Теплотехнические расчеты ограждающих конструкций зданий и сооружений осуществляют с использованием следующих тепло- физических свойств материалов: теплопроводности, температуропроводности, теплоемкости, паропроницаемости, влагопроводности. сорбции.
Теплопроводность Вт/(м-К), характеризует стационарные процессы теплопередачи в материале. Плотность теплового потока при стационарных температурных условиях определяют уравнением
Дх
В соответствии с ГОСТ 16381—77, к теплоизоляционным относятся материалы теплопроводностью не более 0,175 Вт/(м-К) при температуре 25 °С и плотностью не более 600 кг/м3. Теплопроводность теплоизолирующих материалов зависит от их плотности (рис. 1.1, а), пористости, структуры и формы пор, температуры, влажности, фазового состава влаги и других факторов. Закон изменения теплопроводности сухих строительных материалов от их температуры обычно близок к линейному (рис. I. 1, б).
Увеличение количества мелких и замкнутых пор всегда существенно понижает теплопроводность. В крупных порах, а особенно в сообщающихся между собой, возникают конвективные потоки воздуха, снижающие теплоизолирующий эффект пористости. По мере уменьшения общей плотности бетона количество крупных пор обычно увеличивается и теплопроводность уменьшается. Заметную роль играют не только общая пористость, но и форма, размер и ориентация пор, поскольку направление потока тепла и излучения внутри пор оказывают большое влияние на общую теплопроводность материала.
Существенное значение для теплопроводности имеет химическая природа веществ, входящих в состав материала. Причем, чем тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристаллы материала, чем слабее они между собой связаны, тем меньше теплопроводность материала. Теплопроводность шлакобетонов на металлургических шлаках меньше по сравнению со шлакобетонами такой же плотности, но на топливных (котельных) шлаках. Например, при плотности 1600 кг/м3 для первого вида шлакобетона (в сухом состоянии) теплопроводность 0,65, а для второго — 0,815 Вт/(м-К). Это объясняется тем, что в состав металлургических шлаков входит кальций, марганец и железо, относительная атомная масса которых значительно больше, чем углерода и серы, входящих в состав топливных шлаков.
На каждый процент массовой влажности (от 1 до 7 %) теплопроводность легких бетонов марки 50 на керамзитовом заполните-
450 -100 -50 0 50 t'C 6 Рис. 1.1. Зависимость теплопроводности пенопластов от их плотности (а) и Температуры (б) [35]: 1 — полистирольный; 2 — фенольний; 3 — мочевиноформальдегидиый. |
Ле может изменяться в - пределах 0,0097...0,021 Вт/(м-К). При этом меньший прирост характерен для бетонов с крупнопористой и крупнозернистой структурой. Каждый процент увеличения объемной влажности керамзитобетона в среднем повышает его теплопроводность на 0,016 Вт/(м-К) при использовании в качестве мелкого заполнителя керамзитового песка и на 0,035...0,055 Вт/(м-К) —при использовании кварцевого. При отрицательных температурах теплопроводность влажных строительных материалов определяется характером криогенных фазовых превращений влаги и может быть выше или ниже чем в зоне положительной температуры. Это объясняется тем, что при отрицательной температуре влага в межпоро - вом пространстве может не превращаться в лед, а выпадать в виде инея, теплопроводность которого ниже чем у льда и воды [47]. Когда влаги недостаточно для образования и заполнения крупных пор льдом, где в первую очередь происходят криогенные фазовые превращения, теплопроводность материала снижается. Причем лед сорбирует влагу из более мелких пор и тем самым как бы осушает материал. При большом влагосодержании материала лед в его порах образует не вкрапления, а мостики холода, существенно увеличивая теплопроводность материала. Зависимость теплопроводности некоторых строительных материалов от их температуры и влажности показана на рис. 1.2,1.3.
При эксплуатации зданий передача тепла через ограждения происходит в нестационарных температурных условиях и характеризуется температуропроводностью материала ограждающей конструкции. Характер зависимости температуропроводности теплоизоляционных строительных материалов от их температуры и влажности аналогичен зависимости теплопроводности от этих параметров. Температурное поле сухой ограждающей конструкции
ТКм-tij |
|||||
0.8 0.7 0.6 0,5 OA 0.3 02 |
10 |
20 30 О |
40 |
Рис. 1.2. Зависимость теплопроводности газозолобетона (а) и пенобетона (б)
От температуры при различной их влажности [13, 23, 47, 53]: I — ц)=4,8 %; 2 — и>=17%; 3 — ш=33 %; 4—w~38%; 5 — ш=>1,4 %; 6 — ш=6 %; 7 —
So г, с |
W=28 %.
При неустановившемся тепловом режиме описывают уравнением Фурье:
Дх (х, г) _ ^ дН {х, г)
TOC o "1-3" h z дг dx2
С дт(х, г) = ^ д2т(х, г)
Дг дх8
Плотность потока парообразной влаги через слой материала
7(1.з)
Дх
Паропроницаемость зависит от температуры, влажности, структуры материала, парциального давления водяного пара в межпо - ровом пространстве, форм связи влаги с материалом. Зависимость коэффициента паропроницаемости от влажности материала близка к изотерме сорбции, а от температуры — линейная [54]. Плотность потока жидкой влаги вычисляют
7. = - р -f5-- (")
Дх
При расчете тепловлажностного состояния строительных конструкций по теории термовлагопроводности [24] поток влаги не разделяют на парообразную и жидкую составляющие, а рассматривают совместно:
Г - 7, +Ъ = - ■ад + К, - Ц-), (1.5)
Где ат — коэффициент диффузии влаги, м2/с (по физическому смыслу аналог коэффициента температуропроводности); Kt — термоградиентный коэффициент, К-1 пли % К-1, определяющий перенос влаги в теле, вызванный единичным градиентом температуры.
