2.3. Теплопередача через ограждения

Ограждающие конструкции (стены и покрытия) разделяют две среды с различными температурами, давлением и влажностью.

Перенос тепла всегда возникает при разности температур на наружных и внутренних поверхностях ограждения. Тепловой поток, проходящий через ограждения, редко бывает постоянным, он почти всегда меняется во времени.

Для упрощения расчетов считается, что количество тепла, проходящее через ограждение, постоянно во времени. Такой тепловой поток называют стационарным.

При стационарном тепловом потоке количество тепла , Вт, проходящего через плоскую однородную стенку, можно определить по формуле

, (2.1)

где – температура воздуха с внутренней стороны ограждения, ºС;

- то же, с наружной стороны, ºС;

- площадь ограждения, м²;

- время передачи тепла, ч;

- коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств материала ограждения, называемый коэффициентом теплопередачи.

Когда вместо температуры воздуха с двух сторон известны температуры на наружной и внутренней поверхности ограждения, формула (2.1) принимает вид

, (2.2)

где и – соответственно температура на внутренней и наружной поверхности ограждения, ºС;

и – то же, что и в формуле (2.1);

- толщина ограждения, м;

- коэффициент теплопроводности материала ограждения.

Преобразовав формулу (2.2) относительно коэффициента теплопроводности , получим его размерность

Вт/(м ·^о С). (2.3)

Численное значение коэффициента теплопроводности, в основном, зависит от плотности материала, влажности и природы материала.

Пористые материалы, как правило, содержат большое количество воздушных пор, а воздух имеет хорошие теплоизоляционные показатели ( = 0,02 Вт/(м ·^о С). Увлажнение материала ухудшает его теплоизоляционную способность, так как часть воздушных пор заполняется влагой, вследствие чего увеличивается его плотность.

Таким образом, чем меньше значение коэффициента теплопроводности имеет материал ограждения, тем выше его теплоизоляционные свойства и наоборот, чем больше величина , тем большую теплопроводность имеет материал ограждения.

2.4. Сопротивление теплопередачи через однослойные и многослойные ограждающие конструкции, выполненные из однородных слоев

Для теплотехнической оценки ограждающей конструкции главным является не то, какое количество тепловой энергии она пропускает, а то, как она сопротивляется прохождению тепла. Чем большим сопротивлением теплопередачи она обладает, тем выше ее теплоизоляционные свойства.

Процесс передачи тепла через ограждающую конструкцию рассмотрим на примере однослойной однородной ограждающей конструкции толщиной (рис.2.1).

Рис. 2.1 Теплопередача через ограждение

При прохождении теплового потока через плоскую однородную пластинку толщиной , последняя оказывает сопротивление, а сам процесс передачи тепла можно разложить на 3 составляющие его этапы: тепловосприятие; теплопроницание; теплоотдача.

На первом этапе прохождения теплового потока сопротивляется внутренняя поверхность ограждения. Этот этап характеризуется изменением температур между температурой внутреннего воздуха (ºC) и температурой внутренней поверхности ограждения (ºC).

Для количественной оценки первого этапа теплообмена используется коэффициент тепловосприятия , Вт/(м²∙ºС) и величина ему обратная - сопротивление тепловосприятию , (м²·ºС)/Вт:

. (2.4)

На втором этапе прохождению теплового потока сопротивление оказывает материал ограждающей конструкции на глубину . Это сопротивление характеризуется разностью температур ( ) между внутренней и наружной поверхностью конструкции и называется термическим сопротивлением ограждения. Численное значение термического сопротивления ограждения (м² ∙ºС)/Вт определяется по формуле

(2.5)

где - толщина конструкции, м;

– расчетный коэффициент теплопроводности материала конструкции,

Вт/(м² ∙ºС), принимаемый по приложению (Д) СП 23-101-04.

Чем выше величина сопротивления теплопередаче конструкции, тем выше теплозащитные свойства ограждения. Для повышения сопротивления теплопередаче необходимо или увеличить толщину ограждения ( ) или уменьшить коэффициент теплопроводности ( ).

На третьем этапе прохождения теплового потока через ограждающую конструкцию (теплоотдача) начинает сопротивляться наружная поверхность ограждения, которая характеризуется сопротивлением теплоотдачи , (м²∙ºС/)Вт и коэффициентом теплоотдачи , Вт/(м²·ºС), обратно связанным с :

. (2.6)

Этот этап характеризуется изменением температуры между наружной поверхностью ограждения и температурой наружного воздуха ( ),ºC.

В ограждающей конструкции тепло передается вследствие теплопроводности, а на ее поверхностях – за счет конвекции и излучения.

Просуммировав три сопротивления прохождения тепла через ограждающую конструкцию, можно определить общее сопротивление теплопередаче однородной ограждающей конструкции, которое выражается формулой

(2.7)

Для многослойной ограждающей конструкции с однородными слоями формула (2.7) принимает вид

(2.8)

где , - коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности ограждающей конструкций, Вт/(м² ∙°С);

, - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м² ∙°С);

- термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м²∙ºС/)Вт, с последовательно расположенными однородными слоями, определяемое по формуле

(2.9)

где - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, определяемые по формуле (2.5).

Коэффициенты теплообмена и выражают количество тепла, которое в течение 1 ч обменивается между 1 м² поверхности ограждающей конструкции и касающимся ее воздухом, когда разность температур между воздухом и поверхностью ограждения составляет 1ºС. Численные значения этих коэффициентов приведены в табл. 2.1 и 2.2 и зависят от вида и положения ограждающей конструкции (горизонтальная – вертикальная), а также характеристики поверхности ограждения (гладкая – шероховатая).

Наибольшее влияние на величину коэффициента оказывает скорость ветра, а на величину коэффициента - температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения, а также интенсивность излучения поверхностей.

С целью снижения массы ограждающей конструкции и стоимости целесообразно размещать внутри ограждения замкнутые воздушные прослойки. Воздух, обладая малой величиной коэффициента теплопроводности [ = 0,02 (м²∙ºС)/Вт)], является достаточно эффективным теплоизолятором и при разумном его применении позволяет получать ощутимую добавку в тепловой защите здания.

Расчет общего сопротивления теплопередаче ограждений с замкнутыми воздушными прослойками не отличается от подобного расчета сплошного ограждения за исключением того, что в формулу (2.8) включается термического сопротивления воздушной прослойки, т.е.

(2.10)

где – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, принимаемое по табл. 2.3.

Таблица 2.1

Коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности

ограждающей конструкции

Внутренняя поверхность ограждения	Коэффициент тепловосприятия , Вт/(м^2°С)
1. Стен, полов, гладких потолков, потолков с выступающими ребрами при отношении высоты h ребер к расстоянию а между гранями соседних ребер h/a0,3	8,7
2. Потолков с выступающими ребрами при отношении h/a>0,3	7,6
3. Окон	8,0
4. Зенитных фонарей	9,9

Таблица 2.2

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей

конструкции

Наружная поверхность ограждающих конструкций	Коэффициент теплоотдачи для зимних условий , Вт/(м^2°С)
1. Наружных стен, покрытий, перекрытий над проездами и над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне	23
2.Перекрытий над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытий над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне	17
3.Перекрытий чердачных и над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах, а также наружных стен с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом	12
4.Перекрытий над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенных выше уровня земли и над неотапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли	6

При наличии в ограждающих конструкциях замкнутых воздушных прослоек рекомендуется руководствоваться следующими положениями:

- размер прослойки по высоте не должен превышать высоту этажа и быть не более 6 м; размер толщины – не менее 60 мм и не более 100 мм.

- воздушную прослойку необходимо располагать ближе к холодной стороне ограждения.

Установлено, что с увеличением толщины воздушной прослойки термическое сопротивление возрастает незначительно, поэтому целесообразно делать несколько узких, чем одну широкую. При использовании замкнутых воздушных прослоек следует предохранять их от проникновения наружного воздуха, так как в противном случае эффективность их использования снижается в 5-10 раз из-за понижения температуры в прослойке до температуры, близкой к температуре наружного воздуха.

Таблица 2.3

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Толщина воздушной прослойки, м	Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки , (м^2∙°С/Вт)
	горизонтальной при потоке тепла снизу вверх и вертикально		горизонтальной при потоке тепла сверху вниз
	при температуре воздуха в прослойке
	положительной	отрицательной		положительной	отрицательной
0,01 0,02 0,03 0,05 0,1 0,15 0,2-0,3	0,13 0,14 0,14 0,14 0,15 0,15 0,15	0,15 0,15 0,16 0,17 0,18 0,18 0,19		0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,19	0,15 0,19 0,21 0,22 0,23 0,24 0,24

При использовании замкнутых воздушных прослоек в неоштукатуренных кирпичных стенах необходимо тщательно производить расшивку наружных швов, а в районах с сильными ветрами – осуществлять оштукатуривание наружной поверхности.