PREVOD C; TEPLO; V KONŠTRUKCII
PRENOS TEPLA V KONŠTRUKCIÁCH
V závislosti od kategórie pohodlia, ktorej sa týka, sa stavebná fyzika delí na:
teplotne vlhkostne je časť stavebnej fyziky, ktorá študuje procesy prenosu hmoty a tepla v konštrukciách, respektíve prenos vodnej pary (higro) a tepla (termo) cez uzatváracie alebo separačné stavebné prvky medzi prostrediami s rôznymi charakteristikami, ako aj účinky na ktoré ich majú na podmienky vnútornej mikroklímy, na podmienky hygieny a pohodlia, na životnosť a na fyzikálne vlastnosti stavebných prvkov
Hlavné faktory, ktoré určujú komfortné podmienky v miestnostiach, sú:
- povrchová teplota obmedzujúcich prvkov,
- rýchlosť pohybu vzduchu.
Je to základná súčasť všeobecného pohodlia tepelná pohoda. Tepelná pohoda musí zabezpečovať udržiavanie konštantnej teploty ľudského tela na základe rovnováhy medzi produkciou tepla v tele a uvoľňovaním do životného prostredia, čo sa dosahuje fyzicky prúdením, ožarovaním a vedením a fyziologicky potením a dýchaním.
Rozhodujúcim faktorom pre pocit pohodlia je to teplota vzduchu. Z dôvodu rozdielov medzi pocitmi ľudí (v závislosti od veku, pohlavia, zvyku atď.) Je komfortná teplota premenlivá; ak však majú ostatné parametre príslušné hodnoty, môžu byť povolené nasledujúce komfortné teploty:
- 1920 ° C pre statickú prácu;
- 10 ° C pre ťažkú fyzickú prácu.
Priemerná povrchová teplota prvkov ktoré vstupujú výmenou za teplo sálaním s obyvateľmi miestností, musia korelovať s teplotou vnútorného vzduchu: zvýšenie priemernej teploty obmedzujúcich plôch musí byť sprevádzané poklesom teploty vnútorného vzduchu a naopak, keďže ľudské telo.
Pojmy v stavebnej tepelnej technike
1. Teplota - parameter skalárneho stavu, ktorý charakterizuje stupeň zahriatia telies.
2. Tepelné pole predstavuje súhrn teplotných hodnôt, ktoré charakterizujú určitý priestor v danom okamihu.
3. Izotermický povrch je geometrické umiestnenie všetkých bodov s rovnakou teplotou v tepelnom poli.
4. Izotermické vedenie je geometrické umiestnenie bodov rovnakej teploty v rovine.
5. Teplotný gradient je hranica pomeru medzi teplotným rozdielom ΔT a vzdialenosťou Δx medzi dvoma bodmi, keď Δx → 0. Tepelný gradient má opačný smer ako smer šírenia tepla;
6. Množstvo tepla (Q) predstavuje množstvo energie a meria sa v jouloch (J) v SI alebo v tradičných jednotkách špecifických pre kalórie (cal) alebo kilokalórie (kcal).
7. Tepelný tok alebo tepelný tok (Q) je množstvo tepla, ktoré prechádza oblasťou v jednotke času:
8. Hustota tepelného toku alebo špecifický tok tepla (q) predstavuje číselne množstvo tepla, ktoré prechádza jednotkou povrchu v jednotke času, a fyzicky je vektorom nasmerovaným za normálu do izotermy.
Prenos tepla v stavebníctve
Základné formy prenosu tepla (vedenie, konvekcia, žiarenie) nájdeme aj v konštrukciách s niektorými zvláštnosťami:
- materiály majú kapilárno-pórovitú štruktúru, takže okrem kompaktných (kovy, sklo) má vnútorný prenos zložitý charakter;
- geometrické tvary ochranných prvkov sú rozmanité a nehomogénne a sú vyrobené z niekoľkých materiálov;
- pri kontakte prvkov konštrukcie vzduchu dochádza súčasne k prenosu vedením, konvekciou a žiarením;
- vzduch a vlhkosť výrazne ovplyvňujú prestup tepla v budovách;
- rozsah teplotných zmien je obmedzený.
