Лабораторная работа № 2 "Определение теплозащитных качеств наружного ограждения (стены)"

Цель работы: Закрепление теоретических знаний об основных закономерностях теплопередачи в стационарных условиях; получение практических навыков по измерению одномерных температурных полей в толще ограждения; изучение распределения температуры в толще ограждения и сравнение его с данными, полученными расчетным путем.

Теоретические предпосылки: При теплотехнических расчетах наружных ограждений зданий принимается, что теплопередача происходит при стационарном (установившемся) тепловом потоке через ограждения. При наличии разности температур воздуха с одной и с другой стороны ограждения через него будет проходить тепловой поток в направлении понижения температуры. Количество тепла, проходящего через ограждение, будет пропорционально разности температур с одной и другой стороны ограждения, площади ограждения и времени, в течение которого происходит передача тепла, и, кроме того, будет зависеть от теплотехнических свойств ограждения.

Количество тепла, передаваемого ограждением, определяется по следующей формуле:

(2)

где – количество тепла;

– температура внутренней поверхности ограждения;

– температура наружной поверхности ограждения;

– площадь ограждения;

– время;

– теплопроводность материала ограждения;

– толщина стены.

Для выяснения физического смысла теплопроводности положим, что в формуле 2 = 1 м, , = 1 м², = 1 час. Тогда получим, что . Эта величина есть коэффициент теплопроводности материала ограждения и обозначается как , который измеряется количеством тепла, проходящим в течение 1 часа через 1 м² ограждения при разности температур на его поверхностях в 1. Размерность коэффициента теплопроводности .

Ограждение, при прохождении через него теплового потока, оказывает сопротивление теплопередаче. Это сопротивление характеризуется величиной, носящей название сопротивления теплопередаче конструкции, обозначается и имеет размерность .

Сопротивление теплопередаче ограждения определяется по формуле 4 [1] и состоит из трех отдельных сопротивлений:

(3)

где – сопротивление при переходе тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения. Это сопротивление называется сопротивлением тепловосприятия: , где

– коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по таблице 4* [1];

– сопротивление при переходе тепла от наружной поверхности к наружному воздуху. Это сопротивление называется сопротивлением теплоотдаче: , где

– коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной ограждающей конструкции, принимаемый по таблице 6* [1];

– сопротивление при прохождении тепла через толщу самого ограждения. Это сопротивление называют термическим сопротивлением ограждения:

, , где (4)

– термическое сопротивление отдельного слоя ограждения: , где

– толщина, м;

– коэффициент теплопроводности, определяемый по приложению 3* [1] для условий эксплуатации А или Б с учетом приложения 2 [1].

Согласно п. 2.1* [1] сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции (стены) должно быть не менее большего из требуемых значений сопротивлений теплопередаче, определяемых исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий и условий энергосбережения . Это условие необходимых теплозащитных качеств ограждающей конструкции. Требуемое сопротивление теплопередаче , найденное по формуле 1 [1], определяется исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий:

, (5)

где – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции , принимаемой по таблице 2* [1];

– коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, принимаемый по таблице 3* [1];

– температура внутреннего воздуха, принимается по соответствующей главе СНиП на проектирование здания;

– температура наружного воздуха, принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 по СНиП 2.01.01-82 [2].

Требуемое сопротивление теплопередаче, найденное из условия энергосбережения определяется по таблице 1б* с учетом величины градусо-суток отопительного периода, найденного по формуле 1а [1], и функционального назначения помещения. При промежуточных значениях величины градусо-суток отопительного периода находится методом интерполяции.

Пример 2: Необходимо найти требуемые сопротивления теплопередаче для стены здания школы, проектируемого в г. Пскове.

1. По формуле 1 [1] находим: , здесь  = –26С табл. 1 [2]; = 21С таблица 21 [3] и т. к. г. Псков находится во IIв климатическом районе, см. рисунок 1 [2].

2. По формуле 1а [1]:  21 – (–1,6) ∙ 212 = 4791, здесь = –1,6 °С и = 212 суток, взяты из таблицы 1 [2].

3. Из табл. 1б* [1] по интерполяции находим

Из ПРИМЕРА 2 следует, что сопротивление теплопередачи запроектированной стены здания школы должно быть не менее 3,07 .

Распределение температуры внутри стены при установившемся потоке тепла, проходящем через 1 м² стены, количество тепла, передаваемое от воздушной среды до внутренней поверхности стены и через конструкцию в целом , не меняется , т. е. . Это выражение одного и того же установившегося единичного теплового потока, прошедшего в первом случае от внутреннего воздуха до стены и от внутреннего воздуха до наружного воздуха – во втором. Данные выражения получены из формулы (2) при условии, что площадь ограждения и время приняты за единицу. Из выше приведенного равенства выводится расчетная формула для вычисления температуры на внутренней поверхности стены () или в любом произвольном сечении, отстоящем на расстоянии "Х" от внутренней поверхности ():

(6)

, (7)

где – термическое сопротивление конструктивных слоев, расположенных между внутренней поверхностью стены и плоскостью, проходящей через расчетную точку, определяется по формуле (4).

Пример 3: Найти для т. 8. Между плоскостью, проходящей через т. 8 (см. Рисунок 1), и внутренней поверхностью стены расположены слой кирпичной кладки = 0,1 м и слой штукатурки = 0,02 м.

.

Коэффициенты теплопроводности определены с учетом того, что расчетная температура внутреннего воздуха для помещения лаборатории принимается по табл. 21 [3], а относительная влажность воздуха в лаборатории принимается по п. 3.14 [3], в расчете брать максимальное значение влажности. Т. е. расчетный коэффициент теплопроводности принят по условию эксплуатации Б, т. к. влажностный режим помещения нормальный, см. таблицу 1 [1] и зона влажности 2 (нормальная), см. Приложение 1* [1].

Температуры внутри стены, измеренные с помощью соответствующих приборов, имеют отклонения от температур, вычисленных по формулам (6) и (7).

Основными причинами таких отклонений являются:

1. в период измерения температур может не наблюдаться стационарных условий теплопередачи, т. е. нет постоянства теплового потока;

2. повышенная воздухопроницаемость конструкции (например, из-за брака в кладке), в результате чего могут происходить изменения температурного поля, не учитываемые формулами (6) и (7);

3. иные значения коэффициентов теплопроводности материалов и конструкций, по сравнению с принятыми по СНиП в расчете, что может происходить вследствие неизвестной влажности материалов и отклонений их объемного веса от принятого.

Чем точнее совпадает действительное распределение температур в стене с вычисленными по расчету, тем ближе была к стационарным условиям теплопередача в конструкции во время эксперимента.

Необходимые приборы и принадлежности: электронно-цифровой термометр (ЭЦТ), СНиПы [1], [2] (получить у лаборанта).

Описание установки: в качестве объекта исследования предлагается стена сплошной кладки из силикатного кирпича толщиной 740 мм.

На Рисунке 3: I – слой наружной известково-песчаной штукатурки ; II – кладка из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе ; III – слой внутренней штукатурки из цементно-песчаного раствора .

Для измерения температуры в толще исследуемой конструкции ограждения использована установка (см. Рисунок 3), принцип действия которой основан на свойстве термосопротивлений изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающего воздуха или материала. Блок таких термосопротивлений заделан в толще стены на определенном расстоянии и у стены (см. точки 1...10, 19 на Рисунке 3). С помощью многополюсного переключателя эти теромосопротивления можно поочередно подключать к электронному цифровому термометру (ЭЦТ) и на его экране прочитать значение температуры в данной точке.