Аккумулирование тепла стенами и перекрытиями

  • admin
  • Комментариев нет
Аккумулирование тепла стенами и перекрытиями
  • Изображение: Аккумулирование тепла стенами и перекрытиями

Аккумулирование тепла стенами или перекрытиями необходимо для того, чтобы зимой при выключении отопления избежать слишком быстрого охлаждения помещений, а летом не допустить их быстрого нагревания. Результат тем лучше, чем больше теплоаккумулирующая способность конструкций и чем рациональнее их положение по отношению к наружному воздуху.

Для создания хорошего микроклимата жилых и рабочих помещений в летнее время теплоаккумулирующая способность конструкций, особенно расположенных внутри помещений, имеет особое значение, как и отношение площади поверхности окон к площади поверхностей внутренних конструкций, способных аккумулировать тепло. Требования к теплоаккумулирующей способности конструкций, а также методы ее расчета содержит разрабатываемая новая редакция DIN 4108. До выхода этих норм можно рекомендовать специальную литературу.

Исходя из приводимых ниже соображений и необходимости повышения сопротивления теплопередаче легких конструкций не стационарность теплопередачи не учитывается при их расчете. В основу расчета теплозащиты по действующим DIN положены постоянные краевые условия — так называемое установившееся состояние с обеих сторон конструкции. Если тепловой поток стационарен, то результаты расчета для зимних условий принимают «в запас». При этом не учитывают постоянные колебания температуры наружного воздуха и определяемые ими колебания требуемого значения температуры внутреннего воздуха. Такие изменчивые краевые условия, колеблющиеся в основном в течение суток около средних значений, являются необходимыми средними величинами при оценке пригодности конструкций и для летних условий. Нестационарный тепловой поток характеризуется изменяющимися в ритме суток направлением и частотой.

К требованию относительно повышенного сопротивления теплопередаче для легких конструкций пытались применить расчет на летние тепловые нагрузки. Растущий объем использования легких строительных конструкций в зданиях, оборудованных кондиционерами, в том числе и жилых, требует особого внимания к микроклимату в таких зданиях. Это вызвано недостаточностью прежних правил. Поэтому дискуссия вокруг находящихся в процессе разработки норм DIN 4108 распространяется и на принятие нестационарного характера тепловых нагрузок. При этом следует поддерживать не только требование стабильности физиологически оправданных значений параметров внутреннего микроклимата в зданиях, которые не оборудованы кондиционерами, но, вследствие дефицита энергии, учитывать также уменьшение потребности в охлаждении в кондиционируемых зданиях.

Если требуется, чтобы наружные стены и перекрытия способствовали выравниванию температуры, то на их наружной стороне необходимо устанавливать слой теплоизоляции с достаточно высоким сопротивлением теплопередаче. Такая конструкция увеличивает время нагрева и охлаждения помещений. Для помещений, которые используются лишь периодически (например, лекционные, концертные и другие залы), желательно короткое время нагрева, для чего следует препятствовать прониканию тепла в конструкции.

Наряду с принципиальным представлением об аккумулировании тепла  наглядно иллюстрируют приведенные выше положения норм. Столь подробное объяснение процесса аккумулирования тепла оправдано его значением для правильного выбора отопительной системы и понимания сущности нестационарных тепловых процессов.

Как известно, параметры микроклимата помещения можно считать постоянными лишь в том случае, если они постоянно контролируются и регулируются системой кондиционирования. В большинстве жилых и иного назначения зданий такая предпосылка неправомерна, поэтому внутренняя температура в таких зданиях понижается по отношению к требуемому значению ночью при отключении отопления и повышается днем благодаря воздействию солнечного излучения. Допустимая величина. отклонений температуры от требуемого значения ограничивается физиологически обоснованными требованиями.

Чрезмерное повышение температуры под воздействием солнечного излучения и охлаждение в ночное время ощущаются как дискомфорт. Причиной обоих явлений служат процессы теплообмена преимущественно через наружные конструкции. Вследствие этого желательно возложить на конструкции регулирующую функцию по выравниванию минимальных и максимальных температур, поэтому можно сформулировать следующие требования: при охлаждении воздуха в помещении конструкции должны отдавать тепло внутреннему воздуху; при нагревании воздуха в помещении конструкция должна поглощать излишнее тепло.

Строители-практики придают величинам наружной и внутренней теплоаккумулирующих способностей Он и 0В решающее значение при оценке альтернативных решений конструкций ограждения. По этому поводу можно высказать следующие соображения.

