Тепловіддачі зовнішньої поверхні, що захищає. Будівельна теплофізика

1. Введення

1.1 Мета та завдання курсу

1.2 Предмет курсу

1.3 Будівля як єдина енергетична система

2. Тепловлагопередача через зовнішні огорожі

2.1 Основи теплопередачі у 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 та зовнішній поверхнях

2.1.6 Теплопередача через багатошарову стінку

2.1.7 Наведений опір теплопередачі

2.1.8 Розподіл температури по перерізу огорожі

2.2 Вологий режим огороджувальних конструкцій

2.2.1 Причини появи вологи в огородженнях

2.2.2 Негативні наслідки зволоження зовнішніх огорож

2.2.3 Зв'язок вологи з будівельними матеріалами

2.2.4 Вологе повітря

2.2.5 Вологість матеріалу

2.2.6 Сорбція та десорбція

2.2.7 Паропроникність огорож

2.3 Повітропроникність зовнішніх огорож

2.3.1 Основні положення

2.3.2 Різниця тисків на зовнішній та внутрішній поверхні огорож

1. Введення

1.1 Мета та завдання курсу

Навчальний посібник "Лекції з будівельної теплофізики" призначений для студентів, які вивчають у рамках спеціальності "Теплогазопостачання та вентиляція" однойменну дисципліну. Зміст посібника відповідає програмі дисципліни і значною мірою орієнтовано курс лекцій, читаний в МДСУ. Мета курсу – за допомогою системного викладу сформувати підхід до фізичної сутності тепло-повітряного та вологого режимів будівлі як до основи вивчення технології забезпечення мікроклімату. До завдань дисципліни входить: формування загального уявлення про теплотехнічну роль зовнішньої оболонки будівлі та роботу інженерних систем, що забезпечують його мікроклімат, як про єдину енергетичну систему; навчання студента вмінню використовувати теоретичні положення та методи розрахунку у подальшій професійній роботі, тобто під час проектування та експлуатації систем забезпечення мікроклімату будівлі. В результаті освоєння дисципліни студент повинен знати поняття, що визначають тепловий, повітряний та вологий режими будівлі, включаючи кліматологічну та мікрокліматичну термінологію; закони передачі теплоти, вологи, повітря у матеріалах, конструкціях та елементах систем будівлі та величини, що визначають теплові та вологісні процеси; нормативи теплозахисту зовнішніх конструкцій, що захищають, нормування параметрів зовнішнього і внутрішнього середовища будівлі. Студент повинен вміти формулювати та вирішувати завдання передачі теплоти та маси у всіх елементах будівлі та демонструвати здатність та готовність вести перевірочний розрахунок захисних властивостей зовнішніх огорож, та розрахунок коефіцієнтів променистого та конвективного теплообміну на поверхнях, звернених до приміщення.

1.2 Предмет курсу

Будівельна теплофізикавивчаєпроцеси передачі теплоти, перенесення вологи, фільтрації повітря стосовно будівництва.

В основному будівельна теплофізика вивчає процеси, що відбуваються на поверхнях і в товщі конструкцій будівлі, що захищають. Причому, за традиційною традицією і для стислості, часто огороджувальні конструкції будівліназиваються просто огорожами. Причому значне місце у будівельній теплофізиці відведено зовнішнім огородженням, які відокремлюють опалювальні приміщення від зовнішнього середовища або від неопалюваних приміщень (неопалюваних техпідполій, підвалів, горищ, тамбурів тощо)

Незважаючи на те, що наука відноситься в основному до конструкцій будівлі, що захищають, для спеціалістів з опалення та вентиляції будівельна теплофізика дуже важлива. Справа в тому, що, по-перше, від теплотехнічних якостей зовнішніх огорож залежить тепловтрати будівлі, що впливають на потужність опалювальних системта витрати теплоти ними за опалювальний період. По-друге, вологий режим зовнішніх огорож впливає з їхньої теплозахист, отже, на потужність систем, які забезпечують заданий мікроклімат будівлі. По-третє, коефіцієнти теплообміну на внутрішній поверхні зовнішніх огорож відіграють роль не тільки в оцінці загального наведеного опору теплопередачі конструкції, але і в оцінці температури на внутрішній поверхні цієї огорожі. По-четверте, "щільні" вікна мають цілком певний опір повітропроникненню. І при "щільних" вікнах у малоповерхових будинках до 5 поверхів інфільтрацією в розрахунку тепловтрат можна знехтувати, а у більш високих на нижніх поверхах вона вже буде відчутною. По-п'яте, від повітряного режиму будівлі залежить не тільки наявність або відсутність інфільтрації, а й робота систем вентиляції, особливо природних. По-шосте, радіаційна температура внутрішніх поверхонь зовнішніх та внутрішніх огорож, найважливіша складова оцінки мікроклімату приміщень, в основному є похідною від теплозахисту будівлі. По-сьоме, теплостійкість огорож та приміщень впливає на сталість температури в приміщеннях при змінних теплових впливах на них, особливо в сучасних будівлях, в яких повітрообмін близький до мінімальної норми зовнішнього повітря.

У проектуванні та теплотехнічній оцінці зовнішніх огорож є ряд особливостей. Утеплення будівлі - дорога та відповідальна складова сучасного будівництва, тому важливо обґрунтовано приймати товщину утеплювача. Специфіка сьогоднішнього теплотехнічного розрахункузовнішніх огорож пов'язана:

по-перше, з вимогами, що підвищилися, до теплозахисту будівель;

по-друге, з необхідністю враховувати роль ефективних утеплювачів в конструкціях, що захищають, коефіцієнти теплопровідності яких настільки малі, що вимагають дуже акуратного відношення до підтвердження їх величин в експлуатаційних умовах;

по-третє, про те, що у огорожах з'явилися різні зв'язку, складні примикання одного огорожі до іншого, що знижують опір теплопередачі огорожі. Оцінка впливу різноманітних теплопровідних включень на теплозахист будівель вимагає опори на спеціальні докладні дослідження.

1.3 Будівля як єдина енергетична система

Сукупність всіх факторів та процесів (зовнішніх та внутрішніх впливів), що впливають на формування теплового мікроклімату приміщень, називається тепловим режимом будівлі.

Огородження не тільки захищають приміщення від зовнішнього середовища, але й обмінюються з ним теплом і вологою, пропускають повітря крізь себе як усередину, так і назовні. Завдання підтримки заданого теплового режиму приміщень будівлі (підтримання на необхідному рівні температури та вологості повітря, його рухливості, радіаційної температури приміщення) покладається на інженерні системиопалення, вентиляції та кондиціювання повітря. Однак визначення теплової потужності та режиму роботи цих систем неможливе без урахування впливу тепловологозахисних та теплоінерційних властивостей огорож. Тому система кондиціонування мікроклімату приміщень включає всі інженерні засоби, що забезпечують заданий мікроклімат обслуговуваних приміщень: огороджувальні конструкції будівлі та інженерні системи опалення, вентиляції та кондиціювання повітря. Таким чином, сучасна будівля – складна взаємопов'язана система тепломасообміну – єдина енергетична система.

Запитання для самоконтролю

1 Що вивчається у будівельній теплофізиці?

2. Що таке огородження?

3. Що таке зовнішня огорожа?

4. Чим важлива будівельна теплофізика для спеціаліста з опалення та вентиляції?

5. У чому специфіка теплотехнічного розрахунку сучасних будівель?

6. Що таке тепловий режим будівлі?

7. Яку роль відіграють конструкції в тепловому режимі будівлі?

8. Які параметри внутрішнього середовища підтримуються системами опалення та вентиляції?

9. Що таке система кондиціювання мікроклімату будівлі?

10. Чому будівля вважається єдиною енергетичною системою?

2. Тепловлагопередача через зовнішні огорожі

2.1 Основи теплопередачі у будівлі

Переміщення теплоти завжди походить від теплішого середовища до холоднішого. Процес перенесення теплоти з однієї точки простору до іншої за рахунок різниці температури називається теплопередачеюі є збірним, оскільки включає три елементарні види теплообміну: теплопровідність (кондукцію), конвекцію та випромінювання. Таким чином, потенціаломперенесення теплоти є різницю температури.

2.1.1 Теплопровідність

Теплопровідність- вид передачі теплоти між нерухомими частинками твердої, рідкої або газоподібної речовини. Таким чином, теплопровідність - це теплообмін між частинками або елементами структури матеріального середовища, що знаходяться у безпосередньому зіткненні один з одним. Під час вивчення теплопровідності речовина сприймається як суцільна маса, його молекулярне будова ігнорується. У чистому вигляді теплопровідність зустрічається тільки в твердих тілах, тому що в рідких та газоподібних середовищах практично неможливо забезпечити нерухомість речовини.

Більшість будівельних матеріалів є пористими тілами. У порах знаходиться повітря, що має можливість рухатися, тобто переносити тепло конвекцією. Вважається, що конвективної складової теплопровідності будівельних матеріалів можна знехтувати через її небагато. Усередині пори між поверхнями її стінок відбувається променистий теплообмін. Передача теплоти випромінюванням у порах матеріалів визначається головним чином розміром часу, тому що чим більше пори, тим більша різниця температури на її стінках. При розгляді теплопровідності властивості цього процесу відносять до загальної маси речовини: скелету і порам разом.

Огороджувальні конструкції будівлі, як правило, є плоско-паралельними стінками, Теплоперенесення в яких здійснюється в одному напрямку. Крім того, зазвичай при теплотехнічних розрахунках зовнішніх конструкцій, що захищають приймається, що теплопередача відбувається при стаціонарних теплових умов, тобто за постійності в часі всіх характеристик процесу: теплового потоку, температури в кожній точці, теплофізичних характеристик будівельних матеріалів. Тому важливо розглянути процес одномірної стаціонарної теплопровідності в однорідному матеріалі, який описується рівнянням Фур'є:

де q T - поверхнева щільність теплового потоку, що проходить через площину, перпендикулярну теплового потоку, Вт/м2;

λ - теплопровідність матеріалу, Вт/м. про З;

t- Температура, що змінюється вздовж осі x, оС;

Відношення носить назву градієнта температури, про С/м, і позначається gradt. Градієнт температури спрямований у бік зростання температури, яке пов'язане із поглинанням теплоти та зменшенням теплового потоку. Знак мінус, що стоїть у правій частині рівняння (2.1), показує, що збільшення теплового потоку не збігається із збільшенням температури.

