0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Коэффициент теплоотдачи от кирпича воздуху

Коэффициент теплоотдачи поверхность — воздух

В статье рассмотрен расчет мощности теплового потока от горизонтальных и вертикальных плоских поверхностей тела, помещенного в «безразмерное» воздушное пространство при принудительной и естественной конвекции с учетом радиационной составляющей теплоотдачи.

Зная коэффициент теплоотдачи на поверхности (α), разделяющей твердое тело и окружающее это тело воздушное пространство, очень просто определить мощность теплового потока (Q) по известной разности температур (Δt).

Q=α*A*Δt, Вт – мощность теплового потока от или к поверхности тела.

  • α=αк+αр, Вт/(м 2 *К) – суммарный коэффициент теплоотдачи на границе воздух – поверхность тела
    • αк=?, Вт/(м 2 *К) – коэффициент конвективной теплоотдачи
    • αр=ε*5,67*10 -8 *((tп+273,15) 4 — (tв+273,15) 4 )/(tп-tв)), Вт/(м 2 *К) – коэффициент радиационной теплоотдачи (теплоотдачи излучением), ε – степень черноты поверхности
  • А, м 2 – площадь поверхности
  • Δt=|tп-tв|, К – разность температур поверхности и воздушной среды
    • tп, °C – температура поверхности
    • tв, °C – температура воздуха

Основная сложность расчета заключается в определении коэффициента конвективной теплоотдачи (αк)! Автоматизировать в первую очередь решение этой трудоемкой задачи поможет Excel.

Нестабильность процесса естественной конвекции у поверхностей различной формы и расположения в пространстве породила большое разнообразие эмпирических формул для вычисления коэффициента конвективной теплоотдачи (αк). Неизбежные погрешности экспериментальных данных привели к тому, что результаты вычислений для одних и тех же поверхностей и условий по формулам разных авторов отличаются друг от друга на 20% и более.

После тщательного детального ознакомления с материалами современных западных изданий по теплообмену (список литературы – в конце статьи) были выбраны формулы, рекомендованные к применению большинством авторов, для использования в представленной далее программе в Excel.

Схемы теплообмена:

На представленных ниже рисунках показаны 8 вариантов схем, для которых программа может выполнить вычисления.

Розовый цвет пластин свидетельствует о том, что они горячее окружающего воздуха. Голубой цвет – пластины холоднее воздуха.

На схемах 1а и 1б воздух принудительно движется (вентилятор, ветер) вдоль поверхности пластины независимо от её ориентации в пространстве. На всех остальных схемах окружающий воздух находится в спокойном состоянии (помещение, полный штиль), а положение пластин сориентировано в пространстве.

Расчет в Excel:

Формулы алгоритма программы:

t=(tв+tп)/2

l=L – для схем 1а и 1б

l=(B*L)/(2*(B+L)) – для схем 2а, 2б, 3а, 3б, 4а, 4б

Для определения теплофизических параметров воздуха при определяющей температуре (t) в диапазоне -70°C … +1200°C использованы формулы из предыдущей статьи на сайте.

Re=w*l

Gr=g*β*|tп tв|*l 3 /ν 2

Ra=Gr*Pr

αк=Nu*λ/l

αр=ε*0,00000005670367*((tп+273,15) 4 — (tв+273,15) 4 )/(tп-tв)) – при tв *) αр= – при tв>tп

α=αк+αр

q=α*(tп-tв)

Q=q*B*L

*) Нагрев поверхностей Солнцем или иными источниками теплового излучения программой игнорируется.

Вычисление теплофизических параметров воздуха и числа Нуссельта, как видно из вышеприведенных формул, являются ключевыми и самыми трудоемкими при определении конвективного коэффициента теплоотдачи.

Тестирование программы проводилось на примерах из книг, представленных в конце статьи. Отклонения результатов в основном не выходили за пределы ±5%.

Замечание:

В отечественной теплотехнической литературе для решения рассмотренных задач широко используются формулы второй половины прошлого века М.А. Михеева и В.П. Исаченко, которые в современной западной литературе не упоминаются. Беглый сравнительный анализ результатов расчетов по формулам разных авторов дал противоречивые и неоднозначные ответы. Если при принудительной конвекции результаты фактически идентичны, то при естественной конвекции отличаются порой на 30% и более, но иногда почти совпадают…

Литература:

  1. John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (Fifth Edition), 2019.
  2. Frank Kreith, Raj M. Manglik, Mark S. Bohn, Principles of heat transfer (Seventh Edition), 2011.
  3. Adrian Bejan, Convection Heat Transfer (Fourth Edition), 2013.
  4. Michel Favre-Marinet, Sedat Tardu, Convective Heat Transfer, 2009.
  5. Harlan H. Bengtson, Convection Heat Transfer Coefficient Estimation, 2010.
  6. Rajendra Karwa, Heat and Mass Transfer, 2017.
  7. Stuart W. Churchill, Humbert H. S. Chu, Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 18, Issue 11, November 1975.
  8. http://people.csail.mit.edu/jaffer/SimRoof/Convection/
  9. И. И. Кирвель, М. М. Бражников, Е. Н. Зацепин ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ ТЕПЛООБМЕНА, 2007.

Прошу уважающих труд автора скачать файл с программой после подписки на анонсы статей!

P. S. (01.11.2020)

Дополнение по естественной конвекции у вертикальной поверхности:

Если построить графики по вышеприведенным формулам Черчилля и Чу для числа Нуссельта при естественной конвекции у вертикальной изотермической поверхности (схемы 2а и 2б), то можно увидеть, что при Ra=10 9 кривые не совпадают!

По этому поводу авторы формул Черчилль и Чу дают примерно следующее пояснение: «уравнение, основанное на исследованиях Черчилля и Усаги Nu=(0,825+0,387*Ra 1/6 /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 8/27 ) 2 дает хорошие результаты для средней теплопередачи при свободной конвекции у изотермической вертикальной пластины во всем диапазоне значений Ra и Pr от до , даже если оно не работает для обозначения дискретного перехода от ламинарного к турбулентному потоку». Линхарды в [1] отмечают, что рассматриваемое уравнение чуть менее точно для ламинарных условий при Ra 9 и рекомендуют в этом диапазоне использовать первое уравнение тех же авторов Nu=0,68+0,67*Ra ¼ /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 4/9 . Хотя, судя по графикам, в диапазоне Ra 7 для воздуха обе функции чрезвычайно близки друг к другу.

Еще один нюанс, который встретился только у Линхардов в [1]: «свойства флюида следует оценивать при t=(tв+tп)/2 за одним исключением, если флюид – газ, то коэффициент объемного расширения β следует определять при t=tв». Но сами авторы зависимостей Черчилль и Чу о таком условии ничего не пишут. По этому поводу в их статье [7], говорится, что «для больших температурных перепадов, когда физические свойства существенно различаются, Ид рекомендует оценивать физические свойства как средние значения температуры поверхности и объема, а Уайли дает более подробные теоретические указания для режима ламинарного пограничного слоя».

Максимальная относительная ошибка для Nu=(0,825+0,387*Ra 1/6 /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 8/27 ) 2 , если β=1/tв вместо β=2/( tв+tп), составляет в процентах:

ε=(((tв+tп)/(2*tв)) 1/3 -1)*100%, или

ε=((|(tп tв)|/(2*tв)+1) 1/3 -1)*100%

Как видно из графика при температуре среды — воздуха tв=20°C=293,15K и при перепаде температур поверхности и воздуха Δt=|tп tв| 90 °C расхождение результатов быстро нарастает.

Правы Линхарды или множество других авторов, рассчитывающих все свойства флюидов при одном значении определяющей температуры t=(tв+tп)/2? Однозначного ответа у меня нет.

(По материалам Обри Джаффера [8].)

Эмпирические уравнения для суммарного коэффициента теплоотдачи:

В инженерных расчетах для быстрого приближенного определения суммарного коэффициента теплоотдачи, учитывающего и конвекцию, и излучение на границе поверхность тела – среда, можно использовать более простые зависимости, приведенные в [9].

При расчете тепловых потерь через наружные поверхности тел, которые находятся в спокойном воздухе закрытых помещений, можно применить нижеприведенные формулы. Результаты вычислений по этим формулам достаточно близки к результатам более точных расчетов.

α=9,74+0,07*(tп-tв), Вт/(м2*°C) при tп On-line калькуляторы для расчетов коэффициентов конвективной теплоотдачи от плоских, цилиндрических и сферических поверхностей:

Инструменты представлены Группой исследований теплопередачи (HTRG). Группа была создана в 2014 году преподавателями Лаборатории теплотехники и жидкостей факультета машиностроения инженерной школы Сан-Карлоса (EESC) Университета Сан-Паулу (USP) для проведения передовых, качественных фундаментальных и прикладных исследований по вопросам теплопередачи для многофазных и однофазных систем.

Точность результатов вычислений не проверял.

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции

Внутренняя поверхность ограждения

Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м·°С)

1. Стен, полов, гладких потолков, потолков с выступающими ребрами при отношении высоты ребер к расстояниюмежду гранями соседних ребер

2. Потолков с выступающими ребрами при отношении

4. Зенитных фонарей

Примечание — Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций животноводческих и птицеводческих зданий следует принимать в соответствии с СНиП 2.10.03.

