Стационарная теплопередача через ограждающие конструкции

Тепло передается от внутреннего воздуха к наружному через наружные ограждения. Передачу тепла через стены, потолки, полы рассматриваем, как теплопередачу через стенку неограниченных размеров, т.е. считаем, что тепловой поток имеет одно направление (перпендикулярен поверхности стены).

Рассмотрим передачу тепла через однослойное ограждение. От воздуха внутри помещения тепло передается к внутренней поверхности ограждения путем конвекции и лучеиспускания.

На рис. 2.1 представлена схематизация процесса теплопередачи через ограждающую конструкцию.

Рис. 2.1. Схематизация процесса теплопередачи через ограждающую конструкцию

Количество тепла, переданное от воздуха к стенке, определяется по формуле

Вт/м², (2.38)

где

От внутренней поверхности стены к наружной передача тепла происходит путем теплопроводности. Величина удельного теплового потока определяется по формуле

, Вт/м². (2.39)

От наружной поверхности стены тепло передается наружному воздуху конвекцией и лучеиспусканием.

(2.40)

где ä .

В стационарном режиме значения удельных тепловых потоков равны между собой, т.е.

.

Выразим перепады температур из приведенной выше системы, тогда получим:

,

(2.41)

где R₀, – общее сопротивление теплопередаче ограждения, (м²·º С)/Вт;

– термическое сопротивление слоя ограждения, (м²·º С)/Вт.

Уравнение теплопередачи через ограждение имеет вид

, Вт/м², (2.42)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·º С).

Для ограждения, состоящего из нескольких однородных слоев различных материалов, термическое сопротивление ограждения определяется как сумма термических сопротивлений отделений слоев:

. (2.43)

Общее термическое сопротивление ограждения не зависит от расположения слоев. Сопротивление теплопередаче ограждения будет определяться по формуле

. (2.44)

Изложенным методом расчета можно пользоваться, если ограждение выполнено из однородных слоев материалов.

В строительной практике встречаются ограждения, в которых однородность материала нарушена как в направлении, параллельном тепловому потоку, так и в направлении, перпендикулярном тепловому потоку (кладки из пустотелых камней, колодцевые кладки). Такие ограждения можно рассматривать, как состояние из нескольких слоев, расположенных перпендикулярно тепловому потоку, но с нарушением однородности материала в одном или в нескольких слоях. В этом случае расчет производится 2 раза.

а) Сначала конструкцию «разрезают» плоскостями параллельно тепловому потоку и определяют её среднее термическое сопротивление

, (2.45)

где , .

Рассмотрим передачу тепла в кирпичной кладке со щебнем

. (2.46)

Расчет по I методу дает завышенные результаты. Он давал бы верные результаты, если бы между слоями находилась теплоизоляция.

Завышение результатов, получается, из-за того, что, определяя термические сопротивления отдельных участков камня, мы не учитываем их взаимное влияние на передачу тепла.

б) II метод расчета состоит в том, что ограждение «разрезают» плоскостями на части, перпендикулярно тепловому потоку.

, , .

λ _пр. – приведенный коэффициент теплопроводности, равный для среднего неоднородного слоя:

. (2.47)

Полное термическое сопротивление ограждения

. (2.48)

Полученное этим методом расчета оказывается несколько меньше действительного. Этот метод давал бы верные результаты, если бы на границах слоев температура была постоянна.

Фактическое направление потока тепла.

Исследования профессора О.Е. Власова показали, что результаты расчета по I и II методам дают крайние пределы, между которыми лежит истинная величина термического сопротивления конструкции.

Экспериментальные исследования проводились на модели пустотелого камня:

Результаты опытов представлены графически на рис. 2.2.

Рис.2.2. Изменение относительного термического сопротивления щелевого камня, установленные аналитическими расчетами по методам I (прямая 1) и II (кривая 2)
и экспериментально при помощи электромодели (кривая 3)

Rк – термическое сопротивление образца без щели,

Rl - термическое сопротивление образца со щелью.

В качестве окончательного результата расчета берется среднее значение между величинами и , учитывая, что истинное значение лежит ближе к величине .

(2.49)

Этот метод расчета является приближенным и применяется, если £ 25%, и его точность будет тем меньше, чем больше разница между и .

Точное значение R сложного ограждения может быть подсчитано только на основе расчета его температурных полей

. (2.50)

Если в ограждении есть пустоты или отверстия овальной или круглой формы, то для расчета их заменяют равновеликими по площади отверстиями (квадратными или прямоугольными).

в) Материалы, составляющие ограждения имеют неправильную форму.

Например, кладки из рваного камня на различных растворах. Предварительно определяют средний коэффициент теплопроводности материала ограждения, а затем рассматривают кладку, как конструкцию, состоящую из однородного материала.

, (2.51)

где λ ₁, λ ₂, … λ _n – коэффициенты теплопроводности отдельных материалов, составляющих ограждение;

ν ₁, ν ₂, … ν _n – объемы, занимаемые в ограждении отдельными материалами.

n – число материалов, входящих в ограждение.

При расчете кладок из кирпича или блоков с нормальными швами можно определять по формуле (2.51).

Если же делается значительное уширения продольных вертикальных швов кладки с перевязью через несколько рядов, что нарушает равномерную структуру, то расчет термического сопротивления следует вести, разрезав кладку по плоскостям, параллельным и перпендикулярным тепловому потоку.

При расчете по формуле (2.51) нельзя пользоваться исходными данными по рецептуре; например, для бетонов – по цементу и заполнителю. Необходимы лабораторные испытания для определения .