Большая внутренняя теплоаккумулирующая способность означает следующее: при выключении отопления ночью температура внутренней поверхности конструкции снижается медленно и долгое время она отдает тепло охлажденному воздуху помещения. В этом состоит преимущество такой конструкции;

при включении отопления после длительного охлаждения помещения такая конструкция вначале поглощает значительное количество тепла из воздуха и отводит его внутрь. Лишь после прогрева толщи конструкции заметно повышается температура ее поверхности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута комфортная температура внутри помещения. Бели здание отапливается периодически, такое свойство конструкции в зимнее время является недостатком. Напротив, летом оно желательно, так как воздух помещения под воздействием солнечного излучения нагревается медленно. Конструкция аккумулирует также довольно значительное количество тепла, которое проникает в помещение через оконное остекление.

Малая внутренняя теплоаккумулирующая способность  означает следующее: при выключении отопления температура внутренней;поверхности конструкции падает очень быстро. В случае использования очень легких конструкций и при низких зимних температурах уже к середине ночи температура внутреннего воздуха может стать ниже точки росы или температуры замерзания. Снижение температуры поверхности в первые 3–4 часа происходит значительно быстрее, чем в дальнейшем. Это и служит причиной отказа от способа расчета времени охлаждения, принятого, например, в австрийских нормах;

при нагревании воздуха помещения в летних условиях конструкция оказывается не в состоянии аккумулировать сколько-нибудь ощутимое количество тепла. Таким образом, ош не способствует теплоустойчивости помещения.

Большая наружная теплоаккумулирующая способность означает следующее: при воздействии солнечного излучения большое количество тепла отводится сначала внутрь конструкции. Благодаря этому температура ее наружной поверхности повышается очень медленно и остается более низкой, чем у конструкции с малым значением 0И;

после прекращения действия излучения и ночью аккумулированное тепло вновь перемещается из середины конструкции к ее поверхности, обеспечивая при этом медленное снижение температуры поверхности. Таким образом, конструкция с большой наружной теплоаккумулирующей способностью мало подвержена воздействию больших ежедневных температурных деформаций. При определении термических деформаций и прежде всего наружных слоев это является наиболее важным моментом.

Малая наружная теплоаккумулирующая способность означает следующее:

воздействующая на конструкцию энергия излучения быстро отводится в толщу конструкции и (если внутренняя теплоаккумулирующая способность незначительна или если интенсивность теплового потока велика) быстро проникает к внутренней поверхности конструкции, нагревая ее. Следствием такого нагревания поверхности является нежелательное повышение температуры внутреннего воздуха;

если приток тепла от излучения прекращается и температура наружного воздуха понижается, то поверхность конструкции так же быстро остывает. Ежедневные изменения температуры конструкции при этом значительно больше, чем в предыдущем случае, поэтому больше термические деформации прежде всего наружных слоев. Этот недостаток можно несколько уменьшить путем внедрения ряда мероприятий. Наиболее известным является устройство экранов с вентилируемой воздушной прослойкой. В результате температура поверхностей стен или покрытий сзади экрана снижается. Устройство экрана благоприятно и в отношении диффузии паров.

Как было отмечено, общая теплоаккумулирующая способность равна й = Ов + и Отсюда следует, что повышенное внутреннее аккумулирование тепла Ов. соответствует пониженному аккумулированию тепла снаружи Ян. Если сравнить достоинства и недостатки обоих вариантов конструкции, то большая внутренняя теплоаккумулирующая способность Ов окажется решающей. Ее значение для теплоустойчивости помещения следует оценивать выше, чем отмеченные ранее недостатки, определяемые килой наружной теплоаккумулирующей способностью Он.

В дополнение. к изложенному представлена симметричная многослойная конструкция. В соответствии с предыдущим изложением внутренняя и наружная теплоаккумулирующие способности сближаются. Приведено графическое построение, основанное на разностном способе Э Шмидта. Наглядное объяснение этого способа приведено в опубликованной ранее литературе.

Оценка преимуществ и недостатков конструкций с различной теплоаккумулирующей способностью позволяет сделать вывод о том, что в качестве критерия во всех случаях может быть принято изменение температуры поверхности конструкции в течение относительно короткого времени, исчисляемого несколькими часами. Из 61 видно, что ход температур при этом заметно отличается от хода температур при стационарных режимах. Режим рассматривается как стационарный при условии долговременных колебаний температур (т. е. в течение года).

Расчетные величины, используемые для определения теплоаккумулирующей способности (00 и 0 М), показывают, что последние существенно зависят от плотности материала, из которого выполнена стена, и от разности температур. Удельная теплоемкость с играет сравнительно незначительную роль. Почти у всех неорганических строительных материалов, за исключением цветных металлов, ее значение отставляет около 0,24 Втч/(кгК) при средней и большой плотности и относительно большой теплопроводности. Напротив, удельная теплоемкость органических материалов (например, древесины), имеющих

относительно небольшие плотность и теплопроводность, составляет около 0,47 Втч/ (кг-К), поэтому не удивительно, что проходящие через конструкцию из тяжелых строительных материалов потоки тепла при нестационарных режимах (в течение суток) замедляются и гасятся сильнее, чем в конструкциях из легких строительных материалов. Это свойство всех строительных материалов называется тепловой инерцией.

