Приведенное сопротивление теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций

Выше рассматривались ограждающие конструкции, температурное поле в которых одномерно и изменяется только по оси, перпендикулярной к плоскости ограждения. Одномерная схема достаточно хорошо описывает плоские и протяженные конструкции, с неизменным поперечным сечением, обладающие теплотехнической однородностью по всей своей площади.

Однако даже для однородных конструкций характерны отдельные участки с более сложным распределением температур, поскольку в здании имеются углы, проемы, пересечения стен. Условия теплообмена на притолоках простенков, в наружных углах здания и в местах примыкания к наружным ограждениям внутренних поперечных стен искажают простейшее температурное поле, изотермы в этом случае не параллельны, а поток тепла не одномерен.

В частности, на перенос тепла влияет геометрическая форма наружных углов зданий. Площадь тепловосприятия (принимающая тепло от внутреннего воздуха) становится меньше площади теплоотдачи (отдающей тепло наружному воздуху). Температура на внутренней поверхности угла ниже температур глади стены на 4 – 6 ºС, что приводит к отсыреванию углов, а в недостаточно отапливаемых зданиях – к появлению инея в наиболее холодный период. Эти негативные явления устраняют путем обогрева наружных углов стояками отопительной системы и связано с дополнительными потерями тепла. Не только геометрическая форма, но и конструктивные особенности являются причиной теплотехнической неоднородности наружных ограждающих конструкций.

Ограждения могут содержать, например, соединительные элементы между слоями (ребра, стержневые связи), сквозные и несквозные теплопроводные включения. На таких участках в

поперечном сечении ограждающей конструкции присутствуют более теплопроводные материалы, что уменьшает сопротивление теплопередаче в зоне подобных неоднородностей.

Определение сопротивления теплопередаче таких конструкций по формуле (3.6), применимой в случае теплотехнически однородных ограждений, дает завышенные результаты, иногда существенно отличающиеся от действительных значений.

Теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций состоит в определении приведенного сопротивления теплопередаче R^r₀. В Своде правил по проектированию тепловой защиты зданий приведен ряд методик по определению R^r₀.

I. Определение приведенного сопротивления теплопередаче на основе расчета температурных полей.

Приведенное сопротивление теплопередаче R^r₀, м²·ºС/Вт, неоднородной ограждающей конструкции или ее фрагмента определяют по формуле

R^r₀ = (t_int - t_ext) · F/ Q , (3.12)

где F – площадь неоднородной ограждающей конструкции или ее фрагмента, м²;

Q – суммарный тепловой поток через конструкцию или ее фрагмент площадью F, Вт;

t_int – расчетная температура внутреннего воздуха, ºС, принимая согласно гл.1;

t_ext - расчетная температура наружного воздуха, ºС, о которой речь пойдет в п.3.7.

Q определяется на основе расчета температурных полей (возможен также экспериментальный способ). Расчет температурного поля проводится с использованием численных методов. Исследуемая область разбивается на элементарные блоки с выделением участков с различными коэффициентами теплопроводности, таким образом формируется расчетная сетка. В узлах этой сетки по формулам выбранного численного метода определяются значения температур. В результате расчета температурного поля получают осредненный тепловой поток, проходящий через рассчитываемый участок площадью F. Процедура расчета осуществляется на ЭВМ с использованием вычислительной программы.

II. Определение приведенного сопротивления теплопередаче с использованием коэффициента теплотехнической неоднородности

Допускается приведенное сопротивление теплопередаче R^r₀ характерного i-го участка неоднородной ограждающей конструкции вычислять по формуле

R^r₀ = R₀ · r , (3.13)

где R₀ - сопротивление теплопередаче i-го участка однородной ограждающей конструкции, определяемое по формуле (3.6);

r – коэффициент теплотехнической однородности i-го участка ограждающей конструкции, учитывающий влияние стыков, откосов проемов, обрамляющих ребер, гибких связей и других теплопроводных включений. Для плоских неоднородных ограждающих конструкций, содержащих такие включения, коэффициент теплотехнической однородности r допускается определять по формуле

, (3.14)

где F – то же, что в (3.12);

m – число теплопроводных включений конструкции;

a_i, L_i – соответственно ширина и длина i-го теплопроводного включения, м;

R´_0,i и R_0,i - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м²·ºС/Вт, соответственно в месте i-го теплопроводного включения и вне этого места, определяемое по формулам (3.5) или (3.6);

k_i – коэффициент, зависящий от типа i-го теплопроводного включения, принимаемый для

- неметаллических теплопроводных включений по таблице 3.1;

- металлических теплопроводных включений по формуле

k_i = 1+ Ψ_i·δ_i²/(λ_i· a_i· R_0,i) , (3.15)

ЛЕКЦИЯ 4. Нестационарная теплопередача через ограждения.

Рассматриваемые до сих пор теплотехнические расчеты относятся к стационарным условиям теплопередачи, когда температуры внутреннего и наружного воздуха постоянны. При этом через наружные ограждающие конструкции проходит установившийся тепловой поток. В реальных условиях такое постоянство температур наблюдается редко, в связи с чем в некоторых случаях при расчетах ограждений следует учитывать нестационарный характер теплопереноса.

В холодный период года возможны значительные изменения температуры наружного воздуха, например, в период оттепели: от -30°С до +5°С в течение нескольких суток. Колебания температуры воздуха в помещении в этот период характерны для зданий с периодически действующим отоплением (комнатными печами и т.д.).

В летний период, особенно в южных регионах нашей страны, наблюдаются существенные изменения температуры наружного воздуха в течение суток, что связано с действием солнечной радиации. Прогрев ограждающих конструкций и проникновение солнечных лучей через светопроемы могут привести к перегреву помещений, нарушению в них комфортной тепловой среды.

Возникновение значительных периодических изменений температур наружного и внутреннего воздуха приводит к необходимости ввести дополнительные требования к теплозащитным качествам ограждающих конструкций. Ограждения должны обладать теплоустойчивостью.

Теплоустойчивость – это свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры на ее внутренней поверхности при изменении температуры воздушной среды.

Свойство теплоустойчивости ограждений способствует поддержанию в помещении постоянной температуры воздуха, что обеспечивает комфортные условия для людей. В зданиях с недостаточно теплоустойчивыми ограждающими конструкциями температура воздуха летом быстро поднимается, а зимой (при перерывах в работе отопительной системы) - быстро падает.

Следует отметить, что расчет ограждающих конструкций на теплоустойчивость, как правило, проводится для теплого периода года. Это можно объяснить тем, что для холодного периода характерен режим стационарной теплопередачи (п.3.1). В зимних условиях теплозащитные свойства ограждений определяются, в основном, величиной приведенного сопротивления теплопередаче R^r₀, а летом – при периодических суточных изменениях параметров наружного воздуха – теплоустойчивостью.

Рассмотрим нестационарную теплопередачу через ограждающие конструкции зданий в теплый период года. Солнечная радиация относится к основным климатообразующим факторам. Значительное воздействие тепловой солнечной радиации на наружные поверхности ограждающих конструкций зданий в летнее время может существенно изменить температурную картину как внутри зданий, так и на прилежащей территории.

Общий тепловой эффект солнечного облучения вызван суммарной радиацией, включающей прямую и рассеянную радиацию. Прямая радиация связана с непосредственным воздействием прямых солнечных лучей; рассеянная радиация возникает в результате диффузного отражения солнечных лучей от облаков, капелек влаги, пылинок, содержащихся в приземном слое атмосферы.

Количество солнечного радиационного тепла, падающего на 1 м² поверхности за 1 с, определяет интенсивность суммарной солнечной радиации – I, Вт/ м².

Интенсивность солнечной радиации зависит от географической широты местности, состояния атмосферы, расположения поверхности и ее ориентации по сторонам света, времени дня. Если вести речь о непрозрачных ограждающих конструкциях, то наибольшую тепловую нагрузку от солнечного облучения претерпевают горизонтальные поверхности (кровли) и вертикальные поверхности (стены) западной и юго-западной ориентации. В последнем случае это связано с тем, что они облучаются солнцем во второй половине дня. Совпадают максимумы значений нестационарной температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации.

Максимальные и средние значения интенсивности суммарной солнечной радиации при ясном небе в июле приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Максимальные и средние значения интенсивности суммарной солнечной радиации при ясном небе в июле

Температура воздуха у наружной поверхности ограждающих конструкций с учетом солнечной радиации определяется по формуле

t'_ext = t_ext + t_экв , (4.1)

где t_ext – расчетная температура наружного воздуха в тени;

t_экв - температура, эквивалентная тепловому действию солнечной радиации, вычисляемая по формуле

t_экв = , (4.2)

в которой ρ – коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью ограждения, принимаемый по таблице 4.2;

I – интенсивность суммарной солнечной радиации, падающей на наружную поверхность рассматриваемого ограждения;

a_ext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям; он рассчитывается по формуле

a_ext = 1,16 (5 + 10 ) , (4.3)

где υ – минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которой составляет 16% и более, принимаемая по СНиП 23-01, но не менее 1 м/с.