Термическое сопротивление воздушных прослоек. Теплотехнические характеристики слоёв конструкции Теплопроводность воздушной прослойки
Для внесения единообразия сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек
, расположенных между слоями ограждающей конструкции, называют термическим сопротивлением
Rв.п, м². ºС/Вт.
Схема передачи теплоты через воздушную прослойку представлена на рис.5.
Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке.
Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку qв.п, Вт/м², складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) qт, Вт/м², конвекцией (1) qк, Вт/м², и излучением 
(3) qл, Вт/м².
24. Условное и приведенное сопротивление теплопередаче. Каоффицент теплотехнической однородности ограждающих конструкций.
25. Нормирование сопротивления теплопередаче исходя из санитарно-гигиенич.условий
, R 0 =
*
Нормируем Δ t н, тогда R 0 тр = * , т.е. для того, чтобы Δ t≤ Δ t н Необходимо
R 0 ≥ R 0 тр
СНиП распространяет это требование на приведенное сопротивл. теплопередаче.
R 0 пр ≥ R 0 тр
t в - расчетная температура внутреннего воздуха, °С;
приним. по нормам для проектир. здания
t н - - расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92
A в (альфа)- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по СНиП
Δt н - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемых по CНиП
Требуемое сопротивление теплопередаче R тр о дверей и ворот должно быть не менее 0,6R тр о стен зданий и сооружений, определяемого по формуле (1) при расчетной зимней температуре наружного воздуха, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.
При определении требуемого сопротивления теплопередаче внутренних ограждаюших конструкций в формуле (1) следует принимать вместо t н -расчетную температуру воздуха более холодного помещения.
26. Теплотехнический расчет необходимой толщины материала ограждения исходя из условий достижения требуемого сопротивления теплопередаче.
27. Влажность материала. Причины увлажнения конструкции
Влажность – физическая величина равная кол-ву воды, содержащейся в порах материала.
Бывает по массе и объемная
1)Строительная влага. (при возведении здания). Зависит от конструкции и способа возведения работ. Сплошная кирпичная кладка хуже керамических блоков. Наиболее благоприятна древесина(сборные стены). ж/б не всегда. Должна исчезнуть за 2=-3 года эксплуатации.Меры: просушка стен
Грунтовая влага. (капиллярное всасывание). Доходит до уровня 2-2,5 м. водоизолирующие слои, при правильном устройстве не влияет.
2)Грунтовая влага, проникает в ограждение из грунта вследствие капиллярного всасывания
3)Атмосферная влага . (косой дождь,снег). Особенно важно у крыш и карнизов.. сплошные кирпичные стены не требуют защиты при правильно сделанной расшивке.ж/б, легкобетонные панели внимание на стыки и оконные блоки, фактурный слой из водонепроницаемых материалов. Защита=защитная стенка на откосе
4)Эксплуатационная влага . (в цехах промышленных зданий, в основном в полах и ниж части стен)решение: водонепроницаемые полы, устройство водоотвода, облицовка нижней части керамической плиткой, водонепроницаемая штукатурка. Защита=защитная облицовка с внутр. стороны
5)Гигроскопическая влага . Обусловлена повышенной гигроскопичностью мат.-лов(свойство поглощать водяные пары из влажн.воздуха)
6)Конденсация влаги из воздуха :а)на поверхность ограждения.б)в толще ограждения
28. Влияние влажности на свойства конструкций
1)С повышением влажности повышается теплопроводность конструкции.
2)Влажностные деформации. Влажность гораздо хуже, чем тепловое расширение. Отслаивание штукатурки в рез-те скопившейся влаги под ней, затем влага замерзает, расширяется в объеме и отрывает штукатурку. Невлагостойкие мат-лы при увлажнении деформируются. Например гипс при повыш влажности приобретает ползучесть., фанера набухание, расслаивание.
3)Снижение долговечности-кол-ва лет безотказной работы конструкции
4)Биологические повреждения (грибок, плесень)из-за выпадения росы
5)Потеря эстетического вида
Следовательно при выборе материалов учитывают их влажностный режим и выбирают материалы с наим влажностью. Также чрезмерная влажность в помещении может вызвать распространение заболеваний и инфекций.
С технической точки зрения, приводит к потерям долговечности и конструкции и ее морозостойких св-в. Некоторые материалы при повышенной влажности теряют механическую прочность, меняют форму. Например гипс при повыш влажности приобретает ползучесть., фанера набухание, расслаивание. Коррозия металла. ухудшение внешнего вида.
29. Сорбция водяного пара строит. матер. Механизмы сорбции. Гистерезис сорбции.
Сорбция - процесс поглощения водяного пара, который приводит к равновесному влажностному состоянию материала с воздухом. 2 явления. 1. Поглощение в результате соударения молекулы пар с поверхностью пор и прилипание к этой поверхности(адсорбция)2. Прямое растворение влаги в объеме тела(абсорбция). Влажность увеличивается с увеличением относительной упругости и понижением температуры. «десорбция» если влаж.образец поместить в эксикаторы (раствор серной кислоты), то он отдает влагу.
