Теплопередача через огородження та способи передачі тепла

 

В опалювальній будівлі невпинно відбуваються складні процеси теплообміну. Від нагрітих поверхонь приладів опалення тепло передається у повітря усередині помешкання і конструкцій будівлі, а будівля втрачає це тепло через зовнішні стіни, двері, вікна та інші огородження, що відокремлюють опалювальні помешкання від зовнішнього холоднішого повітря.

Існують три основних способи передачі тепла:

– теплопровідність;

– конвекція;

– теплове випромінювання.

Теплопровідність – це перенос тепла при безпосередньому зіткненні тіл або їх частин із різною температурою.

Такий процес – результат теплового прямування мікрочастинок речовини (молекул, атомів, електронів).

Відповідно до основного закону теплопровідності, відомого під назвою закону Фур’є, кількість тепла, що проходить в одиницю часу через тверде тіло, пропорційна коефіцієнту теплопровідності матеріалу, площі поперечного перерізу тіла й різниці температур площин, що його обмежують, і обернено пропорційно товщині тіла.

Математичний вираз цього закону можна представити у вигляді рівняння:

,

(4.1)

 

де – кількість тепла, що проходить через тверде тіло, Вт;

– коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м ∙ °К);

– товщина тіла або матеріального прошарку, м;

– площа, м²;

– різниця температур площин, що обмежують тіло, °С.

 

Якщо , і , то .

Таким чином, коефіцієнт теплопровідності матеріалу показує, яка кількість тепла проходить протягом 1 години через 1 м² поверхні тіла при товщині його 1 м і при різниці температур у межах тіла 1°С.

Коефіцієнт теплопровідності залежить від структури, об’ємної ваги, вологості та температури матеріалу. При збільшенні об’ємної ваги матеріалу, вологості та температури коефіцієнт теплопровідності збільшується.

Коефіцієнти теплопровідності будівельних матеріалів приведені в додатку А.

Співвідношення називається термічним опором стінки, цей показник має розмірність (м²∙ °К)/Вт.

Другий вид переносу теплоти називається конвекцією. Конвекція виникає тільки в газах і рідинах. Цей вид переносу тепла здійснюється при переміщенні й перемішуванні всієї маси рідини або газу. У рідинах і газах перенос тепла конвекцією завжди супроводжується теплопровідністю, тому що при цьому здійснюється і безпосередній контакт частинок, що мають різну температуру. Одночасний перенос тепла конвекцією й теплопровідністю називають конвективним теплообміном. Якщо ж прямування робочого тіла викликано штучно (вентилятором, компресором тощо), то такий конвективний теплообмін називають змушеним. Якщо ж прямування робочого тіла виникає під впливом різниць густин окремих частин рідини від нагрівання, то такий теплообмін називають вільним або природним конвективним теплообміном.

Тепловий потік, переданий при конвективному теплообміні, визначається за формулою Ньютона:

 

,

(4.2)

 

де – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м ∙ °К);

– поверхня зіткнення теплоносія зі стінкою, м;

– температура теплоносія, °С;

– температура поверхні стіни, °С.

 

Коефіцієнт тепловіддачі має одиницю виміру Вт/(м²∙ °К) і являє собою кількість тепла, що проходить за одиницю часу від рідини (газу) до стіни (або навпаки) через 1 м² поверхні при різниці температур рідини й стіни 1°С. На відміну від коефіцієнта теплопровідності коефіцієнт тепловіддачі має дуже складну величину.

Величина коефіцієнта залежить від: характеру прямування рідини або газу (ламінарне або турбулентне) і природи його виникнення; їх швидкості прямування; фізичних параметрів рідини або газу; коефіцієнта теплопровідності; густини, теплоємкості, температури рідини або газу; поверхні, форми й лінійних розмірів омиваної поверхні.

Визначення величини для різноманітних випадків конвективного теплообміну здійснюється за даними експерименту з використанням критеріїв подібності – безрозмірних співвідношень параметрів, які характеризують фізичний процес.

Третій вид теплообміну називають випромінюванням (променистий теплообмін). Процес передачі тепла випромінюванням полягає в переносі тепла від одного тіла до іншого електромагнітними хвилями, що виникають у результаті складних молекулярних і атомних збурень і відбувається в три стадії:

– перетворення частини внутрішньої енергії одного з тіл в енергію електромагнітних хвиль;

– поширення електромагнітних хвиль у просторі;

– поглинання енергії випромінювання іншим тілом.

Передача тепла випромінюванням може відбуватися тільки між тілами з різною температурою. У техніці теплообмін випромінюванням відбувається в котлах, у системах опалення будівель, у сушильних агрегатах тощо. При високих температурах теплообмін випромінюванням переважає над іншими видами теплообміну, що має важливе значення.

