечення мікроклімату будівлі. В результаті освоєння дисципліни студент повинен знати поняття, що визначають тепловий, повітряний і вологісний режими будівлі, включаючи кліматологічних і мікрокліматичних термінологію; закони передачі теплоти, вологи, повітря в матеріалах, конструкціях і елементах систем будівлі і величини, що визначають теплові і вологості процеси; нормативи теплозахисту зовнішніх огороджувальних конструкцій, нормування параметрів зовнішнього і внутрішнього середовища будинку. Студент повинен вміти формулювати і вирішувати завдання передачі теплоти і маси у всіх елементах будівлі і демонструвати здатність і готовність вести перевірочний розрахунок захисних властивостей зовнішніх огороджень, і розрахунок коефіцієнтів променистого і конвективного теплообміну на поверхнях, звернених до приміщення.
1.2 Предмет курсу
будівельна теплофізика вивчає процеси передачі теплоти, перенесення вологи, фільтрації повітря стосовно будівництва.
В основному будівельна теплофізика вивчає процеси, що відбуваються на поверхнях і в товщі огороджувальних конструкцій будівлі. Причому, за усталеною традицією і для стислості, часто огороджувальні конструкції будівлі називаються просто огорожами. Причому, значне місце в будівельній теплофізики відведено зовнішнім огородженням, Які відокремлюють опалювальні приміщення від зовнішнього середовища або від неопалюваних приміщень (неопалюваних техпідвалів, підвалів, горищ, тамбурів тощо)
Не дивлячись на те, що наука відноситься в основному до огороджувальних конструкцій будівлі, для фахівців з опалення та вентиляції будівельна теплофізика дуже важлива. Справа в тому, що, по-перше, від теплотехнічних якостей зовнішніх огороджень залежать тепловтрати будівлі, що впливають на потужність опалювальних систем і витрата теплоти ними за опалювальний період. По-друге, вологісний режим зовнішніх огороджень впливає на їх теплозахист, а, отже, на потужність систем, що забезпечують заданий мікроклімат будівлі. По-третє, коефіцієнти теплообміну на внутрішній поверхні зовнішніх огороджень грають роль не тільки в оцінці загального приведеного опору теплопередачі конструкції, але і в оцінці температури на внутрішньої поверхні цієї огорожі. По-четверте, "щільні" вікна мають цілком певний опір повітропроникності. І при "щільних" вікнах в малоповерхових будівлях до 5 поверхів інфільтрацією в розрахунку тепловтрат можна знехтувати, а в більш високих на нижніх поверхах вона вже буде відчутною. По-п'яте, від повітряного режиму будівлі залежить не тільки наявність або відсутність інфільтрації, але і робота систем вентиляції, особливо природних. По-шосте, радіаційна температура внутрішніх поверхонь зовнішніх і внутрішніх огороджень, найважливіша складова оцінки мікроклімату приміщень, в основному є похідною від теплозахисту будівлі. По-сьоме, теплостійкість огороджень і приміщень впливає на сталість температури в приміщеннях при змінних теплових впливах на них, особливо в сучасних будівлях, в яких повітрообмін близький до мінімальної нормі зовнішнього повітря.
У проектуванні і теплотехнічної оцінці зовнішніх огороджень є ряд особливостей. Утеплення будинку - дорога і відповідальна складова сучасного будівництва, тому важливо обгрунтовано приймати товщину утеплювача. Специфіка сьогоднішнього теплотехнічного розрахунку зовнішніх огороджень пов'язана:
по-перше, з підвищилися вимоги до теплозахисту будівель;
по-друге, з необхідністю враховувати роль ефективних утеплювачів в конструкціях, коефіцієнти теплопровідності яких настільки малі, що вимагають дуже обережного ставлення до підтвердження їх величин в експлуатаційних умовах;
по-третє, з тим, що в огорожах з'явилися різні зв'язку, складні примикання одного огорожі до іншого, що знижують опір теплопередачі огорожі. Оцінка впливу різного роду теплопровідних включень на теплозахист будівель вимагає опори на спеціальні докладні дослідження.
1.3 Будівля як єдина енергетична система
Сукупність усіх факторів і процесів (зовнішніх і внутрішніх впливів), що впливають на формування теплового мікроклімату приміщень, називається тепловим режимом будівлі.
Огородження не тільки захищають приміщення від зовнішнього середовища, а й обмінюються з ним теплотою і вологою, пропускають повітря крізь себе як всередину, так і назовні. Завдання підтримки заданого теплового режиму приміщень будівлі (підтримання на необхідному рівні температури і вологості повітря, його рухливості, радіаційної температури приміщення) покладається на інженерні системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Однак визначення теплової потужності та режиму роботи цих систем неможливо без урахування впливу тепловлагозащітних і теплоїнерційною властивостей огороджень. Тому система кондиціонування мікроклімату приміщень включає в себе всі інженерні засоби, що забезпечують заданий мікроклімат обслуговуваних приміщень: огороджувальні конструкції будівлі та інженерні системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Таким чином, сучасна будівля - складна взаємозалежна система тепломассообмена - єдина енергетична система.
Питання для самоконтролю
1 Що вивчається в будівельної теплофізики?
2. Що таке огорожу?
3. Що таке зовнішнє огородження?
4. Чим важлива будівельна теплофізика для фахівця з опалення та вентиляції?
5. У чому специфіка теплотехнічного розрахунку сучасних будівель?
6. Що таке тепловий режим будівлі?
7. Яку роль відіграють огороджувальні конструкції в тепловому режимі будівлі?
8. Які параметри внутрішнього середовища підтримуються системами опалення та вентиляції?
9. Що таке система кондиціонування мікроклімату будівлі?
10. Чому будівля вважається єдиною енергетичною системою?
2. Тепловлагопередача через зовнішні огородження
2.1 Основи теплопередачі в будівлі
Переміщення теплоти завжди походить від більш теплого середовища до більш холодної. Процес перенесення теплоти з однієї точки простору в іншу за рахунок різниці температури називається теплопередачейі є збірним, бо вбирає в себе три елементарних виду теплообміну: теплопровідність (кондукції), конвекцію і випромінювання. Таким чином, потенціалом перенесення теплоти є різниця температури.
2.1.1 Теплопровідність
теплопровідність - вид передачі теплоти між нерухомими частинками твердого, рідкого або газоподібними речовини. Таким чином, теплопровідність - це теплообмін між частинками або елементами структури матеріального середовища, що знаходяться в безпосередньому зіткненні один з одним. При вивченні теплопровідності речовина розглядається як суцільна маса, його молекулярну будову ігнорується. У чистому вигляді теплопровідність зустрічається тільки в твердих тілах, так як в рідких і газоподібних середовищах практично неможливо забезпечити нерухомість речовини.
Більшість будівельних матеріалів є пористими тілами. У порах знаходиться повітря, що має можливість рухатися, тобто переносити теплоту конвекцією. Вважається, що конвективної складової теплопровідності будівельних матеріалів можна знехтувати через її малість. Всередині пори між поверхнями її стінок відбувається променистий теплообмін. Передача теплоти випромінюванням в порах матеріалів визначається головним чином розміром пір, тому що чим більше часу, тим більше різниця температури на її стінках. При розгляді теплопровідності характеристики цього процесу відносять до загальної маси речовини: скелету і порам спільно.
Огороджувальні конструкції будівлі, як правило, є плоско-паралельними стінками, Теплоперенос в яких здійснюється в одному напрямку. Крім того, зазвичай при теплотехнічних розрахунках зовнішніх огороджувальних конструкцій приймається, що теплопередача відбувається при стаціонарних теплових умовах, Тобто при сталості в часі всіх характеристик процесу: теплового потоку, температури в кожній точці, теплофізичних характеристик будівельних матеріалів. Тому важливо розглянути процес одновимірної стаціонарної теплопровідності в однорідному матеріалі, Який описується рівнянням Фур'є:
де q T - поверхнева щільність теплового потоку, Що проходить через площину, перпендикулярну тепловому потоку, Вт / м 2;
λ - теплопровідність матеріалу, Вт / м. о С;
t - температура, змінюється уздовж осі x, оС;
Ставлення, носить назву градієнта температури, О С / м, і позначається gradt. Градієнт температури спрямований в бік зростання температури, яке пов'язане з поглинанням теплоти і зменшенням теплового потоку. Знак мінус, що стоїть в правій частині рівняння (2.1), показує, що збільшення теплового потоку не збігається зі збільшенням температури.
Теплопровідність λ є однією з основних теплових характеристик матеріалу. Як випливає з рівняння (2.1) теплопровідність матеріалу - це міра провідності теплоти матеріалом, що чисельно дорівнює тепловому потоку, що проходить крізь 1 м 2 площі, перпендикулярної напрямку потоку, при градієнті температури вздовж потоку, що дорівнює 1 о С / м (рис.1). Чим більше значення λ, тим інтенсивніше в такому матеріалі процес теплопровідності, більше тепловий потік. Тому теплоізоляційними матеріалами прийнято вважати матеріали з теплопровідністю не більше 0,3 Вт / м. про С.
ізотерми; - ------ - лінії струму теплоти.
Зміна теплопровідності будівельних матеріалів зі зміною їх щільності відбувається через те, що практично будь-який будівельний матеріал складається з скелета - основного будівельного речовини і повітря. К.Ф. Фокін для прикладу наводить такі дані: теплопровідність абсолютно щільного речовині (без пор) в залежності від природи має теплопровідність від 0,1 Вт / м ° С (у пластмаси) до 14 Вт / м ° С (у кристалічних речовин при потоці теплоти уздовж кристалічної поверхні), в той час як повітря має теплопровідність близько 0,026 Вт / м оС Чим вище щільність матеріалу (менше пористість), тим більше значення його теплопровідності. Зрозуміло, що легкі теплоізоляційні матеріали мають порівняно невелику щільність.
Відмінності в пористості і в теплопровідності скелета призводить до різниці в теплопровідності матеріалів, навіть при однаковій їх щільності. Наприклад, такі матеріали (табл.1) при одній і тій же щільності, ρ 0 = 1800 кг / м 3, мають різні значення теплопровідності:
Таблиця 1.
Теплопровідність матеріалів з однаковою щільністю 1800 кг / м 3.
| матеріал |
Теплопровідність, Вт / (м про З) |
| Цементно-піщаний розчин | 0,93 |
| цегла | 0,76 |
| асфальт | 0,72 |
| портландцементний камінь | 0,46 |
| азбестоцемент | 0,35 |
Зі зменшенням щільності матеріалу його теплопровідність l зменшується, так як знижується вплив кондуктивной складової теплопровідності скелета матеріалу, але, проте при цьому зростає вплив радіаційної складової. Тому, зменшення щільності нижче деякого значення призводить до зростання теплопровідності. Тобто існує деяке значення щільності, при якому теплопровідність має мінімальне значення. Існують оцінки того, що при 20 о С в порах діаметром 1мм теплопровідність випромінюванням становить 0,0007 Вт / (м ° С), діаметром 2 мм - 0,0014 Вт / (м ° С) і т.д. Таким чином, теплопровідність випромінюванням стає значущою у теплоізоляційних матеріалів з малою щільністю і значними розмірами пір.
