Теплопередача в нестационарных условиях

Изложенные ранее расчеты основаны на постоянстве температур с наружной и внутренней сторон ограждения, вследствие чего через него проходит установившийся тепловой поток. В реальных условиях это наблюдается редко. Постоянно происходят колебания температуры наружного воздуха, изменяется температура в помещении (особенно в зданиях с периодически действующим отоплением), в летнее время наружная поверхность нагревается еще и за счет солнечной радиации. Все это вносит погрешности в теплофизические расчеты по установившимся условиям. Поэтому в некоторых случаях необходимо выполнять расчеты при нестационарных условиях теплопередачи.

Теплоусвоение и тепловая инерция ограждения

Законо­мерность изменений тепловых потоков и соответственно температуры поверх­ности ограждающей конструкции мо­жет быть принята в виде гармоничес­ких колебаний. Период ко­лебаний теплового потока соответству­ет периоду отдачи тепла системой ото­пления или периоду нагрева огражде­ний солнечными лучами.Значения максимального увеличе­ния или уменьшения теплового потока Qz или температуры поверхности ог­раждения т по отношению к их сред­ним значениям являются амплитудами колебаний теплового потока Aq и тем­пературы поверхности ограждения А_х .

Отношение амплитуды колебания теплового потока Aq к амплитуде ко­лебания температуры поверхности ограждения А_х называется коэффици­ентом теплоусвоения поверхности огра­ждения (внутренней или наружной) у, Вт/(м²-°С):

Коэффициент теплоусвоения по­верхности ограждения зависит от пе­риода колебания теплового потока Z, теплотехнических свойств ограждения и является важной характеристикой ограждения в оношении воздействия на него периодических колебаний теп­лового потока и температуры. Этот коэффициент представляет собой мак­симальное изменение амплитуды коле­бания теплового потока, воспринимае­мое поверхностью ограждения, при амплитуде колебания ее температуры, равной 1 °С.

В однородном ограждении большой толщины теплоусвоение его поверхно­стей при заданном периоде колебаний температуры будет зависеть только от свойства этого материала ограждения, называемого коэффициентом тепло­усвоения материала s, Вт/(м²-°С),

s = л/2лХср/г. (3.37)

В частном случае при периоде ко­лебаний температуры 24 ч, например при солнечном облучении конструкции,

s₂₄ = 0,51 л/я,ср. (3.38)

Из формулы (3.37) видно, что ко­эффициент теплоусвоения материала увеличивается с уменьшением периода Z, при Z=0 s=oo. Тогда по формуле (3.36) А_т = 0, т. е. будет иметь место стационарный тепловой поток.

Наибольшее теплоусвоение имеют тяжелые теплопроводные материалы (сталь S24= 126,7; гранит S24=24,9 Вт/ (м² • °С), а наименьшее - легкие малотеплопроводные (минеральная ва­та S9₄-0,64; пенопласты S24=0,26 Вт/(м²-°С).

Колебания температуры на поверх­ности ограждения, в свою очередь, вы­зывают колебания температуры в тол­ще его. По мере удаления от поверх­ности ограждения амплитуда колеба­ния температуры будет затухать в тол­ще (рис. 3.16). Кроме уменьшения амплитуд колебания температуры по мере удаления от поверхности ограж­дения происходит еще запаздывание этих колебаний во времени.

В результате в толще ограждения образуется температурная волна, зату­хающая по мере проникновения ее в толщу ограждения. Расстояние между двумя максимумами или минимумами волны I называется длиной волны. Для характеристики числа волн, распола­гающихся в толще данного огражде­ния, служит безразмерный показатель тепловой инерции D.

Показатель тепловой инерции мо­жет быть назван условной толщиной ограждения и является мерой интен­сивности затухания колебаний темпе­ратуры внутри ограждающей конструк­ции. Показатель тепловой инерции характеризует число температурных волн, располагающихся в толще ограж­дения. В ограждении при D=8,5 рас­полагается примерно одна температур­ная волна.

Для однородного ограждения

D=Rs. (3.39)

Для многослойного ограждения по­казатель тепловой инерции прибли­женно определяется¹ как сумма пока­зателей тепловой инерции отдельных слоев:

2/,-s,. (3.40)

D = 2D,

Теплоустойчивость ограждающих конструкций

Теплозащитные качества ограждающих конструкций, эксплуатируемые в жарких районах (со среднемесячной температурой) оцениваются по теплоустойчивости. Это свойство конструкции сохранять при колебаниях теплового потока относительное постоянство температуры на обращенной в помещение поверхности. Это одно из условий комфортности пребывания человека в помещении.