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности αext для условий холодного периода

Наружная поверхность ограждающих конструкций

Вт/(м·°С)

1. Наружных стен, покрытий, перекрытий над проездами и над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне

2. Перекрытий над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытий над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне

Читать еще:  Сертификаты для кирпича керамического

3. Перекрытий чердачных и над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах

4. Перекрытий над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенных выше уровня земли, и над неотапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Толщина воздушной прослойки, м

Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки , м·°С/Вт

горизонтальной при потоке теплоты снизу вверх и вертикальной

горизонтальной при потоке теплоты сверху вниз

при температуре воздуха в прослойке

Примечание — При наличии на одной или обеих поверхностях воздушной прослойки теплоотражающей алюминиевой фольги термическое сопротивление следует увеличивать в два раза.

При проектировании стен с невентилируемыми воздушными прослойками следует руководствоваться следующими рекомендациями:

— размер прослойки по высоте должен быть не более высоты этажа и не более 6 м, размер по толщине — не менее 40 мм (10 мм при устройстве отражательной теплоизоляции);

— воздушные прослойки следует разделять глухими диафрагмами из негорючих материалов на участки размером не более 3 м;

— воздушные прослойки рекомендуется располагать ближе к холодной стороне ограждения.

При проектировании стен с вентилируемой воздушной прослойкой (стены с вентилируемым фасадом) следует руководствоваться следующими рекомендациями:

— воздушная прослойка должна быть толщиной не менее 60 и не более 150 мм и ее следует размещать между наружным слоем и теплоизоляцией; следует предусматривать рассечки воздушного потока по высоте каждые три этажа из перфорированных перегородок;

— применять жесткие теплоизоляционные материалы плотностью не менее 80-90 кг/м 3 , имеющие на стороне, обращенной к прослойке, ветро- воздухозащитные паропроницаемые пленки (типа «Тайвек», «Тектотен» или аналогичных мембранных пленок), применение мягких теплоизоляционных материалов не рекомендуется.

Приведенное сопротивление теплопередаче , м·°С/Вт, для наружных стен следует определять согласно СНиП 23-02-2003 для фасада здания либо для одного промежуточного этажа с учетом откосов проемов без учета их заполнений с проверкой условия невыпадения конденсата на участках в зонах теплопроводных включений.

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, контактирующих с грунтом, следует определять по СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Приведенное сопротивление теплопередаче полов на грунте, а также стен (подвальных этажей и технических подвалов), расположенных ниже уровня земли, следует определять:

а) для неутепленных полов и стен ниже уровня земли с коэффициентом теплопроводности λ≥1,2 Вт/(м 2 0 С) по зонам шириной 2м, параллельным наружным стенам, принимая Rc равным: 2,1- для I зоны; 4,3 — для II зоны; 8,6 — для III зоны; 14,2 — для IV зоны (для оставшейся площади пола);

б) для утепленных полов и стен ниже уровня земли с коэффициентом теплопроводности λh утепляющего слоя толщиной δ, м, менее 1,2 Вт/(м 2 0 С), по формуле

в) для полов на лагах по формуле

Приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций (окон, балконных дверей, фонарей) принимается на основании сертификационных испытаний; при отсутствии результатов сертификационных испытаний следует принимать значения по своду правил.

Приведенное сопротивление теплопередаче , м·°С/Вт, входных дверей и дверей (без тамбура) квартир первых этажей и ворот, а также дверей квартир с неотапливаемыми лестничными клетками должно быть не менее произведения(произведения— для входных дверей в одноквартирные дома), где— приведенное сопротивление теплопередаче стен, определяемое по формуле (2); для дверей в квартиры выше первого этажа зданий с отапливаемыми лестничными клетками — не менее 0,55 м·°С/Вт.

Новые требования при проектировании наружных стен достигаются за счет разработки качественно новых технических решений. С теплотехнической точки зрения условно различают два основных вида наружных стен по числу основных слоев: однослойные и многослойные. Причем возможность применения тех или иных конструкций ограничивается наибольшим количеством градусо-суток, при которых эта конструкция обеспечивает необходимый уровень теплозащиты и имеет разумную толщину.

Многослойные стены получили наибольшее распространение. Эти стены различают по расположению теплоизоляционного материала снаружи – двухслойные и внутри – трехслойные. Основное преимущество многослойных стен – применимость для зданий, строящихся в регионах без ограничений по градусо-суткам, однако трехслойные стены ограничиваются общей толщиной стены 350 – 450 мм с утеплителем толщенной 200 – 300 мм и ремонтопригодностью. Двухслойные стены ремонтопригодны. Недостатком многослойных стен является их низкая теплотехническая однородность из-за наличия теплопроводных включений.

Наиболее эффективно в однослойных наружных стенах применение ячеистых бетонов (керамзитобетонные щелевые блоки с приведенной плотностью в пределах 600 кг/м 3 ).