Теплопровідність матеріалу збільшується з підвищенням температури, при якій відбувається передача теплоти. Збільшення теплопровідності матеріалів пояснюється зростанням кінетичної енергії молекул скелета речовини. Збільшується також і теплопровідність повітря в порах матеріалу, і інтенсивність передачі в них теплоти випромінюванням. У будівельній практиці залежність теплопровідності від температури великого значення не імеет.д.ля перерахунку значень теплопровідності матеріалів, отриманих при температурі до 100 ° С, на значення їх при 0 о С служить емпірична формула О.Е. Власова:
λ про = λ t / (1 + β. t), (2.2)
де λ про - теплопровідність матеріалу при 0 о С;
λ t - теплопровідність матеріалу при t о С;
β - температурний коефіцієнт зміни теплопровідності, 1 / о С, для різних матеріалів, рівний близько 0,0025 1 / о С;
t - температура матеріалу, при якій його коефіцієнт теплопровідності дорівнює λ t.
Для плоскої однорідної стінки завтовшки δ (рис.2) тепловий потік, який передається теплопровідністю через однорідну стінку, може бути виражений рівнянням:
де τ 1,τ 2 - значення температури на поверхнях стінки, оС
З виразу (2.3) випливає, що розподіл температури по товщині стінки лінійне. Величина δ / λ названа термічним опором матеріального шару і позначена R Т, М 2. о С / Вт:
Рис.2. Розподіл температури в плоскої однорідної стінці
Отже, тепловий потік q Т, Вт / м 2, через однорідну плоскопараллельную стінку товщиною δ , М, з матеріалу з теплопровідністю λ, Вт / м. о С, можна записати у вигляді
Термічний опір шару - це опір теплопровідності, рівне різниці температури на протилежних поверхнях шару при проходженні через нього теплового потоку з поверхневою щільністю 1 Вт / м 2.
Теплообмін теплопровідністю має місце в матеріальних шарах огороджувальних конструкцій будівлі.
2.1.2 Конвекція
Конвекція - перенесення теплоти рухомими частинками речовини. Конвекція має місце тільки в рідких і газоподібних речовинах, а також між рідкої або газоподібної середовищем і поверхнею твердого тіла. При цьому відбувається передача теплоти і теплопровідністю. Спільний вплив конвекції і теплопровідності в прикордонній області у поверхні називають конвективним теплообміном.
Конвекція має місце на зовнішній і внутрішній поверхнях огороджень будівлі. У теплообміні внутрішніх поверхонь приміщення конвекція грає істотну роль. При різних значеннях температури поверхні і прилеглого до неї повітря відбувається перехід теплоти в бік меншої температури. Тепловий потік, що передається конвекцією, залежить від режиму руху рідини або газу, що омивають поверхню, від температури, щільності і в'язкості середовища, що рухається, від шорсткості поверхні, від різниці між температурами поверхні і омиває її середовища.
Процес теплообміну між поверхнею і газом (або рідиною) протікає по-різному в залежності від природи виникнення руху газу. розрізняють природну і вимушену конвекцію.У першому випадку рух газу відбувається за рахунок різниці температури поверхні і газу, в другому - за рахунок зовнішніх для даного процесу сил (роботи вентиляторів, вітру).
Вимушена конвекція в загальному випадку може супроводжуватися процесом природної конвекції, але так як інтенсивність вимушеної конвекції помітно перевершує інтенсивність природного, то при розгляді вимушеної конвекції природної часто нехтують.
Надалі будуть розглядатися тільки стаціонарні процеси конвективного теплообміну, які передбачають сталість у часі швидкості і температури в будь-якій точці повітря. Але так як температура елементів приміщення змінюється досить повільно, отримані для стаціонарних умов залежності можуть бути поширені і на процес нестаціонарного теплового режиму приміщення, При якому в кожен даний момент процес конвективного теплообміну на внутрішніх поверхнях огороджень вважається стаціонарним. Отримані для стаціонарних умов залежності можуть бути поширені і на випадок раптової зміни природи конвекції від природної до вимушеної, наприклад, при включенні в приміщенні рециркуляционного апарату нагріву приміщення (фанкойла або спліт-системи в режимі теплового насоса). По-перше, новий режим руху повітря встановлюється швидко і, по-друге, необхідна точність інженерної оцінки процесу теплообміну нижче можливих неточностей від відсутності корекції теплового потоку протягом перехідного стану.
Для інженерної практики розрахунків для опалення та вентиляції важливий конвективний теплообмін між поверхнею огороджувальної конструкції або труби і повітрям (або рідиною). У практичних розрахунках для оцінки конвективного теплового потоку (рис.3) застосовують рівняння Ньютона:
,
(2.6)
де q до - тепловий потік, Вт, що передається конвекцією від рухомого середовища до поверхні або навпаки;
t a - температура повітря, що омиває поверхню стінки, о С;
τ - температура поверхні стінки, о С;
α до - коефіцієнт конвективного тепловіддачі на поверхні стінки, Вт / м 2. о С.
Рис.3 Конвективний теплообмін стінки з повітрям
Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, a до - фізична величина, що чисельно дорівнює кількості теплоти, переданої від повітря до поверхні твердого тіла шляхом конвективного теплообміну при різниці між температурою повітря і температурою поверхні тіла, що дорівнює 1 о С.
При такому підході вся складність фізичного процесу конвективного перенесення теплоти укладена в коефіцієнті тепловіддачі, a до. Природно, що величина цього коефіцієнта є функцією багатьох аргументів. Для практичного використання приймаються досить наближені значення a до.
Рівняння (2.5) зручно переписати у вигляді:
де R до - опір конвективного тепловіддачі на поверхні конструкції, м 2. о С / Вт, що дорівнює різниці температури на поверхні огорожі і температури повітря при проходженні теплового потоку з поверхневою щільністю 1 Вт / м 2 від поверхні до повітря або навпаки. опір R до є величиною зворотною коефіцієнту конвективного тепловіддачі a до:
2.1.3 Випромінювання
Випромінювання (променистий теплообмін) - перенесення теплоти з поверхні на поверхню через лучепрозрачную середу електромагнітними хвилями, що трансформуються в теплоту (рис.4).
Рис.4. Променистий теплообмін між двома поверхнями
Будь-яке фізичне тіло, має температуру відмінну від абсолютного нуля, випромінює в навколишній простір енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Властивості електромагнітного випромінювання характеризуються довжиною хвилі. Випромінювання, яке сприймається як теплове і має довжини хвиль в діапазоні 0,76 - 50 мкм, називається інфрачервоним.
Наприклад, променистий теплообмін відбувається між поверхнями, зверненими в приміщення, між зовнішніми поверхнями різних будівель, поверхнями землі і неба. Важливий променистий теплообмін між внутрішніми поверхнями огороджень приміщення і поверхнею опалювального приладу. У всіх цих випадках лучепрозрачной середовищем, пропускає теплові хвилі, є повітря.
У практиці розрахунків теплового потоку при променистому теплообміні використовують спрощену формулу. Інтенсивність передачі теплоти випромінюванням q л, Вт / м 2, визначається різницею температури поверхонь, що беруть участь в променистому теплообміні:
,
(2.9)
де τ 1 і τ 2 - значення температури поверхонь, які обмінюються променевої теплотою, о С;
α л - коефіцієнт променистої тепловіддачі на поверхні стінки, Вт / м 2. о С.
Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, a л - фізична величина, що чисельно дорівнює кількості теплоти, переданої від однієї поверхні до іншої шляхом випромінювання при різниці між температурою поверхонь, що дорівнює 1 о С.
введемо поняття опору променевої тепловіддачі R л на поверхні конструкції, м 2. о С / Вт, що дорівнює різниці температури на поверхнях огороджень, які обмінюються променевої теплотою, при проходженні з поверхні на поверхню теплового потоку з поверхневою щільністю 1 Вт / м 2.
Тоді рівняння (2.8) можна переписати у вигляді:
опір R л є величиною зворотною коефіцієнту променевої тепловіддачі a л:
2.1.4 Термічний опір повітряного прошарку
Для внесення однаковості опір теплопередачі замкнутих повітряних прошарків, Розташованих між шарами захисної конструкції, називають термічним опоромR в. п, м 2. о С / Вт.
Схема передачі теплоти через повітряний прошарок представлена на рис.5.
Рис.5. Теплообмін в повітряному прошарку
Тепловий потік, що проходить через повітряний прошарок q в. п, Вт / м 2, складається з потоків, що передаються теплопровідністю (2) q т, Вт / м 2, конвекцією (1) q до, Вт / м 2, і випромінюванням (3) q л, Вт / м 2.
q в. п =q т +q до +q л . (2.12)
При цьому частка потоку, переданого випромінюванням найбільша. Розглянемо замкнуту вертикальну повітряний прошарок, на поверхнях якої різниця температури становить 5 о С. Зі збільшенням товщини прошарку від 10 мм до 200 мм частка теплового потоку за рахунок випромінювання зростає з 60% до 80%. При цьому частка теплоти, переданої шляхом теплопровідності, падає від 38% до 2%, а частка конвективного теплового потоку зростає з 2% до 20%.
Прямий розрахунок цих складових досить громіздкий. Тому в нормативних документах наводяться дані про термічних опорах замкнутих повітряних прошарків, які в 50-х роках ХХ століття була складена К.Ф. Фокіним за результатами експериментів М.А. Міхеєва. При наявності на одній або обох поверхнях повітряного прошарку теплоотражающей алюмінієвої фольги, що утрудняє променистий теплообмін між поверхнями, що обрамляють повітряний прошарок, термічний опір слід збільшити в два рази. Для збільшення термічного опору замкнутими повітряними прошарками в рекомендується мати на увазі наступні висновки з досліджень:
1) ефективними в теплотехнічному відношенні є прошарку невеликої товщини;
2) раціональніше робити в огорожі кілька прошарків малої товщини, ніж одну велику;
3) повітряні прошарки бажано розташовувати ближче до зовнішньої поверхні огородження, так як при цьому в зимовий час зменшується тепловий потік випромінюванням;
4) вертикальні прошарку в зовнішніх стінах необхідно перегороджувати горизонтальними діафрагмами на рівні міжповерхових перекриттів;
5) для скорочення теплового потоку, переданого випромінюванням, можна одну з поверхонь прошарку покривати алюмінієвою фольгою, що має коефіцієнт випромінювання близько ε = 0,05. Покриття фольгою обох поверхонь повітряного прошарку практично не зменшує передачу теплоти в порівнянні з покриттям однієї поверхні.
Питання для самоконтролю
1. Що є потенціалом перенесення теплоти?
2. Перерахуйте елементарні види теплообміну.
3. Що таке теплопередача?
4. Що таке теплопровідність?
5. Що таке коефіцієнт теплопровідності матеріалу?
6. Напишіть формулу теплового потоку, переданого теплопровідністю в багатошаровій стінці при відомих температурах внутрішньої t в і зовнішньої t н поверхонь.
7. Що таке термічний опір?
8. Що таке конвекція?
9. Напишіть формулу теплового потоку, переданого конвекцією від повітря до поверхні.
10. Фізичний сенс коефіцієнта конвективної тепловіддачі.
11. Що таке випромінювання?
12. Напишіть формулу теплового потоку, переданого випромінюванням від однієї поверхні до іншої.
13. Фізичний сенс коефіцієнта променевої тепловіддачі.