Кроме того, из рисунков следует, что на основе упомянутых выше зависимостей, которые действительны для каждого последующего слоя, количество проникающего через них тепла различно. Величина тепловой инерции позволяет судить о ходе процесса во времени. Значения температур, возникающих в ограждении при нестационарном режиме, показаны на рисунках ниже значений температур, характерных для стационарного режима, который устанавливается лишь при долговременном сохранении высоких температур наружного воздуха ±н. Фактически же температура наружного воздуха понижается каждую ночь.

На 65 в виде синусоидальной кривой (с некоторым упрощением) нанесены суточные (за 24 ч) колебания температуры наружного воздуха. На рисунке показаны две волны равной длины, но с различными амплитудами. Температуры волн, проникающих через конструкцию ограждения, воздействуют на его наружную поверхность с амплитудой, равной 2 д£м. Эта величина равна разности между суточными минимумом и максимумом температуры наружного воздуха. При прохождении температурных волн через конструкцию их амплитуды уменьшаются, поэтому разность температур на внутренней поверхности составляет в итоге 2Д~Ь в, что соответствует суточным колебаниям внутренней температуры.

В целом можно отметить следующее. Чем больше тепловая инерция, тем больше сдвиг по фазе и затухание амплитуды Л £н, т. е. тем меньше по величине показатель затухания амплитуды.

Для практики представляет интерес показатель затухания амплитуды. В частности, в обсуждаемой в настоящее время новой редакции ВШ 4108 величина, равная № в/ ограничивается интервалом между 0,15 и 0,25 (лишь от 15 до 25% величины колебаний наружной температуры ощущается внутри помещения). Для тех, кто пользуется помещением, практически безразлично, через 3, 6, 8 или 12 ч будет ощущаться это повышение или понижение температуры. Температура внутри помещения в любом случае остается в комфортной зоне. Правда, в интересах сохранения комфортной температуры внутреннего воздуха показатель затухания амплитуды V у конструкций, находящихся под воздействием максимального солнечного излучения, должен быть ниже 0,15.

Расчет для условий нестационарного теплового потока более трудоемок и сложен, чем для стационарных условий, поэтому от изложения этого способа расчета приходится отказаться и адресовать читателя к соответствующей литературе, в частности к исследованиям Хаферланда и Хейкля, а также Хаузера. и Гертиса. Последние предлагают достаточно удобный способ определения показателя затухания амплитуды % который доступен любому строителю. Вначале для каждого слоя конструкции рассчитывается переменная, которая является модифицированным критерием Фурье -Р0. Для периода времени Т, равного 24 ч, /ЛЬ 0,3618, где числовой коэффициент означает: 0,3618 = = V я /24 (1 и ½).

Древесина сочетает в себе хорошие теплоизоляционные свойства с достаточной теплоаккумулирующей способностью, поэтому древесные материалы занимают благоприятную область диаграммы и находятся на некотором расстоянии от основных материалов. Этим объясняются комфортные условия микроклимата в деревянных домах. Кроме древесных материалов для однослойных конструкций пригодны материалы, занимающие по своим свойствам следующие места на диаграммах. Речь идет о газобетоне, легком бетоне и облегченном кирпиче. Несколько худшие их свойства объясняются меньшей удельной теплоемкостью по сравнению с древесиной.

Дополнения к ВШ 4108 поясняют роль остекленных поверхностей для теплоаккумулирующей способности внутренних конструкций. Соблюдая точность, следует указать на цитируемые в разделе 43 исследования Гертиса. Теплоустойчивость внутреннего помещения, особенно петом, зависит не только от тепловой инерции ограждающих его наружных стен. Ограждение подвергается интенсивному и часто чрезмерному воздействию температуры наружного воздуха и солнечного излучения (в зависимости от ориентации здания по страдам света). Поступающее через окна тепло не может полностью поглотиться наружными стенами, поэтому поверхности ограждающих конструкций следует

выполнять из материалов с хорошими теплоаккумулирующими свойствами. Сравнение данных измерения температур в помещениях равной площади при одинаковых условиях (ориентация стен по странам света, размер и тип окон, наружный климат, исходная температура внутреннего воздуха и др.) показывает следующее.

Бели ограждающие помещение конструкции выполнены из материалов с хорошими теплоизоляционными и, следовательно, невысокими теплоаккумулирующими свойствами (с применением не бетонных материалов), то температура внутреннего воздуха повышается во много раз больше, чем при применении тяжелых строительных материалов с большой теплоаккумулирующей способностью (оба помещения испытывают одинаковый приток энергии вследствие солнечного излучения).