За законом Стефана-Больцмана енергія тепловипромінювання (Вт) пропорційна четвертому ступеню абсолютної температури тіла, тобто:

 

,

(4.3)

 

де – коефіцієнт випромінювання тіла, Вт/(м²∙ °К⁴);

– абсолютна температура тіла, °К.

 

 

Коефіцієнт випромінювання залежить від природи тіла, обробки поверхні та температури тіла. Найбільший коефіцієнт тепловипромінювання має абсолютно чорне тіло, для нього Вт/(м²∙ °К⁴).

Якщо теплообмін випромінюванням відбувається між двома паралельними поверхнями, то кількість тепла, віддана випромінюванням більш нагрітої поверхні (температура ) менш нагрітій (температура ), складе:

 

,

(4.4)

 

де – приведений коефіцієнт тепловипромінювання, обумовлений формулою:

 

, Вт/(м2∙ °К),

(4.5)

 

де – коефіцієнт тепловипромінювання поверхні з температурою ;

– коефіцієнт тепловипромінювання поверхні з температурою ;

– коефіцієнт тепловипромінювання абсолютно чорного тіла.

 

Замість рівняння (4.4) іноді користуються рівнозначним йому рівнянням:

 

, Вт,

(4.6)

 

де – коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, Вт/(м²∙ °К).

 

З рівнянь (4.4) і (4.6) випливає, що:

 

, Вт/(м2∙ °К),

(4.7)

 

Чисельне значення коефіцієнта змінюється в досить широкому діапазоні у залежності від температури поверхонь, що беруть участь у процесі теплообміну.

Теплообмін конвекцією і випромінюванням

Якщо тепло передається одночасно конвекцією і випромінюванням, то для визначення загальної кількості тепла, одержуваного або відданого тілом, варто скласти почленно рівняння (4.2) і (4.6) і, приймаючи, що , одержимо:

 

, Вт,

(4.8)

 

Якщо поверхня сприймає тепло, то коефіцієнт теплопереходу, що входить у рівняння (4.8) називають коефіцієнтом теплосприйняття і позначають . Якщо від поверхні тепло передається навколишньому повітрю, коефіцієнт теплообміну називають коефіцієнтом тепловіддачі і позначають . Коефіцієнти і вимірюються у Вт/(м²∙ °С). Обернені їм розміри (тобто і ) називають відповідно термічним опором теплосприйняття () і термічним опором тепловіддачі ().

Значення коефіцієнтів тепловіддачі внутрішньої , а також коефіцієнти тепловіддачі зовнішньої поверхонь огородження подані в табл. 4.1.

 

Таблиця 4.1 – Розрахункові значення коефіцієнтів тепловіддачі внутрішньої та зовнішньої поверхонь огороджувальних конструкцій

Тип конструкції	Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2∙ °К)
Зовнішні стіни, дахи, покриття, перекриття над проїздами плоскі та з ребрами при відношенні висоти ребра до відстані між гранями сусідніх ребер:	8, 7 7, 6
Перекриття горищ та холодних підвалів	8, 7
Перекриття над холодними підвалами та технічними поверхами, що розташовані нижче рівня землі	8, 7
Вікна, балконні двері, вітражі та світло прозорі фасадні системи
Зенітні ліхтарі	9, 9

 

Повітря має дуже малий коефіцієнт теплопровідності ( повітря дорівнює 0, 0232 Вт/(м²∙ °С). Коефіцієнт теплопровідності твердих тіл вище, ніж у повітря, тому природно прагнення застосовувати повітряні прошарки в будівельних конструкціях у якості теплової ізоляції.

Тепло через повітряні прошарки передається теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням.

Теплопередача через повітряні прошарки залежить в основному від їх розташування (вертикального або горизонтального) та товщини, а також від напрямку теплового потоку.

Термічні опори замкнутих повітряних прошарків для холодного періоду року наведені в таблицях 4.2 та 4.3.

 

Таблиця 4.2 – Термічний опір замкненого повітряного прошарку, м²∙ °К/Вт, залежно від розміщення в конструкції

Товщина повітряного прошарку, м	Розміщення прошарку
горизонтальне при потоці тепла знизу вгору та вертикальне	горизонтальне при потоці тепла згори донизу
середня температура повітря у прошарку
0, 01	0, 13	0, 15	0, 14	0, 15
0, 02	0, 14	0, 15	0, 15	0, 19
0, 03	0, 14	0, 16	0, 16	0, 21
0, 05	0, 14	0, 17	0, 17	0, 22
0, 1	0, 15	0, 18	0, 18	0, 23
0, 15	0, 15	0, 18	0, 19	0, 24
0, 2 – 0, 3	0, 15	0, 19	0, 19	0, 24

 

Таблиця 4.3 – Термічний опір замкненого повітряного прошарку, м²∙ °К/Вт, при встановленні відбивної ізоляції

Кількість прошарків (товщиною від 3 мм до 10 мм)	Середня температура повітря прошарку	Тип відбивної ізоляції, товщина вспіненого шару, мм
А (одностороння)*	Б (двостороння)
		0, 34	0, 48	0, 84
		0, 30	0, 40	0, 79
		0, 79	1, 0	1, 30	0, 85	1, 39	1, 49
		0, 64	0, 79	1, 20	0, 82	1, 25	1, 40
*Примітка: Встановлення ізоляції відбивним шаром у бік приміщення

Процес передачі тепла через огородження, усі параметри якого залишаються незмінними в часі, називається стаціонарним і є найбільш простим випадком теплопередачі.

