290 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Воздушные прослойки в ограждающих конструкциях

Термическое сопротивление воздушных прослоек

Передача тепла через воздушную прослойку при разности температур на ее противоположных поверхностях происходит путем конвекции, излучения и теплопроводности (рис. 1.12).

Теплопроводность неподвижного воздуха очень мала и если бы в воздушных прослойках воздух находился в состоянии покоя, их термическое сопротивление было бы очень высоким. В действительности, в воздушных прослойках ограждающих конструкций воздух всегда движется, например, у более теплой поверхности вертикальных прослоек он перемещается вверх, а у холодной — вниз. В прослойках с движущимся воздухом количество тепла, передаваемого путем теплопроводности, очень мало по сравнению с теплопередачей путем конвекции.

По мере увеличения толщины воздушной прослойки количество тепла, передаваемого путем конвекции, возрастает, поскольку влияние трения воздушных струек о стенки уменьшается. Ввиду этого для воздушных прослоек не существует характерной для твердых материалов прямой пропорциональности между увеличением толщины слоя и значением его термического сопротивления.

При передаче тепла конвекцией от более теплой поверхности воздушной прослойки к более холодной, преодолевается сопротивление двух пограничных слоев воздуха, прилегающих к этим поверхностям, поэтому значение коэффициента, который можно было бы принять для свободной конвекции у какой-либо поверхности, уменьшается вдвое.

Количество лучистого тепла, передаваемого от более теплой поверхности к более холодной, не зависит от толщины воздушной прослойки; как говорилось ранее, оно определяется коэффициентом излучения поверхностей и разностью, пропорциональной четвертым степеням их абсолютных температур (1.3).

В общем виде поток тепла Q, передаваемый через воздушную прослойку, может быть выражен таким образом:

где αк — коэффициент теплообмена при свободной конвекции; δ — толщина прослойки, м; λ — коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, ккал·м·ч/град; αл — коэффициент теплообмена за счет излучения.

На основании экспериментальных исследований обычно трактуют величину коэффициента теплопередачи воздушной прослойки как вызванную теплообменом, происходящим путем конвекции и теплопроводности:

но зависящую преимущественно от конвекции (здесь λэкв — условная эквивалентная теплопроводное™ воздуха в прослойке); тогда при постоянном значении Δt термическое сопротивление воздушной прослойки Rв.п будет:

Явления конвективного теплообмена в воздушных прослойках зависят от их геометрической формы, размеров и направления потока тепла; особенности этого теплообмена могут быть выражены величиной безразмерного коэффициента конвекции ε, представляющего отношение эквивалентной теплопроводности к теплопроводности неподвижного воздуха ε=λэкв/λ.

Путем обобщения с помощью теории подобия большого количества экспериментальных данных М. А. Михеевым установлена зависимость коэффициента конвекции от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, т. е.:

Коэффициенты теплопередачи αк‘, полученные из выражения

установленного на основе этой зависимости при tср=+10°, приведены для температурного перепада на поверхностях прослойки, Δt=10° в табл. 1.6.

Относительно небольшие величины коэффициентов передачи тепла через горизонтальные прослойки при потоке тепла сверху вниз (например, в цокольных перекрытиях отапливаемых зданий) объясняются малой подвижностью воздуха в таких прослойках; наиболее теплый воздух сосредоточивается у более нагретой верхней поверхности прослойки, затрудняя конвективный теплообмен.

Величина передачи тепла излучением αл, определяемая на основе формулы (1.12), зависит от коэффициентов излучения и температуры; для получения αл в плоских протяженных прослойках достаточно умножить приведенный коэффициент взаимооблучения С’ на соответствующий температурный коэффициент принятый по табл. 1.7.

Так, например, при С’=4,2 и средней температуре прослойки, равной 0°, получим αл=4,2·0,81=3,4 ккал/м 2 ·ч·град.

В летних условиях величина αл увеличивается, а термическое сопротивление прослоек уменьшается. Зимой, для прослоек, расположенных в наружной части конструкций, отмечается обратное явление.

Для применения в практических расчетах нормы строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиП приводят значения термических сопротивлений замкнутых воздушных прослоек

указанные в табл. 1.8.

Величины Rв.пр, приведенные в таблице, соответствуют разности температур на поверхностях прослоек, равной 10°. При разности температур 8°, величина Rв.пр умножается на коэффициент 1,05, а при разности 6° — на 1,10.

Приведенные данные о термическом сопротивлении относятся к замкнутым плоским воздушным прослойкам. Под замкнутыми понимаются воздушные прослойки, ограниченные непроницаемыми материалами, изолированные от проницания воздуха извне.

Поскольку пористые строительные материалы воздухопроницаемы, к замкнутым могут быть отнесены, например, воздушные прослойки в конструктивных элементах из плотного бетона или других плотных материалов, практически не пропускающих воздуха при тех величинах разности давлений, которые типичны для эксплуатируемых зданий.

Экспериментальные исследования показывают, что термическое сопротивление воздушных прослоек в кирпичной кладке снижается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8. При недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором (например, при выполнении работ в зимних условиях) воздухопроницаемость кладки может возрасти, а термическое сопротивление воздушных прослоек приблизиться к нулю. Достаточная защита конструкций с воздушными прослойками от воздухопроницания является совершенно необходимой для обеспечения требуемых теплофизических свойств ограждающих конструкций.