Теплотехнический расчёт стены

Теплотехнический расчёт однородной наружной стены здания

Исходные данные

Назначение здания — административное.
Расчетная температурой наружного воздуха в холодный период года, text = -40 °С;
Расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, tint = +20 °С;
Средняя температура наружного воздуха отопительного периода, tht = -8 °С;
Продолжительность отопительного периода, zht = 241 сут.;
Нормальный влажностный режим помещения и условия эксплуатации ограждающих конструкций — А (сухой режим помещения в нормальной зоне влажности).
Коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, n = 1;
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, αext = 23 Вт/(м²•°С);
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, αint = 8.7 Вт/(м²•°С);
Состав наружной стены:

№ слояСлойδ, ммλ, Вт/(м °С)γ, кг/м 3
1Кладка из кирпича керамического пустотного1200.641300
2Минераловатный утеплитель1500.03960
3Кладка из кирпича керамического полнотелого3800.811600
4Штукатурка ц.п.200.911800
Определение требуемого сопротивления теплопередаче

Определим величину градусо-суток Dd в течение отопительного периода по формуле 1 [СП 23-101-2004]:

где tint — расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания [табл.1, СП 23-101-2004];
tht — средняя температура наружного воздуха отопительного периода [табл.1, СП 23-101-2004];
zht — продолжительность отопительного периода [табл.1, СП 23-101-2004].

Определим требуемое значение сопротивления теплопередачи Rreq по табл. 3 [СП 50.13330.2012]

где Dd — градусо-сутки отопительного периода;
а=0,0003 [табл.3, СП 50.13330.2012]
b=1,2 [табл.3, СП 50.13330.2012]

Rreq = 0.0003*6748+1.2=3.2244 м 2 *°С/Вт,

Определение приведённого сопротивления теплопередаче стены

где αв — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 *°С), принимаемый по табл. 4 СП 50.13330.2012;
αн — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкций для условий холодного периода, Вт/(м 2 *°С), принимаемый по таблице 6 СП 50.13330.2012;

Rs — термическое сопротивление слоя однородной части фрагмента (м 2 *°С)/Вт, определяемое по формуле:

δs — толщина слоя, м;
λs — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м*°С), принимаемый согласно приложения Т СП 50.13330.2012.
ys уэ — коэффициент условий эксплуатации материала слоя, доли ед. При отсутствии данных принимается равным 1.

Расчетное значение сопротивления теплопередаче, R:

R > Rreq — Условие выполняется

Толщина конструкции, ∑t =675 мм;

Определение температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции

Значение выразим из формулы (5.4) СП 50.13330.2012

Δt н > Δt, 4.5 °C > 1.469 °C — условие выполняется.

Моделирование однородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Схема ограждающей конструкции:

Создаём задачу в 15-м признаке схемы. Рассмотрим участок стены, длиной 1 м

Шаг 1 геометрия

Шаг 2 Создание элементов конвекции

Моделируем стержни по наружной и внутренней граням стены. Стержням следует присвоить тип КЭ №1555. Они являются своего рода граничными условиями и, в то же время, воспринимают температуру воздуха.

Шаг 3 характеристики материалов

В окне задания типов жёсткости следует создать жёсткость: пластины Теплопроводность (пластины). В окне характеристик жёсткости вводятся параметры Н — толщина пластины, К — коэффициент теплопроводноти, С — коэффициент теплопоглощения, R0 — удельный вес.

Характеристики слоёв стены:
Кирпич облицовочный пустотелый Н=100 см, К=0.64 Дж/(м*с*°С);
Теплоизоляция Н=100 см, К=0.039 Дж/(м*с*°С);
Кирпич полнотелый Н=100 см, К=0.81 Дж/(м*с*°С);
Штукатурка ц.п. Н=100 см, К=0.76 Дж/(м*с*°С);

Для элементов конвекции, следует создать типы жёсткости Конвекция (двухузловые). Для таких элементов задаются коэффициенты конвекции внутреннего и внешнего слоя.

Шаг 4 Внешняя нагрузка

Через внешнюю нагрузку задаётся температура воздуха для элементов конвекции. Для этого, в разделе нагрузки, нужно открыть Заданная t.

Температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 18.531 °С (результат замера температуры в узле).

Определение сопротивления теплопередачи конструкции по результатам расчёта ЛИРА САПР

Сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5.4) СП 50.13330.2012:

Теплотехнический расчёт наружной стены здания с учётом неоднородности

Исходные данные

Для расчёта принимается конструкция стены, рассмотренная в предыдущем примере. Неоднородностью будет выступать кладочная сетка, служащая для крепления облицовки к несущему слою кладки. Параметры сетки: d=3 мм, шаг стержней 50х50 мм.

