Теплопроводность. Уравнение теплопроводности в конечных разностях. Теплофизические характеристики строительных материалов. – 1 час 1 страница

Учет воздушного режима здания при расчете отопления и вентиляции. Утилизация теплоты выбросного воздуха. Учет воздушного режима при выборе основных схем, элементов и при расчете систем отопления и вентиляции.- 1 час

Воздухопроницаемость конструкций здания и элементов вентиляционных систем. Характеристика и уравнение процесса. Воздушный режим здания. Гравитационное и ветровое давление. Источники загрязнения воздуха в гражданских зданиях. – 1 час

Теплоустойчивость ограждения. Теплоустойчивость помещения. Процесс общего теплообмена и поглощения тепла в помещении. Показатели теплоусвоения, теплопоглощения и теплообмена в помещении.- 1 час

Приведенное сопротивление теплопередаче неоднородного ограждения. Теплопередача наружного угла, стыка ограждения, ограждения с проемом. Нестационарная теплопередача через ограждение. – 1 час

Уравнения теплового баланса помещения. Теплообмен человека в помещении. Показатели и модели теплового комфорта. Условия комфортности тепловой обстановки в помещении. Степень дискомфортности. Оптимальные и допустимые условия в помещении. – 1 час

Теплообмен в помещении. Общая картина лучистого, конвективного и струйного теплообмена. Виды теплообмена и элементы помещения, участвующие в нем. Особенности лучистого теплообмена и излучение поверхностей в помещении. Конвективный теплообмен в помещении. – 1 час

Дисциплина «Строительная теплофизика», ее значение как информационной базы о комфорте зданий, необходимой для проектирования и эксплуатации техники отопления и вентиляции, а также пассивных средств формирования комфорта. Явления тепло-воздухо- и влагообмена и их взаимосвязь. – 1 час

Rules.

Every programming language has rules about what it can and can not do. These include:

• Correct numbers (types of numbers, and how large or small the numbers can go)

• Words (reserved words, case-sensitivity)

• Limits on what the programming language can do

Строительная наука состоит из большого числа разделов, затра­гивающих разные отрасли знаний. Многие из этих разделов, бывшие до недавнего времени частями физики, механики, геологии и других наук, превратились в настоящее время в самостоятельные научные дисциплины. Одной из таких дисциплин является строительная теплофизика, в которой изучаются явления передачи тепла, переноса вла­ги, фильтрации воздуха применительно к строительству.

Строительная теплотехника занимается изучением теплопередачи и воздухопроницания через ограждающие конструкции зданий, а также влажностного режима ограждающих конструкций, связанного с процессами теплопередачи.

Знание строительной теплотехники необходимо строителям для рационального проектирования наружных ограждающих конструкций. Особенно большое значение имеет знание строительной теплотехники для современного строительства, в котором широко применяются сборные облегченные конструкции из новых эффективных материалов. От теплотехнических качеств наружных ограждений зданий зависят:

а) в отапливаемых зданиях — количество тепла, теряемого зданием в зимний период;

б) в холодильниках — количество холода, теряемого в летнее время, а следовательно, необходимая мощность холодильной установки и стоимость эксплуатации холодильника;

в) постоянство температуры воздуха в здании во времени при неравномерной отдаче тепла системой отопления;

г) защита здания от перегрева в летнее время, особенно в южных районах Казахстана;

д) температура внутренней поверхности ограждения, гарантирующая от образования на ней конденсата;

е) влажностный режим ограждения, влияющий на теплозащитные качества ограждения и его долговечность.

Только ясное представление о процессах, происходящих в ограждениях при теплопередаче, и умение пользоваться соответствующими расчетами дают возможность проектировщику обеспечить требуемые теплотехнические качества наружных ограждающих конструкций.

Для строителей важны многие вопросы, относящиеся к области строительной теплофизики. Это промерзание грунтов и их взаимодействие с инженерными сооружениями в районах сезонного промерзания грунтов и в об­ласти «вечной мерзлоты»; тепловлажност­ный режим гидротехнических сооружений, особенно в зоне перемен­нoгo горизонта воды и фильтрации грунтовых вод; вопросы морозостойкости материалов, сушки изделий, процессы тепло­ и массообмена при твердении бетона и изготовлении строительных деталей и конструкций на заводах.