69 дает представление о величине энергии излучения, под действием которой находится вертикальная поверхность (например, окно) в зависимости от ориентации по странам света и времени суток в ясный июльский день на территории ФРГ. Можно сделать вывод, что устройство окон в ограждениях, ориентированных на юг, в отношении теплозащиты рациональнее, чем в ограждениях, ориентированных на юго-запад, юго-восток, восток и запад. Не создают проблем, связанных с перегревом, окна, ориентированные на север, поэтому их поверхность не включается в общую площадь окон при определении тепловой нагрузки от энергии излучения рассматриваемого углового помещения с ограждением, ориентированным строго на северян окном в нем.

участвует в расчете притока энергии излучения в помещение. При расположении рассматриваемого помещения в середине здания площадь поверхности его окон учитывается практически всегда, за исключением случая, когда наружная стена ориентирована прямо на север. При определении площади поверхности аккумулирующих тепло ограждающих конструкций не принимается в расчет площадь поверхности всех наружных стен, ориентированных на север. При этом тепловая нагрузка на последние создается только за счет температуры наружного воздуха, которая может быть значительно выше температуры внутреннего воздуха.

Ниже кратко изложен предлагаемый Тертисом способ оценки возможности использования помещения в летнее время, который позволяет сделать вывод о характере требуемых солнцезащитных мероприятий. При этом исходят из необходимости оценки жилых зданий или зданий аналогичного назначения.

Нагревание помещения летом определяется притоком тепла за счет излучения. Последнее зависит от размеров окон и так называемого показателя стекла £. Этот показатель характеризует долю (%) солнечной энергии, которая в течение дневного времени проникает в помещение через окна. При этом учитываются как изменение угла падения солнечного луча в течение дня, так и светозащитные свойства окон. Влияние притока энергии на нагрев помещения определяется эффективностью системы аккумулирования тепла. Тепловая инерция помещения зависит от площади и массы окружающих помещение конструкций.

В общем можно отметить следующее: наличие больших поверхностей окон в помещениях, образуемых легкими конструкциями, требует устройства как можно

менее проницаемых для тепловой энергии солнцезащитных конструкций окон; наличие больших поверхностей окон в помещениях, образуемых тяжелыми конструкциями, допускает устройство более проницаемых для тепловой энергии солнцезащитных конструкций окон.

Зависимости энергетической проницаемости окон от размеров, массы и площади ограждающих помещение конструкций приведены на 73. Чтобы использовать приведенную на нем диаграмму, необходимо определить отношение площади окон Рок к площади поверхности аккумулирующих тепло ограждений Ра. Следует обратить внимание на то, что площадь поверхности ограждающих помещение наружных стен, аккумулирующая способность которых уже практически использована вследствие действия нагрузки от излучения, в расчет не принимается. Далее необходимо установить вид конструкции ограждения. Легкие конструкции должны иметь плотность 500 кг/мЗ, конструкции средней массивности — 1000 кг/мЗ, тяжелые — >1500 кг/мЗ.

Кроме того, следует иметь в виду, что для легких конструкций (плотность строительных материалов 500 кг/мЗ) площадь аккумулирующей тепло поверхности равна сумме площадей всех внутренних ограждающих конструкций без учета ориентации всего помещения. Если речь идет об ограждениях плотностью 1000 кг/мЗ <р< < 1500 кг/мЗ, то в суммарную площадь Ра можно включать только ту поверхность ограждений, которая не имеет теплоизоляционных покрытий. Способность подобных конструкций к восприятию тепла снижается при нанесении на них теплоизоляции. К таким покрытиям относят внутренние теплоизолирующие облицовки, акустические потолки, встроенные шкафы, покрытия полов, выполняемые в виде толстых ковров или из древесины (тонкие поливинилхлоридные покрытия почти не уменьшают теплоаккумулирующей способности полов). Следует отметить также, что площадь поверхности дверей при определении Рц, не исключают. Кривые на 73 построены с учетом исключения этой площади.

К внутренним солнцезащитным устройствам относят жалюзи, светлые подвижные шторы и занавеси. Наружные солнцезащитные устройства — жалюзи, навесы, жесткие горизонтальные козырьки, в ряде случаев также карнизы, балконные плиты и выступы здания, если они длительное время затеняют поверхность окон.

При расчете теплозащиты конструкций следует использовать значения коэффициентов теплопроводности, приведенные в 52612 нормирует само определение этих расчетных значений.

Наряду со способом, основанным на применении двух плит, допускается также определение коэффициентов теплопроводности образцов с использованием для этих целей одной плиты.

При использовании материалов сайта, активная ссылка на источник обязательна.
Будьте уважительны к авторам публикаций!

Оцените эту запись:

Комментарии закрыты.