Физическая модель теплозащиты

 

Физическая модель теплозащиты дома включает представления о процессах передачи тепла через границу или пространственную оболочку здания, отделяющую проектируемую внутреннюю среду от наружной среды, определяемой климатическими характеристиками места строительства. Вот о том, что такое теплозащита дома, мы и поговорим в этой статье.

 

Одна из наиболее важных задач теплозащиты дома — это экономия энергии и затрат на нее. Теплозащита зданий регламентируется СНиП «Тепловая защита зданий 23-02-2003». Теоретически теплозащита дома может и не проводиться, но тогда источник тепла в доме должен быть постоянным, а его мощность больше необходимой в десятки раз. Кроме того, проводя теплоизоляционные работы, Вы продлеваете срок службы своего дома, так как правильно выполненная теплозащита защищает конструкцию от температурных перепадов.

 

Теплозащита — основные физические величины

 

Количество тепла Q, единица Вт • с

 

Под количеством тепла Q (Вт·с) понимают такое количество энергии, которое может быть отдано или воспринято телом при тепловом потоке Q (Вт) за секунду (1с).
Количество тепла: 1Дж=1Вт·с=1 Нм

Тепловой поток: 1Дж/с=1 Вт=1 Нм/с

 

 

Теплопроводность λ

 

λ — маленькая греческая буква Λ (произносится лямбда). Расчетная величина теплопроводности показывает количество тепла в Вт·с, которое проходит в стационарном режиме (при постоянно работающем отоплении) в 1 секунду через 1м² слоя материала толщиной 1м, когда разница температур на внешней и внутренней поверхностях слоя составляет 1 Кельвин (1K ≈°C).
Единица:

Вт·с·м/с·м²·К=Вт/(м·К)

Чем больше λ, тем больше теплопроводность и чем меньше λ, тем лучше теплоизоляция.

Теплопроводность зависит от:

 

Плотности материала

 

Воздух имеет очень хорошие теплоизоляционные свойства (λ=0,02 Вт/ м·К). Материалы с малой плотностью имеют, как правило, много воздушных пор, которые улучшают их теплоизоляционные свойства.

 

Виды величины распределения пор

 

Вид: круглые, шарообразные поры лучше, чем продолговатые. Величина: много маленьких пор лучше, чем меньшее количество больших. Распределение: равномерное распределение лучше, чем неравномерное.

 

 

 

 

Влагосодержания материала

 

Влагосодержания материала зависит от:
• Структуры материала (поры, строение)
• Положения в конструкции (подход воздуха)
• Климатические воздействия (внутри—снаружи) Увлажнение ухудшает теплоизолирующую способность.
• Температура материала.
Молекулы теплых материалов более подвижны, чем молекулы холодных материалов. Чем ниже температура материала, тем хуже теплопроводность. Чтобы получить сравнимые значения DIN 4108 предписывает определять теплопроводность при температуре +10°С.

 

Коэффициент теплопередачи Λ

 

(Λ — большая греческая буква Лямбда,  по СНиП II-3-79* обозначение а)
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (Вт·с) в стационарном режиме проходит через 1м² элемента однородной ограждающей конструкции толщиной d (в метрах) за секунду, если разность температур поверхностей конструкции составляет 1 Кельвин (1K ≈°C).

Единица:

 λ/d = Вт/м·К/м = Вт/м²·К

 

Сопротивление теплопередачи R

 

Единица: R (м²·К/Вт).

Для оценки ограждающей конструкции является определяющим не то, какое количество тепловой энергии она пропускает, а то, как велико ее сопротивление пропусканию тепла.
Чем больше сопротивление теплопередаче конструкции, тем лучше ее теплоизолирующая способность.
Если конструкция состоит из нескольких слоев, то сопротивления теплопередаче отдельных слоев могут складываться.

 

R_i = Толщина отдельного слоя / его коэффициент теплопроводности

R = d₁ / λ₁ + d₂ / λ₂ + d₃ / λ₃ + d₄ / λ₄ + ……+ d_n / λ_n

 

Коэффициент теплообмена h

 

Коэффициент теплообмена h выражает количество тепла (в Вт·с) которое в секунду (c) обменивается между 1м² поверхности твердого материала и касающимся его воздухом, когда разница температур между воздухом и поверхностью материала составляет 1К.

Тогда, как в строительной конструкции тепло передается вследствие теплопроводности, на поверхностях стен теплопередача осуществляется за счет радиации h_s и конвекции h_K.

Так, например, зимой наружная стена внутри холоднее, чем внутренний воздух, тогда, как поверхность стены снаружи теплее наружного воздуха.

Для стен справедливо:

С внутренней стороны:

h_i≈ h_k+h_s ≈ 4+4

h_i≈ 8Вт/(м²К).

С наружной стороны:

h_i≈ h_k+h_s ≈13+10

h_i≈ 23Вт/(м²К).

Единица: Вт·с/с·м² К = Вт/(м²К).

Коэффициент теплообмена зависит от:
• Температуры воздуха
• Движения воздуха
• Состояния и формы поверхности стены (гладкая, шероховатая)

• Положения ограждающей конструкции (горизонтально — вертикально)
• Конструктивного исполнения (однослойная — многослойная)

 

Сопротивление теплообмену R_s

 

Единица: 1/(Вт/м²·К) = м²·К/Вт.

