Влияние наружной среды на формирование микроклимата помещений.
Скорик Т.А., Глазунова Е.К.
Основы обеспечения микроклимата зданий (включая теплофизику здания): учебное пособие. Часть 1. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2013. – 155 с.
В первой части курса «Основы обеспечения микроклимата зданий (включая теплофизику здания)» рассматриваются понятия «микроклимат помещения», факторы и процессы его формирования.
В разделе «Теплофизика зданий» излагаются базовые положения, определяющие тепловой, влажностный и воздушный режим здания и описание процессов тепломассообмена, происходящих на поверхности и в толще наружных ограждающих конструкций. Рассматриваются теплофизические основы проектирования ограждающих конструкций.
Предназначено для направления подготовки 270800 «Строительство» профиля «Теплогазоснабжение и вентиляция».
УДК 697.9
© Ростовский государственный
строительный университет, 2013
© Скорик Т.А., Глазунова Е.К., 2013
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1 Микроклимат помещений
1.1 Общие сведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Санитарно-гигиенические и технологические требования
к микроклимату помещений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Факторы и процессы, формирующие микроклимат помещений. . . . 9
1.4 Тепловой комфорт для организма человека в помещении. . . . . . . 13
1.5 Комфортное сочетание температуры, влажности и подвижности
воздуха для человека. Оптимальные и допустимые условия микроклимата. .20
1.6 Воздушный комфорт для организма человека в помещении. . . . . .28
1.7 Нормирование параметров микроклимата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
1.8 Выбор расчетных параметров микроклимата. . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Влияние наружной среды на формирование микроклимата помещений.
2.1Характеристики наружного климата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Расчетные параметры наружного климата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
2.3 Обеспеченность расчетных условий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3 Свойства влажного воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Теплофизика зданий
4.1 Предмет строительной теплофизики, ее роль и значение
дисциплины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 Виды теплообмена. Теплообмен в помещении. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Виды теплообмена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 Теплопроводность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 Коэффициент теплопроводности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
4.2.4 Теплопроводность плоской стенки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
4.2.5 Теплообмен у поверхности ограждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4.3 Стационарная передача теплоты через ограждающие конструкции.
4.3.1 Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций. . . . . 72
4.3.2 Распределение температур в ограждающей конструкции. . . . . . . 76
4.3.3 Приведенное сопротивление теплопередаче неоднородных
ограждающих конструкций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.4 Требуемое сопротивление теплопередаче. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4 Основы нестационарной теплопередачи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1 Теплоустойчивость ограждающих конструкций. . . . . . . . . . . . . .107
4.5 Влажностное состояние ограждающих конструкций. Влажностный режим помещения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.5.1 Причины увлажнения ограждающих конструкций. . . . . . . . . . . . 115
4.5.2 Увлажнение ограждающих конструкций и сорбционные
характеристики строительных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . .119
4.5.3 Конденсация влаги на поверхности и в толще ограждения. . . . .126
4.5.4 Паропроницаемость материалов ограждающих конструкций. . .134
4.5.5 Защита от переувлажнения ограждающих конструкций. . . . . . . 140
4.6 Воздухопроницаемость ограждающих конструкций. . . . . . . . . . . .142
Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
Введение
Дисциплина «Основы обеспечения микроклимата зданий (включая теплофизику здания)» является базовой для изучения в будущем профессиональных дисциплин «Отопление», «Вентиляция», «Кондиционирование воздуха». В настоящее время всё большее значение уделяется качеству микроклимата, поэтому для обеспечения с помощью систем отопления, вентиляции и кондиционирования условий, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека, необходимо изучить теоретическую основу происходящих в помещении процессов и факторов, формирующих микроклимат помещений, влияние внутренней среды на организм человека, состояние здоровья, работоспособность, правильно оценивать комфортность состояния человека.
В последние годы в нашей стране были существенно повышены требования к уровню тепловой защиты зданий и сооружений. Закон № 261 – ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности.» устанавливает требования к энергетической эффективности зданий, строений, сооружений, которые должны включать в себя в том числе требования к отдельным элементам, конструкциям зданий, строений, сооружений и к их свойствам, позволяющим исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта зданий, строений, сооружений, так и в процессе их эксплуатации.
