СТРОИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА: Физика среды и ограждающих конструкций

СТРОИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА: Физика среды и ограждающих конструкций

СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

ФУНКЦИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ

Модули дисциплины М-0 Введение М-1 Основы климатологии. Строительная теплофизика М-2 Свет в архитектуре и строительстве М-3 Строительная и архитектурная акустика М-Р Резюме

М-1 Основы климатологии. Строительная теплофизика

Строительная теплофизика Введение Основные ТНПА Тепловая защита и её задачи Виды теплопередачи Теплотехнический расчет Влажность и микроклимат Паропроницание и воздухопроницание Выводы

Введение Оптимальное состояние воздушной среды помещения по параметрам температуры, влажности и чистоты обеспечивается комплексом мер: расположением здания в застройке, соответствием его объемно-планировочного решения природно-климатическим условиям, системами отопления, вентиляции и кондиционирования, выбором конструкции наружных ограждений, обеспечивающих необходимую теплозащиту помещений. Последнее выполняется методами строительной теплотехники. Строительная теплотехника базируется на общей теории теплообменных и массообменных процессов. Наружные ограждающие конструкции рассматриваются в этих процессах как открытые системы, обменивающиеся с внешней средой тепловой энергией (теплообмен) и веществом (влаго- и воздухообмен).

Введение При проектировании зданий решаются следующие теплотехнические задачи : Обеспечение необходимого уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкций зимой. Обеспечение на внутренней поверхности ограждения уровня температур, не позволяющего образовываться конденсату. Обеспечение теплоустойчивости ограждения в летние месяцы. Создание осушающего влажностного режима наружных ограждений. Ограничение воздухопроницаемости ограждающих конструкций.

Основные ТНПА ТКП 45 -2. 04 -43 -2006 (02250) СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА. Строительные нормы проектирования Введен впервые (с отменой СНБ 2. 04. 01 -97) Изменения… П 1 -04 к СНБ 2. 04. 01 -97 Теплотехнический расчет ограждающих конструкций зданий Определение: Ограждающие конструкции (ОК) – наружные стены, заполнения оконных и дверных проемов в наружных стенах, перекрытие над подвалом (техническим подпольем), покрытие здания.

Основные ТНПА ТКП 45 -2. 04 -196 -2010 (02250) ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЗДАНИЙ. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Правила определения Введен впервые

Другие ТНПА СТБ ЕН 12667 -2007 Теплотехнические свойства строительных материалов и изделий. Определение теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме СТБ ЕN 12114 -2008 Теплотехнические свойства зданий и сооружений. Воздухопроницаемость строительных конструкций и их элементов. Лабораторный метод испытания СТБ 1618 -2006 Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности при стационарном тепловом режиме ГОСТ 17177 -94 Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний ГОСТ 23250 -78 Материалы строительные. Метод определения удельной теплоемкости ГОСТ 26254 -84 Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций СТБ ЕН 673 -2007 Стекло в строительстве. Определение коэффициента теплопередачи (значения U ). Метод расчета ТКП 45 -3. 02 -114 -2009 (02250) Тепловая изоляция наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений. Правила устройства ГОСТ 24816 -81 Материалы строительные. Метод определения сорбционной влажности ГОСТ 25898 -83 Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию СТБ EN ISO 12572 -2008 Теплотехнические свойства строительных материалов и изделий. Определение паропроницаемости

Тепловая защита и её задачи Условия комфортной среды в помещениях : температура внутреннего воздуха: 20 -22 о С; температура внутренних поверхностей стен, ограждающих помещение: 16 -18 о С; температура пола: 22 -24 о С; тепловая инерция (накопление тепла) ОК помещений; относительная влажность: движение воздуха: максимальная скорость – 0, 2 м/с, больше – сквозняк деятельность человека: сидячая работа – большая температура, подвижная работа – меньшая. Теплозащита должна обеспечивать комфортные условия в помещении в зимних ( защита от холода ) и в летних ( защита от перегрева ) условиях. Сухо Нормальная Влажно Менее 40 % 50 -60 % Более 60 %

Условия комфортной среды в помещениях Температура стен. Ощущение комфорта в помещении зависит от температуры воздуха и средней температуры ОК. Вообще человек чувствует себя комфортно с точки зрения температуры, если зимой поверхности не более чем на 4 о С ниже, а летом на 4 о С выше температуры воздуха в помещении.

Температура пола. Для полов, вследствие непосредственного контакта с телом человека через подошвы ног, справедливы другие значения. Для того, чтобы не отбирать у человека слишком много тепла, температура поверхности пола не должна быть ниже 15 -20°С. Здесь играет роль также продолжительность пребывания человека в помещении. Оптимальной и приятной ощущает человек поверхность пола с температурой от 22°С до 24°С. При устройстве теплых полов температура поверхности пола не должна быть выше 25 – 30 °С. Условия комфортной среды в помещениях

Тепловая инерция характеризует теплонакопительную способность. Эта характеристика стен имеет большое значение для зимней и для летней теплозащиты. Способность к накоплению тепла очень сильно зависит от плотности, у тяжелых стен она лучше, чем у легких конструкций. Зимой помещения с большой тепловой инерцией при отключении отопления охлаждаются не так быстро, летом избыточная энергия в дневное время может накапливаться для того, чтобы ее отдать в воздух помещения в прохладные ночные часы. Условия комфортной среды в помещениях

Ощущение комфорта при одной и той же температуре зависит от относительной влажности воздуха в помещении. Человек чувствует себя некомфортно при температуре воздуха ниже 17 °С и выше 26°С, независимо от относительной влажности воздуха. Но внутри этого диапазона есть зона комфорта, зависящая от влажности. С увеличением температуры воздуха влажность переносится хуже. Условия комфортной среды в помещениях

Нормативные значения параметров воздуха Параметры воздуха в помещениях для расчета наружных ограждающих конструкций жилых, общественных, административных и бытовых зданий и сооружений (по ТКП 45 -2. 04 -43 -2006 Строительная теплотехника)

Тепловой режим здания

Тепловой режим здания Под действием разности наружной и внутренней температур, солнечной радиации и ветра помещение теряет тепло через ограждения зимой и нагревается летом. Атмосферные осадки, влаговыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наружнoгo воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение защитных свойств и долrовечности наружных стен и покрытий. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материала и неплотности ограждений. Процессы, формирующие тепловую обстановку помещения, необходимо рассматривать в неразрывной связи между собой, ибо их взаимное влияние может оказаться весьма существенным. Например фильтрация воздуха и увлажнение конструкций могут в несколько раз увеличить теплопотери помещения зимой. В то же время создание благоприятной воздушной среды в помещении требует организации его воздухообмена и влагообмена с наружной средой.

Общие факторы теплозащиты Климат местности Теплоизоляция ОК Тепловая инерция ОК Расположение отдельных слоев в многослойной ОК Общий коэф. пропускания энергии светопрозрачными конструкциями Отношение площади окон и др. светопрозрачных конструкций к площади наружных ОК Ориентация здания по сторонам света Воздухопроницаемость ОК, вентиляция Окраска наружных поверхностей стен Эти факторы необходимо рассматривать отдельно для зимней и летней теплозащиты

Условия эксплуатации ОК Влажностный режим помещений и условия эксплуатации ограждающих конструкций зданий и сооружений в зимний период следует принимать в зависимости от температуры и относительной влажности внутреннего воздуха. (по ТКП 45 -2. 04 -43 -2006 )

Виды теплопередачи Теплопроводность Конвекция (конвективный теплообмен) Тепловое излучение (радиационный теплообмен)

Теплопроводность Основные определения и величины Теплопроводностью называется явление теплообмена между частицами или элементами материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих разную температуру. О. Теплопроводность — перенос теплоты без переноса вещества посредством теплового движения микрочастиц в сплошной среде, обусловленный неоднородным распределением температуры. В чистом виде процесс происходит в твердых телах, а в жидкостях и газах — при отсутствии перемещения среды. Для теплотехнических расчетов считают, что в ОК, выполненных из твердых материалов, передача тепла от более теплой поверхности к более холодной происходит, главным образом, путем теплопроводности. В реальности большинство строительных материалов имеют пористую структуру, и в порах возможны все виды теплопередачи О. Теплопередача — процесс теплообмена между жидкими или газообразными средами, разделенными твердой стенкой. О. Стационарным режимом называется тепловой режим, при котором температурное поле не зависит от времени. Пример: разность температур на внутренней и внешней поверхности ОК постоянна во времени.