Среди всех строительных сооружений здания подвержены наиболее сложным физическим воздействиям. Процессы тепло- и массооб­мена в помещениях зданий и ограждающих конструкциях, которые рассматриваются в строительной теплофизике, связаны с действием наружных климати­ческих условий, а также с работой систем кондиционирования микро­климата.

Строительная теплофизика рассматривает вопросы, относящиеся к области деятельности специалистов по конструкциям зданий и системам кондиционирования микроклимата. Теплотехники- строители занимаются вопросами создания микроклимата в помещении, применяя системы кондиционирования (отопления ­ охлаждения и вентиляции) с учетом влияния наружного климата через ограждения. Строителей, специалистов по конструкциям зданий, интересует режим ограждений под действием внутренних условий и наружного климата в связи с долговечностью конструкций и их эксплуатационными свойствами.

Полносборное строительство зданий и eгo инженерного оборудования из крупноразмерных элементов с применением высокоэффективных материалов является основным направлением развития современной строительной техники.

С переходом к новому виду высотной, многоэтажной застройки создаются и совершенствуются конструкции элементов сборных зданий, используются новые теплоизоляционные, облицовочные и конструктивные материалы с разнообразными физическими свойствами.

В настоящее время в полносборном строительстве наряду с больши­ми успехами имеется ряд недостатков, которые связаны с малой изу­ченностью, а в ряде случаев и с недооценкой вопросов строительной теплофизики.

В строительной индустрии расходуется мнoгo энергии, но главное состоит в том, что основной объект строительства ­ здания и сооружения ­ потребляют oгpoмнoe количество топливно-энергетических ресурсов. Расход топлива на теплоснабжение зданий составляет 40% вceгo добываемого топлива. При этом на жилые и общественные здания расходуется 26% (в городах ­ 18 %, ­ сельской местности ­ 8 %), на промышленные здания ­ 14 %. Удельная тепло потребность в строительстве, к сожалению, не сокращается.

В результате основной энергетической задачей в области строительства является проектирование зданий и сооружений с эффективным использованием энергии, модернизация существующего фонда зданий в целях экономии энергии.

Рассмотренные строительной теплофизикой вопросы должны дать будущему инженеру-строителю знания, которые позволят ему решать важные для страны задачи эффективного и экономичного расходования топливно-энергетических ресурсов в области строительства.

Лекция 2

Тепловой режим здания

Тепловым режимом здания называется совокупность всех факто­ров и процессов, определяющих тепловую обстановку в его помеще­ниях.

Помещения здания (рис. 1.) изолированы от внешней среды ог­раждающими конструкциями, что позволяет создать в них определен­ный микроклимат. Наружные ограждения защищают помещения от непосредственных атмосферных воздействий, а специальные системы кондиционирования поддерживают определенные заданные па­раметры внутренней среды. Совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в по­мещениях здания (ограждающие конструкции, солнцезащитные уст­ройства, другие конструктивно-планировочные средства, а также си­стемы отопления — охлаждения, вентиляции, кондиционирования воздуха), называют системой кондиционирования микроклимата (СКМ)

Под действием разности наружной и внутренней температур, сол­нечной радиации и ветра помещение теряет тепло через ограждения зимой и нагревается летом.

Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материала и неплотности ограждений.

Рис. 1. Различные виды воздействий на тепловой, воздушный и влажностный режимы помещения в здании в

Атмосферные осадки, влаговыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наруж­ного воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влия­нием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение за­щитных свойств и долговечности наружных стен и покрытий.

Процессы, формирующие тепловую обстановку помещения, необ­ходимо рассматривать в неразрывной связи между собой, ибо их вза­имное влияние может оказаться весьма существенным. Например, фильтрация воздуха и увлажнение конструкций могут в несколько раз увеличить теплопотери помещения зимой. В то же время создание благоприятной воздушной среды в помещении требует организации его воздухообмена и влагообмена с наружной средой.