Теплопровідність є однією з основних теплових характеристик матеріалу. Як випливає з рівняння (2.1) теплопровідність матеріалу - це міра провідності теплоти матеріалом, чисельно рівна тепловому потоку, що проходить крізь 1 м 2 площі, перпендикулярної напрямку потоку, при градієнті температури вздовж потоку, що дорівнює 1 про С/м (рис.1). Чим більше значенняλ, тим інтенсивнішим у такому матеріалі процес теплопровідності, більший тепловий потік. Тому теплоізоляційними матеріалами прийнято вважати матеріали із теплопровідністю менше 0,3 Вт/м. про З.

Ізотерми; - ------ - лінії струму теплоти.

Зміна теплопровідності будівельних матеріалів із зміною їх щільностівідбувається через те, що практично будь-який будівельний матеріал складається з скелета- основної будівельної речовини та повітря. К.Ф. Фокін для прикладу наводить такі дані: теплопровідність абсолютно щільної речовини (без пір) в залежності від природи має теплопровідність від 0,1 Вт/м про С (у пластмаси) до 14 Вт/м про С (у кристалічних речовин при потоці теплоти вздовж кристалічної поверхні), у той час як повітря має теплопровідність близько 0,026 Вт/м про С. Чим вище щільність матеріалу (менше пористість), тим більше значення його теплопровідності. Зрозуміло, легкі теплоізоляційні матеріали мають порівняно невелику щільність.

Відмінності в пористості та теплопровідності скелета призводить до відмінності в теплопровідності матеріалів, навіть при однаковій їх щільності. Наприклад, наступні матеріали (табл.1) при одній і тій же густині, ρ 0 =1800 кг/м 3 мають різні значеннятеплопровідності:

Таблиця 1.

Теплопровідність матеріалів з однаковою густиною 1800 кг/м 3 .

Матеріал	Теплопровідність, Вт/(м о С)
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, оскільки знижується вплив кондуктивної складової теплопровідності скелета матеріалу, але при цьому зростає вплив радіаційної складової. Тому зменшення щільності нижче деякого значення призводить до зростання теплопровідності. Тобто існує деяке значення густини, при якому теплопровідність має мінімальне значення. Існують оцінки того, що при 20 про З 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 та значними розмірами пір.

Теплопровідність матеріалу збільшується з підвищенням температури, за якої відбувається передача теплоти. Підвищення теплопровідності матеріалів пояснюється зростанням кінетичної енергії молекул скелета речовини. Збільшується також теплопровідність повітря в порах матеріалу, і інтенсивність передачі в них теплоти випромінюванням. У будівельній практиці залежність теплопровідності від температури великого значення не має. Власова:

λ про = λ t / (1+β . t), (2.2)

де про - теплопровідність матеріалу при 0 про С;

t - теплопровідність матеріалу при t про З;

β - температурний коефіцієнт зміни теплопровідності, 1/ про З, для різних матеріалів, рівний близько 0,0025 1/ про З;

t - температура матеріалу, при якій його коефіцієнт теплопровідності дорівнює t .

Для плоскої однорідної стінки товщиною (рис.2) тепловий потік, що передається теплопровідністю через однорідну стінку, може бути виражений рівнянням:

де τ 1 ,τ 2- Значення температури на поверхнях стінки, про С.

З виразу (2.3) слід, що розподіл температури товщиною стінки лінійне. Величина δ/λ названа термічним опором матеріального шаруі позначено R Т, м 2. про С/Вт:

Рис.2. Розподіл температури в однорідній плоскій стінці

Отже, тепловий потік q Т, Вт/м 2 через однорідну плоскопаралельну стінку товщиною δ , м з матеріалу з теплопровідністю λ, Вт/м. про З, можна записати у вигляді

Термічний опір шару - це опір теплопровідності, що дорівнює 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 конструкцій будівлі, що захищають.

2.1.2 Конвекція

Конвекція- перенесення теплоти частинками речовини, що рухаються. Конвекція має місце тільки в рідких та газоподібних речовинах, а також між рідким або газоподібним середовищем та поверхнею твердого тіла. При цьому відбувається передача теплоти та теплопровідністю. Спільний вплив конвекції та теплопровідності у прикордонній області біля поверхні називають конвективним теплообміном.

Конвекція має місце на зовнішній та внутрішній поверхнях огорож будівлі. У теплообміні внутрішніх поверхонь приміщення конвекція відіграє важливу роль. При різних значеннях температури поверхні та прилеглого до неї повітря відбувається перехід теплоти у бік меншої температури. Тепловий потік, що передається конвекцією, залежить від режиму руху рідини або газу, що омивають поверхню, від температури, щільності і в'язкості навколишнього середовища, від шорсткості поверхні, від різниці між температурами поверхні і її середовища.

Процес теплообміну між поверхнею та газом (або рідиною) протікає по-різному залежно від природи руху газу. Розрізняють природну та вимушену конвекцію.У першому випадку рух газу відбувається за рахунок різниці температури поверхні та газу, у другому - за рахунок зовнішніх для даного процесу сил (роботи вентиляторів, вітру).

Вимушена конвекція у випадку може супроводжуватися процесом природної конвекції, але оскільки інтенсивність вимушеної конвекції помітно перевищує інтенсивність природної, то при розгляді вимушеної природної конвекції часто нехтують.

Надалі розглядатимуться лише стаціонарні процеси конвективного теплообміну, що передбачають сталість у часі швидкості та температури у будь-якій точці повітря. Але оскільки температура елементів приміщення змінюється досить повільно, отримані для стаціонарних умов залежності можуть бути поширені і на процес нестаціонарного теплового режиму приміщення, при якому в кожний момент, що розглядається, процес конвективного теплообміну на внутрішніх поверхнях огорож 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 рециркуляційного апарату нагрівання приміщення (фанкойл 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 за можливі неточності від відсутності корекції теплового потоку протягом перехідного стану.

Для інженерної практики розрахунків для опалення та вентиляції важливим є конвективний теплообмін між поверхнею огороджувальної конструкції або труби та повітрям (або рідиною). У практичних розрахунках з метою оцінки конвективного теплового потоку (рис.3) застосовують рівняння Ньютона:

, (2.6)

де q до- тепловий потік, Вт, що передається конвекцією від навколишнього середовища до поверхні або навпаки;

t a- температура повітря, що омиває поверхню стінки, про З;

τ - температура поверхні стінки, про;

α до- Коефіцієнт конвективної тепловіддачі на поверхні стінки, Вт/м 2. про С.

Рис.3 Конвективний теплообмін стінки з повітрям

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, a до- фізична величина, чисельно рівна кількості теплоти, що передається від повітря до поверхні твердого тіла шляхом конвективного теплообміну при різниці між температурою повітря та температурою поверхні тіла, що дорівнює 1 про С.

При такому підході вся складність фізичного процесу конвективного перенесення теплоти полягає в коефіцієнті тепловіддачі, a до. Природно, що величина цього коефіцієнта є багато аргументів. Для практичного використання приймаються дуже наближені значення a до.

Рівняння (2.5) зручно переписати у вигляді:

де R до - опір конвективної тепловіддачіна поверхні огороджувальної конструкції, м 2. про С/Вт, що дорівнює різниці температури на поверхні огорожі та температури повітря при проходженні теплового потоку з поверхневою щільністю 1 Вт/м 2 від поверхні до повітря або навпаки. Опір R доє величиною зворотної коефіцієнту конвективної тепловіддачі a до:

2.1.3 Випромінювання

Випромінювання (променистий теплообмін) - перенесення теплоти з поверхні на поверхню через променепрозоре середовище електромагнітними хвилями, що трансформуються в теплоту (рис.4).

Рис.4. Променистий теплообмін між двома поверхнями

Будь-яке фізичне тіло, що має відмінну температуру 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 до приміщення, між зовнішніми поверхнями різних будівель, поверхнями землі та піднебіння. Важливим є променистий теплообмін між внутрішніми поверхнями огорож приміщення та поверхнею опалювального приладу. У всіх цих випадках променепрозорим середовищем, що 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 у променистому теплообміні:

, (2.9)

де 1 і 2 - значення температури поверхонь, що обмінюються променистою теплотою, про С;

α л - коефіцієнт променистої тепловіддачі на поверхні стінки, Вт/м2.

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, a л- фізична величина, чисельно рівна кількості теплоти, що передається від однієї поверхні до іншої шляхом випромінювання при різниці між температурою поверхонь, що дорівнює 1 про С.

Введемо поняття опору променистої тепловіддачі R лна поверхні огороджувальної конструкції, м 2. про С/Вт, що дорівнює різниці температури на поверхнях огорож, що обмінюються променистою 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 лє величиною зворотної коефіцієнту променистої тепловіддачі a л:

2.1.4 Термічний опір повітряного прошарку

Для внесення однаковості опір теплопередачі замкнутих повітряних прошарків, розташованих між шарами огороджувальної конструкції, називають термічним опором R ст. п, м 2. про С/Вт.

Схема передачі теплоти через повітряний прошарок представлена ​​на рис.5.