Иногда в бетонных или керамических блоках предусматривают прямоугольные пустоты небольшой длины, часто приближающиеся к квадратной форме. В таких пустотах передача лучистого тепла возрастает за счет дополнительного излучения боковых стенок. Прирост величины αл незначителен при отношении длины прослойки к ее толщине, равной 3:1 или более; в пустотах квадратной или круглой формы этот прирост достигает 20%. Эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий передачу тепла конвекцией и излучением в квадратных и круглых пустотах значительных размеров (70—100 мм) существенно возрастает, в связи с чем использование таких пустот в материалах с ограниченной теплопроводностью (0,50 ккал/м·ч·град и менее) не имеет смысла с точки зрения теплофизики. Применение квадратных или круглых пустот указанного размера в изделиях из тяжелых бетонов имеет главным образом экономическое значение (уменьшение веса); это значение утрачивается для изделий из легких и ячеистых бетонов, поскольку использование таких пустот может привести к понижению термического сопротивления ограждающих конструкций.

В противоположность этому, применение плоских тонких воздушных прослоек, особенно при многорядном их расположении в шахматном порядке (рис. 1.13), целесообразно. При однорядном размещении воздушных прослоек более эффективно их расположение в наружной части конструкции (если обеспечена ее воздухонепроницаемость), поскольку термическое сопротивление таких прослоек в холодный период года возрастает.

Применение воздушных прослоек в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями более рационально, чем в наружных стенах, поскольку передача тепла конвекцией в горизонтальных прослойках этих конструкций существенно уменьшается.

Теплофизическая эффективность воздушных прослоек в летних условиях (защита от перегрева помещений) снижается по сравнению с холодным периодом года; однако эта эффективность возрастает за счет использования прослоек, вентилируемых в ночное время наружным воздухом.

При проектировании полезно иметь в виду, что ограждающие конструкции с воздушными прослойками обладают меньшей влажностной инерцией по сравнению со сплошными. В сухих условиях конструкции с воздушными прослойками (вентилируемыми и замкнутыми) быстро подвергаются естественной сушке и приобретают дополнительные теплозащитные свойства за счет малой влажности материала; во влажных помещениях наоборот — конструкции с замкнутыми прослойками могут сильно переувлажняться, что связано с потерей теплофизических качеств и вероятностью преждевременного их разрушения.

Из предыдущего изложения было видно, что передача тепла через воздушные прослойки в большой мере зависит рт излучения. Однако применение отражательной изоляции с ограниченной долговечностью (алюминиевой фольги, окраски и т. д.) для повышения термического сопротивления воздушных прослоек может быть целесообразным только в конструкциях сухих зданий с ограниченным сроком службы; в сухих капитальных зданиях дополнительный эффект отражательной изоляции также полезен, но следует учитывать, что даже при утрате ее отражательных качеств теплофизические свойства конструкций должны быть не менее требуемых с тем, чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию конструкций.

В каменных и бетонных конструкциях с большой начальной влажностью (а также во влажных помещениях) использование алюминиевой фольги, утрачивает смысл, так как ее отражательные свойства могут быть быстро нарушены из-за коррозии алюминия во влажной щелочной среде. Применение отражательной изоляции наиболее эффективно в горизонтальных замкнутых воздушных прослойках при направлении потока тепла сверху вниз (цокольные перекрытия и т. д.), т. е. в том случае, когда конвекция почти отсутствует и передача тепла происходит в основном путем излучения.

Отражательной изоляцией достаточно покрыть только одну из поверхностей воздушной прослойки (более теплую, сравнительно гарантированную от эпизодического появления конденсата, быстро ухудшающего отражательные свойства изоляции).

Возникающие иногда предложения о теплофизической целесообразности разделения воздушных прослоек по толщине экранами из тонкой алюминиевой фольги в целях резкого уменьшения потока лучистого тепла не могут быть использованы для ограждающих конструкций капитальных зданий, поскольку малая эксплуатационная надежность такой теплозащиты не соответствует необходимой долговечности конструкций указанных зданий.

Расчетное значение термического сопротивления воздушной прослойки с отражательной изоляцией на более теплой поверхности повышается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8.

В южных районах конструкции с воздушными прослойками обладают достаточной эффективностью в отношении защиты помещений от перегрева; применение отражательной изоляции приобретает в этих условиях особенно большой смысл, поскольку превалирующая часть тепла передается в жаркое время года излучением. Целесообразно в целях повышения теплозащитных свойств ограждений и снижения их веса, экранировать наружные стены многоэтажных зданий лучеотражающими долговечными отделками (например, полированными алюминиевыми листами) с тем, чтобы под экранами была расположена воздушная прослойка, другая поверхность которой покрыта окрасочной или иной экономичной отражательной изоляцией.

