Теплоустойчивость ограждений при колебаниях температуры внутреннего воздуха

В строительной теплофизике приходится решать задачи, связанные с периодическими колебаниями температур и тепловых потоков.

При резком изменении температуры воздуха изменяется величина теплового потока, в результате чего меняются температуры поверхности ограждения, а также в его толще.

При этом изменение температуры воздуха в одних случаях быстро отражаются на τ _в, в других – медленно. Это свойство ограждений связано с их тепловой устойчивостью.

Теплоустойчивость ограждения – есть его свойство сохранять относительное постоянство температуры при колебаниях теплового потока.

Теплоустойчивость помещений – это способность противостоять резкому изменению температуры воздуха при колебании величины теплового потока.

Во всех этих вопросах большое значение имеет свойство поверхности ограждения воспринимать тепло при колебаниях теплового потока или температуры воздуха.

Это свойство было введено проф. Власовым О.Е. и названо теплоусвоением.

Власов принял, что колебания тепловых потоков и температур воздуха являются гармоническими, т.е. изменяются они по закону синусоиды.

Предположим, что количество тепла Q, Вт, воспринимаемого внутренней поверхностью ограждения, при неравномерной отдаче тепла отоплением изменяется по синусоиде с периодом z часов.

Средний тепловой поток равен:

. (2.71)

Среднее значение температуры внутренней поверхности ограждения определяется по формуле

. (2.72)

Величина максимального повышения или понижения величины теплового потока относительно его среднего значения называется амплитудой колебаний теплового потока – А_q.

, (2.73)

. (2.74)

Колебание теплового потока, проходящего через ограждение, вызывает, в свою очередь, колебания температуры на внутренней поверхности ограждения. Эти колебания будут происходить также по синусоиде и с тем же периодом z, но запаздывать по времени. Амплитуда колебаний температуры - А_τ .

Температура внутренней поверхности ограждения колеблется в пределах:

, (2.75)

. (2.76)

Величина А_τ зависит от амплитуды колебания теплового потока А_q, периода колебаний z и теплотехнических свойств самого ограждения.

Отношение величины амплитуды колебаний теплового потока к амплитуде колебания температуры на внутренней поверхности ограждения А_τ называется коэффициентом теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_в.

. (2.77)

Коэффициент теплоусвоения представляет собой максимальное изменение амплитуды колебания теплового потока, воспринимаемого поверхностью ограждения при амплитуде колебания температуры его, равной одному градусу.

Если ограждение состоит из однородного материала и имеет бесконечную толщину, то теплоусвоение его поверхности при заданном периоде колебания температуры будет зависеть только от свойств этого материала. В этом случае теплоусвоение представляет собой физическую характеристику материала и носит название коэффициента теплоусвоения материала .

«» - показывает способность усваивать тепло одним квадратным метром поверхности в течение часа при разности температур в 1 º С и зависит от продолжительности периода работы отопления и физических свойств материала (λ, с, ρ).

Величина «» определяется по формуле:

. (2.78)

В частном случае, когда z = 24 ч

при z = 12 ч

Очевидно, т.е. с уменьшением периода колебаний z величина «» растёт.

При z = 0, , А_τ = 0, т.е. колебания температуры отсутствует (стационарный процесс).

Значения «» строительных материалов вычисляются по формуле

. (2.79)

Колебания температуры на внутренней поверхности ограждения вызывают, в свою очередь, колебания температуры в толще ограждения. По мере удаления от внутренней поверхности амплитуды колебания температуры будут постепенно уменьшаться, т.е. затухать в толще ограждения.

Колебания температуры в ограждении схематически представлены на рис. 2.4.

Как следует из рисунка, сплошная прямая линия представляет падение температуры в толще ограждения при стационарном тепловом потоке. Пунктирные линии выше и ниже этой прямой дают границы колебания в соответствующих плоскостях ограждения. Следовательно, расстояния по вертикали от любой точки этой линии до наклонной прямой выражают амплитуды колебания температуры в соответствующих плоскостях ограждения. Из рисунка ясно видно, что происходит убывание амплитуд температуры от максимального значения по мере продвижения в ограждение от его внутренней поверхности.

Рис.2.4. Схема колебания температуры в толще ограждения

Следует также отметить, что уменьшения амплитуд колебания температуры по мере удаления от внутренней поверхности ограждения сопровождаются запаздыванием этих колебаний во времени. На рис. 2.4 сплошной линией изображена температурная волна, показывающая температуру в любой плоскости ограждения в момент времени, соответствующий максимальной температуре внутренней поверхности ограждения . При этом следует отметить, что в тот момент, когда на внутренней поверхности ограждения температура достигла своего максимума, в точке 1 она имеет значение, соответствующее средней температуре в этой точке, в точке 2 в этот момент наблюдается минимальная температура, а в точке 3 — максимальная температура, соответствующая предыдущему максимуму температуры внутренней поверхности.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в точке 3 температурные колебания отстают от колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения на время, равное целому периоду колебания теплового потока, т.е. Z.

Следовательно, в толще ограждения образуется температурная волна, затухающая по мере проникания её в толщу ограждения. Длина волны ℓ представляет собой расстояние между двумя максимумами или двумя минимумами.

Для характеристики числа волн, располагающихся в толще данного ограждения, служит величина его показателя тепловой инерции «Д».

Для однородного ограждения , где R – термическое сопротивление ограждения, Вт/(м²·º С), а – коэффициент теплоусвоения материала.

Для многослойного ограждения:

. (2.80)

Значения «Д» является переменной величиной, и зависят от периода колебаний «z». Если Д=8, 5 – то в ограждении располагается около одной целой температурной волны,

при Д < 8, 5 – неполная волна,

при Д > 8, 5 – более одной волны.

Поскольку то

С уменьшением периода колебаний теплового потока z увеличивается , а, следовательно, и Д, т.е. в ограждении располагается большее число волн, уменьшается затухание температурных колебаний.

При определении величины коэффициента теплоусвоения поверхности ограждения больше значение имеет так называемый «слой резких колебаний» . Это слой, непосредственно прилегающий к поверхности ограждения, на другой поверхности которого амплитуда колебаний температуры составляет около половины амплитуды колебания температуры на её поверхности. В слое резких колебаний располагается 1/8 длины температурной волны. Для слоя резких колебаний показатель тепловой инерции равен 1.

Вычислим толщину слоя резких колебаний для однородного ограждения:

(2.81)

При определении величины коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_в необходимо сначала установить, где будет проходить граница слоя резких колебаний.

а) Если слой имеет Д₁ 1, то для него , т.е. коэффициенту теплоусвоения материала этого слоя;

б) Если слой имеет Д₁  1, то него величину Y следует определять согласно СП 50.13330 [10] по формуле

, (2.82)

где R – термическое сопротивление слоя ограждающей конструкции, ;

– коэффициент теплоусвоения материала этого слоя, определяемый по формуле .

в) Если первый слой ограждающей конструкции имеет Д₁  1, то для него величину Y₁ следует определять согласно СП 50.13330 по формуле

, (2.83)

где – термическое сопротивление слоя ограждающей конструкции, ;

– коэффициент теплоусвоения материала первого слоя;

α _в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции.

Определение величин производится последовательно, начиная с первого слоя, считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции.

Минимальная температура на поверхности ограждения должна быть не менее температуры «точки росы» и удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям. Мероприятия по повышению теплоустойчивости ограждений:

1. увеличение сопротивления теплопередаче,

2. увеличение Y_в:

а) расположение у внутренней поверхности ограждения материалов с большим значением ;

б) уменьшение периода колебаний теплового потока z, отдаваемого нагревательными приборами.