Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессиональног -о образования

Белебеевский филиал «Самарского государственного

архитектурно-строительного университета»

Кафедра строительства

Ю.С. Вытчиков, А.А. Душулин, Н.Г. Калмычкова

Теплофизический расчет наружной стены

Методические указания к курсовой работе

по дисциплине

«Строительная теплофизика»

Самара 2011

Составители: Вытчиков Юрий Серафимович

Душулин Алексей Александрович

Калмычкова Наталья Геннадьевна

УДК 624.022

Теплофизический расчет наружной стены: методические указания к курсовой работе по строительной теплофизике / Сост.: Ю.С. Вытчиков, А.А. Душулин, Н.Г. Калмычкова; Самарский гос. арх. - строит. ун-т. – Самара, 2011. – 64 с.

Изложены рекомендации по расчету тепловой защиты ограждающих конструкций зданий и сооружений в соответствии с санитарно-гигиеническими и комфортными условиями и условиями энергосбережения с учетом последних изменений строительных норм.

Приведены необходимые справочные материалы.

Настоящие методические указания составлены на основе положений свода правил по проектированию и строительству СП 23-101-2004 [7]. Выбор уровня теплозащиты здания рекомендуется проводить по расчету приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций. Приведена методика проверки теплоустойчивости ограждений и влажностного режима многослойных конструкций, что позволяет определить вероятность конденсации водяного пара в толще ограждения и предотвратить накопления. Представлен расчет влажностного режима с использованием приближенного аналитического метода, разработанного Вытчиковым Ю.С.. Дана методика расчета воздухопроницания ограждающих конструкций.

Методические указания предназначены для студентов специальности 270109.65 «Теплогазоснабжение и вентиляция», дисциплина – строительная теплофизика, заочная форма обучения.

©. Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2011

Оглавление

Общая часть ………………………………………………….. 4

1 Теоретические основы процесса передачи тепла через строительные ограждающие конструкции ……………… 4

2 Конструктивные решения наружных стен энергоэффективных зданий ……………………………… 14

3 Теплофизический расчет наружных ограждающих конструкций ……………………………………………….. 17

4 Теплоустойчивость ограждений …………………………… 22

5 Влажностный режим многослойных строительных ограждающих конструкций ……………………………….. 23

6 Воздухопроницание ограждающих конструкций ………… 35

7 Исходные данные для выполнения теплофизического расчета наружной стены ………………………………….. 41

8 Пример теплофизического расчета наружной стены ……. 47

Библиографический список …………………………………. 55

Приложение А ………………………………………………… 56

Приложение Б ………………………………………………… 57

Приложение В …………………………………………………. 59

Приложение Г …………………………………………………. 60

Приложение Д …………………………………………………. 61

Приложение Е ………………………………………………….. 62

Приложение Ж …………………………………………………. 63

Приложение И ………………………………………………….. 64

Приложение К ………………………………………………….. 66

Приложение Л ………………………………………………….. 67

Общая часть

Настоящие методические указания к выполнению курсовой работы по строительной теплофизике посвящены теплофизическому расчету современных ограждающих конструкций.

Основываясь на теплофизических свойствах материалов наружной стены, определяется сопротивление теплопередаче и производится проверка её теплоустойчивости. С помощью приближенного аналитического метода, разработанного Вытчиковым Ю.С., определяется положение плоскости возможной конденсации, а далее по известной методике производится оценка возможности накопления влаги в наружной стене в процессе её эксплуатации. Также рассчитывается сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции.

На основании расчетов строятся графики распределения температур и упругости водяного пара в наружной стене.

1 Теоретические основы процесса передачи тепла

через строительные ограждающие конструкции

Согласно второму закону термодинамики перемещение тепла через ограждающие конструкции происходит при разности температур воздуха внутри и снаружи здания. При этом зимой в отапливаемых зданиях теплопередача происходит через наружные ограждения от внутреннего к наружному воздуху. В процессе передачи тепла участвуют все три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла теплопроводностью происходит за счет теплового движения элементарных частиц – атомов и молекул. Она происходит в твердых, жидких и газообразных средах. В чистом виде теплопроводность встречается лишь в сплошных твердых телах (металлах, пластмассах и т.д.).

Теплоизоляционные и строительные материалы представляют собой пористые тела, в порах которых протекают все виды теплообмена. При выполнении теплотехнических расчетов с целью упрощения решения задачи рассматривается лишь передача тепла путем теплопроводности. Однако коэффициенты теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов, определяемые экспериментальным путем, учитывают все протекающие в них процессы.

Конвекция происходит как в жидкой, так и в газообразной средах. Конвекция представляет собой перенос тепла движущимися частицами жидкости или газа. При этом различают 2 вида конвекции: естественную и вынужденную.

Естественная конвекция возникает под действием разности плотностей жидкостей или газов, обусловленной разностью температур.

При вынужденной конвекции движение частиц жидкости вызывается посторонним механическим побудителем (насосом, вентилятором, ветром и т.д.).

Тепловое излучение представляет собой перенос энергии в виде электромагнитных волн. Излучательной способностью обладают все твердые тела, а также многоатомные газы и водяные пары.

Перенос тепла из одной среды с более высокой температурой в другую с меньшей температурой через разделяющее ограждение называют теплопередачей, которая включает в себя следующие процессы:

1. теплообмен между внутренней поверхностью ограждающей конструкции с внутренним воздухом;

2. передача тепла путем теплопроводности через ограждающую конструкцию;

3. теплообмен между наружной поверхностью ограждения и окружающим ее воздухом.

Для выполнения теплотехнических расчетов строительных ограждающих конструкций необходимо знать основные положения теории тепломассообмена.

Количество теплоты, переносимое в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Отношение Q к единице площади F, м², называется удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока q, Вт/м².

. (1.1)

Температурное поле представляет собой совокупность значений температур в изучаемом объеме.

Температура различных точек тела определяется координатами x,y,z и временем τ. Поэтому в общем случае

. (1.2)

Температурное поле, которое изменяется с течением времени, называется нестационарным. Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным.

Стационарное температурное поле характеризуется зависимостью

. (1.3)

Простейшим температурным полем является одномерное стационарное поле, которое характеризуется изменением температуры в направлении одной координатной оси. Примером одномерного температурного поля может служить распределение температуры в наружных строительных конструкциях, толщина которых по сравнению с прочими размерами невелика.

Гипотеза Фурье, являющаяся основным законом теплопроводности, устанавливает зависимость удельного теплового потока от градиента температурного поля:

, (1.4)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(мּК).

Знак минус в формуле (1.4) указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту. Коэффициент теплопроводности численно равен удельному тепловому потоку при температурном градиенте, равном единице.

Коэффициент теплопроводности является важной теплофизической характеристикой вещества. На значение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных и строительных материалов большое влияние оказывают:

• средняя плотность материала. Это объясняется изменением характера

• пористости и особенностями передачи тепла в порах разной величины;

• химико-минералогический состав образующих материала;

• влажность материала.

Согласно строительным нормам и правилам, значения коэффициентов теплопроводности для каждого строительного материала регламентируются в соответствии с условиями эксплуатации зданий. Поэтому расчетное значение коэффициента теплопроводности выбирают с учетом температуры наружного воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха и влажностно-климатической характеристики района строительства.

Тепловой поток, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона:

, (1.5)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²ּК);

t_ж – температура теплоносителя, ºС;

t_с – температура поверхности стенки, ºС;

F – поверхность соприкосновения теплоносителя со стенкой, м².

Формула для удельного теплового потока при конвективном теплообмене имеет вид

. (1.6)

Коэффициент теплоотдачи α представляет собой количество теплоты, проходящей в единицу времени от жидкости к стенке (или наоборот) через 1 м² поверхности при разности температур жидкости и стенки 1 К.

Коэффициент теплоотдачи является сложной величиной, учитывающей различные факторы: характер движения жидкости или газа; скорость движения жидкости или газа; физические параметры жидкости или газа; коэффициент теплопроводности λ, вязкость μ, плотность ρ, теплоемкость с_р, коэффициент объемного расширения β, температуру жидкости или газа и поверхности t_ж, t_с; форму Ф и линейные размеры омываемой жидкостью или газом поверхности l₁,l₂, l₃.

Таким образом,

. (1.7)

Для определения величины коэффициента теплоотдачи для различных случаев конвективного теплообмена следует использовать критериальные уравнения, полученные на основе обработки опытных данных.

Критерии подобия представляют собой безразмерные комплексы, полученные после приведения исходной системы дифференциальных уравнений к безразмерному виду.

Рассмотрим далее основные критерии теплового и гидродинамического подобия, используемые при расчете процессов стационарного конвективного теплообмена.

- критерий Нуссельта;

- критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля;

- критерий Грасгофа.

Здесь l – характерный геометрический размер, м;

λ_f – коэффициент теплопроводности жидкости или газа, Вт/(мּК);

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

а – коэффициент температуропроводности жидкости или газа, м²/с;

g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

β – коэффициент объемного расширения жидкости или газа, К^-1;

Δt – разность температур поверхности стенки и жидкости, между которыми происходит теплообмен, К.

Критерий Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплоотдачи с поверхности твердого тела в окружающую среду и всегда является искомой величиной.