Основные определения и величины t – температура , мера кинетической энергии атомов и молекул вещества, о С, К в теплотехнических расчетах применяется t н — температура наружного воздуха (климатические условия), t в – температура внутреннего воздуха Q* – количество теплоты , Дж, кал, к. Вт·ч 1 ккал = 4, 1868 к. Дж; 1 к. Вт·ч = 3 600 к. Дж Q – тепловой поток – это количество теплоты переносимое за единицу времени (т. е. это мощность), Дж/с, Вт q – плотность теплового потока (поверхностная) – тепловой поток, проходящий через единицу площади F поверхности теплообмена, Вт/м 2 Q q F λ – коэффициент теплопроводности (теплопроводность материала) – количество тепла, переносимое в стационарном режиме за 1 с через площадь 1 м 2 плоской стенки из данного материала толщиной 1 м при разности температур на внешней и внутренней поверхности 1 о С (1 К) Вт/(м·К), Вт/(м· о С)

Перевод основных теплофизических величин Энергия, работа, количество тепла ккал Мкал Дж ( Вт·с ) к. Дж МДж к. Вт·ч 1 ккал 1 0, 001 4 186, 8 4, 1868 0, 00418 0, 001163 1 Мкал 1. 000 1 4 186 800 4 186, 8 4, 1868 1, 163 1 Дж 1 Вт·с 0, 000239 2, 39 · 10 -7 1 0, 00000 1 2, 778 · 10 -7 1 к. Дж 0, 2388 0, 000239 1 000 1 0, 000277 8 1 МДж 238, 8 0, 2388 1 000 1 0, 2778 1 к. Вт·ч 860 0, 860 3 600 000 3 600 3,

Перевод основных теплофизических величин ккал /ч ккал/мин Дж/с (Вт) к. Вт МДж /ч 1 ккал/ч 1 0, 01667 1, 163 0, 001163 0, 0041868 1 ккал/мин 60 1 69, 168 0, 069768 0, 2512 1 Дж/с (1 Вт) 0, 860 0, 0433 1 0, 0036 к. Вт 860 14, 333 1 000 1 3, 6 Тепловой поток, мощность

Основные определения и величины c – удельная теплоемкость – отношение подведенного к телу количества теплоты к произведению массы данного тела на изменение его температуры , Дж/(кг·К), Дж/(кг· о С), *Q c m t С – теплоемкость тела – количество теплоты, необходимое для нагрева тела на 1 о С (1 К), Дж/ о С Теплоемкость – это свойство материала поглощать (аккумулировать) тепло при нагревании и выделять его при охлаждении Количество теплоты, которое необходимо для повышения температуры материала на Δ t *Q cm t c V t

Уравнение теплопроводности (уравнение Фурье) Рассмотрим одномерную задачу, когда теплопередача происходит только в одном направлении (например через неограниченную плоскую стенку). По закону Фурье плотность теплового потока, Вт/(м 2 ) dt q dx т. е. количество теплоты, прошедшее через изотермическую поверхность, пропорционально градиенту температуры, площади этой поверхности и времени 2 *( / ) ( ) Q dt q. Вт м Q F Дж F dx Градиентом физической величины называется первая производная этой величины по направлению ее наибольшего возрастания. Вектор градиента температуры всегда направлен в сторону увеличения температур, а его начало перпендикулярно к изотермической поверхности ( ) dt grad t dx Направление потока тепла и градиента температуры всегда противоположно (1. 1)

Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность вещества проводить тепло. Чем больше λ, тем больше теплопроводность чем меньше λ, тем лучше теплоизоляция Значения коэффициента теплопроводности λ для основных веществ и материалов ( Вт/(м ⋅ К) ) : газ ы λ ≈ 0, 005 – 0, 5 (воздух при 0 о С, λ = 0, 0244 ) ; жидкост и λ ≈ 0, 06 – 0, 7 (с повышением температуры, за исключением воды и глицерина, величина λ уменьшается, вода λ = 0, 6 ) ; строительны е и теплоизоляционные материал ы λ ≈ 0, 02 – 3 ; металл ы λ ≈ 2… 400.

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности зависит от температуры, пористости, плотности, структуры и влажности. Также необходимо помнить: 1. Для кристаллов λ неодинаков в направлении различных осей кристалла. Для дерева λ различен вдоль и поперек волокон. 2. Для одних и тех же материалов сухих или влажных λ неодинаков: большей частью выше, чем λ сухого материала и λ воды в отдельности. Появляется градиент давления в сторону распространения тепла и влага с теплом как бы проталкивается. 3. Коэффициент теплопроводности не является аддитивной величиной. Поэтому λ многослойной ОК не может быть рассчитан путем суммирования коэффициентов теплопроводности отдельных слоев. 4. При наличии разного рода примесей λ чистых металлов резко убывает. 5. Для большинства газов, строительных и изоляционных материалов λ возрастает с возрастанием температуры. 6. Строительные материалы с λ ≤ 0, 2 Вт/(м К) относят к теплоизоляционным ⋅ материалам. Для большинства строительных и изоляционных материалов λ зависит от температуры, пористости, плотности, структуры и влажности. 7. Для одних металлов и сплавов (железо, углеродистая сталь и др. ) λ убывает с увеличением температуры, для других (алюминий, нихром и др. ) – увеличивается. 8. Для большинства веществ зависимость коэффициента теплопроводности от температуры достаточно слабая, что позволяет его усреднять в заданном интервале температур и оперировать им как постоянной величиной.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для некоторых изоляционных и огнеупорных материалов. 1 — воздух; 2 — минеральная шерсть, ρ = 160 кг/м 3 ; 3 — шлаковая вата, ρ = 200 кг/м 3 ; 4 — ньювель, ρ = 340 кг/м 3 ; 5 — совелит, ρ = 440 кг/м 3 ; 6 — диатомовый кирпич, ρ = 550 кг/м 3 ; 7 — красный кирпич, ρ = 1672 кг/м 3 ; 8 — шлакобетонный кирпич, ρ = 1373 кг/м 3 ; 9 — шамотный кирпич, ρ = 1840 кг/м 3.

Влажный материал как гетерогенная система Компоненты влажного материала: — твердая часть (скелет); — влага; — воздух. Влага находится в нескольких фазах. Все фазы и компоненты влажного материала взаимодействуют, между ними происходит тепло- и массобмен.

Зависимость коэффициента теплопроводности от влажности Зависимость теплопроводности кирпичной кладки от влажности кирпича Зависимость теплопроводности керамзитобетона ρ=1000 кг/м 2 от его влажности

Дифференциальное уравнение теплопроводности 1) Дифференциальное уравнение теплопроводности при одномерном распространении тепла в направлении х2 2 t t cx – коэффициент температуропроводности , м 2 /с, м 2 /ч, см 2 /сут Характеризует скорость перераспределения температуры при нагреве или охлаждении среды, т. е. скорость выравнивания температуры. Чем выше коэффициент температуропроводности, тем быстрее точки среды достигнут одинаковой температуры, соответствующей равновесному состоянию с окружающей средой a c

Дифференциальное уравнение теплопроводности 2) Двухмерное температурное поле Для нестационарных условий теплопередачи 2 2 t t t a x y В стационарных условиях теплопередачи 2 2 0 t t x y Из решения дифференциального уравнения теплопроводности находится температурное поле и тепловой поток внутри тела для любого момента времени. 3) Трехмерное температурное поле Для нестационарных условий теплопередачи 2 2 2 t t a x y z В стационарных условиях теплопередачи 2 2 2 0 t t t x y z

Температурные поля Температурным полем называется совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени. Температура может быть функцией одной, двух и трех координат. Соответственно этому и температурное поле называется одно-, двух- и трехмерным. Простейшим случаем теплопередачи посредством теплопроводности является стационарная теплопередача через плоскую однородную стенку.

Сложные температурные поля В реальных конструкциях часто встречаются участки, где нет одномерного температурного поля и для их расчета одномерное решение неприменимо. Примеры : примыкающие внутренние конструкции, откосы оконных проемов и др. , в которых формируются двух- и трехмерные поля. 1, 2, 3, 4 – участки формирования двухмерных температурных полей 5, 6, 7 – участки формирования трехмерных температурных полей

Теплопроводность плоской стенки Если ОК (стенка) однородна, градиент температуры по сечению стенки постоянен направлен. Температурное поле является одномерным, изотермические поверхности – параллельные плоскости На основании закона Фурье (1. 1) Δt = t 1(в) – t 2(н) – разность температур на наружной и внутренней поверхностях стенки, δ – толщина слоя (стенки), F – площадь слоя (стенки), τ – продолжительность теплопередачи, dt q dx 2 1 2( ) ( / )q t t t. Вт м ( )Q t FВт *( )Q t FДж

Термическое сопротивление Теплоизолирующая однородной стенки в целом характеризуется термическим сопротивлением, м 2 ·К/Вт, м 2 · о С/Вт Плотность теплового потока тогда запишется R 21 2( / ) t t t q. Вт м R R ! Сравните с законом Ома: 1 2 U i R R Термическое сопротивление определяет падение температуры в стенке на единицу плотности теплового потока. Это используется для расчета температуры на поверхности и в стенке q t t q q. R t q 1 2 2 1 1 ( ) t t q. R t x

Теплопроводность многослойной плоской стенки 2 3 3 4 1 2 3 t t t q R R R В стационарном режиме плотность потока через все слои постоянна во времени и для всех слоёв одинакова 1 2 1 q t t R 1 2 3 2 3 4 3; ; t t q. R 1 4 1 2 3 ( ) кt t q R R R q. R Если стенка многослойная, то общее термическое сопротивление 1 2 1 2. . . n к n n R R

Теплопроводность многослойной плоской стенки Температуру на границах раздела слоев вычисляем исходя из того, что перепад температуры в слое пропорционален его термическому сопротивлению 1 4 2 1 1 3 2 2 2 1 1 ; ; . . . кt t q. R t t R R

Пример. Двухслойная стенка. Найти эквивалентный коэффициент теплопроводности всей стенки, если известны λ 1 , λ 2 Теплопроводность многослойной плоской стенки 1 2 Решение. 1 2 к. R R R 1 2. . 2 к к к эк Rт к 1 2 1 2 2 2 2 эк. R R В общем случае 1 21 2 1 2. . n эк nn n R R R

Теплопроводность. Выводы1 2 1 2. . n эк nn n R R R 1 2 1 2. . . n к n n R R R 1 2( )q t t t Теплопроводность – передача тепла путем непосредственного соприкосновения (контакта) частиц тела с разной температурой Температурное поле – значение температуры во всех точках тела в определенный момент времени

Виды теплопередачи Теплопроводность Конвекция (конвективный теплообмен) Тепловое излучение (радиационный теплообмен)

Конвекция Конвективный теплообмен или конвекция – это перенос тепла движущимися массами жидкости или газа. Т. е. конвекция связана с переносом массы подвижной среды Виды: — естественная (свободная) — вынужденная Конвективный теплообмен: 1. Осуществляется между воздухом и поверхностью твердого тела 2. Является комплексным процессом, в котором перенос теплоты осуществляется как путем конвекции, так и путем теплопроводности

Иллюстрация конвективных потоков Свободный конвективный поток воздуха около горизонтальных труб, вид с торца Свободный конвективный поток воздуха вдоль нагретой вертикальной трубы

Конвективный теплообмен Интенсивность конвективного теплообмена (тепловой поток) между воздухом и поверхностью стенки α – коэффициент теплоотдачи Вт/(м 2 · о С)( )в с. Q t t

Зависимость коэффициента теплоотдачи на нагретой стенке от высоты

Виды теплопередачи Теплопроводность Конвекция (конвективный теплообмен) Тепловое излучение (радиационный теплообмен)

Тепловое излучение Излучение – энергия колебаний электромагнитного поля Основные свойства теплового излучения: 1. Тепловое излучение свойственно всем телам, каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. 2. При попадании на другие тела энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. 3. Энергия излучения полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию. Q – поток энергии теплового излучения (поток излучения), Вт Е – плотность потока теплового излучения, Вт/м

Тепловое излучение В результате явлений, связанных с двойным взаимным превращением энергии (тепловая—лучистая—тепловая), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. При одинаковой температуре тел вся система находится в так называемом подвижном тепловом или термодинамическом равновесии. В этом случае все тела системы также излучают и поглощают, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расходу. Энергетический баланс: 0 DA RQ Q RQ AQ DQ поглощенная энергия отраженная энергия проходящая энергия 0 0 0 1 DA R QQ Q Q 1 A R

Тепловое излучение. Основные параметры и законы При А =1 , R =0, D =0 вся энергия поглощается – абсолютно черное тело При R =1 , А =0, D =0 вся энергия отражается – тело зеркальное (если отражение подчиняется законам геометрической оптики) или абсолютно белое (если отражение диффузное , т. е. рассеянное) При D =1 , А =0, R =0 вся энергия проходит через тело – абсолютно прозрачное (диатермическое) тело Закон Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела (форма записи для технических расчетов)4 0 0 100 T E C Степень черноты тела 0 0 EС EС 05, 67 C Вт/(м 2 ·К 4 ) – коэффициент излучения абсолютно черного тела Закон Стефана-Больцмана для реального ( серого ) тела 4 4 0 0 100 T T E C C E С – коэффициент излучения реального тела

Степень черноты для некоторых материалов Наименование материала t , o C ε Алюминий полированный 222— 575 0, 039— 0, 057 Алюминий окисленный 200— 600 0, 11— 0, 19 Сталь полированная 770— 1040 0, 14— 0, 38 Сталь окисленная 200— 600 0, 8 Оцинкованное железо 24 0, 276 Асбестовый картон 24 0, 96 Вода 0— 100 0, 95— 0. 963 Гипс 20 0, 903 Кирпич красный 20 0, 93 Кирпич огнеупорный — 0, 8— 0, 9 Лак черный матовый 40— 95 0, 96— 0, 98 Масляные краски 100 0, 92— 0, 96 Стекло 22 0, 937 Сажа 100 0, 95 Толь 21 0, 91 Штукатурка известковая 10— 88 0,

Тепловое излучение. Основные параметры и законы Закон Кирхгофа устанавливает связь между отражательной и поглощательной способностью тела 0 C AC A Спектр теплового излучения в зависимости от длины волны 1 – абсолютно черное тело; 2 – серое тело; 3 – газ. Закон смещения Вина устанавливает связь между температурой и длиной волны, соответствующей максимуму плотности потока теплового излучения 3 max 2, 9 10 T

Лучистый теплообмен между телами 1. Интенсивность теплообмена между двумя параллельными серыми поверхностями определяется зависимостью4 4 1 2 0 1 2 1 1 1100 1 T T q C 4 4 1 2 0 1 1100 T T q С С С Q q. F 1 Q q. F 2. Теплообмен между длинными цилиндрами (а), или когда выпуклое и вогнутое тела образуют замкнутое пространство (б, в).

Теплопередача Рассмотрим процесс переноса теплоты от нагретого воздуха к холодному через ОК (стенку). Данный процесс, т. е. теплопередача определяется совокупным действием рассмотренных элементарных явлений. Теплопроводность , конвекция и тепловое излучение являются лишь частными условиями общего процесса переноса теплоты. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент теплопередачи k , значение которого определяет количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности стенки от одной среды к другой при разности температур между ними в один градус. Сложный процесс теплопередачи целиком определяется явлениями теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а коэффициент теплопередачи является лишь количественной, чисто расчетной характеристикой. Взаимная связь между коэффициентами теплопередачи, с одной стороны, и коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи, зависит от многих факторов. 1 2 q k t t

Теплопередача через плоскую стенку В стационарном режиме тепловой поток при распространении от одной среды к другой через разделяющую их стенку не меняет своей величины и прямолинейного направления. Процесс теплопередачи можно разделить на три стадии : 1. Передача тепла от внутреннего воздуха к стенке (путем конвекции, излучения) 2. Передача тепла через стенку (путем теплопроводности). 3. Передача тепла от стенки наружному воздуху (путем конвекции, излучения). Следовательно, для плотности теплового потока q можно написать три выражения: 1 1 2 2 1 в в с с с н K q t t t R 1 1 1 в н K в н q t t R Отсюда коэффициент теплопередачи 1 1 1 K в н k R

Сопротивление теплопередаче Так как падение температуры при распространении теплового потока в среде пропорционально термическим сопротивлениям, при расчете температурных полей пользуются этими величинами. Сопротивление теплопередаче – величина, обратная коэффициенту теплопередачи 1 1 1 T K в н R R k Т. о. сопротивление теплопередаче является суммой трех сопротивлений: — сопротивление при переходе тепла через ограждающую конструкцию; это термическое сопротивление ОК (стенки), в том числе и многослойной — сопротивление при переходе тепла от наружной поверхности к наружному воздуху; это сопротивление теплоотдаче у наружной поверхности — сопротивление при переходе тепла от внутреннего воздуха внутренней поверхности стенки; это сопротивление теплоотдаче у внутренней поверхности ( сопротивление тепловосприятию ) в н. T KR R 1 в в. R КR 1 н н. R

Коэффициенты теплоотдачи Передача тепла поверхности или отдача тепла этой поверхностью происходит конвекцией и излучением , следовательно коэффициенты теплоотдачи выражаются: Для инженерных расчетов принимаем значения коэффициентов по ТКП 45 -2. 04 -43 -2006 Строительная теплотехника Величины, обратные сопротивлениям теплоотдачи: α в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности (коэффициент тепловосприятия) Вт/(м 2 · о С); α н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности Вт/(м 2 · о С). к л 3 1, 43 кt 0, 656 1, 91 6, 31 3, 25 к е — для вертикальных стен отапливаемых помещений (внутренней поверхности) — для наружных поверхностей ОК 4 4 1 2 1 2 0 273 1 100 1 1 1 л t t С С С

Коэффициенты теплоотдачи. Таблица 5. 7 Ограждающие конструкции Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности н, Вт/(м 2 С) 1 Наружные стены, покрытия, перекрытия над проездами 23 2 Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом 17 3 Перекрытия чердачные и над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах, а также наружные стены с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом 12 4 Перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенных выше уровня земли, и над неотапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли 6 Таблица 5. 4 Ограждающие конструкции Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности в, Вт/(м 2·С) 1 Стены, полы, гладкие потолки, потолки с выступающими ребрами при отношении высоты ребер к расстоянию а между гранями соседних ребер h/а 0, 3 7,

Расчет термического сопротивления неоднородных ограждающих конструкций Если ОК неоднородна в направлении, параллельном тепловому потоку (имеет теплопроводные включения), расчет термического сопротивления такой конструкции усложняется. а – панельная ОК с ребрами по контуру б – стена с прокладными рядами из плотных теплопроводных материалов

Расчет термического сопротивления неоднородных ограждающих конструкций Расчет рассмотрим на примере пустотелого камня Примем теплофизические параметры: бетон λ б =1 Вт/(м· о С) минеральная вата λ мв =0, 08 Вт/(м· о С) Высота камня (условно) 1 м 1. Плоскостями, параллельными тепловому потоку , мысленно разрезаем ОК на участки, состоящие из одного или нескольких слоев (I, III – на примере) Pк. . . , . . . I II n. F F F R R R 0, 2 1 2 I I III б R Rм С/Вт 0, 06 1 0, 062 I IIIF Fм 31 20, 06 0, 08 0, 06 1, 12 1 0, 08 1 2 II б мв б Rм С/Вт 0, 28 1 0, 28 2 IIFм

Расчет термического сопротивления неоднородных ограждающих конструкций 0, 47 0, 06 0, 28 0, 06 0, 2 1, 12 0, 2 2 к 0, 06+0, 28+0, 06 Rм С/Вт P 2. Плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку , мысленно разрезаем ОК на слои, которые могут состоять из одного или нескольких материалов (1, 2, 3 – на примере; 1, 3 – однородные слои, 2 – неоднородный слой) 2. 1. Определяем термическое сопротивление однородных слоев 1 1 3 0, 06 1 2 б R Rм С/Вт к 1 2. . . , n. R R

Расчет термического сопротивления неоднородных ограждающих конструкций 2. 2. Определяем термическое сопротивление неоднородных слоев (слой 2) 2 , I II I I II III F F F R R R 20, 08 1 2 I III б R Rм С/Вт 0, 06 1 0, 062 I IIIF Fм 20, 08 1 0, 08 2 II мв Rм С/Вт 0, 28 1 0, 28 2 IIFм 2 0, 22 0, 06 0, 28 0, 06 0, 08 1 0, 08 2 0, 06+0, 28+0, 06 Rм С/Вт

Расчет термического сопротивления неоднородных ограждающих конструкций Определяем термическое сопротивление 1 2 3 0, 06 0, 22 0, 06 0, 34 к 2 R R м С/Вт 3. Если R к ∥ не превышает R к ⊥ более чем на 25 %, термическое сопротивление ограждающей конструкции необходимо определять по формуле Pк к к; 2 3 R R R 0, 47 2 0, 34 0, 38 3 2 к. Rм С/Вт Разница между R к ∥ и R к ⊥ в примере менее 25 %

Расчет температуры в ограждении. При оценке теплотехнических качеств ОК необходимо рассчитывать: 1) Термическое сопротивление: 1 1 Tк в н в к н R R R 1 2. . . к n. R R Pк к к; 2 3 R R R 2) Сопротивление теплопередаче: 3) Требуемое сопротивление теплопередаче: для выполнения гигиенических требований . в н Tтр в в n t t R t ,

Расчет температуры в ограждении 5) Температуры на внутренней и наружной поверхностях ОК ⇒ для определения возможности образования конденсата ⇒ для расчета теплового потока 4) Температуры в любой плоскости ОК, в особенности на границах раздела слоев в многослойной ОК. ⇒ для расчета влажностного режима ОК

Расчет температуры в ограждении В целях выполнения расчетов по п. 3), 4), 5) необходимо принять расчетную температуру наружного воздуха с учетом тепловой инерции ОК Определяем тепловую инерцию ОК: 1 1 2 2. . . , n n. D R s R s Тепловая инерция ограждающей конструкции D Расчетная зимняя температура наружного воздуха t н , С До 1, 5 включ. Средняя температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0, 98 Св. 1, 5 “ 4, 0 “ То же, обеспеченностью 0, 92 “ 4, 0 “ 7, 0 “ Средняя температура наиболее холодных трех суток “ 7, 0 Средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспечен ностью 0, 92 Примечание — Расчетную температуру наружного воздуха при проектировании ограждающих конструкций зданий для переработки сельскохозяйственной продукции, эксплуатируемых только осенью или (и) весной (на сезонных предприятиях) следует принимать в соответствие со СНи. П 2. 10. 02.

Расчет температуры в ограждении Расчет температуры в ОК производим исходя из равенства плотностей тепловых потоков: — проходящего через ОКв н T t t q R — воспринимаемого внутренней поверхностью ОК от внутреннего воздуха в вп в t t q t t R в н в вп в T вt t q q R R в н вп в в T t t R R

Расчет температуры в ограждении Аналогично равными будут тепловые потоки, проходящие через любое сечение стенки ⇒ температура любого сечения (в произвольной плоскости х на рис): в н х в в x Tt t R R R x R — сумма термических сопротивлений, начиная от внутренней поверхности ОК до плоскости х в многослойной ОК это термическое сопротивление встречающихся слоев до плоскости х 1 в в R — сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности ОК

Распределение температуры. Выводы 1. При данной разности t в – t н температура поверхности ОК t вп зависит от сопротивления теплопередаче R T и от сопротивления теплоотдаче внутренней поверхности R в вп T вдля t R или RZ Z ]

Выводы 2. Распределение температур получено из условия одномерной стационарной теплопередачи, поэтому в реальных условиях оно будет совпадать только для участков стен, удаленных от проемов и стыков и для устойчивых значений t в и t н 3. Вычисленные и реальные температуры могут отличаться значительно , что объясняется двумерной и трехмерной теплопередачей, а также тепловым состоянием ОК, сохранившимся от предыдущих состояний

Выводы 1, 2, 3, 4 – участки формирования двухмерных температурных полей 5, 6, 7 – участки формирования трехмерных температурных полей

Выводы I – температурное поле в сечении ОК; II – изменение температуры на внутренней поверхности Несквозное теплопроводное включение на внутренней поверхности

Воздушные прослойки Передача тепла через воздушную прослойку: 1 – путем конвекции; 2 – путем теплопроводности; 3 – путем излучения. Особенности теплопередачи через воздушные прослойки: 1 2 3 Q Q 1) Для воздушных прослоек нет прямой зависимости между толщиной и её термическим сопротивлением 2) При увеличении толщины воздушной прослойки δ коэффициент передачи тепла конвекцией α возрастает, а при δ < 5 мм ⇒ α = 0 3) Можно ввести эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки: 1 2 экв л экв R ! Только для замкнутых прослоек

Воздушные прослойки Для практических расчетов: Толщина воздушной прослойки, м Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки R Т , м 2 C/Bт горизонтальной, при потоке тепла снизу вверх, и вертикальной горизонтальной, при потоке тепла сверху вниз при температуре воздуха в прослойке положительной отрицательной 0, 01 0, 13 0, 15 0, 14 0, 15 0, 02 0, 14 0, 15 0, 19 0, 03 0, 14 0, 16 0, 21 0, 05 0, 14 0, 17 0, 22 0, 10 0, 15 0, 18 0, 23 0, 15 0, 18 0, 19 0, 24 0, 20– 0, 30 0, 15 0, 19 0, 24 Примечание — При оклейке одной или обеих поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку, алюминиевой фольгой термическое сопротивление следует увеличивать в 2 раза.

Воздушные прослойки Доля участия каждого из элементарных процессов теплопередачи иллюстрируется данными: Плотность теплового потока, проходящего через вертикальные воздушные прослойки, при разности температур на поверхности 5 о С — увеличение толщины воздушной прослойки мало влияет на уменьшение количества тепла, проходящего через прослойку; — основная доля тепла, проходящего через прослойку, передается излучением; — максимальная доля передачи тепла конвекцией составляет всего 20% — толстые прослойки следует заполнять материалами с малой теплопроводностью. Например с толщины 5 см и более — прослойки более 20 см нерациональны с энергетической точки зрения.

Воздушные прослойки. Выводы 1. Эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины (десятки миллиметров). 2. При выборе толщины прослоек нужно обеспечивать, чтобы λ экв воздуха в них был меньше λ материала, которым можно заполнить прослойку. 3. В ОК необходимо делать несколько прослоек малой толщины вместо одной большой толщины. 4. Воздушные прослойки следует располагать ближе к наружной поверхности ОК , при этом зимой уменьшится количество тепла, передаваемого излучением. 5. Воздушная прослойка должна быть замкнутой и не сообщаться с наружным воздухом. Если необходимо устраивать вентилируемую прослойку, это учитывают при расчете. 6. В ертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий. 7. Для сокращения количества тепла, передаваемого излучением, рекомендуют одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой (при выполнении условий предотвращения её коррозии).

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций Воздушный режим здания зависит от воздухопроницаемости наружных и внутренних ОК. В большинстве случаев полную герметичность обеспечить технически невозможно. Температурное поле и теплотехнические качества ОК могут значительно измениться при совместном действии процессов передачи тепла и фильтрации воздуха через ОК, так как часть тепла расходуется на нагрев проникающего холодного воздуха. Воздухопроницаемость определяется: — структурой материалов; — плотностью и герметичностью стыков сборных элементов (блоков, панелей, кирпичной кладки); — плотностью и герметичностью окон, фонарей, наружных дверей.

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций Направление воздушных потоков у стен многоэтажных панельных зданий 1 – поток воздуха у наружной стены 2 – сквозная фильтрация через стыки

Тепловой напор В нижней части здания холодный воздух через щели, неплотности и поры в ОК проникает внутрь здания (приток – инфильтрация ), в верхней выходит из здания (вытяжка — эксфильтрация ). Между этими зонами расположена нейтральная зона – условная горизонтальная плоскость, для которой разность давлений и, соответственно, фильтрация отсутствуют Можно построить эпюру: Тепловой напор определяется разностью плотностей холодного наружного и теплого внутреннего воздуха: tн вp h h – расстояние по вертикали от нейтральной поверхности Воздухопроницание (фильтрация воздуха) через ОК происходит под влиянием разности давлений на противоположных поверхностях ОК. Разность давлений возникает под действием: 1) разности температур ( тепловой напор ). Тепловой напор зависит от высоты (чем больше высота, тем больше тепловой напор) и возникает из-за разности плотностей холодного (наружного) и теплого (внутреннего воздуха); 2) ветра ( ветровой напор ). , н в удельный вес наружного и внутреннего воздуха, соответственно, Н/м 3 ( )g

Ветровой напор2 2 p g Давление ветра, которое он оказывает на плоскость, перпендикулярную его направлению, Па : υ – скорость ветра, м/с Давление на ОК будет составлять только часть от ветрового напора, в зависимости от аэродинамических коэффициентов и высоты: 2 2 н в н п ip с с k g с н , с п – аэродинамические коэффициенты, соответственно, наветренной и подветренной поверхностей ОК здания, принимаемые по СНи. П 2. 01. 07; Для прямоугольных зданий с н = 0, 8; с п = – 0, 4 k – коэффициент, учитывающий изменение давления ветра от высоты

Коэффициент, учитывающий изменение давления ветра от высоты и типа местности Высота z, м Коэффициенты k для типов местности А В С 5 0, 75 0, 4 10 1, 0 0, 65 0, 4 20 1, 25 0, 85 0, 55 40 1, 5 1, 1 0, 8 60 1, 7 1, 3 1, 0 80 1, 85 1, 45 1, 15 100 2, 0 1, 6 1, 25 150 2, 25 1, 9 1, 55 200 2, 45 2, 1 1, 8 250 2, 65 2, 3 2, 0 300 2, 75 2, 2 350 2, 75 2, 35 480 2, 75 Примечание. При определении ветровой нагрузки типы местности могут быть различными для разных расчетных направлений ветра. А — открытые побережья морей, озер и водо хранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра; В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м ; С — городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Формирование давления внутри здания и на его внешней поверхности

Полный напор Расчетная разность давления воздуха на наружной и внутренней поверхностях ОК (полный напор), Па : tвp p p 2 2 н н в н п ip Н с с k g Н — высота здания от поверхности земли до верха карниза, м; Значения удельного объемного веса воздуха при различной температуре принимаются по справочнику или вычисляются по формуле: 3463 273 t Пример. Определить разность давлений для расчета наружных ОК 5 -, 9 -, 16 -эт. здания 1 2 3 20 ; 5 / ; 15 ; 27 ; 48 в нt. С t C м с h м h м 3 3463 13, 96 273 20 н Н м 3 3463 11, 82 273 20 в Н м 1 13, 96 25 15(13, 96 11, 82) 1, 2 0, 65 46 2 9, 8 p. Па 276 p. Па 3126 p. Па

Воздухопроницаемость материалов объясняется их пористостью. Измеряется экспериментально по кривым расхода воздуха при продувке Количество воздуха проникающего (фильтрующегося) через 1 м 2 слоя материала в течение 1 часа при ламинарном движении воздуха в порах определяется закономp G i G – расход воздуха (воздухопроницаемость), кг/(м 2 ·ч); Δ р – разность давлений (напор), Па; i – коэффициент воздухопроницаемости, кг/(м ·ч·Па) , который является показателем степени воздухопроницаемости материала.

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций Воздухопроницаемость ОК не соответствует воздухопроницаемости материалов из которых она состоит ( ! для отдельного кирпича и кладки в целом может отличаться в 500 раз ). Причины: 1) Большое количество щелей, образуемых при неполном заполнении швов раствором 2) Наличие штукатурки значительно снижает воздухопроницаемость Для практических расчетов ОК оценка воздухопроницаемости слоев делается по величине сопротивления воздухопроницаниюв. R i По ТКП 45 -2. 04 -43 -2006 «Строительная теплотехника» сопротивление воздухопроницанию (кроме световых проемов) должно быть не больше требуемого: Сопротивление воздухопроницанию показывает величину разности давлений воздуха, при которой через 1 м 2 данного слоя будет проникать 1 кг воздуха в 1 ч. Тогда в p G R в. тр норм , р. R G G нopм — нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м 2 ч),

Нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций Ограждающие конструкции Нормативная воздухопроницаемос ть G норм , кг/(м 2 ч) 1 Наружные стены, перекрытия и покрытия жилых, общественных зданий, а также административных и бытовых зданий и помещений промышленных предприятий 0, 5 2 Наружные стены, перекрытия и покрытия производственных зданий 1, 0 3 Входные двери в квартиры 1, 5 4 Окна и балконные двери жилых и общественных зданий, а также административных и бытовых зданий и помещений промышленных предприятий; окна производственных зданий с кондиционированием воздуха; двери и ворота производственных зданий 10, 0 5 Зенитные фонари производственных зданий, окна производственных зданий с избытками явной теплоты не более 23 Вт/м 3 15, 0 6 Окна производственных зданий с избытками явной теплоты более 23 Вт/м 3 30, 0 Примечание — Воздухопроницаемость стыков панелей наружных стен жилых, общественных и производственных зданий должна быть не более 0, 5 кг/(м 2 ч).

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций Для многослойной ОК 1 2. . . в вn. R R Величину сопротивления воздухопроницанию материалов отдельных слоев обычно не рассчитывают, а принимают по справочным данным Материалы и конструкции Толщина слоя, мм R в , м 2 ·ч·Па/кг Бетон сплошной без швов 100 19600 Газосиликат сплошной без швов 140 21 Кирпичная кладка из сплошного кирпича на ц. -п. растворе в 1 кирп. и более 250 и более 18 Кирпичная кладка из сплошного кирпича на ц. -п. растворе в полкирпича 120 2 Обои — 20 Пенополистирол 50 -100 80 Плиты минераловатные 50 2 Рубероид 1, 5 воздухонепрницаем Толь 1, 5 490 Штукатурка ц. -п. раствором 15 370 Штукатурка изв. 15 140 Керамзитобетон, 1000 кг/м 3 250 -450 53 -80 Керамзитобетон, 1100 -1300 кг/м 3 250 -450 390 -590 Для кладок из кирпича и камней с расшивкой швов на наруж. поверхности сопротивление воздухопроницанию увеличивают на 20 м 2 ·ч·Па/кг

Пример расчета на воздухопроницание Определить сопротивление воздухопроницанию стены толщиной в 2 кирпича, оштукатуренной изнутри известковым раствором с расшитыми швами по наружной поверхности 1 2142; 18 20 38; 1402 в в в. R R Rм ·ч·Па/кг Сравним с требуемым сопротивлением воздухопроницанию 2 в. тр норм 465. : = =92 м ·ч·Па/кг 0, 5 р. Для эт здания R G 2 в. тр норм 769. : = =152 м ·ч·Па/кг 0, 5 р. Для эт здания R G

Сопротивление воздухопроницанию заполнений световых проемов Заполнение светового проема Количество уплотненных притворов заполнения Сопротивление воздухопроницанию R в , ·м 2 ·ч/кг (при р = 10 Па) заполнений световых проемов с деревянными переплетами с уплотнением прокладками из пенополиуре тана губчатой резины полушерстян ого шнура 1 Одинарное остекление или двойное остекление в спаренных переплетах Один 0, 26 0, 12 2 Двойное остекление в раздельных переплетах Один Два 0, 29 0, 38 0, 18 0, 26 0, 13 0, 18 3 Тройное остекление в раздельно-спаренных переплетах Один Два Три 0, 30 0, 44 0, 56 0, 18 0, 26 0, 37 0, 14 0, 20 0, 27 Примечания 1 Сопротивление воздухопроницанию заполнений световых проемов с металлическими переплетами, а также балконных дверей следует принимать с коэффициентом 0, 8. 2 Сопротивление воздухопроницанию окон без открывающихся створок без притворов, с уплотненными фальцами, следует принимать равным 1 м 2 ч/кг независимо от количества и материала переплетов и видов остекления, зенитных фонарей с уплотненными сопряжениями элементов — 0, 5 м 2 ч/кг.

Температурный расчет в условиях фильтрации воздуха Воздухопроницаемость материалов, стыков, швов увеличивает теплопотери, т. е. повышает коэффициент теплопередачи и температурное поле в ОК смещается в строну более низких температур. Смещение температурного поля происходит за счет того, что часть тепла, передаваемого через ОК идет на нагревание холодного воздуха , проникающего через ОК. Дифференциальное уравнение температурного поля с учетом инфильтрации воздуха 2 20 d t dt Gc dxdx Решение этого уравнения: 1 1 x Т c. GR xн в нc. GR e t t e t – температура в произвольной плоскости х ОК при инфильтрации воздуха; е – основание натурального логарифма; R х – термическое сопротивление части ОК от её наружной поверхности до рассматриваемой плоскости х ; R Т – сопротивление теплопередаче ОК.

Температурный расчет в условиях фильтрации воздуха Смещение температурной кривой при инфильтрации холодного воздуха

Температурный расчет в условиях фильтрации воздуха При эксфильтрации воздуха величина c. G берется со знаком «–» Величина сопротивления теплопередаче при воздухопроницании : ! При инфильтрации холодного воздуха входящий в стену и выходящий тепловые потоки не равны другу: 1 1 Т Т c. GR Т вc. GR e R с. Ge эта разница и затрачивается на нагрев холодного фильтрующегося воздуха в н. Q Qс. G t t Распределение температур и тепловых потоков в условиях фильтрации холодного воздуха: 1 – распределение температур в отсутствие фильтрации 2 – распределение температур при фильтрации 3 – направление расчетных координат (сопротивление воздухопроницанию)

Пример

Пример (продолжение)

Пример (окончание)

Воздухопроницаемость. Выводы1. Воздухопроницаемость увеличивает теплопотери. 2. Для ОК с неплотностями и щелями, теплофизические свойства определяются высокими показателями проницаемости для холодного воздуха и при недостаточной герметизации теплозащитные свойства могут быть полностью утрачены. 3. Фильтрация наружного воздуха сильно влияет на понижение эксплуатационных качеств стен, выполненных из пористых материалов и не защищенных плотными отделочными слоями. 4. Коэффициент воздухопроницания i и сопротивление воздухопроницанию R в являются гораздо менее строгими показателями, чем коэффициент теплопроводности λ и термическое сопротивление R , поэтому их значения нужно выбирать обоснованно. 5. Для плотных материалов (стекло, металлы, плотные полимеры, рулонные кровли) i = 0, и соответственно R в = ∞. Для насыпных и волокнистых материалов, заполняющих воздушные прослойки, наоборот i = ∞, R в = 0. 6. Воздухопроницаемость сопряжений и стыков между элементами ОК во много раз больше воздухопроницаемости материалов, из которых выполнены эти элементы, поэтому нужно определять сопротивление фильтрации воздуха для конструкции в целом.

Влажностное состояние ограждающих конструкций А. С повышением влажности строительных материалов повышается их теплопроводность , поэтому: 1) нужно принимать меры по предотвращению возможного увлажнения 2) применять материалы с минимальной влажностью 3) учитывать не только теплотехнический, но и влажностный режим Значение влажностного режима: В. Влажный материал неприемлем из санитарно-гигиенических соображений ( биостойкость ОК ) С. Повышенная влажность материала влияет на технические характеристики ( влагостойкость ОК ), т. к. это определяет долговечность. Возможные негативные последствия: 1) понижение морозостойкости 2) отслаивание наружных штукатурок, облицовок, покрытий 3) преждевременный износ из-за потери механической прочности невлагостойкими материалами Вывод: в наружных ОК влажных и мокрых помещений применение материалов ограничивается степенью их влагостойкости

Влажный материал как гетерогенная система Компоненты влажного материала: — твердая часть (скелет); — влага; — воздух. Влага находится в нескольких фазах. Все фазы и компоненты влажного материала взаимодействуют, между ними происходит тепло- и массобмен.

Защита от влажности

Причины появления влаги в наружных ОК Изменение влажностного состояния ОК в процессе эксплуатации здания может происходить за счет сорбционного и конденсационного увлажнения материалов Сорбция и конденсация водяного пара на поверхности и в толще неразрывно связаны с температурно-влажностным состоянием окружающей среды. Поэтому знание закономерностей этих процессов позволяет рассчитать влажностное состояние ОК при эксплуатации здания. Сорбция и конденсация основные, но не все причины появления влаги

Грунтовая влага – проникает в ОК из грунта вследствие капиллярности. Причины появления влаги в наружных ОК ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ВЛАГИ их некоторые особенности Устранение последствий или предотвращение увлажнения Строительная влага – вносится в ОК при возведении здания или при изготовлении сборных ЖБК — количество влаги зависит от конструкции и способа производства работ — кирпичная кладка является менее благоприятной по сравнению со стенками из керамич. блоков или бетон. камней — наиболее благоприятны деревянные стены — с наступлением холодов немедленно включать вентиляцию и отопление — в первую зиму повысить интенсивность вентиляции и отопленияmax 0, 15, , пор hсм Rсм ; — устройство гидроизоляционных слоев, препятствующих проникновению влаги из грунта в ОК Атмосферная влага – проникает в ОК при косом дожде или в результате неисправности крыши — защита наружной поверхности ОК водоотталкивающими материалами — в КПД – защита стыков, нанесение фактурного слоя 15 1, 5 бетон h м кирпич h м Эксплуатационная влага – выделение её связано с эксплуатацией здания — в цехах покрасочных, кожевенных, пищевых производств, прачечных, банях — увлажняется пол и низ стен — устройство водонепроницаемых полов — облицовка керамической плиткой — отвод воды в канализацию

Конденсация влаги из воздуха – в подавляющем большинстве это основная причина повышения влажности ОК. Влага конденсируется как на поверхности, так и в толще. Причины появления влаги в наружных ОК ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ВЛАГИ их некоторые особенности Устранение последствий или предотвращение увлажнения Гигроскопическая влага – влага находящаяся в ОК вследствие гигроскопичности материалов ОК Гигроскопичность – свойство материала поглощать (сорбировать) влагу из воздуха при постоянной температуре — в разной степени подвержены все материалы — исключение применения материалов, содержащих хлористые соли и другие особо гигроскопичные вещества — снижение влажности внутреннего воздуха путем естественной и искусственной вентиляции — повышение температуры внутренней поверхности ОК — в помещениях с высокой влажностью, где конденсацию предотвратить нельзя необходимо не допускать проникновения конденсирующейся на поверхности влаги в толщу ОК — правильный выбор слоев и последовательности расположения слоев в многослойной ОК — пароизоляция

Изменение средней влажности материала в ограждении с начала эксплуатации здания (строительная влага) Влагосодержание в эксплуатационный периодически изменяется в течение года около некоторого среднегодового значения, возрастая в апреле-мае, понижаясь к концу осени. В декабре-январе значения влажности близки к среднегодовому. Теплотехнический расчет и подсчет теплопотерь выполняются для зимнего периода (январь), поэтому теплофизические характеристики материалов ОК, зависящие от влажности, выбираются исходя из данных об установившейся среднегодовой влажности.

Гидроизоляция (грунтовая влага)

Характеристика влаговыделений (эксплуатационная влага)

Количество влаги, выделяемой различными источниками

Влажность воздуха. Конденсация 100 e E е – парциальное давление водяного пара (упругость), Па Е – парциальное давление насыщенного водяного пара (максимальная упругость), Па Причины, обуславливающие влажность воздуха в помещениях с естественной вентиляцией: 1) Выделение влаги людьми и растениями 2) Выделение влаги приготовлении пищи, стирке и сушке, влажной уборке 3) Производственные условия 4) Выделение влаги из ОК – в начальный период (особенно – первый год) после окончания строительства

Поглощение (сорбция) влаги 1 2 2 100 в P P P Влага, поглощаемая пористыми материалами из воздуха называется сорбционной , а процесс увлажнения – сорбцией Влагосодержание строительных материалов выражают в % следующими параметрами: Весовая влажность Р 1 – вес (масса) образца до высушивания ( воздушно-сухой материал ) Р 2 – вес (масса) этого образца после высушивания ( абсолютно сухой материал ) Объемная влажность 1 2100 o V V V 1 – объем влаги, содержащейся в образце материала V 2 – объем образца 1000 в o

Поглощение (сорбция) влаги

Поглощение (сорбция) влаги От сорбционных свойств материала зависит количество влаги, необходимой для увлажнения воздушно-сухого материала до полного сорбционного насыщения, которое является верхним допустимым пределом влагосодержания конструкции. ! После достижения этого предела теплозащитные качества ОК перестают удовлетворять требованиям. Графически зависимость между весовой влажностью материала и относительной влажностью воздуха при t=const. изображается в виде изотерм сорбции Изотермы сорбции водяного пара: 1 – глиняным кирпичом 2 – минеральной ватой

Изотерма сорбции водяного пара бетоном плотностью 1400 кг/м

Изотермы сорбции водяного пара древесиной

Сорбция влаги различными материалами

Паропроницаемость материалов и ОК Пример. В помещении Наружный воздух 20 , 60 % в вt C 28 , 84 %н нt C 2360 1402, 8 100 1 8 00 3 в в в. Е е Па 84 39, 5 10 47 0 100 н н н Е е Па Разность величин парциального давления водяного пара с одной и другой стороны ОК вызывает поток водяного пара через ОК от внутренней к наружной стороне. Это явление называется диффузия водяного пара. Процесс диффузии водяного пара через слои строительного материала или через ОК в целом называется паропрницанием. Между процессами диффузии газов и процессами теплопроводности имеется полная аналогия (процессы тепло-и массоперноса) Количество диффундирующего водяного пара через 1 м 2 однородной ОК за 1 ч в н. P eе μ — коэффициент паропроницаемости, мг/(м·ч·Па)

Коэффициент паропроницаемости

Коэффициент паропроницаемости μ характеризует способность материала пропускать диффундирующий через него водяной пар и зависит от физических свойств материала При диффузии через слой материала водяной пар на своем пути встречает сопротивление материала ОК Это сопротивление аналогично термическому сопротивлению при теплопередаче и называется сопротивление паропроницанию2/ППа ч м. Rм г Для многослойной ОК: 1 2 1 2. . . n П п n R R Полное сопротивление паропроницанию: 0 П вп П нп. R R

Перемещение пара в ОК Парциальное давление водяного пара при его диффузии через ОК понижается от величины е в до е н вследствие сопротивления паропроницанию материалов ОК Для построения линии падения парциального давления , в произвольном сечении ОК плоскостью х вычисляем парциальное давление в этой плоскости: в н х в Пx Пe e R R в н х в в x Tt t R R R е х – парциальное давления водяного пара в плоскости х ОК Пx R – сумма сопротивлений паропроницанию первых слоев или части материала ОК от внутренней поверхности до плоскости х (включая сопротивление влагообмену R вп ) !