Рис.5. Теплообмін у повітряному прошарку

Тепловий потік, що проходить через повітряний прошарок q ст. 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 ст. п =q т +q до +q л . (2.12)

При цьому частка потоку, що передається випромінюванням, найбільша. Розглянемо замкнутий вертикальний повітряний прошарок, на поверхнях якого різниця температури становить 5 про 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, що передається 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 нормативні документинаводяться дані про термічні опори замкнутих повітряних прошарків, які у 50-х роках ХХ століття було складено К.Ф. Фокіна за результатами експериментів М.А. Міхєєва. За наявності на одній або обох поверхнях повітряного прошарку тепловідбивної алюмінієвої фольги, що утруднює променистий теплообмін між поверхнями, що обрамляють повітряний прошарок, термічний опір слід збільшити вдвічі. Для збільшення термічного опору замкнутими повітряними прошарками рекомендується мати на увазі такі висновки з досліджень:

1) ефективними у теплотехнічному відношенні є прошарки невеликої товщини;

2) раціональніше робити в огорожі кілька прошарків малої товщини, ніж одну велику;

3) повітряні прошарки бажано розташовувати ближче до зовнішньої поверхніогородження, тому що при цьому в зимовий часзменшується тепловий потік випромінюванням;

4) вертикальні прошарки у зовнішніх стінах необхідно перегороджувати горизонтальними діафрагмами на рівні міжповерхових перекриттів;

5) для скорочення теплового потоку, що передається випромінюванням, можна одну з поверхонь прошарку покривати алюмінієвою фольгою, що має коефіцієнт випромінювання ε=0,05. Покриття фольгою обох поверхонь повітряного прошарку практично не зменшує передачі теплоти в порівнянні з покриттям однієї поверхні.

Запитання для самоконтролю

1. Що потенціал 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, що передається теплопровідністю в багатошаровій стінці при відомих температурах внутрішньої t і зовнішньої t н поверхонь.

7. Що таке термічний опір?

8. Що таке конвекція?

9. Напишіть формулу теплового потоку, який передається конвекцією від повітря до поверхні.

10. Фізичний зміст коефіцієнта конвективної тепловіддачі.

11. Що таке випромінювання?

12. Напишіть формулу теплового потоку, що передається випромінюванням від поверхні до іншої.

13. Фізичний зміст коефіцієнта променистої тепловіддачі.

14. Як називається опір теплопередачі замкнутого повітряного прошарку в огороджувальній конструкції?

15. З теплових потоків якої природи складається загальний тепловий потік через повітряний прошарок?

16. Який природи тепловий потік переважає в тепловому потоці через повітряний прошарок?

17. Як впливає товщина повітряного прошарку на розподіл потоків у ньому.

18. Як зменшити тепловий потік через повітряний прошарок?

2.1.5 Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній та зовнішній поверхнях

Розглянемо стінку, що відокремлює приміщення з температурою t від зовнішнього середовища з температурою t н. Зовнішня поверхня шляхом конвекції обмінюється теплом із зовнішнім повітрям, а променистою - з навколишніми поверхнями, що мають температуру t окр. н. Те саме і з внутрішньої сторони. Можна записати, що тепловий потік із щільністю q, Вт/м 2 , що проходить крізь стіну, дорівнює

де t окр. ві t окр. н- температура поверхонь, що оточують відповідно внутрішню і зовнішню площини стіни, що розглядається, про С;

α к. в, α к. н - коефіцієнти конвективної тепловіддачі на внутрішній та зовнішній поверхнях стінки, м 2. про С/Вт;

α л. в, α л. н - коефіцієнти променистої тепловіддачі на внутрішній та зовнішній поверхнях стінки, м 2. про С/Вт.

В інженерних розрахунках прийнято тепловіддачу на поверхнях конструкцій, що захищають, не розділяти на променисту і конвективну складові. Вважається, що на внутрішній поверхні зовнішньої огорожі в опалювальному приміщенні відбувається теплосприйняття, що оцінюється загальним коефіцієнтом в, Вт/(м 2. про С), а на зовнішній поверхні - тепловіддача, інтенсивність якої визначається коефіцієнтом тепловіддачі н, Вт/ (м 2 .про С). Крім того, прийнято вважати, що температура повітря та навколишніх поверхонь рівні один одному, тобто t окр. в = t в, а t окр. н = t н.Тобто

Отже, приймається, що коефіцієнти тепловіддачі на зовнішній та внутрішній поверхняхогородження рівні сумі коефіцієнтів променистого та конвективного теплообміну з кожного боку:

Коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній або внутрішній поверхні за фізичним змістом - це щільність теплового потоку, що віддається відповідною поверхнею навколишньому середовищу (або навпаки) при різниці температури поверхні і середовища в 1 про С. Величини, зворотні коефіцієнтам тепловіддачі, прийнято називати опорами тепловіддачі на внутрішнійR в, м 2. про С/Вт і зовнішньоїR н, м 2. про С/Вт, поверхні огорожі:

R = 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/м2 (Рис.6).

Цей тепловий потік рухається від середовища з температурою t в, про З, до середовища з температурою t н, про, проходячи послідовно від внутрішнього середовища до внутрішньої поверхні з температурою τ, про:

q= (1/R в). (t - τ в), (2.17)

потім від внутрішньої поверхні крізь перший шар із термічним опором R Т,1до стику першого та другого шарів:

q= (1/R Т,1). (τ в -t 1) , (2.18)

після цього через всі інші шари

q= (1/R Т, i). (t i -1 -t i) , (2.19)

і, нарешті, від зовнішньої поверхні із температурою τ ндо 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. про С/Вт;

R в,R н- опору теплообміну на внутрішній та зовнішній поверхнях, м 2. про С/Вт;

t i -1 - температура, С, на стику шарів з номерами i-1і i;

t i- температура, С, на стику шарів з номерами iі i+1.

Рис.6. Розподіл температури при теплопередачі через багатошарову стіну

Переписавши (2.16) - (2.19) щодо різниць температури та склавши їх, отримаємо 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 у дужках - сума термічних опорів плоскопаралельних послідовно розташованих по ходу теплового потоку шарів огородження та опорів теплообміну на його поверхнях називається загальним опором теплопередачі огорожі R o, м 2. про 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. про С/Вт:

R Т =R Т,1 +R Т,2 +…+R ст. п+…. +R Т,n, (2.23)

де R Т,1,R Т,2 ,…,R Т,n- термічні опори окремих плоскопаралельних послідовно розташованих по ходу теплового потоку шарів шарів огороджувальної конструкції, м 2. про С/Вт, що визначаються за формулою (2.4);

R ст. п- термічний опір замкнутого повітряного прошарку, м 2. про С/Вт, за п.2.1.4

За фізичним змістом загальний опір теплопередачі огорожі R o- це різниця температури середовищ по різні сторони огородження, яка формує тепловий потік, що проходить через нього, щільністю 1 Вт/м 2 , в той час як термічний опір багатошарової конструкції- різницю температури зовнішньої і внутрішньої поверхонь огорожі, яка формує тепловий потік, що проходить через нього, щільністю 1 Вт/м 2, З (2.22) слід, 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 про). (t в -t н), (2.24)

2.1.7 Наведений опір теплопередачі

При виведенні загального опору теплопередачі розглядалося плоско-паралельне огородження. А поверхні більшості сучасних конструкцій, що захищають, не є ізотермічними, тобто температура на різних ділянках зовнішньої і внутрішньої поверхонь конструкції не є однаковими через наявність різних теплопровідних включень, що є в конструкції/

Тому введено поняття наведеного опору теплопередачі огороджувальної конструкції,яким називається опір теплопередачі одношарової огороджувальної конструкції тієї ж площі, через яку проходить однаковий з реальною конструкцією потік теплоти за однакової різниці між температурою внутрішнього і зовнішнього повітря. Важливо відзначити, що наведений опір теплопередачі відноситься до всієї конструкції або її ділянки, а не до майданчика 1 м 2 . Це відбувається тому, що теплопровідні включення можуть бути обумовлені не тільки регулярно покладеними зв'язками, але і досить великими елементами кріплення фасадів до колон, і самими колонами, що врізаються в стіну, і примиканням одних огорож до інших.

Тому наведений опір теплопередачі конструкції (або ділянки конструкції) може бути визначений виразом:

де Q- потік теплоти, що проходить через конструкцію (або ділянку конструкції), Вт;

A- Площа конструкції (або ділянки конструкції), м2.

Вираз є за своїм змістом усередненою площею (або приведеною до одиниці площі) щільністю потоку теплоти через конструкцію, тобто можна записати:

З (2.24) та (2.25) випливає:

Огороджувальні конструкції із застосуванням ефективних теплоізоляційних матеріалів виконуються таким чином, що шар теплоізоляційного матеріалузакриває, наскільки можливо, велику площу конструкції. Переріз теплопровідних включень виконують наскільки можливо малими. Отже, можна виділити ділянку конструкції, віддалену від теплопровідних включень. Якщо знехтувати впливом теплопровідних включень на цій ділянці, його теплозахисні властивості можна характеризувати за допомогою умовного опору теплопередачі, визначеного формулою (2.22) Відношення значення наведеного опору теплопередачі конструкції до значення умовного опору теплопередачі розглянутої ділянки називається коефіцієнтом теплотехнічної однорідності:

Величина коефіцієнта теплотехнічної однорідності оцінює, наскільки повно використовуються можливості теплоізоляційного матеріалу, чи інакше - який вплив теплопровідних включень.

Цей коефіцієнт майже завжди менше одиниці.

Рівність його одиниці означає, що теплопровідні включення відсутні, можливості застосування шару теплоізоляційного матеріалу використовуються максимально. Але таких конструкцій практично немає.

Коефіцієнт теплотехнічної однорідності визначається прямим розрахунком багатовимірного температурного поля конструкції або спрощено , а випадку стрижневих зв'язків по .

Величина, зворотна наведеному опору теплопередачі, названа коефіцієнтом теплопередачі огороджувальної конструкції, Вт/м 2. про З:

Коефіцієнт теплопередачі огорожі Додорівнює щільності теплового потоку, що проходить крізь огородження, при різниці температури середовищ по різні боки від нього в 1 про С. Отже, тепловий потік q, Вт/м 2 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 перерізу огорожі

Важливим практичним завданням є розрахунок розподілу температури за перерізом огородження (рис.7). З диференціального рівняння (2.1) випливає, що воно лінійне щодо опору теплопередачі, тому можна записати температуру t xу будь-якому перерізі огорожі:

, (2.31)

де R х-ві R х-н- опору теплопередачі відповідно від внутрішнього повітря до точки х та від зовнішнього повітря до точки х, м 2. про С/Вт.

