Аналитический подход к оценке теплового режима ограждающих конструкций




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Аналитический подход к оценке теплового режима ограждающих конструкций

Аналитический подход к оценке теплового режима ограждающих конструкций

30.07.2017


Аналитическая оценка стационарности теплового режима основывается на теории теплоустойчивости ограждающих конструкций. Здания подвергаются тепловым воздействиям, которые можно разделить на периодически повторяющиеся и разовые. Теория теплоустойчивости рассматривает повторяющиеся тепловые воздействия гармонического вида на поверхностях ограждений (граничные условия). При наличии их в ограждении устанавливается тепловой режим, который в строительной теплофизике определяют как «квазистационарный».
Аналитическое решение, для случая нестационарной теплопередачи через ограждение, когда температура наружного воздуха изменяется, а температура воздуха внутри помещений постоянна, основано на теории Власова - Муромова - Шкловера. Графическая интерпретация затухания температурных колебаний в ограждении показана на рис. 3.2.
На основании решения задачи о передаче температурных колебаний через многослойную стену при граничных условиях 3 рода на поверхностях её и 4 рода на стыках между слоями получено уравнение для определения температуры на внутренней поверхности ограждения, tвп, °C.

где tво - среднее за период значение температуры на внутренней поверхности ограждений, °С;
Atн - амплитуда колебания температуры наружного воздуха, °С;
т - время, ч;
v - показатель сквозного затухания многослойного ограждения;
s - запаздывание сквозного проникновения колебаний во времени, ч.
Величины, входящие в уравнение (3.3) рассчитываются по зависимостям, полученным из анализа развития теплового режима ограждающей конструкции. Неизвестными являются tво, v и е. Средние значения tн и tв находятся по результатам измерений за определенный промежуток времени.
Колебания температуры наружного воздуха вызывают изменения тепловых потоков и температуры на поверхности и в толще ограждения. Эти изменения можно определить как правильные гармонические колебания с периодом T (рис. 3.2).
Амплитуды колебаний температуры в толще ограждения уменьшаются по мере удаления от наружной поверхности. На некотором расстоянии в произвольном сечении n ограждения величина амплитуды Atn изменения температуры tn будет в vn раз меньше Atн:

где vn — коэффициент затухания в сечении «n».
Показатель сквозного затухания многослойного ограждения можно определить в виде произведения:

где vн - показатель затухания при переходе от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения;
v1, v2, ... vн - то же, в отдельных слоях ограждения;
vк - то же, в последнем слое ограждения, граничащем с внутренним воздухом.

Показатель затухания vн рассчитывают по формуле:

где Rв - сопротивление теплообмену на наружной поверхности, м2*°С/Вт;
Y1 — коэффициент теплоусвоения наружной поверхности ограждения, Вт/(м2*°С).
Для произвольного сечения n в толще ограждения vn равно

где Rn и sn - сопротивление теплопроводности слоя n и удельный коэффициент теплоусвоения материала этого слоя, м2*°С/Вт и Вт/(м2*°С);
Yn, Yn+1 — коэффициенты теплоусвоения поверхностей слоев n и n+1 (со стороны движения волны), Вт/(м2*°С).
Когда слой п «толстый», т.е. RnSn > 1, то Yn = Sn и формула принимает вид

Для прикидочных расчетов формула (3.8) может быть записана

Для последнего по ходу волны слоя граничащего с внутренним воздухом, vк равен

Коэффициенты теплоусвоения поверхностей слоев конструкции рассчитывают по зависимостям, определяющим теплоустойчивость ограждающих конструкций для стационарного теплового режима. Она характеризуется коэффициентом, представляющим отношение разности температур внутреннего и наружного воздуха к максимальной разности температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения tв.п min

Определение коэффициента у выполняется по формуле, предложенной О.Е. Власовым.

где Rt — сопротивление теплопередаче ограждения, м2*°С/Вт;
Rв - сопротивление тепловосприятию, м2*°С/Вт;
Yв - коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2 °С);
m - коэффициент неравномерности подвода теплоты в здание, принимаемый равным 0,1.
Из формулы (3.12) вытекает, что теплоустойчивость ограждений зависит от коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения. С увеличением коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности увеличивается теплоустойчивость ограждения.
Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности определяется периодом колебания теплового потока, но, главным образом, теплотехническими свойствами самого ограждения. Эта величина представляет собой максимальное изменение амплитуды колебания теплового потока, воспринимаемого внутренней поверхностью ограждения, при амплитуде колебания температуры ее, равной 1°С, и имеет размерность Вт/(м2*°С).
Теплоусвоение внутренней поверхности зависит от порядка расположения слоев в ограждении. При расположении у внутренней поверхности ограждения материалов с большими коэффициентами теплоусвоения «S», повышается теплоусвоение внутренней поверхности ограждения «Yв», и, наоборот, при расположении у внутренней поверхности ограждения материалов с малыми коэффициентами, понижается и величина «Yв».
Если ограждение однородно и имеет очень большую толщину, то теплоусвоение его внутренней поверхности при заданном периоде колебания температуры будет зависеть только от свойств материала. В этом случае коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения представляет физическую характеристику материала ограждения. Большие коэффициенты теплоусвоения имеют плотные теплопроводные материалы (мрамор, гранит S24 = 22,86...25,04 Вт/(м2*°C)), небольшие - легкие малотеплопроводные материалы (минвата s24 = 0,36...1,08 Вт/(м2*°С)).
При определении величины коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Yв сначала следует установить, где будет находиться граница слоя резких колебаний. В зависимости от расположения этого слоя в ограждении при определении Yв могут встретиться следующие случаи.
1. Слой резких колебаний полностью расположен в первом слое ограждения. Это будет в том случае, когда показатель тепловой инерции первого слоя D1 = R1s1 > 1. Тогда теплоусвоение внутренней поверхности ограждения будет равно коэффициенту теплоусвоения материала первого слоя, т.е. Yв = s1.
2. Слой резких колебаний расположен в двух первых слоях ограждения, т.е. граница его находится во втором слое ограждения. Это будет в том случае, если первый слой имеет D1 < 1, но сумма величин D первого и второго слоев D1 + D2 > 1.
При этом на величину Yв оказывает влияние также и теплоусвоение материала второго слоя ограждения и значение Yв определяется по формуле

где R1 - термическое сопротивление первого слоя, м2*°С/Вт;
s1 - коэффициент теплоусвоения материала первого слоя, Вт/(м2*°С);
s2 - коэффициент теплоусвоения материала второго слоя, Вт/(м2*°С).
3. Слой резких колебаний расположен в нескольких слоях ограждения, т.е. граница его находится в некотором n-м слое ограждения. Это будет в том случае, если сумма величин Dn-1 первых слоев ограждения будет меньше единицы, т.е. D1 + D2 + D3 +...+ Dn-1 < 1, но D1 + D2 + D3 +...+ Dn > 1, т.е. n слоев дают показатель тепловой инерции, равный или больший единицы.
В этом случае определение величины теплоусвоения начинается с внутренней поверхности n-1 слоя по формуле

Затем переходят к определению теплоусвоения внутренней поверхности n-2 слоя по формуле

где Yn-1 — теплоусвоение внутренней поверхности n-1 слоя, определенное по формуле (3.14).
В таком же порядке переходят к определению величины коэффициента теплоусвоения n-3 слоя Yn-3 и т.д. до тех пор, пока не доходят до первого слоя ограждения, теплоусвоение которого и будет равно теплоусвоению внутренней поверхности ограждения, рассчитываемого по формуле (3.16), т.е.

где Y2 — теплоусвоение внутренней поверхности второго слоя, определенное предварительно по формуле (3.15).
4. Слой резких колебаний выходит за пределы ограждения, т.е. граница его находится вне ограждения. Это будет в том случае, если сумма величин D всех слоев ограждений получится меньше единицы.
В этом случае сначала определяют теплоусвоение внутренней поверхности последнего слоя ограждения (наружного слоя) по формуле

где Rn — термическое сопротивление последнего слоя ограждения, м2*°С/Вт;
sn - коэффициент теплоусвоения материала этого слоя, Вт/(м2*°С);
ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м2*°С).
Дальнейший порядок расчета такой же, как в третьем случае по выражению (3.16).
Средние значения величин в периодическом тепловом процессе в базовой точке определяют по формулам стационарной теплопередачи, поэтому в формуле 3.3 tво равно

Запаздывание сквозного проникания колебаний во времени для многослойного ограждения может быть определено по приближенной формуле

где слагаемое Een соответствует запаздыванию колебаний при прохождении n материальных слоев толщи ограждения. Зависимость для определения Een в часах, имеет вид

Величина eпов для реальных конструкций изменяется в небольших пределах: от - 0,01 T до 0,06 Т. Для инженерных расчетов эту величину можно принять постоянной, равной

Показатель запаздывания сквозного проникания колебаний в в часах приближенно определяется по формуле

При T = 24 ч формула (3.22) приобретает вид