Читать еще:  Как скрыть трубы в ванной комнате

Усиление конвекции в воздушных прослойках (например, за счет активного вентилирования их наружным воздухом, поступающим с затененных, озелененных и обводненных участков прилегающей территории) превращается для летнего периода в положительный теплофизический процесс, в противоположность зимним условиям, когда этот вид переноса тепла, в большинстве случаев, совершенно нежелателен.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Лучеиспускание, теплопроводность и конвекция

Из всех элементов здания наружные ограждающие конструкции имеют наибольшие потенциальные возможности для экономии энергии. Для того чтобы спроектировать эффективное в теплозащитном отношении наружное ограждение здания, необходимо хорошо представлять себе механизм теплопередачи.
Распространение тепла в здании происходит следующими споособами: лучеиспусканием, конвекцией, теплопроводностыо в испарением (либо конденсацией).
Лучеиспускание — это процесс, при котором тепло передается от более горячего тела к более холодному, когда оба тела разделены воздушной прослойкой или между ними существует вакуум.
Конвекция — это процесс, при котором тепло передается из одной части пространства в другую благодаря движению молекул. Теплопроводность — процесс, при котором происходит перенос тепла в сплошной материальной среде от более нагретых к более холодным молекулам, когда эти молекулы находятся в непосредственном контакте между собой.
Испарение (или конденсация) имеет место при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое (превращенив жидкости в газ или наоборот), сопровождающемся поглощением или выделением тепла.
Теплопоступления и теплопотери, от которых зависит температурный режим в помещениях, а следовательно, в комфортное самочувствие людей, непосредственно зависят от таких физических свойств строительных материалов, как теплопроводность, термическое сопротивление, коэффициент излучения (радиационная характеристика) поверхности ограждающей конструкции, коэффициент конвективной теплоотдачи огр аждающей поверхности теплоемкость материала ограждения.
Интенсивность теплового потока, проходящего через крышу, стены или пол, зависит от так называемого коэффициента общей теплопередачи (И) ограждающей конструкции. Ниже приведены определения этого понятия, как и других теплотехнических величин, непосредственно с ним связанных (для условий стационарного теплопотока, проникающего через ограждение).
Общий коэффициент теплопередачи И, Вт/(м2.°С), — количество тепловой энергии, Вт, проходящей через единицу площади ограждающей поверхности (крыши, стены или пола) в реальных условиях при данном перепаде температур.
Удельная теплопроводность , Вт/ (м2.°С), — интенсивность прохождения потока тепловой энергии через единицу поверхности и единицу толщины однородного материала при перепаде температур в 1°С.
Коэффициент теплопроводности материала ограждения С, Вт/(м2.°С), интенсивность прохождения потока тепловой энергии через единицу поверхности материального слоя с однородной или неоднородной структурой, имеющего любую толщину, при перепаде температур в 1°С.
Коэффициент теплопроводности замкнутой воздушной прослойки а, Вт/ (м2 .°С), — интенсивность прохождения потока тепловой энергии через единицу поверхности воздушной прослойки при разности температур в 1 °С между элементами, ограничивающими прослойку. Зависит от расположения поверхностей и от излучательной способности.
Коэффициент конвективной теплоотдачи поверхности , Вт/ (м2 .°С), интенсивность потока тепловой энергии через единицу поверхности ограждения в результате движения воздуха относительно поверхности с площадью при разности температур поверхности и воздуха 1 °С.
Излучательная способность Е — степень эффективности излучения (поглощения) тепла поверхностями, ограничивающими объем воздуха.
При расчете коэффициента общей теплопередачи следует помнить, что коэффициенты теплопередачи через отдельные слои ограждения нельзя рассматривать просто как слагаемые. Коэффициент общей теплопередачи всегда будет меньше, чем коэффициент теплопередачи любого из элементов ограждения.
Здесь уместно рассмотреть также и ряд других аспектов, связанных с проектированием ограждающих конструкций здания, а именно: воздействие ветра, влияние регулируемых воздушных прослоек, влияние типа остекления.

Воздействие ветра на наружные поверхности здания

Теплопотери через наружные ограждения зависят также от скорости ветра и от состояния воздуха в помещении, контактирующего с внутренними поверхностями ограждений. При расчете интенсивности теплообмена между наружным воздухом и воздухом в помещении следует помнить о термическом сопротивлении воздушного слоя, прилегающего к поверхностям ограждений. Внутренние поверхности огр аждающих конструкций зимой обычно имеют более низкую температуру, чем воздух в помещении. Вследствие конвекции теплый воздух соприкасается с более холодной поверхностью стены и нагревает ее. Температура наружного воздуха зимой ниже, чем температура наружной поверхности стены. При ветре стена охлаждается, что приводит к увеличению теплопотерь. Таким образом, воздух в помещении и наружный воздух обладают собственными коэффициентами термического сопротивления. От значений этих коэффициентов зависит теплоотдача с поверхности ограждений в воздушную среду. Неподвижный воздух имеет лучшие теплоизоляционные свойства, чем воздух при наличии ветра.

Влияние регулируемых воздушных прослоек

Правильно устроенные воздушные прослойки в стенах, перекрытиях и полах здания помогут значительно снизить теплопотери. Следует отметить, что термическое сопротивление воздушной прослойки зависит не от ее ширины, а от других факторов — например, от ее расположения и направления потока тепла. Если ограждения оклеить изнутри отражающей алюминиевой фольгой и создать воздушную прослойку шириной от 1,9 до 10 см, то по изоляционным свойствам эта прослойка окажется эквивалентной слою теплоизоляционного материала толщиной 7,5 см.

