Основы строительной теплофизики

Теплота – это вид энергии, проявляющийся в виде движения молекул в веществах или в виде излучения в пространстве. Единица измерения теплоты в системе СИ – джоуль (Дж).

Температура – это мера теплового состояния вещества, градус С на шкале Цельсия.

От зоны с высокой температурой теплота может передаваться к зоне с более низкой температурой посредством:

а) теплопроводности;

б) конвекции;

в) лучистого теплообмена.

При этом величина теплового потока, проходящего через тело или плоскость в пространстве за единицу времени – ватт (Вт = Дж/с).

Плотность теплового потока – это количество теплоты, переносимой через единицу поверхности за единицу времени и измеряется в Вт/м².

Передача теплоты свойством теплопроводности (кондуктивная теплопередача) в чистом виде может наблюдаться только в сплошных твердых телах. Теплопроводность тела означает его способность передавать энергию молекул от участков с большей энергией к участкам с меньшей (где температура ниже).

Величина передачи тепла зависит от:

- характеристики материала, известной под названием коэффициента теплопроводности, l, ();

- разности температур двух рассматриваемых точек, Dt (^оС);

- площади поперечного сечения, перпендикулярного направлению потока, S (м²);

- толщины материала, d (м).

Величина, обратная коэффициенту теплопроводности, является удельным термическим сопротивлением, r = 1/l, ().

Произведение удельного термического сопротивления на толщину материала называется его термическим сопротивлением.

R = r × d = d / l, ()

Для многослойных тел общее термическое сопротивление равно сумме значений термических сопротивлений отдельных слоев:

R = R₁ + R₂ + … + R_n = (1)

где d₁, … d_n – толщина слоев, м;

l₁, … l_n – коэффициенты теплопроводности отдельных слоев, Вт/м^о×^оС

Величина обратная термическому сопротивлению называется коэффициентом теплопередачи.

с = 1 / R = 1 / r × d, ()

Соответственно, для многослойных тел величина, обратная суммарному термическому сопротивлению, будет суммарный коэффициент теплопередачи.

Конвективный теплообмен – есть вид переноса теплоты от поверхности твердого тела к потоку текучей (т.е. жидкой или газообразной) среды, или наоборот.

Здесь величина теплообмена зависит от:

- разности температур твердого тела и текучей среды, Dt (^оС);

- площади соприкосновения между твердым телом и жидкой средой, S (м²);

- удельной теплоемкости текучей среды, С (Дж/кг ^оС);

- скорости движения текучей среды, u (м/сек).

Лучистый теплообмен или тепловое излучение – это излучение в инфракрасной области спектра электромагнитных волн через лучепрозрачную среду между различно нагретыми поверхностями.

Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от:

- температур излучающей и поглощающей поверхностей, DT (^оС);

- от поглощательной (ρ) и излучательной (x) способностей (Вт/м²).

Хотя, рассмотренные виды теплового обмена в ограждающих конструкциях и зданиях не существуют отдельно, а взаимосвязаны, тем не менее в ограждениях из плотных материалов (бетон, кирпич и т.п.) основной вид теплопередачи – кондуктивный; а в пустотных ограждениях с воздушными прослойками (двойное остекление, слоистые стены и покрытия) – преобладает теплообмен конвекцией и излучением. Теплообмен излучением имеет большое значение при воздействии на здание солнечной радиации.

Перенос тепла из одной среды с более высокой температурой в другую с меньшей температурой через разделяющее ограждение называют теплопередачей.

Этот процесс включает:

1. Теплообмен между поверхностью ограждения и прилегающей к ней нагретой воздушной средой – тепловосприятие (a_iв). Такой теплообмен происходит, например, в отапливаемых помещениях при соприкосновении внутренней поверхности стены с внутренним воздухом. Величина обратная коэффициенту тепловосприятия называется сопротивлением теплообмену на внутренней поверхности.

R_siв = , ()

2. Теплообмен между поверхностью ограждения и прилегающей к ней охлажденной воздушной средой – теплоотдача (a_eн). Подобный теплообмен наблюдается при соприкосновении наружной поверхности стены с наружным воздухом. Величину обратную коэффициенту теплообмена называют сопротивлением теплообмена на наружной поверхности стены.

R_seв = , (м^{2 о}С/Вт)

3. Теплопередачу теплопроводностью через само твердое ограждение. Обратная величина называется термическим сопротивлением (см. формулу 1).

Общее сопротивление теплопередаче ограждения с учетом тепловосприятия и теплоотдачи (R_о) находится из выражения:

R_о = R_siв + (2)