Современные нормы по тепловой защите зданий установлены с целью проектирования зданий с рациональным использованием энергии. На это направлен комплекс архитектурных, строительных и инженерных решений. Наружные ограждения являются защитой помещений от наружных климатических воздействий и, так как они находятся между внутренним воздухом помещений и наружной средой, то следует знать, какое воздействие оказывает на них и внутренняя среда и наружный климат, а также какими должны быть физико-технические свойства ограждающих конструкций. Основной предмет строительной теплофизики – это обоснование и выбор наружных ограждающих конструкций зданий, которые обеспечивают заданный температурно-влажностный режим помещений, экономию энергоресурсов и долговечность самих конструкций ограждения.
Предлагаемое пособие дает представление о связи комфортной тепловой среды в зданиях и использовании конструктивных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов; знания об основных понятиях и законах процессов теплопередачи, паро- и воздухопроницаемости, о теплофизических свойствах строительных материалов; основу расчетов, позволяющих выбирать ограждающие конструкции зданий, обеспечивающие необходимый уровень тепловой защиты.
В учебном пособии рассмотрена лишь первая часть вопросов, составляющих изучаемый предмет, при этом учтены основные положения, представленные в базовой литературе [1,2,3] по темам дисциплины.
Микроклимат помещений
Общие сведения
Большую часть времени человек в процессе своей жизнедеятельности проводит в помещениях. Поэтому самочувствие, состояние здоровья, трудоспособность определяются взаимодействием человека с окружающей его внутренней средой. В гигиене труда имеется понятие «психофизическое состояние человека», которое отражает связь между здоровьем человека и влиянием окружающей среды. Человек будет чувствовать себя комфортно, если энергозатраты организма на адаптацию к окружающей среде минимальны. По определению английского ученого Бедфорда «состояние комфорта человека – это субъективное чувство, возникающее у людей под влиянием комплексных воздействий: акустических; факторов, влияющих на обоняние и дыхание; зрение; влияние цветов, температуры, влажности и подвижности воздуха; вибрации, а также особых факторов (например, ионизации, т.е. содержания в воздухе заряженных атомов и молекул, действия солнечных лучей); ощущений безопасности; гигиенических факторов; психологической совместимостью людей (групповым поведением) и т.д.».
На практике условия считают комфортными, когда соответствующее объективное чувство возникает не менее, чем у 80% людей.
По определению [1] «внутренняя среда помещения, проявляющаяся в большом числе факторов воздействия на человека, называется микроклиматом помещения».
Наибольшее влияние на физиологическое состояние человека оказывают тепловые условия и состав внутреннего воздуха. Тепловые условия характеризуются сочетанием таких параметров, как температура t,0С, относительная влажность φ,%, и подвижность v, м/с, воздуха, а также радиационная температура помещения tR,0С. Состав воздуха оценивается концентрацией углекислоты, вредных газов, паров, пыли. Восприятие воздуха характеризуется также озоно-ионным составом и запахами.
1.2 Санитарно-гигиенические и технологические требования к микроклимату
Санитарно-гигиенические требования к микроклимату помещений – это требования, которым должен соответствовать микроклимат помещения для нормальной жизни и деятельности человека, т.е. определяемые самочувствием человека.
Есть технологические процессы в разных отраслях промышленности, которые могут протекать лишь при определенных метеорологических условиях, например, в полиграфической промышленности, текстильной, пищевой, радиоэлектронной и др. Специальные условия должны быть созданы и поддерживаться в помещениях для хранения сельхозпродукции, в животноводческих помещениях. Строгий температурно-влажностный режим необходим в зданиях для сохранности культурных и исторических ценностей. В некоторых случаях к внутренней среде помещений предъявляются наиболее жесткие требования, например, в особо чистых помещениях, в операционных. Те требования к микроклимату помещений, которые необходимы для нормального протекания технологического процесса, или обусловлены другими специфическими особенностями, являются технологические требованиями.
На большинстве производственных предприятий в технологическом процессе участвуют люди, т.е. необходимо обеспечение комфортно-технологических условийв производственных помещениях.
Далее будут рассматриваться санитарно-гигиенические требования к микроклимату. Технологические требования к микроклимату излагаются в определенных отраслевых документах.
В соответствии с [4] под микроклиматом помещений следует понимать «метеорологические условия внутренней среды помещений, которые определяются действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения».