Расход энергии в зданиях сильнее всего зависит от типа остекления; это объясняется теплопередачей через поверхность стекол, притоком инсоляционного тепла и инфильтрацией наружного воздуха. Теплопередача через стекло происходит гораздо интевсивнее, чем через самую непрозрачную перегородку.
Во многих современных общественных зданиях площадь остекления чересчур велика по сравнению с той, которая требуется для нормального естественного освещения, естественной вентиляции или просто обзора.
Большая площадь остекления может создать известные неудобства для людей, вынужденных подолгу находиться перед окнами: мешают перегрев помещений, попадание прямых солнечных лучей в глаза, слепящие блики на поверхности рассматриваемых предметов. Ликвидировав излишнюю площадь остекления и уменьшив размеры окон, можно снизить расход энергии на теплопотери через стены подвального помещения и пол, находящийся ниже уровня земли.
У большинства подвальных помещений площадь соприкоснования с наружным воздухом не настолько велика, чтобы это вызывало теплопотерю за счет конвекции. Поэтому потери тепла через пол обычно невелики, а температура в подпольном помещении лишь незначительно колеблется в течение года. Грунт является хорошим приемником тепла и может поглотить большое его количество, практически не меняя при этом своей температуры. Как правило, при проектировании помещений, расположенных ниже уровня земли, значение теплопотерь через полы принимается равным 0,5 ккал/ч, а через стены подвальвого помещения — 1 ккал/ч.

Теплопотери в примыканиях бетонных плит.

Полы из бетонных плит, устроенные выше уровня земли и находящиеся в контакте с наружным воздухом, характеризуются значительными теплопотерями. Для борьбы с этим необходимо изолировать бетонные плиты.

Основы теории теплопередачи

Двумя главными механизмами теплопередачи являются теплопроводность (проводимость) и конвекция. Основной закон теплопередачи гласит, что количество тепла, передаваемого за счет теплопроводности в твердом веществе, зависит от трех количественных параметров, каковыми являются:
С — коэффициент теплопроводности материала, ккал/ (м.ч.°С);
А — площадь поверхности, через которую происходит теплопередача (стены, крыши, остекления), м2
Т— температурный градиент (изменение температуры по толщине стенки), °С/м.

Использована литература: К.Смит «Эффективное использование электроэнергии», М., Энергоиздат, 1981

Проектирование бань | Totalarch

Вы здесь

Теплоизолирующая способность воздушных прослоек

Зазоры, доступные потокам воздуха, являются продухами, ухудшающими теплоизоляционные характеристики стен. Зазоры же замкнутые (так же как закрытые поры вспененного материала) являются теплоизолирующими элементами. Ветронепродуваемые пустоты широко применяются в строительстве для снижения теплопотерь через ограждающие конструкции (щели в кирпичах и блоках, каналы в бетонных панелях, зазоры в стеклопакетах и т. п.). Пустоты в виде непродуваемых воздушных прослоек используются и в стенах бань, в том числе каркасных. Эти пустоты зачастую являются основными элементами теплозащиты. В частности, именно наличие пустот с горячей стороны стены позволяет использовать легкоплавкие пенопласты (пенополистирол и пенополиэтилен) в глубинных зонах стен высокотемпературных бань.

В то же время пустоты в стенах являются самыми коварными элементами. Стоит в малейшей степени нарушить ветроизоляцию, и вся система пустот может стать единым продуваемым выхолаживающим продухом, выключающим из системы теплоизоляции стен все внешние теплоизоляционные слои. Поэтому пустоты стараются делать небольшими по размеру и гарантированно изолируют друг от друга.

Использовать понятие теплопроводности воздуха (а тем более использовать ультранизкое значение коэффициента теплопроводности неподвижного воздуха 0,024 Вт/м град) для оценки процессов теплопередачи через реальный воздух невозможно, поскольку воздух в крупных пустотах является крайне подвижной субстанцией. Поэтому на практике для теплотехнических расчётов процессов передачи тепла даже через условно «неподвижный» воздух применяют эмпирические (опытные, экспериментальные) соотношения. Чаще всего (в простейших случаях) в теории теплопередачи считается, что тепловой поток из воздуха на поверхность тела в воздухе равен Q = α∆Т, где α — эмпирический коэффициент теплопередачи «неподвижного» воздуха, ∆Т — разность температур поверхности тела и воздуха. В обычных условиях жилых помещений коэффициент теплопередачи равен ориентировочно α = 10 Вт/м² град. Именно этой цифры мы будем придерживаться при оценочных расчётах прогрева стен и тела человека в бане. При помощи потоков воздуха со скоростью V (м/сек), тепловой поток увеличивается на величину конвективной составляющей Q=βV∆T, где β примерно равен 6 Вт•сек/м³•град. Все величины зависят от пространственной ориентации и шероховатости поверхности. Так, по действующим нормам СНиП 23-02-2003 коэффициент теплопередачи от воздуха к внутренним поверхностям ограждающих конструкций принимается равным 8,7 Вт/м² град для стен и гладких потолков со слабо выступающими рёбрами (при отношении высоты рёбер «h» к расстоянию «а» между гранями соседних рёбер h/a 0,3); 8,0 Вт/м² град для окон и 9,9 Вт/м² град для зенитных фонарей. Финские специалисты принимают коэффициент теплопередачи в «неподвижном» воздухе сухих саун равным 8 Вт/м² град (что в пределах ошибок измерений совпадает с принимаемым нами значением) и 23 Вт/м² град при наличии потоков воздуха со скоростью в среднем 2 м/сек.