Рис.7. розподіл температури у багатошаровій стінці. а) у масштабі товщин шарів, б) у масштабі термічних опорів

Однак вираз (2.30) відноситься до огорожі без обурення теплового потоку. Для реального огородження, що характеризується наведеним опором теплопередачі при розрахунку розподілу температури за перерізом огородження, треба враховувати зменшення опорів теплопередачі. R х-ві R х-нза допомогою коефіцієнта теплотехнічної однорідності:

Запитання для самоконтролю

1. Що таке (фізичне значення) коефіцієнт тепловіддачі на поверхні?

2. З чого складається коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні огорожі?

3. З чого складається коефіцієнт тепловіддачі на внутрішній поверхні огорожі?

4. З чого складається термічний опір багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопаралельними шарами по ходу теплового потоку.

5. З чого складається загальний опір теплопередачі багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопаралельними шарами по ходу теплового потоку. Напишіть формулу загального опору теплопередачі.

6. Фізичний зміст термічного опору багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопаралельними шарами по ходу теплового потоку.

7. Фізичний зміст загального опору теплопередачі багатошарової огороджувальної конструкції з плоскопаралельними шарами по ходу теплового потоку.

8. Фізичний зміст наведеного опору теплопередачі огороджувальної конструкції.

9. Що таке умовний опір теплопередачі огороджувальної конструкції.

10. Що таке коефіцієнт теплотехнічної однорідності огороджувальної конструкції?

11. Що таке коефіцієнт теплопередачі огороджувальної конструкції?

12. Напишіть формулу теплового потоку, що передається за рахунок теплопередачі від внутрішнього середовища з температурою t до зовнішньої з температурою t н через багатошарову стінку.

13. Накресліть якісну картинку розподілу температури у двошаровій стінці при відомих температурах навколишніх середовищ t і t н, якщо λ 1 >λ 2 .

14. Накресліть якісну картинку розподілу температури у двошаровій стінці при відомих температурах навколишніх середовищ t і t н, якщо λ 1

15. Напишіть формулу для визначення температури внутрішньої поверхні двошарової стінки 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 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 і t н, товщинах шарів 1 і 2 , коефіцієнтах теплопровідності 1 і 2 .

18. Напишіть формулу для визначення температури t x у будь-якому перерізі багатошарової стінки при відомих температурах середовищ t і t н, товщинах шарів, коефіцієнтах теплопровідності.

2.2 Вологий 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 негативно позначається на гігієнічних та експлуатаційних показниках будівель.

2.2.1 Причини появи вологи в огородженнях

Шляхи попадання вологи в огородження різні, а заходи щодо зниження вологості будівельних матеріалів у них залежить від причини зволоження. Ці причини такі.

Будівельна (початкова) вологатобто волога, що залишилася в огорожі після зведення будівлі. Ряд будівельних процесів є "мокрими", наприклад, бетонування, кладка з цегли та штучних блоків: ніздрюватобетонних, керамзитобетонних та інших, оштукатурювання. Для скорочення тривалості мокрих будівельних процесів у зимових умовах застосовуються сухі процеси. Наприклад, у внутрішніх шарах зовнішніх стін поверхової розрізки ставляться пазогребневі гіпсові гідрофобізовані панелі. Звичайна внутрішня штукатурказамінюється гіпсокартонними листами.

Будівельна волога має бути видалена з огорож у перші 2 - 3 роки експлуатації будівлі. Тому дуже важливо, щоб у ньому добре працювали системи опалення та вентиляції, на які ляже додаткове навантаження, пов'язане з випаровуванням води.

Грунтова волога, та волога, яка може проникнути в огорожу із ґрунту шляхом капілярного всмоктування. Для запобігання попаданню ґрунтової вологи в огородження будівельниками встановлюються гідроізолюючі та пароізолюючі шари. Якщо шар гідроізоляції пошкоджений, ґрунтова волога може підніматися по капілярах у будівельних матеріалах стіни висоти 2 - 2,5 м над землею.

Атмосферна вологаяка може проникати в огорожу при косому дощі, при протіканнях дахів в районі карнизів, несправності зовнішніх водостоків. Найбільш сильний вплив дощової вологи спостерігається при повній хмарності з тривалими дощами з вітром, з високою вологістю зовнішнього повітря. Для запобігання влученню вологи всередину стіни від змоченої зовнішньої поверхні застосовуються спеціальні фактурні шари, що погано пропускають рідку фазу вологи. Звертається увага на герметизацію стиків стінових панелей при великопанельному домобудуванні, на герметизацію периметрів вікон та інших отворів.

Експлуатаційна вологапотрапляє в захист від внутрішніх джерел: при виробничих процесах, пов'язаних із застосуванням або виділенням води, при мокрому прибиранні приміщень, при проривах водопровідних і каналізаційних мереж. При регулярному використанні води в приміщенні роблять водонепроникні підлоги та стіни. При аваріях необхідно якнайшвидше видалити вологу з конструкцій, що захищають.

Гігроскопічна вологаперебуває усередині огорожі внаслідок гігроскопічності його матеріалів. Гігроскопічність – це властивість матеріалу поглинати (сорбувати) вологу з повітря. За тривалого перебування будівельного виробуу повітрі з постійними температурою та відносною вологістю, кількість вологи, що міститься в матеріалі, стає незмінною (рівноважною). Ця рівновага вологовмісту відповідає гігротермічному стану зовнішнього 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 гігроскопічною огорожею. У той же час застосування гігроскопічних штукатурок (вапняних) практикується в місцях з періодичним перебуванням людей, наприклад, у церквах. Про такі стіни, що вбирають вологу при зволоженні повітря і віддають її при зниженні вологості повітря, кажуть, що вони "дихають".

Пароподібна волога, що знаходиться в повітрі, що заповнює пори будівельних матеріалів. За несприятливих умов волога може конденсуватися всередині огорож. Щоб уникнути негативних наслідків конденсації вологи всередині огородження, воно повинно бути грамотно сконструйовано, щоб зменшити ризик випадання конденсату і створити умови для повного висихання вологи, що сконденсували за зиму, влітку.

Сконденсована вологана внутрішніх поверхнях огорож при високій вологості внутрішнього повітря та температурі внутрішньої поверхні огорожі нижче точки роси. Заходи боротьби з зволоженням внутрішньої поверхні огорож пов'язані з вентиляцією приміщень, що знижує вологість внутрішнього повітря, і з утепленням конструкцій, що огороджують, що виключає зниження температури, як на гладі поверхні огорожі, так і в місцях теплопровідних включень.

2.2.2 Негативні наслідки зволоження зовнішніх огорож

Відомо, що з підвищенням вологості матеріалів погіршуються теплотехнічні якостіогородження за рахунок збільшення коефіцієнта теплопровідності матеріалів, що призводить до збільшення тепловтрат будівлі та 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 про З, 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 та капіляри, вплив яких на теплопровідність матеріалу більший, ніж вплив великих пір. Ще різкіше зростає коефіцієнт теплопровідності, якщо вологий матеріал промерзає, оскільки лід має теплопровідність 2,3 Вт/м про З, що у 80 разів більше, ніж в повітря. Встановити загальну математичну залежність теплопровідності матеріалу від його вологості для всіх будівельних матеріалів неможливо, оскільки на неї великий вплив має форма та розташування пір. Зволоження будівельних конструкційпризводить до зниження їх теплозахисних якостей, що призводить до збільшення коефіцієнта теплопровідності вологого матеріалу.

На внутрішніх поверхнях огородження з мокрими шарами формується більше низька температура, ніж із сухими, що створює у приміщенні несприятливу радіаційну обстановку. Якщо температура на поверхні огорожі виявиться нижчою від точки роси, то на цій поверхні може випадати конденсат. Вологий будівельний матеріал неприйнятний, оскільки є сприятливим середовищем для розвитку в ньому грибів, плісняви ​​та інших мікроорганізмів, суперечки та дрібні частки яких викликають у людей алергію та інші захворювання. Таким чином, зволоження будівельних конструкцій погіршує гігієнічні якостіогорожі.

Чим більша вологість матеріалу, тим менш морозостійкий матеріал, а отже, недовговічний. Вода, що замерзає в порах матеріалів і на стиках шарів, розриває ці пори, так як при перетворенні на лід вода розширюється. Деформація виникає також у огорож, схильних до зволоження, але виконаних з невологостійких матеріалів, таких як фанера, гіпс. Тому застосування невологостійких матеріалів у зовнішніх огородженнях обмежене. Отже, зволоження будівельних матеріалів може мати негативні наслідки для технічних якостейогорожі.

2.2.3 Зв'язок вологи з будівельними матеріалами

За характером своєї взаємодії з водою тверді тіла поділяються на змочуються (гідрофільні)і незмочуються (гідрофобні).До гідрофільних будівельних матеріалів відносяться бетони, гіпс, що в'яжуть на водній основі. До гідрофобних - бітуми, смоли, мінеральні вати на незмочувальних в'яжучих. Гідрофільні матеріали активно взаємодіють з водою, а обмежено змочуються і незмочуються - менш активно.

Фактором, що значно впливає на характер взаємодії матеріалу з вологою, що знаходиться в повітрі, або при безпосередньому контакті з водою є капілярно-пориста структураБільшість будівельних матеріалів. При взаємодії з вологою можуть змінюватися фізико-механічні та теплотехнічні властивостібудівельних матеріалів.

Для правильного розуміння шляхів руху вологи в конструкціях, що захищають, і методів запобігання несприятливим процесам або їх наслідкам необхідно знати форми зв'язку вологи з будівельними матеріалами.

Обґрунтовану систему енергетичної класифікації зв'язку вологи з матеріалом розроблено академіком П.А. Ребіндером. За природою енергії зв'язування вологи з речовиною та величиною енергетичного рівня розрізняються три види цього зв'язку.

Хімічна форма зв'язкувологи з матеріалом найміцніша, тому що волога в цьому випадку необхідна для хімічних реакцій. Така волога входить до складу структурних ґрат матеріалів типу кристалогідратів і не бере участі у вологообмінних процесах. Тому при розгляді процесів влагопередачі через огородження її можна не враховувати.