Теплообмен в помещении

Рис. 2. Общая схема теплообмена в помещении:

1 — воздух основного объема помещения; 2 — поверхности, обращенные в помеще­ние; 3 — струи воздуха; 4 — внешняя сре­да; 5—конвективный теплообмен; 6 — лу­чистый теплообмен; 7 — струйный тепло­обмен; 8 — теплообмен теплопроводностью; / — наружное ограждение; //—панель (отопительный прибор) системы отопле­ния (охлаждения); /// — неизотермическая струя приточного воздуха.

При эксплуатации зданий определяющим является тепловой режим помещений, от которого зависит ощущение теплового комфорта людей, нормальное протекание производственных процессов, состояние и долговечность конструкций здания и его оборудования. Тепловая обстановка в помещении определяется совместным действием ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха помещения, наличием струйных течений, распределением параметров воздуха в плане и по высоте помещения, а также радиационным излучением ок­ружающих поверхностей, зависящим от их температуры, геометрии и радиационных свойств. Под действием конвективного и лучистого теплообмена и процессов массопереноса температуры воздуха и по­верхностей в помещении взаимосвя­заны и оказывают воздействие друг на друга.

Для изучения формирования микроклимата, его динамики и спо­собов воздействия на него нужно знать законы теплообмена в поме­щении.

Общая схема теплообмена в по­мещении приведена на рис. 2. Из нее следует, что в помещении в об­мене теплом участвует ряд элемен­тов. Это воздух основного (не за­нятого струйными течениями) объ­ема помещения, поверхности, об­ращенные в помещение, объемы струй воздуха, внешние среды (на­ружный воздух, теплохладоноситель в приборах системы отопле­ния— охлаждения). Между пере­численными элементами происходят следующие виды обмена теплом. Конвективный (К) теплообмен возникает между воздухом и поверхностями ограждений и приборов системы отопления — охлаждения, лучистый (Л) теплообмен — меж­ду отдельными поверхностями. В результате турбулентного переме­шивания неизотермических струй воздуха с воздухом основного объ­ема помещения происходит «струйный» (Ст) теплообмен. Внутренние поверхности наружных ограждений в основном теплопроводностью (Т) через толщину конструкций и теплообменом передают тепло на­ружному воздуху, а поверхности приборов также теплопроводностью и теплообменом — теплохладоносителю системы отопления — охлаж­дения.

Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепло­вой режим помещения, является теплообмен на поверхностях. Тепло­вой баланс любой поверхности i в помещении (рис. 2) в стационар­ных и нестационарных условиях может быть представлен на основе закона сохранения энергии уравнением

Л_i + К_i + Т_i = 0. (1)

Лучистая Л_i, конвективная К_i и кондуктивная (теплопроводностью) Т_i, составляющие теплообмена на поверхностях в помещении могут изменяться во времени, иметь различную величину и знак, но уравне­ние 1 остается неизменным для всех поверхностей в стационарных и нестационарных условиях теплообмена. Исключение составляют поверхности, на которых происходят явления, связанные с дополни­тельным выделением и поглощением тепла (испарение воды или конденсация водяного пара, облучение сосредоточенным источником теп­ла и пр.). Для таких условий в уравнение теплового баланса 1 необходимо ввести слагаемые, учитывающие наличие дополнительных источников или стоков тепла.

Температуры поверхностей в помещении неодинаковы. Обычно зимой и летом наружные ограждения и приборы систем отопления — охлаждения бывают более нагретыми или охлажденными по сравне­нию с внутренними стенами, которые имеют температуру, близкую к температуре воздуха в помещении. Между поверхностями происхо­дит теплообмен излучением, подчиняющийся общим физическим зако­номерностям, пользоваться которыми в инженерных расчетах сложно. Лучистый теплообмен в помещении происходит в условиях ограни­ченного диапазона значений температур, определенных радиационных свойств поверхностей, геометрии их расположения и пр.

Теплообмен на поверхностях в помещении

Отопительные устройства обычно имеют нагретую поверхность, от которой тепло передается помещению (исключение составляют воздуш­ные системы отопления, в которых тепло подается в помещение с нагретым воздухом). Поверхность наружных ограждений охлаждена, и через нее помещение теряет тепло. Поэтому важной составляющей, форми­рующей тепловой режим помещения, является теплообмен на нагретой и охлажденной поверхностях.

