Теплопередача через ограждения при наличии воздухопроницаемости

Влияние воздухопроницаемости на теплопередачи для различных элементов ограждение складывается по-разному. Для окон, которые обладают наименьшим сопротивлением фильтрации воздуха, результатом этого влияния будет увеличение теплопотерь. Воздухопроницаемость массива и стыков в основном сказывается на понижении температур на их поверхностях.

При фильтрации воздуха температурное поле и теплообмен на поверхностях пористого ограждения заметно изменяется, происходит это в результате переноса дополнительного тепла потоком воздуха.

Расходы воздуха проникающего через ограждения обычно не велики и составляют до 10 м³/час через 1м² поверхности.

Воздух двигается по порам и капиллярам медленно (число Re=0,05) и его температура во всех сечениях ограждения практически равна температуре твердого материала.

Для обеспечения комфортных условий важно учитывать изменение температуры на внутренних поверхностях ограждения при инфильтрации и эксфильтрации.

Для многослойных ограждений температуры перепада по сечению пропорциональны термическим сопротивлениям.

Дифференциальное уравнение температурного поля в стационарных условиях при фильтрации воздуха:

. (10.1)

Отсюда распределение температуры по сечению ограждения при фильтрации воздуха можно записать:

, (10.2)

где t_B – температура внутреннего воздуха, °С;

t_H – средняя температура холодной пятидневки;

е – основание натурального логарифма е = 2,718;

С_В – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг∙°С);

R^Ф – фактическое сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции начиная от наружного воздуха до данного сечения в толще ограждения, (м²∙°С)/Вт:

, (10.3)

где G_U – количество воздуха проникающего через наружное ограждение, кг/(м²∙ч):

, (10.4)

где – сопротивление при инфильтрации:

, (10.5)

где i – слой наружного ограждения.

При эксфильтрации воздуха из помещения через ограждения значения G_U в формуле

(10.6)

принимается со знаком минус.

Формула для определения теплового потока Q в произвольном сечении ограждения:

. (10.7)

При инфильтрации как следует из уравнения (12.7) тепловой поток на внутренней поверхности ограждения оказывается наибольшим, по мере приближения к наружной поверхности тепловой поток уменьшается.

Такое явление возникает вследствие рекуперации (частичного возврата тепла на нагрев наружного воздуха), фильтрующегося через ограждения на встречу потоку тепла и называется экономайзерным эффектом.

Из уравнения (12.7) следует, что разность тепловых потоков на внутренней q_B и наружной q_Н термических границах ограждения равна

. (10.8)

Влияние потока фильтрующегося воздуха на перенос тепла через ограждения характеризуется коэффициентом порового охлаждения , который равен отношению входящего в ограждения потока тепла q_B, при наличии фильтрации к тепловому потоку q₀ при ее отсутствии:

, (10.9)

где – относительный коэффициент фильтрационного теплообмена, характеризующий отношение тепловой емкости потока воздуха к коэффициенту теплопередачи ограждения k.

Фильтрующийся воздух также оказывает влияние на коэффициент теплопередачи ограждения.

Значение k теплопередачи с учетом инфильтрации воздуха равно

. (10.10)

Исследования показали, что температура поверхности ограждения при инфильтрации воздуха ниже, а коэффициент теплопередачи выше, чем при отсутствии инфильтрации.

Это нужно учитывать при расчете систем отопления, вентиляции и конденсации.

Пример 10. 1. Определить температуру внутренней поверхности и величину теплового потока при инфильтрации через наружную стену из керамзитобетонных панелей. Толщина стены δ = 24 см. Сопротивление теплопередаче R₀= 1,03 м²∙К/Вт (1,2 ч∙м²∙°С/ккал). Интенсивность расхода воздуха j = 5,0 кг/(м²∙ч). Температура внутреннего воздуха t_B = + 18°С и наружного t_н = -26°С.

Сопротивление тепловосприятию на внутренней поверхности R_н=0,115 м²∙К/Вт (0,133 ч∙м²∙°С/ккал) и удельная теплоемкость воздуха с = 1005 Дж/(кг∙К) (0,24 ккал/(кг∙°С)).

Решение. По формуле

определим температуру внутренней поверх­ности наружной стены при инфильтрации

.

По формуле

определяем расчетную величину теплового потока на внутренней поверхности ограждения при инфильтрации

.

Температура на внутренней поверхности при отсутствии инфильтрации по формуле

=

Величина теплового потока при отсутствии фильтрации

.

По формуле (10.9) определим коэффициент порового охлаждения керамзитобетонной панели:

.

Величину теплового потока при инфильтрации q_в^инф удобно определить, пользуясь графиком на рисунке 10.1 (кривая 1).

Рисунок 10.1 – Относительные затраты тепла при различных фильтрационных режимах (коэффициенты порового охлаждения):

1 – инфильтрация через пористую стенку; 2 – эксфильтрация через пористую стенку, 3 – затраты тепла на трансмиссионные теплопотери и на нагрев приточного вентиляционного воздуха, 4 – затраты тепла на нагрев только приточного вентиляционного воздуха;

5 – трансмиссионные теплопотери, 6 –затраты тепла при сквоз­ном проветривании помещения, I – уменьшение общих затрат тепла при инфильтрации; II – то же, при эксфильтрации

Для данного случая χ = 1,44; ε = 1,9 находим

,

что близко к определенному по формуле.