Фізико-хімічний зв'язоквологи з будівельними матеріалами проявляється в адсорбуванні на внутрішній поверхні пор та 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, що складають плівку води, що утримується капілярними силами. Для видалення мономолекулярної і частково полімолекулярної вологи мало сил природного сушіння в нормальних природних умовта умовах приміщень. До фізико-хімічної форми зв'язку відносять також осмотично (структурно) пов'язану вологу рослинних клітинах органічних матеріалів рослинного походження. Ця волога може бути видалена шляхом природного сушіння.

Фізико-механічний зв'язоквизначає утримання вологи в порах та капілярах силами капілярного тиску та змочування гідрофільних матеріалів. Ця волога переміщається всередині матеріалу при виникненні тисків, що перевищують капілярне та випаровується з поверхневих шарів конструкцій у процесі природного сушіння. Найбільшу фізико-механічну міцність має зв'язок води з мікрокапілярами.

2.2.4 Вологе повітря

Атмосферне повітря, що складається з кисню, азоту, вуглекислого газу та 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 вважатимуться, що вологе повітря підпорядковується всім законам суміші ідеальних газів. Кожен газ, у тому числі і пара, що входить до складу суміші, займає той самий обсяг, що і вся суміш.

Пара 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- Об'єм, займаний сумішшю газів, м 3 ;

μ i- молекулярна вага газу, кг/моль. Для водяної пари μ п = 18,01528 кг/кмоль.

За законом Дальтона сума парціальних тисків газових компонентів суміші дорівнює повного тиску суміші. Вологе повітря прийнято розглядати як бінарну суміш, що складається з водяної пари та сухої частини атмосферного повітря, ефективна молекулярна вага якого дорівнює μ ≈ 29 кг/моль. Барометричний тиск вологого повітряР б, Па, складається з парціального тиску сухого повітря е св, Па, і парціального тиску пара е п, Па:

Парціальний тиск водяної пари називають також пружністю водяної пари.

Для характеристики міри зволоження повітря користуються поняттям відносної вологості повітряφ в, яка показує ступінь насиченості повітря водяною парою у% або частках одиниці повного насичення при однакових температурі та тиску.

При відносній вологості 100% повітря повністю насичене водяною парою і називається насиченим. Парціальний тиск насиченої водяної пари називають також тиском насиченняповітря водяною парою або максимальною пружністю водяної париі позначають Е. Величина відносної вологості φ дорівнює відношенню парціального тиску водяної пари е п у ​​вологому повітрі при певних атмосферному тиску і температурі до тиску насичення Е за тих же умов:

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 наводять у спеціальних таблицях. Крім того, є ряд формул, що апроксимують залежність Е від температури. Наприклад, формули, що наводяться в :

над поверхнею льоду при температурі від - 60 о С до 0 о С

, (2.38)

над поверхнею чистої води при температурі від 0°С до 83°С

, (2.39)

Нормальним перебування людини гігієністами вважається діапазон відносної вологості від 30% до 60%. При відносній вологості повітря вище 60% випаровування вологи зі шкіри людини утруднене і його самопочуття погіршується. При більш низькій відносній вологості повітря, ніж 30% випаровування з поверхні шкіри та слизових оболонок людини посилюється, що викликає сухість шкіри, першіння у горлі, що сприяють простудним захворюванням.

При підвищенні температури повітря заданої абсолютної вологостійого відносна вологістьзнижується, оскільки відповідно до формули (2.36) величина парціального тиску водяної пари залишиться без зміни, а тиск насичення зросте через підвищення 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 дорівнює Е, відносна вологість повітря стане рівною 100%, тобто повітря досягне повного насичення водяною парою. Температура t р, про З, за якої повітря з певною абсолютною вологістю перебуває у стані повного насичення, називається точкою роси.Якщо повітря охолоджуватиметься нижче точки роси, частина вологи почне конденсуватися з повітря. Повітря при цьому залишатиметься насиченою водяною парою, а тиск насичення повітря Е відповідно досягнутої температури знижуватиметься. Причому температура повітря в кожен момент часу буде точкою роси для абсолютної вологості повітря, що сформувалася.

При зіткненні вологого повітря з внутрішньою поверхнею зовнішнього огородження, що має температуру 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 перерізу огородження має бути меншим за тиск насичення.

2.2.5 Вологість матеріалу

У капілярно-пористих матеріалах у природному повітряному середовищі завжди знаходиться деяка кількість хімічно незв'язаної вологи. Якщо зразок матеріалу, що знаходиться в природних умовах, піддати сушінню, його маса зменшиться. Вагова вологість матеріалуω,%, визначається ставленням маси вологи, що міститься у зразку, до маси зразка в сухому стані:

, (2.40)

де М 1- маса вологого зразка, кг,

М 2- Маса сухого зразка, кг.

Об'ємна вологістьω о,%, визначається ставленням обсягу вологи, що міститься у зразку, до обсягу зразка:

де V 1- обсяг вологи у зразку, м 3, V 2- Об'єм самого зразка, м 3 .

Між ваговою в і об'ємною вологістю про матеріалу існує співвідношення:

, (2.42)

де ρ - Щільність матеріалу в сухому стані, кг/м 3 .

У розрахунках найчастіше використовується вагова вологість.

2.2.6 Сорбція та десорбція

При тривалому знаходженні зразка матеріалу у вологому повітрі з постійними температурою та відносною вологістю, маса вологи, що міститься у зразку, стане незмінною. рівноважний. При підвищенні відносної вологості повітря маса вологи в матеріалі збільшується, а при збільшенні температури зменшується. Це рівноважний вміст вологи вмісту, відповідне тепловлажностному стану повітряного середовища, залежно від хімічного складу, пористості та деяких інших властивостей матеріалу може бути більше або менше. Процес зволоження сухого матеріалу, поміщеного в середовище вологого повітря, називається сорбцією, а процес зменшення вологовмісту надмірно вологого матеріалу в середовищі вологого повітря - десорбцією.

Закономірність зміни рівноважного вмісту вологи вмісту в повітряному середовищі з постійною температурою і зростаючою відносною вологістю виражається ізотермою сорбції.

Для переважної кількості будівельних матеріалів ізотерми сорбції та десорбції не збігаються. Різниця вагових вологостей будівельного матеріалу при одній і тій же відносній вологості повітря називається сорбційною гістерезисом. На рис.8 представлені ізотерми сорбції та десорбції водяної пари для пеносилікату. по . З рис.8 видно, що, наприклад, для ? 25%.

Рис.8. Вагова вологість піносилікату при сорбції (1) та десорбції (2)

Значення сорбційних вологостей будівельних матеріалів наведені в різних літературних джерелах, наприклад, .

2.2.7 Паропроникність огорож

Виняток конденсації водяної пари на внутрішній поверхні огорожі не може гарантувати відсутності конденсації вологи в товщі огорожі.

Волога в будівельному матеріалі може перебувати у трьох різних фазах: твердій, рідкій та пароподібній. Кожна фаза поширюється за законом. У кліматичних умовах Росії найбільш актуальним є завдання руху водяної пари в зимовий період. З експериментальних досліджень відомо, що потенціалом перенесення пари- його рушійною силою - служить парціальний тиск водяної пари в повітрі е, Па. Усередині будівельних матеріалів огорожі вологе повітря знаходиться у порах матеріалу. Пара переміщається від більшого парціального тиску до меншого.

У холодну пору року в приміщенні температура повітря значно вища, ніж на вулиці. Більш високій температурі відповідає більш високий тиск насичення водяною парою Е. Не дивлячись на те, що відносна вологість внутрішнього повітря менша від відносної зовнішньої вологості, парціальний тиск водяної пари у внутрішньому повітрі е взначно перевищує парціальний тиск водяної пари у зовнішньому повітрі е н. Тому потік пари спрямований із приміщення назовні. Процес проникнення пари через огорожу відноситься до процесам дифузії. Інакше кажучи, водяна пара дифундує крізь огорожу. Дифузія є чисто молекулярне явище, що є заміною 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 огородження зветься паропроникнення.

Щоб уникнути плутанини в термінології, відразу зауважимо, що паропроникність- це властивість матеріалів та конструкції, виконаної з них, пропускати крізь себе водяну пару, а паропроникнення- це процес проникнення пари через матеріал чи огорожу.

Паропроникність μ залежить від фізичних властивостейматеріалу і відображає його здатність пропускати дифузну через себе водяну пару. Паропроникність матеріалу μ кількісно дорівнює дифузійному потоку водяної пари, мг/год, що проходить через м 2 площі, перпендикулярній потоку, при градієнті парціального тиску водяної пари вздовж потоку, що дорівнює 1 Па/м.

Розрахункові значення μ наведено у довідкових таблицях. Причому для ізотропних матеріалів не залежить від напрямку потоку вологи, а для анізотропних (деревини, інших матеріалів, що мають волокнисту структуру або пресованих) значення приводяться в залежності від співвідношення напрямків потоку пари і волокон.

Паропроникність для теплоізоляційних матеріалів, як правило, пухких і з відкритими порами має великі значення, наприклад, для мінераловатних плит на синтетичному сполучному при густині ρ=50 кг/м 3 коефіцієнт паропроникності дорівнює μ=0,60 мг/ (ч. м. Па ). Матеріалам більшої щільності відповідає менше значення коефіцієнта паропроникності, наприклад, важкий бетон на щільних заповнювачах має μ=0,03 мг/(ч. м. Па). Водночас бувають винятки. Екструдований пінополістирол, утеплювач із закритими порами, при густині ρ=25 - 45 кг/м 3 має μ=0,003 - 0,018 мг/ (ч. м. Па) і практично не пропускає через себе пару.

Матеріали з мінімальною паропроникністю використовуються як пароізоляційних шарів. Для листових матеріалів та тонких шарів пароізоляціїчерез дуже малого значення μ у довідкових таблицях наводяться опори паропроникнення та товщини цих шарів.

Паропроникність повітря дорівнює μ=0,0062 м 2 . ч. Па/мг за відсутності конвекції та μ=0,01 м 2 . Тому в розрахунках опору паропроникненню слід мати на увазі, що пароізоляційні шари огородження, що не забезпечують суцільності (що мають щілини) (пароізоляційна плівка, порушена внутрішніми зв'язками огородження, листові пароізоляційні шари, прокладені навіть внахлест, але без промазання швів пароізоляційної маси паропроникність, ніж без урахування цієї обставини.