В качестве движущей силы, определяющей совместное перемещение парообразной и жидкой влаги по теории В. Н. Богословского, принят потенциал влажности G, функционально связанный с влагосодержанием материала. Это удельная энергия влаги, отнесенная к ее массе. Значение 0 определяется потенциалами всех силовых полей, действующих на влагу [14]. При этом плотность потока влаги
Дх
Где к — влагопроводимость материала, кг/(м-с-°В), по физическому смыслу — аналог его теплопроводности.
Изотермы сорбции характеризуют процесс увлажнения материала путем поглощения парообразной влаги из окружающего воздуха. Термин «сорбция» объединяет два физических явления: адсорбцию и абсорбцию.
Форма изотерм сорбции определяется формой связи влаги с материалом [2, 9,24, 54]. Сорбционные свойства материала зависят от температуры. При ее повышении равновесное влагосодержание уменьшается, а при уменьшении — увеличивается.
По СНиП II-3-79* к основным теплотехническим показателям ограждающих конструкций зданий и сооружений относятся сопротивление теплопередаче, тепловая инерция, теплоустойчивость и теплоусвоение, сопротивление воздухо - и паропроницанию.
Сопротивление теплопередаче однослойной конструкции определяют по формуле
Яо = Яв + Я4-#„ = — +4- + — • (17)
CtB Л СХН
Сопротивление теплопередаче многослойной конструкции вычисляют по формуле
П п—1 п м—1
Яо = Я» + £Яі+ п, + Яв = — + Е-Г+
^ ' ав ^ и X «н
/=1 1= 1-І ' 1 где п — количество слоев; 6t-, fa — соответственно толщина и теплопроводность слоя конструкции ; бП/ — толщина зазора между слоями; Я, П/ — эффективная теплопроводность воздушного зазора, учитывающая перенос тепла через него теплопроводностью, излучением и конвекцией.
Формулы (1.7), (1.8) справедливы только для термически однородных конструкций, передача тепла через которые происходит только в одном измерении. Примером таких конструкций могут служить глухие стены одноэтажных зданий, выполненные из монолитного однородного материала без примыкания по всей площади стен перегородок.
Расчет теплопотерь через ограждения сложной конструкции осуществляют по приведенному сопротивлению теплопередаче Rnp0 (приведенным называют сопротивление теплопередаче такого условного ограждения с одномерным температурным полем, потери тепла через которое при одинаковой площади равны теплопотерям сложного ограждения с двумерным температурным полем).
Отношение амплитуды колебания теплового потока Aq к амплитуде колебания температуры на внутренней поверхности ограждения Ат называют коэффициентом теплоусвоения
Aq
Внутренней поверхности ограждения YB= — .
Т
Коэффициент теплоусвоения однослойной конструкции определяется теплофизическими свойствами его материала и периодом колебания тепловых воздействий:
Y = S= (1.9)
Где S — коэффициент теплоусвоения материала, Вт/(м2-К); 2я/г — частота колебаний температуры, 1/ч (здесь z — период колебаний, ч).
При z—24 ч
S = 0,5lKЈC^ (1-Ю).
Отношение амплитуды Ах на поверхности, воспринимающей колебания температуры внешней среды, к затухающей амплитуде А'х на противоположной поверхности называется затуханием амплитуд v внутри конструкции.
Интенсивность затухания колебаний температуры внутри однородной ограждающей конструкции характеризуется безразмерной величиной
D = RS (1.11)
И называется тепловой инерцией конструкции. Для многослойной (п слоев) конструкции
D= J ОД. (1.12)
T=i
Тепловая инерция ограждающей конструкции определяет продолжительность времени, необходимого для предельного ее охлаждения. Чем больше тепловая инерция, тем длительнее это время.
По тепловой инерции все ограждающие конструкции делят на четыре класса: безынерционные Д^1,5; малой инерционности 1,5</)^4; средней инерционности 4</)^7 и большой инерционности Д>7.
В теплотехнических расчетах применяют следующие характеристики воздухопроницаемости: коэффициент воздухопроницаемости t, кг/(м-с-Па); сопротивление воздухопроницанию Я„, (м2-с-Па)/кг. Для однородных однослойных конструкций
Для многослойных
Где RV{ — сопротивление воздухопроницанию і-го слоя, рассчитываемого по формуле (1.13).
Сопротивление паропроницанию ограждающих конструкций Rn рассчитывают по зависимости
П п
Я„ = ЯЇ + У Яп, + Яп = -4г + У — . (I-15) *=1 1 где Явш R"л — сопротивление влагообмену соответственно между внутренней и наружной поверхностями конструкции и воздухом; авт, аит — коэффициенты влагоотдачи, кг/(м2-с-Па).
Оставить комментарий