Теплопроводность ограждающих конструкций

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Теплопроводность ограждающих конструкций. Теплопроводность различных конструкций с удовлетворительной точностью можно описать единой формулой:

(2.19)

где Fx - расчетная поверхность тела;

У 5 - термическое сопротивление или сопротивление теплопередаче.

В расчетах принимается, что температура поверхностей тела во всех точках одинакова или незначительно отличается. Если же температура на поверхности изменяется резко, то необходимы сложные расчеты или экспериментальное определение теплопроводности.

Тепловые потери конструкций из одинаковых материалов зависят при прочих равных условиях от формы конструкции, так как она предопределяет площадь поверхности теплопередачи. Поэтому наименьшие потери характерны для вогнутых поверхностей, наибольшие - для выпуклых; для плоской стенки показательны промежуточные значения (2.5).

Для расчетов теплопередачи через теплоизоляцию горячего оборудования необходимо знать коэффициенты теплопередачи на горячей и холодной сторонах стенки (аг и ах). С учетом этих коэффициентов поток теплоты, передаваемый через стенку, описывается уравнением:

(2.20)

где к - коэффициент теплопередачи, зависящий от толщины стенки, ее теплопроводности и коэффициентов теплоотдачи.

Величину, обратную к, называют полным термическим сопротивлением теплопередачи R

(2.21)

которая задается при R = l/|Ј = ц^ + §/^ + у&г t проектировании

ограждений.

При расчете ограждающих

конструкций зданий учитывают погодные условия данной местности, которые приведены в СНиПах для всех климатических районов. На основе этих показателей рассчитывают сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций RO, которое должно быть не менее требуемого RoTp, устанавливаемого санитарно-гигиеническими условиями и определяемого экономическим расчетом Ro3K. Требуемое сопротивление теплопередаче:

(2.22)

где п - коэффициент, зависящий от местоположения наружной поверхности конструкции (изменяется от 0.4 для стен, отделяющих отапливаемые помещения, до 1.0 для наружных стен);

tB - расчетная нормируемая температура внутри помещения;

tH - расчетная зимняя температура наружного воздуха;

Atn - нормируемый температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и стеной;

а„ - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения.

Толщину ограждений определяют исходя из расчетного сопротивления конструкции R и теплопроводности материала:

Если известны значения R и А„ то легко ориентировочно рассчитать толщину теплоизоляционного слоя и материалоемкость ограждений с различными видами теплоизоляции (табл.2.4).

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций с учетом экономических условий определяют по формуле:

(2.24)

где Бк - удельное капитальное вложение в устройство теплоснабжения; Бэ

- годовые удельные эксплуатационные затраты на отопление;

Тэ - нормативный срок окупаемости дополнительных капиталовложений; КОГр - стоимость 1 м3 однослойной ограждающей конструкции или теплоизоляционного слоя многослойной конструкции.

Таблица 2.4

Толщина и материалоемкость стены жилого дома из различных строительных материалов (R = 1,5 г.Ульяновск) Материал стены Теплопроводность, Толщина Масса 1м2 Вт/(м-°С) стены, м стены, кг Кирпичная кладка 0.77 0.99 1920 Керамзитобетон Газобетон 0.41 0.53 570 (рср=600кг/м3) Алюминиевая 0.21 0.3 180 конструкция с 0.041 0.075 60 пенополиуретаном Из формулы (2.24) следует, что для сохранения постоянным Ro3K удорожание теплоизоляционного материала должно быть пропорционально снижению теплопроводности. Например, если сравнить удельную стоимость фибролита 8уд = А,Когр = 0.098 • 18.5 = 1.6 с удельной стоимостью пенополистирола, равной 0.041 • 30 = 1.2, то можно убедиться, что в данном случае достигается явное снижение удельной стоимости, несмотря на более высокую стоимость 1 м3 последнего. Из этого следует, что необходимо стремиться к производству материалов с пониженной теплопроводностью.

На первом этапе при расчете температур и теплозащитных показателей конструкций основным и решающим фактором является теплообменный процесс.

Теория теплоустойчивости О.Е.Власова доказала ошибочность оценки теплоустойчивости ограждения только по величине теплоемкости и была положена в основу современного теплотехнического расчета ограждающих конструкций.

К.Ф.Фокиным разработаны методы конструирования ограждающих конструкций с учетом их теплотехнических свойств, способ расчета температурных полей при стационарной и нестационарной теплопередаче методом конечных разностей. Выполнены расчеты влажностного режима ограждающих конструкций при увлажнении жидкой и парообразной средой, предложена методика определения расчетных зимних температур наружного воздуха.

Ф.В.Ушков исследовал теплообмен ограждающих конструкций крупнопанельных зданий. Им даны решения двумерных задач стационарной теплопроводности, разработан метод расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружных стеновых панелей сложной конфигурации.

В.М.Ильинский создал основу строительной климатологии и климатического районирования территории стран СНГ.

Б.Н.Богословский разработал методику комплексного расчета теплового режима помещений, который рассматривался совместно с воздушным и дал возможность учета различных факторов на решение проблемы создания оптимального микроклимата помещений.

Теория теплопроводности и теория сушки А.В.Лыкова послужили основой для решения вопросов теплопередачи с учетом всего комплекса процессов, происходящих в ограждениях. Он одним из первых обратил внимание, что улучшение эксплуатационных характеристик ограждающих конструкций непосредственно связано с учетом вида материала, его структуры, фазового состава.

Изменение теплопроводности строительных материалов происходит вследствие того, что всякий строительный материал состоит из основного вещества - основы и воздуха, содержащегося в порах материала. Теплопроводность воздуха имеет очень незначительную, по сравнению с теплопроводностью основного вещества материала, величину, зависящую главным образом от размеров и формы пор, например 0.021 Вт/м-°С при размере пор около 0.1 мм до 0.027 Вт/м-°С при размере пор около 2 мм. Коэффициент теплопроводности самого материала равен некоторой средней величине А, между А,с основного вещества материала и Хв воздуха, содержащегося в порах. Чем меньше пор в материале, тем больше коэффициент теплопроводности и наоборот.

Однако единой для всех материалов зависимости между теплопроводностью материала и его плотностью не существует, т.к. на величину коэффициента теплопроводности оказывает влияние кроме пористости также размеры пор и структуры материала. При одинаковой пористости величина /I (среднее) будет тем больше, чем крупнее поры материала, так как с увеличением размера пор повышается коэффициент теплопроводности воздуха, заключенного в порах. Кроме того, имеет значение, будут ли поры замкнуты или сообщающиеся. При сообщающихся порах в материале могут возникать конвекционные потоки воздуха, что приводит к увеличению его коэффициента теплопроводности. Стремление изготовить из определенного исходного сырья теплоизоляционный материал, обладающий все меньшей плотностью, неизбежно приводит к увеличению размера пор между твердыми составными частями. Но в крупных порах имеет место большая разность температур стенок пор, чем в мелкопористых материалах, это же влечет, в свою очередь, на увеличение лучистого теплообмена в порах.

Вместе с тем, влияние пористости нельзя рассматривать отдельно без взаимосвязи с влажностью материалов. Передача тепла через полости, содержащие смесь воздуха, воды и водяных паров, может осуществляться различными путями: вследствие проводимости воздуха, путем конвекции, вследствие проводимости воды, путем диффузии паров воды в воздухе.

Передача тепла вследствие проводимости воды имеет место в том случае, когда содержание воды в материале достаточно велико, так что воздух в неко-

торых полостях, в частности в капиллярах, частично или полностью замещается водой. Коэффициент теплопроводности воды увеличивается от 0.568 до 0.66 Вт/м-°С при повышении температуры от 0 до 100 °С.

С повышением температуры коэффициент теплопроводности возрастает тем больше, чем меньше плотность материала. Имеет место увеличение теплопроводности основы. Отмечено, что с увеличением температуры теплопроводность кристаллических тел понижается, а теплопроводность стеклообразных - повышается, причем интересен переход этих зависимостей через 0°С. Для стеклообразных материалов он характеризуется плавным переходом, почти прямолинейной зависимостью, для кристаллических наблюдается резкий подъем теплопроводности, а затем спад. Следовательно, наличие аморфной составляющей в цементном камне и заполнителе будет оказывать благоприятное влияние на теплотехнические свойства материалов при эксплуатации в условиях отрицательных температур.

Согласно О.Е.Власову, изменение теплопроводности с повышением их температуры происходит в результате увеличения теплопроводности.

Интенсивность влажностных приращений в целом увеличивается с уменьшением плотности силикатных материалов.

Линейной зависимости теплопроводности с увеличением влажности нет, несмотря на прямое различие коэффициентов теплопроводности воды и воздуха. На сорбционной стадии приращения теплопроводности несколько больше, чем на сверхсорбционной. Объяснение этому можно найти из анализа аномалий воды. Теплопроводность структурированной адсорбционной воды при температуре 25 - 30 °С почти в 40 раз больше (35 Вт/м2-град) теплопроводности воды в обычном состоянии. Это свидетельствует о доминирующем влиянии сорбционной влаги на теплопроводность материала. Отсюда очевидна актуальность повышения точности определения сорбционной влажности для прогнозирования равновесного влагосодержания материала в отопительный период.