Солнечная радиация
Электромагнитное и корпускулярное излучение солнца – солнечная радиация по направлению к земле частично отражается облачным слоем, рассеивается и отражается воздухом атмосферы и загрязняющими его примесями, а частично в виде прямых солнечных лучей достигает поверхности земли и расположенных на ней объектов. Поэтому различают прямую и рассеянную солнечную радиацию.
Прямая солнечная радиация (инсоляция) – часть солнечной радиации, поступающая на поверхность земли в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от видимого диска солнца.
Рассеянная солнечная радиация -часть солнечной радиации, поступающей от всего небосвода после рассеивания в атмосфере. Рассеянная радиация практически равномерно облучает участки земли, имеющие разные уклоны.
Поток теплоты (Вт/м2), принесенной прямой солнечной радиацией для каждой точки на горизонтальной поверхности земли определяется продолжительностью и углом падения на неё солнечных лучей.
В [11] приведена суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальнуюповерхность при безоблачном небе, МДж/м2, для каждого месяца на различных географических широтах (40, 44, 48, 52, 56, 60,64, 68 град. с.ш.). Также приводится суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на вертикальную поверхность различной ориентации по сторонам света для каждого месяца на тех же географических широтах.
Влажность воздуха. Осадки
В [11] для различных населенных пунктов
а) для холодного периода приводятся:
- средняя месячная относительная влажность наиболее холодного месяца,
%;
- средняя месячная относительная влажность в 15 ч наиболее холодного
месяца, %;
- количество осадков за ноябрь – март, мм.
б) для теплого периода приводятся:
- средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее теплого
месяца, % ;
- средняя месячная относительная влажность воздуха в 15 ч наиболее
теплого месяца, %;
- количество осадков за апрель – октябрь, мм;
- суточный максимум осадков, мм .
Также в [11] приводится среднее месячное и годовое парциальное давление водяного пара, ГПа.
Количество осадков, увлажняющих строительные конструкции, относительная влажность воздуха, количество солнечной радиации, падающей на конструкции и годовые колебания температуры наружного воздуха, характеризующиеся их амплитудой, оказывают совместное воздействие на влажностное состояние ограждающих конструкций здания.
На основании количественных соотношений этих факторов территории строительства делятся на три зоны: сухая, нормальная, влажная [12].
Параметры ветрового режима
От направления и скорости ветра зависит не только увлажнение ограждающих конструкций здания, но и общий температурно-влажностный режим территории. Ветер оказывает и силовые воздействия на конструкции зданий. На больших высотах скорость ветра увеличивается.
В [11] приводятся значения повторяемости направления ветра, его средней скорости по этим направлениям (С СВ, В, ЮВ, Ю, ЮГ, З, СЗ), максимальные и минимальные значения из средних скоростей по указанным румбам для наиболее холодного месяца (январь) зимнего периода и наиболее теплого месяца (июль) летнего периода.
Свойства влажного воздуха
Так как носителем параметров, характеризующих микроклимат, концентраций вредностей и других показателей является воздух, то следуетзнать состав воздуха, его свойства, законы, которым он подчиняется.
В атмосферном воздухе содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такую смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.
Сухая часть воздуха содержит по объему около 78% азота, примерно 21% кислорода, около 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов.
Каждый газ в смеси, в том числе и пар, занимает тот же объем, что и вся смесь. Он имеет температуру смеси и находится под своим давлением, которое называется парциальным давлением.
Так как обычно расчеты, связанные с влажным воздухом, выполняются при давлениях, близких к атмосферному, и парциальное давление водяного пара в нем невелико, то с достаточной точностью можно применять к влажному воздуху все формулы, полученные для идеальных газов. Поэтому принимается, что влажный воздух подчиняется уравнению состояния идеальных газов, а также закону Дальтона.
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева) может быть представлено следующими уравнениями:
– для 1 кг газа; (3.1)
– для М кг газа; (3.2)
– для 1 киломоля газа , (3.3)
где р – давление газа, Н/м2;
υ – удельный объем, м3/кг;
R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг·град);
V – объем газа, м3;
М – масса газа, кг;
Vμ – объем 1 кмоля газа, м3/кмоль;
μR – универсальная газовая постоянная 1 кмоля газа, Дж/(кмоль·град)
μR = 8314 Дж/(кмоль·град)
Т – температура газа, К.