Количество тепла, которое воспринимает или отдает поверхность в результате сложного лучисто-конвективного теплообмена в помещении, равно количеству тепла, которое передается к поверхности или отводит­ся от нее теплопроводностью через толщу материала конструкции. Ба­ланс тепла на поверхности соблюдается в стационарных и в нестацио­нарных условиях

Уравнение теплового баланса, например, поверхности 1, обращенной в помещение и имеющей температуру τ_.1 записывают в виде:

(2)

где α_л1 — коэффициент лучистого теплообмена, равный:

(3)

С_о — коэффициент излучения абсолютно черного тела;

ε _пр1-R — приведенный для теплообменивающих поверхностей коэффициент относительного излучения;

φ_1-R — коэффициент облученности со стороны поверхности 1 в сторону остальных поверхностей, имеющих температуру t_R;

b_1-R — температурный коэффициент;

t_R — радиационная температура помещения, определенная от­носительно поверхности 1;

(4)

φ_1-i — коэффициент облученности с поверхности 1 на поверхность i, имеющую температуру τ_i;

α_k1 — коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м²-К), [ккал/(ч-м²°С)], равный:

(5)

β_к — численный коэффициент, равный в условиях помещения для вертикальных поверхностей 1,66 (1,43); для горизон­тальных поверхностей: при потоке тепла сверху вниз — 1,16 (1,0), при потоке тепла снизу вверх— 2,16 (1,86);

v_в — общая подвижность воздуха в помещении;

l — характерный размер поверхности;

jс — теплоемкость потока воздуха, фильтрующегося через по­верхность с интенсивностью j;

с — массовая теплоемкость воздуха;

k ׳ ₁ — коэффициент теплопередачи от поверхности 1 до внешней среды с температурой t_ср1 от которой или к которой идет поток тепла через поверхность.

Для определения плотности потока тепла на поверхности q_k+л обыч­но используют общий коэффициент теплообмена α_в1 без разделения на лучистую и конвективную составляющие:

(6)

Приравняв первых два слагаемых уравнения (2) к правой части уравнения (6) получим значение ά_в1 в виде:

(7)

Если в помещении t_п=t_в=t_R, то:

(8)

Зависимость α_в по (18) от разности температур ∆t = τ_.1 - t_п для плос­ких поверхностей, различно расположенных в помещении, приведена на рис. 3

Рис. 3 Зависимость коэффициента тепло­обмена α_в для плоской нагретой поверх­ности, различно расположенной в помеще­нии, от разности температур

1 - в плоскости пола; 2— стен; 3 — потолка

Температура воздуха часто заметно изменяется по высоте помеще­ния. Вдоль пола может стелиться холодный воздух, а под потолком об­разовываться «тепловая подушка». Интенсивность конвективного теп­лообмена на поверхностях по высоте помещения будет различной. Лу­чистый обмен теплом также зависит от расположения рассматриваемой поверхности относительно остальных нагретых и охлажденных поверх­ностей.

Теплообмен на наружной поверхности ограждения здания

Теплообмен на наружной поверхности ограждений в основном опре­деляется направлением и скоростью ветра. Поверхность здания, наря­ду с конвективным теплообменом с наружным воздухом, излучением отдает тепло поверхности земли, окружающим зданиям, небосводу, а также получает тепло в результате непосредственного облучения солнцем.

Температура окружающей здание среды неодинакова; в безоблач­ные дни температура небосвода может быть на десятки градусов ниже температуры приземного слоя воздуха. Учитывая сложность условий теплообмена и малую долю излучения в общем теплообмене на наруж­ной поверхности, температуру окружающей здание среды обычно при­нимают равной температуре наружного воздуха.

Тепловой поток от наружной поверхности здания к окружающей среде принимают равным:

(9)

где α_н — коэффициент теплообмена на наружной поверхности, имею­щей температуру τ_н.

Величина α_н принимается равной для вертикальных поверхностей:

(10)

для горизонтальных:

(11)

где v _h — скорость ветра, м/с.