З фізики відомо, що є повна аналогія між процесами паропроникнення та теплопровідності. Більше того, дотримується аналогою в процесах тепловіддачі та вологовіддачі на поверхнях огородження. Тому можна розглядати аналогію між складними процесами теплопередачі та вологопередачічерез огорожу. У табл.2 представлені прямі аналоги цих процесах.

Таблиця 2

Аналогія між процесами теплопередачі та вологопередачі при дифузії пари

Теплове поле	Вологе поле
Температура внутрішнього повітря t в, про З; внутрішньої поверхні τ в, про З; на стиках шарів t i, про З; зовнішньої поверхні τ н, про З; 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 еi, Па; зовнішньої поверхні е нп, Па; у зовнішньому повітрі е н, Па.
Теплопровідність матеріалу λ , Вт/(м. про С)	Паропроникність матеріалу μ, мг/(ч. м. Па)
Термічний опір шару товщиною δ, м, R Т=δ/ λ , м 2. про С/Вт	Опір паропроникненню шарузавтовшки δ , м, R п =δ/ μ, М 2. ч. Па / мг (2.43)
Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній поверхні α, Вт/ (м 2. про С); на зовнішній поверхні α н, Вт/(м 2 про С).	Коефіцієнти вологовіддачі на внутрішній поверхні β, мг/ (ч. м 2. Па); на зовнішній поверхні β н, мг/(ч. м 2. Па).
Опір тепловіддачі на поверхнях огорожі на внутрішній R =1/α в, м 2. про С/Вт; на зовнішній R н =1/α н, м 2. С/Вт;	Опір вологовіддачі на поверхнях огорожі на внутрішній R п. =1/β в, м 2. ч. Па/мг; (2.44) на зовнішній R п. н =1/? н, м 2. ч. Па/мг. (2.45)
Загальний опір теплопередачі огорожі R o =R +Σδ/ λ+R н, м 2. про С/Вт	Загальний опір паропроникненню огорожі R про. п =R п. +Σδ/ λ+R п. н, м 2. ч. Па/мг (2.46)
Щільність теплового потоку через огородження q= (t -t н) /R o , Вт/м 2	Щільність дифузійного потоку вологи через огородження g = (e в -е н) / R про. п, мг/(ч. м 2) (2.47)

За своїм фізичним змістом опір паропроникненню шаруогородження - це різниця пружностей водяної пари, яку потрібно створити на поверхнях шару, щоб через 1 м 2 його площі дифундував потік пари, що дорівнює 1 мг/год.

Загальний опір паропроникненню огороджувальної конструкції(при дифузії пари) складається з опорів паропроникнення всіх його шарів та опорів вологообміну на його поверхнях, як це випливає з виразу (2.43).

Коефіцієнт вологовіддачі, як правило, в інженерних розрахунках загального опору паропроникненню не застосовується, в розрахунках використовують безпосередньо опору вологовіддачі на поверхнях, приймаючи їх значення рівними R п. = 0,0267 м 2. ч. Па/мг, R п. н, = 0,0052 м 2. год. Па/мг.

Пружність водяної пари, що дифузує через огорожу, у міру проходження через її товщу буде змінюватися між значеннями е в і е н. Для знаходження парціального тиску водяної пари їх у будь-якому перерізі огородження (рис.9) користуються формулою, аналогічною формулою (2.30) для визначення розподілу температури по перерізу огородження:

де R п. по-х, R п. н-х- опору паропроникненню, від точки х до відповідно внутрішнього та зовнішнього повітря, м 2. ч. Па/мг.

Рис.9. Розподіл парціального тиску та тиску насичення водяної пари по перерізу огорожі

Запитання для самоконтролю.

1. Причини випадання вологи на поверхні або в товщі огорожі.

2. Негативні наслідки випадання вологи на поверхні або в товщі огорожі.

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 за природою енергії зв'язування та величиною енергетичного 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. Яке повітря називається насиченою водяною парою?

11. Яка температура зветься точки роси?

12. Які умови відсутності конденсату в будь-якій точці перерізу огороджувальної конструкції?

13. Як визначається вагова вологість матеріалу?

14. Як визначається об'ємна вологість матеріалу?

15. Що таке рівноважна вологість матеріалу?

16. Що таке сорбція та десорбція? *

17. У чому проявляється сорбційний гістерезис?

18. Що є потенціалом перенесення водяної пари в огороджувальних конструкціях?

19. У чому полягає дифузія пари крізь огорожу?

20. Що таке паропроникнення?

21. Що таке паропроникність?

22. Чому кількісно дорівнює паропроникність матеріалу?

23. Що таке пароізоляція?

24. Фізичний сенс опору паропроникненню шару?

25. Що таке загальний опір паропроникненню огороджувальної конструкції?

26. Напишіть формулу загального опору паропроникненню огорожі.

27. Як визначити парціальний тиск водяної пари в повітрі при відомих його температурі t в та відносній вологості?

28. Чим визначається тиск насиченої водяної пари?

29. Накресліть якісну картинку розподілу парціального тиску водяної пари у двошаровій стінці при відомих тисках у навколишніх середовищах e в і e н, якщо μ 1 > μ 2 .

30. Накресліть якісну картинку розподілу парціального тиску водяної пари у двошаровій стінці при відомих тисках у 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. при відомих тисках в середовищах e в і e н, товщинах шарів δ 1 і δ 2 , паропроникністю μ 1 і μ 2 .

32. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари на зовнішній поверхні двошарової стінки e н. при відомих тисках в середовищах e в і e н, товщинах шарів δ 1 і δ 2 , паропроникністю μ 1 і μ 2 .

33. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари між шарами двошарової стінки e при відомих тисках у середовищах e в і e н, товщинах шарів δ 1 і δ 2 , паропроникністю μ 1 і μ 2 .

34. Напишіть формулу для визначення парціального тиску водяної пари e x у будь-якому перерізі багатошарової стінки при відомих тисках у середовищах e в і e н, товщинах шарів δ i , паропроникненням μ i .

2.3 Повітропроникність зовнішніх огорож

2.3.1 Основні положення

Повітропроникністюназивається властивість будівельних матеріалів і огороджуючих конструкцій пропускати крізь себе потік повітря, повітропроникністювважають також витрату повітря в кг, що проходить через 1м 2 огородження за годину G, кг/(м 2 ч).

Повітропроникненнямчерез огородження називають процес проникнення повітря крізь їхню нещільність. Проникнення повітря зовні всередину приміщень називається інфільтрацією, а з приміщення назовні - ексфільтрацією.

Розрізняють два типи нещільностей, через які здійснюється фільтрація повітря: пори будівельних матеріаліві 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, коли повітря проходить через огорожу наскрізь у бік. перпендикулярній поверхні огорожі, що існує, за термінологією Р.Є. Брилінгу, ще два види фільтрації - поздовжня та внутрішня.

Взагалі кажучи, повітропроникністю мають 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, що відчутно впливає на тепловий баланс приміщення.

Як вже було сказано в гл.2, для пароізоляції огороджувальних конструкцій з їхньої внутрішньої сторони робиться щільний шар. Цей шар зазвичай досить повітронепроникний для поперечної фільтрації. Однак, якщо із зовнішнього боку фасадний шар не щільний, може відбуватися поздовжня фільтрація, яка полягає в тому, що під впливом вітру холодне зовнішнє повітря проходить всередину огороджувальної конструкції і в іншому місці виходить з неї. Цим викликаються додаткові втрати втрати.

У сучасних зовнішніх стін з вентильованим фасадом у шарах мінеральної вати, пінополістиролу або інших спінених матеріалів може спостерігатися поздовжня фільтрація , яка місцево знижує наведений опір цих конструкцій за рахунок винесення теплом, що фільтрується, теплоти в атмосферу.

Навіть, якщо з обох боків огороджувальної конструкції забезпечений хороший захист від проникнення повітря, а внутрішні шари виконані з повітропроникних матеріалів, рух повітря всередині конструкції може виникнути через різницю температур в товщі огорожі за типом руху повітря в замкнутих повітряних прошарках. Однак, внутрішня фільтрація, як правило, не помітно збільшує коефіцієнт теплопередачі огородження.

Інфільтрація та ексфільтрація та, взагалі, будь-яка фільтрація повітря виникають під впливом перепадів повних тисків повітря ∆ P, Па, з різних боків огорожі.

Тобто, потенціалом перенесення повітрячерез матеріали та огороджувальні конструкції є різниця тисків повітря зсередини будівлі та зовні. Вона пояснюється, по-перше, різною щільністю холодного зовнішнього повітря та теплого внутрішнього - гравітаційної складовоїі, по-друге, дією вітру, що створює позитивний додатковий тиск у потоці, що набігає з навітряного боку і розрідження з підвітряної - вітрової складової.

2.3.2 Різниця тисків на зовнішній та внутрішній поверхні огорож

Відомо, що у стовпі газу статичне гравітаційний тискзмінно висотою.

Гравітаційний тиск Р гр, Па, у будь-якій точці зовнішнього повітря на висоті hвід поверхні землі, одно

(2.49)

де Р атм-Атмосферний 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 вітр, Па, в залежності від напрямку вітру на різних поверхнях будівлі буде різним, що в розрахунках враховується аеродинамічний коефіцієнт С, що показує, яку частку від динамічного тиску вітру становить статичний тиск на навітряному, бічних і підвітряному фасадах.

Надмірний вітровий статичний тиск на будівлю пропорційно динамічному тиску вітру ρ н.v 2/2за його швидкості v, м/с.

Швидкість вітру вимірюється на метеостанціях на висоті 10 м від землі на відкритій місцевості.

У забудові та за висотою швидкість вітру змінюється. Для врахування зміни швидкості вітру в різних типах місцевості та на різній висоті застосовується коефіцієнт k дін, Значення якого регламентовані СНиП 2.01.07-85 *. Коефіцієнт k дін, що враховує зміну вітрового тиску за висотою h, Там представлений в залежності від типу місцевості. Приймаються такі типи території:

А – відкриті узбережжя морів, озер та водосховищ, пустелі, степу, лісостепу, тундра;

В – міські території, лісові масиви та інші місцевості, рівномірно вкриті перешкодами висотою понад 10 м;

С – міські райони із забудовою будинками висотою понад 25 м.

