3 Расчёт теплоусвоения поверхности ограждающих конструкций

Свойство поверхности ограждения в большей или меньшей степени воспринимать тепло при периодических колебаниях теплового потока или температуры воздуха характеризуется теплоусвоением. Колебания тепловых потоков Q_z, Вт, и температуры поверхностей τ_в, С, являются гармоническими и происходят по закону синусоиды (рисунки 6, 7) с периодом z.

Колебания теплового потока, проходящего через ограждения , Вт, вызывают колебания температуры на внутренней поверхности А_τв, С, с тем же периодом z, но с запаздыванием во времени на величину z_τв. В то время как значение , Вт, достигает своего минимума и начинает увеличиваться, температура на внутренней поверхности ограждения А_τв, С, продолжает понижаться еще некоторое время z_τв.

Величина А_τв, С, зависит от амплитуды колебания теплового потока , Вт, периода колебания z и теплофизических свойств ограждения: теплоусвоения материала S, Вт/(м²·°С), инерционности D, термического сопротивления R, (м²·°С)/Вт.

Отношение амплитуды колебания теплового потока , Вт, к амплитуде колебания температуры на внутренней поверхности ограждения А_τв называется показателем теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_вп, Вт/(м²·°С),

Y_вп = /А_τв. (29)

Чем больше значение Y_вп при одном и том же значении , тем меньше амплитуда колебания А_τв на внутренней поверхности. Значение Y_вп главным образом зависит от коэффициента теплоусвоения материала S, который характеризует способность материала ограждения воспринимать теплоту при колебаниях А_τв, C.

Колебания температуры на внутренней поверхности конструкции, в свою очередь, вызывают колебания температуры в толще ограждения и по мере удаления от внутренней поверхности уменьшаются и затухают в основном в толще первого слоя ограждения, который называется слоем резких колебаний. Таким образом, на величину Y_вп оказывают влияние только теплофизические свойства материалов первых слоев, остальная часть ограждения, лежащая за пределами слоя резких колебаний, не оказывает влияния на Y_вп. Эти свойства материалов необходимо учитывать при строительстве зданий и, особенно, при сооружении полов.

При рассмотрении многослойных ограждающих конструкций нумерация слоев осуществляется, начиная от внутреннего слоя к наружному.

Значение Y_вп необходимо устанавливать с учетом расположения границы слоя резких колебаний, при этом могут встретиться следующие три случая:

1. Если слой резких колебаний температуры А_τв полностью расположен в первом слое конструкции пола и имеет показатель тепловой инерции D₁ = R₁ ·S₁ ≥0,5, то показатель теплоусвоения поверхности пола Y_вп, Вт/(м²·°С), следует определять по формуле:

Y_вп = 2S₁. (30)

В этом случае показатель теплоусвоения внутренней поверхности _Yвп равен показателю теплоусвоения материала первого слоя и на его величину свойства материала следующих слоев влияния не оказывают.

2. Если слой резких колебаний температуры расположен в двух первых слоях и первый слой ограждения имеет D₁<0,5, но сумма величин D₁+D₂>0,5, то показатель Y_вп, Вт/(м²·°С), определяется по формуле:

. (31)

2. Если слой резких колебаний температуры А_τв, расположен в трех первых слоях и первые два слоя ограждения имеют D₁+D₂<0,5, но тепловая инерция первых трех слоев D₁+D₂+D₃>0,5, то показатель Y_вп определится из выражения:

, (32)

где R₁, R₂, R₃ – термические сопротивления соответственно первого, второго и третьего слоев, (м²·°С)/Вт;

S₁, S₂, S₃ – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала пола соответственно первого, второго и третьего слоев, Вт/(м²·°С), принимаемые по [2, таблица 5].

Следовательно, теплоусвоение внутренней поверхности полов Y_вп, Вт/(м²·°С), будет зависеть от порядка расположения слоев. При расположении у внутренней поверхности пола материалов, имеющих большое значение коэффициента теплоусвоения S, повышается значение Y_вп, Вт/(м²·°С), что отрицательно сказывается на комфортных условиях. Следовательно, для полов первый слой конструкции должен иметь минимальное значение теплоусвоения S и максимальное значение термического сопротивления R.

Конструкция полов будет отвечать требованиям теплоусвоения на внутренней поверхности, если выполняется условие

, (33)

где Y^н_вп – нормативное значение показателя теплоусвоения внутренней поверхности пола, Вт/(м²·°С) (таблица 15).

Таблица 15 – Нормативный показатель теплоусвоения поверхности пола Y_вп

Характер помещения	Показатель теплоусвоения Y^нвп, Вт/(м^2·°С)
Здания жилые, больницы, интернаты, школы, детские сады и ясли	12
Общественные здания	14

Если условие (33) не выполняется, т.е. , необходимо заменить первый внутренний слой полов и принять материал с меньшим значением коэффициента теплоусвоения S и с большим значением термического сопротивления R.

Пример 8. Расчет теплоусвоения поверхности полов

Исходные данные.

1. Конструкция полов над подвалом: паркет из дуба толщиной δ₁ = 0,025 м; объемной массой γ₁ = 700 кг/м³; λ₁ = 0,18 Вт/(м·°С); утеплитель – пенобетон толщиной δ₂ = 0,10 м; γ₂ = 300 кг/м³; λ₂ = 0,11 Вт/(м·°С); пароизоляция − битумная мастика толщиной δ₃ = 0,003 м; γ₃ = 1400 кг/м³; λ₃ = 0,27 Вт/(м·°С); железобетонная пустотная плита с объемной массой γ₄ = 2500 кг/м³; толщиной δ₄ = 0,22 м; λ₄ = 1,92 Вт/(м·°С).

2. Район строительства – г. Пенза.

3. Влажностный режим помещения – нормальный.

4. Зона влажности – сухая.

5. Условие эксплуатации – А.

6. Расчетные значения теплотехнических характеристик и коэффициентов в формулах:

R₁ = 0,025/0,18 = 0,14 (м²·°С)/Вт;

R₂ = 0,10/0,11 = 0,91 (м²·°С)/Вт;

R₃ = 0,003/0,127 = 0,01 (м²·°С)/Вт;

R₄ = =0,175 (м²·°С)/Вт, (см. пример 2 «многопустотная плита»);

S₁ = 5,00 Вт/(м²·°С); S₂ = 1,68 Вт/(м²·°С); S₃ = 6,80 Вт/(м²·°С); S₄ = 17,98 Вт/(м²·°С), (приложение А, таблица А.2);

= 12 Вт/(м²·°С), (таблица 15).

Порядок расчета.

1. Определяем тепловую инерцию первого слоя конструкции пола из паркета по формуле:

D₁ = R₁ ·S₁ = 0,14 · 5,0 = 0,7 > 0,5

Слой резких колебаний температуры А_τв, расположен полностью в первом слое.

2. Определяем показатель тепловой инерции Y_вп для случая, когда D₁ > 0,5, по формуле (30):

Y_вп = 2S₁ = 2 · 5,0 = 10 Вт/(м²·°С).

Таким образом, конструкция полов отвечает требованиям теплоусвоения, т.к. выполняется условие (33):

, т.е. 10 < 12.