14. Як називається опір теплопередачі замкнутої повітряного прошарку в захисної конструкції?
15. З теплових потоків якої природи складається загальний тепловий потік через повітряний прошарок?
16. Який природи тепловий потік превалює в тепловому потоці через повітряний прошарок?
17. Як впливає товщина повітряного прошарку на розподіл потоків в ній.
18. Як зменшити тепловий потік через повітряний прошарок?
2.1.5 Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях
Розглянемо стінку, яка відокремлює приміщення з температурою t в від зовнішнього середовища з температурою t н. Зовнішня поверхня шляхом конвекції обмінюється теплотою з зовнішнім повітрям, а променистою - з навколишніми поверхнями, що мають температуру t окр. н. Те ж саме і з внутрішньої сторони. Можна записати, що тепловий потік з щільністю q, Вт / м 2, що проходить крізь стіну, дорівнює
де t окр. в і t окр. н - температура поверхонь, що оточують відповідно внутрішню і зовнішню площині розглянутої стінки, о С;
α к. в, α к. н - коефіцієнти конвективного тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях стінки, м 2. о С / Вт;
α л. в, α л. н - коефіцієнти променевої тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях стінки, м 2. о С / Вт.
В інженерних розрахунках прийнято тепловіддачу на поверхнях огороджувальних конструкцій не розділяти на променисту і конвективну складові. Вважається, що на внутрішній поверхні зовнішнього огородження в опалювальному приміщенні відбувається тепловоспріятіе, що оцінюється загальним коефіцієнтом α в, Вт / (м 2. о С), а на зовнішній поверхні - тепловіддача, інтенсивність якої визначається коефіцієнтом тепловіддачі α н, Вт / (м 2 . о С). Крім того, прийнято вважати, що температура повітря та оточуючих поверхонь дорівнюють один одному, тобто t окр. в = t в, а t окр. н = t н.Тобто
Отже, приймається, що коефіцієнти тепловіддачі на зовнішній і внутрішній поверхнях огорожі дорівнюють сумі коефіцієнтів променистого і конвективного теплообміну з кожного боку:
Коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній або внутрішній поверхні по фізичному змісту - це щільність теплового потоку, що віддається відповідної поверхнею навколишнього її середовищі (або навпаки) при різниці температури поверхні і середовища в 1 о С. Величини, зворотні коефіцієнтам тепловіддачі, прийнято називати опорами тепловіддачі на внутрішнійR в, м 2. о С / Вт, і зовнішньоїR н, м 2. о С / Вт, поверхнях огородження:
R в = 1 /α в;R н = 1 /α н. (2.16)
2.1.6 Теплопередача через багатошарову стінку
Якщо з одного боку багатошарової стінки, що складається з n шарів, підтримується температура t в, а з іншого боку t н t в, То виникає тепловий потік q, Вт / м 2 (Рис.6).
Цей тепловий потік рухається від середовища з температурою t в, О С, до середовища з температурою t н, О С, проходячи послідовно від внутрішнього середовища до внутрішньої поверхні з температурою τ в, о С:
q = (1 /R в). (t в - τ в), (2.17)
потім від внутрішньої поверхні крізь перший шар з термічним опором R Т, 1 до стику першого і другого шарів:
q = (1 /R Т, 1). (Τ в -t 1), (2.18)
після цього через всі інші верстви
q = (1 /R Т, i). (t i -1 -t i), (2.19)
і, нарешті, від зовнішньої поверхні з температурою τ н до зовнішнього середовища з температурою t н:
q = (1 /R н). (Τ н -t н), (2.20)
де R Т, i- термічний опір шару з номером i, М 2. о С / Вт;
R в,R н- опору теплообміну на внутрішній і зовнішній поверхнях, М 2. о С / Вт;
t i -1 - температура, о С, на стику шарів з номерами i-1 і i;
t i - температура, о С, на стику шарів з номерами i і i + 1.
Рис.6. Розподіл температури при теплопередачі через багатошарову стіну
Переписавши (2.16) - (2.19) щодо різниць температури і склавши їх, одержимо рівність:
t в - t н = Q. (R в+ R Т ,1 + R Т ,2 + ... + R Т , i+…. + R Т, n +R н) (2.21)
Вираз в дужках - сума термічних опорів плоскопараллельних послідовно розташованих по ходу теплового потоку шарів огорожі і опорів теплообміну на його поверхнях називається загальним опором теплопередачі огорожі R o, М 2. о С / Вт:
R o = R в+ ΣR Т , i+ R н, (2.22)
а сума термічних опорів окремих шарів огородження - його термічним опором R Т, М 2. о С / Вт:
R Т =R Т, 1 +R Т, 2 + ... +R в. п + .... +R Т, n, (2.23)
де R Т, 1,R Т, 2, ...,R Т, n - термічні опори окремих плоскопараллельних послідовно розташованих по ходу теплового потоку шарів шарів огороджувальної конструкції, м 2. о С / Вт, що визначаються за формулою (2.4);
R в. п - термічний опір замкнутої повітряного прошарку, м 2. о С / Вт, по п.2.1.4
За фізичним змістом загальний опір теплопередачі огорожі R o - це різниця температури середовищ по різні боки огорожі, яка формує проходить через нього тепловий потік щільністю 1 Вт / м 2, в той час як термічний опір багатошарової конструкції - різниця температури зовнішньої і внутрішньої поверхонь огорожі, яка формує проходить через нього тепловий потік щільністю 1 Вт / м 2, З (2.22) випливає, що тепловий потік q, Вт / м 2, що проходить через огорожу, пропорційний різниці температури середовищ по різні боки огорожі ( t в -t н)і обернено пропорційний загальному опору теплопередачі R o
q = (1 /R о). (t в -t н), (2.24)
2.1.7 Приведений опір теплопередачі
При виведенні загального опору теплопередачі розглядалося плоско-паралельне огорожу. А поверхні більшості сучасних огороджувальних конструкцій не є ізотермічними, тобто температура на різних ділянках зовнішньої і внутрішньої поверхонь конструкції не є однаковими через наявність різних теплопровідних включень, наявних в конструкції /
Тому введено поняття приведеного опору теплопередачі огороджувальної конструкції, якимназивається опір теплопередачі одношарової огороджувальної конструкції тієї ж площі, через яку проходить однаковий з реальною конструкцією потік теплоти при однаковій різниці між температурою внутрішнього і зовнішнього повітря. Важливо відзначити, що приведений опір теплопередачі відноситься до всієї конструкції або її ділянці, а не до майданчика в 1 м 2. Це відбувається тому, що теплопровідні включення можуть бути обумовлені не тільки регулярно укладеними зв'язками, але і досить великими елементами кріплення фасадів до колон, і самими колонами, що врізаються в стіну, і примиканням одних огороджень до інших.
Тому приведений опір теплопередачі конструкції (або ділянки конструкції) може бути визначено виразом:
де Q - потік теплоти, що проходить через конструкцію (або ділянку конструкції), Вт;
A - площа конструкції (або ділянки конструкції), м 2.
Вираз є за своїм змістом усередненої по площі (або приведеної до одиниці площі) щільністю потоку теплоти через конструкцію, тобто можна записати:
З (2.24) і (2.25) слід:
Огороджувальні конструкції із застосуванням ефективних теплоізоляційних матеріалів виконуються таким чином, що шар теплоізоляційного матеріалу закриває, наскільки можливо, велику площу конструкції. Перетину теплопровідних включень виконують наскільки можливо малими. Отже, можна виділити ділянку конструкції, віддалений від теплопровідних включень. Якщо знехтувати впливом теплопровідних включень на цій ділянці, то його теплозахисні властивості можна характеризувати за допомогою умовного опору теплопередачі, Визначеного формулою (2.22). Відношення значення приведеного опору теплопередачі конструкції до значення умовного опору теплопередачі розглянутого ділянки називається коефіцієнтом теплотехнічної однорідності:
Величина коефіцієнта теплотехнічної однорідності оцінює, наскільки повно використовуються можливості теплоізоляційного матеріалу, або по-іншому - який вплив теплопровідних включень.
Цей коефіцієнт практично завжди менше одиниці.
Рівність його одиниці означає, що теплопровідні включення відсутні, і можливості застосування шару теплоізоляційного матеріалу використовуються максимально. Але таких конструкцій практично не буває.
Коефіцієнт теплотехнічної однорідності визначається прямим розрахунком багатовимірного температурного поля конструкції або спрощено по, а для випадку стрижневих зв'язків з.
Величина, зворотна приведеним опором теплопередачі, названа коефіцієнтом теплопередачі огороджувальної конструкції До, Вт / м 2. о С:
Коефіцієнт теплопередачі огорожі До дорівнює щільності теплового потоку, що проходить крізь огорожу, при різниці температури середовищ по різні боки від нього в 1 о С. Отже, тепловий потік q, Вт / м 2, що проходить через огорожу за рахунок теплопередачі, може бути знайдений за формулою:
q = К. (t в -t н). (2.30)
2.1.8 Розподіл температури по перетину огорожі
Важливим практичним завданням є розрахунок розподілу температури по перетину огорожі (рис.7). З диференціального рівняння (2.1) випливає, що воно лінійно щодо опору теплопередачі, тому можна записати температуру t x в будь-якому перетині огорожі:
, (2.31)
де R х-у і R х-н - опору теплопередачі відповідно від внутрішнього повітря до точки х і від зовнішнього повітря до точки х, м 2. о С / Вт.
Рис.7. розподіл температури в багатошаровій стінці. а) в масштабі товщини шарів, б) в масштабі термічних опорів
Однак вираз (2.30) відноситься до огорожі без обурюють одномірність теплового потоку. Для реального огорожі, що характеризується наведеними опором теплопередачі при розрахунку розподілу температури по перетину огорожі треба враховувати зменшення опорів теплопередачі R х-у і R х-н за допомогою коефіцієнта теплотехнічної однорідності:
Питання для самоконтролю
1. Що таке (фізичний зміст) коефіцієнт тепловіддачі на поверхні?
2. З чого складається коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні огородження?
3. З чого складається коефіцієнт тепловіддачі на внутрішній поверхні огородження?
4. З чого складається термічний опір багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопараллельнимі шарами по ходу теплового потоку.
5. З чого складається загальний опір теплопередачі багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопараллельнимі шарами по ходу теплового потоку. Напишіть формулу загального опору теплопередачі.
6. Фізичний сенс термічного опору багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопараллельнимі шарами по ходу теплового потоку.
7. Фізичний сенс загального опору теплопередачі багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопараллельнимі шарами по ходу теплового потоку.
8. Фізичний сенс наведеного опору теплопередачі огороджувальної конструкції.
9. Що таке умовне опір теплопередачі огороджувальної конструкції.
10. Що таке коефіцієнт теплотехнічної однорідності конструкції, що обгороджує.
11. Що таке коефіцієнт теплопередачі огороджувальної конструкції?
12. Напишіть формулу теплового потоку, переданого за рахунок теплопередачі від внутрішнього середовища з температурою t в до зовнішньої з температурою t н через багатошарову стінку.
13. Накресліть якісну картинку розподілу температури в двошарової стінки при відомих температурах оточуючих середовищ t в і t н, якщо λ 1\u003e λ 2.