Споруда вважається розташованим біля даного типу, якщо ця місцевість зберігається з навітряної боку споруди з відривом 30h - за висоті споруди h до 60 м і 2 км - за більшої висоти.

Відповідно до вищесказаного вітровий тиск на кожному фасаді дорівнює

(2.50)

де r н- Щільність зовнішнього повітря, кг/м 3 ;

v- Швидкість вітру, м / с;

c - аеродинамічний коефіцієнт на розрахунковому фасаді;

k дін- Коефіцієнт обліку зміни швидкісного тиску вітру в залежності від висоти будівлі, що приймається по .

По СНиП 2.01.07-85* для більшості будівель величина аеродинамічного коефіцієнта на вітряному боці дорівнює c н=0,8, але в підвітряної - c з= - 0,6.

Так як гравітаційний та вітровий тиск незалежні один від одного, для знаходження повного тиску зовнішнього повітря Р нарна будівлю, їх складають:

За умовний нуль тиску Р усл, Па, на пропозицію В.П. Титова приймається абсолютний тиск на підвітряній стороні будівлі на рівні найвіддаленішого 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 підвітряній стороні будівлі;

Н- висота будівлі або висота над землею верхнього елемента, через який можливий рух повітря;

Тоді повний надлишковий тиск Р н, Па, що формується у зовнішньому повітрі в точці на висоті h будівлі, визначається за формулою:

На рис.10 показані епюри гравітаційного Р гр, і вітрового Р вітр тисків та рівень, на якому прийнятий умовний нуль тиску Р ум.

У кожному приміщенні створюється свій повний надлишковий внутрішній тиск, що складається з тиску, сформованого різним тиском на фасадах будівлі Р в, Па і гравітаційного тиску Р гр,, Па.

Так як у будівлі температура повітря всіх приміщень приблизно однакова, внутрішній гравітаційний тиск залежить лише від висоти центру приміщення.

(2.54)

де r в- Щільність внутрішнього повітря, кг/м 3 .

Рис.10. Формування повітряних потоків у багатоповерховому будинку з природною вентиляцією

Для простоти розрахунків внутрішній гравітаційний тиск прийнято відносити до зовнішнього тиску зі знаком мінус

(2.55)

Цим за межі будівлі виноситься змінна гравітаційна складова, і тому повний тиск у кожному приміщенні стає постійним за його висотою.

Щільність повітря ρ, кг/м 3 може бути визначена за формулою, що випливає з (2.33):

де t – температура повітря.

Величини внутрішнього повного надлишкового тиску P для однаково орієнтованих приміщень одного поверху можуть відрізнятися в силу того, що для кожного приміщення формується значення внутрішнього тиску. Визначення внутрішніх тисків у приміщеннях є завданням повного розрахунку повітряного режиму будівлі, який є досить трудомістким. Але для спрощення розрахунку внутрішній тиск P прийнято прирівнювати до тиску в сходовій клітині.

Існують спрощені методи розрахунку внутрішнього тиску будівлі. Найбільш поширений розрахунок, справедливий для будівель з рівномірно розподіленими вікнами на фасадах, коли за умовно постійний внутрішній тиск у будівлі приймається напівсума вітрового та гравітаційного тиску за виразом

Другий, більш громіздкий спосіб розрахунку величини P, Па, запропонований в, відрізняється від першого тим, що вітровий тиск усереднюється по площах фасадів. Вираз для внутрішнього тиску при розгляді одного з фасадів як навітряного набуває вигляду:

деc н,c б,c з- аеродинамічні коефіцієнти на навітряному, бічному та підвітряному фасадах;

A н, A б, A з- площі вікон та вітражів на навітряному, бічних та підвітряному фасадах, м 2 .

У розрахунках тепловтрат враховується, що кожен фасад може бути навітряним. Слід звернути увагу, що величина внутрішнього тиску P в, прийнята (2.58), виходить різною для кожного фасаду. Ця різниця тим помітніша, чим більше відрізняється щільність вікон та вітражів на різних фасадах. Для будівель з рівномірним розподілом вікон на фасадах величина P в, наближається до одержуваної (2.57). Таким чином, використання формули (2.58) для розрахунку внутрішнього тиску виправдане у випадках, коли розподіл світлових прорізів по фасадах явно нерівномірно або коли дана будівля примикає до сусіднього, або один фасад або його частина не мають вікон зовсім.

Різниця зовнішнього та внутрішнього тисків по різні боки огорожі на навітряному фасаді на будь-якій висоті hз урахуванням формули (2.55) дорівнює:

Різниця тисків ∆Pдля вікон одного фасаду різних поверхів буде відрізнятися тільки величиною гравітаційного тиску (перший доданок), що залежить від різниці Н-hпозначок верхньої точки будівлі, прийнятої за нуль відліку, і центру вікна, що розглядається. На рис.13 показано картину розподілу потоків у будівлі зі збалансованою вентиляцією.

2.3.3 Повітропроникність будівельних матеріалів

Будівельні матеріалив основному є пористими тілами. Розміри і структура пор у різних матеріалів неоднакова, тому повітропроникність матеріалів залежно від різниці тисків проявляється по-різному.

На рис.11 показана якісна картина залежності повітропроникності Gвід різниці тисків ΔРдля будівельних матеріалів, наведена К.Ф. Фокіним.

Рис.11. Вплив пористості матеріалу на його повітропроникність.1 - матеріали з рівномірною пористістю (типу пінобетону); 2 - матеріали з порами різних розмірів (типу засипок); 3 - малоповітропроникні матеріали (типу деревини, цементних розчинів); 4 - вологі матеріали.

Прямолінійна ділянка від 0 до крапки ана кривій 1 свідчить про ламінарному 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 пір рух повітря турбулентний навіть при малій різниці тисків, що видно з кривизни лінії 2. У малоповітряних матеріалах, навпаки, рух повітря по порах ламінарно і при досить великих різницях тисків, тому залежність Gвід ΔРлінійна за будь-якої різниці тисків (лінія 3). У вологих матеріалах (крива 4) при малих ΔР, менших від певної мінімальної різниці тисків ΔР хв, повітропроникність відсутня, і лише при перевищенні цієї величини, коли різницю тисків виявиться достатньою для подолання сил поверхневого натягу води, що міститься в порах матеріалу, виникає рух повітря. Чим вище вологість матеріалу, тим більша величина ΔР хв.

При ламінарному русі повітря у порах матеріалу справедлива залежність

де G - повітропроникність огородження або шару матеріалу, кг/(м 2 ч);

i- Коефіцієнт повітропроникності матеріалу, кг/(м. Па. ч);

δ - Товщина шару матеріалу, м.

Коефіцієнт повітропроникності матеріалуаналогічний коефіцієнту теплопровідності і показує ступінь повітропроникності матеріалу, чисельно рівну потоку повітря в кг, що проходить крізь 1 м 2 площі, перпендикулярній напрямку потоку, при градієнті тиску, що дорівнює 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. год),

При турбулентному русі повітря у формулі (2.60) слід замінити ΔРна ΔРn. При цьому показник ступеня nзмінюється не більше 0,5 - 1. Однак практично формула (2.60) застосовується й у турбулентного режиму течії повітря у порах матеріалу.

У сучасній нормативній літературі не застосовується поняття «коефіцієнт повітропроникності». Матеріали та конструкції характеризуються опором повітропроникненняR і,кг/(м. год). при різниці тисків з різних боків ∆Р про =10 Па, яке при ламінарному русі повітря знаходиться за формулою:

де G - повітропроникність шару матеріалу чи конструкції, кг/ (м 2. год).

Опір повітропроникненню огорож у своїй розмірності не містить розмірності потенціалу перенесення повітря - тиску. Таке положення виникло через те, що в нормативних документах розподілом фактичної різниці тисків ∆P на нормативне значення тисків ∆P o =10 Па, опір повітропроникненню приводиться до різниці тисків ∆P o = 10 Па.

У наведені значення опору повітропроникненнюдля шарів деяких матеріалів та конструкцій.

Для вікон, у нещільностях яких рух повітря відбувається при змішаному режимі, опір повітропроникненню , кг/ (м. год), визначається з виразу:

, (2.62)

Запитання для самоконтролю

1. Що таке повітропроникність матеріалу та огородження?

2. Що таке повітропроникнення?

3. Що таке інфільтрація?

4. Що таке ексфільтрація?

5. Яка кількісна характеристика процесу повітропроникнення названа повітропроникністю?

6. Через які два типи нещільностей здійснюється фільтрація повітря в огородженнях?

7. Які три види фільтрації існує, за термінологією Р.Є. Брілінгу?

8. Що є потенціалом повітропроникнення?

9. Які дві природи формують різницю тиску на протилежних сторонах огородження?

10. Що таке коефіцієнт повітропроникності матеріалу?

11. Що таке опір повітропроникненню огороджувальної конструкції?

12. Напишіть формулу для визначення опору повітропроникненню при ламінарному русі повітря через пори матеріалів конструкції.

13. Напишіть формулу для визначення опору повітропроникненню вікна.

А в окремих випадках кондиціювання повітря.

Пристрій системи центрального опалення забезпечує підтримку необхідних температур повітря у приміщеннях та підвищує рівень комфорту.

На сьогоднішній день неможливо уявити собі житло, яке не обладнане системою опалення. Система опалення - неодмінна складова комфортного життя.

У цьому курсовому проекті виконано розрахунок системи опалення громадського будинку. Огородження конструкції утеплені. Система опалення запроектована відповідно до діючих СНіП та ГОСТів, з урахуванням вимог закону про енергозбереження. Розроблено комерційний вузол обліку тепла, передбачено встановлення запірно-регулюючої арматури.

Визначення коефіцієнта теплопередачі конструкцій, що захищають.

Визначення коефіцієнта теплопередачі зовнішньої стінки.

Вихідні 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 за нормальної 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. Комірчастий 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 залежно від щільності матеріалу, γ та 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-доби опалювального періоду:

Dd = (tint - tht) · Zht = (16-(-3,5)) · 213 = 4153,5 ° Cсут.

