Скачать презентацию ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Левитский Валерий Евгеньевич кафедра
ч.1 - Физ-тех процессы.ppt
- Количество слайдов: 99
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Левитский Валерий Евгеньевич кафедра «Строительные конструкции, здания и сооружения»
Лекция 1 ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ, или ФИЛОСОФИЯ ФИЗИКОТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Физический или физико-технический процесс? Физический процесс – это последовательная смена состояний объекта, не связанная с изменением его химического состава. Теплопередача, диффузия и конденсация водяного пара, выпадение росы, вытягивание алюминиевой проволоки, измельчение мрамора – это примеры физических процессов. Твердение бетона, горение древесины, коррозия металла – химические процессы. «Технический» = имеющий отношение к технике, в данном случае – к строительству. Строительство здесь понимается в широком смысле – как область деятельности, связанная со строительными объектами (зданиями и сооружениями). Строительством также называют процесс строительного производства (возведение зданий). В курсе «Физико-технические процессы в строительстве» будем рассматривать основы физических процессов, имеющих отношение к работе строительных конструкций в стадии эксплуатации зданий. Жизненный цикл строительного объекта (виды строительной деятельности) Проектирование Строительство (возведение) Эксплуатация Реконструкция Реновация (снос, демонтаж)
Дисциплина «Физико-технические процессы в строительстве» Объект изучения дисциплины – строительные материалы и конструкции зданий и сооружений. Предмет изучения дисциплины – процессы переноса тепла, влаги и воздуха, сопротивления разрушению и деформированию. Понимание сущности физических процессов в ограждающих конструкциях важно для обеспечения комфортности среды, в несущих конструкциях – для обеспечения конструктивной безопасности зданий. Строительные конструкции Несущие Ограждающие воспринимают и передают действующие нагрузки отделяют помещения друг от друга и от внешней среды
Дисциплина «Физико-технические процессы в строительстве» Цель освоения учебной дисциплины – формирование у обучающихся профессиональных компетенций (знаний, умений и навыков), основанных на представлениях о сущности физикотехнических процессов, происходящих при эксплуатации строительных объектов – зданий и сооружений. Знания: Умения: основ физико-технических процессов в строительстве анализировать конструктивные решения с точки зрения выявления физической сущности происходящих процессов Владение навыками: основных физико-технических свойств строительных материалов и их количественных показателей (характеристик) анализировать методы расчёта строительных конструкций с точки зрения выявления физической, расчётной и математической моделей процессов, положенных в их основу использования понятийнотерминологического аппарата в области строительной физики и механических свойств материалов основных подходов к моделированию физикотехнических процессов выявлять аналогии, общие и отличительные черты в различных физико-технических процессах применения изученных моделей и методов расчёта для решения практических инженерных задач физико-технических основ строительного проектирования
Свойства объекта. Параметры процесса. Состояние процесса Физические процессы проявляются при взаимодействии объектов, в данном контексте – в результате воздействий на конструкции зданий. При взаимодействии проявляются свойства объекта как реакция на воздействие. Синергетический подход: реакция зависит от вида и последовательности воздействий. Параметры процесса – количественные показатели свойств объектов. Состояние процесса – комплекс параметров процесса в рассматриваемых условиях. Инициирующие воздействия: Силовые воздействия (нагрузки) Физические процессы: Силовое сопротивление разрушению и деформированию Разность температур Несиловые воздействия (воздействия среды) Теплопередача, тепловое расширение Разность влажности Влагоперенос (диффузия), усадка Разность давлений воздуха Фильтрация воздуха, воздухообмен Воздействия шума Распространение звука, реверберация
Воздействия на здания
Типовая структура показателей физического процесса № Функциональные группы показателей (характеристик) процесса Обобщённое обозначение Физические процессы Равномерное прямолинейное движение Теплопередача Постоянный электрический ток 1 Показатель, характеризующий активную, движущую составляющую процесса Уровень U Сила F [к. Н] Перепад температур ΔТ [К] Разность потенциалов Δφ [В] 2 Показатель, характеризующий интенсивность процессов Интенсивность I Скорость v [м/с] Тепловой поток Q/t [Дж/с]=[Вт] Сила тока I [А] 3 Показатель, характеризующий пассивную, тормозящую составляющую процесса Сопротивление R=U/I F/v Термическое сопротивление ΔT·t /Q [К/Вт] Электрическое сопротивление Δφ/I [Ом] 4 Показатель, отражающий количественный результат процесса за время t Количество L=I·t Расстояние L [м] Количество теплоты Q [Дж] I·t 5 Показатель, характеризующий энергетический уровень процесса, его мощность Мощность N=U·I F·v Мощность теплового потока k. T · ΔT · Q/t Мощность тока Δφ · I 6 Показатель энергетической результативности процесса, объёма совершенной работы в течение времени t Работа А=U·I·t F·L k. T · ΔT · Q Работа тока Δφ · I · t
Науки о физико-технических процессах в строительстве Строительные науки Строительная механика, строительные конструкции Строительная физика Строительное материаловедение Физика среды и ограждающих конструкций (строительная химия, процессы формирования структуры материала, коррозионные процессы и др. ) Механика грунтов, основания и фундаменты Инженерное обеспечение зданий Строительная теплофизика Отопление Теплопередача Вентиляция Теплоустойчивость Водоснабжение Воздухопроницание Водоотведение Микроклимат Архитектурная акустика – акустика залов Строительная светотехника Естественное и искусственное освещение Паропроницание Вертикальный транспорт Архитектурностроительная акустика Строительная акустика – защита от шума Строительная климатология
Модели физических процессов Непосредственно наблюдаемые физические процессы Теоретические модели физических процессов Физическая модель Описание процесса в физически содержательных терминах Расчётная модель Мотивированно принятые гипотезы и предпосылки Математическая модель Функциональные зависимости, уравнения и методы их решения
Физическая модель процесса Состав системы Система взаимодействующих объектов Характеристика процесса Закрытая или открытая система Консервативная или неконсервативная система Кинетика процесса Обратимые и необратимые процессы Периодические и непериодические процессы Влияние различных факторов на развитие процесса Инициирующие и тормозящие факторы Определяющие и малозначащие факторы
Расчётная модель процесса Обобщение, выявление главного Упрощение, идеализация, схематизация, отбрасывание второстепенного, восполнение недостающей информации Выбор постановки расчёта или подхода к анализу процесса Исходные предпосылки Базовые гипотезы Расчётные схемы Инварианты (то, что не меняется) Равновесная или неравновесная постановка (стационарные или нестационарные условия) Линейная или нелинейная постановка Статическая или динамическая постановка Статистический или детерминированный подход Феноменологический или структурный подход
О подходах и постановках Феноменологический подход основан на подборе эмпирических зависимостей, удовлетворительно отражающих имеющиеся опытные данные. Структурный подход основан на моделировании поведения системы исходя из работы компонентов её структуры. В статистической (вероятностной, стохастической, случайной, недетерминированной) постановке процесс описывается при помощи статистических характеристик. В детерминированной постановке процесс описывается однозначно определёнными зависимостями. Равновесное (стационарное) состояние процесса характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров процесса во времени. Если значения параметров изменяются во времени, то состояние процесса называется неравновесным (нестационарным). Скорость изменения параметров такого процесса намного меньше скорости изменения внешних условий.
Математическая модель процесса Уравнение состояния процесса – функциональная связь между определяющими параметрами процесса. Статические условия: уравнения равновесия Система разрешающих уравнений механики деформируемого твёрдого тела (МДТТ) Геометрические условия: уравнения совместности деформаций (гипотеза плоских сечений) Физические условия: уравнения связи между напряжениями и деформациями материала Методы расчёта (решения системы разрешающих уравнений) Аналитические Численные Применимы там, где удаётся получить решение в замкнутом виде Метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей (МКР) Основаны на дискретизации расчётной схемы, последовательных приближениях. Ориентированы на применение вычислительной техники
Достоверность и инженерная обозримость методов расчёта Достоверность разработанных моделей и методов расчёта обеспечивается удовлетворительным соответствием результатов расчёта и эксперимента. Инженерная обозримость методов расчёта. Нормативные методы. Метод или методика расчёта?
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Процессы теплопередачи
Лабораторная работа № 1 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ ОГРАЖДАЮЩУЮ КОНСТРУКЦИЮ В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ Процессы теплопередачи
Теплопроводность, конвекция, излучение Необходимое условие для возникновения теплопередачи – разность температур в среде, при этом перемещение тепла (тепловой поток) происходит в направлении более низкой температуры. Элементарные процессы переноса теплоты (виды теплопередачи) Теплопроводность Конвекция Излучение Перенос энергии микрочастицами: Перенос энергии макроскопическим объёмами – движущимися частицами жидкости или газа. Перенос энергии в виде электромагнитных волн между взаимно излучающими поверхностями с превращением тепловой энергии в лучистую и обратно. в твёрдых телах (диэлектриках) и жидкостях – упругими волнами, в газах – диффузией атомов, в металлах – диффузией электронов. Естественная конвекция: движение частиц среды вызвано разностью температур. Вынужденная конвекция: движение частиц среды вызвано внешним воздействием (напр. , вентилятором). Может происходить в газообразной среде и даже в вакууме (например, в космосе). В реальности перенос теплоты осуществляется одновременно различными способами (сложный теплообмен).
Плотность теплового потока, температурное поле Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока. Плотность теплового потока q – это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную площадь поверхности: где Q –тепловой поток, Вт; А – площадь изотермической поверхности, м 2. Температурное поле – это совокупность значений температуры для рассматриваемых точек пространства в данный момент времени. Виды температурных полей • Стационарное: температура не меняется во времени, тепловой поток постоянный (установившийся). • Нестационарное: температура и тепловой поток меняются во времени. • Одномерное • Двухмерное (плоское) • Трёхмерное
Теплопроводность. Закон Фурье Основной закон теплопроводности – закон Фурье: t Плотность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры; int (+) (–) ext где – коэффициент теплопроводности. q Знак «минус» в правой части поставлен потому, что движение тепла происходит в направлении понижения температуры (вектор теплового потока q направлен противоположно вектору температурного градиента). Для одномерного случая (плоская стенка толщиной ): где – температурный градиент. х
Теплопроводность плоской стенки при стационарном режиме Граничные условия заданы температурами на поверхности стенки: внутри int и снаружи ext; разделим переменные и проинтегрируем: t в В итоге получим: (+) (–) н q или где R – термическое сопротивление стенки: Формула для расчёта теплового потока аналогична закону Ома в электротехнике: величина эл. тока равна разности потенциалов, делённой на эл. сопротивление проводника. х
Теплопередача через плоскую стенку при стационарном режиме Падение температуры происходит не только в толще ограждения (стенки), но и у его поверхностей. Плотность теплового потока у внутренней поверхности: Плотность теплового потока у наружной поверхности: где в – коэффициент тепловосприятия; Rв = 1/ в – сопротивление тепловосприятию; н – коэффициент теплоотдачи; Rн = 1/ н – сопротивление теплоотдаче. Плотность теплового потока через всё ограждение: где R 0 – сопротивление теплопередаче ограждения: t tв (–) в н tн (+) q tв > в здесь i – число слоёв ограждения; Ri – термическое сопротивление слоя. х н > tн
Решение задач Задача 1. Определить плотность теплового потока q через бетонную стену толщиной = 200 мм с коэффициентом теплопроводности = 2, 04 Вт/(м· С), если температуры на её поверхностях в = 20 С, н = -10 С. Задача 2. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки толщиной = 50 мм, если плотность теплового потока через неё q = 100 Вт/м 2, а разность температур на её поверхностях = 20 С. Задача 3. Определить сопротивление теплопередаче ограждения при плотности теплового потока через него q = 100 Вт/м 2 и разности температур воздуха внутри и снаружи t = 20 С.
Решение задач Задача 1. = 200 мм = 2, 04 Вт/(м· С) в = 20 С н = -10 С q=? Задача 2. = 50 мм q = 100 Вт/м 2 = 20 С =? Задача 3. q = 100 Вт/м 2 t = 20 С R 0 = ?
Решение задач В СП «Тепловая защита зданий» приняты значения коэффициентов: для стен, полов, гладких потолков в = 8, 7 Вт/(м 2· С) для наружных стен, покрытий н = 23 Вт/(м 2· С) Задача 4. Найти сопротивление теплопередаче R 0 кирпичной стены толщиной = 0, 51 м, с коэффициентом теплопроводности = 0, 81 Вт/(м· С). Задача 5. Найти затраты на отопление в год, компенсирующие теплопотери через 1 м 2 стены, рассмотренной в задаче 4 (пункт строительства – г. Москва). Продолжительность отопительного периода zот = 214 сут. /год Средняя температура отопительного периода tот = -3, 1 С Расчётная температура внутреннего воздуха tв = 18 С Стоимость тепловой энергии С = 3, 6 руб. /к. Вт·ч где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, С·сут. /год; 0, 024 – размерный коэффициент, к. Вт·ч/ (Вт·сут); – коэффициент теплопередачи.
Оценка экономической эффективности повышения теплозащиты ограждающих конструкций зданий Основным критерием приемлемости технического решения с экономической точки зрения является условие окупаемости: или где К – единовременные затраты на техническое решение, руб. /ед. изделия; р – годовая ставка за банковский кредит, доли ед. /год; Э – годовая прибыль, получаемая за счёт реализации технического решения, руб. /ед. изделия·год. Если неравенство не выполняется, реализация технического решения никогда не окупится. Если под техническим решением понимать дополнительное повышение теплозащиты ограждающей конструкции, то в качестве ед. изделия принимается 1 м 2 (например, стены), а неравенство принимает вид: где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, С·сут. /год; k – снижение коэффициента теплопередачи при дополнительном утеплении ограждения, Вт/(м 2· С); С – цена тепловой энергии, руб. /к. Вт·ч; 0, 024 – размерный коэффициент, к. Вт·ч/ (Вт·сут). - предельное значение удельных единовременных затрат (макроэкономический параметр региона строительства); К и k – параметры, зависящие от конструктивного решения; R 0, сущ – сопротивление теплопередаче существующей конструкции; Rут – термическое сопротивление дополнительного слоя утеплителя.
Решение задач Задача 6. Оценить окупаемость утепления наружной стены здания минераловатными плитами (стоимость утеплителя 5000 руб. /м 3 + столько же работа) толщиной а) 50 мм; б) 120 мм. ГСОП = 5000 С·сут. /год учётная ставка р = 20% (0, 2) стоимость тепловой энергии С = 3, 6 руб. /к. Вт·ч коэффициент теплопроводности утеплителя = 0, 045 Вт/(м· С).
Распределение температуры в многослойном ограждении Сопротивление теплопередаче ограждения R 0 является характеристикой его теплозащитных качеств. При стационарном режиме теплопередачи тепловой поток q остаётся постоянным в любом слое: Из этого соотношения может быть найдена температура в любой точке ограждения, например: Если изобразить конструкцию в масштабе термических сопротивлений R, то тепловой поток будет равен тангенсу угла наклона линии температур: Конструкция, вычерченная в масштабе термических сопротивлений Конструкция, вычерченная в масштабе реальных толщин Более резкое падение температуры происходит в слое с высоким R
Решение задач Задача 7. Найти температуру на границе слоёв стены, утеплённой изнутри (см. рис. ) при следующих данных: tв = 20 С, tн = -25 С, внутренний слой – мин. вата (МВП) 1 = 120 мм, 1 = 0, 07 Вт/(м· С), наружный слой - кирпич 2 = 250 мм, 2 = 0, 81 Вт/(м· С). Найти температуру на границе слоёв той же стены, но при расположения утеплителя снаружи.
Физическая интерпретация размерности показателей Коэффициент теплопроводности материала численно равен количеству теплоты (Дж), проходящей за единицу времени (сек) через образец (стенку) площадью 1 м 2 толщиной 1 м при разности температур на ёе поверхностях в 1 С. или так: численно равен плотности теплового потока q (Вт/м 2) при единичном градиенте температур (1 С/м). Сопротивление теплопередаче ограждения R 0 численно равно разности температур воздуха с одной и другой стороны ограждения t ( С), при которой тепловой поток q составит 1 Вт/м 2. аналогично: термическое сопротивление слоя R ограждения численно равно разности температур с одной и другой стороны слоя ( С), при которой тепловой поток q составит 1 Вт/м 2. Сопротивление тепловосприятию Rв (теплоотдаче Rн ) численно равно разности температур ( С), которую необходимо создать между воздухом и поверхностью ограждения, чтобы тепловой поток q составил 1 Вт/м 2. Коэффициент тепловосприятия в (теплоотдачи н ) численно равен плотности теплового потока q (Вт/м 2), проходящего между воздухом и поверхностью ограждения при разности температур между ними в 1 С.
Контрольные вопросы • Какие условия теплопередачи называются стационарными? • Какую величину характеризует угол наклона линии температур: а) на конструкции, изображённом в масштабе реальных толщин; б) на конструкции, изображённой в масштабе термических сопротивлений. • Почему температура поверхности стенки отличается от температуры окружающего воздуха? Как это учитывается в расчётной модели? • Какую функцию выполняет утеплитель в стене? На что влияет его расположение (изнутри или снаружи) ? Как его предпочтительно размещать? • Ваше мнение: в каком случае плотности теплового потока у внутренней и у наружной поверхности стены будут отличаться сильно, а в каком случае – незначительно? • Что такое коэффициент теплопроводности материала? • Что выражает сопротивление теплопередаче ограждения? • В чём отличие сопротивления теплопередаче от термического сопротивления ограждения?
Лабораторная работа № 2 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МАТЕРИАЛА, КОНВЕКТИВНЫЙ И ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН НА ПОВЕРХНОСТИ Процессы теплопередачи
Факторы, влияющие на коэффициент теплопроводности материала Интенсивность теплопередачи в стационарном режиме зависит: от разности температур (tв – tн), от толщины и коэффициентов теплопроводности слоёв, от условий теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ( в, н). Теплопроводность – свойство материала проводить тепло. Количественной характеристикой теплопроводности материала является коэффициент теплопроводности . Чем выше теплопроводность материала, тем выше и его коэффициент теплопроводности . 1 – Влияние плотности материала Чем меньше плотность материала, тем больше пор и меньше коэффициент теплопроводности . q образец ( обр) Факторы, влияющие на коэффициент теплопроводности материала : поры ( возд); возд < осн • Вид материала • Плотность материала • Влажность материала • Температура материала основной материал, абсолютно плотный ( осн) q Мало пор: обр осн Много пор: обр возд
Физическая модель теплопроводности Теплопроводность материала зависит от скорости движения его частиц, которая, в свою очередь, возрастает с увеличением температуры и снижением массы частиц. Физическая модель процесса теплопроводности Диффузия (перемещение) атомов Диффузия электронов по структурной решётке в газах, жидкостях в металлах Колебания атомов (молекул) в структурной решётке в твёрдых материалах (диэлектриках) Чем тяжелее атомы (молекулы) или электроны, тем меньше теплопроводность Наибольшей теплопроводностью обладает самый лёгкий газ – водород: 0, 2 Вт/(м· С). Теплопроводность воздуха: 0, 025 Вт/(м· С). Теплопроводность воды: 0, 6 Вт/(м· С). Масса электронов примерно в 3000 раз меньше, чем атомов водорода, поэтому у металлов теплопроводность и электропроводность выше. сталь: = 58, алюминий: = 221, медь: = 407 Вт/(м· С). Шлакобетон (1600 кг/м 3) на доменных (металлургических) шлаках (включающих Ca, Mn, Fe – компоненты с большим атомным весом): = 0, 64 Вт/(м· С), на топливных (котельных) шлаках (углерод C, сера S): = 0, 78 Вт/(м· С). Бетон на гранитном (силикатном, Si) заполнителе более теплопроводный, чем на известняковом (карбонатном, Ca).
Влияние структуры материала Материалы с одним объёмным весом могут обладать разными коэффициентами теплопроводности. Материал (1800 кг/м 3) Б , Вт/(м· С). 0, 81 Асбестоцемент Чем больше величина контактных площадок между частицами, тем больше материала 0, 93 Кирпичная кладка Чем крупнее поры, тем больше воздуха в них, а значит, и материала 1, 05 Цем. -песч. р-р 2 – Влияние структуры материала Известняк 0, 52 Значения даны при условиях эксплуатации «Б» В сообщающихся порах возникают конвекционные потоки воздуха, материала возрастает Анизотропия свойств – зависимость свойств от направления. Сосна, ель (500 кг/м 3) Б , Вт/(м· С). Вдоль волокон 0, 35 Тепловой поток идёт по стенкам Поперёк волокон 0, 18 Тепловой поток пересекает много пор
Влияние влажности и температуры материала 3 – Влияние влажности материала Кирпичная кладка (1800 кг/м 3) , Вт/(м· С). Чем выше влажность, тем выше материала, поскольку вода имеет высокий = 0, 58 Вт/(м· С). В сухом состоянии 0 = 0, 56 В условиях эксплуатации «А» А = 0, 70 Однако влажного материала превышает как 0 сухого материала, так и воды. В условиях эксплуатации «Б» Б = 0, 81 Условия эксплуатации (А или Б) назначаются в зависимости от влажности внутреннего и наружного воздуха. Вначале водой заполняются более мелкие поры, поэтому зависимость нелинейная Теплопроводность льда = 2, 33 Вт/(м· С) примерно в 4 раза выше, чем у воды. Однако температура замерзания воды в порах понижается с уменьшением их размера. 4 – Влияние температуры Чем выше температура, тем выше материала. Если изменение температуры не превышает 60 С, его влияние несущественно и не учитывается.
Контрольные вопросы • Почему теплопроводность материала зависит от его объёмного веса (плотности) ? • Почему материалы с одним объёмным весом могут обладать разными коэффициентами теплопроводности? • Как влияет влажность материала на его теплопроводность? Как при повышении влажности изменяется коэффициент теплопроводности и термическое сопротивление слоя материала? • Может ли быть теплопроводность абсолютно сухого материала меньшей, чем у воздуха? Может ли быть теплопроводность очень влажного материала больше, чем у воды? • Для каких условий эксплуатации (А или Б) коэффициент теплопроводности выше? • Какой дом «теплее» : деревянный или кирпичный, если толщина стен одинакова (при прочих равных условиях)? • Какая из спичек воспламенится первой:
Теплообмен. Коэффициент конвективного теплообмена Тепловой поток в условиях стационарного теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждения пропорционален разности температур в пограничном слое ( t = t 1 – t 2) и коэффициенту теплообмена ( int, ext). где t 1 – более высокая температура. Коэффициент теплообмена включает две составляющие – конвективную и лучистую: Коэффициент конвективного теплообмена Коэфф-т к зависит в основном от скорости движения воздуха у поверхности. Эмпирические формулы: У внутренней поверхности ограждения – естественная конвекция, вызванная разностью температур воздуха tв и ограждения в. где У внешней поверхности ограждения – вынужденная конвекция, вызванная скоростью ветра v, м/с. (для зимних условий)
Тепловое излучение. Распределение энергии излучения Природа различных видов излучения одна и та же; разделение сложилось исторически; для всех видов излучения справедливы общие законы распространения, отражения и преломления волн. Длина волн, мкм Вид излучения 0, 02 … 0, 4 видимое 0, 8 … 800 Е 0 – энергия, падающая на поверхность; ЕA – поглощённая; ЕR – отражённая; ЕD – проходящая. ультрафиолетовое 0, 4 … 0, 8 Распределение энергии излучения: тепловое (инфракрасное) «Абсолютно чёрное тело» поглощает всё падающее на него излучение: ЕR ЕA или где – «степень черноты» поверхности; зависит от вида материала, температуры и состояния его поверхности, длины волны. Не все поверхности, зрительно воспринимаемые как чёрные, характеризуются высоким значением , и наоборот. ЕD Е 0
Энергия излучения. Коэффициент лучистого теплообмена Энергия излучения абсолютно чёрного тела пропорциональна 4 -й степени его температуры (закон Стефана-Больцмана, 1879, 1881 г. ): Бетон 0, 63 Стекло 0, 94 (для тепловых лучей) 0, 93 Штукатурка Для остальных материалов Степень черноты Кирпич где с0 – излучающая способность абсолютно чёрного тела; с0 = 5, 76 Вт/(м 2· С 4). Поверхность 0, 91 Сажа 0, 95 Снег 0, 98 (для тепловых лучей) Алюминий 0, 05 Коэффициент лучистого теплообмена ограждения л можно условно определить как для двух параллельных поверхностей: или кратко где red – приведённая степень черноты; kt – температурный коэффициент, зависящий только от средней температуры (t 1 + t 2)/2. где t 1 и 1 относятся к поверхности с более высокой температурой; для наружной поверхности = 1 (вся энергия поглощается окружающей средой)
Энергия излучения. Коэффициент лучистого теплообмена Закон В. Вина, 1893 г. : Произведение температуры Т поверхности и длины волны max, на которую приходится максимум его излучения, – величина постоянная. С ростом температуры максимум температуры смещается в сторону коротких волн. Излучение с поверхности Солнца (T = 5500 К): максимум приходится на видимую часть спектра ( max = 0, 5 мкм); Излучение электронагревателя (T = 1100 К): энергия видимого (светового) излучения ничтожна в сравнении с энергией теплового (инфракрасного) излучения ( max = 3 мкм). В видимой части спектра малую степень черноты имеют белые материалы ( = 0, 3… 0, 6). В дальней инфракрасной области (5… 15 мкм), соответствующей излучению поверхностей с температурой от -50 С до +100 С, большинство материалов имеет степень черноты на уровне 0, 9, за исключением полированного металла (фольги), для которых степень черноты составляет 0, 02… 0, 05 (коэффициент отражения 98… 92 % ).
О зависимости степени черноты от длины волн излучения Видимая окраска поверхности тела в отраженных лучах света не дает никакого представления о степени черноты , характеризующей в основном невидимое инфракрасное излучение. Например, бумага, фарфор, асбест, кирпич имеют порядка 0, 7… 0, 9, тогда как глазом они воспринимаются как белые тела. Аналогично лак черный матовый имеет = 0, 96, а лак белый – 0, 9; сажа – 0, 952, гладкое стекло – 0, 937; вода – 0, 9, а снег (при отрицательных температурах) – 0, 82; краска черная глянцевая – 0, 9, а краска белая масляная и различных цветов – 0, 92… 0, 96. Степени черноты поверхностей материалов по отношению к солнечному излучению Поверхность Степень черноты Асбестоцементные листы, сталь оцинкованная 0, 65 Кирпич красный, бетон 0, 7 Кирпич силикатный 0, 6 Окраска известковая белая 0, 3 Сталь, окрашенная белой масляной краской 0, 45 то же, зелёной 0, 6 то же, красной 0, 8 Рубероид, асфальт 0, 9 Алюминий 0, 3… 0, 5
Решение задач Задача 1. Определить значения коэффициентов тепловосприятия в и теплоотдачи н наружной стены. Температура воздуха tв = 18 С, tн = -25 С; температура поверхностей стенки в = 12 С, н = -23 С; степень черноты в = 0, 91 (оштукатуренная поверхность), н = 0, 93 (кирпич); скорость ветра v = 5 м/с.
Контрольные вопросы • В чём состоит физическая модель конвективного теплообмена? • У какой поверхности: ребристой или гладкой, коэффициент к выше? • Почему для наружной поверхности стены к всегда выше, чем для внутренней? • В чём состоит физическая модель лучистого теплообмена? • На каких длинах волн распространяется лучистая тепловая энергия? • Что выражает степень черноты поверхности? Правда ли, что снег, бумага, стекло имеют степень черноты, близкую к единице? • Чёрная машина нагревается на солнце быстрее, чем белая? Светлые стены нагреваются на солнце меньше, чем тёмные? Белая ткань (экран) нагреется от теплового излучения печи меньше, чем чёрная? Светлые стены нагреются от теплового излучения печи меньше, чем тёмные? • В чём состоит парниковый эффект в атмосфере? • Какая расчётная модель принята для определения коэффициента лучистого теплообмена л поверхности конструкций? • Как изменяется коэффициента лучистого теплообмена л с ростом температуры? • Какой вид теплообмена, конвективный или лучистый, преобладает у внутренней и у наружной поверхностей стены?
Лабораторная работа № 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ЗАМКНУТЫХ ВОЗДУШНЫХ ПРОСЛОЙКАХ. ОТРАЖАЮЩАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ Процессы стационарной теплопередачи
Теплопередача через замкнутые воздушные прослойки Теплопередача в замкнутой воздушной прослойке может осуществляться теплопроводностью, конвекцией, излучением. Вид теплопередачи Доля передаваемого тепла, % Определяющие факторы в прослойках малой толщины в прослойках большой толщины воздуха 40 - Конвекция , , расположение прослойки - 20 Излучение ср , коэффициенты излучения поверхностей 60 80 Теплопроводность воздуха Количество тепла, передаваемого через прослойку: Циркуляция воздуха (естественная конвекция) где э – эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке: к – коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, учитывающий передачу тепла теплопроводностью и конвекцией; л – коэффициент лучистого теплообмена.
Решение задач: «Утеплённый балкон» Задача 1. Определить температуру внутренней поверхности стенки и температуру на границе слоёв. Температура воздуха tint = 16 С, text = -20 С; Кирпичная стенка = 120 мм; = 0, 81 Вт/(м· С). Варианты: а) без утеплителя; б) с замкнутой воздушной прослойкой толщиной 45 мм; в) с замкнутой воздушной прослойкой 45 мм и отражающей теплоизоляцией. +16 С = 55% -20 С Сопротивление замкнутой воздушной прослойки: R 1 = 0, 14 м 2· С/Вт;
Решение задач: «Утеплённый балкон» Сопротивление теплопередаче ограждения: Температурный перепад: Температура внутренней поверхности: Сопротивление замкнутой воздушной прослойки: R 1 = 0, 14 м 2· С/Вт;
Решение задач Задача 2. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки в керамическом кирпиче. Найти долю тепла, передаваемого излучением. Толщина прослойки = 90 мм; разность температур поверхностей прослойки = 10 С; средняя температура поверхностей: а) = 10 С, б) = -10 С; степень черноты поверхностей 1 = 2 = 0, 93 (кирпич).
Решение задач
Стеклопакеты Толщина стекла: 4, 5, 6 мм. Зазор в стеклопакете: однокамерном: 12, 14, 16 мм; двухкамерном – 6… 16 мм. Для улучшения звукоизоляции зазоры в одном стеклопакете могут быть разными, чтобы не попасть в резонанс. Зазор менее 10 мм устраивать нецелесообразно. Почему? Чем больше зазор, тем теплее окно, или наоборот?
Отражающая теплоизоляция Работает только в воздушной прослойке. Эффективна только при высокой разности температур на поверхностях. Отражающую сторону желательно направлять навстречу тепловому потоку. Как по представленным экспериментальным данным определить термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности воздушной прослойки ?
Контрольные вопросы • В чём состоит физическая модель теплопередачи через замкнутые воздушные прослойки? • Какой вид (механизм) теплопередачи преобладает в замкнутых воздушных прослойках малой и большой толщины? • Воздушные прослойки устраивают только для экономии материала или ещё и для повышения теплотехнических качеств? Как оценить, повышаются ли теплотехнические качества? • Почему при пожаре многопустотная плита прогревается быстрее, чем аналогичная сплошная? • Можно ли из нескольких слоёв очень теплопроводного материала составить малотеплопроводную конструкцию? • Теплопроводность строительных материалов не может быть меньше чем у воздуха. Получим ли мы идеальную теплоизоляцию, если изготовим вакуумную стеновую панель, из которой выкачан воздух? • Зазор менее 10 мм в стеклопакете устраивать нецелесообразно. Почему? • Чем больше зазор, тем теплее окно, или наоборот?
Контрольные вопросы • В чём суть отражающей теплоизоляции, при каких условиях она эффективна? • Почему пенофол фольгированный, расположенный фольгой вплотную к стенке, обеспечивает худшие теплотехнические характеристики, чем расположенный фольгой в сторону воздушного зазора? • Что лучше: много пустот в стеновом блоке или одна, но большая? Блок керамический Kerakam М 150 260 х 380 х 219 – 64 р/шт Блок керамический Керакам 38 СТ 380 х250 х219 – 128 р/шт Блок керамзитобетонный 390 х188 – 54 р/шт блок керамзитобетонный 200 х400, 68 р/ шт шлакоблок 200 х400, 26 р/шт
Лекция 2 ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЙ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ Процессы влагопереноса
Причины изменения влажностного состояния наружных ограждающих конструкций Виды влаги в ограждающих конструкциях Строительная влага (начальная, технологическая) Эксплуатационная влага Вносится в конструкцию при возведении: применение влажных материалов, «мокрые» процессы (бетонирование, кирпичная кладка, цементная штукатурка). Протечки воды (в санузлах и др. ). Защита: гидроизоляция пола, стен Защита: просушивание конструкций Гигроскопическая (сорбированная) и конденсированная влага Грунтовая влага Влага из водяного пара внутреннего воздуха. Проникает из грунта вследствие капиллярных процессов. Может подниматься на высоту до 2, 5 м. Защита: гидроизоляция цоколя, пола подвала Атмосферная влага Косой дождь, протечки кровли, брызги. Защита: водонепроницаемая наружная поверхность стен, гидроизоляция кровли, вынос карнизов Защита: пароизоляция у внутренней поверхности, теплоизоляция ограждения Конденсированная на поверхности конструкции Конденсированная в толще конструкции
Значение влажностного режима Теплозащитные качества ограждения Значение влажностного режима ограждающих конструкций Комфортность среды, здоровье и др. Долговечность конструкций (отрывается штукатурка при замерзании, портятся невлагостойкие материалы)
Абсолютная влажность воздуха. Упругость водяного пара Атмосферный воздух и воздух внутри помещения всегда содержит некоторое количество влаги. Абсолютная влажность воздуха f – это количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м 3 воздуха [г/м 3]. Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных компонентов (закон Дальтона). парциальный = частичный. Парциальное давление – это давление газа или пара, находящегося в смеси с другими газами. Барометрическое (атмосферное) давление воздуха состоит из парциального давления сухого воздуха и парциального давления водяного пара. Парциальное давление водяного пара e [Па] также называют упругостью водяного пара. Количество влаги, выделяемое различными источниками (справочно) Источник Количество выделяемой влаги, г/ч Люди 50 -130 Горение газа 50 -500 (1100 с 1 м 3 газа) Душ 800 Сушка белья 50 -500 Комнатные растения 5 -20 Величина парциального давления водяного пара даёт представление не только о его количестве, но и кинетической энергии: где m – масса водяного пара, кг; T – температура, К; V – объём, м 3; R – универсальная газовая постоянная, кг·м/(К·моль); – молекулярный вес, кг/моль.
Максимальная упругость водяного пара. Относительная влажность воздуха При определённой температуре (и барометрическом давлении) в воздухе может содержаться лишь ограниченное количество водяного пара. Соответствующее этому количеству парциальное давление водяного пара называется давлением насыщения, или максимальной упругостью водяного пара Е [Па]. Давление насыщенного пара нелинейно зависит от температуры: Степень насыщения воздуха влагой характеризуется его относительной влажностью. Относительная влажность воздуха – это выраженное в % отношение действительной упругости водяного пара в воздухе е к его максимально возможной при данной температуре упругости Е : Чем выше температура, тем больше влаги может содержать воздух. = Существующее содержание пара · 100% Максимально возможное содержание пара Водяной пар, содержащийся как в насыщенном, так и в ненасыщенном воздухе, является невидимым. Нормальная для человека относительная влажность составляет 30 -60%.
Точка росы. Конденсационная влага При понижении температуры t воздуха с определённым содержанием водяного пара е его относительная влажность будет расти (вследствие снижения Е). Графическое определение точки росы: При некоторой температуре, называемой точкой росы, будет е = Е и = 100%. Точка росы – это температура, при которой воздух данной влажности достигает полного насыщения водяным паром. При температуре ниже точки росы излишняя влага будет конденсироваться, т. е. переходить в капельно-жидкое состояние. Конденсация может происходить на граничащих с воздухом холодных поверхностях (роса) или поверхности частиц, содержащихся в воздухе во взвешенном состоянии (туман). Конденсационная влага (конденсат), в отличие от парообразной, является видимой. Процесс конденсации сопровождается выделением тепла, поэтому приводит к повышению температуры поверхности.
Конденсация влаги на поверхности ограждения На внутренней поверхности ограждения начинает конденсироваться влага из внутреннего воздуха, когда температура поверхности в будет ниже точки росы внутреннего воздуха. Температура на внутренней поверхности ограждения: Конденсация начинается в тех местах, где температура поверхности минимальная (в углах, в стыках и т. д. ). Зимой иногда наблюдается конденсация влаги на наружных поверхностях (на стенах неотапливаемых зданий, колоннах и т. д. ) – при резком повышении температуры после сильных морозов, когда температура наружной поверхности оказывается ниже температуры окружающего воздуха. Для исключения возможности конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения необходимо повысить её температуру выше точки росы: • Увеличением сопротивления теплопередаче ограждения R 0 (утепление); • Уменьшением сопротивления тепловосприятию Rв за счёт увеличения скорости движения воздуха у поверхности ограждения (обдув стекол). Чем меньше температурный перепад тем лучше.
Лекция 3 СОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ. КАПИЛЛЯРНЫЙ ПОДЪЁМ ВЛАГИ Процессы влагопереноса
Влажность (влагосодержание) материала Весовая (массовая) влажность материала – это отношение веса (массы) влаги, содержащейся в образце, к весу (массе) образца в сухом состоянии (возможно, выраженное в %) : Влажность древесины 5, 3 10 11, 1 15 17, 7 20 25 25 33, 3 30 12, 9 40 66, 7 50 100 60 150 75 300 80 где 0 – плотность образца в сухом состоянии, кг/м 3. 0 5 Объёмная влажность материала – это отношение объёма влаги, содержащейся в образце, к объёму образца V (возможно, выраженное в %) : По отношению к массе сухого материала w 0 где mвл. м и mсух. м. – масса образца до и после высушивания, кг. По отношению к массе влажного материала 400 100 - Древесина в воде w = 100… 260% Свежесрубленная w = 50… 100% Воздушно-сухая w = 15… 30% Комнатно-сухая w = 8… 15% Камерной сушки w = 4… 8%
Сорбция. Сорбированная (гигроскопическая) влага Сорбция – это процесс поглощения пористым материалом влаги из окружающего воздуха. Физическая модель процесса: молекулы водяного пара притягиваются поверхностью пор материала и прилипают к ней (адсорбируются): Обратный процесс (уменьшение избыточного влагосодержания материала в воздушной среде) называется десорбцией. Влага, поглощённая материалом из воздуха, называется сорбированной (сорбционной, гигроскопической). Процесс сорбции происходит вследствие различия влажности материала и воздуха и не требует разности температур. По мере выравнивания влажности процесс затухает. При изменении относительной влажности воздуха (вследствие изменения Е или е) процесс начинается вновь и продолжается до тех пор, пока не достигнет динамического равновесия. Мономолекулярная плёнка – один слой молекул (высокий энергетический уровень связи); полимолекулярная плёнка – несколько слоёв (более низкий уровень связи).
Равновесная влажность. Изотерма сорбции Равновесная влажность материала р – влагосодержание (влажность) материала при установившемся равновесии процесса влагообмена с окружающей средой. предел сорбционного увлажнения Изотерма сорбции – зависимость равновесной влажности р материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре. Изотермы сорбции и десорбции не совпадают (сорбционный гистерезис): материал вбирает влагу легче, чем отдаёт. 1 сорбция ( < р) изотермы сорбции древесины 2 десорбция = сушка ( > р) Влияние температуры для некоторых материалов незначительно
Сорбционная активность материала Характер изотерм сорбции и сорбционная активность бывают различными для разных материалов. Предел сорбционного увлажнения ( 100): 30 -35% (древесина и др. органические материалы растительного происхождения); 4 -6% (бетон); 0, 7% (хорошо обожженный кирпич, керамика, минеральная вата). Изотермы сорбции: 1 – несмачиваемых материалов (гидрофобных – битума, минеральной ваты) ; 2 – ограниченно смачиваемых материалов; 3 – смачиваемых материалов (гидрофильных – гипса, силикатного кирпича, бетона).
Формы связи влаги в материале заполнение крупных капилляров влагой вогнутый участок: материал поглощает из воздуха больше влаги по сравнению с увеличением влажности самого воздуха заполнение мелких капилляров влагой (капиллярная конденсация) удаляемая влага р – равновесная влажность равновесная влага полимолекулярный слой влаги (капиллярная связь) мономолекулярный слой влаги (адсорбционная связь) свободная влага - влажность воздуха физически связанная влага химически связанная влага (удаляемая при нагреве) изотерма сорбции лёгкого бетона ( 0 = 1400 кг/м 3)
Капиллярная конденсация Жидкости бывают смачивающие (вода) и несмачивающие (ртуть). Молекулы жидкости в сосуде находятся под действием двух сил: А – силы адгезии (притяжения к поверхности стенки), направлена перпендикулярно стенке; К – силы когезии (притяжения другими молекулами). Поверхность жидкости в сосуде располагается под прямым углом к результирующей R двух сил. У смачивающей жидкости на смачиваемой поверхности А > К, поэтому искривление свободной поверхности жидкости около стенки (мениск) имеет вогнутую форму: А>К К>А Закон Лапласа: Давление насыщенного пара Е над вогнутой поверхностью жидкости меньше, чем над плоской, на величину, пропорциональную радиусу капилляра r. Это вызывает капиллярную конденсацию – конденсацию влаги в тонких капиллярах (r 10 -5 см) при влажности окружающей среды, не достигающей полного насыщения. Чем тоньше капилляры материала и чем большей смачиваемостью обладает их поверхность, тем меньше относительная влажность воздуха, при которой начинается капиллярная конденсация.
Капиллярный подъём влаги Если трубку вертикально поместить в сосуд со смачивающей жидкостью (водой), то уровень жидкости в трубке будет выше, чем в сосуде на величину, обратно пропорциональную радиусу трубки: При радиусе капилляра r = 1 мм вода поднимается на 15 мм. Капиллярный подъём вызван силами адгезии. С уменьшением радиуса капилляра область когезии становится меньше, а область адгезии сохраняется той же, поэтому жидкость поднимается выше: При переменном радиусе капилляра высота подъёма определяется размером только у верхней поверхности жидкости; изменение размера по высоте влияния не оказывает. В несмачивающей жидкости будет наблюдаться понижение уровня:
Лабораторная работа № 4 ДИФФУЗИЯ И КОНДЕНСАЦИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ Процессы влагопереноса
Физический процесс диффузии водяного пара через ограждение Внутри помещения: Снаружи (зимой): tint = 20 С Eint = 2338 Па (по таблице) int = 55% eint = 0, 55· 2338 = 1286 Па text = -20 С Eext = 103 Па (по таблице) ext = 85% eext = 0, 85· 103 = 88 Па Потенциалом переноса здесь является разность парциальных давлений водяного пара внутри и снаружи помещения: eint – eext = 1286 – 88 = 1198 Па 1, 2 к. Па 120 кг/м 2 Барометрическое (атмосферное) давление внутри и снаружи при этом одинаково: Разность парциальных давлений (упругости) водяного пара внутри и снаружи помещения вызывает поток водяного пара, направленный изнутри наружу. Этот процесс называется диффузией водяного пара (от лат. diffundere – просачиваться).
Аналогия между стационарными процессами теплопроводности материала и диффузии водяного пара Плотность теплового потока q – это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную площадь поверхности: Плотность диффузионного потока водяного пара р – это масса влаги, проходящей за единицу времени через единичную площадь поверхности: Коэффициент теплопроводности материала численно равен количеству теплоты (Дж), проходящей за единицу времени (сек) через образец (стенку) площадью 1 м 2 толщиной 1 м при разности температур на ёе поверхностях в 1 С Коэффициент паропроницаемости материала численно равен количеству водяного пара (мг), проходящего за единицу времени (час) через образец (стенку) площадью 1 м 2 толщиной 1 м при разности упругости водяного пара на ёе поверхностях в 1 Па Термическое сопротивление слоя R численно равно разности температур на поверхностях слоя t ( С), при которой тепловой поток q составит 1 Вт/м 2 Сопротивление паропроницанию слоя Rvp численно равно разности упругости водяного пара на поверхностях слоя е (Па), при которой поток пара р через 1 м 2 слоя составит 1 мг/час
Оценка влажностного состояния однослойного ограждения Графики е и Е не пересекаются конденсация водяного пара в ограждении отсутствует Графики еint – еext и Еint – Еext пересекаются в ограждении будет конденсироваться водяной пар Из точек еint и еext проводим касательные, которые выражают равенство количеств водяного пара, поступающего к зоне конденсации, и отдаваемого ей: 1 2 Количество водяного пара, поступающего к зоне конденсации: Диффузионный поток водяного пара через ограждение: Количество водяного пара, конденсирующегося в ограждении за время z: Количество водяного пара, уходящего наружу:
Оценка влажностного состояния многослойного ограждения Конденсация водяного пара в толще ограждения возникает, когда падение температуры в ограждении будет более интенсивным, чем падение максимальной упругости Е водяного пара. Температурный режим Плоскость конденсации (возможной конденсации) всегда находится на наружной грани утеплителя. Влажностный режим
Графоаналитический метод оценки влажностного состояния* Для удобства определения плоскости (зоны) конденсации ограждение изображается в масштабе сопротивлений паропроницанию слоёв. Eint Rvp, int – суммарное сопротивление паропроницанию слоёв от внутренней поверхности до начала зоны конденсации; eint Rvp, ext – суммарное сопротивление паропроницанию слоёв от конца зоны конденсации до наружной поверхности; Pint – количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации; Плоскость конденсации 1 Ek Eext Pint = tg 1 Pext – количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу; 2 eext Pext = tg 2 z – продолжительность периода конденсации. Количество влаги, накопившееся в ограждении за период конденсации: *В отечественной литературе: графоаналитический метод К. Ф. Фокина, О. Е. Власова, Ф. В. Ушкова В зарубежной литературе: диаграмма Глайзера. Rvp, int Rvp, ext Влажностное состояние конструкции в период конденсации (влагонакопления)
Рациональное размещение слоёв в конструкции Анализ графика eint – eext в период конденсации (влагонакопления) Много влаги устремляется в конструкцию Основное конструктивное правило: Сопротивление теплопередаче слоёв должно увеличиваться изнутри наружу. eint Малая масса проходящей влаги 1 Большая разница давлений Внутренний слой в течение года будет находиться приблизительно при одинаковой температуре. Крутое падение Ek Пологое падение 2 Rvp, int Малое сопротивление диффузии eext Утеплитель следует размещать с наружной (холодной) стороны. Малая разница давлений Rvp, ext Большое сопротивление диффузии Сопротивление паропроницанию слоёв должно уменьшаться изнутри наружу. Более плотные слои следует размещать с внутренней (тёплой) стороны. Внутренний наиболее плотный слой должен препятствовать проникновению влаги в конструкцию, последующие менее плотные слои должны как можно быстрее передать влагу наружу, чтобы избежать её конденсации внутри ограждения.
Оценка влажностного режима конструкции Условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации: Влажностное состояние конструкции в период испарения (высыхания) Вся накопившаяся за период конденсации влага должна испариться (высохнуть) за летний период. Ek (оценка по годовому балансу влаги) eint 1 2 Условие ограничения накопления влаги в конструкции за период конденсации: Приращение влажности материала увлажняемого слоя (утеплителя) за период влагонакопления Pw не должно превышать предельно допустимого значения Р. Pint = tg 1 Pext = tg 2 Rvp, int Rvp, ext eext
Мероприятия по предотвращению конденсации влаги Требуемая величина сопротивления паропроницанию пароизоляционного слоя eint 1 Крутое падение • Снижение влажности внутреннего воздуха проветриванием; Ek Пологое падение 2 • Рациональное размещение слоёв; • Устройство пароизоляции. Пароизоляционный слой следует располагать не глубже той плоскости, температура которой равна точке росы внутреннего воздуха. Rvp, int Малопаропроницаемый слой, расположенный снаружи, увеличивает: • количество конденсата, • ширину зоны конденсации, • продолжительность периода конденсации. Rvp, ext eext
Контрольные вопросы • Что такое относительная влажность воздуха? Какая относительная влажность воздуха в помещении комфортна для человека? • Что такое точка росы, как её определить? • Какими мерами можно предотвратить образование конденсата на внутренней поверхности ограждающих конструкций (стен, окон)? • Почему зимой время от времени образуется иней на внешней поверхности некоторых конструкций зданий (на колоннах, парапетах), а также на деревьях? • Как определить перепад температур воздуха в помещении и внутренней поверхности ограждающих конструкций? Каким должен быть этот перепад? • Обдув внутренней поверхности стены (окна) внутренним воздухом помещения снижает или повышает температурный перепад воздуха и поверхности? Почему? • Что является потенциалом переноса (движущей силой, определяющей направление и интенсивность процесса) диффузии водяного пара через ограждающие конструкции? В какую сторону направлен поток водяного пара? • Что такое плотность диффузионного потока водяного пара через слой материала? Какие данные необходимы для его определения? • Чему численно равен коэффициент паропроницания материала?
Контрольные вопросы • Чему численно равно сопротивление паропроницанию слоя материала? Как его определить? Как найти сопротивление паропроницанию многослойной конструкции? • Как оценить возможность конденсации влаги в наружной ограждающей конструкции? • Где располагается плоскость возможной конденсации влаги в конструкции? • Как найти количество влаги, конденсирующейся в ограждении в течение заданного времени? • В каких случаях в наружной ограждающей конструкции возможна конденсация водяного пара? Какими мероприятиями можно предотвратить возможность конденсации влаги внутри ограждения? • Какие материалы относятся к пароизоляционным? Каким показателем характеризуется их пароизолирующая способность. • Где необходимо располагать пароизоляцию в стене, в чердачном перекрытии, в перекрытии над холодным подвалом? • Каково Ваше мнение относительно размещения утеплителя между двумя паронепроницаемыми или малопроницаемыми пароизоляционными слоями? • Какие стены в обиходе называют «дышащими» ? Как лучше: чтобы стены дышали или нет?
Контрольные вопросы • Какие два критерия (условия) приняты для оценки влажностного режима конструкций? • Как найти количество влаги, которое может испариться из ограждения за летний период? • В чём состоит «нормативный метод» расчёта конструкций на паропроницание? • В чём состоят общие черты и различия между «нормативным методом» и «графоаналитическим методом» расчёта (оценки) паропроницания ограждающих конструкций? • Как подобрать пароизоляцию?
Лекция 4 ТЕПЛОУСВОЕНИЕ. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ Процессы теплопередачи в нестационарных условиях
Теплоусвоение. Коэффициент теплоусвоения поверхности Теплоусвоение поверхности конструкции – свойство поверхности ограждающей конструкции поглощать или отдавать теплоту при изменении теплового потока. Какая поверхность нам покажется более тёплой: деревянная или бетонная, если их температура одинакова? Допущение: колебания тепловых потоков являются гармоническими, то есть изменяются по закону sin с некоторым периодом z (например, z = 24 часа). Коэффициент теплоусвоения поверхности ограждающей конструкции – это отношение амплитуды колебаний теплового потока к амплитуде колебаний температуры поверхности: Чем больше коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности Yint , тем меньше будет амплитуда колебаний внутренней поверхности при тех же колебаниях теплового потока. Коэффициент теплоусвоения поверхности Y зависит от периода колебаний (чем меньше период z, тем больше Y) и от теплотехнических свойств ограждения.
Слой резких колебаний температур На величину коэффициента теплоусвоения поверхности Y оказывают влияние в основном теплотехнические свойства материалов, расположенных в пределах слоя резких колебаний температур. – толщина слоя резких колебаний. Если конструкция выполнена из однородного материала толщиной , то коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности Yint такой конструкции называется коэффициентом теплоусвоения материала s: Yint = s при . Амплитуда колебаний температуры в слое резких колебаний уменьшается примерно вдвое по сравнению с амплитудой колебания температуры поверхности, воспринимающей тепловые воздействия:
Коэффициент теплоусвоения материала s – величина, характеризующая способность материала воспринимать тепло при колебании температуры на его поверхности: Коэффициенты теплоусвоения строительных материалов по СП 23 -101 -2004 (при условиях эксплуатации Б) 0 , кг/м 3 S 24, Вт/(м 2 °С) гранит 2800 25, 04 железобетон 2500 18, 95 кладка из глиняного кирпича 1800 10, 12 сосна поперёк волокон 500 4, 54 плиты ДСП, ДВП 800 6, 13 плиты ДСП, ДВП 200 1, 81 гипсокартон 800 3, 66 МВП 150 0, 92 40 0, 49 Материал где z – период колебаний температуры; – коэффициент теплопроводности материала; с – удельная теплоёмкость; – плотность материала. Чем меньше период колебаний z, тем больше s; при z = 24 часа: при z = 12 часов: пенополистирол Чем больше влажность материала w, тем больше s: Наибольшим теплоусвоением (высокими значениями s) характеризуются тяжёлые теплопроводные материалы (гранит, бетон), наименьшим – лёгкие теплоизолирующие материалы. где с0 , 0 – характеристики в сухом состоянии; w – массовая влажность, %.
Тепловая инерция конструкции – способность ограждающей конструкции изменять существующее в ней распределение температур при изменении теплового потока. Характеристикой тепловой инерции конструкции D является безразмерная величина, численно равная сумме произведений термических сопротивлений отдельных слоев конструкции на коэффициенты теплоусвоения материала этих слоев: Допущение. Тепловая инерция слоя резких колебаний равна единице: D = 1; Тогда толщина слоя резких колебаний однородной конструкции Конструкция с малой тепловой инерцией быстро охлаждается при перерывах в работе отопления и быстро прогревается на солнце. Степени (категории) массивности конструкции особо лёгкие средней массивности массивные Тепловая инерция D D 1, 5 < D 4 Расчётная зимняя температура наружного воздуха минимальная средняя наиболее холодных суток 4
Теплоустойчивость конструкций и помещений Теплоустойчивость конструкции – свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры внутренней поверхности при колебаниях теплового потока. Например, при колебаниях температуры наружной поверхности. Количественные характеристики теплоустойчивости конструкции при колебаниях температуры наружной поверхности: Затухание температурных колебаний – отношение амплитуды колебаний температуры наружной поверхности конструкции к амплитуде колебаний внутренней поверхности Сдвиг фаз температурных колебаний – время задержки колебаний на внутренней поверхности по отношению к колебаниям температуры наружной поверхности. Теплоустойчивость помещения – свойство сохранять относительное постоянство температуры воздуха и внутренних поверхностей при колебаниях теплопоступлений и теплопотерь. Например, при периодическом проветривании или при колебаниях теплового потока от отопительного прибора. Количественная характеристика теплоустойчивости помещения – амплитуда колебаний результирующей температуры.
Лабораторная работа № 5 ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ. ТЕПЛОУСВОЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОВ Процессы теплопередачи в нестационарных условиях
Определение коэффициента теплоусвоения поверхности, воспринимающей тепловые воздействия Для оценки теплоустойчивости конструкций и помещений необходимо определить коэффициент теплоусвоения поверхности, воспринимающей тепловые воздействия. Этот коэффициент зависит от порядка расположения и теплотехнических свойств слоёв. 1 2 3 4 (–) (+) Нумерация слоёв: от внутренней поверхности Тепловое воздействие на наружную поверхность Тепловое воздействие на внутреннюю поверхность Движение тепловой волны снаружи вовнутрь Движение тепловой волны изнутри наружу Определение коэффициента теплоусвоения наружной поверхности ограждения Yext Определение коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Yint Рассматриваются последовательно все слои, начиная от внутренней поверхности ограждающей конструкции Рассматриваются только слои, расположенные в пределах слоя резких колебаний температур, начиная с самого дальнего слоя Для слоёв, имеющих показатель тепловой инерции Di > 1, принимается Yi = si. Если первый (внутренний) слой имеет показатель тепловой инерции D 1 > 1, то слой резких колебаний лежит в первом слое конструкции, а значит, Yint = s 1.
Определение коэффициента теплоусвоения поверхности, воспринимающей тепловые воздействия Определение Yext Определение Yint Для слоёв с тепловой инерцией Di < 1 принимается: Если для n слоёв тепловая инерция D 1 + D 2 +. . . + Dn – 1 < 1, но D 1 + D 2 +. . . + Dn > 1, то Yint определяется, начиная с (п – 1) слоя: (продолжение) для первого слоя для (n – 1) слоя для каждого последующего i-го слоя где R 1, R 2, … Rn – термические сопротивления слоёв; s 1, s 2, … sn – коэффициенты теплоусвоения материала слоёв; Y 1, Y 2, … Yn – коэффициенты теплоусвоения поверхности для каждого последующего i-го слоя Если для всей конструкции тепловая инерция D < 1, то для наружного (n-го) слоя: слоёв, воспринимающей тепловую волну; int, ext – коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждения. для каждого последующего i-го слоя – как в предыдущем случае.
Определение затухания и запаздывания температурных колебаний (к расчёту теплоустойчивости в летний период) Затухание температурных колебаний в ограждающей конструкции: Затухание температурных колебаний в отдельных слоях: для летних условий где v – скорость ветра, м/с. Запаздывание температурных колебаний (сдвиг фаз) в часах: Нормативное условие теплоустойчивости ограждающей конструкции в летний период:
Нормативный расчёт теплоустойчивости в летний период Нормативное условие расчёта: где text – средняя месячная температура наружного воздуха за июль, °С; At, ext – максимальная амплитуда температуры наружного воздуха в июле, °С; Поверхность Сталь, окрашенная белой краской 0, 45 Imax, Iav – соответственно максимальное и среднее значения то же, зелёной 0, 6 суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м 2, принимаемые наружных стен – как для вертикальной поверхности западной ориентации, для покрытий – как для горизонтальной поверхности (по прил. Г СП). то же, красной 0, 8 Рубероид 0, 9 – коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции (по табл. 14 СП); Градусы с. ш. Ориентация поверхности Imax, Вт/м 2 Iav, Вт/м 2 40 Горизонтальная Западная 928 740 133 169
Рекомендации по повышению теплоустойчивости конструкций и помещений В летний период – защита от солнечной радиации Снижение поглощения солнечной радиации наружной поверхностью Вентиляция помещений в ночные часы прохладным наружным воздухом Применение светлых окрасок Экранирование наружной поверхности от солнечной радиации Навесы, зелёные насаждения и др. Применение конструкций с воздушным зазором (невентилируемого или вентилируемого наружным воздухом) Увеличение затухания температурных колебаний в ограждении Вентилируемые стены, чердаки Чередование слоёв с большими и малыми коэффициентами теплоусвоения Y Коэффициент теплоусвоения воздуха s = 0 В зимний период Повышение коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности Yint Повышение теплозащитных свойств ограждения (сопротивления теплопередаче R 0) Расположение у внутренней поверхности материалов, имеющих большой коэффициент теплоусвоения s (в пределах глубины слоя резких колебаний) Уменьшение периода колебаний теплового потока (от отопительного прибора)
Рекомендации по рациональному размещению слоёв с разными характеристиками теплоусвоения Затухание в каком-либо слое зависит от соотношения коэффициентов теплоусвоения смежных слоёв: Большее затухание температурных колебаний наблюдается в конструкциях, где чередуются слои с большим и малым теплоусвоением. Для повышения теплоустойчивости утеплитель или воздушную прослойку рационально размещать между слоями из тяжёлых материалов (бетон, кирпич). В постоянно отапливаемых помещениях рационально размещать у внутренней поверхности (по крайней мере в пределах глубины слоя резких колебаний) тяжёлые материалы с большим теплоусвоением s. Колебания температуры внутри помещения при возможных колебаниях теплопоступлений или теплопотерь будут наименьшими. Теплоустойчивость ограждений определяется не только их теплоёмкостью В эпизодически отапливаемых (или охлаждаемых) помещениях рационально размещать у внутренней поверхности материалы с малым теплоусвоением s. Это позволит обеспечить необходимую комфортность помещения с наименьшими затратами энергии. Однако необходимо предусматривать меры против конденсации влаги.
Решение задач Задача 1. Определить затухание и сдвиг фаз температурных колебаний в покрытии мансарды. № Материал Плотность , кг/м 3 Толщина слоя , м Коэфф-ты при условиях эксплуатации А , s, Термич. сопрот. Тепловая инерция R = / , D = R·s Вт/(м °С) Вт/(м 2 °С) м 2 °С/Вт 1 Гипсокартон 800 0, 012 0, 19 3, 34 0, 063 0, 21 2 Внутренняя обшивка из досок 500 0, 025 0, 14 3, 87 0, 179 0, 69 3 Плита минераловатная 150 0, 15 0, 068 0, 83 2, 206 1, 83 4 Воздушный зазор вентилируемый - 0, 07 - 0 0, 14 0 5 Металлочерепица 7850 0, 002 58 126, 5 0 0
Решение задач № Материал s, Вт/(м 2 °С) Термич. сопрот. Тепловая инерция R = / , D = R·s м 2 °С/Вт 1 Гипсокартон 3, 34 0, 063 0, 21 2 Внутренняя обшивка из досок 3, 87 0, 179 0, 69 3 Плита минераловатная 0, 83 2, 206 1, 83 4 Воздушный зазор вентилируемый 0 0, 14 0 5 Металлочерепица 126, 5 0 0 Коэфф-т теплоусв. Y, Вт/(м 2 °С) Затухание v
Решение задач Задача 2. Определить затухание и сдвиг фаз температурных колебаний в совмещённом покрытии. № Материал Плотность , кг/м 3 Толщина слоя , м Коэфф-ты при условиях эксплуатации А , s, Термич. сопрот. Тепловая инерция R = / , D = R·s Вт/(м °С) 1 Плита ж/б многопустотная 2 Гравий керамзитовый 3 4 Вт/(м 2 °С) м 2 °С/Вт 2500 0, 145 1, 92 17, 98 0, 076 1, 36 400 0, 15 0, 13 1, 87 1, 154 2, 16 Стяжка из ц/п р-ра пригрузочная 1800 0, 02 0, 76 9, 6 0, 026 0, 25 Рубероидный ковёр трёхслойный 600 - 0, 17 3, 53 0 0 Задача 3. Определить затухание и сдвиг фаз температурных колебаний в сэндвичпанели. № Материал Плотность , кг/м 3 Толщина слоя , м Коэфф-ты при условиях эксплуатации А Термич. сопрот. Тепловая инерция R = / , D = R·s Вт/(м °С) Вт/(м 2 °С) м 2 °С/Вт , 1 Обшивка стальная 2 Пенополистирол (ППС) 3 Обшивка стальная s, 7850 0, 002 58 126, 5 0 0 150 0, 15 0, 052 0, 89 2, 88 2, 57 7850 0, 002 58 126, 5 0 0
Теплоусвоение поверхности полов Для полов принимается период тепловых воздействий z = 2 = 6, 28 ч, что примерно соответствует продолжительности рабочего дня. Коэффициент теплоусвоения материала при z = 24 ч: при z = 6, 28 ч: При определении коэффициента (показателя) теплоусвоения поверхности полов Yf используются расчётные формулы для коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Yint с заменой s на 2 s. Расчётная величина показателя теплоусвоения поверхности пола Yf (des) не должна превышать нормативного значения Yf (req) = 12… 17 (по табл. 13 СНи. П): Определение коэффициента теплоусвоения поверхности пола Yf Рассматриваются только слои, расположенные в пределах слоя резких колебаний температур, начиная с самого дальнего слоя Если покрытие пола (первый слой) имеет показатель тепловой инерции D 1 > 0, 5, то слой резких колебаний лежит в первом слое, а значит, Yf (des)= 2 s 1. Если для n слоёв тепловая инерция D 1 + D 2 +. . . + Dn < 0, 5, но D 1 + D 2 +. . . + Dn + 1 > 0, 5, то Yf (des) определяется, начиная с п слоя: для n слоя для каждого последующего i-го слоя
Контрольные вопросы • Что характеризует коэффициент теплоусвоения материала? От чего он зависит? • Какие материалы характеризуются высокими значениями коэффициента теплоусвоения, а какие – низкими?