Prenos tepla vedením
Je zvlášť charakteristická pre pevné telesá a spočíva v zbližovaní a šírení kinetickej energie molekúl, ktoré kmitajú vo vzťahu k rovnovážnej polohe.
V stavebníctve sa prenos tepla vedením uskutočňuje cez steny, okná, podlahy, strechy atď. Množstvo tepla, ktoré sa prenáša potrubím z jednej strany s teplotou T na druhú stranu s teplotou T homogénneho rovinného prvku hrúbky d, ktorý má rovnobežné plochy, s plochou A, je určené Fournierovým vzťahom:
Q = λ A (T - T) t/d = λ A ΔT t/d
Konštanta λ predstavuje súčiniteľ tepelnej vodivosti materiálov a je definované na základe vyššie uvedeného ako množstvo tepla prechádzajúceho z jednej strany na druhú homogénneho konštrukčného prvku s hrúbkou 1 ma plochou 1 m 2 po dobu jednej hodiny teplotný rozdiel medzi dievčatami 1 ° C (alebo 1K).
Tepelná vodivosť
Koeficient tepelnej vodivosti je termofyzikálna charakteristika materiálov, ktorá má hodnoty medzi 0,02 (vzduch) 364 (meď).
Pre súčasné stavebné materiály sú hodnoty koeficientu λ:
plné tehlové murivo: 0,80 W/mK;
- tehlové murivo s otvormi: 0,460,75 W/mK;
- expandovaný polystyrén: 0,04 W/mK.
Voda má koeficient tepelnej vodivosti 0,52 W/mK 25-krát vyšší ako vzduch, čo vysvetľuje zvýšenú tepelnú vodivosť mokrých materiálov.
l dobré vodiče 10 - 300 W/m K
l izolátory 0,04 - 0,20 W/mK
Faktory, ktoré ovplyvňujú veľkosť tepelnej vodivosti kapilárno-pórovitých materiálov, sú:
- hustota materiálu, pretože tuhá časť má vysoké vodivosti (2,5 3,5) vo vzťahu k vzduchu (0,026);
- štruktúra pórov a kapilár, pretože veľké dutiny alebo so spojeniami medzi nimi podporujú prúdenie vzduchu;
- vlhkosť, pretože voda má vyššiu tepelnú vodivosť ako vzduch (kvapalina 0,50 a ľad 2,21
D astav tepelného toku prenášaného vedením:
V prípade homogénneho plošného prvku hrúbky d, ktorý je vyrobený z materiálu s koeficientom tepelnej vodivosti λ, vyplýva z hustoty tepelného toku prenášaného vedením:
R = d/λ je definované ako odolnosť voči prestupu tepla vedením, alebo odolnosť voči tepelnej priepustnosti konštrukčného prvku inverzná veľkosť
λ/d je tepelná priepustnosť prvku.
Konvekčný prenos tepla
Vyskytuje sa prostredníctvom kvapalín a plynov a je dôsledkom transportu tepla pohybom tekutiny (prúdy). Na rozdiel od vodivého prenosu, pri ktorom sa molekuly nepohybujú v smere tepelného toku, v prípade konvekcie dochádza k posunu tekutej hmoty.
V stavebníctve dochádza k prenosu tepla prúdením medzi povrchmi prvkov a vnútorným alebo vonkajším vzduchom.
Množstvo prijatého tepla (Q c) alebo uvoľneného (Q`c) konvekciou stavebným prvkom možno určiť ako Newtonov vzťah:
T a T sú teploty vnútorného a vonkajšieho povrchu prvku;
T i a T e - teplota vnútorného a vonkajšieho vzduchu;
c a α`c sú koeficienty tepelnej výmeny (tepelného prenosu) prúdením pri príjme, respektíve pri prestupe tepla;
Konvekčný koeficient predstavuje množstvo tepla prijatého alebo odovzdaného po dobu jednej hodiny povrchom 1 m konštrukčného prvku, keď je teplotný rozdiel medzi kvapalinou a povrchom prvku 1 ° C. Jednotky merania koeficientov tepelnej konvekcie sú: W/m K v SI a Kcal/m h ° C.
Hodnoty konvekčných koeficientov závisia od povahy kvapaliny, povahy a vzhľadu povrchov, rýchlosti pohybu kvapaliny. Orientačne sú hodnoty αc: 310 pre stojaci vzduch; 530 pre voľný pohyb vzduchu (prirodzená konvekcia).
Prestup tepla žiarením
Vyskytuje sa vo forme elektromagnetických vĺn s vlnovými dĺžkami 0,4 400 (kalorické vlny), medzi telesami s rôznymi teplotami. V konštrukciách tepelné žiarenie zasahuje medzi vykurovacie telesá a prvky v miestnostiach, medzi ľudské telo a chladnejšie okolité objekty, medzi povrchy konštrukčných prvkov a vonkajší alebo vnútorný vzduch atď.
Množstvo tepla prenášaného žiarením z tela ako teplota T do tela ako teplota T so spoločným povrchom A sa určuje ako Stephan-Boltzmannov vzťah:
T a T sú absolútne teploty dvoch telies
c koeficient žiarenia vo W/m K, ktorý predstavuje množstvo vyžarovaného tepla 1 m tela vo vákuu po dobu jednej hodiny pri teplote 100 ° C.
Konštrukčné materiály majú koeficient žiarenia 4,9 W/m K
Prestup tepla na povrch konštrukčných prvkov
Povrchy obmedzujúcich konštrukčných prvkov prijímajú alebo poskytujú teplo konvekciou a žiarením
Pri tepelnom výpočte stavieb sa pomocou niektorých zohľadňujú oba javy globálne súčinitele prechodu tepla na vnútornom a vonkajšom povrchu konštrukčných prvkov (α i, α e
Teplo prijaté alebo dané povrchom prvkov je súčtom množstiev prijatého tepla, respektíve daných konvekciou a žiarením, koeficientmi tepelného prenosu na povrch (povrchová výmena):
Obvyklé hodnoty týchto koeficientov pre tepelný výpočet stavieb sú: α i e = 23 (zima); α e = 12 (var).
Inverzná hodnota týchto koeficientov predstavuje odpory voči príjmu, respektíve voči prestupu tepla povrchmi konštrukčných prvkov:
Všeobecný prenos tepla v budovách v stacionárnom tepelnom režime
Jednosmerný prenos tepla
Prenos tepla cez uzatváracie prvky prebieha v chladnom období z vnútorného vzduchu do vonkajšieho prostredia a naopak v obdobiach s vysokými vonkajšími teplotami vzduchu. V prípade plochých prvkov s rovnobežnými plochami s homogénnymi vrstvami je tepelný tok na povrchu normálny a prenos tepla možno považovať za jednosmerný.
Celkový súčiniteľ prechodu tepla (tepelný prenos):
predstavujúce množstvo tepla, ktoré prechádza v stacionárnom tepelnom režime cez plochu 1 m 2 prvku, po dobu 1 hodiny pre rozdiel medzi teplotami týchto dvoch priemerov 1 ° C (alebo 1 K).
Plochý a priestorový prenos tepla. Tepelné mosty
V prípade rohov medzi uzatváracími prvkami, spojov alebo prvkov s nehomogenitami sa teplo šíri v dvoch alebo troch smeroch, pričom tepelné pole je ploché alebo priestorové. Plochý alebo priestorový prenos dáva prednosť zintenzívneniu tepelných strát a vyžaduje si miestne nápravné opatrenia.
Plochy v konštrukčných prvkoch, ktoré vďaka geometrickej skladbe a nehomogénnej štruktúre umožňujú zosilnenie prestupu tepla, sa nazývajú tepelné body.
Prenos tepla v nestacionárnom režime
Z dôvodu časovej premenlivosti reálnych hodnôt teploty vzduchu je tepelný režim prakticky variabilný. V nestacionárnom tepelnom režime je tepelný tok tiež premenlivý v závislosti od hrúbky prvkov, čo je funkciou akumulácie tepla a únosnosti stavebných prvkov.
Koeficienty tepelnej asimilácie je termofyzikálna charakteristika materiálov, ktorá naznačuje ich schopnosť absorbovať teplo a počíta sa za obdobie T = 24 h so vzťahom:
S = 0,59 (W/m K)
Index tepelnej zotrvačnosti (D) odráža kapacitu akumulácie alebo prenosu tepla prvkami a je určená vzťahom:
Na základe indexu tepelnej zotrvačnosti je definovaný tepelná hmota konštrukčných prvkov charakterizovaných súčiniteľom tepelnej hmotnosti:
v závislosti od toho, ktoré prvky sa považujú za prvky s nízkou tepelnou hmotou (m (m = 1,01,1) a vysokou (m> 1).
Tlmenie teplotných oscilácií
Kvôli vlastnosti tepelnej asimilácie materiálov a prvkov sa teplotné oscilácie na jednej z plôch oddeľovacieho prvku prejavujú na druhej strane s menšími amplitúdami, čím sa tlmia.
Tlmenie tepelných kmitov predstavuje kapacitu konštrukčného prvku znížiť amplitúdu teplotných kmitov pri prechode tepla cez prvok. V konštrukciách sa uvažuje sínusová tepelná oscilácia, pretože amplitúdy AT sú vonku, respektíve AT a vo vnútri.
Používa sa na charakterizáciu tlmiacej schopnosti prvkov index tepelného tlmenia (ν), definované vzťahom:
a ktorej efektívna hodnota zodpovedajúca prvku sa stanoví výpočtom v závislosti od koeficientu tepelnej asimilácie materiálov (sk) a vrstiev zložiek (Sk), ako aj od celkového indexu tepelnej zotrvačnosti (D), alebo sa stanoví experimentálne.
Fázový posun tepelných kmitov
V premenlivom tepelnom režime sú v dôsledku tepelnej zotrvačnosti prvkov teplotné oscilácie, ktoré sa prejavujú na jednej strane, pociťované na druhej strane s oneskorením (a tlmené).
Časový interval od okamihu tepelného pôsobenia na jednu z tvárí prvku do pocitu na druhom povrchu predstavuje fázový posun tepelných kmitov (Η).
Posun tepelnej fázy je dôležitý v súvislosti s komfortom v lete, keď je potrebné, aby bol vplyv zahrievania vonkajších prvkov v dôsledku vysokej teploty vzduchu a slnečného žiarenia v interiéri pociťovaný s náležitým oneskorením, aby bolo možné vhodne zasahovať počas dňa, keď je vzduch v miestnosti. chladenie.
Na zabezpečenie tejto požiadavky je potrebné, aby vonkajšie konštrukčné prvky zabezpečili efektívny fázový posun:
Tepelný výpočet stavebných prvkov
Vonkajšie uzatváracie prvky budov (steny, strechy) musia byť vyrobené tak, aby neumožňovali tepelné straty väčšie ako prípustné, stanovené z dôvodu pohodlia, hygieny, trvanlivosti alebo ekonomických kritérií.
Globálna odolnosť voči prenosu tepla prvku (R0) musí byť minimálne rovné normatívnej hodnote, požadované minimum (R0, in):
Tepelný výpočet konštrukčných prvkov pozostáva v zásade z:
z - kontrola stupňa tepelnej izolácie, keď sa stanoví zloženie prvku, na základe vzťahu:
b - dimenzovanie minimálnej hrúbky prvku alebo tepelnoizolačnej vrstvy, tiež na základe stavu, R ≥ R 0, na limit sa nevzťahuje.