2. Визначення нормованого значення опір теплопередачі по таб. 4. БНіП:

Rreg = a · Dd + b = 0,0003 · 4153,5 +1,6 = 2,8

3. Визначення загального термічного опіру:

4. Виходячи з теплотехнічної умови, де R0 ≥ Rreg, прирівнюємо R0 до Rreg:

2,8 = м2 ° C / Вт

5. Визначення товщини утеплювального шару:

δ2 = (2,8-0,71) · 0,064 = 0,133 м.

6. Визначення загального термічного опору з урахуванням δ2

7. Перевірка теплотехнічної умови: R0 ≥ Rreg.

2,9> 2,8 => умова виконана.

8. Коефіцієнт теплопередачі горищного перекриття:

K=

Визначення коефіцієнта теплопередачі безгорищного 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; 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 оС;

α int= 8,7 Вт/м2 оС; ,

α ext= 23 Вт/м2 оС;

Послідовність розрахунку:

1.Визначаємо градусо-добу опалювального періоду:

Dd = (tint - tht). zht = (16 - (- 3,5)) · 213 = 4153,5 ° Cсут.

2. За таблицею 1* визначаємо необхідний 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 теплотехнічної умови, де Rо ≥ Rreq, прирівнюємо

5. Знаходимо товщину утеплювального шару:

δ3 = (2,8 - 0,71) · 0,076 = 0,158 м;

6. Визначаємо загальний термічний опір з урахуванням δ3:

;

7. Перевіряємо теплотехнічну умову: R0 ≥ Rreq

2,78 ≥ 2,8 => умова виконана;

8. Коефіцієнт теплопередачі:

.

Визначення коефіцієнта теплопередачі зовнішніх дверей.

1. Визначаємо необхідний термічний опір зовнішньої стіни за формулою:

2. Необхідний термічний опір зовнішніх дверей:

R0дв =0,6 · Rreq.ст.=0,6 · 2,8 = 1,68 м2 оС/Вт,

3. Коефіцієнт теплопередачі дверей:

.

Результати розрахунків зводимо до таблиці 1.1.

Зведена таблиця коефіцієнтів теплопередачі огорож.

Таблиця 1.1.

	Найменування огорожі	м2оС/Вт	Вт/м2оС
	Зовнішня стіна
	Безперервне перекриття
	Зовнішні двері
	Віконний отвір
	Підлога на ґрунті I зона

3.1.4 Вибір та обґрунтування прийнятої системи опалення.

Бо у нас виробниче двоповерхова будівлябез підвального приміщення та без горища, вибираємо двотрубну систему опалення з нижньою розводкою. При двотрубної системиопалення з нижньою розводкою магістраль, що подає і зворотна, проходять у підлозі або над підлогою поверху, а теплоносій надходить незалежно в кожен радіатор. Для видалення повітря із системи на верхніх радіаторівнеобхідно встановлювати крани для спуску повітря. До переваг цього типу розведення можна віднести хороше регулювання системи, можливість відключення кожного нагрівального приладу, можливість підключення системи в міру будівництва будівлі, відсутність перевитрати опалювальних приладів, а також відсутність стояків і магістралі, що подає.

3.1.5 Основні розрахункові формули для гідравлічного розрахункусистеми опалення.

1) Розрахунковий циркуляційний тиск розраховується за формулою:

ΔРр=100 · LЦК+Б· 3 · hет· nет(tг-tо);

Lцк – довжини циркуляційного кільця.

Б-поправочний коефіцієнт, що враховує значення природного циркуляційного тиску в період підтримки розрахункового гідравлічного тиску в системі. Приймається Б=1- для насосних однотрубних системта Б=0.4- для двотрубних систем.

hет – висота поверху.

нет – кількість поверхів

2) Питомі втрати тиску від тертя на 1м труби визначаються за такою формулою:

;

3) Витрата води на ділянці визначається за формулою:

;

β1 та β2 – коефіцієнт обліку додаткового теплового потоку при округленні понад розрахункову величину.

4) Втрати тиску в основному циркуляційному кільці визначаються за формулою:

ΔР=∑(Rl+z);

Rl – сумарні втрати тиску ділянці по довжині.

z - Втрати тиску на місцеві опори.

5) Втрати тиску в основному циркуляційному кільці повинні бути меншими за розрахунковий циркуляційний тиск на 15%

Теплопередача огороджувальних конструкцій - це складний процес, що включає конвекцію, теплопровідність та випромінювання. Усі вони відбуваються разом із переважання однієї з них. Теплоізоляційні властивості конструкцій огорожі, що відбиваються через опір теплопередачі, повинні відповідати будівельним нормам, що діють.

Як відбувається теплообмін повітря з конструкціями, що захищають.

У будівництві задають нормативні вимогидо величини потоку тепла через стінку та через нього визначають її товщину. Одним із параметрів для його розрахунку є температурний перепад зовні та 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 залежить від властивостей матеріалу. У міру її зниження зростають теплозахисні властивості стіни. Крім того, холод у приміщення буде проникати менше, якщо буде більша товщина огорожі.

Конвекція та випромінювання зовні та зсередини також впливають на витік тепла з дому. Тому за батареями на стінах встановлюють екрани, що відбивають, з алюмінієвої фольги. Подібний захист роблять також усередині фасадів, що вентилюються, зовні.

Теплопередача через стіни будинку

Зовнішні стіни становлять максимальну частину площі будинку і через них енергетичні втрати сягають 35-45%. Будівельні матеріали, з яких виготовлені, мають різний захист від холоду. Найменшою теплопровідністю має повітря. Тому пористі матеріалимають найнижчі значення коефіцієнтів теплопередачі. Наприклад, у будівельної цеглиК = 0,81 Вт/(м 2 · про З), у бетону К = 2,04 Вт/(м 2 · про З), у фанери К = 0,18 Вт/(м 2 · про З), а у пінополістирольних плит К = 0,038 Вт/(м 2 · про З).

У розрахунках застосовують величину, зворотну коефіцієнту, - опір теплопередачі огороджувальної конструкції. Воно є нормованою величиною і не повинно бути нижчим за певне задане значення, оскільки від нього залежать витрати на опалення та умови перебування в приміщеннях.

На коефіцієнт До впливає вологість матеріалу конструкцій, що огороджують. У сирого матеріалу вода витісняє повітря з пір, а її теплопровідність вища в 20 разів. Внаслідок цього погіршуються теплозахисні властивості огорожі. Волога цегляна стінапропускає на 30% більше теплапорівняно із сухою. Тому фасад та дахи будинків намагаються облицьовувати матеріалами, на яких вода не утримується.

Втрати тепла через стіни та стики отворів значною мірою залежать від вітру. Несучі конструкції- повітропроникні, і повітря через них проходить зовні (інфільтрація) та зсередини (ексфільтрація).

.
1.1 Мета та завдання курсу.
1.2 Предмет курсу.
1.3 Будівля як єдина енергетична система.
2. Тепловлагопередача через зовнішні огородження.
2.1 Основи теплопередачі у 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 Наведений опір теплопередачі.
2.1.8 Розподіл температури по перерізу огорожі.
2.2 Вологісний режим огороджувальних конструкцій.
2.2.1 Причини появи вологи в огородженнях.
2.2.2 Негативні наслідки зволоження зовнішніх огорож.
2.2.3 Зв'язок вологи з будівельними матеріалами.
2.2.4 Вологе повітря.
2.2.5 Вологість матеріалу.
2.2.6 Сорбція та десорбція.
2.2.7 Паропроникність огорож.
2.3 Повітропроникність зовнішніх огорож.
2.3.1 Основні положення.
2.3.2 Різниця тисків на зовнішній та внутрішній поверхні огорож.
2.3.3 Повітропроникність будівельних матеріалів.

2.1.5 Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішній та зовнішній поверхнях.

Розглянемо стінку, що відокремлює приміщення з температурою tв від довкілля з температурою tн. Зовнішня поверхня шляхом конвекції обмінюється теплотою із зовнішнім повітрям, а променистою - з навколишніми поверхнями, що мають температуру tокр. н. Те саме і з внутрішньої сторони. Можна записати, що тепловий потік із щільністю q, Вт/м2, що проходить крізь стіну, дорівнює:

, (2.13)

де tокр. і tокр. н - температура поверхонь, що оточують відповідно внутрішню і зовнішню площини стінки, що розглядається, оС;
αк. в, αк. н - коефіцієнти конвективної тепловіддачі на внутрішній та зовнішній поверхнях стінки, м2. оС/Вт;
αл. в, αл. н - коефіцієнти променистої тепловіддачі на внутрішній та зовнішній поверхнях стінки, м2. оС/Вт.
В інженерних розрахунках прийнято тепловіддачу на поверхнях конструкцій, що захищають, не розділяти на променисту і конвективну складові. Вважається, що на внутрішній поверхні зовнішнього огородження в опалювальному приміщенні відбувається теплосприйняття, що оцінюється загальним коефіцієнтом αв, Вт/(м2. оС), а на зовнішній поверхні - тепловіддача, інтенсивність якої визначається коефіцієнтом тепловіддачі αн, Вт/(м2. оС). Крім того, прийнято вважати, що температура повітря та навколишніх поверхонь рівні один одному, тобто tокр. в = tв, а tокр. н = tн. Тобто:

, (2.14)

Отже, приймається, що коефіцієнти тепловіддачі на зовнішній та внутрішній поверхнях огородження дорівнюють сумі коефіцієнтів променистого та конвективного теплообміну з кожного боку:

. (2.15)

Коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній або внутрішній поверхні за фізичним змістом - це щільність теплового потоку, що віддається відповідною поверхнею навколишньому середовищу (або навпаки) при різниці температури поверхні і середовища в 1 оС. Величини, обернені коефіцієнтам тепловіддачі, прийнято називати опорами тепловіддачі на внутрішній Rв, м2. оС/Вт, і зовнішній Rн, м2. оС/Вт, поверхнях огорожі:

R в = 1/ α в ; R н =1/ α н . ( 2.16)