Определение приведённого сопротивления теплопередаче с учётом неоднородностей

Приведённое сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания R пр , (м 2 *°C)/Вт, следует определять по формуле:

где R усл — осреднённое по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, (м 2 *°C)/Вт;
lj — протяжённость линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м 2 ;
ΨI — удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м*°С);
nk — количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт./м 2 ;
χk — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/°С;
ai — площадь плоского элемента конструкции i-го вида, приходящаяся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м 2 /м 2 ;

Читать еще:  Как сделать кирпичи арболит

где Ai — площадь i-й части фрагмента, м 2 ;
Ui — коэффициент теплопередачи i-й части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент i-го вида), Вт/(м 2 *°С);

Определение удельных потерь теплоты кладочной сетки

Кладочная сетка, через которую осуществляется связь между облицовкой и несущим слоем, является линейной неоднородностью. Удельные потери теплоты через линейную неоднородность, определяются по СП 230.1325800.2015, приложение Г.7 Теплозащитные элементы, образуемые различными видами связей в трёхслойных железобетонных панелях.

Удельное сечение металла на 1 м.п. в рассматриваемом примере составит S*(1000/50)=3.14159*d 2 /4*(1000/50)=1.41372 см 2 /м

Удельные потери теплоты будут определяться по интерполяции между значениями, найденными по таблицам Г.42 и Г.43 СП 230.1325800.2015

Таблица Г.42 — Удельные потери теплоты Ψ, Вт/(м*°С). Сетка с удельным сечением металла на 1 п.м 0,53 см 2 /м

dут, ммλ = 0,2λ = 0,6λ = 1,8
500,0050,0080,011
800,0050,0070,009
1000,0040,0070,008
1500,0040,0050,006

Таблица Г.43 — Удельные потери теплоты Ψ, Вт/(м*°С). Сетка с удельным сечением металла на 1 п.м 2,1 см 2 /м

dут, ммλ = 0,2λ = 0,6λ = 1,8
500,0180,0310,043
800,0180,0280,035
1000,0170,0260,031
1500,0150,0210,024

Обозначения в таблицах:
— толщина слоя утеплителя dут, мм;
— теплопроводность основания λ, Вт/(м*°С), для кирпичной кладки из полнотелого керамического кирпича принимается λ = 0.56;
— удельное сечение металла на 1 м.п. сетки, см 2 /м.

Потери теплоты по таблице Г.42:

Потери теплоты по таблице Г.43:

Итоговое значение потерь теплоты:

Суммарная протяжённость линейных неоднородностей Σlj = 2 м.

Подставив полученные значения в формулу (Е.1), получим:

Моделирование неоднородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Для построения модели неоднородной стены, принимается модель, созданная на предыдущем этапе. Теплопроводные включения моделируются как стержневые элементы теплопроводности, которые пересекают три слоя стены: кладка, теплоизоляция, облицовка. Стержни расположены с шагом 40 см по высоте. Теплопроводность арматурной стали 58 м 2 *°С/Вт.

Температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 18.087 °С. (среднее значение температуры на внутренней поверхности стены).

Определение сопротивления теплопередачи конструкции по результатам расчёта ЛИРА САПР

Сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5.4) СП 50.13330.2012:

Сравнение результатов расчёта

Сравнение будем выполнять в табличной форме:

Коэффициент теплоотдачи от кирпича воздуху

В летний период теплопоступление через внешние конструкции (стены, потолок) как правило, положительно. Расчет усложняется тем, что температура воздуха сильно меняется в течение суток, а солнечное излучение дополнительно нагревает внешнюю поверхность здания. Зимой тепло теряется через внешние конструкции. Колебания температуры в зимний период меньше, а нагрев поверхностей солнечным излучением незначителен.

Теплопоступление (или потеря тепла) за счет разности температур зависит не только от внешних условий, но и от температуры внутри помещения.

Расчет тепловых поступлений за счет теплопередачи выполняется согласно строительным нормативам СниП 11-3-79.

Расчет количества тепла

Количество тепла Qогр, переданное путем теплопередачи через ограждение (стену) площадью S, имеющее коэффициент теплопередачи k, вычисляется по формуле:

Здесь T — расчетная наружная температура, t — расчетная внутренняя температура, а Y — поправочный коэффициент, значение которого выбирается согласно СНиП 2.04.05-91.

Расчетные наружные температуры зависят от региона и приведены в ТАБЛИЦЕ, а внутренние температуры выбираются с учетом комфортности или технологических требований, в зависимости от назначения помещения.

Эта формула упрощена и не учитывает ряда факторов. Чтобы учесть направление относительно сторон света, солнечную радиацию, нагревающую стены и т.д., нужно вводить в данную формулу поправки. Они являются составными частями коэффициента Y.

От чего зависит поглощение солнечного излучения?

Поглощение солнечного излучения ограждением зависит от следующих факторов:

  • Цвета стен: коэффициент поглощения тепла достигает 0.9 для темного цвета наружных стен и лишь 0.5 — для светлых стен.
  • Тепловых характеристик стен: чем массивнее стена, тем больше задержка поступления тепла в помещение. Тепловая нагрузка при нагреве массивной стены распределяется на более длительное время. Если же стены тонкие и легкие, то тепловые нагрузки повышаются и быстро изменяются при изменении внешних условий. При этом требуются более дорогие и мощные установки кондиционирования.

