Предмет строительной теплофизики
ее роль и значение дисциплины
Строительная теплофизика или теплофизика зданий как самостоятельная наука существует в нашей стране с 20-х годов прошлого века. Большой вклад в ее становление и развитие внесли отечественные ученые и инженеры О.Е. Власов, К.Ф. Фокин, А.М. Шкловер, Л.А. Семенов, В.Н. Богословский. Сложные теплофизические задачи применительно к процессам тепломассообмена в ограждающих конструкциях и на их поверхностях решаются математическими и физическими способами с применением теории подобия и численных методов.
Строительная теплофизика рассматривает вопросы, одинаково важные как для специалистов по конструкциям зданий, так и специалистов в области проектирования систем климатизации. Так специалисты по конструкциям зданий, учитывают влияние режима эксплуатации ограждающих конструкций, зависящего от микроклимата помещений и наружного климата, на их долговечность и надежность. При проектировании инженерных систем, создающих комфортный микроклимат – систем отопления, вентиляции, кондиционирования – учитывается влияние на него наружных климатических условий через ограждающие конструкции. Следует учитывать, что тепловые нагрузки, производительность и надежность отопительно-вентиляционного оборудования определяются теплозащитными характеристиками ограждений.
В настоящее время вступил в силу ряд новых нормативных документов [13,14] в которых устанавливаются строгие требования не только к обеспеченности микроклимата, но и к энергопотреблению зданий. Для решения вопроса о соответствии уровня теплопотребления системами климатизации современным требованиям в области энергосбережения необходимо рассчитывать теплотехнические характеристики наружных ограждений с учетом обеспечения тепловой защиты.
Тепловая защита здания формируется теплозащитными свойствами ограждающих конструкций здания, обеспечивающих заданный уровень расхода тепловой энергии здания с учетом воздухообмена в помещениях, а также их воздухопроницаемость и защиту от переувлажнения при оптимальных параметрах микроклимата его помещений. При этом теплозащитная оболочка здания представляет собой совокупность ограждающих конструкций, образующих замкнутый контур, ограничивающий отапливаемый объем здания.
На энергетическую эффективность здания, отражающую отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов на его функционирование, к их затратам, в частности, на удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию непосредственное влияние оказывают теплозащитные характеристики ограждающих конструкций.
Таким образом, проектирование зданий и сооружений должно осуществляться с учетом требований к ограждающим конструкциям в целях обеспечения заданных параметров микроклимата, тепловой защиты, защиты от переувлажнения ограждающих конструкций, эффективности расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, необходимой надежности и долговечности конструкций.
В нормах [12] устанавливаются требования к:
– приведенному сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций здания;
– удельной теплозащитной характеристике здания;
– ограничению минимальной температуры и недопущению конденсации влаги на внутренней поверхности ограждающих конструкций в холодный период года;
– теплоустойчивости ограждающих конструкций в теплый период года;
– воздухопроницаемости ограждающих конструкций;
– влажностному состоянию ограждающих конструкций;
– теплоусвоению поверхности полов;
– расходу тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий.
Виды теплообмена. Теплообмен в помещении
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.