Непосредственное облучение поверхности солнечными лучами учи­тывают введением условной наружной температуры t_н.усл. (повышени­ем температуры воздуха t_н на величину эквивалентной солнечному об­лучению добавки ∆t_р).

(12)

где β_р — коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью;

q — плотность потока солнечной радиации, падающего на поверх­ность.

Зимой, когда после сильных морозов наступает потепление, на по­верхности массивных ограждений здания выпадает иней. Образование инея сопровождается выделением тепла сублимации (перехода воды из парообразного в твердое состояние), которое изменяет теплопере­дачу через ограждение аналогично действию поглощенного тепла сол­нечной радиации.

Подобным образом с помощью понятий «условная температура» и «эквивалентная температурная добавка» можно учесть изменение теплообмена при конденсации водяных паров или, наоборот, при испа­рении влаги с поверхности ограждения.

Лекция 3

Тепловая обстановка и условия комфортности для человека в помещении

В жилых, общественных и промышленных зданиях требуется поддер­живать необходимые для людей и производственных процессов метео­рологические условия — определенный микроклимат.

Защита ограждений от наружных климатических воздействий недо­статочна для круглогодичного обеспечения необходимых условий в по­мещении. Эти условия могут быть созданы искусственно, например, зи­мой работой системы отопления.

Основное требование к микроклимату — поддержание условий, благоприятных для находящихся в помещении людей.

В организме человека постоянно вырабатывается тепло, которое дол­жно быть отдано окружающей среде. Поддержание постоянной темпе­ратуры организма около 36,6° С обеспечивает физиологическая система терморегуляции. Напряжение системы терморегуляции сказывается на самочувствии и работоспособности человека.

В зависимости от физиологического и эмоционального состояния че­ловека, его одежды, возраста, степени физической тяжести выполняемой работы и индивидуальных особенностей количество отдаваемого в окру­жающую среду тепла может быть различным.

В спокойном состоянии организм взрослого человека вырабатывает и отдает окружающей среде около 120 Вт (~100 ккал/ч), при тяжелой работе — до 470 (~400), а при максимальных кратковременных на­грузках — до 1000 Вт (~900 ккал/ч).

Степень физической тяжести выполняемой человеком работы услов­но определяют по интенсивности тепловыделения и считают незначи­тельной работу, при которой тепловыделения составляют до 140 Вт (120 ккал/ч), легкой до 175 (150), средней до 290 (250) и тяжелой свыше 290 Вт (250 ккал/ч)

Если теплопродукция не равна отдаче тепла, то наблюдается накоп­ление или дефицит тепла, приводящие к перегреву или переохлаждению организма. Система терморегуляции позволяет в определенных пределах обеспечивать баланс тепла, но ее возможности довольно ограничены.

Отдача тепла с поверхности тела человека происходит излучением (окружающим поверхностям помещения), конвекцией (воздуху) и в ре­зультате затрат тепла на испарение влаги (пота).

При обычных условиях в спокойном состоянии человек приблизи­тельно половину тепла теряет излучением, четверть — конвекцией и чет­верть — испарением. При тяжелой работе основная доля теряемого теп­ла приходится на испарение влаги (см. рис. 2).

Интенсивность отдачи тепла человеком зависит от тепловой обста­новки в помещении, которая характеризуется температурой воздуха t_в, радиационными условиями (радиационной температурой t_R и температу­рой τ_п, размерами и расположением нагретых и охлажденных поверх­ностей), а также подвижностью v_в и влажностью φ_в внутреннего воз­духа.

Комфортными (зона комфорта) или оптимальными считаются такие сочетания этих показателей микроклимата, при которых сохраняется теп­ловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции.

Допустимыми являются такие метеорологические условия, при ко­торых возникает незначительная напряженность системы терморегуля­ции и отмечается небольшая дискомфортность для человека тепловой обстановки в помещении.

Деятельность человека обычно связана с определенной частью объе­ма помещения. Эту часть называют обслуживаемой или рабочей зоной. Требуемые внутренние условия должны быть обеспечены системой отоп­ления и теплозащитой ограждений именно в этой зоне.

