Передача тепла через ограждения в нестандартных условиях

Колебания температуры наружного воздуха вызывают колебания внутренней температуры. Изменения температуры постоянно действуют на ограждения. Вследствие периодических колебаний внутренней и наружной температуры необходимы дополнительные требования к ограждению: обеспечение минимального колебания температуры на внутренней поверхности ограждения в целях обеспечения комфортных условий в помещении, а также во избежание образования конденсата на поверхности конструкции.

Свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности при периодических колебаниях температуры наружной поверхности называется теплоустойчивостью ограждения.

На теплоустойчивость ограждения влияет теплоусвоение его поверхности, т.е. свойство этой поверхности воспринимать тепло при периодических колебаниях теплового потока или температуры воздуха, которое характеризуется коэффициентом теплоусвоения материала S, м²°С/Вт.

Коэффициент теплоусвоения S материала – это отношение амплитуды колебаний потока тепла к амплитуде колебаний температуры на поверхности ограждения.

Значение коэффициента теплоусвоения S внутренней поверхности ограждения из однородного материала значительной толщины зависит от коэффициента теплопроводности l, удельной теплоемкости с, плотности материала g, а так же от периода колебания теплового потока z.

(21)

В таблице 9 приведены коэффициенты теплоусвоения некоторых материалов.

Таблица 9 – Коэффициенты теплоусвоения

С изменением температуры на поверхности ограждения связаны ее колебания внутри ограждения. Амплитуда колебаний температуры в толще ограждения отстает во времени от колебаний на поверхности и затухает по мере удаления от нее. Каждому моменту времени соответствует своя волнообразная кривая распределения температуры в слоях ограждения, смещенная по отношению к предыдущей кривой.

При этом в ограждении есть слой резких колебаний температур d_t, где происходит изменение температуры примерно в 2 раза.

(22)

Например. Слои резких колебаний для кирпича:

для периода 24 часа – 0, 084 м;

для периода 12 часов – 0, 06 м.

Расстояние между двумя максимумами или минимумами волны называется длиной волны.

Количество температурных волн l, размещающихся в толще ограждения, пропорционально показателю тепловой инерции D, который служит критерием оценки степени затухания температурных колебаний и называется условной толщиной ограждения (рисунок 18).

Рисунок 18 – К определению показателя тепловой инерции D

Свойство ограждения сохранять или медленно изменять распределение температуры внутри конструкции называется тепловой инерцией.

Чем больше инерция, тем труднее изменить первоначальное состояние ограждения. Например, кирпичные массивные стены долго сохраняют свою «летнюю» температуру и не чувствительны к резким и кратковременным перепадам температур наружного воздуха в осенний период. Чтобы получить нормальные условия после отключения системы отопления в весенний период, промерзшие кирпичные стены надо очень долго прогревать. Поэтому летом в кирпичных домах бывает прохладно.

Наружные стены с тепловой инерцией менее 4 в районах со среднемесячной температурой июля 21°С и выше в летний период года подвергаются не только колебаниям температуры наружного воздуха в течение суток, но и активно нагреваются солнечными лучами в дневное время. Поэтому требуется расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций [2]. Допустимая (требуемая) амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения определяется по формуле:

(23)

где t_н – среднемесячная температура наружного воздуха за июль, °С [1].

Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения определяется по формуле:

(24)

где А_tв^расч. – расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, °С, n – величина затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха с учетом солнечной радиации:

(25)

где А_tn – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле, °С [1]; r – коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции [2, приложение 7]; I_max и I_ср. – максимальное и среднее суточное значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м², падающей на вертикальные поверхности западной ориентации (при расчете стен) и на горизонтальные поверхности (для покрытий); a_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения по летним условиям, Вт/(м²°С):

(26)

где u – минимальная из средних скоростей ветра за июль, повторяемость.

(27)

где е = 2, 718 – основание натурального логарифма; Д – тепловая инерция ограждения; S₁…S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала слоев ограждения [2, приложение 3*]; Y₁…Y_n – коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности отдельных слоев ограждения, Вт/(м²°С).

(28)

где a_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения [2, таблица 2].

Показатель тепловой инерции: для однородного ограждения

(29)

для многослойных ограждений

(30)