Прикладом одномірного температурного поля є плоска стінка необмеженого протягу, у якій зміна температури відбувається в одному напрямку. Однак, в огородженнях з теплопровідними включеннями або в кутових зонах зміна температури відбувається у двох або в трьох напрямках. Тоді доводиться мати справу із двомірним (плоским) або тривимірним (просторовим) температурним полем.

Найпростішим є одномірне стаціонарне температурне поле, яке для багатошарового огородження може бути визначене диференціальним рівнянням:

 

,

(4.9)

 

де – теплопровідність матеріальних шарів огородження.

 

Якщо лінійний масштаб перетину огородження замінити масштабом термічних опорів , то рівняння можна переписати у вигляді:

 

,

(4.10)

 

Конструкції сучасних багатошарових огороджень характеризуються поділом функцій між окремими матеріальними шарами (рис. 4.1). У загальному випадку огородження складається з конструктивного (несучого) шару, теплоізоляційного шару, а також паро- або гідроізоляційного шару, внутрішнього і зовнішнього фактурних шарів. Відносно режиму теплопередачі основними є конструктивний та теплоізоляційний шари. Конструктивним, як правило, є шар із щільного матеріалу зі значною теплопровідністю та стійкого для проникнення водяної пари і повітря. Матеріал теплоізоляційного шару звичайно пористий, пухкий, а, отже, з малою теплопровідністю, такий що добре пропускає водяну пару і повітря.

 

Рисунок 4.1 – Характерні типи конструкцій зовнішніх огороджень будівель перших масових серій:

а) – одношарова керамзитобетонна панель із внутрішнім та зовнішнім фактурними шарами; б) – двошарова панель (бетон, ефективний теплоізоляційний матеріал з фактурним шаром); в) – тришарова панель; г) – тришарова прокатна панель

 

В існуючих конструкціях будівель перших масових серій теплоізоляційний шар міг розташовуватися із внутрішньої та зовнішньої сторін огородження (рис. 4.2). Встановлено, що з теплотехнічної точки зору вигідніше розташовувати теплоізоляційний шар із зовнішньої сторони огородження, тому що в цьому випадку за інших рівних умов є наступні переваги:

1) відсутня можливість випадіння конденсату й нагромадження рідкої вологи в товщі конструкції, а тому не потрібне встановлення додаткової пароізоляції з внутрішньої поверхні огородження;

2) стик між матеріальними шарами перебуває при позитивних температурах, що виключає періодичний утвір у ньому льоду, що порушує контакт між шарами;

3) огородження більш теплотривке як до наскрізного загасання коливань температури зовнішнього повітря, так і до коливань теплонадходження у приміщення.

Недоліком рішення із зовнішнім утепленням стін є вплив атмосферних явищ безпосередньо на теплоізоляційний матеріал, що призводить до необхідності створення додаткового спеціального захисного шару.

 

Рисунок 4.2 – Криві розподілу температури (1), пружності (2) і максимальної пружності (3) водяної пари по товщині двошарового огородження при розташуванні теплоізоляційного шару із зовнішньої (а) і внутрішньої (б) сторін огородження (вертикальним штрихуванням відзначена умова можливої конденсації); 1 – теплоізоляційний шар, 2 – конструктивний шар

Цей приклад дуже наочно показує, що пристрій щільного захисного шару може привести до такого положення, коли більш вигідною виявиться конструкція з розташуванням теплоізоляції із внутрішньої сторони огородження (рис. 4.3, б) з додатковим при необхідності пароізоляційним шаром на її внутрішній поверхні. Як ми бачимо, застосування багатошарових сучасних систем огороджень вимагає додаткових розрахунків і досліджень на предмет правильності розташування шарів та застосування зовнішніх оздоблювальних матеріалів.

Будівельні огородження споруд складаються з одного або декількох матеріальних прошарків. До них відносяться зовнішні стіни, горищні перекриття тощо. В усіх цих випадках процес переходу тепла крізь огородження до більш холодного зовнішнього повітря залежить від променистого і конвекційного теплообміну біля внутрішньої та зовнішньої поверхонь огородження, а також від теплопровідності й товщини матеріальних прошарків власне огородження.