Распространение тепла в ограждающих конструкциях

Теплообмен

Распространение тепла от зоны с высокой температурой к зоне с низкой температурой называют  теплообменом.

Существуют три типа теплообмена:

1) теплопроводность,

2) конвекция,

3) излучение.

Первый тип характерен для ограждений из твёрдых материалов и подчиняется закону Фурье. Передаваемое количество теплоты, передаваемое через плоскую стенку при стационарном потоке тепла, равно (рис.)

 ,

 .

Коэффициент теплопроводности (l) зависит от средней плотности материала, его химико-мнералогического состава и влажности: Значение l увеличивается и при возрастании плотности материала, и при возрастании влажности. Последнее свойство значительно снижает теплозащитные свойства ограждения, особенно в первые годы, когда велика строительная влажность ограждения.

Второй тип теплообмена происходит:

а) между неравномерно нагретыми частями газа, если слои газа движутся относительно друг друга,

б) между неравномерно нагретыми частями жидкости, слои жидкости движутся относительно друг друга,

в) между неравномерно нагретыми газом и твёрдым телом, если газ циркулирует относительно твёрдого тела (рис.)

г) между неравномерно нагретыми газом и жидкостью, если газ движется относительно жидкости,

д) между неравномерно нагретыми жидкостью и твёрдым телом, если жидкость омывает поверхность тела.

Третий тип теплообмена происходит без непосредственного контакта тел 9веществ), обменивающихся энергией, и состоит в испускании и поглощении ими энергии электромагнитного излучения. Например, лучистый теплообмен от Солнца к поверхности Земли. В случае теплообмена излучением значение Q₃ зависит от разности температур излучающего и поглощающего тел, площади излучения и времени теплообмена.

Все три типа теплообмена в ограждающих конструкциях и зданиях взаимосвязаны. В ограждениях из плотных материалов преобладает теплопроводность. В пустотных ограждениях с воздушными прослойками (двойное остекление, слоистые стены) преобладает теплообмен конвекцией и излучением.

Теплопередача

Перенос тепла из одной среды с высокой температурой в другую среду, с малой температурой, через разделяющее ограждение называют  теплопередачей.

Теплопередача через плоское однородное  ограждение состоит из трёх последовательных типов теплообмена, происходящих по мере прохождения тепловым потоком различных участков ограждения (рис.).

1. Перенос тепла от нагретого воздуха к внутренней поверхности конструкции (на 1 м² поверхности за 1 с) – путём конвекции и излучения

 ,           (1)

где a_внутр – коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения. Значение a_внутр зависит от температурного режима внутренней поверхности ограждения и воздушной среды внутри помещения и равен

,

a_конвек – коэффициент передачи тепла конвекцией,

 a_излуч – коэффициент передачи тепла излучением.

2. Перенос тепла от внутренней поверхности конструкции к её внешней поверхности, которая прилегает в охлаждённой воздушной среде (на 1 м² поверхности за 1 с) – путём теплопроводности

 .            (2)

3. Перенос тепла от внешней поверхности ограждения к прилегающей извне охлаждённой воздушной средой (на 1 м² поверхности за 1 с) – путём конвекции

 ,     (3)

где a_внеш – коэффициент теплообмена на наружной поверхности ограждения

,

Но при этом существенно зависит от скорости ветра. Чем больше скорость ветра, тем больше значение a_внеш .

Термическое сопротивление

Из формулы (2), выражающей закон Фурье для случая, когда поверхность конструкции равна 1 м²  и время передачи тепла равно 1 с, следует

.

В общем случае, для произвольной площади поверхности S конструкции и времени переноса тепла t:

 .

Обозначим толщину ограждения

.

Величину, равную отношению толщины плоского однородного ограждения к коэффициенту теплопроводности материала этого ограждения, называют  термически сопротивлением ограждения:

                                                  .                                       (4)

В соответствии с законом Фурье, оно равно

и измеряется в единицах

 .

Если ограждающая конструкция многослойная, то её термическое сопротивление равно сумме термических сопротивлений всех слоёв:

                                                  ,                                       (4*)

                                               ,                                       

где i – номер слоя, N – количество слоёв в конструкции, l_i – толщина i-го слоя, l_I –коэффициент теплопроводности этого слоя.

Из формул (4), (4*) видно что увеличение термического сопротивления R можно достичь:

а) увеличением толщины ограждения (l),

б) применением материалов с малыми значениями коэффициента теплопроводности (l).

В настоящее время, когда применяют жёсткие требования к теплозащите зданий, особое значение применение облегчённых конструкций с эффективными утеплителями и малой объёмной массой. В этом случае значение l невелико. Чтобы учесть зависимость l и, следовательно, от влажности материала конструкции, применяют СНиП II 3-79 . В этих нормах указаны значения l  в зависимости от условий эксплуатации, влажного режима помещений и климатических данных влажности наружного воздуха.

Тепловосприятие

Процесс передачи тепла от внутреннего нагретого воздуха к прилегающей внутренней поверхности ограждения называют тепловосприятием. Тонкие слои воздуха, которые непосредственно прилегают к внутренним поверхностям конструкции, менее подвижны. Поэтому они оказывают сопротивление теплопередаче. Это означает, что температура меняется не только внутри ограждения, но и вблизи внутренней его поверхностей.

Из формулы (1) видно, что для случая, когда поверхность конструкции равна 1 м²  и время передачи тепла равно 1 с  :

 .               

В общем случае, для произвольной площади поверхности S конструкции и времени переноса тепла t:

 .

Термическое сопротивление переходу тепла от внутреннего воздуха в внутренней поверхности ограждения называют сопротивлением тепловосприятию:

                                                 ,                                    (5)

.

Теплоотдача

Процесс передачи тепла от внешней поверхности ограждения к более холодному окружающему внешнему воздухуназывают теплоотдачей.

При теплоотдаче тоже возникает сопротивление этому процессу. Из формулы (3) видно, что для случая, когда поверхность конструкции равна 1 м²  и время передачи тепла равно 1 с :

 .               

В общем случае, для произвольной площади поверхности S конструкции и времени переноса тепла t:

 .

Термическое сопротивление переходу тепла от внешней поверхности ограждения в внешнему воздуху называют сопротивлением тепловосприятию:

                                                      ,                                    (6)

.

Выводы:

1. Общее сопротивление теплопередаче ограждением равно сумме

                             .                                          (7)

2. Суммарное количество теплоты во всех процессах теплопередачи равно

                                                              (8)