Теплопровідність - студопедія
Основи теплопередачі в будівлі
Тепловлагопередача через зовнішні огородження
Будівля як єдина енергетична система
Сукупність усіх факторів і процесів (зовнішніх і внутрішніх впливів), що впливають на формування теплового мікроклімату приміщень, називається тепловим режимом будівлі.
Огородження не тільки захищають приміщення від зовнішнього середовища, а й обмінюються з ним теплотою і вологою, пропускають повітря крізь себе як всередину, так і назовні. Завдання підтримки заданого теплового режиму приміщень будівлі (підтримання на необхідному рівні температури і вологості повітря, його рухливості, радіаційної температури приміщення) покладається на інженерні системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Однак визначення теплової потужності та режиму роботи цих систем неможливо без урахування впливу тепловлагозащітних і теплоїнерційною властивостей огороджень. Тому система кондиціонування мікроклімату приміщень включає в себе всі інженерні засоби, що забезпечують заданий мікроклімат обслуговуваних приміщень: огороджувальні конструкції будівлі та інженерні системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Таким чином, сучасна будівля - складна взаємозалежна система тепломассообмена - єдина енергетична система.
Питання для самоконтролю
1 Що вивчається в будівельної теплофізики?
2. Що таке огорожу?
3. Що таке зовнішнє огородження?
4. Чим важлива будівельна теплофізика для фахівця з опалення та вентиляції?
5. У чому специфіка теплотехнічного розрахунку сучасних будівель?
6. Що таке тепловий режим будівлі?
7. Яку роль відіграють огороджувальні конструкції в тепловому режимі будівлі?
8. Які параметри внутрішнього середовища підтримуються системами опалення та вентиляції?
9. Що таке система кондиціонування мікроклімату будівлі?
10. Чому будівля вважається єдиною енергетичною системою?
Переміщення теплоти завжди походить від більш теплого середовища до більш холодної. Процес перенесення теплоти з однієї точки простору в іншу за рахунок різниці температури називається теплопередачей і є збірним, бо вбирає в себе три елементарних виду теплообміну: теплопровідність (кондукції), конвекцію і випромінювання. Таким чином, потенціал перенесення теплоти є різниця температури.
Теплопровідність - вид передачі теплоти між нерухомими частинками твердого, рідкого або газоподібними речовини. Таким чином, теплопровідність - це теплообмін між частинками або елементами структури матеріального середовища, що знаходяться в безпосередньому зіткненні один з одним. При вивченні теплопровідності речовина розглядається як суцільна маса, його молекулярну будову ігнорується. У чистому вигляді теплопровідність зустрічається тільки в твердих тілах, так як в рідких і газоподібних середовищах практично неможливо забезпечити нерухомість речовини.
Більшість будівельних матеріалів є пористими тілами. У порах знаходиться повітря, що має можливість рухатися, тобто переносити теплоту конвекцією. Вважається, що конвективної складової теплопровідності будівельних матеріалів можна знехтувати через її малість. Всередині пори між поверхнями її стінок відбувається променистий теплообмін. Передача теплоти випромінюванням в порах матеріалів визначається головним чином розміром пір, тому що чим більше часу, тим більше різниця температури на її стінках. При розгляді теплопровідності характеристики цього процесу відносять до загальної маси речовини: скелету і порам спільно.
Огороджувальні конструкції будівлі, як правило, є плоско-паралельними стінками. теплоперенос в яких здійснюється в одному напрямку. Крім того, зазвичай при теплотехнічних розрахунках зовнішніх огороджувальних конструкцій приймається, що теплопередача відбувається при стаціонарних теплових умовах. тобто при сталості в часі всіх характеристик процесу: теплового потоку, температури в кожній точці, теплофізичних характеристик будівельних матеріалів. Тому важливо розглянути процес одновимірної стаціонарної теплопровідності в однорідному матеріалі. який описується рівнянням Фур'є:
де qT - поверхнева щільність теплового потоку. що проходить через площину, перпендикулярну тепловому потоку. Вт / м 2;
# 955; - теплопровідність матеріалу. Вт / м. о С;
t - температура, змінюється уздовж осі x, оС;
Ставлення, носить назву градієнта температури. о С / м, і позначається grad t. Градієнт температури спрямований в бік зростання температури, яке пов'язане з поглинанням теплоти і зменшенням теплового потоку. Знак мінус, що стоїть в правій частині рівняння (2.1), показує, що збільшення теплового потоку не збігається зі збільшенням температури.
теплопровідність # 955; є однією з основних теплових характеристик матеріалу. Як випливає з рівняння (2.1) теплопровідність матеріалу - це міра провідності теплоти матеріалом, що чисельно дорівнює тепловому потоку, що проходить крізь 1 м 2 площі, перпендикулярної напрямку потоку, при градієнті температури вздовж потоку, що дорівнює 1 о С / м (рис.1). Чим більше значення # 955 ;, тим інтенсивніше в такому матеріалі процес теплопровідності, більше тепловий потік. Тому теплоізоляційними матеріалами прийнято вважати матеріали з теплопровідністю не більше 0,3 Вт / м. про С.
Рис.1 Напрями теплового потоку і градієнта температури.
_______ - ізотерми; - ------ - лінії струму теплоти.
Зміна теплопровідності будівельних матеріалів зі зміною їх щільності відбувається через те, що практично будь-який будівельний матеріал складається з скелета - основного будівельного речовини і повітря. К.Ф. Фокін [38] для прикладу наводить такі дані: теплопровідність абсолютно щільного речовині (без пор) в залежності від природи має теплопровідність від 0,1 Вт / м ° С (у пластмаси) до 14 Вт / м ° С (у кристалічних речовин при потоці теплоти уздовж кристалічної поверхні), в той час як повітря має теплопровідність близько 0,026 Вт / м оС Чим вище щільність матеріалу (менше пористість), тим більше значення його теплопровідності. Зрозуміло, що легкі теплоізоляційні матеріали мають порівняно невелику щільність.
Відмінності в пористості і в теплопровідності скелета призводить до різниці в теплопровідності матеріалів, навіть при однаковій їх щільності. Наприклад, такі матеріали (табл.1) при одній і тій же щільності, # 961; 0 = 1800 кг / м 3. мають різні значення теплопровідності [38]:
Теплопровідність матеріалів з однаковою щільністю 1800 кг / м 3 [38].
Теплопровідність, Вт / (м про З)
Зі зменшенням щільності матеріалу його теплопровідність l зменшується, так як знижується вплив кондуктивной складової теплопровідності скелета матеріалу, але, проте при цьому зростає вплив радіаційної складової. Тому, зменшення щільності нижче деякого значення призводить до зростання теплопровідності. Тобто існує деяке значення щільності, при якому теплопровідність має мінімальне значення. Існують оцінки того, що при 20 о С в порах діаметром 1мм теплопровідність випромінюванням становить 0,0007 Вт / (м ° С), діаметром 2 мм - 0,0014 Вт / (м ° С) і т.д. Таким чином, теплопровідність випромінюванням стає значущою у теплоізоляційних матеріалів з малою щільністю і значними розмірами пір.
Теплопровідність матеріалу збільшується з підвищенням температури, при якій відбувається передача теплоти. Збільшення теплопровідності матеріалів пояснюється зростанням кінетичної енергії молекул скелета речовини. Збільшується також і теплопровідність повітря в порах матеріалу, і інтенсивність передачі в них теплоти випромінюванням. У будівельній практиці залежність теплопровідності від температури великого значення не імеет.д.ля перерахунку значень теплопровідності матеріалів, отриманих при температурі до 100 ° С, на значення їх при 0 о С служить емпірична формула О.Е. Власова [3]:
де # 955; про - теплопровідність матеріалу при 0 о С;
# 955; t - теплопровідність матеріалу при t о С;
# 946; - температурний коефіцієнт зміни теплопровідності, 1 / о С, для різних матеріалів, рівний близько 0,0025 1 / о С;
t - температура матеріалу, при якій його коефіцієнт теплопровідності дорівнює # 955; t.
Для плоскої однорідної стінки завтовшки # 948; (Рис.2) тепловий потік, який передається теплопровідністю через однорідну стінку, може бути виражений рівнянням:
де # 964; 1, # 964; 2 - значення температури на поверхнях стінки, оС
З виразу (2.3) випливає, що розподіл температури по товщині стінки лінійне. величина # 948; / # 955; названа термічним опором матеріального шару і позначена RТ. м 2. о С / Вт:
Рис.2. Розподіл температури в плоскої однорідної стінці
Отже, тепловий потік qТ. Вт / м 2. через однорідну плоскопараллельную стінку товщиною # 948 ;. м, з матеріалу з теплопровідністю # 955 ;, Вт / м. о С, можна записати у вигляді
Термічний опір шару - це опір теплопровідності, рівне різниці температури на протилежних поверхнях шару при проходженні через нього теплового потоку з поверхневою щільністю 1 Вт / м 2.
Теплообмін теплопровідністю має місце в матеріальних шарах огороджувальних конструкцій будівлі.