Теплопоступления от солнечного излучения через остекленные проемы

Теплота солнечного излучения может значительно увеличивать теплопоступление в здание (например, в магазине с витринами). В помещение передается до 90% солнечного тепла, и лишь небольшая часть отражается стеклами. Наиболее интенсивно тепло излучения поступает летом, в ясную погоду.

Теплопоступление излучения учитывается в тепловом балансе здания только для летнего и переходного времени, когда наружная температура превышает +10 градусов.

Что влияет на поступление тепла излучения?

Поступление тепла солнечного излучения зависит от следующих факторов:

  • Рода и структуры материалов ограждения
  • Состояния поверхности (например, через грязное стекло пройдет меньше излучения)
  • Угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность
  • Ориентации помещения по сторонам света (теплопоступления от радиации через окна, выходящие на север, вообще не учитываются)

За расчетную величину теплопоступлений от излучения принимается большая из двух величин:

  1. тепло, поступающее через остекленную поверхность той из стен, которая наиболее выгодно расположена относительно поступления тепла или имеющей максимальную световую поверхность
  2. 70% от тепла, поступающего через остекленные поверхности двух перпендикулярных стен помещения.

Как уменьшить поступление тепла от солнечного света?

Если нужно уменьшить теплопоступления от солнечной радиации, рекомендуется принимать следующие меры:

  • ориентировать помещения окнами на север
  • делать минимальное количество световых проемов
  • применять защиту от солнечных лучей: двойное остекление, побелку стекол, устройство штор, жалюзи и т.д.

При использовании комплексной защиты от солнца теплопоступления от излучения можно сократить практически вдвое, и мощность требуемой холодильной установки уменьшится на 10-15%.

Теплопоступления от инфильтрации воздуха

Под действием ветра разницы температур воздух может проникать в помещение через неплотности стен, окон, дверей и т.п. Это явление называют инфильтрацией.

Особенно сильна инфильтрация через окна и двери, расположенные с подветренной стороны. Масса воздуха, который инфильтруется через щель, вычисляется по формуле:

Здесь a — коэффициент, который зависит от типа щелей, m — удельная масса воздуха, проникающего через 1 погонный метр щели, зависит от скорости ветра, l — длина щели.

Воздух, поступивший за счет инфильтрации в холодное время года, требует подогрева. Расход тепла составит

Здесь с— теплоемкость воздуха, t — внутренняя расчетная температура, T — температура внешнего воздуха.

Если требуется лишь приблизительный подсчет расхода тепла на подогрев инфильтрованного воздуха, можно просто ввести поправку на теплопотери через инфильтрацию в размере 10-20% общей потери тепла.
В летний период наружный воздух может иметь температуру выше, чем в помещении, и тепловая нагрузка от инфильтрации будет положительна, то есть потребуется увеличить мощность охлаждения. Однако летом влияние инфильтрации воздуха меньше, потому что обычно меньше скорость ветра и разность внешней и внутренней температур.
Кроме того, вместе с воздухом в помещение поступает и дополнительная влага. Поэтому желательно герметизировать все ограждения. Если притворы окон и дверные проемы уплотнены, то инфильтрацию воздуха можно вообще не учитывать при составлении теплового баланса помещения.

Теплопоступления от людей

Количество тепла, выделяемое людьми в помещении, всегда положительно. Оно зависит от числа людей, находящихся в помещении, выполняемой ими работы и параметров воздуха (температуры и влажности).

Кроме ощутимого (явного) тепла, которое организм человека передает окружающей среде путем конвекции и лучистой энергии, выделяется еще и скрытое тепло. Оно тратится на испарение влаги поверхностью кожи человека и легкими.

От рода занятий человека и параметров воздуха зависит соотношение явной и скрытой выделяемой теплоты. Чем интенсивнее физическая нагрузка и выше температура воздуха, тем больше доля скрытого тепла, при температуре воздуха выше 37 градусов все тепло, выработанное организмом, выделяется путем испарения.

  • При любом виде деятельности — от сна до тяжелой работы — тепловыделение больше при низкой температуре окружающей среды.
  • Чем выше температура воздуха, тем больше скрытое тепловыделение и меньше явное тепловыделение.

При расчете тепловыделения от людей нужно принять во внимание, что в помещении не всегда будет находиться максимальное число людей. Среднее число людей, которые обычно будут находиться в помещении, определяют на основании опыта (например, число посетителей в магазине), или с помощью установленных коэффициентов (например, в учреждениях — 0.95 от общего числа сотрудников).

Читать еще:  Гост марки кирпича по прочности таблица

Таблица тепловыделения от людей в зависимости от температуры среды и физической нагрузки

Температура внешней средыТепловыделение в состоянии покоя, ВтТепловыделение при легкой нагрузке, ВтТепловыделение при тяжелой нагрузке, Вт
10130156290
14118138263
18104133250
22102132249
26102132249
30100130246
3298128244

Замечание: приведены средние данные для взрослых мужчин. Считается, что женщины выделяют 85%, а дети — 75% теплоты и влаги, выделяемых мужчинами.

Теплопоступления от искусственного освещения

В помещениях сейчас используются два типа осветительных приборов: лампы накаливания и люминесцентные лампы. Количество тепла, поступившее от освещения, зависит от типа ламп, их мощности и способа их крепления в помещении.

Расчет теплоты от искусственного освещения

Теплопоступление от ламп рассчитывается по формуле:

Здесь n — коэффициент перехода электроэнергии в тепловую. Он составляет около 0.95 для ламп накаливания и примерно 0.5 для люминесцентных ламп. N — мощность ламп. Если она заранее не известна, можно оценить ее из расчета 50 — 100 Вт/кв.м. для хорошо освещенных помещений.

При большом количестве ламп и постоянной их работе тепловая нагрузка от искусственного освещения может быть весьма велика. Если же известно, что не будут использоваться все светильники одновременно, нужно воспользоваться коэффициентом одновременности работы освещения, указывающим, какая часть мощности освещения в среднем будет задействована.

Зависимость тепловыделения от расположения ламп

Количество теплоты, выделяемое осветительными приборами, зависит и от их расположения в помещении. Например, если светильник закреплен в чердачном перекрытии, то лишь часть выделенного им тепла попадет внутрь помещения.

Если лампы встроены в подвесной невентилируемый потолок, то часть тепла сразу попадет в помещение, а остальное тепло задержится в подвесном потолке. Но поскольку потолок невентилируемый, то впоследствии и эта часть тепла выделится в помещение. Таким образом, в помещение попадут все 100% выделенного светильником тепла.

Если лампы встроены в подвесной вентилируемый потолок, который используют как вытяжной короб, то около 40% тепла сразу попадет в помещение. Часть остального тепла (примерно половина) унесется с вытяжным воздухом, а остаток попадет в помещение. Таким образом, в сумме помещение получит 60-70% выделенного светильником тепла.

Теплопоступления от оборудования и материалов

Количество теплоты, которая поступает в помещение от нагретого технологического оборудования и материалов, рассчитывают по технологической части проекта или определяют в соответствии с ведомственными указаниями.

Если температуры нагретых поверхностей известны, для расчета теплопоступлений можно использовать обычные формулы теории теплопередачи.

Нужно учесть поступление (или удаление) теплоты поверхностей воздуховодов, местных отсосов и т.д.

Передача тепла через стенки воздуховодов:

где K — коэффициент теплопередачи конструкции, S — площадь нагретой поверхности, tср — температура нагретой среды (например, воздуха в воздуховоде), t — температура воздуха в помещении.

Теплоотдача от нагретых поверхностей:

где а — коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху, S — площадь нагретой поверхности, tпов — температура нагретой поверхности, t — температура воздуха в помещении.

Например, для поверхности нагретой воды коэффициент теплопередачи а = (4.9 + 3.5v)*4.2 кДж/(час*кв.м.*градус). Здесь v — скорость движения воздуха у поверхности воды.

Расчет теплопроводности стены

Чтобы определить, какой толщины возводить стену при постройке дома, нужно научиться рассчитать теплопроводность стен. Этот показатель зависит от используемых строительных материалов, климатических условий.

Нормы толщины стен в южных и северных регионах будут различаться. Если не сделать расчет до начала строительства, то может оказаться так, что в доме зимой будет холодно и сыро, а летом слишком влажно.

Чтобы этого избежать, нужно высчитать коэффициент сопротивления теплопередачи материала для постройки стен и утеплителя.

Для чего нужен расчет

Чтобы сэкономить на отоплении и способствовать созданию здорового микроклимата в помещении, нужно правильно рассчитать толщину стен и утеплительных материалов, которые будем использовать при строительстве. По закону физики, когда на улице холодно, а в помещении тепло, то через стену и кровлю тепловая энергия выходит наружу.

Если неправильно рассчитать толщину стен, сделать их слишком тонкими и не утеплить, это приведет к негативным последствиям:

  • зимой стены будут промерзать;
  • на обогрев помещения будут затрачиваться значительные средства;
  • сместиться точка росы, что приведет к образованию конденсата и влажности в помещении, заведется плесень;
  • летом в доме будет так же жарко, как и под палящим солнцем.

Чтобы избежать этих неприятностей, нужно перед началом строительства просчитать показатели теплопроводности материала и определиться, какой толщины возводить стену, и каким теплосберегающим материалом ее утеплять.

От чего зависит теплопроводность

Проводимость тепла рассчитывают исходя из количества тепловой энергии, проходящей через материал площадью 1 кв. м. и толщиной 1 м при разнице температур внутри и снаружи в один градус. Испытания проводят в течение 1 часа.

