Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций

Рассмотрим однородную плоскую стенку с коэффициентом теплопроводности λ и толщиной δ (рис.3.1). Она разделяет две воздушные среды: внутреннюю с температурой t_int и наружную с температурой t_ext. Температуры t_int и t_ext не меняются с течением времени, следовательно, процесс теплопередачи через стенку является стационарным.

В холодное время года температура внутренней поверхности ограждения t_si несколько ниже, чем температура воздуха помещения t_int, а температура наружной поверхности t_se выше температуры наружного воздуха t_ext. То есть существуют температурные перепады t_int - t_si и t_se - t_ext и, следовательно, происходит теплообмен между поверхностями ограждающей конструкции и окружающим воздухом. Коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей, соответственно, равны α_int и α_ext. Перенос тепла через стенку, вызванный разностью температур t_si - t_se, происходит путем теплопроводности.

При стационарной теплопередаче количество тепла, переданного от теплого воздуха стенке, равно количеству тепла, отданному от стенки наружной среде. Исходя из закона Ньютона, плотность теплового потока от внутреннего воздуха стенке определяется выражением

. (3.1)

Плотность теплового потока, переносимого теплопроводностью сквозь стенку, равна (формула (2.7))

.

Аналогично, тот же самый поток передается от наружной поверхности холодному воздуху

. (3.2)

Из этих уравнений определим температурные перепады и запишем систему:

(3.3)

.

Сложив левые и правые части, получим разность температур внутреннего и наружного воздуха

.

Отсюда

. (3.4)

Знаменатель этого выражения называется сопротивлением теплопередаче однослойного ограждения:

_. (3.5)

Как видно из приведенной формулы, сопротивление теплопередаче является суммой отдельных термических сопротивлений: 1/ α_int – сопротивления теплоотдаче от теплого воздуха внутренней поверхности стенки; δ/ λ – термического сопротивления теплопроводности стенки; 1/ α_ext - сопротивления теплоотдаче от наружной поверхности стенки холодному воздуху.

Для многослойной конструкции нужно учитывать термическое сопротивление каждого слоя. В этом случае сопротивление теплопередаче определяется следующим образом

, (3.6)

где n – число слоев конструкции.

Выражение для плотности теплового потока (3.4) можно записать как

(3.7)

Количество теплоты Q_τ, передаваемое через ограждающую конструкцию площадью F за время τ, равно

Величина, обратная сопротивлению теплопередаче, называется коэффициентом теплопередачи

. (3.8)

Он имеет ту ж размерность, что и α, - (Вт/(м²·ºС)). Коэффициент k определяет интенсивность передачи теплоты от одной среды к другой с учетом разделяющей стенки и равен количеству теплоты, которое передается через 1 м² стенки за 1 сек при разности температур между внутренним и наружным воздухом в 1 ºС.

Сопротивление теплопередаче определяет теплозащитные свойства ограждающей конструкции в стационарных условиях. Такие условия характерны для холодного периода года: зимой температура наружного воздуха часто бывает устойчивой, а отопление поддерживает постоянную внутреннюю температуру.