Читать еще:  Лучшие рецепты бомбочек для ванной своими руками

Столь малое значение коэффициента теплопередачи в условно «неподвижном» воздухе α = 10 Вт/м² град соответствует понятию воздуха как теплоизолятора и объясняет необходимость использования высоких температур в саунах для быстрого согрева тела человека. Применительно же к стенам это означает, что при характерных теплопотерях через стены бани (50- 200) Вт/м² разница температур воздуха в бане и температур внутренних поверхностей стен бани может достигать (5-20)°С. Это очень большая величина, часто никак и никем не учитывающаяся. Наличие в бане сильной конвекции воздуха позволяет снизить перепад температуры вдвое. Отметим, что столь высокие перепады температур, характерные для бань, недопустимы в жилых помещениях. Так, нормируемый в СНиП 23-02-2003 температурный перепад между воздухом и стенами не должен превышать 4°С в жилых помещениях, 4,5°С в общественных и 12°С в производственных. Более высокие перепады температур в жилых помещениях неминуемо приводят к ощущениям холода от стен и выпадению росы на стенах.

Основы теплозащиты зданий. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций на зимние условия

Задачи теплозащиты зданий следующие:

  • • обеспечение комфортной температуры воздуха в помещениях (оптимально 20-22°С):
  • • обеспечение требуемой температуры внутренних поверхностей, ограждающих помещение: стены – минимум 16–18°С (если температура ниже, то появляется ощущение сквозняка около стен, на стенах возможно выпадение конденсата); пола – оптимально 22–24°С;
  • • накопление тепла в ограждающих конструкциях (тепловая инерция). Быстрый нагрев и быстрое охлаждение помещений под влиянием солнечного тепла являются отрицательным качеством («барачный микроклимат»);
  • • обеспечение нормальной относительной влажности воздуха в помещении (50–60%); менее 40% – сухость слизистой оболочки, более 60% – парниковый микроклимат;
  • • ограничение движения воздуха: максимально – 0,2 м/с, больше 0,2 м/с – возникает ощущение сквозняка.

Теплозащита должна обеспечить комфорт в помещении как в зимних (защита от холода), так и в летних условиях (защита от перегрева). Очень велико значение теплозащиты по условиям экономии энергии. Сырьевые запасы истощатся. Нефть, газ, уголь становятся дефицитными, так как они невоспроизводимы. Их необходимо экономить.

Также велико значение теплозащиты по условиям охраны окружающей среды. Чем меньше сжигается топлива, тем меньше выбросы вредных газов (углекислый газ СО2, угарный газ СО, оксиды азота и серы). В соединении с атмосферной влагой они образуют кислоты, которые в виде кислотных дождей разрушают природу, здания и сооружения. Поэтому теплозащита – это также и защита окружающей среды.

Теплотехнический расчет на зимние условия осуществляется для условий установившегося потока тепла через ограждение. Например, это происходит при наличии центрального отопления в здании и при установившейся холодной погоде с незначительными колебаниями температуры. При этом тепловой поток направлен из помещения наружу. Ограждение считается однородным, если выполнено из одного материала, и слоистым, если состоит из слоев, расположенных параллельно внешним плоскостям ограждения, выполненных из различных материалов. В стационарных условиях теплопередачи количество теплоты Q (Дж), проходящее через ограждающую конструкцию площадью F (м2) и толщиной δ (м), может быть определено на основе закона Фурье (рис. 15.3):

Рис. 15.3. К определению количества теплоты, проходящего через ограждающую конструкцию

(15.1)

где и – температуры внутренней и наружной (теплой и холодной) поверхностей ограждения, °С; λ – коэффициент теплопроводности материала ограждения, Вт/(м2 • °С); 2 – время передачи тепла, ч.

Значения коэффициентов теплопроводности колеблются в очень широких пределах – от 407 Вт/(м2 • °С) у меди до 0,04 Вт/(м2 • °С) у пенопластов. Они зависят от структуры материалов и в основном от их плотности. Чем она меньше, тем меньше теплопроводность. Помимо плотности на теплопроводность влияет влажность материала, так как влага, заполняющая поры влажного материала, имеет значительно бо́льшую теплопроводность, чем воздух.

Из рис. 15.4 очевидно, что коэффициент теплопроводности кирпича в сухом климате Иркутска значительно меньше величины коэффициента теплопроводности, например, в Санкт-Петербурге. Поэтому величины коэффициентов теплопроводности материалов следует принимать с учетом влажностного режима помещений, условий эксплуатации ограждающих конструкций А или Б и карты зон влажности России (см. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий») .

Рис. 15.4. Изменение теплопроводности кладки из кирпича глиняного обыкновенного в зависимости от его влагосодержания

ω = (Рвл – Рсух) • 100/Рсух, %, где Рвл и Рсух – соответственно массы влажного и сухого материала

В Своде правил к этому СНиПу (СП 23-101-2000) приведены значения коэффициентов теплопроводности для большого числа современных строительных материалов, эксплуатирующихся в различных условиях влажности.

В формуле (15.1) величина , Вт/(м2 • °С), является основным показателем теплозащиты ограждающей конструкции, который называется коэффициентом теплопередачи и обозначается греческой буквой а. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи , называется термическим сопротивлением или сопротивлением теплопередаче однородной ограждающей конструкции. В слоистых конструкциях термическое сопротивление равно сумме термических сопротивлений ее слоев. При переходе тепла через наружное ограждение температура внутри конструкции изменяется. При этом понижается температура около ее внутренней и внешней поверхностей. Такое падение температуры свидетельствует о наличии дополнительных сопротивлений переходу тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности и от наружной поверхности к наружному воздуху. Эти сопротивления обозначают . В СНиПе даются значения обратных величин: коэффициентов тепловосприятия и теплоотдачи , равных соответственно 1/Rв и 1 /RH. Эти значения зависят от условий конвекции воздуха около этих поверхностей. Для гладких внутренних и наружных ограждающих конструкций эти значения, полученные путем многократных измерений во всем мире, равны и .

Для чердачных перекрытий. Соответственно, общее сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции составит

(15.2)

где η – число слоев.

Если в стене имеется замкнутая воздушная прослойка, то ее термическое сопротивление Rв.п следует включать как слагаемое в формулу (15.2). Величина Rв.п определяется по табл. 15.3.

Таблица 15.3

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Толщина воздушной прослойки, м

Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки Rв.п, (м2 • °С)/Вт

горизонтальной при потоке тепла снизу вверх и вертикальной

горизонтальной при потоке тепла сверху вниз

При температуре воздуха в прослойке

Примечание. При оклейке одной или обеих поверхностей воздушной прослойки алюминиевой фольгой термическое сопротивление следует увеличивать в два раза.

Передача тепла происходит тремя способами: за счет теплопроводности, за счет конвекции (тепловое гравитационное перемещение жидкости или газа) и за счет радиации (например, передача тепла от Солнца на Землю через вакуум безвоздушного пространства). В теплотехнических расчетах мы учитываем в основном первый тип передачи тепла, хотя в конструкциях с замкнутыми воздушными прослойками, да и в порах материалов имеют место и два других типа теплопередачи. Для повышения сопротивления теплопередаче замкнутой воздушной прослойки за счет снижения радиационной составляющей при передаче тепла ее теплую поверхность покрывают отражающим радиацию материалом, например алюминиевой фольгой. Этот прием увеличивает сопротивление теплопередаче воздушной прослойки почти вдвое. Кроме того, такие прослойки следует располагать горизонтально, а не вертикально, для того чтобы уменьшить конвекцию воздуха и снизить конвективную составляющую при передаче тепла.

Определение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции производится исходя из гигиенических соображений и из соображений экономии энергии.

Исходя из гигиенических соображений при установившемся потоке тепла требуемое сопротивление теплопередаче определяется по закону Фурье (15.1) при F= 1 м2 и z = 1 ч. При этом количество тепла, проходящее через границы слоев, одинаково:

(15.3)

В этих уравнениях нам известны tв и tн, tB задается в СНиПах для соответствующих видов зданий; например, для жилья tB = 20°С. tн определяется по СНиП «Строительная климатология» как средняя температура самых холодных суток (t1), либо как средняя температура самой холодной пятидневки (t5), либо как средняя температура самых холодных трех суток (t3 = (t1 + t5)/2) в зависимости от массивности ограждающей конструкции, характеризующей ее тепловую инерцию D:

где – сопротивление теплопередаче слоев конструкции; Si – коэффициенты теплоусвоения слоев материала при максимальном периоде колебаний температуры 24 ч, принимаются по СП 23-101-2000. Считается, что конструкция малой массивности (D 7 tн = t5.

Из выбранного нами равенства получаем формулу для определения требуемого общего сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции исходя из гигиенических соображений:

(15.4)

где

Величина – это разность температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной стены (или совмещенного покрытия). Она является нормируемым параметром, определяющим гигиенический комфорт температурно-влажностной среды в помещении, и составляет 4°С. Считается, что при таком перепаде температур на внутренней поверхности не будет выпадать конденсат (капли воды, образовавшиеся из пара, находящегося в воздухе помещения). При таком перепаде температур также не будет ощущения сквозняка вблизи наружной стены, образующегося за счет конвективных потоков воздуха.

Однако современная практика проектирования наружных ограждающих конструкций подчиняется не только гигиеническим требованиям, но и более жестким требованиям энергосбережения. При этом требуемое общее сопротивление теплопередаче этих конструкций существенно повышается (в три раза и более по сравнению с гигиенически необходимым). Это продиктовано принятым в 1996 г. Законом РФ «Об энергосбережеииях» и отражено в СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий». Здесь определение требуемого сопротивления теплопередаче «>’) ставится в зависимость от годовой характеристики отопительного режима района строительства – ГСОП (градусо-суток отопительного периода), °С • сут, определяемой по таблице в СНиПе.

Читать еще:  Централизованная библиотечная система мишкинского района

Градусо-сутки отопительного периода ГСОП определяют по формуле

где tв – расчетная средняя температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая для зданий позиции 1 табл. 15.4 от 20 до 22°С,

Таблица 15.4

Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций

Здания и помещения

Градусо-сутки отопительного периода, сут

Нормируемые значения сопротивления теплопередаче , (м2 • °С)/Вт, ограждающих конструкций

покрытий и перекрытий над проездами

перекрытий чердачных, над неотапливаемыми подпольями и подвалами

Теплозащитные характеристики ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений.

