Тепловая инерция ограждений

Размещено на http://allbest.ru

Министерство науки и образования Украины

Харьковская национальная академия городского хозяйства

Контрольная работа

По дисциплине: «Строительная теплофизика»

Выполнила: Морозова И. Ю.

студентка IЙI курса

заочного отделения

специальность ТГВ-2

Проверил: Гапонова Л.В.

Харьков - 2011 г

СОДЕРЖАНИЕ

1. ТЕПЛОВАЯ ИНЕРЦИЯ ОГРАЖДЕНИЙ

2. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ПОМЕЩЕНИЙ ПРИ ЗИМНЕМ РЕЖИМЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

3. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ОГРАЖДЕНИЙ В ЛЕТНИХ УСЛОВИЯХ

4. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ПОЛА

5. ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ПОМЕЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. тепловая инерция ограждений

Температура наружного воздуха в холодный период колеблется (например, при оттепелях от - 30 до +5 ^оС в течение нескольких суток, а летом суточные колебания - днем + 35, а ночью около 15 ^оС). Возможны также колебания температуры внутри помещения за счет периодического печного отопления, неравномерности подачи тепла центральным отоплением или при отключении отопления. Все это вызывает изменения температурного режима ограждений и отражается на тепловом состоянии помещений. Таким образом нарушается стационарный режим. В таких случаях имеет место нестационарный тепловой процесс, который всегда связан с изменением теплосодержания тела и им обуславливается.

Теплоустойчивость -- тепловая инерция -- характеризует способность стены сохранять неизменным тепловое состояние своих внутренних слоев. Это состояние может быть нарушено тепловыми волнами, распространяющимися в теле стены и вызванными периодическими суточными погодными изменениями температуры наружных поверхностей. Если эти тепловые волны угасают в теле стены настолько, что амплитуда колебаний температуры внутренних поверхностей незначительна, значит, стена обладает хорошей тепловой инерцией. Обычно такими бывают массивные стены из достаточно плотных материалов (камня, кирпича и т.п.). Стены из материалов малой массы не обладают такой инерцией.

Если вся конструкция состоит только из одного тонкого слоя, с обеих сторон омываемого воздухом, подводящим или уносящим тепло, то на величину теплоусвоения поверхности такой конструкции влияет коэффициент теплообмена, а с воздушной средой у поверхности, противолежащей той, на которую непосредственно воздействуют колебания температур.

При амплитудных изменениях температуры на внутренней поверхности через ограждение с некоторым затуханием распространится температурная волна. На рис. 1 изображена такая амплитудная волна, которая может расположиться по толщине однослойного однородного ограждения.

На основании экспериментальных исследований установлено, что полная волна располагается в ограждении при D = 8,9. Величина D называется тепловой инерцией - его условная толщина, определяется зависимостью

.

В ограждении к внутренней поверхности примыкает слой, в котором происходят резкие амплитудные изменения тепла - так называемый слой резких колебаний (с.р.к.). Считается, что этот слой заканчивается там, где значение амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности уменьшается вдвое (равно ). Он характеризуется показателем тепловой инерции D =1.

Из этого условия находится толщина слоя резких колебаний

,откуда .

Рис. 1 - Схема к определению слоя резких колебаний

Для легких ограждающих конструкций, утепленных эффективными теплоизоляционными материалами, характерна малая величина затухания.

Такие конструкции быстро охлаждаются при перерывах в работе отопления или быстро нагреваются при периодическом действии солнечных лучей и высокой температуры воздуха. Иначе говоря, такие конструкции обладают малой тепловой инерцией.

Тепловая инерция характеризует свойство ограждающей конструкции сохранять или медленно изменять существующее распределение температур внутри конструкции.

Условная толщина представляет безразмерную величину, характеризующую число температурных волн, затухающих внутри ограждающей конструкции, при периодическом действии таких волн на ее поверхность.

массивнее ограждающая конструкция, тем больше температурных волн располагается внутри нее. Иначе говоря, условная толщина характеризует тепловую инерцию, определяющую степень массивности ограждающей конструкции.

Для многослойной конструкции тепловая инерция является суммой тепловых инерций слоев

.

величине тепловой инерции можно оценить время, необходимое для предельного охлаждения ее внутренней поверхности в случае отключения источника отопления. С ростом тепловой инерции ограждения это время увеличивается.

По показателю тепловой инерции ограждения по массивности подразделяются на:

безинерционные- при D < 1,5 -;

легкие- при 1,5 < D < 4;

средней массивности - при 4 < D < 7;

массивные - при D > 7.

В зависимости от массивности при расчете требуемого сопротивления теплопередаче ограждения промышленного здания назначается расчетная температура наружного воздуха в январе.

Очень легкие ограждения (например, панели «сэндвич») при резком похолодании полностью охлаждаются в течение сравнительно короткого периода времени (несколько часов).

Массивные стены из бетона или кирпича полностью охлаждаются в течение нескольких суток и резкое похолодание практически не изменит температуру на внутренней поверхности.

Для однородной конструкции с суточным периодом колебания запаздывание во времени, е, ч, может быть определено по формуле

.

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности многослойной конструкции определяется, начиная с первого слоя (нумерация слоев изнутри помещения), по следующей последовательности.

Если D₁ < 1, то расчет ведется по формуле

.

Если D₁ ? 1, то принимается Y₁ = s₁.

Если D₁ < 1, но D₁ + D₂ ? 1 (слой резких колебаний частично или целиком захватывает первые два слоя), то применяется расчетная формула

.

геофизика солнечный теплоустойчивость

Если слой резких колебаний захватывает три и более слоев (п слоев), то расчет ведется последовательным приближением к внутренней поверхности. Вычисления начинаются с (п - 1) слоя по формуле которая принимает вид:

.

Из условий теплоустойчивости в многослойной конструкции аккумулирующий слой (с большим значением s) следует располагать с внутренней стороны ограждения, а теплоизоляционный (с малым s) - с наружной стороны. В таком случае при увеличении температуры в помещении “лишнее” тепло будет аккумулироваться внутренним слоем, а затем возвращаться в помещение при понижении температуры. Таким образом будет смягчаться тепловая обстановка улучшая комфортные ощущения человека. Для однослойных ограждений целесообразно применение материала сочетающего эти два свойства. Лучшим материалом в этом смысле является древесина, затем можно порекомендовать ячеистые бетоны.

Теплозащитные свойства стен зависят от способности строительного материала передавать теплоту, что характеризуется коэффициентом теплопроводности. Чем меньше плотность, тем меньше коэффициент теплопроводности, тем лучше теплозащитные свойства стен.

2. Теплоустойчивость помещений при зимнем режиме эксплуатации

Теплоустойчивость помещений - характеристика помещения, отражающая его свойство сохранять постоянную температуру при расчетных внешних и внутренних тепловых воздействиях.

Теплоустойчивость помещений определяется как теплоустойчивостью ограждающих конструкций, контактирующих с наружным воздухом, так и тепловой инерцией внутренних перегородок, дверей, междуэтажных перекрытий, оборудования и материалов, находящихся в помещении. В помещении нежелательны резкие колебания температуры, поэтому допустимыми пределами колебаний температуры является амплитуда A_t = +1.5^oC для помещений с центральными системами отопления и A_t = +3^oC для печного отопления.

Из теории теплоустойчивости известно, что амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности наружного ограждения A_tв и амплитуда колебаний теплового потока через эту поверхность A_Q связаны выражением

A_tв = A_Q/Y_в.

Решая это уравнение относительно AQ можно получить

A_Q = A_t7B,

где B = a_вY_в/(a_в+Y_в) - коэффициент теплопоглощения внутренней поверхности ограждения. Если полагать, что значения a_в постоянны для внутренних поверхностей, то можно сделать вывод, что коэффициенты теплопоглощения B определяются только теми конструктивными слоями ограждений, которые входят в слой резких колебаний температуры.

Для всех ограждений помещения можно представить следующее выражение

A_Q = A_t7S F_вiB_i,

где S F_вiB_i - теплопоглощающая способность помещения.

Очевидно, что S F_вiB_i = F_в1B₁ + F_в2B₂ +777+ F_вnB_n.

Для расчетов амплитуды колебаний температуры внутреннего воздуха в зимний период применяется формула

j7Dt7SF_в j7Q_ср

At = --------------- = ----------,

R_{o ср}7S F_вiB_i S F_вiB_i

где j - коэффициент неравномерности поступления тепла в помещение;

Q_ср - среднее значение теплопотерь помещения;

R_{o ср} - осредненное значение термического сопротивления ограждающих конструкций.

Для летнего периода значения коэффициента j принимают в пределах 0.6 - 0.7.

Для зимнего периода он зависит от периодичности работы системы отопления и обычно составляет 0.4 - 0.5.

Для внутренних перегородок коэффициент теплоусвоения принимается с учетом термического сопротивления перегородки от ее внутренней поверхности до оси, т.е. учитывается тепловая инерция одной половины перегородки, обращенной в помещение.

Для однослойной перегородки

d

Y_в = ----s²,

2l

где d - толщина перегородки;

l - коэффициент теплопроводности материала перегородки.

Для окон и остекленных наружных дверей величина коэффициента теплопоглощения соизмерима с коэффициентом теплопередачи и, соответственно, может быть вычислена из выражения

1

B = --------,

1.08R_o

где Ro - термическое сопротивление теплопередаче остекленного проема.

Потери теплоты через ограждающие конструкции помещений определяются в соответствии с требованиями Приложения 8 СНиП 2.04.05-86 "Отопление, вентиляция и кондиционирование". Суммарные теплопотери определяются выражением

SQ_п = SQ_огр + Q_инф - Q_быт,

где SQ_огр - суммарные потери тепла через ограждающие конструкции;

Q_инф - потери тепла на нагрев инфильтрующегося воздуха;

Q_быт - бытовые тепловыделения (тепло, выделяемое людьми, светильниками, приборами, работающим оборудованием и т.д.).

Если количество воздуха, удаляемого наружу системой вентиляции, превышает количество инфильтрующегося, то формула для расчета теплопотерь несколько видоизменяется и приобретает вид

SQ_п= SQ_огр + Q_вент - Q_быт.

3. Теплоустойчивость ограждений в летних условиях

В летних условиях наружная поверхность ограждений периодически нагревается солнцем, что вместе с высокой температурой наружного воздуха вызывает прогрев ограждения и повышение температуры в помещении. Следовательно, оценка теплофизических свойств строительных материалов и ограждающих конструкций только по величинам термического сопротивления оказывается при периодических тепловых воздействиях недостаточной. Поэтому ограждающие конструкции оценивают еще и по их свойству сохранять относительное постоянство распределения температуры.

Количество теплоты, поступающей от солнечной радиации, зависит от географической широты местности, состояния атмосферы, от расположения и ориентации поверхности по сторонам света. Для определения прямой и рассеянной радиации используются усредненные данные многолетних наблюдений.

Различают три вида солнечной радиации:

1) прямая часть лучистой энергии, поступающей непосредственно от солнца;

2) часть солнечной энергии, рассеянная атмосферой и отраженной облаками;

3) отраженная от земли и зданий часть энергии солнца. Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффузной радиацией.

Проверку на теплоустойчивость в летний период необходимо проводить при t_п = const в условиях расчетных летних суток при колебаниях условной наружной температуры, учитывающей совместное действие наружной температуры и солнечной радиации. Проверка на теплоустойчивость для летних условий не требуется, если тепловая инерция ограждения D>4 для стен, D>5 для покрытий и при t_V11<21^oC. В Украине во многих южных областях средняя температура июля превышает +21^оС, поэтому такой расчет обычно проводится.

Оценка теплоустойчивости ограждения в летних условиях базируется на учете нестационарного режима, когда конструкция подвержена периодическим тепловым воздействиям.

Критерием оценки теплоустойчивости является амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности конструкции . Величина зависит от характера влияния наружной среды и от теплотехнических характеристик слоев, из которых состоит конструкция.

Амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности не должна быть больше нормативной величины , которая находится по формуле

А^тр_tв = 2.5 - 0.1(t_н - 21),

где t_н - среднемесячная температура наружного воздуха за июль, принимаемая по СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика".

Действительная амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения должна быть меньше требуемой и вычисляется по формуле

А^расч_tн

А_tв = ----------,

n

где А^расч_tн - расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха;

n - коэффициент затухания расчетной амплитуды, обусловленный теплоинерционными свойствами ограждающих конструкций.

По существу расчет на теплоустойчивость сводится к определению А^расч_tн и вычислению коэффициента затухания n.

Расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха определяется по формуле

r(I_max - I_ср)

А^расч_tн = 0.5A_tн + -----------------,

a_н

где A_tн - максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле;

r - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности;

I_max,I_ср - максимальное и среднее значения суммарной солнечной радиации;

a_н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции.

Значения I_max и I_ср принимаются для наружных стен как для вертикальных поверхностей западной ориентации, а для покрытий - как для горизонтальной поверхности в зависимости от географической широты расположения строения.

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности a_н вычисляется из выражения

a_н = 1.16(5 + 10Чv),

где v - минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемостью 16% и более, но не менее 1 м/с.

Значения I_max и I_ср принимаются для наружных стен как для вертикальных поверхностей западной ориентации, а для покрытий - как для горизонтальной поверхности в зависимости от географической широты расположения строения.

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности a_н вычисляется из выражения

a_н = 1.16(5 + 10Чv),

I_max, I_ср, v определятся по СНиП 2.01.01-82.

Величина затуханий колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей конструкции определяется по формуле

D/2 (s₁ + a_в)(s₂ + Y₁)777(s_n + Y_n-1)(a_н + Y_n)

0.9e 7

n = -----------------------------------------,

(s₁ + Y₁)(s₂ + Y₂)777(s_n + Y_n)a_н

где D - тепловая инерция ограждающей конструкции;

s₁,s₂,777,s_n - расчетные коэффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоев;

Y₁,Y₂,777,Y_n - коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности слоев ограждающей конструкции.

Слои ограждающей конструкции нумеруются от внутренней поверхности к наружной.

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя Y c тепловой инерцией D= 1 принимается равным коэффициенту теплоусвоения материала этого слоя s.

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя Y c тепловой инерцией D < 1 определяется последовательным расчетом, начиная с первого слоя.

Для первого слоя

R₁s₁² + a_в

Y1 = ---------------.

+ R₁a_в

Для i-го слоя

R_is_i² + Y_i-1

Yi = -----------------.

1 + R_iY_i-1

В литературе приводятся также упрощенные методики расчета, рекомендуемые для предварительной, ориентировочной оценки теплоустойчивости в летний период.

4. Теплоустойчивость пола

Тепловой комфорт в помещении в значительной степени определяется конструкцией пола. Переохлаждение ног человека может привести к различным заболеваниям.

Теплообмен ног человека с поверхностью пола определяется теплофизическими характеристиками материалов конструкции пола. Полы, выполненные из легких пористых материалов, обладают небольшой теплопоглощательной способностью, поэтому широко применяются в жилых и общественных зданиях ("теплые" полы).

Полы, выполненные из тяжелых и плотных материалов, считаются "холодными", их применение на участках с постоянными рабочими местами ограничивается.

Количественно теплоустойчивость полов определяется в СНиП показателем теплоусвоения поверхности пола, который для однородной конструкции (примером могут служить дощатые полы или паркет) или при D₁ . 0.5 принимается равным

Y_п = 2s₁.

Величина показателя теплоусвоения должна быть не более нормируемого значения, которое для помещений повышенной обеспеченности равно 12 Вт/м², высокой - 14 Вт/м² и средней обеспеченности - 17 Вт/м².

Для помещений при температуре поверхности пола более 23^оС величина Y_п не нормируется.

Если в производственных помещениях выполняются тяжелые физические работы или постоянные рабочие места оборудованы теплоизолирующими щитами либо ковриками, то значение показателя теплоусвоения не нормируется.

Если первые n слоев конструкции пола имеют суммарную тепловую инерцию менее 0.5, а n+1 слоев более 0.5, т.е.

D₁ + D₂ +777+ D_n < 0.5 и D₁ + D₂ +777+ D_n + D_n+1 . 0.5,

то показатель теплоусвоения поверхности пола вычисляется последовательным расчетом показателей теплоусвоения в обратном порядке - от n-го слоя до первого.

Тогда

2R_ns_n² + s_n+1

Yn = ---------------------;

0.5 + R_ns_n+1

4R_is_i² + Y_i+1

Yi = ----------------------;

1 + R_iY_i+1

4R₁s₁² + Y₂

Yп = Y1 = -------------- -

1 + R₁Y₂

- показатель теплоусвоения поверхности пола

Резкие температурных колебаний для многослойной конструкции пола должны ограничиваться слоем утеплителя. В противном случае необходимо изменить конструкцию пола.

5. Теплоустойчивость помещений

Резкие колебания температуры в помещениях нежелательны с точки зрения гигиенических требований и могут быть ограничены путем улучшения теплофизических свойств ограждений.

Под теплоустойчивостью помещения понимается его свойство сохранять постоянство температуры при колебаниях внешних тепловых воздействий или неравномерной теплоотдаче отопительных приборов. Допустимая амплитуда таких колебаний составляет 1,5 ^оС для центрального и 3,0 ^оС для печного отопления.

Амплитуду колебаний теплового потока можно представить как разность двух потоков: один идет на нагревание воздуха, другой - на повышение температуры внутренней поверхности.

Амплитуда колебаний температуры внутреннего воздуха, , оС, определяется по формуле

,

где - суммарные теплопотери через ограждения, Вт;

и - соответственно площадь внутренней (по внутреннему обмеру) и наружной (по наружному обмеру) поверхности ограждения, м²;

- сопротивление теплопередаче ограждения, м²•^оС/Вт;

а - коэффициент, учитывающий несовпадения во времени периодических колебаний тепла и температуры;

т - коэффициент неравномерности отдачи тепла отопительными приборами (для центрального отопления т = 0,1);

В_і - коэффициент теплопоглощения внутренней поверхности ограждения, Вт/(м²· ^оС), определяемый по формуле

.

Список Литературы

1. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Стройиздат,1982.

2. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР.-М.:Стройиздат,1983. - 136с.

3. ДБН В.2.6.-31:2006 Теплова ізоляція будівель, Мінбуд України Київ 2006.- 85с.

4. Тимофєєв М.В., Носаль А.М. Теплотехнічні розрахунки і конструювання зовнішніх огороджень. - Макіївка, ДонДАБА, 2003. - 53. стор.

Размещено на Allbest.ru

...