Изучение процессов переноса, поглощения, трансформации тепла в пределах здания, представляющего сложную систему ограждающих конструкций и инженерного оборудования, относится к разделам строительной физики. В свою очередь раздел физики, рассматривающий связанные с превращениями энергии тепловые явления базируется на трех опытных законах, называемых началами термодинамики. Принято считать, что для анализа теплозащиты зданий можно ограничиться феноменологической термодинамикой и положениями двух законов: о сохранении энергии для замкнутой системы, где расход подведенной тепловой энергии может идти на повышение ее внутренней энергии и на производимую против внешних сил работу, и о невозможности перехода тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Физическая модель теплозащиты здания включает представления о процессах передачи тепла через границу или пространственную оболочку здания, отделяющую проектируемую внутреннюю среду от наружной среды, определяемой климатическими характеристиками места строительства. Существенными являются данные о параметрах оболочки или ограждающих конструкциях (стенах, покрытиях или чердачных перекрытиях, цокольных перекрытиях), которые дополняются значениями параметров внутренних помещений здания. Модель позволяет ограничиться в первом приближении рассмотрением стационарных условий, когда потоки тепла через ограждения можно считать установившимися.
Наружная и внутренняя среда помещений здания обычно связана с состоянием воздушной среды, а именно, температурой и влажностью воздуха. Поэтому в рассматриваемой физической модели теплозащиты здания должны учитываться как процессы переноса тепла или переноса энергии, так и процессы переноса воздуха и влаги или переноса массы. Параметры, определяющие величины теплового обмена и массообмена, характеризуются потенциалам переноса. Потенциалом или мерой теплового состояния вещества является его температура, а потенциалы переноса воздуха и влаги определяются парциальным давлением водяного пара или общим давлением, например, атмосферным или ветровым. Процессы переноса тепла, воздуха и влаги в ограждающих конструкциях и пространстве помещений обусловлены исключительно разностью температуры или давления в различных точках в толще ограждений или участках помещений. Количество переносимого тепла оказывается пропорциональным разности температур на рассматриваемом участке ограждения.
Тепловое состояние ограждающих конструкций, определяемое переменными во времени внешними температурными воздействиями и требованиями стабильности параметров внутренней среды, является основным объектом расчетов и моделирования в задачах проектирования тепловой защиты зданий. При этом обычно разделяются теплофизические расчеты для условий холодного времени года с учетом наиболее низких температур наружного воздух, которые принято называть расчетами теплозащиты зданий, и условий для южных регионов страны в теплое время года с учетом периодического нагрева и охлаждения при ежедневном облучении здания солнцем, которые принято называть расчетами теплоустойчивости. В первом случае для расчетов температурных полей в ограждающих конструкциях обычно принимаются условия постоянства температур наружной и внутренней сред и установившейся теплопередачи, а во втором случае условия квазистационарности или установившейся периодичности теплопередачи.
Теплообмен в пределах здания и его границ подчиняется второму закону термодинамики и тепло передается в направлении от зоны с более высокой температурой к зоне с более низкой температурой. Величина теплового потока оценивается как суммарное количество теплоты, переносимое за единицу времени через тело или плоскость в пространстве, измеряемое в Дж/с = Вт , или как плотность этого потока, переносимого количества теплоты через единицу поверхности тела или объема за единицу времени
, измеряемого в Вт/м2.
При анализе теплового режима зданий, включающего все связанные с переносом тепла процессы из более нагретой воздушной среды в другую более охлажденную среду через разделяющую их ограждающую конструкцию, можно определить их в общем случае просто теплопередачей. В твердых материалах конструкций основным видом передачи тепла принято считать теплопроводность, которая присутствует также и в аморфных средах, но менее значима, например, в воздушной среде. Однако в воздушной среде вблизи твердых поверхностей ограждений преобладающими становятся такие процессы теплообмена, как конвекция и излучение. Они являются существенными в расчетах воздушных прослоек и пустот в ограждающих конструкциях. Подобный теплообмен между поверхностью и прилегающей к ней воздушной средой с большей или меньшей температурой принято называть соответственно тепловосприятием и теплоотдачей. Таким образом, в формирующих здание средах и используемых строительных материалах наблюдаются три основных вида теплопередачи, которые требуют более детального рассмотрения.
Теплопроводность среды подразумевает направленный перенос тепла от более нагретых участков или участков с большей температурой, к участкам менее нагретым или с меньшей температурой, приводящий к выравниванию температуры. Физическими характеристиками этого вида теплопередачи через выделяемый в среде объем являются:
– площадь поперечного сечения А, перпендикулярного направлению потока передаваемого тепла, м2;
– толщина или ширина выделяемого объема
, м;
– разность температур
и
в двух заданных точках объема
, ?С;
– свойство материала, определяемое как коэффициент теплопроводности
, численно равное количеству теплоты, переносимой через единицу поверхности и единицу толщины материала при разности температур двух точек, равной единице, Вт/(м·?С).
Применяемые в современном строительстве ограждающие конструкции включают материалы со значениями коэффициентов теплопроводности в пределах от 0.03 Вт/(м?С) для конструкций с высокой теплоизолирующей способностью и до 100 Вт/(м?С) и более для включаемых в конструкции сравнительно теплопроводных металлов.
Известное в физике уравнение теплопроводности или уравнение Фурье дает описание плотности потока тепла при непрерывном одномерном изменении температуры среды по оси
в виде соотношения:
Строительство домов из кирпича Стена из кирпича Кирпичный дом Кирпичная стена Виды кирпича Видеоурок