Главный специалист ООО «Компания «Стройинженерсервис»
доктор технических наук А. Б. Федоров.

Начальник кафедры Военного Инженерно-Технического Университета
кандидат технических наук А. И. Тютюнников.

В числе научно-технических задач, решаемых при проектировании отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха каркасно-тентовых и надувных (воздухоопорных) сооружений большое внимание отводится расчету теплопотерь через ограждающие конструкции. Этот расчет, в свою очередь, связан с определением теплозащитных характеристик ограждений этих сооружений:

  • сопротивления теплопередаче Rо, м 2 ∙ 0 С/ Вт;
  • воздухопроницаемости lо,кг/м 2 ∙ч;
  • тепловой инерции D.

Схемы ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений, применяемых в настоящее время, приведены на рис 1.

Основу ограждающей конструкции каркасно-тентового сооружения составляет сборный металлический рамный каркас, укрываемый одним (внешним) тентом или двумя (внешним и внутренним) тентами из поливинилхлоридного материала (ПВХ) (см. схемы I и II). В решении схемы II между внешним и внутренним тентами образуется воздушная прослойка большой толщины (до 2,0 м).

Ограждающие конструкции надувных сооружений могут иметь один слой ПВХ (схема III) или два слоя ПВХ (схема IV). В последнем случае между двумя слоями ПВХ образуется воздушная прослойка толщиной δв. п.=18 см и более.

Для определения сопротивления теплопередаче R0 ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений могут быть применены следующие формулы:

  • для схем ограждающих конструкций I и III:

R0= (1)

  • для схем ограждающих конструкций II и IV:

R0=, (2)

  • α н и αв — коэффициенты теплоотдачи, соответственно, от наружной и внутренней поверхностей ограждения, Вт/м2∙ 0С
  • δс — толщина слоя ПВХ, м;
  • λс -коэффициент теплопроводности слоя ПВХ, Вт/м∙ 0С;
  • Rв. п. — термическое сопротивление воздушной прослойки, м2∙ 0С/ Вт.

Рассмотрим составные части сопротивления теплопередаче R0 рассматриваемых ограждающих конструкций и оценим их вклад в теплозащитные характеристики ограждений.

Значения коэффициентов теплоотдачи αн и αв рекомендуется принимать:

  • для зимних условий — αн=23 Вт/м2∙ 0С;
  • для внутренних поверхностей стен и потолков — αв=8,7 Вт/м2∙ 0С.

При этом суммарное сопротивление теплопереходу от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения и теплопереходу от внутренней поверхности ограждения к внутреннему воздуху сооружения будет равно:

Rα = м2∙ 0С/ Вт

Известны следующие теплотехнические характеристики поливинилхлоридного материала:

  • коэффициент теплопроводности — λс =0,16 Вт/м∙0С;
  • объемный вес – γс=1350 кг/м3.

При толщине слоя ПВХ в ограждающей конструкции δс =0,001м его термическое сопротивление составит:

Rc = м2∙ 0С/ Вт,

т. е. значение Rc весьма мало и вклад слоя ПВХ в теплозащиту ограждающих конструкций (схемы I и III) составит не более 4%. Следовательно для ограждающих конструкций схем I и III Rо= Rα=0,164 м2∙ 0С/ Вт.

В нормативных и справочных документах приводятся значения термического сопротивления воздушных прослоек Rв. п. только при их толщине не более 0,2-0,3 метра. Рассмотрим возможные оценки термического сопротивления воздушных прослоек Rв. п. при толщине от 0,3 до 2,0 метров, предполагая, что оболочки воздушных прослоек замкнуты и герметичны.

Теплообмен в воздушных прослойках происходит конвекцией и излучением. Для определения теплового потока, передаваемого конвекцией (и теплопроводностью) q′к, может быть применена следующая формула: q′к=α′к(tн-tв), (3)

  • α′к – коэффициент теплоотдачи конвекцией и теплопроводностью через воздушную прослойку, Вт/м2∙ 0С. Значение α′к может быть определено по формуле, рекомендованной М. А. Михеевым («Основы теплопередачи» М., 1973):

, (4)

  • ∆t – разность температур на поверхностях воздушного прослойка, 0С;
  • δ — толщина воздушного прослойка, мм.

Результаты расчетов значений α′к для воздушных прослоек большой толщины (до 2 метров) и при разности температур (tв-tн)=400С приведены на графике рис.2.

Тепловой поток через воздушную прослойку излучением можно определить по формуле: qл=(tн-tв)αл, (5)

  • αл — коэффициент теплоотдачи излучением через воздушную прослойку, Вт/м2∙ 0С, равен:

, (6)

  • Сн и Св – коэффициенты излучения поверхностей наружного и внутреннего слоев оболочки. В нашем случае принимаем Сн=Св=5,16 Вт/м2∙ ;
  • Со–коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,7 Вт/м2∙ ;

— температурный коэффициент, зависящий от величены средней температуры воздушной прослойки, значения которого можно установить, зная величины температур tн и tв. Так для холодного периода года г. Санкт-Петербурга:

0С, m=0,77.

