Сопротивление тепловосприятию
Контрольная
работа
по
теплофизике
№
7
1. Сопротивление теплопередачи
Так как тепловой поток, проходящий
через ограждение, встречает на своем пути некоторое препятствие свободному
перемещению, в практических расчетах удобно пользоваться величинами
сопротивлений, которые выражают разность температур на границах того или иного
слоя, приходящуюся на единичную плотность теплового потока: , м2К/Вт. Различают следующие
сопротивления:
термическое сопротивление слоя
(сопротивление при прохождении тепла через слой конструкции) ;
термическое сопротивление
ограждения, состоящего из нескольких слоев ;
сопротивление тепловосприятию
(сопротивление при переходе тепла от внутреннего воздуха к внутренней
поверхности ограждения) , обычно при расчетах коэффициент
тепловосприятия не рассчитывается по приведенным выше формулам, а принимается
по справочнику;
сопротивление теплоотдаче
(сопротивление при переходе тепла от наружной поверхности к наружному воздуху) , коэффициент теплоотдачи
принимается по справочнику;
сопротивление теплопередаче
ограждения , кроме того, .
Сопротивления тепловосприятию и
теплоотдаче часто объединяют общим названием сопротивлений теплообмена у
внутренней и наружной поверхностей. Несмотря на то, что их численные значения
малы по сравнению с сопротивлением теплопередаче (например, для стен Rв = 0,115, Rн=0,043
м2К/Вт), но они сопоставимы с термическими сопротивлениями материальных слоев
(так, сопротивление 15-ти миллиметрового слоя сухой штукатурки приблизительно
равно 0,08 м2К/Вт, а сопротивление глиняного кирпича составляет порядка 0,16 -
0,22 м2К/Вт). Для определения термического сопротивления ограждения необходимо
знать коэффициенты теплопроводности материалов, составляющих ограждение, а
также размеры слоев. R не зависит от порядка расположения
слоев, но другие теплотехнические показатели ограждения (теплоустойчивость,
распределение температуры в ограждении и его влажностный режим) зависят,
поэтому принято нумеровать слои многослойного ограждения, и нумерация ведется
последовательно от внутренней поверхности ограждения к наружной. Пользуясь
уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно определить толщину
одного из его слоев (чаще всего утеплителя - материала с наименьшим
коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь заданную
(требуемую) величину сопротивления теплопередаче . Тогда требуемое сопротивление
утеплителя можно вычислить как
,
где - сумма термических сопротивлений
слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя - так: . Для дальнейших расчетов толщину
утеплителя необходимо округлять в большую сторону кратно унифицированным
(заводским) значениям толщины того или иного материала. Например, толщину
кирпича - кратно половине его длины (60 мм), толщину бетонных слоев - кратно 50
мм, а толщину слоев из иных материалов - кратно 20 или 50 мм в зависимости от
шага, с которым они изготавливаются на заводах. При ведении расчетов
сопротивлениями удобно пользоваться из-за того, что распределение температур по
сопротивлениям будет являться линейным, а значит расчеты удобно вести
графическим способом. В этом случае угол наклона изотермы к горизонту в каждом
слое одинаков и зависит только от соотношения разности расчетных температур и
сопротивления теплопередачи конструкции. А тангенс угла наклона есть не что
иное как плотность теплового потока, проходящего через данное ограждение:
.
При стационарных условиях плотность
теплового потока постоянна во времени, и значит,
,
где Rх -
сопротивление части конструкции, включающее сопротивление теплообмену
внутренней поверхности и термические сопротивления слоев конструкции от
внутреннего слоя до плоскости, на которой ищется температура. Тогда . Например, температура между вторым
и третьим слоем конструкции может быть найдена так:
.
2. Коэффициент теплопроницания
Q=k*(Tвн-Тн)*F*t
где k
- коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств ограждения и называемый
коэффициентом теплопередачи, Вт/(м2 • °С); вн - температура воздуха с
внутренней стороны ограждения, °С;
Тн - температура воздуха с наружной стороны
ограждения, °С; - площадь ограждения, м2;
t -
продолжительность передачи теплоты, с.
Для выяснения физического смысла коэффициента
теплопередачи ограждения положим в формуле, что
вн-Тн = 1°С, F
= 1 м2, t = 1 с,
тогда k
= Q,
Следовательно, коэффициент теплопередачи
ограждения измеряется количеством теплоты, Дж, которое будет проходить в
течение 1 с через 1 м2 ограждения при разности температур воздуха с одной и с
другой его стороны, равной 1 °С. Если вместо температур воздуха с одной и с
другой стороны ограждения будут известны температуры на поверхностях
ограждения, то формула Q
примет вид: Q=Λ*(Tпов
вн-Тпов н)*F*t
где Λ -
коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств ограждения и называемый
коэффициентом теплопроницания ограждения, ВтДм2 • °С); Tпов
вн - температура внутренней поверхности ограждения, °С; тн - температура
наружной поверхности ограждения, °С. Размерность коэффициента теплопроницания,
Вт/(м2- °С), одинакова с размерностью коэффициента теплопередачи, разница между
ними только в том, что k
относится к 1 °С разности температур воздуха с одной и с другой стороны
ограждения, а Λ- к 1 °С разности
температур на одной и другой поверхности ограждения.
. Термическое сопротивление ограждения
Термическое сопротивление ограждения, состоящего
из нескольких слоев
;
Для определения термического
сопротивления ограждения необходимо знать коэффициенты теплопроводности
материалов, составляющих ограждение, а также размеры слоев. R не зависит
от порядка расположения слоев, но другие теплотехнические показатели ограждения
(теплоустойчивость, распределение температуры в ограждении и его влажностный
режим) зависят, поэтому принято нумеровать слои многослойного ограждения, и
нумерация ведется последовательно от внутренней поверхности ограждения к
наружной. Пользуясь уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно
определить толщину одного из его слоев (чаще всего утеплителя - материала с
наименьшим коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь
заданную (требуемую) величину сопротивления теплопередаче . Тогда требуемое сопротивление
утеплителя можно вычислить как
,
где - сумма термических сопротивлений
слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя - так: . Для дальнейших расчетов толщину
утеплителя необходимо округлять в большую сторону кратно унифицированным
(заводским) значениям толщины того или иного материала. Например, толщину
кирпича - кратно половине его длины (60 мм), толщину бетонных слоев - кратно 50
мм, а толщину слоев из иных материалов - кратно 20 или 50 мм в зависимости от
шага, с которым они изготавливаются на заводах. При ведении расчетов
сопротивлениями удобно пользоваться из-за того, что распределение температур по
сопротивлениям будет являться линейным, а значит расчеты удобно вести
графическим способом. В этом случае угол наклона изотермы к горизонту в каждом
слое одинаков и зависит только от соотношения разности расчетных температур и
сопротивления теплопередачи конструкции. А тангенс угла наклона есть не что
иное как плотность теплового потока, проходящего через данное ограждение:
.
При стационарных условиях плотность
теплового потока постоянна во времени, и значит,
,
где Rх -
сопротивление части конструкции, включающее сопротивление теплообмену
внутренней поверхности и термические сопротивления слоев конструкции от
внутреннего слоя до плоскости, на которой ищется температура. Тогда
.
. От чего зависит сопротивление
теплопередаче многослойного ограждения
, кроме того, .
Сопротивление ограждения
теплопередаче зависит от термического сопротивления каждого однородного по
материалу слоя, составляющего конструкцию ограждения. Для определения
термического сопротивления ограждения необходимо знать коэффициенты
теплопроводности материалов, составляющих ограждение, а также размеры слоев. R не зависит
от порядка расположения слоев, но другие теплотехнические показатели ограждения
(теплоустойчивость, распределение температуры в ограждении и его влажностный
режим) зависят, поэтому принято нумеровать слои многослойного ограждения, и
нумерация ведется последовательно от внутренней поверхности ограждения к
наружной. Пользуясь уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно
определить толщину одного из его слоев (чаще всего утеплителя - материала с
наименьшим коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь
заданную (требуемую) величину сопротивления теплопередаче . Тогда требуемое сопротивление
утеплителя можно вычислить как
,
где - сумма термических сопротивлений
слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя - так:
.
. Нормирование сопротивления теплопередаче
наружных ограждений
При проектировании наружных
ограждений зданий необходимо задаваться минимально допустимыми значениями
сопротивлений теплопередаче Rо, обеспечивающими теплозащитные качества
ограждения. Нормирование Rо основано на принципах обеспечения
санитарно-гигиенических требований внутри помещения и ограничения теплопотерь в
отопительный период. Поэтому при проектировании наружных ограждений необходимо
определять два значения требуемых сопротивлений теплопередаче (одно - исходя из
санитарно-гигиенических условий, другое - исходя из условий энергосбережения),
из которых для дальнейших расчетов нужно выбрать наибольшее. Нормирование
сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением
светопрозрачных) по санитарно-гигиеническим условиям построено на принципе поддержания
на внутренней поверхности ограждения температуры, при которой на ней не
образовывался бы конденсат, то есть температура внутренней поверхности должна
быть не ниже точки росы, а для большей надежности - несколько выше ее. Как
отмечалось ранее, температуры поверхностей не нормируются, но зато нормами
ограничивается температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и
температурой на внутренней поверхности ограждения:
max.
Тогда, при стационарном режиме
теплопередачи
и .
Значит , а
,
тепловой поток сопротивление
ограждение
где tв - расчетная температура
внутреннего воздуха помещения, °С; tн - расчетная зимняя температура наружного
воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки, °С; αв -
коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций,
Вт/(м2°С). Требуемое сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения
(которое в большинстве случаев является определяющим в теплотехническом
расчете) определяется исходя из величины
градусо-суток отопительного периода (то есть когда среднесуточные температуры
наружного воздуха опускаются ниже +8 оС) района строительства, которая зависит
от расчетной температуры внутреннего воздуха, средней температуры отопительного
периода и продолжительности этого периода: (обозначается как Dd). То есть
чем ниже температура tоп или чем больше продолжительность
периода отопления zоп, тем и сопротивление
теплопередаче конструкции должно быть больше. Значения самих сопротивлений
определяются либо по формуле , где R -
минимальное сопротивление теплопередачи ограждения в регионах без отопительного
периода, β - связующий
коэффициент. Значения R и β приведены в
справочнике (там они обозначены как b и a
соответственно). Кроме этого, значения можно определить по той же таблице
в зависимости от ГСОП интерполяцией. Требуемое сопротивление теплопередаче
дверей и ворот, а также светопрозрачных конструкций (окон, балконных дверей,
фонарей) следует определять по справочнику в зависимости от величины ГСОП
района строительства. Необходимо отметить, что при проектировании
светопрозрачных ограждений жилых и общественных зданий должны соблюдаться
условия, ограничивающие максимальную площадь оконных заполнений в соотношении с
общей площадью фасадов зданий.