Раздел I. Расчет теплофизических характеристик наружного ограждения.

Теплопередачей называется перенос тепла от одной жидкой или газовой среды к другой через твердую поверхность.

Теплопередача включает в себя 3 вида теплообмена:

1. Теплопроводность

2. Конвекция

3. Излучение

Схему теплопередачи через трехслойную стенку можно представить следующим образом:

где δ ₁, δ ₂, δ ₃ – толщина соответствующего слоя стены,

λ ₁, λ ₂, λ ₃ – теплопроводность слоев стены,

t_в – температура воздуха в помещении,

t₁ – температура внутренней поверхности стены,

t₂ – температура на границе первого и второго слоев стены,

t₃ – температура на границе второго и третьего слоев стены,

t₄ – температура наружной поверхности стены,

t_н – температура наружного воздуха.

Удельный тепловой поток от воздуха помещения к воздуху улицы одинаков для любого слоя стены. Теплопередача от внутреннего воздуха к внутренней поверхности происходит путем теплообмена, который описывается формулой:

q=α _в*(t_в-t₁)

где q – удельный тепловой поток;

α _в – коэффициент теплообмена между воздухом помещения и

внутренней поверхностью стены;

t_в-t₁ – температурный напор от воздуха помещения к стенке.

Тепло от воздуха к стене передается двумя путями:

1. Путем конвекции за счет того, что теплые частицы воздуха подходят к стенке и отдают свое тепло ей.

2. Путем излучения от более теплых предметов и от людей к внутренней поверхности стены.

α _в=α _к+α _л,

где α _к и α _л – коэффициенты теплообмена конвекцией и излучением соответственно.

Для случая теплообмена помещения со стеной коэффициенты конвекции и излучения примерно одинаковы и равны

α _к= α _л=50% α _{в .}

(t_в-t₁) называется температурным напором от воздуха помещения к стенке.

Внутри стенки тепло передается путем теплопроводности, процесс которой описывается следующей формулами:

- для первого слоя стены: q=λ ₁/δ ₁*(t₁-t₂);

- для второго слоя стены: q=λ ₂/δ ₂*(t₂-t₃);

- для третьего слоя стены: q=λ ₃/δ ₃*(t₃-t₄).

Теплообмен наружной поверхности стены с уличным воздухом:

q=α _н*(t₄-t_н),

где α _н – коэффициент теплообмена наружной поверхности стены и уличного воздуха, поскольку на улице часто бывает ветер теплообмен между стеной и уличным воздухом гораздо интенсивнее теплообмена, между воздухом комнаты и стеной α _н> α _в.

Соответственно и доли тепла переносимые от стены к уличному воздуху меняются

α _к=80%α _н,

α _л=20%α _н.

Решим все 5 уравнений относительно температурных напоров:

1. t_в-t₁=q/α _в

2. t₁-t₂=q*δ ₁/λ ₁

3. t₂-t₃=q*δ ₂/λ ₂

4. t₃-t₄=q*δ ₃/λ ₃

1. t₄-t_н=q/α _н.

Сложим между собой все 5 последних уравнений получим в левой части:

t_в- t₁+ t₁- t₂+ t₂- t₃+ t₃- t₄+ t₄- t_н = t_в- t_н

в правой части:

q(1/ α _в + δ ₁/λ ₁ + δ ₂/λ ₂ + δ ₃/λ ₃ + 1/ α _н.)

Каждый из членов стоящих в скобках в правой части называется тепловым или термическим сопротивлением – R.

R_в=1/α _в тепловое сопротивление между воздухом комнаты и внутренней стеной.

R₁=δ ₁/λ ₁ тепловое сопротивление 1-го слоя стены

R2=δ ₂/λ ₂ тепловое сопротивление 2-го слоя стены

R₃=δ ₃/λ ₃ тепловое сопротивление 3-го слоя стены

R_н =1/α _н тепловое сопротивление между наружной стеной и окружающим средой

Сумма тепловых сопротивлений обозначается R₀ – общее сопротивление стенки. Чем больше сопротивление стенки, тем меньше тепла уйдет из помещения в окружающую среду:

R₀=(R_в+R₁+R₂+R₃+R_н).