Тогда: Спр=4,6 Вт/м2∙ , а αл=4,6ּ0,77=3,54 Вт/м2∙ 0С, которое не зависит от толщины воздушной прослойки.

Термическое сопротивление воздушной прослойки для холодного периода будет равно:

(7)

Результаты расчетов коэффициентов αл (при Спр=4,6), α′к, термических сопротивлений воздушных прослоек Rв. п. и сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций Rо в зависимости от толщины прослойки δв. п. для холодного периода года условий г. Санкт-Петербурга представлены на графиках рис.2.

Результаты расчетов позволяют отметить следующее:

  • вклад в передачу тепла через воздушную прослойку излучением существенно больше, чем конвекций, и может составлять при δв. п.=2,0 метра до 70-75%;
  • при увеличении толщины воздушной прослойки с 0,3 метра до 2,0 метров термическое сопротивление ее повышается не более, чем на 20-25%;
  • вклад воздушной прослойки в сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (схема II и IV) составляет до 50-60%. Это указывает на целесообразность применения замкнутых герметичных воздушных прослоек, образующихся между ПВХ, что обеспечивает создание ограждений с более высокими теплозащитными характеристиками;
  • устанавливаемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений (Rо=0,16-0,39 м2∙ 0С/Вт) существенно меньше нормативных значений сопротивления теплопередаче для стен зданий, регламентированных СНиП. Но они практически равны нормативным значениям для светопрозрачных ограждений (фонари, окна и т. п.). Выполнение ограждающих конструкций каркасно-тентовых сооружений с нормативными значениями, рекомендуемых для стен зданий, возможно в случае применения теплоизоляционных материалов, что приведет к удорожанию и существенному увеличению сроков строительства.

Теплозащитные характеристики ограждений зависят от воздухопроницаемости применяемых строительных материалов и в целом от конструкции ограждений. Материал ПВХ, используемый в ограждающих конструкциях каркасно-тентовых и надувных сооружений практически воздухонепроницаем. При расчетных значениях теплового и ветрового напоров ∆Р=1–2 мм. вод. ст. его воздухопроницаемость может составить не более 0,001- 0,004 кг/м2∙ч. Конструкции ограждений каркасно-тентовых и надувных сооружений могут иметь неплотности в местах:

  • сочленение отдельных полотен покрытий из ПВХ;
  • крепления покрытий (тентов) к металлическому каркасу;
  • крепления покрытий (тентов) к фундаменту сооружения.

Через указанные неплотности может инфильтрировать наружный воздух в результате воздействия теплового и ветрового напоров.

Опыт нашего проектирования каркасно-тентового и надувного сооружений, используемых для спортивных площадок (с полезным объемом соответственно

17.000 м3 и 11.200 м3), при котором была осуществлена расчетная оценка возможных неплотностей в ограждающих конструкциях и количеств инфильтрующегося воздуха, позволяет отметить, что кратность воздухообмена в сооружениях в результате инфильтрации наружного воздуха может достигать в холодный период года до

0,3 1/ч. Вполне очевидно, что степень влияния инфильтрации наружного воздуха на температурно-влажностный режим каркасно-тентовых и надувных сооружений должна устанавливаться на основе результатов испытаний сооружений на герметичность, которые должны производиться после окончания их строительства, а также периодически при их эксплуатации.

Тепловая инерция D ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений может быть оценена по формулам:

  • при одном слое ПВХ: D1=RcּSc; (9)
  • при двух слоях ПВХ: D2=2RcּSc, (10),
  • Sc – коэффициент теплоусвоения слоя ПВХ, Вт/м2∙ 0С, равный при 24-часовом периоде

Принимая Сс=1,26 кДж/кг∙0С, получаем:

Sc=0,27 Вт/м2∙ 0С

Тогда: D1=0,0063ּ4,5=0,028; D2=2ּ0,0063ּ4,5=0,056.

Представленные результаты оценки тепловой инерции ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений свидетельствуют о том, что они по этому показателю относятся к безинерционным ограждениям (к наилегчайшим по степени массивности), для которых расчетная продолжительность холодного отрезка времени составляет не более суток. Ранее действующий СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника» в этом случае за расчетную температуру наружного воздуха холодного периода года tн рекомендовал принимать абсолютно-минимальную температуру для рассматриваемого климатического района или, по крайней мере, среднюю температуру наиболее холодных суток. Принятие в качестве расчетной температуры наружного воздуха холодного периода года более высокой температуры (например, средней температуры наиболее холодной пятидневки) будет связано с понижением показателя обеспеченности заданных температурно-влажностных условий в сооружениях.

Критерием для обоснованного выбора расчетного значения температуры наружного воздуха холодного периода года tн при определении теплопотерь каркасно-тентовых и надувных сооружений может быть, по нашему мнению, допустимая продолжительность периода, в течение которого возможно нарушение заданных параметров внутреннего воздуха в сооружениях.

Заключение

Результаты анализа теплозащитных характеристик ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений свидетельствуют о том, что в настоящее время практически отсутствует нормативная база для их проектирования. В этой связи необходимо обобщить существующий опыт проектирования указанных сооружений с целью совершенствования положений СНиП, направленных на установление:

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector