916

Перенос тепла всегда возникает при разности температур на наружных и внутренних поверхностях ограждения. Тепловой поток, проходящий через ограждения, редко бывает постоянным, он почти всегда меняется во времени.

Для упрощения расчетов считается, что количество тепла, проходящее через ограждение, постоянно во времени. Такой тепловой поток называют стационарным.

При стационарном тепловом потоке количество тепла Q , Вт, проходящего через плоскую однородную стенку, можно определить по формуле

где tint – температура воздуха с внутренней стороны ограждения, ºС; text - то же, с наружной стороны, ºС;

F - площадь ограждения, м2; z - время передачи тепла, ч;

k - коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств материала ограждения,

называемый коэффициентом теплопередачи.

Когда вместо температуры воздуха с двух сторон известны температуры на наружной и внутренней поверхности ограждения, формула (2.1) принимает вид

ограждения, ºС;

Fи z – то же, что и в формуле (2.1);

- толщина ограждения, м;

- коэффициент теплопроводности материала ограждения.

Преобразовав формулу (2.2) относительно коэффициента теплопроводности , получим его размерность

Численное значение коэффициента теплопроводности, в основном, зависит от плотности материала, влажности и природы материала.

Пористые материалы, как правило, содержат большое количество воздушных пор, а

воздух имеет хорошие теплоизоляционные показатели ( = 0,02 Вт/(м ·о С). Увлажнение материала ухудшает его теплоизоляционную способность, так как часть воздушных пор заполняется влагой, вследствие чего увеличивается его плотность.

41

Таким образом, чем меньше значение коэффициента теплопроводности имеет материал ограждения, тем выше его теплоизоляционные свойства и наоборот, чем больше величина ,

тем большую теплопроводность имеет материал ограждения.

2.4. Сопротивление теплопередачи через однослойные и многослойные ограждающие конструкции, выполненные из однородных слоев

Для теплотехнической оценки ограждающей конструкции главным является не то, какое количество тепловой энергии она пропускает, а то, как она сопротивляется прохождению тепла.

Чем большим сопротивлением теплопередачи она обладает, тем выше ее теплоизоляционные свойства.

Процесс передачи тепла через ограждающую конструкцию рассмотрим на примере однослойной однородной ограждающей конструкции толщиной (рис.2.1).

Рис. 2.1 Теплопередача через ограждение

При прохождении теплового потока Q через плоскую однородную пластинку толщиной , последняя оказывает сопротивление, а сам процесс передачи тепла можно

разложить на 3 составляющие его этапы: тепловосприятие; теплопроницание; теплоотдача.

На первом этапе прохождения теплового потока Q сопротивляется внутренняя поверхность ограждения. Этот этап характеризуется изменением температур (tint si ) между

температурой внутреннего воздуха tint (ºC) и температурой внутренней поверхности ограждения

si (ºC).

Для количественной оценки первого этапа теплообмена используется коэффициент

На втором этапе прохождению теплового потока сопротивление оказывает материал ограждающей конструкции на глубину . Это сопротивление характеризуется разностью температур ( si se ) между внутренней и наружной поверхностью конструкции и называется

42

термическим сопротивлением ограждения. Численное значение термического сопротивления ограждения Rsi (м2 ∙ºС)/Вт определяется по формуле

теплозащитные свойства ограждения. Для повышения сопротивления теплопередаче необходимо или увеличить толщину ограждения ( ) или уменьшить коэффициент теплопроводности ( ).

Этот этап характеризуется изменением температуры между наружной поверхностью ограждения и температурой наружного воздуха ( sе text ),ºC.

В ограждающей конструкции тепло передается вследствие теплопроводности, а на ее поверхностях – за счет конвекции и излучения.

Просуммировав три сопротивления прохождения тепла через ограждающую конструкцию, можно определить общее сопротивление теплопередаче однородной ограждающей конструкции, которое выражается формулой

Вт/(м2 ∙°С);

43

где R1 , R2, ...Rn - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции,

определяемые по формуле (2.5).

характеристики поверхности ограждения (гладкая – шероховатая).

Наибольшее влияние на величину коэффициента ext оказывает скорость ветра, а на величину коэффициента int - температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения, а также интенсивность излучения поверхностей.

С целью снижения массы ограждающей конструкции и стоимости целесообразно

размещать внутри ограждения замкнутые воздушные прослойки. Воздух, обладая малой величиной коэффициента теплопроводности [ = 0,02 (м2·ºС)/Вт)], является достаточно

эффективным теплоизолятором и при разумном его применении позволяет получать ощутимую добавку в тепловой защите здания.

Расчет общего сопротивления теплопередаче ограждений с замкнутыми воздушными прослойками не отличается от подобного расчета сплошного ограждения за исключением того,

что в формулу (2.8) включается термического сопротивления воздушной прослойки, т.е.

44

Преобразуем равенство (2.16) относительно 2

Подставляем вместо si его значение из уравнения (2.14), получим

По аналогии имеем, что температура на внутренней поверхности любого n-го слоя будет

равна

где R - сумма термических сопротивлений всех предыдущих слоев (считая от внутренней

n 1

поверхности).

2.6. Графический метод определения температуры внутри многослойной ограждающей конструкции (метод Фокина-Власова)

При определении температур в многослойных ограждающих конструкциях задачу проще решить графическим методом.

Сэтой целью на горизонтальной оси откладывают последовательно в некотором масштабе не действительные слои ограждающей конструкции, а их сопротивления теплопередаче, начиная с сопротивления теплопередаче внутренней поверхности ограждения и кончая сопротивлением теплопередаче наружной поверхности ограждения, так, чтобы сумма всех отрезков изображала в том же масштабе величину общего сопротивления теплопередаче ограждения R0 , (м2 ∙ºC/Вт) (рис. 2.2).

Слевой стороны от ограждения задаются масштабом температур, размещая их по вертикали.

47

(рис. 2.3).

Рис. 2.3. Распределение температур по сечению ограждающих конструкций:

а) однослойной конструкции; б) при размещении утеплителя с наружной стороны; в) то же, с внутренней стороны; г) то же, внутри ограждения; д) то же, с наружной стороны и устройством вентилируемой

воздушной прослойкой

Вследствие отсутствия утеплителя в однослойной кирпичной стене, оштукатуренной с обеих сторон (рис. 2.3, а), происходит резкое падение температуры. При этом часть ограждения находится в области отрицательных температур в холодный период времени и испытывает значительные температурные напряжения. Резкое падение температуры показывает, что при отключении системы отопления тепловая энергия будет быстро переходить из стены в наружный воздух и теплонакопительная способность ограждения будет быстро исчерпана.

Учитывая тот факт, что плоскость возможной конденсации в однородных однослойных ограждениях располагается на расстоянии, равном 2/3 толщины от внутренней поверхности конструкции, что также негативно сказывается на теплозащитных качествах такого ограждения.

При наружном расположении слоя утеплителя вся толщина кирпичной кладки находится в области положительных температур (рис. 2.3, б). При отключении отопления наружу будет передаваться незначительное количество тепловой энергии, так как ее передача будет задерживаться утеплителем. В кирпичной кладке не будут возникать трещины от температурных деформаций. Расположение утепляющего слоя снаружи защищает кирпичную кладку зимой от сильного охлаждения, а летом – от перегрева, что обеспечивает комфортные условия проживания людей. Для предохранения утеплителя от атмосферных факторов необходимо защищать его с помощью штукатурного слоя. При этом штукатурный слой должен обладать паровоздушными свойствами, чтобы не допускать скопления водяных паров

49

внутреннего воздуха на границе раздела поверхности «утеплитель-штукатурный слой», а

выводить их через себя в атмосферу.

В случае расположения утепляющего слоя с внутренней стороны ограждения вся толщина кирпичной стены в зимний период будет находиться в области отрицательных температур и испытывать значительные температурные напряжения (рис. 2.3, в). Кроме того,

расположение утепляющего слоя с внутренней стороны ограждения может привести к появлению конденсата на наружной стороне утеплителя, что со временем может привести к потере утеплителем своих теплоизолирующих свойств. Для нейтрализации негативных последствий необходимо предусмотреть перед утеплителем дополнительный слой пароизоляции из синтетического материала толщиной не менее 200 мк или алюминиевой фольги.

Расположение утеплителя внутри кирпичной стены является более предпочтительным,

так как несущий слой стены в этом случае располагается в области положительных температур и при отключении отопления обеспечивает в течении длительного времени отдачу тепла в помещения (рис. 2.3, г). Несущая часть стены в течении года не испытывает температурные напряжения. Однако при таком расположении утеплителя возможно образование конденсата на его наружной поверхности, так как плоскость возможной конденсации в многослойных ограждающих конструкциях совпадает с наружной поверхностью утеплителя. За летний период водяные пары в некоторых случаях не смогут полностью мигрировать через слой кирпича и начнут скапливаться на границе раздела «утеплитель-кирпич». При понижениях температуры на этой поверхности постепенно будет происходить конденсация паров и образовываться капельножидкая вода, которая станет впитываться в материал с большей величиной водопоглощения, т.е. в утеплитель. За несколько лет по этой причине утеплитель намокнет и потеряет свои теплозащитные качества и стена начнет промерзать.

Наиболее рациональным является расположение утеплителя с наружной стороны ограждения с устройством вентилируемой воздушной прослойки перед облицовочным слоем

(рис. 2.3, д). Расположение утеплителя с внешней стороны стены способствует тому, что вся толщина кирпичной кладки находится в области положительных температур и не испытывает температурных напряжений. Стена зимой остается теплой, поэтому в помещении обеспечивается комфортный микроклимат. Наличие вентилируемой воздушной прослойки способствует отведению конденсационной влаги из утепляющего слоя во внешнюю среду, а

наличие облицовочного слоя предотвращает намокание утепляющего слоя от дождя.

2.8. Методика проектирования тепловой защиты зданий

Основной задачей проектирования тепловой защиты зданий является создание комфортных условий микроклимата помещений при минимальном расходе тепловой энергии

50