Количественная оценка теплоустойчивости проводится по затуханию в конструкции температурных колебаний. Величина затухания вычисляется как отношение амплитуды колебаний температуры на поверхности, непосредственно воспринимающей температурное воздействие к амплитуде на противоположной поверхности.

Теплоусвоение полов

Поверхность пола жилых и общественных зданий, вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий и отапливаемых помещений производственных зданий (на участках с постоянными рабочими местами) должна иметь показатель теплоусвоения гамма_n, Вт/(м2 х °С), не более нормативной величины, установленной табл. 11*.

Таблица 11*

Здания, помещения и отдельные участки	Показатель теплоусвоения поверхности пола (нормативная величина) , Вт/(м2 х °С)
1. Здания жилые, больничных учреждений (больниц, клиник, стационаров и госпиталей), диспансеров, амбулаторно-поликлинических учреждений, родильных домов, домов ребенка, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, общеобразовательных детских школ, детских садов, яслей, яслей-садов (комбинатов), детских домов и детских приемников-распределителей
2. Общественные здания (кроме указанных в поз. 1); вспомогательные здания и помещения промышленных предприятий; участки с постоянными рабочими местами в отапливаемых помещениях, где выполняются легкие физические работы (категория I)
3. Участки с постоянными рабочими местами в отапливаемых помещениях производственных зданий, где выполняются физические работы средней тяжести (категория II)

Примечания. 1. Не нормируется показатель теплоусвоения поверхности пола:

а) имеющего температуру поверхности выше 23 °С;

б) в отапливаемых помещениях производственных зданий, где выполняются тяжелые физические работы (категория III);

в) производственных зданий при условии укладки на участки постоянных рабочих мест деревянных щитов или теплоизолирующих ковриков;

г) помещений общественных зданий, эксплуатация которых не связана с постоянным пребыванием в них людей (залов музеев и выставок, фойе театров, кинотеатров и т.п.).

2. Теплотехнический расчет полов животноводческих, птицеводческих и звероводческих зданий следует выполнять с учетом требований СНиП 2.10.03-84.

4.2*. Показатель теплоусвоения поверхности пола Y_n, Вт/(м2 х °С), следует определять следующим образом:

а) если покрытие пола (первый слой конструкции пола) имеет тепловую инерцию D_1= R_1 s_1 >=0,5, то показатель теплоусвоения поверхности пола следует определять по формуле

Y_n = 2 s_1 ,

(27)

б) если первые n слоев конструкции пола (n >= 1) имеют суммарную тепловую инерцию D_1+ D_2 + ... + D_n < 0,5, но тепловая инерция (п + 1)-го слоев D_1 + D_2 + ... + D_n+1 >= 0,5, то показатель теплоусвоения поверхности пола Y_n следует определять последовательно расчетом показателей теплоусвоения поверхностей слоев конструкции, начиная с n-го до 1-го:

для n-го слоя - по формуле

(28)

для i-го слоя (i = n - 1; n - 2; ...; 1) - по формуле

(28а)

Показатель теплоусвоения поверхности пола Y_n принимается равным показателю теплоусвоения поверхности 1-го слоя гамма_1.

В формулах (27) - (28а) и неравенствах:

D_1, D_2, ..., D_n+1 - тепловая инерция соответственно 1-го, 2-го, ..., (n + 1)-го слоев конструкции пола, определяемая по формуле (2);

R_i, R_n - термические сопротивления, м2·°С/Вт, i-го и n-го слоев конструкции пола, определяемые по формуле (3):

s_1, s_2, s_n, s_n+1 - расчетные коэффициенты теплоусвоения материала 1-го, i-го, n-го, (n + 1)-го слоев конструкции пола, Вт/(м2 х °С), принимаемые по прил. 3*, при этом для зданий, помещений и отдельных участков, приведенных в поз. 1 и 2 табл. 11*,- во всех случаях при условии эксплуатации А;

У_n+1 - показатель теплоусвоения поверхности (i + 1)-го слоя конструкции пола, Вт/(м2·°С).