X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

При рассмотрении теплообмена в ограждающих конструкциях зданий и сооружений предполагается, что проходящий через ограждение тепловой поток является стационарным, т.е. не изменяется во времени и по направлению.

В действительности температура наружного воздуха постоянно изменяется, что влияет на тепловое состояние помещений.

Вследствие периодических изменений температур внутреннего и наружного воздуха, происходят колебания температуры внутри ограждения и на ее внутренней поверхности, что может способствовать образованию конденсата водяных паров на поверхности ограждающей конструкции в зимний период времени, и чрезмерному перегреву помещений в летний период времени. Для нейтрализации этого процесса необходимо учитывать дополнительные теплотехнические требования, направленные на обеспечение минимальных колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения с целью поддержания в помещениях комфортных условий проживания.

Колебания температуры на внутренней поверхности ограждения зависят не только от колебаний температуры наружного воздуха, но и от теплотехнических свойств самого ограждения, в силу чего, применяя соответствующие материалы, можно снизить до нормируемых пределов колебания температуры на внутренней поверхности ограждений. Ограждающие конструкции, обеспечивающие меньшие колебания температуры на внутренней поверхности более теплоустойчивы.

Теплоустойчивость ограждающей конструкции – этосвойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры при периодическом изменении тепловых воздействий со стороны наружной и внутренней сред помещения. [3 прил. Б].

Температура помещения остается неизменной, если поступление теплоты от отопительных приборов равно недостатку теплоты в помещении. Если теплопоступления периодически изменяются при неизменных потерях тепла, то в помещении наблюдаются колебания температуры воздуха и радиационной температуры. Ограждения, все предметы, воздух под влиянием этих изменений периодически поглощают или отдают тепловую энергию. Чем больше способность поглощать тепловую энергию у ограждений и предметов, поверхности которых обращены в помещение, тем меньше в помещении колебания температуры и тем больше их теплоустойчивость. Инерционность системы определяется физическими свойствами материалов ограждений (теплоёмкость, теплопроводность).

Согласно [1] метод определения теплоустойчивости ограждающей конструкции основан на нахождении амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции и определяется по результатам натурных теплотехнических испытаний в летний период года.

В теплый период года рассматривается сквозное проникание тепловой волны от наружной среды к внутренней поверхности конструкции. Процесс прохождения тепловой волны через наружную стену здания представлен на рисунке 1, где знаком () обозначена наружная поверхность ограждения, а знаком (+) – внутренняя. Теплоустойчивость ограждения в данном случае проявляется в том, что по мере прохождения тепловой волны от наружной поверхности конструкции к внутренней амплитуды колебаний температуры и теплового потока уменьшаются. При этом фазовые углы гармоник все более увеличиваются, то есть колебания температуры в каждом последующем по ходу волны сечении отстают во времени от колебаний в предыдущем.

а – натуральная температурная волна; б – условные температурные волны;

I – температурная кривая в данный момент; II – то же, в последующий момент времени;

l – длина волны; Аτ – амплитуда колебания температуры

на наружной поверхности ограждения.

Рис.1. Схематический график колебаний температур внутри ограждения.

Характеристиками данного процесса являются затухание и запаздывание во времени тепловой волны. Чем больше амплитуды затухания и запаздывания, тем меньше колебания температуры и теплового потока на внутренней поверхности ограждения, то есть наибольшие колебания температуры происходят на наружных поверхностях ограждающих конструкций.

Сплошная прямая линия показывает среднее изменение температуры в ограждении при прохождении теплового потока. Пунктирные линии выше и ниже этой прямой обозначают границы колебаний температуры при ее действительном колебании во времени. Расстояния по вертикали от точек 1, 3 и 4 до средней сплошной линии 2 называются амплитудами колебаний температуры, которые по мере удаления от наружной поверхности ограждения все время уменьшаются. Кроме этого, колебания температур по мере удаления их от наружной поверхности запаздывают во времени (рис. 1, б).

Расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами называются длиной температурной волны (l). Число температурных волн, располагающихся в ограждении, принято называть характеристикой тепловой инерции, обозначаемой буквой D. Она показывает интенсивность затухания температурных колебаний в ограждении и его свойство сохранять или медленно изменять распределение температуры внутри ограждающей конструкции.

В соответствии с [3] при конструировании наружного ограждения необходимо проводить проверку его теплоустойчивости по отношению к сквозному прониканию наружных тепловых воздействий в расчетных условиях теплового периода, когда предполагаются установившиеся на длительное время ясные безоблачные дни.

Оценка теплоустойчивости по отношению к сквозному прониканию тепловых волн важна для определения тепловой нагрузки на системы вентиляции и кондиционирования воздуха за счет теплопередачи суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности солнечного облучения наружной поверхности ограждения. Учет теплоустойчивости позволяет сделать расчет нестационарного теплового режима ограждения и обоснованно снизить расчетную нагрузку по сравнению с полученной из расчета теплопередачи стационарной при максимальных, за сутки значениях температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации.

При тепловых воздействиях, направленных из помещения, интерес представляет колебание температуры на внутренние поверхности стенки. Таким образом, по отношению к внутренним воздействиям интерес проявляется в том, что при гармоничных поступлениях теплового потока на поверхность ограждения, температура этой поверхности изменяется также гармонически, но с некоторым отставанием от гармоники теплового потока. Половину периода теплота передается от нагретой поверхности в глубь ограждения, то есть аккумулируется им, а вторую половину поверхность отдает аккумулированную теплоту. Характеристикой теплоустойчивости ограждения в этом процессе является коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения Y, (Вт/м²∙). Чем больше коэффициент теплоусвоения, тем меньше колебания температуры на его внутренней поверхности.

За расчетную величину теплоусвоения материала ограждения принят коэффициент теплоусвоения S, Вт/(м²С), который представляет собой максимальное изменение амплитуды колебаний потока тепла (Вт), отнесенное к единице поверхности (м²) ограждения и единице времени (ч), которое вызвано нагреванием или остыванием слоев конструкции при периодических колебаниях температуры ее поверхности с амплитудой в 1С Другими словами коэффициент теплоусвоения отражает способность материала воспринимать теплоту при колебании температуры на его поверхности. Значения коэффициентов теплоусвоения различных материалов приведены в прил. Д. [2]

Для легких ограждающих конструкций, утепленных эффективными теплоизоляционными материалами, характерна малая величина затухания амплитуды. Такие конструкции быстро охлаждаются при отключении отопления и быстро нагреваются при действии солнечных лучей и высокой температуре воздуха, то есть они обладают малой тепловой инерцией.

В силу того, что наибольшие колебания температуры наружного воздуха проявляются в летний и зимний период эксплуатации зданий и сооружений, необходимо проводить проверочные расчеты на теплоустойчивость ограждающих конструкций для летнего и холодного периодов года.

Список литературы

ГОСТ 26253-2014 Здания и сооружения. Метод определения теплоустойчивости ограждающих конструкций [Текст]: – М: 2014 – 12с.

СП 23-101-04 Свод правил [Текст]: Проектирование тепловой защиты зданий: Минстрой России – М.: ГУП ЦПП, 2004. – 204 с.

СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003: Министерство регионального развития РФ – М.: 2012 – 139с.

Код для цитирования: Скопировать