Механизмы сорбции:
1.Адсорбция
2.Капиллярная конденсация
3.Объемное заполнение микропор
4.Заполнение межслоевого пространства
1 стадия. Адсорбция-это явление, при котором поверхность пор покрывается одним или несколькими слоями молекул воды.(в мезопорах и макропорах).
2 стадия. Полимолекулярная адсорбция - образуется многослойный адсорбированный слой.
3 стадия. Капиллярная конденсация.
ПРИЧИНА. Давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью меньше, чем над плоской поверхностью жидкости. В капиллярах малого радиуса влага образует вогнутые миниски, поэтому появляется возможность капиллярной конденсации. Если D>2*10 -5 см, то капиллярной конденсации не будет.
Десорбция – процесс естественного высушивания материала.
Гистерезис («различие») сорбции заключается в различии изотермы сорбции, полученной при увлажнении материала от изотермы десорбции, полученной от высушенного материала. показывает % разницу между весовой влажностью при сорбции и вес влажностью десорбции (десорбция 4.3%,сорбция 2,1%, гистерезис 2,2%)при увлажнении изотермы сорбции. При высыхании десорбции.
30. Механизмы влагопереноса в материалах стройконструкций. Паропроницаемость, капиллярное всасыванье воды.
1.В зимнее время из-за разности температур и при разных парциальных давлениях через ограждение проходит поток водяного пара (от внутренней поверхности к наружной)-диффузия водяного пара. Летом наоборот.
2. Конвективный перенос водяного пара (с потоком воздуха)
3. Капилярный перенос воды (просачивание) сквозь пористые матер.
4. Гравитационный протечки воды сквозь трещины , отверстия, макропоры.
Паропроницаемость – сво-во материала или конструкции, выполненой из них, пропускать сквозь себя водяной пар.
Коэф.поропроницаемости - Физич. величина численно равная кол-ву пара, прошедшего через пластину при единичной площади, при единичном перепаде давления, при единичной толщине пластины, при единичном времени при перепаде парциального давления на сторонах пластины е 1 Па.. При уменьш. Температуры, мю уменьшается, при повыш.влажности мю увелич.
Сопротивление паропроницанию: R=толщина/мю
Мю -коэф паропроницаемости (определяется по СНИПу 2379 теплотехника)
Капиллярное всасывание воды стройматериалами – обеспечивает постоянный перенос жидкой влаги сквозь пористые материалы из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Чем тоньше капилляры, тем больше сила капилярного всасывания, но в целом скорость переноса уменьшается.
Капилярный перенос может быть уменьшен или устранен путем устройства соответствующего барьера (небольш. воздушные прослойка или капилярно-неактивный слой(непористый)).
31. Закон Фика. Коэффициент паропроницаемости
P(количество пара, г) = (eв-eн)F*z*(мю/толщину),
Мю – коэф. паропроницаемости (определяется по СНИПу 2379 теплотехника)
Физич. величина численно равная кол-ву пара, прошедшего через пластину при единичной площади, при единичном перепаде давления, при единичной толщине пластины, при единичном времени при перепаде парциального давления на сторонах пластины е 1 Па.[мг/(м 2 *Па)].Наименьшее мю имеет руберойд 0.00018, наибольшее мин.вата=0,065г/м*ч*мм.рт.ст., оконное стекло и металлы паронепроницаемы, воздух наибольшая паропрониц-ть. При уменьш. Температуры, мю уменьшается, при повыш.влажности мю увелич. Зависит от физич свойства материала и отражает его способность проводить диффундирующий через него водяной пар. Анизотропные материалы имеют разные мю(у дерева вдоль волокон=0,32,поперек=0,6).
Эквивалентное сопротивление паропроницанию ограждения при последовательном расположении слоев. Закон Фика.
Q=(e 1 -e 2)/R n qR n1n =(e n1n-1 -e 2)
32 Расчет распределения парциального давления водяного пара по толщине конструкции.
Одним из приемов, повышающих теплоизоляционные качества ограждений, является устройство воздушной прослойки. Ее используют в конструкциях наружных стен, перекрытий, окон, витражей. В стенах и перекрытиях ее применяют и для предупреждения переувлажнения конструкций.
Воздушная прослойка может быть герметичной или вентилируемой.
Рассмотрим теплопередачу герметичной воздушной прослойки.
Термическое сопротивление воздушной прослойки R al нельзя определять как сопротивление теплопроводности слоя воздуха, так как перенос тепла через прослойку при разности температур на поверхностях происходит, в основном, путем конвекции и излучения (рис.3.14). Количество тепла,
передаваемого путем теплопроводности, мало, так как мал коэффициент теплопроводности воздуха (0,026 Вт/(м·ºС)).
В прослойках, в общем случае, воздух находится в движении. В вертикальных - он перемещается вверх вдоль теплой поверхности и вниз – вдоль холодной. Имеет место конвективный теплообмен, и его интенсивность возрастает с увеличением толщины прослойки, поскольку уменьшается трение воздушных струй о стенки. При передаче тепла конвекцией преодолевается сопротивление пограничных слоев воздуха у двух поверхностей, поэтому для расчета этого количества тепла коэффициент теплоотдачи α к следует уменьшить вдвое.
Для описания теплопереноса совместно конвекцией и теплопроводностью обычно вводят коэффициент конвективного теплообмена α" к, равный
α" к = 0,5 α к + λ a /δ al , (3.23)
где λ a и δ al – коэффициент теплопроводности воздуха и толщина воздушной прослойки, соответственно.
Этот коэффициент зависит от геометрической формы и размеров воздушных прослоек, направления потока тепла. Путем обобщения большого количества экспериментальных данных на основе теории подобия М.А.Михеев установил определенные закономерности для α" к. В таблице 3.5 в качестве примера приведены значения коэффициентов α" к, рассчитанные им при средней температуре воздуха в вертикальной прослойке t = + 10º С.
Таблица 3.5
Коэффициенты конвективного теплообмена в вертикальной воздушной прослойке
Коэффициент конвективного теплообмена в горизонтальных воздушных прослойках зависит от направления теплового потока. Если верхняя поверхность нагрета больше, чем нижняя, движения воздуха почти не будет, так как теплый воздух сосредоточен вверху, а холодный – внизу. Поэтому достаточно точно будет выполняться равенство
α" к = λ a /δ al .
Следовательно, конвективный теплообмен существенно уменьшается, а термическое сопротивление прослойки увеличивается. Горизонтальные воздушные прослойки эффективны, например, при их использовании в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями, где тепловой поток направлен сверху вниз.
Если поток тепла направлен снизу вверх, то возникают восходящие и нисходящие потоки воздуха. Передача тепла конвекцией играет существенную роль, и значение α" к возрастает.
Для учета действия теплового излучения вводится коэффициент лучистого теплообмена α л (Глава 2, п.2.5).
Пользуясь формулами (2.13), (2.17), (2.18) определим коэффициент теплообмена излучением α л в воздушной прослойке между конструктивными слоями кирпичной кладки. Температуры поверхностей: t 1 = + 15 ºС, t 2 = + 5 ºС; степень черноты кирпича: ε 1 = ε 2 = 0,9.
По формуле (2.13) найдем, что ε = 0,82. Температурный коэффициент θ = 0,91. Тогда α л = 0,82∙5,7∙0,91 = 4,25 Вт/(м 2 ·ºС).
Величина α л намного больше α" к (см табл.3.5), следовательно, основное количество тепла через прослойку переносится излучением. Для того, чтобы уменьшить этот тепловой поток и увеличить сопротивление теплопередаче воздушной прослойки, рекомендуют использовать отражательную изоляцию, то есть покрытие одной или обеих поверхностей, например, алюминиевой фольгой (так называемое «армирование»). Такое покрытие обычно устраивают на теплой поверхности, чтобы избежать конденсации влаги, ухудшающей отражательные свойства фольги. «Армирование» поверхности уменьшает лучистый поток примерно в 10 раз.
Термическое сопротивление герметичной воздушной прослойки при постоянной разности температур на ее поверхностях определяется по формуле
Таблица 3.6
Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек
| Толщина воздушной прослойки, м | R al , м 2 ·ºС/Вт | |||
| для горизонтальных прослоек при потоке тепла снизу вверх и для вертикальных прослоек | для горизонтальных прослоек при потоке тепла сверху вниз | |||
| лето | зима | лето | зима | |
| 0,01 | 0,13 | 0,15 | 0,14 | 0,15 |
| 0,02 | 0,14 | 0,15 | 0,15 | 0,19 |
| 0,03 | 0,14 | 0,16 | 0,16 | 0,21 |
| 0,05 | 0,14 | 0,17 | 0,17 | 0,22 |
| 0,1 | 0,15 | 0,18 | 0,18 | 0,23 |
| 0,15 | 0,15 | 0,18 | 0,19 | 0,24 |
| 0,2-0.3 | 0,15 | 0,19 | 0,19 | 0,24 |
Значения R al для замкнутых плоских воздушных прослоек приведены в таблице 3.6. К ним можно отнести, например, прослойки между слоями из плотного бетона, который практически не пропускает воздух. Экспериментально показано, что в кирпичной кладке при недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором имеет место нарушение герметичности, то есть проникновение наружного воздуха в прослойку и резкое снижение ее сопротивления теплопередаче.
При покрытии одной или обеих поверхностей прослойки алюминиевой фольгой ее термическое сопротивление следует увеличивать в два раза.
В настоящее время широкое распространение получили стены с вентилируемой воздушной прослойкой (стены с вентилируемым фасадом). Навесной вентилируемый фасад – это конструкция, состоящая из материалов облицовки и подоблицовочной конструкции, которая крепится к стене таким образом, чтобы между защитно-декоративной облицовкой и стеной оставался воздушный промежуток. Для дополнительного утепления наружных конструкций между стеной и облицовкой устанавливается теплоизоляционный слой, так что вентиляционный зазор оставляется между облицовкой и теплоизоляцией.
Схема конструкции вентилируемого фасада показана на рис.3.15. Согласно СП 23-101 толщина воздушной прослойки должна быть в пределах от 60 до 150 мм.
Слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой и наружной поверхностью, в теплотехническом расчете не учитываются. Следовательно, термическое сопротивление наружной облицовки не входит в сопротивление теплопередаче стены, определяемое по формуле (3.6). Как отмечалось в п.2.5, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции с вентилируемыми воздушными прослойками α ext для холодного периода составляет 10,8 Вт/(м 2 · ºС).
Конструкция вентилируемого фасада обладает рядом существенных преимуществ. В п.3.2 сравнивались распределения температур в холодный период в двухслойных стенах с внутренним и наружным расположением утеплителя (рис.3.4). Стена с наружным утеплением является более
«теплой», так как основной перепад температур происходит в теплоизоляционном слое. Не происходит образования конденсата внутри стены, не ухудшаются ее теплозащитные свойства, не требуется дополнительной пароизоляции (глава 5).
Воздушный поток, возникающей в прослойке из-за перепада давления, способствует испарению влаги с поверхности утеплителя. Следует отметить, что значительной ошибкой является применение пароизоляции на наружной поверхности теплоизоляционного слоя, так как она препятствует свободному отводу водяного пара наружу.
| Толщина воздушной прослойки, м | Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойкиR вп , м 2 · °С/Вт | |||
| горизонтальной при потоке теплоты снизу вверх и вертикальной | горизонтальной при потоке теплоты сверху вниз | |||
| при температуре воздуха в прослойке | ||||
| положительной | отрицательной | положительной | отрицательной | |
| 0,01 | 0,13 | 0,15 | 0,14 | 0,15 |
| 0,02 | 0,14 | 0,15 | 0,15 | 0,19 |
| 0,03 | 0,14 | 0,16 | 0,16 | 0,21 |
| 0,05 | 0,14 | 0,17 | 0,17 | 0,22 |
| 0,10 | 0,15 | 0,18 | 0,18 | 0,23 |
| 0,15 | 0,15 | 0,18 | 0,19 | 0,24 |
| 0,20-0,30 | 0,15 | 0,19 | 0,19 | 0,24 |
Исходные данные для слоев ограждающих конструкций;
- деревянного пола
(шпунтованная доска); δ 1 = 0,04 м; λ 1 = 0,18 Вт/м °С;
- пароизоляция
; несущественно.
- воздушной прослойки
: Rпр = 0,16 м2 °С/Вт; δ 2 = 0,04 м λ 2 = 0,18 Вт/м °С; (Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки
>>>.)
- утеплителя
(стиропор); δ ут = ? м; λ ут = 0,05 Вт/м °С;
- черновой пол
(доска); δ 3 = 0,025 м; λ 3 = 0,18 Вт/м °С;
| Деревянное перекрытие в каменном доме. |
Как мы уже отмечали для упрощения теплотехнического расчета введен повышающий коэффициент (k ), который приближает величину расчетного теплосопротивления к рекомендуемым теплосопротивлениям ограждающих конструкций; для надподвальных и цокольных перекрытий этот коэффициент равен 2,0. Требуемое теплосопротивление рассчитываем исходя из того, что температура наружного воздуха (в подполе) равна; - 10°С. (впрочем, каждый может поставить ту температуру, которую посчитает нужной для своего конкретного случая).
Считаем:
Где Rтр
- требуемое теплосопротивление,
tв
- расчетная температура внутреннего воздуха, °С. Она принимается по СНиПу и равняется 18 °С, но, поскольку все мы любим тепло, то предлагаем температуру внутреннего воздуха поднять до 21°С.
tн
- расчетная температура наружного воздуха, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки в заданном районе строительстве. Предлагаем температуру в подполе tн
принять "-10°С", это конечно же для Московской области большой запас, но здесь по нашему мнению лучше перезаложиться чем не досчитать. Ну а если следовать правилам, то температура наружного воздуха tн принимается согласно СНиПу "Строительная климатология". Также необходимую нормативную величину можно выяснить в местных строительных организациях, либо районных отделах архитектуры.
δt н · α в
- произведение, находящиеся в знаменателе дроби, равно: 34,8 Вт/м2 - для наружный стен, 26,1 Вт/м2 - для покрытий и чердачных перекрытий, 17,4 Вт/м2 (в нашем случае
) - для надподвальных перекрытий.
Теперь рассчитываем толщину утеплителя из экструдированного пенополистирола (стиропора) .
Где
δ ут - толщина утепляющего слоя
, м;
δ 1 …… δ 3 - толщина отдельных слоев ограждающих конструкций
, м;
λ 1 …… λ 3 - коэффициенты теплопроводности отдельных слоев
, Вт/м °С (см. Справочник строителя);
Rпр
- тепловое сопротивление воздушной прослойки
, м2 °С/Вт. Если в ограждающей конструкции воздушный продух не предусмотрен, то эту величину исключают из формулы;
α в, α н - коэффициенты теплопередачи внутренней и наружной поверхности перекрытия
, равные соответственно 8,7 и 23 Вт/м2 °С;
λ ут - коэффициент теплопроводности утепляющего слоя
(в нашем случае стиропор - экструдированный пенополистирол), Вт/м °С.
Вывод; Для того чтобы удовлетворять предъявленным требованиям по температурному режиму эксплуатации дома, толщина утепляющего слоя из пенополистирольных плит, расположенного в цокольном перекрытие пола по деревянным балкам (толщина балок 200 мм) должна быть не менее 11 см . Так как мы изначально задали завышенные параметры, то варианты могут быть следующие; это либо пирог из двух слоев 50 мм плит стиропора (минимум), либо пирог из четырех слоев 30 мм плит стиропора (максимум).
Строительство домов в Московской области:
- Строительство дома из пеноблока в Московской области. Толщина стен дома из пеноблоков
>>>
- Расчет толщины кирпичных стен при строительстве дома в Московской области.
>>>
- Строительство деревянного брусового дома в Московской области. Толщина стены брусового дома.
>>>
Описание:
Ограждающие конструкции с вентилируемыми воздушными прослойками давно использовались при строительстве зданий. Применение вентилируемых воздушных прослоек имело одну из следующих целей
Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором
Часть 1
Зависимость максимальной скорости движения воздуха в зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях термических сопротивлений стены с утеплителем
Зависимость скорости воздуха в воздушном зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях ширины зазора d
Зависимость термического сопротивления воздушного зазора, R эф зазора, от температуры наружного воздуха при различных значениях термического сопротивления стены, R пр терм. констр.
Зависимость эффективного термического сопротивления воздушного зазора, R эф зазора, от ширины зазора, d, при различных значениях высоты фасада, L
На рис. 7 представлены зависимости максимальной скорости воздуха в воздушном зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях высоты фасада, L, и термического сопротивления стены с утеплителем, R пр терм. констр. , а на рис. 8 - при различных значениях ширины зазора d.
Во всех случаях скорость воздуха возрастает со снижением температуры наружного воздуха. Увеличение высоты фасада в два раза приводит к незначительному повышению скорости воздуха. Снижение термического сопротивления стены приводит к повышению скорости воздуха, это объясняется увеличением потока теплоты, а значит и температурного перепада в зазоре. Ширина зазора существенно влияет на скорость воздуха, при уменьшении значений d скорость воздуха снижается, что объясняется повышением сопротивления.
На рис. 9 представлены зависимости термического сопротивления воздушного зазора, R эф зазора, от температуры наружного воздуха при различных значениях высоты фасада, L, и термического сопротивления стены с утеплителем, R пр терм. констр. .
Прежде всего, следует отметить слабую зависимость R эф зазора от температуры наружного воздуха. Это легко объяснимо, т. к. разность температуры воздуха в зазоре и температуры наружного воздуха и разность температуры внутреннего воздуха и температуры воздуха в зазоре изменяются практически пропорционально при изменении t н, поэтому их отношение, входящее в (3), почти не меняется. Так, при понижении t н от 0 до –40 °С R эф зазора снижается от 0,17 до 0,159 м 2 °С/Вт. Несущественно зависит R эф зазора и от термического сопротивления облицовки, при увеличении R пр терм. обл. от 0,06 до 0,14 м 2 °С/Вт значение R эф зазора изменяется от 0,162 до 0,174 м 2 °С/Вт. Этот пример показывает неэффективность утепления облицовки фасада. Изменения значения эффективного термического сопротивления воздушного зазора в зависимости от температуры наружного воздуха и от термического сопротивления облицовки являются несущественными для практического их учета.
На рис. 10 представлены зависимости термического сопротивления воздушного зазора, R эф зазора, от ширины зазора, d, при различных значениях высоты фасада. Зависимость R эф зазора от ширины зазора выражена наиболее отчетливо - при снижении толщины зазора значение R эф зазора возрастает. Это связано с уменьшением высоты установления температуры в зазоре x 0 и, соответственно, с повышением средней температуры воздуха в зазоре (рис. 8 и 6). Если для других параметров зависимость слабая, т. к. происходит наложение различных процессов частично гасящих друг друга, то в данном случае этого нет - чем тоньше зазор, тем быстрей он прогревается, и чем медленнее движется воздух в зазоре, тем быстрей он нагревается.
Вообще наибольшее значение R эф зазора может быть достигнуто при минимальном значении d, максимальном значении L, максимальном значении R пр терм. констр. . Так, при d = 0,02 м, L = 20 м, R пр терм. констр. = 3,4 м 2 °С/Вт вычисленное значение R эф зазора составляет 0,24 м 2 °С/Вт.
Для расчета теплопотерь через ограждение большее значение имеет относительное влияние эффективного термического сопротивления воздушного зазора, т. к. оно определяет насколько уменьшатся теплопотери. Несмотря на то что наибольшее абсолютное значение R эф зазора достигается при максимальном R пр терм. констр. , наибольшее влияние эффективное термическое сопротивление воздушного зазора на теплопотери оказывает при минимальном значении R пр терм. констр. . Так, при R пр терм. констр. = = 1 м 2 °С/Вт и t н = 0 °С благодаря воздушному зазору теплопотери снижаются на 14 %.
При горизонтально расположенных направляющих, к которым крепятся облицовочные элементы, при проведении расчетов ширину воздушного зазора целесообразно принимать равной наименьшему расстоянию между направляющими и поверхностью теплоизоляции, т. к. эти участки определяют сопротивление движению воздуха (рис. 11).
Как показали проведенные расчеты, скорость движения воздуха в зазоре невелика и составляет менее 1 м/с. Разумность принятой модели расчета косвенно подтверждается литературными данными. Так, в работе приведен краткий обзор результатов экспериментальных определений скорости воздуха в воздушных зазорах различных фасадов (см. табл.). К сожалению, содержащиеся в статье данные неполны и не позволяют установить все характеристики фасадов. Однако они показывают, что скорость воздуха в зазоре близка к значениям, полученным описанными выше расчетами.
Представленный метод расчета температуры, скорости движения воздуха и других параметров в воздушном зазоре позволяет оценивать эффективность того или иного конструктивного мероприятия с точки зрения повышения эксплуатационных свойств фасада. Этот метод можно усовершенствовать, прежде всего, это должно относиться к учету влияния зазоров между облицовочными плитами. Как следует из результатов расчетов и приведенных в литературе экспериментальных данных, это усовершенствование не окажет большого влияния на приведенное сопротивление конструкции, однако оно может оказать влияние на другие параметры.
Литература
1. Батинич Р. Вентилируемые фасады зданий: Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях / Сб. докл. IV науч.-практ. конф. М.: НИИСФ, 1999.
2. Езерский В. А., Монастырев П. В. Крепежный каркас вентилируемого фасада и температурное поле наружной стены // Жилищное строительство. 2003. № 10.
4. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: ГУП ЦПП, 1998.
5. Богословский В. Н. Тепловой режим здания. М., 1979.
6. Sedlbauer K., Kunzel H. M. Luftkonvektions einflusse auf den Warmedurchgang von belufteten Fassaden mit Mineralwolledammung // WKSB. 1999. Jg. 44. H.43.
Продолжение следует.
| Список обозначений | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
с в = 1 005 Дж/(кг °С) - удельная теплоемкость воздуха d - ширина воздушного зазора, м L - высота фасада с вентилируемым зазором, м n к - среднее количество кронштейнов, приходящихся на м 2 стены, м–1 R пр о. констр. , R пр о. обл. - приведенные сопротивления теплопередаче частей конструкции от внутренней поверхности до воздушного зазора и от воздушного зазора до наружной поверхности конструкции соответственно, м 2 °С/Вт R о пр - приведенное сопротивление теплопередаче всей конструкции, м 2 °С/Вт R усл о. констр. - сопротивление теплопередаче по глади конструкции (без учета теплопроводных включений), м 2 °С/Вт R усл о - сопротивление теплопередаче по глади конструкции, определяется как сумма термических сопротивлений слоев конструкции и сопротивлений теплоотдачи внутренней (равное 1/aв) и наружной (равное 1/aн) поверхностей R пр СНиП - приведенное сопротивление теплопередаче конструкции стены с утеплителем, определяемое в соответствии со СНиП II-3-79*, м 2 °С/Вт R пр терм. констр. - термическое сопротивление стены с утеплителем (от внутреннего воздуха до поверхности утеплителя в воздушном зазоре), м 2 °С/Вт R эф зазора - эффективное термическое сопротивление воздушного зазора, м 2 °С/Вт Q н - рассчитанный поток теплоты через неоднородную конструкцию, Вт Q 0 - поток теплоты через однородную конструкцию той же площади, Вт q - плотность потока теплоты через конструкцию, Вт/м 2 q 0 - плотность потока теплоты через однородную конструкцию, Вт/м 2 r - коэффициент теплотехнической однородности S - площадь сечения кронштейна, м 2 t - температура, °С Зазоры, доступные потокам воздуха, являются продухами, ухудшающими теплоизоляционные характеристики стен. Зазоры же замкнутые (так же как закрытые поры вспененного материала) являются теплоизолирующими элементами. Ветронепродуваемые пустоты широко применяются в строительстве для снижения теплопотерь через ограждающие конструкции (щели в кирпичах и блоках, каналы в бетонных панелях, зазоры в стеклопакетах и т. п.). Пустоты в виде непродуваемых воздушных прослоек используются и в стенах бань, в том числе каркасных. Эти пустоты зачастую являются основными элементами теплозащиты. В частности, именно наличие пустот с горячей стороны стены позволяет использовать легкоплавкие пенопласты (пенополистирол и пенополиэтилен) в глубинных зонах стен высокотемпературных бань. В то же время пустоты в стенах являются самыми коварными элементами. Стоит в малейшей степени нарушить ветроизоляцию, и вся система пустот может стать единым продуваемым выхолаживающим продухом, выключающим из системы теплоизоляции стен все внешние теплоизоляционные слои. Поэтому пустоты стараются делать небольшими по размеру и гарантированно изолируют друг от друга. Использовать понятие теплопроводности воздуха (а тем более использовать ультранизкое значение коэффициента теплопроводности неподвижного воздуха 0,024 Вт/м град) для оценки процессов теплопередачи через реальный воздух невозможно, поскольку воздух в крупных пустотах является крайне подвижной субстанцией. Поэтому на практике для теплотехнических расчётов процессов передачи тепла даже через условно «неподвижный» воздух применяют эмпирические (опытные, экспериментальные) соотношения. Чаще всего (в простейших случаях) в теории теплопередачи считается, что тепловой поток из воздуха на поверхность тела в воздухе равен Q = α∆Т , где α - эмпирический коэффициент теплопередачи «неподвижного» воздуха, ∆Т - разность температур поверхности тела и воздуха. В обычных условиях жилых помещений коэффициент теплопередачи равен ориентировочно α = 10 Вт/м² град. Именно этой цифры мы будем придерживаться при оценочных расчётах прогрева стен и тела человека в бане. При помощи потоков воздуха со скоростью V (м/сек), тепловой поток увеличивается на величину конвективной составляющей Q=βV∆T , где β примерно равен 6 Вт сек/м³ град . Все величины зависят от пространственной ориентации и шероховатости поверхности. Так, по действующим нормам СНиП 23-02-2003 коэффициент теплопередачи от воздуха к внутренним поверхностям ограждающих конструкций принимается равным 8,7 Вт/м² град для стен и гладких потолков со слабо выступающими рёбрами (при отношении высоты рёбер «h» к расстоянию «а» между гранями соседних рёбер h/a < 0,3); 7,6 Вт/м² град для потолков с сильно выступающими рёбрами (при отношении h/a > 0,3); 8,0 Вт/м² град для окон и 9,9 Вт/м² град для зенитных фонарей. Финские специалисты принимают коэффициент теплопередачи в «неподвижном» воздухе сухих саун равным 8 Вт/м² град (что в пределах ошибок измерений совпадает с принимаемым нами значением) и 23 Вт/м² град при наличии потоков воздуха со скоростью в среднем 2 м/сек. Столь малое значение коэффициента теплопередачи в условно «неподвижном» воздухе α = 10 Вт/м² град соответствует понятию воздуха как теплоизолятора и объясняет необходимость использования высоких температур в саунах для быстрого согрева тела человека. Применительно же к стенам это означает, что при характерных теплопотерях через стены бани (50- 200) Вт/м² разница температур воздуха в бане и температур внутренних поверхностей стен бани может достигать (5-20)°С. Это очень большая величина, часто никак и никем не учитывающаяся. Наличие в бане сильной конвекции воздуха позволяет снизить перепад температуры вдвое. Отметим, что столь высокие перепады температур, характерные для бань, недопустимы в жилых помещениях. Так, нормируемый в СНиП 23-02-2003 температурный перепад между воздухом и стенами не должен превышать 4°С в жилых помещениях, 4,5°С в общественных и 12°С в производственных. Более высокие перепады температур в жилых помещениях неминуемо приводят к ощущениям холода от стен и выпадению росы на стенах. Используя введенное понятие коэффициента теплопередачи от поверхности в воздух, пустоты внутри стены можно рассматривать как последовательное расположение теплопередающих поверхностей (см. рис. 35). Пристеночные зоны воздуха, где и наблюдаются вышеуказанные перепады температур ∆T, называются пограничными слоями. Если в стене (или стеклопакете) имеются два пустотных промежутка (например, три стекла), то фактически имеется 6 пограничных слоев. Если через такую стену (или стеклопакет) проходит тепловой поток 100 Вт/м², то на каждом пограничном слое температура изменяется на ∆T = 10°С , а на всех шести слоях перепад температуры составляет 60°С. Учитывая, что тепловые потоки через каждый в отдельности пограничный слой и через всю стену в целом равны между собой и составляют всё же 100 Вт/м², то результирующий коэффициент теплопередачи для стены без пустот («стеклопакет» с одним стеклом) составит 5 Вт/м² град, для стены с одной пустотной прослойкой (стеклопакет с двумя стёклами) 2,5 Вт/м² град, а с двумя пустотными прослойками (стеклопакет с тремя стёклами) 1,67 Вт/м² град. То есть, чем больше пустот (или чем больше стёкол), тем теплей стена. При этом теплопроводность самого материала стен (стёкол) в этом расчёте предполагалась бесконечно большой. Иными словами, даже из очень «холодного» материала (например, стали) можно в принципе изготовить очень тёплую стену, предусмотрев лишь наличие в стене множества воздушных прослоек. Собственно, на этом принципе и работают все стеклянные окна. Для упрощения оценочных расчётов удобней использовать не коэффициент теплопередачи α, а его обратную величину - сопротивление теплопередаче (термическое сопротивление пограничного слоя) R = 1/ α . Термическое сопротивление двух пограничных слоев, отвечающее одному слою материала стены (одного стекла) или одному воздушному промежутку (прослойке), равно R = 0,2 м² град/Вт , а трёх слоев материала стены (как на рисунке 35) - сумме сопротивлений шести пограничных слоев, то есть 0,6 м² град/Вт. Из определения понятия сопротивления теплопередаче Q =∆T/R следует, что при том же тепловом потоке 100 Вт/м² и термическом сопротивлении 0,6 м² град/Вт перепад температуры на стене с двумя воздушными прослойками составит те же 60°С. Если же число воздушных прослоек увеличить до девяти, то перепад температуры на стене при том же тепловом потоке 100 Вт/м² составит 200°С, то есть расчётная температура внутренней поверхности стены в бане при тепловом потоке 100 Вт/м² повысится с 60 °С до 200°С (если на улице 0°С). Коэффициент теплопередачи является результирующим показателем, комплексно суммирующим последствия всех физических процессов, происходящих в воздухе у поверхности теплоотдающего или тепловоспринимающего тела. При малых перепадах температур (и малых тепловых потоках) конвективные потоки воздуха малы, теплопередача в основном происходит кондуктивно за счёт теплопроводности неподвижного воздуха. Толщина пограничного слоя составляла бы малую величину, всего лишь a=λR=0,0024 м, где λ=0,024 Вт/м град - коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха, R=0,1 м²град/Вт -термическое сопротивление пограничного слоя. В пределах пограничного слоя воздух имеет разные температуры, вследствие чего за счёт гравитационных сил воздух у горячей вертикальной поверхности начинает всплывать (а у холодной - погружаться), набирая скорость, и турбулизируется (взвихривается). За счёт вихрей теплопередача воздуха увеличивается. Если вклад этой конвективной составляющей формально ввести в значение коэффициента теплопроводности λ, то увеличение этого коэффициента теплопроводности будет отвечать формальному увеличению толщины пограничного слоя a=λR (как мы увидим ниже, примерно в 5-10 раз с 0,24 см до 1-3 см). Ясно, что это формально увеличенная толщина пограничного слоя корреспондируется с размерами воздушных потоков и вихрей. Не углубляясь в тонкости структуры пограничного слоя, отметим, что значительно большее значение имеет понимание того, что передающееся в воздух тепло может «улететь» вверх с конвективным потоком, так и не достигнув следующей пластины многослойной стены или следующего стекла стеклопакета. Это отвечает случаю калориферного нагрева воздуха, который будет рассмотрен ниже при анализе экранированных металлических печей. Здесь же мы рассматриваем случай, когда воздушные потоки в прослойке имеют ограниченную высоту, например, в 5-20 раз превышающую толщину прослойки δ. При этом в воздушных прослойках возникают циркуляционные потоки, которые фактически участвуют в переносе тепла совместно с кондуктивными потоками тепла. При малых толщинах воздушных прослоек встречные потоки воздуха у противоположных стенок зазора начинают влиять друг на друга (перемешиваются). Иными словами, толщина воздушной прослойки становится меньше двух невозмущенных пограничных слоев, вследствие чего коэффициент теплопередачи увеличивается, а сопротивление теплопередачи соответственно уменьшается. Кроме того, при повышенных температурах стенок воздушных прослоек начинают играть роль процессы теплопередачи излучением. Уточнённые данные в соответствии с официальными рекомендациями СНиП П-3-79* приводятся в таблице 7, откуда видно, что толщина невозмущенных пограничных слоев составляет 1-3 см, но существенное изменение теплопередачи наступает лишь при толщинах воздушных прослоек менее 1 см. Это означает, в частности, что воздушные промежутки между стёклами в стеклопакете не следует делать толщиной менее 1 см. Таблица 7. Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м² град/Вт
Их таблицы 7 также следует, что более тёплые воздушные прослойки имеют более низкие термические сопротивления (лучше пропускают через себя тепло). Это объясняется влиянием на теплоперенос лучистого механизма, который мы рассмотрим в следующем разделе. Отметим при этом, что вязкость воздуха растёт с температурой, так что тёплый воздух турбулизуется хуже.
Если конструкционный материал стены обладает низкой теплопроводностью, то при расчётах необходимо учитывать его вклад в теплосопротивление стены (рис. 36). Хотя вклад пустот, как правило, является значительным, заполнение всех пустот эффективным утеплителем позволяет (за счёт полной остановки движения воздуха) существенно (в 3-10 раз) повысить тепловое сопротивление стены (рис. 37). Сама по себе возможность получения вполне пригодных для бань (по крайней мере, летних) тёплых стен из нескольких слоев «холодного» металла, конечно же, интересна и используется, например, финнами для противопожарной защиты стен в саунах около печи. На практике, однако, такое решение оказывается весьма сложным ввиду необходимости механической фиксации параллельных слоев металла многочисленными перемычками, которые играют роль нежелательных «мостиков» холода. Так или иначе, даже один слой металла или ткани «греет», если не продувается ветром. На этом явлении основаны палатки, юрты, чумы, которые, как известно, до сих пор используются (и использовались веками) в качестве бань в кочевых условиях. Так, один слой ткани (всё равно какой, лишь бы непродуваемой) лишь в два раза «холодней» кирпичной стены толщиной 6 см, а прогревается в сотни раз быстрее. Тем не менее, ткань палатки остаётся намного холодней воздуха в палатке, что не позволяет реализовать сколько бы то ни было длительных паровых режимов. К тому же, любые (даже мелкие) порывы ткани сразу же приводят к мощным конвективным теплопотерям. Наибольшее значение в бане (так же как и в жилых зданиях) имеют воздушные прослойки в окнах. При этом приведённое сопротивление теплопередаче окон измеряется и рассчитывается на всю площадь оконного проёма, то есть не только на стеклянную часть, но и на переплёт (деревянный, стальной, алюминиевый, пластиковый), который, как правило, имеет лучшие теплоизолирующие характеристики, чем стекло. Для ориентировки приведём нормативные значения термического сопротивления окон разных типов по СНиП П-3-79* и сотовых материалов с учётом теплового сопротивления внешних пограничных слоев внутри и вне помещения (см. таблицу 8). Таблица 8. Приведенное сопротивление теплопередаче окон и оконных материалов
Популярное | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
