Теплопередача при нестационарном тепловом потоке.
В реальных условиях эксплуатации зданий температуры наружного и внутреннего воздуха не являются постоянными, а изменяются во времени. Изменения температуры могут происходить в результате смены холодных и теплых масс наружного воздуха, при периодическом отоплении зданий, под воздействием солнечной радиации летом и т. п. Периодические изменения температур воздуха вызывают изменения температуры внутренней поверхности ограждения. В зимних условиях при небольших значениях Rо это может приводить к понижению температуры на поверхности ниже температуры точки росы и к образованию на ней конденсата, а летом – к повышению температуры внутреннего воздуха помещения. Данные обстоятельства необходимо учитывать при теплотехнических расчетах и, следовательно, в ряде случаев рассматривать процесс передачи тепла в нестационарных условиях.
Решение вопросов, связанных с теплопередачей в нестационарных условиях, сводится к интегрированию дифференциальных уравнений теплопроводности, что представляет собой более сложную задачу, чем решение этих уравнений при стационарных условиях теплопередачи. Однако картина, получаемая при расчете конструкций при нестационарных режимах, действительным образом отображает тепловое состояние этих конструкций, и может приводить к более экономичному использованию строительных материалов.
В строительной теплотехнике необходимость учета теплопередачи в нестационарных условиях появляется при решении следующих вопросов:
- определения амплитуды колебаний температуры воздуха в помещениях в связи с неравномерностью отдачи тепла системой отопления;
- расчета затухания температурных колебаний в ограждении в связи с колебаниями температуры наружного воздуха или под воздействием солнечной радиации;
- прогрева и остывания массивных ограждений.
В некоторых случаях необходимым является проверка ограждений на его теплоустойчивость и теплоусвоение.
Теплоусвоение – это свойство поверхности ограждения воспринимать тепло при периодических колебаниях теплового потока или температуры воздуха. В расчетах при нестационарном тепловом потоке принимают колебания тепловых потоков и температур гармоническими (то есть происходящими по закону синуса), что для большинства практических случаев близко к действительным условиям. Величина максимального повышения или понижения теплового потока по сравнению с его средним значением называется амплитудой колебания теплового потока AQ. Величина максимального повышения или понижения температуры внутренней поверхности ограждения по сравнению с ее средним значением называется амплитудой колебания температуры внутренней поверхности Aτ. Отношение величины амплитуды колебания теплового потока AQ к величине амплитуды колебания температуры на внутренней поверхности ограждения Аτ называется коэффициентом теплоусвоения внутренней поверхности ограждения:
.
Величина Yв зависит от периода колебаний теплового потока, а главным образом от теплотехнических свойств самого ограждения и является важной характеристикой ограждения в отношении воздействия на него периодических колебаний температуры и теплового потока. Чем больше будет величина коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения при одной и той же величине AQ, тем меньше будет амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности.
Если ограждение имеет большую толщину и состоит из однородного материала, то теплоусвоение поверхности зависит только от свойств материала и называется коэффициентом теплоусвоения материала S. В общем случае S определяется как
, Вт/м2⋅°С, где
λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м⋅°С);
γ – объемная плотность материала, кг/м3;
с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅°С);
z – период колебания теплового потока, ч.
В расчетах обычно принимается величина S, определяемая при периоде колебания теплового потока z=24 ч.
Коэффициент теплоусвоения материала характеризует способность материала более или менее интенсивно воспринимать тепло при колебаниях температуры на его поверхности, то есть чем больше величина S, тем интенсивнее данный материал забирает тепловую энергию. Коэффициент теплоусвоения материала является мерой ощущения человека при непосредственном контакте с предметом. Если есть три скамейки, выполненные из разных материалов: дерева, камня и металла, находящиеся в одном месте, то, садясь на них, человек испытывает разные ощущения. Складывается впечатление, что эти скамейки по-разному нагреты (деревянная – самая теплая, а металлическая – самая холодная), чего в действительности никак не может быть, так как температура предметов, находящихся в одной и той же среде, является одинаковой. Объясняется такой эффект тем, что скамейки отнимают у человека тепловую энергию, но тепловой поток различен – за единицу времени дерево отнимает энергии меньше, чем камень и тем более металл, а человеческий организм реагирует как раз на интенсивность отдачи тепла его телом (а не на температуру окружающей среды).
Колебание температуры на поверхности вызывает в свою очередь колебание температуры и в толщине ограждения. По мере удаления от поверхности амплитуды колебаний постепенно уменьшаются (то есть затухают в толще ограждения), и происходит их запаздывание во времени по отношению к колебаниям температур на поверхности. Таким образом, в толще ограждения образуются температурные волны, затухающие по мере их проникновения в толщу ограждения. Для характеристики числа волн, располагающихся в толще данного ограждения, а соответственно и его теплоинерционных качеств может служить величина показателя тепловой инерции D, который для однослойного ограждения определяется как произведение термического сопротивления ограждения R на коэффициент теплоусвоения материала ограждения S: 
. Для ограждения, состоящего из нескольких слоев, показатель его тепловой инерции определяется как сумма показателей тепловой инерции отдельных слоев:
,
где R1, R2, …, Rn – термические сопротивления отдельных слоев ограждения, м2⋅°С/Вт,
S1, S2, …, Sn – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждения, Вт/(м2⋅°С), принимаемые по [4, приложение Е].
Характеристика тепловой инерции D, как и коэффициент теплоусвоения материала, входящий в формулу, зависит от периода колебаний. С уменьшением периода колебаний увеличивается характеристика тепловой инерции, в ограждении располагается большее число волн, уменьшается их длина и быстрее затухают температурные колебания в толще ограждения.
Чем выше тепловая инерция ограждения, тем лучше теплотехнические качества ограждения. Повышать характеристику D возможно за счет увеличения термического сопротивления ограждения путем увеличения толщины ограждения, или за счет выбора материала с большим значением коэффициента теплоусвоения. Второй путь более предпочтителен, так как в этом случае меньше расход строительных материалов.
Теплоусвоение поверхности полов (Тепловая активность пола).
Пол как конструктивный элемент здания выполняет несущие и ограждающие функции. Поэтому к нему предъявляются дополнительные требования, связанные с контактным теплообменом между конструкциями пола и объектами, находящимися в помещении. Так как продолжительность контакта участков тела человека с полом незначительны по времени, процессы передачи тепла рассматриваются в нестационарной постановке.
При контакте ног человека с поверхностью пола происходит передача тепловой энергии. Во избежание переохлаждения ног количество тепла, поглощаемого полом должно соответствовать притоку тепла к ногам при работе системы терморегуляции организма. Во всех случаях охлаждение поверхности ног не должно быть ниже температур, допускаемых гигиеническими нормами. Например, при контакте босой ноги с полом температура кожи в течение двух минут не должна опускаться ниже 27 °С.
Теплообмен между ногой и полом определяется величиной тепловой активности материала пола, характеризуемой коэффициентами теплоусвоения. При теплотехнических расчетах полов для характеристики тепловой активности используется показатель теплоусвоения поверхности пола Yп, Вт/(м2⋅°С).
Он показывает, какое количество тепловой энергии поглощается единицей поверхности пола за единицу времени при разности температур пола и ноги в один градус. В соответствии с [1, раздел 10] ([4, раздел 8]) поверхность пола должна иметь показатель теплоусвоения Yп не более нормативной величины Yпн, установленной в [1, табл. 13].
Расчет показателя теплоусвоения поверхности пола Yп производится с учетом расположения нижней границы активного слоя, вовлекаемого в теплообмен с ногой. Активным называется слой материала, влияние теплофизических свойств которого на величину количества поглощения тепла составляет 95 % общего воздействия, что учитывается величиной тепловой инерции D.
Теплоустойчивость наружного ограждения – это его способность давать большее или меньшее изменение температуры внутренней поверхности при колебаниях температуры внутреннего или наружного воздуха. Чем меньше изменение температуры внутренней поверхности ограждения при одной и той же амплитуде колебания температур воздуха, тем оно более теплоустойчиво. Теплоустойчивость наружных ограждений должна исключить заметные изменения температуры внутренней поверхности: зимой при разовых понижениях температуры, летом при суточных колебаниях наружной температуры и интенсивности падающей солнечной радиации.
Для характеристики теплоустойчивости ограждений введено понятие коэффициента теплоустойчивости ограждения Ψ, величина которого зависит от теплотехнических свойств ограждения, системы отопления и условий ее эксплуатации:
,
где Rо и Rв – соответственно, сопротивления теплопередаче ограждения и теплоотдаче внутренней поверхностью ограждения;
Yв – коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения;
m – коэффициент, учитывающий систему отопления и условия ее эксплуатации.
Из формулы видно, что теплоустойчивость ограждения можно повышать за счет увеличения сопротивления теплопередаче ограждения Rо (то есть повышая его теплозащитные свойства), увеличения коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения путем расположения у внутренней поверхности материалов, имеющих больший коэффициент теплоусвоения S, или уменьшения периода колебаний теплового потока, отдаваемого отопительным прибором, а также перехода к более рациональным системам отопления с более равномерной отдачей тепла (что уменьшает коэффициент m).
Как показывает практика, данную формулу можно использовать лишь для качественной оценки теплоустойчивости ограждений. Что касается действительных расчетов ограждений на их теплоустойчивость, то они выполняются при проектировании гражданских и промышленных зданий, находящихся в южных районах со среднемесячными температурами июля 21 °С и выше, согласно методике, представленной в [1, раздел 7] (более подробно – в [4, раздел 9] . Проверку теплоустойчивости стен и покрытий необходимо производить в связи с тем, что конструкции могут иметь достаточные теплозащитные качества для зимних условий, но при этом невысокие значения величины D, то есть не обеспечивать защиту помещения от перегрева в летних условиях.
Летом под действием солнечной радиации и высокой температуры воздуха ограждение сильно нагревается, и часть тепла проникает через его толщу, повышая температуру внутренней поверхности. При недостаточной теплоустойчивости это приводит к значительному повышению температуры воздуха в помещении и, следовательно, к нарушению комфортных условий. Нормирование теплоустойчивости ограждений в летних условиях связано с ограничением амплитуды колебаний температуры внутренней поверхности Аτв (это значит, что величина амплитуды должна быть не более требуемых значений).
Методика расчета теплоустойчивости помещений в холодный период года представлена в [4, раздел 10] и основана на ограничении амплитуды колебаний температуры помещений.
В случае если ограждение не соответствует требованиям норм по теплоустойчивости, необходимо увеличить тепловую инерцию стены D за счет увеличения ее толщины или подбора материала с более высокими значениями S.
