- •Строительная теплофизика
- •Содержание
- •1 Теплообмен в помещении
- •1.1 Общая схема теплообмена в помещении
- •2 Общий теплообмен на поверхности в помещении
- •3 Тепловой баланс воздуха в помещении
- •4 Микроклимат помещения и система его обеспечения
- •5 Теплоустойчивость ограждающих конструкций (аналитическое решение задачи о затухании температурных колебаний)
- •6 Инженерный метод расчёта устойчивости
- •7 Воздушный режим здания и учет воздухопроницания в процессе теплопередачи через ограждения
- •8 Воздухопроницаемость конструкций
- •9 Воздушный режим здания
- •10 Теплопередача через ограждения при наличии воздухопроницаемости
- •11 Учет воздушного режима здания при выборе основных схем систем отопления и вентиляции
- •12 Теплопроводность и влажностный режим ограждения
- •13 Влага воздуха помещения
- •14 Теплофизические характеристики строительных материалов
- •15 Расчет влажностного режима наружных ограждений
- •16 Проверка на возможность конденсации в толще наружного ограждения
- •Литература
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра теплогазоводоснабжения, водоотведения и вентиляции
Строительная теплофизика
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по направление подготовки «Строительство»
профиль подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Новокузнецк
2014 г.
Содержание
1 Теплообмен в помещении
При эксплуатации зданий определяющим является тепловой режим помещения.
Тепловая обстановка определяется:
температурой;
подвижностью и влажностью воздуха;
наличием струйных течений;
распределением параметров воздуха в плане и по высоте;
радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от температуры, геометрии и радиационных свойств.
Под действием конвективного и лучистого теплообмена и процессов, масса переноса температуры воздуха и поверхностей в помещении взаимосвязаны и оказывают большое воздействие друг на друга.
1.1 Общая схема теплообмена в помещении
Общая схема теплообмена в помещении приведена на рисунке 1.1. Из него 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, теплоноситель в приборах системы отопления–охлаждения). Между перечисленными элементами происходят следующие виды обмена теплом.
Конвективный теплообмен (К) возникает между воздухом и поверхностями ограждений и приборами системы отопления-охлаждения, лучистый (Л) – теплообмен между отдельными поверхностями.
Вследствие турбулентного перемешивания не изотермических струй воздуха с воздухом основного объема помещения происходит струйный (Ст) теплообмен.
Внутренние поверхности наружных ограждений в основном передают теплопроводностью через толщину конструкций и теплообменом наружному воздуху, а поверхности приборов также теплопроводностью приборов и теплообменом – теплохладоносителю системы отопления-охлаждения.
–воздух основного объема помещения;– поверхности, обращенные в помещение;– струи воздуха;– внешняя среда;
–конвективный теплообмен; – лучистый теплообмен; | - наружное ограждение; || - панель; ||| - не изотермическая струя приточного воздуха
Рисунок1.1 – Общая схема теплообмена в помещении
Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепловой режим помещения, является теплообмен на поверхностях.
Тепловой баланс любой поверхности i в помещении (рисунок 1) в стационарных и не стационарных условиях может быть представлен на основе закона сохранения энергии:
Лi+Кi+Тi=0. (1.1)
Лучистая Лi, конвективная Кi, кондуктивная (теплопроводностью) Тi составляющие теплообмена на поверхностях в помещении могут изменяться во времени, иметь различную величину и знак, но уравнение (9) остается неизменным для всех поверхностей в стационарных и нестационарных условиях теплообмена.
Исключения – явления, связанные (испарение воды и конденсация влаги, облучение сосредоточенным источником тепла) для таких условий в уравнение теплового баланса учитывается слагаемые дополнительных источников или стоков тепла.
2 Общий теплообмен на поверхности в помещении
Количество тепла, которое воспринимает или отдает произвольная поверхность i в результате лучисто-конвективного теплообмена в помещении, равно количеству тепла, которое передается к поверхности или отводится от нее теплопроводностью.
Теплопроводностью передается количество тепла Тi, которое при средних по всей площади Fi значениях температурного градиента около поверхности ti/n и коэффициента теплопроводности λi составляет:
(2.1)
В стационарных условиях, когда температурный градиент в толще ограждения остается неизменным во времени, уравнение (10) удобнее написать в виде:
(2.2)
где К/i – коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности ограждения до внешней среды, температура которой равна tср i.
Общее уравнение теплового баланса поверхности i в помещении имеет вид:
(2.3)
Тепловой баланс поверхности в помещении можно записать в виде двух уравнений:
(2.4)
(2.5)
где αкi – коэффициент конвективного теплообмена, средний по поверхности;
Qi – прочие источники и стоки тепла на поверхности.
Слагаемые в уравнениях (2.4) и (2.5) имеют одинаковую структуру записи. Все составляющие тепловой баланс потоки тепла пропорциональны соответствующим разностям температур (в,°С). Такая запись уравнений оказывается удобной для расчета теплообмена при использовании метода электротепловой аналогии или ЭВМ.
Как было сказано, учет многократного отражения значительно усложняет расчет теплового баланса поверхности и в то же время не оказывает большого влияния на конечные результаты. В строительной практике обычно ограничиваются учетом только первого отражения. В этом случае тепловой баланс поверхности описывается одним уравнением:
(2.6)
В соответствии с особенностями теплообмена все поверхности в помещении можно разделить на три характерные группы: охлаждающие, нагревающие и нейтральные.
Охлаждающими помещение поверхностями в зимний период года будут внутренние поверхности наружных ограждений. Таких поверхностей может быть несколько. Особенность написания уравнения (15) для наружных ограждений в том, что τi заменяют на температуру внутренней поверхности наружного ограждения τв, а К'i – на приведенный коэффициент теплопередачи К'но от внутренней поверхности ограждения к наружному воздуху, отнесенный к площади Fi. Последняя определяется по размерам внутренней поверхности, обращенной в помещение. Температура внешней среды tcpi – это температура наружного воздуха tн.
Для нагретых поверхностей (зимой, например, это отопительные панели или другие нагревательные приборы) значения отдельных величин в уравнении (3.6) будут следующими: τi –температура панели τп; К'i – коэффициент теплопередачи от поверхности панели к теплоносителю К'нп; tcpi – средняя температура теплоносителя в трубах панели tтн.
Для нейтральных поверхностей внутренних стен и перекрытий в уравнении (3.6) составляющая передачи тепла теплопроводностью Ti (третье слагаемое) равна нулю. Эти поверхности в стационарных условиях не нагреваются и не охлаждаются со стороны ограждений и являются как бы адиабатическими отражателями, так как полученное тепло от помещения они ему же и отдают. Поверхности внутренних стен могут иметь положительный радиационный баланс, получая в результате Лучистого теплообмена определенное количество тепла. Такое же количество тепла они будут отдавать конвекцией воздуху помещения.
В теплообмене может участвовать тепло солнечной радиации, проникающее через лучепрозрачные ограждения. Прямые солнечные лучи нагревают отдельные части внутренних ограждений. Диффузно рассеянная радиация распределяется равномерно. В расчете теплообмена допустимо принимать, что вся прямая и рассеянная радиация , непосредственно проникающая в помещение, равномерно распределяется по площади всех внутренних поверхностей. В уравнениях теплового баланса (2.6) всех поверхностей дополнительное слагаемое Qi равно доле проникающей радиации. Величину Qi можно определить в виде:
(2.7)
В помещении могут быть поверхности, которые омываются струей охлажденного или нагретого воздуха, подаваемого в помещение. Струя воздуха, настилаясь на ограждение, нагревает или охлаждает его. За счет подмешивания воздуха помещения и конвективного теплообмена струя изменяет температуру и постепенно достигает рабочей зоны помещения.
По направлению движения изменяются температура и скорость воздуха в струе, а, следовательно, и условия теплообмена. В общей постановке уравнение теплового баланса такой поверхности должно быть записано в интегральной форме, учитывающей изменение условий теплообмена в направлении движения струи. Такая запись осложнит решение и для целей инженерного расчета ее желательно упростить. Поверхность разбивают на элементарные площадки, в пределах которых все параметры принимают осредненными. Для каждой элементарной площадки поверхности составляют свое уравнение теплового баланса вида (2.6).