Газовая постоянная для 1 кг газа определяется из условия
, (3.4)
где μ – масса 1 кмоля газа в кг, численно равная молекулярной массе газа.
Закон Авогадро.Объем 1 кмоля всех идеальных газов при нормальных условиях (температура 0 
С, барометрическое давление 760 мм рт. ст.) равен 22,4 м 
/кмоль .
Пользуясь характеристическим уравнением для двух различных состояний газа, можно получить выражение для определения любого параметра при переходе из одного состояния в другое, если значения других параметров известны
; (3.5)
(3.6)
Закон Дальтона – сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси Σpi равна полному давлению смеси P
P=Σpi (3.7)
Влажный воздух можно в первом приближении рассматривать как бинарную смесь, т. е. смесь, состоящую из двух компонентов:
– водяного пара (газа с молярной массой 
);
–сухого воздуха (условно однородного газа с молярной массой 
);
Тогда барометрическое давление влажного воздуха В, Па будет равно сумме парциальных давлений сухого воздуха 
и водяного пара 
; т. е.
(3.8)
Водяной пар может находиться в воздухе как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Смесь, состоящую из сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, – насыщенным влажным воздухом.
Температура воздуха – величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения его молекул.
Имеет место зависимость
T=t+273, (3.9) где T - абсолютная температура, К;
t – температура по шкале Цельсия, 
С.
Удельный объем 
м 
/кг, воздуха представляет собой объем единицы его массы. Если V - объем, м 
, занимаемый воздухом массой 
, кг, то удельный объем
(3.10)
Величина, обратная удельному объему, представляет собой массу единицы объема и называется плотностью 
, кг/м 
, т. е.
. (3.11)
Плотность сухого воздуха для нормальных условий (t=0 
С, В=101325 Па)
. (3.12)
Плотность пара
. (3.13)
Зная значение плотности сухого воздуха для определенных условий (например, 
при t=20 
С и В=101325 Па) и используя зависимость (3.5), можно определить плотность сухого воздуха при другом давлении и другой температуре Т. Уравнение (3.5) может быть записано следующим образом 
отсюда 
. (3.14)
Подставив в (3.14) значения для стандартных условий (t=20 C; В=101325 Па), получаем значение плотности сухого воздуха для заданных давления и температуры
, (3.15)
т. е. плотность воздуха прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре.
Плотность влажного воздуха 
может быть определена, как плотность сухого воздуха и водяного пара, находящихся под своими парциальными давлениями
. (3.16)
Из уравнения можно сделать вывод: так как парциальное давление водяного пара величина всегда положительная, то плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха.
При обычных условиях в помещении доля второго члена уравнения (3.16), учитывающего разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составит всего 0,75% величины 
.Поэтому в инженерных расчетах в тех случаях, когда качественное различие плотности сухого и влажного воздуха не имеет значения, обычно считают, что 
Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в 1 м влажного воздуха, или (что то же) плотность пара 
при его парциальном давлении и температуре воздуха. ≅1,5 кг/м3.
Относительная влажность 
- отношение абсолютной влажности воздуха при данной температуре к максимально возможной абсолютной влажности 
(т. е. при полном насыщении) и данной температуре.
. (3.17)
Если температура влажного воздуха t 
меньше или равна температуре насыщения водяного пара t 
при давлении смеси, то 
будет равна плотности насыщенного пара при данной температуре, т. е. 
и значение ее определяется по таблицам насыщенного пара. Если же tв >tнас, при давлении смеси, то 
будет равна плотности перегретого водяного пара при температуре и давлении смеси. Значения в этом случае определяют из таблиц для перегретого водяного пара.
Относительная влажность может быть также представлена, как отношение парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе рn к парциальному давлению водяного пара при той же температуре и полном насыщении 
, то есть
. (3.18)
Если pn<pн, то пар в воздухе перегрет, а следовательно, воздух при этом не насыщен.
При данной температуре и барометрическом давлении парциальное давление водяного пара (упругость водяного пара) имеет предельное значение, сверх которого оно не может повышаться.
Парциальное давление водяного пара в состоянии насыщения называется максимальной упругостью водяных паров. Оно является функцией только температуры и может быть найдено по таблице, которая составлена экспериментальным путем, или по формуле (для области положительных температур)
. (3.19)
При обработке воздуха и изменении его свойств в вентиляционном процессе количество сухого воздуха остается неизменным, поэтому при рассмотрении тепловлажностного состояния воздуха все показатели относят к 1 кг сухой части влажного воздуха.
Влагосодержание воздуха – количество влаги (водяных паров) в г или кг, приходящейся на 1 кг сухого воздуха. Влагосодержание d, г/кг, может быть определено по формуле
, (3.20)
т. е. влагосодержание воздуха пропорционально барометрическому давлению и является функцией только парциального давления пара.
Из уравнения (3.20) следует
, (3.21)
т. е. парциальное давление пара при данном давлении является функцией только влагосодержания.
Т. к. 
, то 
, тогда 
. (3.22)
Фактическое содержание водяного пара в воздухе, характеризуемое влагосодержанием, не отражает степень насыщения воздуха влагой, если при этом не указана его температура. Так, если известно, что =1400 Па, то при tв=10° влага вообще не будет находиться в парообразном состоянии.
Чтобы выразить степень насыщения воздуха водяными парами и введено понятие относительной влажности, которое характеризует состояние воздуха при данной температуре.
Если температура воздуха при данном влагосодержании повысится, то относительная влажность (из-за увеличения максимальной упругости ) понизится и наоборот.
При некоторой температуре, когда парциальное давление водяного пара pn станет равным максимальной упругости водяного пара , относительная влажность воздуха станет равной 100%, т.е. воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Эта температура называется температурой точки росы. При дальнейшем снижении температуры воздуха влага будет конденсироваться т.е. превращаться капельно-жидкое состояние.
Удельная теплоемкость воздуха – это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы (удельная массовая теплоемкость) или единице объема (удельная объемная теплоемкость), или молю (удельная мольная теплоемкость), чтобы повысить температуру на градус.
Размерность соответственно 
или 
, или 
.
Удельные теплоемкости сухого воздуха 
и водяного пара 
в обычном для вентиляционного процесса диапазоне температур можно считать постоянными: 
.
Энтальпия влажного воздуха – это количество теплоты, содержащейся в нем и отнесенной к 1 кг заключенного в нем сухого воздуха, 
, кДж/кг.
Удельную энтальпию сухого воздуха 
при температуре t=0 
C принимают равной нулю. При произвольном значении температуры
. (3.23)
Теплота парообразования 
для воды при t= 0 С равна 2500 кДж/кг, поэтому энтальпия пара 
во влажном воздухе при этой температуре равна 
. При произвольной температуре 
. (3.24)
Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяных паров.
= 
(3.25)
Если ввести характеристику теплоемкости влажного воздуха
тогда 
. (3.26)
В результате конвективного теплообмена воздуху передается явная теплота, температура воздуха повышается и соответственно изменяется его энтальпия.
При поступлении водяного пара (при подаче пара из внешних источников) в воздух передается теплота парообразования, и энтальпия воздуха возрастает. В данном случае это происходит вследствие изменения энтальпии водяного пара, масса которого увеличивается. Температура же воздуха остается неизменной.
При температуре влажного воздуха ниже 00 его энтальпия имеет отрицательное значение.
Теплофизика зданий
Виды теплообмена
Одним из основных процессов, рассматриваемых в строительной теплофизике, является теплообмен, происходящий в конструкциях зданий. Теплообмен возникает, если существует разность температур в отдельных зонах помещения или участках строительной конструкции. При этом тепловая энергия распространяется от зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой.
Различают три вида (или способа) переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность – это теплоперенос при непосредственном соприкосновении тел или частей одного тела с разной температурой. Механизм теплопроводности можно объяснить на основе молекулярно-кинетических представлений; перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов), составляющих тело, и взаимодействия между ними.
Конвекцией называется перенос теплоты при движении жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой.
Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – это теплообмен между телами с разной температурой через лучепрозрачную среду (например, воздух, вакуум) с помощью электромагнитных волн. Он состоит из превращения внутренней энергии тела в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения другим телом.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача – теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого тела. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением.
Процессы переноса теплоты в зданиях и их ограждающих конструкциях связаны со всеми видами теплообмена. Однако в воздушной среде у поверхностей конструкции, а также в воздушных прослойках и пустотах преобладает теплообмен конвекцией и излучением, в твердых же материалах конструкций перенос теплоты осуществляется путем теплопроводности.