Расчет влажностного режима Для расчета задаемся значениями, , , в в н нt t 1. На разрезе выбираем несколько плоскостей сечения в толще ОК (для однородной стенки 4 -5, для многослойной в каждом слое 3 -4) 2. Вычисляем температуру в каждом сечении и строим линию падения температуры в ОК ( линия t ) 3. Исходя и з температур выбираем значения парциального давления насыщенного водяного пара, строим линию изменения ( линия Е ) 4. Вычисляем парциальное давление водяного пара исходя из заданных условий, строим линию изменения ( линия е ) Делаем выводы: А. Если внутри ОК линия Е и линия е не пересекаются, то конденсация внутри ОК невозможна т. к. в любой плоскости ОК е<Е, следовательно φ<100 % В. Если линии Е и е пересекаются, то конденсация возможна 5. Определяем область конденсации

ПРИМЕР 1 Рассчитать влажностный режим стены из легкого бетона толщиной 0, 5 м при температурах и влажностях воздуха: 18 , 55 %, 10, 2 , 86 %в в н нt C Параметры бетона: 3 1200 / ; 0, 5 /( ); 0, 14 5 /( )кг м Вт м С мг м ч Па

ПРИМЕР 1 1. Выбираем 4 плоскости, которые разделяют стенку на 5 слоев толщиной по 0, 1 м

ПРИМЕР 1 2. Рассчитываем температуру в каждом сечении 2. 1 Определяем сопротивление теплопередаче 1 1 1 0, 5 1 1, 158 8, 7 0, 5 23 Tк в н R R 18 10, 2 1 18 15, 2 1, 158 8, 7 в н вп в в T t t R R 2. 2 Определяем температуры: — внутренней поверхности стенки

ПРИМЕР 1 18 10, 2 1 0, 1 18 10, 3 1, 158 8, 7 0, 5 в н в в Tt t R R — в каждом сечении и на наружной поверхности: 2 18 10, 2 18 5, 4 1, 158 8, 7 0, 5 t 3 18 10, 2 1 0, 3 18 0, 5 1, 158 8, 7 0, 5 t 4 18 10, 2 1 0, 4 18 4, 4 1, 158 8, 7 0, 5 t 5 18 10, 2 1 0, 5 18 9, 3 1, 158 8, 7 0, 5 t 2. 3 Строим линию t

ПРИМЕР 1 3. Выбираем исходя из температуры парциальное давление насыщенного водяного пара в каждом сечении Точка t, C E, Па в 18 2065 вп 15, 2 1729 1 10, 3 1254 2 5, 4 896 3 0, 5 635 4 -4, 4 423 нп -9, 3 276 н -10, 2 255 3. 2 Наносим ось для откладывания значений Е 3. 1 3. 3 Строим линию Е

ПРИМЕР 1 4. Рассчитываем парциальное давление водяного пара в каждом сечении 4. 1 Определяем сопротивление паропроницанию2 0 0, 5 0 0 3, 45 / 0, 145 ПRм ч Па мг 0 П вп П нп. R R 4. 2 Определяем парциальное давление водяного пара: — внутреннего воздуха: 2065 55 1136 100 в в в Е е Па — наружного воздуха: 255 86 220 100 н н н Е е Па

ПРИМЕР 1 — внутренней и наружной поверхности стенки: 1136 вп ве е Па 220 нп не е Па 1 1 0 1136 220 0, 1 1136 953 3, 45 0, 145 в н в П T е е R R 2 1136 220 0, 2 1136 770 3, 45 0, 145 е 3 1136 220 0, 3 1136 587 3, 45 0, 145 е — в каждом сечении: 4 1136 220 0, 4 1136 587 3, 45 0, 145 е 4. 3 Строим линию е

ПРИМЕР 1 5. Определяем относительную влажность в каждом сечении 1136 100 % 1729 вп вп вп е Е 1 953 100 76 % 1254 2 770 100 86 % 896 3 587 100 92, 4 % 635 4 404 100 95, 5 % 423 220 100 79, 7 % 276 нп 5. 2 Наносим ось для откладывания значений φ 5. 3 Строим линию φ

ПРИМЕР 1 6. Определяем влагосодержание по изотерме сорбции водяного пара бетоном с плотностью 1200 кг/м 3 6.

ПРИМЕР 1 Точка φ , % ω в , % в 55 вп 65, 7 2, 0 1 76 2, 5 2 86 3, 0 3 92, 4 3, 4 4 95, 5 3, 5 нп 79, 7 2, 6 н 86 6. 3 Наносим ось для откладывания значений ω в 6. 2 6. 4 Строим линию ω в

ПРИМЕР 1 1. Так как линии е и Е не пересекаются, конденсации водяного пара в стене не будет 2. Линия φ показывает, что в стене относительная влажность достигает 95, 5 % и понижается к внутренней и наружной стороне. Т. е. влажность бетона будет неодинаковой по толщине стены. 3. Весовая влажность ω повышается до 3, 5 % при влажности у внутренней поверхности 2, 1 % и у наружной – 2, 5 %. Следовательно, даже при отсутствии конденсации влаги в зимнее время весовая влажность материалов ограждения в результате сорбции водяного пара будет повышаться ВЫВОДЫ

ПРИМЕР 2 Рассчитать влажностный режим стены из легкого бетона толщиной 0, 5 м (см. предыдущий пример) при температурах и влажностях воздуха: 18 , 70%, 10, 2 , 86 %в в н нt C Параметры бетона: 3 1200 / ; 0, 5 /( ); 0, 14 /( )кг м Вт м С мг м ч Па

ПРИМЕР

ПРИМЕР 2 1. Так как линии е и Е пересекаются, в стене будет конденсироваться водяной пар. 2. Снижение парциального давления водяного пара в стене происходит не только из-за сопротивления, оказываемого стеной диффузии пара, но и вследствие процесса конденсации. 3. Для построения линии падения парциального давления водяного пара в стене при конденсации в ней влаги проводим из точек е в и е н касательные к линии Е в точках Е 1 и Е 2. Плоскости, параллельные поверхностям стены и проходящие через эти точки и выделяют зону конденсации. ВЫВОДЫ

ПРИМЕР

Влажностное состояние ОК. Выводы 1. Все строительные материалы обладают способностью поглощать влагу. 2. Весовая влажность материалов ограждения в результате сорбции водяного пара повышается даже в отсутствие конденсации. Влажность материала оказывается максимальной в центральной области стены 3. Плоскость возможной конденсации в однородной (однослойной) ОК находится на расстоянии около 0, 66 толщины ОК от её внутренней поверхности, а в многослойной ОК – совпадает с поверхностью теплоизоляционного слоя, ближайшей к наружной поверхности ОК. ( На этом основан расчет требуемого сопротивления паропроницанию, приведенный в ТКП «Строительная теплотехника» ). 4. Влажность кирпичных стен повышается к концу холодного периода года. 5. В многослойных ОК влажностный режим зависит от порядка расположения слоев. К внутренней поверхности ОК следует располагать материалы плотные, теплопроводные (малое R ) и малопаропроницаемые (большое R П ), к наружной – пористые, теплоизоляционные с большой паропроницаемостью. ( Такое расположение также повышает теплоустойчивость ОК).

Влажностное состояние ОК. Выводы 6. Если конструктивно или технически такое расположение невозможно, применяют пароизоляционные слои (битумные мастики, лаки, рубероид, толь и др. ), при этом пароизоляция должна располагаться первой в направлении потока водяного пара, т. е. в наружных ОК отапливаемых зданий – на внутренней поверхности. В бесчердачных перекрытиях следует устраивать вентилируемые прослойки над теплоизоляционным слоем. 7. Метод расчета влажностного режима при стационарных условиях является приближенным и чем менее массивным будет ОК, тем ближе к действительным будут результаты. Однако данный расчет отвечает на два важных вопроса: 1) будет ли гарантирована ОК от конденсации влаги? 2) каков годовой баланс влаги в ОК? ( т. е. происходит ли в ОК систематическое накопление влаги, приводящее со временем к увлажнению или ОК с течением времени будет просыхать)

Строительная теплофизика. Выводы по модулю Самостоятельно