Тепловые условия в помещении зависят в основном от температуры воздуха и температуры поверхностей, т. е. определяются его температур­ной обстановкой. Основное назначение системы отопления сводится к поддержанию во всех помещениях здания в зимний период года задан­ных температурных условий.

Ощущение температурного комфорта зависит в определенной мере от температуры воздуха и температуры поверхностей, обращенных в помещение. Когда температуры воздуха t_в и поверхностей τ_п,равны, в помещении имеется температурный уровень или «температура помеще­ния» t_п, равная этой температуре. В этих условиях:

t_п=t_B=t_R. (13)

Опытами установлено, что для приблизительного соблюдения условий темпера­турного комфорта определенному понижению температуры воздуха дол­жно соответствовать приблизительно такое же повышение температуры поверхностей.

Учитывая наличие такой связи, удобно характеризовать условия в помещении «температурой помещения», понимая под ней такую одина­ковую температуру воздуха и поверхностей, при которой теплоотдача человеком будет такая же, как и при заданных неравных температурах воздуха и поверхностей.

Для наиболее распространенных помещений, с небольшой подвижно­стью внутреннего воздуха, t_п принимают приблизительно равной сред­неарифметическому значению t_в и t_{R .}

Температурную обстановку в помещении можно определить двумя условиями комфортности.

Первое условие комфортности температурной обстановки устанав­ливает зону сочетаний t_в и t_R, при которых человек, находясь в середине обслуживаемой зоны, не испытывает чувства перегрева или переохлаж­дения.

Для холодного периода года первое условие записывают в виде:

t_R ≈ 1,57 t_п -0,57 t_в± 1,5. (14)

где t_п — соответствует оптимальным условиям при разной интенсивно­сти выполняемой человеком физической работы. При спокойном состоя­нии человека t_п равна 21 — 23° С, для помещений, где человек выполняет легкую работу — 19—21, работу средней тяжести — 16 — 19 и тяжелую работу— 14— 16° С.

Это уравнение 3 определяет осредненную температурную обстанов­ку в помещении. С помощью этого уравнения можно, например, опреде­лить, какая должна быть температура воздуха, если известны радиаци­онная температура и назначение помещения. Заметная разница между t_в и t_R возникает при панельном (лучистом) или воздушном (конвектив­ном) отоплении, а также при сильно развитых холодных поверхностях наружных ограждений в помещении. В других случаях температуры t_п, t_B и t_R практически равны. В СНиП в связи с этим регламентируется только одна внутренняя температура — температура воздуха в помещении t_B. Для указанных выше помещений, в которых нужно учитывать разность между t_в и t_R, нормируемую внут­реннюю температуру следует принимать в качестве температуры поме­щения.

Кроме общего теплового баланса, на тепловое самочувствие человека влияют условия, в которых находятся отдельные части тела. Особенно существенно сказываются на ощущении комфортности обстановки теп­ловые условия, в которых находятся голова и ноги человека. Голова че­ловека чувствительнее к радиационному перегреву и переохлаждению, а для ног важны температура поверхности пола, с которой они непосред­ственно соприкасаются, и наличие холодных потоков воздуха вдоль пола.

Второе условие комфортности температурной обстановки определя­ет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека на границах обслуживаемой зоны помещения, т. е. в непосредственной близости от этих поверхностей.

Для предупреждения радиационного перегрева или переохлаждения головы человека поверхности потолка и стен могут быть нагреты до до­пустимой температуры:

τ доп наг ≤ 19,2 + 8,7/φ (15)

или охлаждены до температуры:

τ доп охл ≥ 23 − 5/φ (16)

где φ — коэффициент облученности от поверхности элементарной пло­щадки на голове человека в сторону соответственно нагретой или охлаж­денной поверхности.

Допустимая температура нагретого пола принимается равной 22 — 34° С в зависимости от назначения и особенностей режима работы поме­щения. Температура холодного пола зимой может быть ниже температу­ры воздуха максимально на 2 — 2,5° С. Следует иметь в виду, что тепло­вое ощущение человека и потери тепла ногами зависят не только от тем­пературы, но и от свойства теплоусвоения покрытия пола, о котором будет сказано ниже.

Дата добавления: 2014-12-16