14. Накресліть якісну картинку розподілу температури в двошарової стінки при відомих температурах оточуючих середовищ t в і t н, якщо λ 1
15. Напишіть формулу для визначення температури внутрішньої поверхні двошарової стінки в при відомих температурах середовищ t в і t н, товщинах шарів δ 1 і δ 2, коефіцієнтах теплопровідності λ 1 і λ 2.
16. Напишіть формулу для визначення температури зовнішньої поверхні двошарової стінки τ н в при відомих температурах середовищ t в і t н, товщинах шарів δ 1 і δ 2, коефіцієнтах теплопровідності λ 1 і λ 2.
17. Напишіть формулу для визначення температури між шарами двошарової стінки t при відомих температурах середовищ t в і t н, товщинах шарів δ 1 і δ 2, коефіцієнтах теплопровідності λ 1 і λ 2.
18. Напишіть формулу для визначення температури t x в будь-якому перетині багатошарової стінки при відомих температурах середовищ t в і t н, товщинах шарів, коефіцієнтах теплопровідності.
2.2 Вологісний режим огороджувальних конструкцій
Вологісний режим огорож тісно пов'язаний з їх тепловим режимом, тому він вивчається в курсі Будівельної теплофізики. Зволоження будівельних матеріалів в огорожах негативним чином позначається на гігієнічних і експлуатаційних показниках будівель.
2.2.1 Причини появи вологи в огорожах
Шляхи потрапляння вологи в огорожі різні, а заходи щодо зниження вологості будівельних матеріалів в них залежать від причини зволоження. Ці причини наступні.
Будівельна (початкова) волога, Тобто волога, що залишилася в огорожі після зведення будівлі. Ряд будівельних процесів є "мокрими", наприклад, бетонування, кладка з цегли і штучних блоків: ячєїстобетонних, керамзитобетонних та інших, оштукатурювання. Для скорочення тривалості мокрих будівельних процесів в зимових умовах застосовуються сухі процеси. Наприклад, у внутрішніх шарах зовнішніх стін поверховій розрізання ставляться пазогребневі гіпсові гідрофобізовані панелі. Звичайна внутрішня штукатурка замінюється гіпсокартонними листами.
Будівельна волога повинна бути видалена з огорож в перші 2 - 3 роки експлуатації будівлі. Тому дуже важливо, щоб в ньому добре працювали системи опалення та вентиляції, на які ляже додаткове навантаження, пов'язана з випаровуванням води.
ґрунтова волога, Та волога, яка може проникнути в огорожу з грунту шляхом капілярного всмоктування. Для запобігання попадання грунтової вологи в огорожу будівельниками встановлюються гідроізолюючі і пароізолірующіе шари. Якщо шар гідроізоляції пошкоджений, грунтова волога може підніматися по капілярах в будівельних матеріалах стін ло висоти 2 - 2,5 м над землею.
атмосферна волога, Яка може проникати в огорожу при косому дощі, при протечках дахів в районі карнизів, несправності зовнішніх водостоків. Найбільш сильний вплив дощової вологи спостерігається при повній хмарності з тривалими мжичать дощами з вітром, з високою вологістю зовнішнього повітря. Для запобігання попадання вологи всередину стіни від змоченою зовнішньої поверхні застосовуються спеціальні фактурні шари, погано пропускають рідку фазу вологи. Звертається увага на герметизацію стиків стінових панелей при великопанельному житловому будівництві, на герметизацію периметрів вікон та інших отворів.
експлуатаційна волога потрапляє в огорожу від внутрішніх джерел: при виробничих процесах, пов'язаних із застосуванням або виділенням води, при мокрій прибирання приміщень, при проривах водопровідних і каналізаційних мереж. При регулярному використанні води в приміщенні роблять водонепроникні підлоги і стіни. При аваріях необхідно якомога швидше видалити вологу з огороджувальних конструкцій.
гігроскопічна волога знаходиться всередині огорожі внаслідок гігроскопічності його матеріалів. Гігроскопічність - це властивість матеріалу поглинати (сорбувати) вологу з повітря. При тривалому перебуванні будівельного виробу в повітрі з постійними температурою і відносною вологістю, кількість вологи, що міститься в матеріалі, стає незмінним (рівноважним). Ця рівновага вмісту вологи відповідає гігротермічної станом зовнішньої повітряно-вологого середовища і в залежності від властивостей матеріалу ( хімічного складу, Пористості і т.д.) може бути більшим або меншим. Небажано застосовувати матеріали з високою гігроскопічністю в огорожах. У той же час, застосування гігроскопічних штукатурок (вапняних) практикується в місцях з періодичним перебуванням людей, наприклад, в церквах. Про такі вбирають вологу при зволоженні повітря і віддають її при зниженні вологості повітря стіни говорять, що вони "дихають".
пароподібна волога, Що знаходиться в повітрі, що заповнює пори будівельних матеріалів. При несприятливих умовах волога може конденсуватися всередині огороджень. Щоб уникнути негативних наслідків конденсації вологи всередині огорожі воно повинно бути грамотно сконструйований, щоб зменшити ризик випадання конденсату і створити умови для повного висихання сконденсованої за зиму вологи влітку.
сконденсована волога на внутрішніх поверхнях огороджень при високій вологості внутрішнього повітря і температурі внутрішньої поверхні огорожі нижче точки роси. Заходи боротьби з зволоженням внутрішньої поверхні огороджень пов'язані з вентиляцією приміщень, що знижує вологість внутрішнього повітря, і з утепленням огороджуючих конструкцій, що виключає зниження температури, як на гладі поверхні огородження, так і в місцях теплопровідних включень.
2.2.2 Негативні наслідки зволоження зовнішніх огороджень
Відомо, що з підвищенням вологості матеріалів погіршуються теплотехнічні якості огорожі за рахунок збільшення коефіцієнта теплопровідності матеріалів, що призводить до збільшення тепловтрат будівлі і великих енерговитрат на опалення.
Теплопровідність збільшується з підвищенням вологості матеріалу через те, що вода, що знаходиться в порах матеріалу, має коефіцієнт теплопровідності близько 0, 58 Вт / м ° С, що в 22 рази більше, ніж у повітря. Велика інтенсивність зростання коефіцієнта теплопровідності матеріалу при малій вологості відбувається через те, що при зволоженні матеріалу спочатку заповнюються водою дрібні пори і капіляри, вплив яких на теплопровідність матеріалу більше, ніж вплив великих пір. Ще більш різко зростає коефіцієнт теплопровідності, якщо вологий матеріал промерзає, так як лід має теплопровідність 2,3 Вт / м ° С, що в 80 разів більше ніж у повітря. Встановити загальну математичну залежність теплопровідності матеріалу від його вологості для всіх будівельних матеріалів неможливо, так як на неї великий вплив робить форма і розташування пір. зволоження будівельних конструкцій призводить до зниження їх теплозахисних властивостей, приводячи до збільшення коефіцієнта теплопровідності вологого матеріалу.
На внутрішніх поверхнях огородження з мокрими шарами формується нижча температура, ніж з сухими, що створює в приміщенні несприятливу радіаційну обстановку. Якщо температура на поверхні огородження виявиться нижче точки роси, то на цій поверхні може випадати конденсат. Вологий будівельний матеріал неприйнятний, так як є сприятливим середовищем для розвитку в ньому грибів, плісняви та інших мікроорганізмів, спори і дрібні частки яких викликають у людей алергію та інші захворювання. Таким чином, зволоження будівельних конструкцій погіршує гігієнічні якостіогорож.
Чим більше вологість матеріалу, тим менш морозостійкий матеріал, а, значить, недовговічний. Замерзаюча в порах матеріалів і на стиках шарів вода розриває ці пори, так як при перетворенні в лід вода розширюється. Деформація виникає також у огорож, де присутня вологiсть, але виконаних з невологостійких матеріалів, таких як фанера, гіпс. Тому застосування невологостійких матеріалів в зовнішніх огородженнях обмежена. Отже, зволоження будівельних матеріалів може мати негативні наслідки для технічних якостей огорож.
2.2.3 Зв'язок вологи з будівельними матеріалами
За характером своєї взаємодії з водою тверді тіла поділяються на змочуються (гідрофільні)і несмачіваемих (гідрофобні).До гідрофільних будівельних матеріалів належать бетони, гіпс, в'яжучі на водній основі. До гідрофобним - бітуми, смоли, мінеральні вати на несмачіваемих в'яжучих. Гідрофільні матеріали активно взаємодіють з водою, а обмежено змочуються і несмачіваемих - менш активно.
Фактором значно впливає на характер взаємодії матеріалу з вологою, що знаходиться в повітрі, або при безпосередньому контакті з водою є капілярно-пориста структурабільшості будівельних матеріалів. При взаємодії з вологою можуть змінюватися фізико-механічні та теплотехнічні властивості будівельних матеріалів.
Для правильного розуміння шляхів руху вологи в огороджувальних конструкціях і методів запобігання несприятливих процесів або їх наслідків необхідно знати форми зв'язку вологи з будівельними матеріалами.
Обгрунтована система енергетичної класифікації зв'язку вологи з матеріалом розроблена академіком П.А. Ребиндером. За природою енергії зв'язування вологи з речовиною і величиною енергетичного рівня розрізняються три види цього зв'язку.
Хімічна форма зв'язку вологи з матеріалом найміцніша, тому що волога в цьому випадку необхідна для хімічних реакцій. Така волога входить до складу структурної решітки матеріалів типу кристалогідратів і не бере участі в влагообмену процесах. Тому при розгляді процесів влагопередачі через огорожу її можна не враховувати.
Фізико-хімічний зв'язок вологи з будівельними матеріалами проявляється в адсорбції на внутрішній поверхні пор і капілярів матеріалу. Адсорбована волога підрозділяється на вологу первинних мономолекулярних шарів, що відрізняється високим енергетичним рівнем зв'язку з поверхнею гідрофільних матеріалів, і вологу наступних полімолекулярних шарів, складових плівку води, що утримується капілярними силами. Для видалення мономолекулярної і частково полімолекулярної вологи недостатньо сил природної сушки в звичайних природних умовах і умовах приміщень. До фізико-хімічної формі зв'язку відносять також осмотически (структурно) пов'язану вологу в рослинних клітинах органічних матеріалів рослинного походження. Ця волога може бути видалена шляхом природного сушіння.
Фізико-механічний зв'язоквизначає утримання вологи в порах і капілярах силами капілярного тиску і змочування гідрофільних матеріалів. Ця волога переміщається всередині матеріалу при виникненні тисків, що перевищують капілярний і випаровується з поверхневих шарів конструкцій в процесі природного сушіння. Найбільшою фізико-механічною міцністю володіє зв'язок води з мікрокапіляри.
2.2.4 Вологе повітря
Атмосферне повітря, що складається з кисню, азоту, вуглекислого газу і невеликої кількості інертних газів завжди містить деяку кількість вологи у вигляді водяної пари. Суміш сухого повітря з водяною парою називають вологим повітрям.
З достатньою для технічних розрахунків точністю можна вважати, що вологе повітря підпорядковується всім законам суміші ідеальних газів. Кожен газ, в тому числі і пар, що входить до складу суміші, займає той же обсяг, що і вся суміш.