Включающий все виды теплообмена перенос теплоты от нагретой среды к холодной через разделяющую эти среды стенку называется теплопередачей.
Теплопроводность
Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела.
Совокупность значений температуры для всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. В общем случае температура t является функцией координат x,y,z и времени τ, то есть уравнение температурного поля имеет вид
t = f (x,y,z,τ) (4.1)
Если температура со временем меняется, то поле называется нестационарным, а если не меняется – стационарным. В последнем случае
t = f (x,y,z) (4.2)
В строительной физике обычно не рассматриваются пространственные температурные поля, так как для большинства практических расчетов достаточно изучить двухмерное или одномерное температурное поле, возникающее в одной из проекций, т.е. в плане или разрезе конструкции. В этом случае при стационарных условиях температура в каждой точке проекции является функцией одной или двух координат:
t = f (x,y) – двухмерное стационарное температурное поле;
t = f (x) – одномерное стационарное температурное поле.
Температурное поле можно наглядно представить, если соединить точки с одинаковыми температурами и получить таким образом изотермы– линии равных температур. Так как в одной точке пространства одновременно не может быть двух разных температур, изотермы друг с другом не пересекаются. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермы, а сильнее всего температура меняется по нормали к изолиниям.
Важной величиной, характеризующей температурное поле, является градиент температуры[15].
Рассмотрим отношение изменения температуры между двумя изотермами Δt к кратчайшему расстоянию между ними Δn . Предел отношения Δt / Δn при Δn, стремящемся к нулю, дает численное значение температурного градиента
(4.3)
Градиент температуры является мерой интенсивности изменения температуры в направлении нормали к изолиниям. Он является вектором и направлен в сторону возрастания температуры. Единица измерения grad t –˚C/м.
Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимой в единицу времени через произвольную поверхность, называется тепловым потоком Q, Вт. Количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади,– это плотность теплового потока (или удельный тепловой поток) q, Вт/м2; q – это вектор, направленный в сторону уменьшения температуры.
Изучая процесс теплопроводности, Фурье установил, что количество теплоты, передаваемое теплопроводностью, прямо пропорционально градиенту температур. Математическим выражением закона Фурье являются уравнения:
– для плотности теплового потока
q = – λ grad t , (4.4)
– для теплового потока Q, передаваемого через площадь F,
Q = – λ grad t · F , (4.4а)
– для количества теплоты Qτ, проходящего через площадь F за время τ,
Qτ = – λ grad t · F · τ . (4.4б)
В дальнейшем изложении речь будет идти, в основном, об удельном тепловом потоке q.
Множитель λ в формуле (4.4) называется коэффициентом теплопроводности и является теплофизической характеристикой материала данного тела.
Знак минус в формуле (4.4) указывает на то, что направления плотности теплового потока и температурного градиента противоположны.
Влажностный режим помещения
Помещения зданий изолированы от внешней среды при помощи наружных ограждающих строительных конструкций.
Это позволяет поддерживать в помещениях заданный микроклимат. Наружные ограждения защищают от непосредственных климатических воздействий благодаря определенным теплотехническим свойствам на которые влияют факторы наружной и внутренней среды. Строительные материалы являются капиллярно-пористыми телами и обладают определенной проницаемостью для воздуха и водяных паров, поэтому через наружные ограждения происходит фильтрация воздуха и передача (диффузия) влаги, причем процессы массообмена влияют на процессы теплообмена через строительные конструкции. Это процессы естественные и неизбежные, но они не должны приводить к переохлаждению или переувлажнению конструкций. Передача теплоты, фильтрация воздуха и перенос влаги связаны и одно явление оказывает влияние на другое, поэтому определение сопротивлений тепло- , воздухо- и влагопередачи производится как общий расчет защитных свойств наружных ограждений здания.
Влажностное состояние материала оказывает большое влияние на эксплуатационные качества ограждающих конструкций и является одной из главных причин повреждения и разрушения зданий. Так, влага вызывает или ускоряет следующие процессы:
– электрохимическую коррозию металлических изделий и деталей, например, каркаса зданий, арматуры в железобетонных конструкциях, оборудования и воздуховодов систем ОВК (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха) и т. д.;
– разрушение бетона, каменной и кирпичной кладки при промерзании и оттаивании;
– ухудшение теплозащитных свойств ограждающих конструкций из-за увеличения коэффициента теплопроводности увлажненных материалов;