Расчет теплоустойчивости ограждающей конструкции

Теплоустойчивость – это свойство ограждения сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности τ_В, ⁰С, при колебаниях внешних тепловых воздействий A_tн, ⁰С, и обеспечить комфортные условия в помещении.

В реальных условиях процесс теплопередачи через ограждения нестационарный. Температура наружного воздуха изменяется не только по периодам года, но и по часам суток, что особенно резко происходит летом. Поэтому при проектировании наружных ограждений возникает необходимость рассчитать теплофизические свойства (теплоустойчивость ограждений) для летнего режима, чтобы ограничить перегрев помещения при периодическом повышении температуры наружного воздуха в течение суток и действии солнечной радиации. Эти расчеты базируются на теории теплоустойчивости, разработанной О. Е. Власовым и развитой Л. А. Семеновым и А. М. Шкловером [3].

В основу этой теории положено предположение, что при нестационарном режиме теплообмена (летний период года) тепловой поток через ограждение изменяется по закону гармонических колебаний, т.е. через определенный период времени z тепловой поток изменяется от

q_max = q_z + A_q (9)

до

q_min = q_z – A_q, (10)

где q_z – среднее значение величины теплового потока;

A_q – амплитуда колебаний теплового потока.

Рассмотрим инженерный метод расчета теплоустойчивости многослойного ограждения, состоящего из нескольких однородных слоев (рис.1), выполняемый в соответствии со СНиП II-3-79^* [1].

Температура наружного воздуха изменяется по закону косинусоиды от некоторого среднего значения t_но с амплитудой колебаний A_tн с тем же периодом колебаний z, что и тепловой поток.

В расчетах теплоустойчивости используется расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха , ⁰С:

, (11)

где – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха, ⁰С, в июле, принимаемая по [2]; – коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по [1, прил. 7]; I_max, I_ср – соответственно максимальное и среднее значения суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м², принимаемые по [СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика –[2]; – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям.

Величина , , определяется по формуле

, (12)

где – минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, принимаемая по [2], но не менее 1 м/с.

Рис. 1. Затухание температурных колебаний в ограждении

Колебания температуры наружного воздуха вызывают изменения температуры и тепловых потоков в толще и на внутренней поверхности наружного ограждения. По мере удаления от наружной поверхности колебания температуры в толще ограждения уменьшаются по величине и запаздывают по времени (по фазе).

Одним из основных параметров, характеризующих свойство теплоустойчивости наружного ограждения сквозному прониканию температурных колебаний, является показатель затухания . Этот показатель определяет, во сколько раз амплитуда изменения температуры на внутренней поверхности ограждения меньше амплитуды колебаний температуры наружного воздуха .

Показатель сквозного затухания колебаний температуры определяют по формуле

, (13)

где D_ог – тепловая инерция ограждения; s₁, s₂,…,s_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²∙⁰С), принимаемые по [1, прил. 3^*]; Y₁, Y₂,…,Y_n-1, Y_n – коэффициенты теплоусвоения наружных поверхностей отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²∙⁰С); – то же, что в формуле (5); – то же, что в формуле (12).

Тепловая инерция ограждения

, (14)

где R_i и s_i – термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения материальных слоев ограждения.

Коэффициенты теплоусвоениянаружной поверхности слоев ограждения Y_i, входящие в уравнение (13), характеризуют отношение амплитуд колебаний теплового потока A_q и температуры на поверхности A_tп ограждения (Y = A_q/A_tn) и зависят от тепловой инерции отдельных слоев D_i.

При тепловой инерции слоя коэффициент теплоусвоения его наружной поверхности численно равен расчетному коэффициенту теплоусвоения s_i материала этого слоя, т.е.

. (15)

Если величина тепловой инерции слоя , коэффициент теплоусвоения его наружной поверхности определяют расчетом:

для первого слоя (считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции):

; (16)

для i-го слоя

. (17)

Цель расчета – определение амплитуды колебания температуры на внутренней поверхности ограждения , ⁰С:

(18)