Пар знаходиться під своїм парціальним тиском, Яке визначають за рівнянням Менделєєва-Клайперона:
де M i - маса i-го газу, в даному випадку водяної пари, кг;
R - універсальна газова постійна, рівна 8 314,41 Дж / (кмоль. К);
Т - температура суміші в абсолютній шкалі, К;
V - обсяг, займаний сумішшю газів, м 3;
μ i - молекулярна вага газу, кг / моль. Для водяної пари μ п = 18,01528 кг / кмоль.
Згідно із законом Дальтона сума парціальних тисків газових компонентів суміші дорівнює повному тиску суміші. Вологе повітря прийнято розглядати як бінарну суміш, Що складається з водяної пари і сухої частини атмосферного повітря, Ефективний молекулярна вага якого дорівнює μ в ≈ 29 кг / моль. Барометричний тиск вологого повітря Р б, Па, складається з парціального тиску сухого повітря е св, Па, і парціального тиску пари е п, Па:
Парціальний тиск водяної пари називають також пружністю водяної пари.
Для характеристики заходи зволоження повітря користуються поняттям відносної вологості повітря φ в, яка показує ступінь насиченості повітря водяною парою в% або частках одиниці повного насичення при однакових температурі і тиску.
При відносній вологості 100% повітря повністю насичений водяною парою і називається насиченим. Парціальний тиск насиченої водяної пари називають також тиском насичення повітря водяною парою або максимальної пружністю водяної париі позначають Е. Величина відносної вологості φ в дорівнює відношенню парціального тиску водяної пари е п у вологому повітрі при певних атмосферному тиску і температурі до тиску насичення Е при тих же умовах:
або φ,%. (2.36)
Парціальний тиск насиченої водяної пари - максимальна пружність водяної пари - при заданому барометричному тиску є функцією тільки температури t:
Його значення визначають експериментальним шляхом і призводять в спеціальних таблицях. Крім того, є ряд формул, аппроксимирующих залежність Е від температури. Наприклад, формули, наведені в:
над поверхнею льоду при температурі від - 60 о С до 0 ° С
, (2.38)
над поверхнею чистої води при температурі від 0 ° С до 83 ° С
, (2.39)
Нормальним для перебування людини гигиенистами вважається діапазон відносної вологості від 30% до 60%. При відносній вологості повітря вище 60% випаровування вологи з шкіри людини утруднено і його самопочуття погіршується. При більш низькій відносній вологості повітря, ніж 30% випаровування з поверхні шкіри і слизових оболонок людини посилюється, що викликає сухість шкіри, першіння в горлі, що сприяють простудних захворювань.
При підвищенні температури повітря заданої абсолютної вологості його відносна вологість знижується, так як відповідно до формули (2.36) величина парціального тиску водяної пари залишиться без зміни, а тиск насичення зросте через збільшення температури. Навпаки, при охолодженні повітря відносна вологість зросте внаслідок зниження величини тиску насичення Е. У міру остигання повітря при деякій його температурі, коли е п стане одно Е, відносна вологість повітря стане рівною 100%, тобто повітря досягне повного насичення водяною парою. Температура t р, о С, при якій повітря з певною абсолютною вологістю знаходиться в стані повного насичення, називається точкою роси.Якщо повітря буде охолоджуватися нижче точки роси, то, частина вологи почне конденсуватися з повітря. Повітря при цьому буде залишатися насиченою водяною парою, а тиск насичення повітря Е відповідно досягнутої температурі буде знижуватися. Причому температура повітря в кожен момент часу буде точкою роси для сформувалася абсолютної вологості повітря.
При зіткненні вологого повітря з внутрішньою поверхнею зовнішнього огородження, що має температуру τ в нижче точки роси повітря t р, на цій поверхні буде конденсуватися водяна пара. Таким чином, умовами відсутності випадання конденсату на внутрішній поверхні огородження і в його товщі є підтримання температури вище точки роси, а це означає, що парціальний тиск водяної пари в кожній точці перетину огорожі повинно бути менше тиску насичення.
2.2.5 Вологість матеріалу
У капілярно-пористих матеріалах в природному повітряному середовищі завжди знаходиться певна кількість хімічно незв'язаної вологи. Якщо зразок матеріалу, що знаходиться в природних умовах, піддати сушінню, то його маса зменшиться. вагова вологість матеріалу ω в,%, визначається відношенням маси вологи, що міститься в зразку, до маси зразка в сухому стані:
, (2.40)
де М 1 - маса вологого зразка, кг,
М 2 - маса сухого зразка, кг.
об'ємна вологість ω о,%, визначається відношенням обсягу вологи, що міститься в зразку, до обсягу зразка:
де V 1 - обсяг вологи в зразку, м 3, V 2 - обсяг самого зразка, м 3.
Між ваговій ω в і об'ємної вологістю ω про матеріалу існує співвідношення:
, (2.42)
де ρ - щільність матеріалу в сухому стані, кг / м 3.
У розрахунках частіше використовується вагова вологість.
2.2.6 Сорбція і десорбція
При тривалому знаходженні зразка матеріалу у вологому повітрі з постійними температурою і відносною вологістю, маса вологи, що міститься в зразку стане незмінною - рівноважної. При підвищенні відносної вологості повітря маса вологи в матеріалі збільшується, а при збільшенні температури - зменшується. Це рівноважний вологовміст матеріалу, відповідне тепловлажностной станом повітряного середовища, в залежності від хімічного складу, пористості і деяких інших властивостей матеріалу може бути більше або менше. Процес зволоження сухого матеріалу, вміщеного в середу вологого повітря, називається сорбцией, А процес зменшення вмісту вологи надлишково вологого матеріалу в середовищі вологого повітря - десорбцией.
Закономірність зміни рівноважного вологовмісту матеріалу в повітряному середовищі з постійною температурою і зростаючої відносною вологістю виражається ізотермою сорбції.
Для переважної більшості будівельних матеріалів ізотерми сорбції та десорбції не збігаються. Різниця вагових влажностей будівельного матеріалу при одній і тій же відносній вологості повітря φ називається сорбційними гистерезисом. На рис.8 представлені ізотерми сорбції та десорбції водяної пари для пеносіліката. по. З рис.8 видно, що, наприклад, для φ = 40% при сорбції пеносіліката має вагову вологість ω в = 1,75%, а при десорбції ω в = 4%, отже, сорбційний гистерезис дорівнює 4-1,75 = 3 , 25%.
Рис.8. Вагова вологість пеносіліката при сорбції (1) і десорбції (2)
Значення сорбційних влажностей будівельних матеріалів наведені в різних літературних джерелах, наприклад, в.
2.2.7 Паропроникність огороджень
Виняток конденсації водяної пари на внутрішній поверхні огородження не може гарантувати відсутність конденсації вологи в товщі огородження.
Волога в будівельному матеріалі може знаходитися в трьох різних фазах: твердої, рідкої і парообразной. Кожна фаза поширюється по своєму закону. У кліматичних умовах Росії найбільш актуальне завдання руху водяної пари в зимовий період. З експериментальних досліджень відомо, що потенціалом перенесення пара - його рушійною силою - служить парціальний тиск водяної пари в повітрі е, Па. Усередині будівельних матеріалів огорожі вологе повітря знаходиться в порах матеріалу. Пар переміщається від більшого парціального тиску до меншого.
У холодний період року в приміщенні температура повітря значно вище, ніж на вулиці. Більш високій температурі відповідає більш високий тиск насичення водяною парою Е. Не дивлячись на те, що відносна вологість внутрішнього повітря менше відносної вологості зовнішнього, парціальний тиск водяної пари у внутрішньому повітрі е в значно перевищує парціальний тиск водяної пари в зовнішньому повітрі е н. Тому потік пара направлений з приміщення назовні. Процес проникнення пара через огорожу відноситься до процесам дифузії. Інакше кажучи, водяна пара дифундує крізь огорожу. Дифузія є чисто молекулярне явище, що представляє собою заміну молекул одного газу молекулами іншого, в даному випадку заміну молекул сухого повітря в порах будівельних матеріалів молекулами водяної пари. А процес дифузії водяної пари через огорожі носить назву паропроникнення.
Щоб уникнути плутанини в термінології відразу обмовимося, що паропроникність - це властивість матеріалів і устаткування, виконаної з них, пропускати крізь себе водяну пару, а паропроніцанію - це процес проникнення пара через матеріал або огорожу.
Паропроникність μ залежить від фізичних властивостей матеріалу і відображає його здатність пропускати дифундує через себе водяну пару. Паропроникність матеріалу μ кількісно дорівнює диффузионному потоку водяної пари, мг / год, що проходить через м 2 площі, перпендикулярної потоку, при градієнті парціального тиску водяної пари уздовж потоку, рівному 1 Па / м.
Розрахункові значення μ наведені в довідкових таблицях. Причому для ізотропних матеріалів μ не залежить від напрямку потоку вологи, а для анізотропних (деревини, інших матеріалів, що мають волокнисту структуру або пресованих) значення μ наводяться в залежності від співвідношення напрямків потоку пара і волокон.
Паропроникність для теплоізоляційних матеріалів, як правило, пухких і з відкритими порами має великі значення, наприклад, для мінераловатних плит на синтетичному сполучному при щільності ρ = 50 кг / м 3 коефіцієнт паропроникності дорівнює μ = 0,60 мг / (ч. М. Па ). Матеріалами більшої щільності відповідає менше значення коефіцієнта паропроникності, наприклад, важкий бетон на щільних заповнювачах має μ = 0,03 мг / (ч. М. Па). Разом з тим бувають винятки. Екструдований пінополістирол, утеплювач з закритими порами, при щільності ρ = 25 - 45 кг / м 3 має μ = 0,003 - 0,018 мг / (ч. М. Па) і практично не пропускає через себе пар.
Матеріали з мінімальною паропроникністю використовуються в якості пароізоляційних шарів. Для листових матеріалів і тонких шарів пароізоляції з огляду на дуже малого значення μ в довідкових таблицях наводяться опору паропроніцанію і товщини цих шарів.
Паропроникність повітря дорівнює μ = 0,0062 м 2. ч. Па / мг при відсутності конвекції і μ = 0,01 м 2. ч. Па / мг при конвекції. Тому в розрахунках опору паропроніцанію слід мати на увазі, що пароізоляційні шари огорожі, які не забезпечують сплошности (мають щілини) (пароізоляційна плівка, порушена внутрішніми зв'язками огорожі, листові пароізоляційні шари, прокладені навіть внахлест, але без промазки швів пароізоляційній мастикою), матимуть бόльшую паропроникність, ніж без урахування цієї обставини.
З фізики відомо, що є повна аналогія між процесами паропроникнення і теплопровідності. Більш того, дотримується аналогоя в процесах тепловіддачі і влагоотдачи на поверхнях огородження. Тому можна розглядати аналогію між складними процесами теплопередачі і влагопередачічерез огорожу. У табл.2 представлені прямі аналоги в цих процесах.
Таблиця 2
Аналогія між процесами теплопередачі і влагопередачі при дифузії пара
| теплове поле | стан вологості поле |
|
температура внутрішнього повітря t в, О С; внутрішньої поверхні τ в, О С; на стиках шарів t i, О С; зовнішньої поверхні τ н, О С; зовнішнього повітря t н, Про С. |
Парціальний тиск водяної пари: у внутрішньому повітрі е в, Па; на внутрішній поверхні е вп, Па; на стиках шарів е i, Па; зовнішньої поверхні е нп, Па; в зовнішньому повітрі е н, Па. |
|
теплопровідність матеріалу λ , Вт / (м. ° С) |
паропроникність матеріалу μ, мг / (ч. м. Па) |
|
Термічний опір шару товщиною δ, м, R Т=δ/ λ , М 2. о С / Вт |
Опір паропроніцанію шару товщиною δ , М, R п = δ / μ, М 2. ч. Па / мг (2.43) |
|
коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній поверхні α в, Вт / (м 2. о С); на зовнішній поверхні α н, Вт / (м 2. о С). |
коефіцієнти влагоотдачи на внутрішній поверхні β в, мг / (ч. м 2. Па); на зовнішній поверхні β н, мг / (ч. м 2. Па). |
|
Опір тепловіддачі на поверхнях огородження на внутрішній R в = 1 / α в, м 2. о С / Вт; на зовнішньої R н = 1 / α н, м 2. о С / Вт; |
Опір Влагоотдача на поверхнях огородження на внутрішній R п. в = 1 / β в, м 2. ч. Па / мг; (2.44) на зовнішньої R п. н = 1 / β н, м 2. ч. Па / мг. (2.45) |
|
Загальний опір теплопередачі огорожі R o = R в + Σδ / λ + R н, м 2. о С / Вт |
Загальний опір паропроніцанію огорожі R о. п = R п. в + Σδ / λ + R п. н, м 2. ч. Па / мг (2.46) |
|
Щільність теплового потоку через огорожу q = (t в -t н) / R o, Вт / м 2 |
Щільність дифузійного потоку вологи через огорожу g = (e в -е н) / R о. п, мг / (ч. м 2) (2.47) |
За своїм фізичним змістом опір паропроніцанію шару огорожі - це різниця пружності водяної пари, яку потрібно створити на поверхнях шару, щоб через 1 м 2 його площі дифундувати потік пара, рівний 1 мг / год.
Загальний опір паропроніцанію огороджувальної конструкції (При дифузії пара) складається з опорів паропроніцанію всіх його верств і опорів влагообмену на його поверхнях, як це випливає з виразу (2.43).
Коефіцієнт влагоотдачи, як правило, в інженерних розрахунках загального опору паропроніцанію не застосовується, в розрахунках використовують безпосередньо опору Влагоотдача на поверхнях, приймаючи їх значення рівними R п. В = 0,0267 м 2. ч. Па / мг, R п. Н, = 0,0052 м 2. ч. Па / мг.
Пружність водяної пари, диффундирующего через огорожу, у міру проходження через його товщу буде змінюватися між значеннями е в и ї н. Для знаходження парціального тиску водяної пари е х в будь-якому перетині огорожі (рис.9) користуються формулою, аналогічною формулою (2.30) для визначення розподілу температури по перетину огорожі:
де R п. В-х, R п. Н-х - опору паропроніцанію, від точки х до соотвенственно внутрішнього і зовнішнього повітря, м 2. ч. Па / мг.
Рис.9. Розподіл парціального тиску і тиску насичення водяної пари по перетину огорожі
Питання для самоконтролю.
1. Причини випадання вологи на поверхні або в товщі огородження.
2. Негативні наслідки випадання вологи на поверхні або в товщі огородження.
3. Чим відрізняються гідрофільні будівельні матеріали від гідрофобних?
4. Яка структура більшості будівельних матеріалів?
5. Які три форми видів зв'язку вологи з будівельним матеріалом по природі енергії зв'язування і величиною енергетичних рівня Ви знаєте?
6. Що таке вологе повітря?
7. Що таке парціальний тиск водяної пари у вологому повітрі?
8. З чого складається барометричний тиск вологого повітря?
9. Що таке відносна вологість повітря?
10. Який повітря називається насиченим водяною парою?
11. Яка температура носить назву точки роси?
12. Які умови відсутності конденсату в будь-якій точці перетину конструкції, що обгороджує?
13. Як визначається вагова вологість матеріалу?
14. Як визначається об'ємна вологість матеріалу?
15. Що таке рівноважна вологість матеріалу?
16. Що таке сорбція і десорбція? *
17. У чому проявляється сорбційний гистерезис?
18. Що є потенціалом перенесення водяної пари в конструкціях?
19. У чому полягає дифузія пара крізь огорожу?
20. Що таке паропроніцанію?
21. Що таке паропроникність?
22. Чому кількісно дорівнює паропроникність матеріалу μ?
23. Що таке пароізоляція?
24. Фізичний сенс опору паропроніцанію шару?
25. Що таке загальний опір паропроніцанію огороджувальної конструкції?
26. Напишіть формулу загального опору паропроніцанію огорожі.
27. Як визначити парціальний тиск водяної пари в повітрі при відомих його температурі t в і відносній вологості φ в?
28. Чим визначається тиск насичених водяної пари?
29. Накресліть якісну картинку розподілу парціального тиску водяної пари в двошарової стінки при відомих тисках в навколишніх середовищах e в і e н, якщо μ 1\u003e μ 2.
30. Накресліть якісну картинку розподілу парціального тиску водяної пари в двошарової стінки при відомих тисках в навколишніх середовищах e в і e н, якщо μ 1
31. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари на внутрішній поверхні двошарової стінки e вн. пов при відомих тисках в середовищах e в і e н, товщинах шарів δ 1 і δ 2, паропроніцаніемостях μ 1 і μ 2.
32. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари на зовнішній поверхні двошарової стінки e н. пов при відомих тисках в середовищах e в і e н, товщинах шарів δ 1 і δ 2, паропроніцаніемостях μ 1 і μ 2.
33. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари між шарами двошарової стінки e при відомих тисках в середовищах e в і e н, товщинах шарів δ 1 і δ 2, паропроніцаніемостях μ 1 і μ 2.
34. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари e x в будь-якому перетині багатошарової стінки при відомих тисках в середовищах e в і e н, товщинах шарів δ i, паропроніцаніемостях μ i.
2.3 Повітропроникність зовнішніх огороджень
2.3.1 Основні положення
повітропроникністю називається властивість будівельних матеріалів і ограждающізх конструкцій пропускати крізь себе потік повітря, повітропроникністю вважають також витрата повітря в кг, який проходить через 1м 2 огорожі за годину G, кг / (м 2. ч).
воздухопроницанию через огорожі називають процес проникнення повітря крізь їх нещільності. Проникнення повітря зовні всередину приміщень називається інфільтрацією, А з приміщення назовні - ексфільтрація.
Розрізняють два типи нещільності, через які здійснюється фільтрація повітря: пори будівельних матеріалів і наскрізні щілини. Щілини утворюють стики стінових панелей, щілини в палітурках вікон і в місцях прилягання вікна до віконної коробки і т.д. Крім наскрізної поперечної фільтрації, При якій повітря проходить через огорожу наскрізь в напрямку. перпендикулярному поверхні огородження, існує, по термінології Р.Е. Брілінга, ще два види фільтрації - поздовжня і внутрішня.
Взагалі кажучи, повітропроникністю володіють всі зовнішні огорожі, але в розрахунку тепловтрат зазвичай враховується тільки інфільтрація через вікна, балконні двері та вітражі. Норми щільності інших огорож виключають можливість наскрізної повітропроникності, відчутно впливає на тепловий баланс приміщення.
Як вже було сказано в гл.2, для пароізоляції огороджувальних конструкцій з їх внутрішньої сторони робиться щільний шар. Цей шар зазвичай досить повітронепроникний для поперечної фільтрації. Однак, якщо з зовнішньої сторони фасадний шар не щільний, може відбуватися поздовжнє фільтрація, яка полягає в тому, що під впливом вітру холодне зовнішнє повітря проходить всередину захисної конструкції і в іншому місці виходить з неї. Цим викликаються додаткові тепловтрати.
У сучасних зовнішніх стін з вентильованим фасадом в шарах з мінеральної вати, пінополістиролу або інших спінених матеріалів може спостерігатися поздовжня фільтрація, яка місцево знижує приведений опір цих конструкцій за рахунок виносу фільтрується повітрям теплоти в атмосферу.
Навіть, якщо з обох сторін захисної конструкції забезпечена хороша захист від проникнення повітря, а внутрішні шари виконані з повітропроникних матеріалів, рух повітря усередині конструкції може виникнути через різницю температур в товщі огородження по типу руху повітря в замкнутих повітряних прошарках. Однак, внутрішня фільтрція, як правило, не збільшує помітно коефіцієнт теплопередачі огорожі.
Інфільтрація і ексфільтрація і, взагалі, будь-яка фільтрація повітря виникають під впливом перепадів повних тисків повітря ∆ P, Па, з різних сторін огорожі.
Тобто, потенціалом перенесення повітря через матеріали та огороджувальні конструкції є різниця тисків повітря зсередини будівлі і зовні. Вона пояснюється, по-перше, різною щільністю холодного зовнішнього повітря і теплого внутрішнього - гравітаційної складової і, по-друге, дією вітру, що створює позитивний додатковий тиск в набігає потоці з навітряного боку і розрідження з підвітряного - вітрової складової.
2.3.2 Різниця тисків на зовнішній і внутрішній поверхні огороджень
Відомо, що в стовпі газу статичну гравітаційне тиск змінно по висоті.
гравітаційне тиск Р гр, Па, в будь-якій точці зовнішнього повітря на висоті h від поверхні землі, так само
(2.49)
де Р атм -атмосферні тиск на рівні умовного нуля відліку, Па;
g - прискорення вільного падіння, м / с 2;
ρ н - щільність зовнішнього повітря, кг / м 3.
Вітровий тиск P вітер, Па, в залежності від напрямку вітру на різних поверхнях будівлі буде різним, що в розрахунках враховується аеродинамічним коефіцієнтом С, що показує яку частку від динамічного тиску вітру становить статичний тиск на навітряному, бічних і подветренном фасадах.
Надмірне вітрове статичний тиск на будівлю пропорційно динамічному тиску вітру ρ н.v 2/2 при його швидкості v, М / с.
Швидкості вітру вимірюються на метеостанціях на висоті 10 м від землі на відкритій місцевості.
У забудові і по висоті швидкість вітру змінюється. Для обліку зміни швидкості вітру в різних типах місцевості і на різній висоті застосовується коефіцієнт k дин, Значення якого регламентовані СНиП 2.01.07-85 *. коефіцієнт k дин, Що враховує зміну вітрового тиску по висоті h, Там представлений в залежності від типу місцевості. Приймаються наступні типи місцевості:
А - відкриті узбережжя морів, озер і водосховищ, пустелі, степи, лісостепу, тундра;
В - міські території, лісові масиви та інші місцевості, рівномірно покриті перешкодами висотою більше 10 м;
С - міські райони з забудовою будинками заввишки більше 25 м.
Спорудження вважається розташованим в місцевості даного типу, якщо ця місцевість зберігається з навітряної сторони споруди на відстані 30h - при висоті споруди h до 60 м і 2 км - при більшій висоті.
Відповідно до вищесказаного вітрове тиск на кожному фасаді одно
(2.50)
де r н - щільність зовнішнього повітря, кг / м 3;
v - швидкість вітру, м / с;
c - аеродинамічний коефіцієнт на розрахунковому фасаді;
k дин - коефіцієнт обліку зміни швидкісного тиску вітру залежно від висоти будівлі, що приймається за.
За СНиП 2.01.07-85 * для більшості будівель величина аеродинамічного коефіцієнта на вітряної сторони дорівнює c н= 0,8, а на підвітряного - c з= - 0,6.
|
|
За умовний нуль тиску Р ум , Па, за пропозицією В.П. Титова приймається абсолютний тиск на підвітряного стороні будівлі на рівні найбільш віддаленого від поверхні землі елемента будівлі, через який можливий рух повітря (верхнє вікно підвітряного фасаду, витяжну шахту на покрівлі).
де c з - аеродинамічний коефіцієнт, що відповідає підвітряного стороні будівлі;
Н - висота будівлі або висота над землею верхнього елементу, через який можливий рух повітря, м.
Тоді повне надлишковий тиск Р н, Па, що формується в зовнішньому повітрі в точці на висоті h будівлі, визначається за формулою:
На рис.10 показані епюри гравітаційного Р гр, І вітрового Р вітер тисків і рівень, на якому прийнято умовний нуль тиску Р ум.
У кожному приміщенні створюється своє повне надлишковий внутрішній тиск, який складається з тиску, сформованого різним тиском на фасадах будівлі Р в, Па, та гравітаційного тиску Р гр, в, Па.
Так як в будівлі температура повітря всіх приміщень приблизно однакова, внутрішнє гравітаційне тиск залежить тільки від висоти центру приміщення h:
(2.54)
де r в - щільність внутрішнього повітря, кг / м 3.
Рис.10. Формування повітряних потоків в багатоповерховій будівлі з природною вентиляцією
Для простоти розрахунків внутрішнє гравітаційне тиск прийнято відносити до зовнішнього тиску зі знаком мінус
(2.55)
Цим за межі будівлі виноситься змінна гравітаційна складова, і тому повний тиск в кожному приміщенні стає постійним по його висоті.
Щільність повітря ρ, кг / м 3, може бути визначена по витікає з (2.33) формулою:
де t - температура повітря.
Величини внутрішнього повного надлишкового тиску P в для однаково орієнтованих приміщень одного поверху можуть відрізнятися в силу того, що для кожного приміщення формується своє значення внутрішнього тиску. Визначення внутрішніх тисків в приміщеннях є завданням повного розрахунку повітряного режиму будівлі, який досить трудомісткий. Але для спрощення розрахунку внутрішній тиск P в прийнято прирівнювати до тиску в сходовій клітці.
Існують спрощені методи розрахунку внутрішнього тиску в будівлі. Найбільш поширений розрахунок, справедливий для будівель з рівномірно розподіленими вікнами на фасадах, коли за умовно постійне внутрішній тиск у будівлі приймається полусумма вітрового і гравітаційного тиску за висловом
Другий, більш громіздкий спосіб розрахунку величини P в, Па, запропонований в, відрізняється від першого тим, що вітрове тиск усредняется по площах фасадів. Вираз для внутрішнього тиску при розгляді одного з фасадів в якості навітряного набирає вигляду:
гдеc н,c б,c з - аеродинамічні коефіцієнти на навітряному, бічному і подветренном фасадах;
A н, A б, A з - площі вікон і вітражів на навітряному, бічних і подветренном фасадах, м 2.
У розрахунках тепловтрат враховується, що кожен фасад може бути Навітряною. Слід звернути увагу на те, що величина внутрішнього тиску P в, Що приймається відповідно до (2.58), виходить різної для кожного фасаду. Ця різниця тим помітніше, чим більше відрізняється щільність вікон і вітражів на різних фасадах. Для будівель з рівномірним розподілом вікон по фасадах величина P в, Наближається до одержуваної по (2.57). Таким чином, використання формули (2.58) для розрахунку внутрішнього тиску виправдано у випадках, коли розподіл світлових прорізів по фасадах явно нерівномірно або коли розглядається будівля примикає до сусіднього, або один фасад або його частина не мають вікон зовсім.
Різниця зовнішнього і внутрішнього тиску по різні боки огорожі на навітряному фасаді на будь-якій висоті h з урахуванням формули (2.55) дорівнює:
різниця тисків ΔP для вікон одного фасаду різних поверхів буде відрізнятися тільки величиною гравітаційного тиску (перший доданок), що залежить від різниці Н-h відміток верхньої точки будинку, прийнятої за нуль відліку, і центру розглянутого вікна. На рис.13 показана картина розподілу потоків в будівлі зі збалансованою вентиляцією
2.3.3 Повітропроникність будівельних матеріалів
Будівельні матеріали в основній своїй масі є пористими тілами. Розміри і структура пір у різних матеріалів неоднакова, тому повітропроникність матеріалів в залежності від різниці тисків проявляється по-різному.
На рис.11 показана якісна картина залежності повітропроникності G від різниці тисків ? Р для будівельних матеріалів, наведена К.Ф. Фокіним.
Рис.11. Вплив пористості матеріалу на його воздухопроніцаемость.1 - матеріали з рівномірною пористістю (типу пінобетону); 2 - матеріали з порами різних розмірів (типу засипок); 3 - маловоздухопроніцаемие матеріали (типу деревини, цементних розчинів), 4 - вологі матеріали.
Прямолінійний ділянку від 0 до точки а на кривій 1 свідчить про ламинарном русі повітря по порах матеріалу з рівномірною пористістю при малих значеннях різниці тисків. Вище цієї точки на криволінійній ділянці відбувається турбулентний рух. У матеріалах з різними розмірами пор рух повітря турбулентному навіть при малій різниці тисків, що видно з кривизни лінії 2. У маловоздухороніцаемих матеріалах, навпаки, рух повітря по порам ламінарно і при досить великих різницях тиску, тому залежність G від ? Р лінійна при будь різниці тиску (лінія 3). У вологих матеріалах (крива 4) при малих ? Р, Менших певної мінімальної різниці тисків ? Р хв, Повітропроникність відсутня, і лише при перевищенні цієї величини, коли різниця тисків виявиться достатньою для подолання сил поверхневого натягу води, що міститься в порах матеріалу, виникає рух повітря. Чим вище вологість матеріалу, тим більше величина ? Р хв.
При ламінарному русі повітря в порах матеріалу справедлива залежність
де G - повітропроникність огорожі або шару матеріалу, кг / (м 2. ч);
i - коефіцієнт повітропроникності матеріалу, кг / (м. Па. Ч);
δ - товщина шару матеріалу, м.
Коефіцієнт повітропроникності матеріалу аналогічний коефіцієнту теплопровідності і показує ступінь повітропроникності матеріалу, чисельно рівну потоку повітря в кг, що проходить крізь 1 м 2 площі, перпендикулярної напрямку потоку, при градієнті тиску, рівному 1 Па / м.
Величини коефіцієнта повітропроникності для різних будівельних матеріалів відрізняються один від одного значно.
Наприклад, для мінеральної вати i ≈ 0,044 кг / (м. Па. Ч), для неавтоклавного пінобетону i ≈ 5,3.10 - 4 кг / (м. Па. Ч), для суцільного бетону i ≈ 5,1.10 - 6 кг / (м. Па. ч),
При турбулентному русі повітря у формулі (2.60) слід замінити ? Рна ? Р n. При цьому показник ступеня n змінюється в межах 0,5 - 1. Однак на практиці формула (2.60) застосовується і для турбулентного режиму течії повітря в порах матеріалу.
У сучасній нормативній літературі не застосовується поняття коефіцієнт повітропроникності. Матеріали і конструкції характеризуються опором воздухопроницаниюR і,кг / (м. ч). при різниці тисків по різні боки? Р про = 10 Па, яке при ламінарному русі повітря знаходиться за формулою:
де G - повітропроникність шару матеріалу або конструкції, кг / (м 2. ч).
Опір повітропроникності огороджень в своїй розмірності не містить розмірності потенціалу переносу повітря - тиску. Таке становище виникло через те, що в нормативних документах розподілом фактичної різниці тисків ΔP на нормативне значення тисків ΔP o = 10 Па, опір повітропроникності приводиться до різниці тисків ΔP o = 10 Па.
У наведені значення опору воздухопроницанию для шарів деяких матеріалів і конструкцій.
Для вікон, в нещільності яких рух повітря відбувається при змішаному режимі, опір повітропроникності , кг / (м. ч), визначається з виразу:
, (2.62)
Питання для самоконтролю
1. Що таке повітропроникність матеріалу і огорожі?
2. Що таке воздухопроницанию?
3. Що таке інфільтрація?
4. Що таке ексфільтрація?
5. Яка кількісна характеристика процесу воздухопроницанию названа повітропроникністю?
6. Через які два типи нещільності здійснюється фільтрація повітря в огорожах?
7. Які три види фільтрації існує, по термінології Р.Е. Брілінга?
8. Що є потенціалом воздухопроницанию?
9. Які дві природи формують різницю тисків на протилежних сторонах огорожі?
10. Що таке коефіцієнт повітропроникності матеріалу?
11. Що таке опір повітропроникності огороджувальної конструкції?
12. Напишіть формулу для визначення опору повітропроникності при ламінарному русі повітря через пори матеріалів конструкції.
13. Напишіть формулу для визначення опору повітропроникності вікна.
Теплопередача огороджувальних конструкцій - це складний процес, що включає конвекцію, теплопровідність і випромінювання. Всі вони відбуваються спільно при переважанні одного з них. Теплоізоляційні властивості конструкцій огорожі, які відображаються через опір теплопередачі, повинні відповідати чинним будівельним нормам.
Як відбувається теплообмін повітря з огороджувальними конструкціями
У будівництві задають нормативні вимоги до величини потоку тепла через стінку і через нього визначають її товщину. Одним з параметрів для його розрахунку служить температурний перепад зовні і всередині приміщення. За основу беруть найхолоднішу пору року. Іншим параметром є коефіцієнт теплопередачі К - кількість тепла, переданого за 1 с через площу 1 м 2, при різниці температури зовнішнього і внутрішнього середовища в 1 ºС. Величина До залежить від властивостей матеріалу. У міру його зниження зростають теплозахисні властивості стіни. Крім того, холод в приміщення буде проникати менше, якщо буде більше товщина огорожі.
Конвекція і випромінювання зовні і зсередини також впливають на витік тепла з будинку. Тому за батареями на стінах встановлюють відображають екрани з алюмінієвої фольги. Подібну захист роблять також всередині вентильованих фасадів зовні.
Теплопередача через стіни будинку
Зовнішні стіни складають максимальну частину площі будинку і через них енергетичні втрати досягають 35-45%. Будівельні матеріали, з яких виготовлені мають різну захист від холоду. Найменшою теплопровідністю володіє повітря. Тому пористі матеріали мають найнижчі значення коефіцієнтів теплопередачі. Наприклад, у будівельної цегли К = 0,81 Вт / (м 2 · о С), у бетону К = 2,04 Вт / (м 2 · о С), у фанери К = 0,18 Вт / (м 2 · о С), а у пінополістирольних плит К = 0,038 Вт / (м 2 · о С).
У розрахунках застосовують величину, зворотну коефіцієнту К, - опір теплопередачі огороджувальної конструкції. Воно є нормованою величиною і не повинно бути нижче певного заданого значення, оскільки від нього залежать витрати на опалення і умови перебування в приміщеннях.
На коефіцієнт К впливає вологість матеріалу огороджувальних конструкцій. У сирого матеріалу вода витісняє повітря з пор, а її теплопровідність вище в 20 разів. В результаті погіршуються теплозахисні властивості огорожі. волога цегляна стіна пропускає на 30% більше тепла в порівнянні з сухою. Тому фасад і дахи будинків намагаються облицьовувати матеріалами, на яких вода не утримується.
Втрати тепла через стіни і стики прорізів в значній мірі залежать від вітру. Несучі конструкції - повітропроникні, і повітря через них проходить зовні (інфільтрація) і зсередини (ексфільтрація).
.
1.1 Мета і завдання курсу.
1.2 предмет курсу.
1.3 Будівля як єдина енергетична система.
2. Тепловлагопередача через зовнішні огородження.
2.1 Основи теплопередачі в будівлі.
2.1.1 теплопровідність.
2.1.2 Конвекція.
2.1.3 випромінювання.
2.1.4 Термічний опір повітряного прошарку.
2.1.6 Теплопередача через багатошарову стінку.
2.1.7 Приведений опір теплопередачі.
2.1.8 Розподіл температури по перетину огорожі.
2.2 Вологісний режим огороджувальних конструкцій.
2.2.1 Причини появи вологи в огорожах.
2.2.2 Негативні наслідки зволоження зовнішніх огороджень.
2.2.3 Зв'язок вологи з будівельними матеріалами.
2.2.4 Вологе повітря.
2.2.5 Вологість матеріалу.
2.2.6 Сорбція і десорбція.
2.2.7 Паропроникність огорож.
2.3 Повітропроникність зовнішніх огороджень.
2.3.1 Основні положення.
2.3.2 Різниця тисків на зовнішній і внутрішній поверхні огороджень.
2.3.3 Повітропроникність будівельних матеріалів.
2.1.5 Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях.
Розглянемо стінку, яка відокремлює приміщення з температурою t в від зовнішнього середовища з температурою tн. Зовнішня поверхня шляхом конвекції обмінюється теплотою з зовнішнім повітрям, а променистою - з навколишніми поверхнями, що мають температуру tокр. н. Те ж саме і з внутрішньої сторони. Можна записати, що тепловий потік з щільністю q, Вт / м2, що проходить крізь стіну, дорівнює:
, (2.13)
де tокр. в і tокр. н - температура поверхонь, що оточують відповідно внутрішню і зовнішню площині розглянутої стінки, оС;
αк. в, αк. н - коефіцієнти конвективного тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях стінки, м2. оС / Вт;
αл. в, αл. н - коефіцієнти променевої тепловіддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях стінки, м2. оС / Вт.
В інженерних розрахунках прийнято тепловіддачу на поверхнях огороджувальних конструкцій не розділяти на променисту і конвективну складові. Вважається, що на внутрішній поверхні зовнішнього огородження в опалювальному приміщенні відбувається тепловоспріятіе, що оцінюється загальним коефіцієнтом αв, Вт / (м2. ° С), а на зовнішній поверхні - тепловіддача, інтенсивність якої визначається коефіцієнтом тепловіддачі αн, Вт / (м2. ° С). Крім того, прийнято вважати, що температура повітря та оточуючих поверхонь дорівнюють один одному, тобто tокр. в = t в, а tокр. н = tн. Тобто:
, (2.14)
Отже, приймається, що коефіцієнти тепловіддачі на зовнішній і внутрішній поверхнях огородження дорівнюють сумі коефіцієнтів променистого і конвективного теплообміну з кожного боку:
. (2.15)
Коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній або внутрішній поверхні по фізичному змісту - це щільність теплового потоку, що віддається відповідної поверхнею навколишнього її середовищі (або навпаки) при різниці температури поверхні і середовища в 1 ° С. Величини, зворотні коефіцієнтам тепловіддачі, прийнято називати опорами тепловіддачі на внутрішній Rв, м2. оС / Вт, і зовнішньої Rн, м2. оС / Вт, поверхнях огородження:
R
в = 1/
α
в ;
R
н =1/
α
н . (2.16)
А в окремих випадках кондиціонування повітря.
Пристрій системи центрального опалення забезпечує підтримку необхідних температур повітря в приміщеннях і підвищує рівень комфорту.
На сьогоднішній день неможливо уявити собі житло, не обладнаний системою опалення. Система опалення - неодмінна складова комфортного життя.
В данному курсовому проекті виконаний розрахунок системи опалення суспільного будинку . Огородження конструкції утеплені. Система опалення запроектована у відповідності з діючими СНіПами і ГОСТами, з урахуванням вимог закону про енергозбереження. Розроблено комерційний вузол обліку тепла, передбачена установка запірно-регулюючої арматури.
Визначення коефіцієнта теплопередачі огороджувальних конструкцій.
Визначення коефіцієнта теплопередачі зовнішньої стіни.
Початкові дані:
Район будівництва - м Володимир;
Розрахункова температура внутрішнього повітря tint = 16оС;
Вологісний режим приміщення - нормальний.
Зона вологості за додатком 1 * СниП II-3-79 * - волога, умови експлуатації за додатком 2 при нормальній вологості - параметр Б.
Конструкція стіни:
1. Цементно-піщаний розчин: δ1 = 0.02 м;
λ λ1 = 93Вт / м оС;
2. Мати мінераловатні: δ2 =? м; γ2 = 75 кг / м3; λ2 = 0,064, Вт / м оС;
3. Ніздрюватий бетон: δ3 = 0, 24; γ3 = 1000кг / м3; λ3 = 0.47, Вт / м оС;
4. Складний розчин: δ4 = 0,02 м; λ4 = 0.87 Вт / м оС.
Коефіцієнт теплопровідності, λ, визначається в залежності від щільності матеріалу, γ і від умови експлуатації (параметр Б, додаток 3 * СНиП II-3-79 *).
αint = 8,7 Вт / м2 ° C
αext = 23 Вт / м2 ° C
Послідовність розрахунку.
1. Визначення градусо-добу опалювального періоду:
Dd = (tint - tht) · Zht = (16 - (- 3,5)) · 213 = 4153,5 ° Cсут.
2. Визначення нормованого значення сопративления теплопередачі по таб. 4. СНиП:
Rreg = a · Dd + b = 0,0003 · 4153,5 + 1,6 = 2,8
3. Визначення загального термічного сопративления:
4. Виходячи з теплотехнічного умови, де R0 ≥ Rreg, прирівнюємо R0 до Rreg:
2,8 = м2 ° C / Вт
5. Визначення товщини шару, що утеплює:
δ2 = (2,8-0,71) · 0,064 = 0,133 м.
6. Визначення загального термічного опору з урахуванням δ2
7. Перевірка теплотехнічного умови: R0 ≥ Rreg.
2,9\u003e 2,8 =\u003e умова виконана.
8. Коефіцієнт теплопередачі горищного перекриття:
K = 
Визначення коефіцієнта теплопередачі безчердачною перекриття.
Конструкція перекриття:
1. 
4 шари руберойду: δ1 = 0.25 м; λ1 = 0.17 Вт / м оС;
2. цементна стяжка: Δ2 = 0.02 м; γ2 = 1800 кг / м3; λ 2 = 0,93 Вт / м оС;
3. Мінераловатні плити: δ3 =? м; γ3 = 200 кг / м3; λ3 = 0.076 Вт / м оС;
4. Цементна стяжка: δ4 = 0.02 м; γ4 = 1800 кг / м3; λ 4 = 0,93 Вт / м оС;
5. Залізобетонна плита: Δ5 = 0,22 м; γ5 = 2500 кг / м3; λ5 = 2,04 Вт / м оС.
Знаходимо дані для розрахунку:
tint = 16 оС;
text = - 28 оС;
zht= 213 діб;
tht = -3.5 ° С;
α int = 8,7 Вт / м2 оС; ,
α ext = 23 Вт / м2 оС;
Послідовність розрахунку:
1.Определяем градусо-добу опалювального періоду:
Dd = (tint - tht). zht = (16 - (- 3,5)) · 213 = 4153,5 ° Cсут.
2. По таблиці 1 * визначаємо необхідну термічний опір:
Rreq = a · Dd + b = 0,0003 · 4153,5 + 1,6 = 2,8 м2 оС / Вт
3. Визначаємо загальний термічний опір:
4. Виходячи з теплотехнічного умови, де Rо ≥ Rreq, прирівнюємо
5. Знаходимо товщину шару, що утеплює:
δ3 = (2,8 - 0,71) · 0,076 = 0,158м;
6. Визначаємо загальний термічний опір з урахуванням δ3:
;
7. Перевіряємо теплотехнічне умова: R0 ≥ Rreq
2,78 ≥ 2,8 =\u003e умова виконана;
8. Коефіцієнт теплопередачі:
.
Визначення коефіцієнта теплопередачі зовнішніх дверей.
1. Визначаємо необхідний термічний опір зовнішньої стіни за формулою:
2. Необхідне термічний опір зовнішніх дверей:
R0дв =0,6 · Rreq.ст.=0,6 · 2,8 = 1,68 м2 оС / Вт,
3. Коефіцієнт теплопередачі двері:
.
Результати розрахунків зводимо в таблицю 1.1.
Зведена таблиця коефіцієнтів теплопередачі огороджень.
Таблиця 1.1.
Найменування огорожі |
м2оС / Вт |
Вт / м2оС |
|
безчердачною перекриття | |||
Зовнішні двері | |||
Віконний отвір | |||
Пол на грунті I зона | |||
3.1.4 Вибір і обгрунтування прийнятої системи опалення.
Так як у нас виробниче двоповерхова будівля без підвального приміщення і без горища, вибираємо двотрубну систему опалення з нижнім розведенням. при двухтрубной системі опалення з нижнім розведенням відведення та магістралі проходять в підлозі або над підлогою поверху, а теплоносій надходить незалежно в кожен радіатор. Для видалення повітря з системи на верхніх радіаторах необхідно встановлювати крани для спуску повітря. До переваг цього типу розводки можна віднести хорошу регулювання системи, можливість відключення кожного нагрівального приладу, можливість підключення системи в міру будівництва будівлі, відсутність перевитрати опалювальних приладів, а також відсутність стояків і прямому трубопроводі.
3.1.5 Основні розрахункові формули для гідравлічного розрахунку системи опалення.
1) Розрахунковий циркуляційний тиск розраховується за формулою:
? Рр=100 · Lцк+ Б· 3 · hпов· nпов(tг-tпро);
Lцк - довжини циркуляційного кільця.
Б-поправочний коефіцієнт враховує значення природного циркуляційного тиску в період підтримки розрахункового гідравлічного тиску в системі. Приймається Б = 1 для насосних однотрубних систем і Б = 0.4- для двотрубних систем.
hет - висота поверху.
nет - кількість поверхів
2) Питомі втрати тиску від тертя на 1м труби визначаються за формулою:
;
3) Витрата води на ділянці визначається за формулою:
;
β1 і β2 - коефіцієнт обліку додаткового теплового потоку при округленні понад розрахункової величини.
4) Втрати тиску в основному циркуляційному кільці визначаються за формулою:
? Р = Σ (Rl + z);
Rl - сумарні втрати тиску на ділянці по довжині.
z - втрати тиску на місцеві опори.
5) Втрати тиску в основному циркуляційному кільці повинні бути менше розрахункового циркуляційного тиску на 15%