Рассчитаем составляющие общего теплового сопротивления заданной стенки:

R_в=1/α _в=1/8.7 =0.115 м²°С/Вт

R₁=δ ₁/λ ₁=0.03/0.19=0.158 м²°С /Вт

R₂=δ ₂/λ ₂=0.2/0.22=0.909 м²°С /Вт

R_н=1/α _н=1/23=0.0435 м²°С /Вт.

Таким образом, формула описывающая теплопередачу через трехслойную стенку примет вид:

t_в-t₁=q*R₀

или

q=(t_в-t_н)/R₀.

Величина обратная общему термическому сопротивлению стенки обозначается «k» и называется коэффициентом теплопередачи.

Для обеспечения необходимого температурного режима в помещении необходимо выполнить следующие условия:

³ ,

где - общее фактическое сопротивление стенки,

- требуемое общее сопротивление стенки.

Требуемое общее сопротивление стенки можно определить двумя способами:

1. По санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, в соответствии с которыми разность температур t_в-t₁ 4°C.

По этому способу требуемое тепловое сопротивление определяется по формуле:

=n*(t_в-t_н⁵)/(t_в-t₁)*α _в,

где n – коэффициент, учитывающий ориентацию стен определяется по таблице 3 «Теплотехнического СНиПа».

Расчетная температура воздуха в помещении t_в=22°С

α _в=8.7 Вт/м²*С,

–средняя температура наружного воздуха в течение наиболее холодной пятидневки, -26°С.

(t_в-t₁) = 4°С

=1*(22-(-26))/4*8.7=1.379 (м²°С)/Вт

2. По условию энергосбережения, основанному на использовании продолжительности отопительного периода и средней климатической температуры во время этого периода.

ГСОП=(t_в-t₀)*Z_от.пер.,

где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода,

t_в – расчетная температура воздуха в помещении,

t₀ – средняя климатическая температура в течении отопительного периода,

Z_от.пер. – продолжительность отопительного периода.

ГСОП=(22-(-3.1))*196=4919.6 °С/сутки

По полученному значению ГСОП, используя таблицу 2[5] с помощью интерполяции определим требуемое термическое сопротивление по второму способу:

ГСОП
, [(м2°С)/Вт]	2.1	2.8	3.5	4.2

y = y_min+MN

MN/BC = AN/AC

MN = (BC*AN)/AC = (y_max-y_min)/(x_max-x_min)*(x- x_min)

y = y_min +(x- x_min) (y_max-y_min)/(x_max-x_min)

y =2.8 +(4919.6 – 4000) (3.5-2.8)/(6000-4000)= 3.123 (м²°С)/Вт

Из двух полученных значений выбираем наибольшее и закладываем его в дальнейший расчет, таким образом расчетное требуемое термическое сопротивление =3.123 (м²°С)/Вт

Рспишем расчетное требуемое общее сопротивление стены через его составляющие:

()_р=R_в+R₁+R₂+ +R_н

Определим расчетное термическое сопротивление третьего слоя стены:

()_р-(R_в+R₁+R₂+R_н)

=3.123-(0.115+0.158+0.909+0.0435)=1.897 (м²°С)/Вт

Определим расчетная толщину третьего слоя стены:

= /λ

= *λ

=1.897 *0.041=0.0778 м =77.78 мм

Выбираем ближайшее к расчетному нормативное значение толщины теплоизоляции, она и будет фактической толщиной третьего слоя стены: 0.0778*100 = 7.78 см

Определим фактическое сопротивление 3-го слоя стены:

=δ ₃^ф/λ ₃=0.0778/0.041=1.897 (м²°С)/Вт

Фактическое общее термическое сопротивление стены:

=R_в+R₁+R₂+ +R_н

=0.115+0.158+0.909+1.897+0.0435=3.1225 (м²°С)/Вт