Проводимость тепловой энергии зависит от:

  • физических свойств и состава вещества;
  • химического состава;
  • условий эксплуатации.

Теплосберегающими считаются материалы с показателем менее 17 ВТ/ (м·°С).

Выполняем расчеты

Расчет толщины стен по теплопроводности является важным фактором в строительстве. При проектировании зданий архитектор рассчитывает толщину стен, но это стоит дополнительных денег. Чтобы сэкономить, можно разобраться, как рассчитать нужные показатели самостоятельно.

Скорость передачи тепла материалом зависит от компонентов, входящих в его состав. Сопротивление передачи тепла должно быть больше минимального значения, указанного в нормативном документе «Тепловая изоляция зданий».

Рассмотрим, как рассчитать толщину стены в зависимости от применяемых в строительстве материалов.

δ это толщина материала, используемого для строительства стены;

λ показатель удельной теплопроводности, рассчитывается в (м2·°С/Вт).

Когда приобретаете стройматериалы, в паспорте на них обязательно должен быть указан коэффициент теплопроводности.

Значения параметров для жилых домов указаны в СНиП II-3-79 и СНиП 23-02-2003.

Допустимые значения в зависимости от региона

Минимально допустимое значение проводимости тепла для различных регионов указано в таблице:

Показатель теплопроводностиРегион
12 м2•°С/ВтКрым
22,1 м2•°С/ВтСочи
32,75 м2•°С/ВтРостов—на—Дону
43,14 м2•°С/ВтМосква
53,18 м2•°С/ВтСанкт—Петербург

У каждого материала есть свой показатель проводимости тепла. Чем он выше, тем больше тепла пропускает через себя этот материал.

Показатели теплопередачи для различных материалов

Величины проводимости тепла материалами и их плотность указаны в таблице:

МатериалВеличина теплопроводностиПлотность
Бетонные1,28—1,512300—2400
Древесина дуба0,23—0,1700
Хвойная древесина0,10—0,18500
Железобетонные плиты1,692500
Кирпич с пустотами керамический0,41—0,351200—1600

Теплопроводность строительных материалов зависит от их плотности и влажности. Одни и те же материалы, изготовленные разными производителями, могут отличаться по свойствам, поэтому коэффициент нужно смотреть в инструкции к ним.

Расчет многослойной конструкции

Если стену будем строить из различных материалов, допустим, кирпич, минеральная вата, штукатурка, рассчитывать величины следует для каждого отдельного материала. Зачем полученные числа суммировать.

В этом случае стоит работать по формуле:

Rобщ= R1+ R2+…+ Rn+ Ra, где:

R1-Rn- термическое сопротивление слоев разных материалов;

Ra.l– термосопротивление закрытой воздушной прослойки. Величины можно узнать в таблице 7 п. 9 в СП 23-101-2004. Прослойка воздуха не всегда предусмотрена при постройке стен. Подробнее о расчетах смотрите в этом видео:

На основании этих подсчетов можно сделать вывод о том, можно ли применять выбранные стройматериалы, и какой они должны быть толщины.

Последовательность действий

Первым делом, нужно выбрать строительные материалы, которые будете использовать для постройки дома. После этого рассчитываем термическое сопротивление стены по описанной выше схеме. Полученные величины следует сравнивать с данными таблиц. Если они совпадают или оказываются выше, хорошо.

Если величина ниже, чем в таблице, тогда нужно увеличить толщину утеплителя или стены, и снова выполнить подсчет. Если в конструкции присутствует воздушная прослойка, которая вентилируется наружным воздухом, тогда в учет не следует брать слои, находящиеся между воздушной камерой и улицей.

Как выполнить подсчеты на онлайн калькуляторе

Чтобы получить нужные величины, стоит ввести в онлайн калькулятор регион, в котором будет эксплуатироваться постройка, выбранный материал и предполагаемую толщину стен.

В сервис занесены сведения по каждой отдельной климатической зоне:

  • t воздуха;
  • средняя температура в отопительный сезон;
  • длительность отопительного сезона;
  • влажность воздуха.

Температура и влажность внутри помещения – одинаковы для каждого региона

Сведения, одинаковые для всех регионов:

  • температура и влажность воздуха внутри помещения;
  • коэффициенты теплоотдачи внутренних, наружных поверхностей;
  • перепад температур.

Чтобы дом был теплым, и в нем сохранялся здоровый микроклимат, при выполнении строительных работ нужно обязательно выполнять расчет теплопроводности материалов стены. Это несложно сделать самостоятельно или воспользовавшись онлайн калькулятором в интернете. Подробнее о том, как пользоваться калькулятором, смотрите в этом видео:

Для гарантировано точного определения толщины стен можно обратиться в строительную компанию. Ее специалисты выполнят все необходимые расчеты согласно требованиям нормативных документов.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector