Введение. Теплофизика ограждающих конструкций и тепловой режим здания

СОДЕРЖАНИЕ

Жакишев Б.А.

Теплофизика ограждающих конструкций и тепловой режим здания

КУРС ЛЕКЦИИ

для студентов специальности 5В071700 – «Теплоэнергетика»

АСТАНА 2012

УДК 697.1

ББК ______

Ж _______

Теплофизика ограждающих конструкций и тепловой режим здания: курс лекции, - Астана. 2010. - ____с.

ISBN - № ______________

Рассмотрены теоретические и практические основы обеспечения теплового режима зданий. Даны методические решения задач теплообмена в помещении; последовательность теплотехнической оценки ограждающих конструкций и методика проектирования ограждений, удовлетворяющих требованиям энергосбережения.

Курс лекции предназначен для студентов специальности 050717 «Теплоэнергетика».

ББК ___________

Рецензенты: ________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

Рассмотрено и рекомендовано к изданию методическим советом Казахского агротехнического университета им. С.Сейфуллина, протокол № ____ от «_____» __________ 2010 года.

ВВЕДЕНИЕ
	Лекция №1	1.1. Тепловой режим помещения
		1.2. Лучистый теплообмен
	Лекция №2	2.1. Свободная конвекция
	Лекция №3	3.1. Вынужденная конвекция
	Лекция №4	4.1. Общий теплообмен на поверхности в помещении
		4.2. Тепловой баланс воздуха в помещении
	Лекция №5	5.1. Общий теплообмен в помещении
		5.2. Расчет общего теплообмена в помещении методом электротепловой аналогии
	Лекция №6	6.1. Теплообмен человека с окружающей средой
	Лекция №3	3.1. Факторы, влияющие на теплотехнические свойства материалов
		3.2. Теплопроводность
	Тема СРС	- Теплоемкость
		- Тепловое излучение
	Лекция №4	4.1. Одномерное температурное поле
		4.2. Двухмерное температурное поле
		4.3. Аналитическое решение теплопередачи
	Лекция №5	5.1. Температурные поля и их расчет
		5.2. Метод электротепловой аналогии
		5.3. Теплопередача герметичной воздушной прослойки
	Лекция №6	6.1. Вентилируемая воздушная прослойка
		6.2. Влагопередача через ограждение с вентилируемой прослойкой
	Лекция №7	7.1. Теплоусвоение
		7.2. Теплоустойчивость ограждений
		7.3. Теплоустойчивость помещений
	Тема СРС	- Летний тепловой режим помещений
	Лекция №8	8.1. Воздухопроницаемость материалов
		8.2. теплопередача через ограждения при наличии воздухопроницания
		8.3. Расход теплоты на нагрев инфильтрующего наружного воздуха
	Тема СРС	- Воздушный режим здания
	Лекция №9	9.1. Влажность воздуха. Температура точки росы
		9.2. Проверка возможности выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающей конструкции
	Лекция №10	10.1. Паропроницаемость. Сопротивление паропроницанию
		10.2. Конденсация влаги в ограждающих конструкциях
		10.3. Порядок расчета сопротивления паропроницанию
	Лекция №11	11.1. Проверка на возможность конденсации влаги в толще наружного ограждения
	Лекция №12

Строительная наука объединяет в себе множества разделов, затрагивающие разные отрасли знаний. Она включает множество разделов, которые одновременно являются частями физики, механики, теплотехники, геологии, экономики и др. В настоящий момент появилась совершенно новая самостоятельная дисциплина, которая способна в полной мере отвечать вопросам теплопереноса и теплопередачи в различных конструктивных исполнениях. Такой дисциплиной изучающую явления передачи тепла, переноса влаги, фильтрации воздуха и другие вопросы применительно к задачам сбережения тепла, несомненно, остающимися основными приоритетами в строительстве, по праву можно назвать теплофизику ограждающих конструкций. Среди всех строительных сооружений здания подвержены наиболее сложным физическим воздействиям. Ни меньшие тепловые напряжения испытывают изделия и конструкции ограждения паровых и водяных котлов на тепловых электростанциях (ТЭС), атомных электростанциях (АЭС), доменных печах и др. Процессы тепло- и массообмена в различных помещениях зданий и ограждающих конструкциях связаны с действием наружных климатических условий, или заданных параметров, для выполнения технологических операции, циклов и т.д., а также с работой систем отопления вентиляции и кондиционирования микроклимата.

Для выдерживания определенных условий важны и многие другие аспекты, относящиеся к области строительной теплофизики – это расчеты промерзания, пучения грунтов и их взаимодействия с инженерными сооружениями в районах сезонного промерзания грунтов и в области «вечной мерзлоты»; тепловлажностный режим гидротехнических сооружений, особенно в зоне переменного горизонта воды и при фильтрации грунтовых вод; вопросы морозостойкости материалов и прочее. В данном курсе лекции эти вопросы не рассматриваются.

Курс лекции предназначен для студентов специальности «Теплоэнергетика», поэтому в нем основное внимание уделено явлениям и процессам, связанным с метеорологическими условиями в помещениях зданий. При изучении данного курса особый акцент делается на рассмотрение физических явлений, связанных с теплообменом в ограждающих конструкциях.

Для изучения процессов тепло- и массообмена, с целью создания условий соответствующих нормам в помещениях нужно знать следующее: а) требования к характеристикам внутреннего климата и факторы, влияющие на них; б) законы взаимодействия ограждений с внутренней и наружной средами; в) тепло- и массообменные процессы обогревающих и охлаждающих поверхностей и потоков воздуха систем отопления, вентиляции и кондиционирования; г) явления, происходящие в конструкциях и материалах при передаче через них тепла, влаги и воздуха; д) характеристики наружного климата и законы их изменения.

В связи с такой постановкой вопроса в изучаемой дисциплине используются сведения из теории тепло- и массообмена, теплопередачи, термодинамики влажного воздуха, термодинамики необратимых процессов, климатологии и др., при этом предполагается, что студенты освоили курс «Тепломассообмен».

Значение данной дисциплины особенно велико для инженера при эксплуатации существующих, возведении новых разнообразных конструкций ограждений и систем отопления и кондиционирования, применяемых в разных регионах Казахстана. Проектирование зданий с повышенными требованиями к тепловой защите ограждений, с применением высокоэффективных теплоизоляционных материалов является основным направлением развития современной строительной индустрии, а также технологических решении энергосбережения и энергоэффективности, что в свою очередь приводит к снижению вредных выбросов в окружающую среду и экономии традиционного или иного вида топлива.

Внедрение новых технологии застройки многоэтажок привело к созданию и совершенствованию конструкции элементов зданий, где используются новые теплоизоляционные, облицовочные и конструктивные материалы с разнообразными, зачастую недостаточно изученными физическими свойствами при различных условиях эксплуатации. В этой связи, считаем, необходимым отметить, что наряду с большими успехами имеется ряд недостатков, некоторые из них связаны с малой изученностью, а в ряде случаев и с недооценкой вопросов строительной теплофизики. Ведь качество и физические свойства изделий оцениваются при эксплуатации их на протяжении десятилетии с воздействием реальных внешних, механических и других нагрузок, что в условиях современной «гонки» не всегда выполняется.

Стремительное развитие человечества обуславливает необходимость постоянного проживания людей в суровых климатических условиях, что заостряет актуальность применения теплоизоляционных изделии, сбережения тепла, а также изучения процессов тепло- и массопереноса в ограждающих конструкциях. Климат, в различных населенных пунктах весьма разнообразен. К примеру, в районе Оймякона в Якутии расположен полюс холода обжитых районов Земли, где температура понижается до -71 ^оС при среднегодовой температуре -17 ^оС. (Точка абсолютного холода Земли расположен в районе станции Восток на Антарктиде. Зафиксированная низкая температура здесь - 86,4 ^оС, среднегодовое значение около - 50 ^оС). Напротив, в Узбекистане (г. Термез) температура повышается до +48 ^оС при среднегодовой температуре +18 ^оС. Во многих пунктах побережья Ледовитого океана продолжительность отопительного периода составляет целый год, когда в отдельных регионах Средней Азии и Кавказа продолжительность составляет всего 75 дней например в Батуми, Гагре. Однако в этом случае возникает необходимость защиты зданий от перегрева солнечной радиацией, в связи с чем, необходимо обеспечивать искусственное охлаждение помещений в течение продолжительного периода.

Строительная теплофизика рассматривает вопросы, относящиеся к области деятельности специалистов по конструкциям зданий и по отопительно-вентиляционным системам (рис.1). Теплотехники-строители занимаются вопросами создания микроклимата в помещении, применяя системы кондиционирования (отопления-охлаждения и вентиляции) с учетом влияния наружного климата через ограждения. Теплоэнергетиков, производителей тепла, интересует уменьшение тепловых потерь через ограждающие конструкции, а также проводимые профилактические мероприятия, связанные с фильтрацией воздуха в помещениях. Строителей, специалистов по конструкциям зданий, интересует режим ограждений под действием внутреннего и наружного климатов в связи с долговечностью конструкций и их эксплуатацией.

Рисунок 1 – Сферы теплофизики помещения (I) и ограждения (II)

Курс лекции подготовлен для студентов специальности «Теплоэнергетика», которым в будущем, по мнению автора, пригодятся знания в области теплофизики ограждающих конструкций, при выполнении работ в проектных учреждениях и на производстве. При изложении материала учитывалось наличие в учебном плане специальности дисциплин: техническая термодинамика и теплообмен, гидрогазодинамика, механика жидкости и газа, что позволило сократить полный курс и избежать общих вопросов из смежных дисциплин, знание которых необходимо при изучении данной дисциплины.

Лекция №1