 

Общий коэффициент теплопередачи U (величина U)

 

Под общим коэффициентом теплопередачи понимается вся транспортировка тепловой энергии от воздушного пространства через строительную конструкцию и снова в соседнее воздушное пространство за ограждающей конструкцией. В общий коэффициент теплопередачи наряду с коэффициентом теплопередачи Λ входят также коэффициенты теплообмена h_i и h_c (в СНиП II-3-79* а_в и а_н). Общий коэффициент теплопередачи U(величина U) представляет собой важнейшую характеристику строительной физики в теплозащите.

Чем меньше величина U, тем больше экономия энергии.

Для окон и других видов остекления даются сразу величины U.

U = 1 / (1/h_i)+R+(1/h_c)

 

Общее сопротивление теплопередаче R_т (в СНиП Н-3-79*-R₀)

 

* в российской теплофизике и в СНиП Н-3-79* аналогичная величина связана с нестационарными условиями теплового режима и включает в себя круговую частоту колебаний температуры на одной из поверхностей ограждающей конструкции. Она называется коэффициентом теплоусвоения материала S (Вт/(м2))

 

 

R = (1/h_i)+R+(1/h_c)

R_T = 1/h_i + d₁ / λ₁ + d₂ / λ₂ + d₃ / λ₃ + ……+ d_n / λ_n+ 1/h_c

R — сопротивление теплопередаче конструкции или термическое сопротивление.
Единица: м²К/Вт.

Эту формулу обычно используют для расчета величины U (R_T > 1/х -» величина U). Эту формулу используют также для получения распределения температур внутри ограждающей конструкции.

 

Коэффициент удельной теплоемкости С

 

Под коэффициентом удельной теплоемкости понимают количество тепла, которое необходимо для того, чтобы поднять температуру материала массой 1 кг на 1 Кельвин (1К). Единица: Вт·с/(кг·К) = Джоуль/кг·К).

 

Коэффициент теплопроницания b

 

Коэффициент теплопроницания дает сведения о том, какое количество тепла (Вт • с) может проникнуть в материал через 1м² его поверхности так, чтобы нагреть его на 1 К за время с^0,5.
Единица: Дж/м²·К·с^0,5 = Вт·С/м²·К·с^0,5.

b = √λ_R·p·c

где: λ_R в Вт/м·К
р в кг/м³

         с в Дж/кг·К

Большой коэффициент теплопроницания:
Если много тепла проникает в единицу времени в материал и мало тепла остается для нагревания воздуха в помещении, следовательно помещение нагревается медленно.

Маленький коэффициент теплопроницания:
Если меньше тепла проникает в единицу времени в материал, при этом остается больше тепловой энергии для нагревания воздуха в помещении. Для теплоты полов, и, соответственно, для нагревания стен коэффициент теплопроницания имеет решающее значение.
При одинаковой температуре бетонная поверхность ощущается более прохладной, чем деревянная. Для полов этот эффект, вследствие непосредственного контакта с телом человека, особенно заметен.

 

Например:

Бетон

b = √2,1-2400-1000 = 2245 Дж/(м²·К·с^0,5)
Дерево

b = √0,13 -600 -2100 = 405 Дж/(м²·К·с^0,5)

Таблица  «Расчетные значения удельной теплоемкости с и коэффициента теплопроницания b»

 

 

Теплонакопительная способность Q

 

Теплонакопительная способность играет большую роль как для летней, так и для зимней теплозащиты зданий.
Летом: Конструкции, ограждающие помещение, в течение дня накапливают часть тепловой энергии и отдают её вечером и в ночные часы в охлаждающийся воздух помещения. Это позволяет избежать так называемого «барачного» климата.
Теплонакопительная способность тем больше:
• Чем больше поверхностная плотность конструкции (в кг/м²)
• Чем больше разность температур между конструкцией и воздухом.

 

Зимой: Конструкции, ограждающие помещение в период работы отопления накапливают тепло и могут отдавать его в воздух помещения при отключении отопления. Кроме того, за счет теплонакопления достигается то, что вблизи стен не возникает ощущение сквозняков и стена может излучать тепло. Таким образом улучшается самочувствие человека вблизи стены.

 

Основное требование:
Наружные конструкции => высокая теплоизолирующая способность

Внутренние конструкции => высокая теплонакопительная способность.
=> надежная защита от воздушного шума.
Накапливаемая тепловая энергия определяется по формуле:

Q = m’·c·ΔΘ 

m’ в кг/м²
с в Дж/кг·К

ΔΘ в °С или К

Единица измерения: Дж/м².

Пример: стена толщиной 24см из многопустотного кирпича р = 1200 кг/м³ имеет в среднем температуру 14°С. Температура воздуха в помещении составляет 20° С.
Q = m’·c·ΔΘ
Q =1200 кг/м³·0,24м·1000 Дж/кг·К·6К

Q= 1728000 Дж/м².
Q = 0,48 кВт·час/м².

 

Ощущение комфорта в помещении

 

Ощущение комфорта в помещении зависит от:

 

Температуры поверхностей стен

 

Чувствует ли человек себя комфортно в помещении, зависит, наряду с уже упомянутыми факторами, также и от теплового излучения поверхностей ограждающих это помещение конструкций. Мы чувствуем себя комфортно, с точки зрения температуры, в том случае, если внутренние поверхности стен зимой не более, чем на 3°С ниже, а летом не более, чем на 3°С выше температуры воздуха в помещении. Температура поверхностей стен зависит от их сопротивления теплопередаче (R). (см. рис.»График распределения комфортных температур в помещении»)

 

 

Температура поверхности пола

 

Для полов, вследствие непосредственного контакта с телом человека через подошвы ног, справедливы другие значения. Для того, чтобы не отбирать у человека слишком много тепла, температура поверхности пола не должна быть ниже 15—20°С. Здесь играет роль также продолжительность пребывания человека в помещении. Оптимальной и приятной ощущает человек поверхность пола с температурой от 22°С до 24°С.

При напольном отоплении (теплые полы) температура поверхности пола не должна быть выше 25—30°С.

Согласно рис. 1.16. температура пола 15°С ощущается еще приемлемой, если пребывание человека в помещении длится до 3 часов. Затем пол кажется уже прохладным, а через 3,8 часа — уже холодным (см. рис. «График распределения комфортных температур подав зависимости от времени пребывания человека в помещении»).

 

Теплонакопительная способность стен*

 

* в российской строительной теплотехнике аналогичную роль выполняет понятие о массивности стены, характеризуемой величиной тепловой инерции D.
D = R·S, где R — сопротивление теплопередаче; S — коэффициент теплоусвоения.

 

 

Теплонакопительная способность стен играет большую роль как для зимней, так и для летней теплозащиты. Так как способность к накоплению очень сильно зависит от плотности, то у тяжелых стен она лучше, чем у легких конструкций. Зимой помещения с большой теплонакопительной способностью при отключении отопления охлаждаются не так быстро, летом избыточная энергия в дневное время может накапливаться для того, чтобы ее отдать в воздух помещения в прохладные ночные часы.

 

Относительная влажность воздуха

 

Рисунок «Относительная влажность воздуха и ощущение «. показывает, что мы чувствуем себя не комфортно, когда температура воздуха падает ниже -17°С и, соответственно, когда она возрастает выше 26°С, независимо от относительной влажности воздуха. Далее следует отметить, что с увеличением температуры воздуха мы ощущаем, как комфортные все меньшие значения относительной влажности.

 

 

Отношение амплитуд колебания температур TAV

 

Температура наружного воздуха в течение суток (дневная и ночная фазы) не постоянна. Колебания температуры влияют на распределение температур внутри конструкции и на температуру воздуха внутри помещения. Величина TAV для конструкции может считаться хорошей, если колебание температуры внутреннего воздуха меньше наружного, и если волна тепловой энергии приходит вовнутрь со сдвигом по времени. Это возможно в том случае, если конструкции, ограждающие помещение имеют хорошую теплонакопительную способность. На рис. «Отношение амплитуд колебаний температур (h — час).» показано, что максимальные значения (амплитуда) колебаний температуры наружного воздуха во внутреннем воздухе гораздо меньше и энергетическая волна приходит в помещение со сдвигом по времени φ.
Значение величины TAV особенно возрастает в летние месяцы.

 

Качество воздуха

 

Для качества воздуха определяющим является содержание углекислого газа (СO₂). Высокое содержание СO₂ вызывает головную боль, ощущение головокружения, возбуждение, рост давления крови.

 

Очень высокие концентрации СO₂, около 10%, которые встречаются в погребах для брожения, ведут к смерти от отравления. Человек вдыхает в час около 500 л воздуха с содержанием СO₂ около 0,03% от объема, а выдыхает этот воздух уже с содержанием СO₂ около 4% от объема. При этом он потребляет в час около 33 л O₂ и вырабатывает около 25 л  СO₂.
Количество СO₂ в гигиенически безупречных жилых и рабочих помещениях должно не превышать 0,1 % от объема воздуха. Чтобы поддерживать эту величину в помещении на человека в час требуется около 30 м³ наружного воздуха, содержание СO₂ в котором составляет около 0,03 % от объема.

 

От чего зависит комфорт в помещении

 

 

 

Движение воздуха

 

Движение воздуха может происходить через неплотные места в оболочке здания (плоскость крыши, щели в окнах, кожухи жалюзи), а также за счет конвекции внутри здания. Если внутренние поверхности стен имеют малые температуры, из-за большой разницы температур между воздухом в помещении и поверхностью стены вблизи стены происходит конвекция, которая ощущается человеком как сквозняк.

 

Теплопотери различных типов домов

 

Приведенные значения имеют место в тех домах, к которым еще не предъявлялись требования современного законодательства по теплозащите.

 

Рис. «Теплопотери через различные части здания в зависимости от типа дома»

 

 

Как видно, теплозащита дома имеет большое значение для комфортного проживания. В следующей статье я расскажу об указаниях по теплозащите дома.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: