|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 2 3 4 ... 42 строительная теплофизика Настоящий учебник написан в соответствии с учебной программой диспип-лины Строительная теплофизика . Поскольку книга предназначена для студентов специальности Теплогазоснабжение и вентиляция , то в ней рассмотрены только явления и процессы, происходящие в здании. Вопросы чисто физические при изучении этой дисциплины связаны с техническими. Расчет возможного развития физических процессов требует принятия определенного технического решения, поэтому эту область знаний часто называют строительной теплотехникой. В курсе особый акцент делается на рассмотрение физических явлений, поэтому он назван строительной теплофизикой. Для рассмотрения процессов тепло- и массообмена, происходящих при формировании микроклимата помещения, нужно знать: требования к характеристикам внутреннего климата и факторы, влияющие на них; законы взаимодействия ограждений с внутренней и иарукной средами; тепло- и массообмеи-яые процессы на обогревающих и охлаждающих поверхностях и в потоках воздуха систем кондиционирования в помещении; явлении, происходящие в конструкциях и материалах при передаче через них тепла, влаги и воздуха? характеристики наружного климата и законы их изменения; годовые режимы работы и потребления энергии в здании. В связи с такой постановкой вопроса в строительной теплофизике используются сведения из теории тепло- и массообмена, теплопередачи, теории подо-<5йя, термодинамики влажного воздуха, термодинамики необратимых процессов, климатологии и др. Значение этой дисциплины особенно велико для советского инженера при широком распространении в отечественном строительстве разнообразных конструкций ограждений* и систем отопления и кондиционировании. Второе издание учебника значительно отличается от первого, выпущенного в 1970 г. В нем обновлен практически весь материал, введены новые разделы. Настоящий курс написан для студентов, будущих теплотехников-стро телей, которым в проектных организациях и на производстве придется решать все вопросы, относящиеся к строительной энергетике. При изложении материала учитывалось наличие в учебном плане специальности дисциплин: термодинамика и тенлопередача, гидравлика и аэродинамика; отопление, вентили-ция и кондиционирование воздуха; теплоснабжение. Это обстоятельство поз- волило сократить курс и избежать изложения общих вопросов из смежных дисциплин, знание которых необходимо при изучении данного предмета. Задача учебника состоит в том, чтобы научить будущего инженера правильно устанавливать прогноз теплового, влажностного и воздушного режимов здания, его отдельных помещений и конструкций, с тем чтобы принять оптимальные (с гигиенической, технической и экономической точек зрения) решения при его проектировании. в учебнике, так же как это сделано в учебной программе, материал излагается без разделения на основной и дополнительный. В заключение следует отметить, что в настоящем курсе нашли отражение материалы, которые использовались автором при чтении лекций в МИСИ им. В. В. Куйбышева с 1962 г. В большой мере они содержат результаты научны исследований в области теплофизики, выполненных большой группой преподавателей, научных сотрудников, аспярантов и студентов кафедры отопления и вентиляции МИСИ им. В. В. Куйбышева. На кафедре изучались вопросы теплообмена в помещении, комфортности внутренних условий, выбора расчетных наружных условий, теплоустойчивости и летнего режима помещений, воздушного режима-зданий, влажностного режима ограждений, годового режима работы и регулирования систем кондиционирования. Результаты этих работ по мере нх накопления и о1общения включались в лекции. Они положены в основу при изложении соответствующих разделов в учебнике, В учебнике приняты две системы единиц измерения: СИ и МКГСС. Такое решение вызвано тем, что до настоящего времени все нормативные документы и справочники изданы в системе МКГСС. Физические величины и размерности в учебнике вначале даются в СИ, а в скобках - величины и размерности в системе МКГСС. Формулы с размерными численными коэффициентами даны под одним номером сначала в СИ, а затем (через две вертикальные черты) - в системе МКГСС. Литература по общим вопросам учебника и частным вопросам отдельных глав приведена в конце книги. Автор благодарит преподавателей, аспирантов и сотрудников кафедры Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха МИСИ им. В. В. Куйбышева за помощь при подготовке рукописи, а также рецензента д-ра техн. наук, проф. А. А. Сандера за конструктивные пожелания и замечания. Все предложения и замечании по содержанию учебника просьба направлять в адрес издательства. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН Q - тепловой поток, тепловая мощность, Вт/кал/ч); д - плотность теплового потока Вт/м2[ккал/(м2-ч)1; Т, t - температура, К ( °С); X - температура поверхности, К (С); At -разность температур, К (°С); 8 - избыточная температура, К (°С); е - относительная избыточная величина (температура, потенциал влажности и др.); г - время, ч, с; Т - период времени, ч, с; С - излучение поверхности, Вт/(м=-К ) !ккал/(м*-ч-К )1; 8 - относительный коэффициент излучения; Е - интенсивность лучистого потока, Вт/мЧккал/(м'ч)) ф - коэффициент облученности (угловой коэффициент); Ф - коэффициент полной облученности; а - коэффициент теплообмена, Вт/(м=-К) [ккал/(м=.ч- Ql; Р - коэффициент температурного расширения (объемный) l/Kd/C); g - ускорение силы тяжести, м/с^; v - коэффициент кинематической вязкости, mVc; р - плотность (объемная масса), кг/м^; -теплопроводность, Вт/(м-К) [ккал/(м-ч-°С)1; с - массовая теплоемкость, Дж/(кг-К) 1ккал/(кг-°С)1; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м^-К) (ккал/(м2-ч-°С)1; R - термическое сопротивление м^К/Вт (м^-ч-С/ккал); L - объемный расход воздуха, мз/ч; / - массовый кг/(м=-ч); Р - давление, мм рт. ст. и расход воздуха. Па (кг/м^); мм вод. ст); влагосодержание, отнесенное к массе сухого материала, кг/кг; в - потенциал влажности, °В; Ф i Р - относительная влажность воздуха; - относительный потенциал влажности; влагопроводность, кг/(м^-ч-°В); - плотность потока влаги, кг/(м2-ч); влагоемкость, (кг/кг)/°В; коэффициент влагообмена, кг/(м=-ч-°В); ц - химический потенциал, Дж/кг (ккал/кг); б - толщина, н; 0 - калибр; Uf - ширина в два калибра; е - протяженность, м; / - фактор формы; h - высота помещения или прибора, м; Н - высота здания, м; А - амплитуда колебания величины (температуры, теплового потока и др.); v - показатель затухания амп- литуды колебания температуры; е - запаздывание во иремени колебаний, ч; D - условная толщина, показатель тепловой массивности, теплоинерционность; 5 - теплоусвоение материала Вт/(м=-К) 1ккал/(м=-ч-°С)1 V - показатель теплоусвоения Вт/(м=-К) [ккал/(м=-ч-°С)) В, р - показатель теплопоглоще ния, Вт/(м=-К)1ккал/(м=-ч-°С)) S - коэффициент прерывис- тости ; Л - показатель интенсивности конвективного теплообмена, Вт/К 1ккал/(ч-°С)); S - коэффициент проводимости воздуха, кг/(м'Па) 1кг/(м^х Хч-мм вод. ст.)]; Ra - сопротивление воздухо- проиицаиию, м^Ч-Па/кг (м'-ч(кг/м')/кг) k - аэродинамический коэффициент; V - скорость, составляющая ско- рости /ПО оси X, м/с; и - составляющая скорости по оси у, м/с; т - касательное ИЫ (кг/м2); напряжение, Л - коэффициент динамической вязкости, Н'с/м^(кг-с/м^); о5 - коэффициент обеспеченности; J - энтальпия влажного воздуха, Дж/кг (ккал/кг); d - влагосодержание влажного воздуха, кг/кг; - приведенные затраты, - стоимость (тепла, материала), руб. на единицу продукции; - отчисления на амортизацию и ремонт; - интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/м^ [ккал/(м2-ч)]; - то же, прямой, Вт/м^ 1ккал/ (м^-ч)]; - то же, рассеянной, Вт/м^ [ккал/(м2ч)]; - то же, отраженной, Вт/м^ [ккал/(м2-ч)]; - коэффициент отражения излучения поверхностью (альбедо); р - коэффициент поглощения излучения поверхностью; т - коэффициент проницания излучения; k - коэффициент поглощения излучения в толще полу-прозрачНвго материала, 1/м; 8 - направление луча процесса в /-d-диаграмме, Дж/кг (ккал/кг). , Критерии Bi - Био Рг - Прандтля Gr - Грасгофа Ra - Рэлея Re - Рейнольдса Nu - Нуссельта Аг - Архимеда Кп - Кондратьева Fo - Фурье Во - Больцмаиа Sk- Старка ВВЕДЕНИЕ Строительная наука состоит из большого числа разделов, затрагивающих разные отрасли знаний. Многие из этих разделов, бывшие до недавнего времени частями физики, механики, геологии и других наук, превратились в настояш,ее время в самостоятельные научные дисциплины. Одной из таких дисциплин является строительная теплофизика, в которой изучаются явления передачи тепла, переноса влаги, фильтрации воздуха применительно к строительству. Для строителей важны многие вопросы, относяш,иеся к области строительной теплофизики. Это промерзание, пучение грунтов и их взаимодействие с инженерными сооружениями в районах сезонного промерзания.грунтов и в области вечной мерзлоты ; тепловлажност-ный режим гидротехнических сооружений, особенно в зоне переменного горизонта воды и фильтрации грунтовых вод; вопросы морозостойкости материалов, сушки изделий, процессы тепло- и массообмена при твердении бетона и изготовлении строительных деталей и конструкций на заводах. Среди всех строительных сооружений здания подвержены наиболее сложным физическим воздействиям. Процессы тепло- и массообмена в помещениях зданий и отражающих конструкциях, которые рассматриваются в книге, связаны с действием наружных климатических условий, а также с работой систем кондиционирования микроклимата. Климат нашей страны исключительно разнообразен. В районе Оймякона в Якутии расположен полюс холода обжитых районов Земли, где температура понижается до -7Г при среднегодовой температуре -17°. (Полюс абсолютного холода Земли расположен в районе станции Восток в Советском секторе Антарктиды. Здесь температура понижается до -87,6° при среднегодовом ее значении около -50°). В Узбекистане (г. Термез) температура повышается до +48° при среднегодовой температуре +18°. Во многих пунктах побережья Ледовитого океана отопительный период продолжается весь год, в то время как в отдельных районах Средней Азии и Кавказа он продолжается менее трех месяцев, например в Батуми, Гагре - 75 дней. Но в жарких районах необходимо защищать здания от перегрева солнечной радиацией и обеспечивать искусственное охлаждение помещений в течение продолжительного жаркого периода гида. Климат большей части территории нашей страны более суров, чем других государств. Представление об этом дает табл. В.1, в которой сопоставлены характерные наружные температуры по данным многолетних наблюдений для некоторых городов мира. Строительная теплофизика как научная дисциплина начала развиваться в нашей стране сравнительно недавно (с 20-х годов). Для ее развития много сделано инженерами-строителями и строителями- Таблица (B.l Географический пункт Географи ческая широта Среднемесячные температуры, °С наиболее жаркого месяца
наиболее холод ного месяца Москва...........\ Ташкент ........... Париж ............ Афины ........... Токио . . ........ Сан-Франииско ........ Квебек .......... теплотехниками В. Д. Мачинским, Г. А. Селиверстовым, О. Е. Власовым, К- Ф Фокиным, С И. Муромовым, Р. Е. Бриллингом, Б. Ф. Васильевым, В. М. Ильинским, Ф В Ушковым, Н. С. Ермолаевым, А. М Шкловером, Л. А. Семеновым, С. Н Шориным, М. И. Кисейным и др. В 50-х годах в строительной теплофизике произошли качественные изменения в связи с исследованиями А В. Лыкова и его физико-математической школы. Сложные теплофизические задачи в строительстве решаются теперь современными математическими и физическими методами с применением теории подобия, методов аналогии, счетно-решающих устройств и т. д. Строительная теплофизика рассматривает вопросы, относящ,иеся к области деятельности специалистов по конструкциям зданий и системам кондиционирования микроклимата. На рис. В. 1. условно показаны эти области. Теплотехники-строители занимаются вопросами создания микроклимата в помещении, применяя системы кондиционирования (отопления - охлаждения и вентиляции) с учетом влияния наружного климата через ограждения. Строителей, специалистов по конструкциям зданий, интересует режим ограждений под действием внутренних условий и наружного климата в связи с долговечностью конструкций и их эксплуатационными свойствами. Полносборное строительство зданий и его инженерного оборудования из крупноразмерных элементов с применением высокоэффективных материалов является основным направлением развития современной строительной техники. С переходом к новому виду высотной, многоэтажной застройки создаются и совершенствуются конструкции элементов сборных зда-  Рис. В. 1. Сферы теплофизики помещения (/) и ограждения (2) НИИ, используются новые теплоизоляционные, облицовочные и конструктивные материалы с разнообразными физическими свойствами. В настоящее время в полносборном строительстве наряду с большими успехами имеется ряд недостатков, которые связаны с малой изученностью, а в ряде случаев и с недооценкой вопросов строительной теплофизики. В мире происходит гигантское потребление энергии, которое постоянно возрастает. Ежедневно сжигается то, что Земля накапливала тысячу лет. По оценкам международных организаций, потребление энергоресурсов к концу XX в. возрастет в 2,5 раза по сравнению с 1975 г. и составит 18 - 21 млрд. т условного топлива (тут). При этом будет потребляться -~80% органического топлива (уголь - 30%, нефть -32% и газ - 18%), запасы которого ограничены, 7% - гидроэнергии и 13% атомной энергии. Советский Союз - единственная промышленно развитая страна, живущая за счет собственных энергоресурсов. Топливно-энергетический комплекс, созданный в нашей стране, поглощает Vs всех капиталовложений в промышленность и строительство и значительную часть всех материальных и трудовых ресурсов. Отмечается постоянное повышение стоимости топлива, возрастает дальность его транспортировки, В соответствии с постановлением Госстроя СССР от И января 1979 г. стоимость замыкающего топлива при экономических оценках проектных решений увеличена в среднем по всей территории страны в два раза. В последних постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР неизменно подчеркивается исключительная важность вопросов эффективного и экономного использования энергии. В строительной индустрии расходуется много энергии, но главное состоит в том, что основной объект строительства - здания и сооружения - потребляют огромное количество топливно-энергетических ресурсов. Расход топлива на теплоснабжение зданий составляет 40% всего добываемого топлива. При этом на жилые и общественные здания расходуется 26% (в городах - 18%, э сельской местности -8%), на промышленные здания - 14%. Удельная теплопотребность в строительстве, к сожалению, не сокращается. В современных зданиях потребность в тепле больше, чем в зданиях 50-60-х годов строительства. В результате основной энергетической задачей в области строительства является проектирование зданий и сооружений с эффективным использованием энергии, модернизация существующего фонда зданий в целях экономии энергии. Рассмотренные в учебнике вопросы должны дать будущему инженеру-строителю знания в области строительной теплофизики, которые позволят ему решать важные для страны задачи эффективного и экономичного расходования топливно-энергетических ресурсов в области строительства. глава i ТЕПЛООБМЕН В ПОМЕЩЕНИИ § 1.1. тепловой режим здания Тепловым режимом здания называется совокупность всех факторов и процессов, определяющих тепловую обстановку в его помещениях. Помещения здания (рис. I.I) изолированы от внешней среды ограждающими конструкциями, что позволяет создать в них определенный микроклимат. Наружные ограждения защищают помещения от непосредственных атмосферных воздействий, а специальные системы кондиционирования поддерживают определенные заданные параметры внутренней среды. Совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в помещениях здания (ограждающие конструкции, солнцезащитные устройства, другие конструктивно-планировочные средства, а также системы отопления - охлаждения, вентиляции, кондиционирования воздуха), называют системой кондиционирования микроклимата (СКМ) Под действием разности наружной и внутренней температур, солнечной радиации и ветра помещение теряет тепло через ограждения зимой и нагревается летом. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию  Тепло Влт 1-г I I  Темпдратта грцнт Рис. 1.1. Различные виды воздействий на тепловой, воздушный и влажностный режимы помещения в здании 944995891� воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материала и неплотности ограждений. Атмосферные осадки, вла-говыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение защитных свойств и долговечности наружных стен и покрытий. Процессы, формирующие тепловую обстановку помещения, необходимо рассматривать в неразрывной связи между собой, ибо их взаимное влияние может оказаться весьма существенным. Например, фильтрация воздуха и увлажнение конструкций могут в несколько раз увеличить теплопотери помещения зимой. В то же время создание благоприятной воздушной среды в помещении требует организации его воздухообмена и влагообмена с наружной средой. § 1.2. ТЕПЛООБМЕН В ПОМЕЩЕНИИ При эксплуатации зданий определяющим является тепловой режим помещений, от которого зависит ощущение теплового комфорта людей, нормальное протекание производственных процессов, состояние и долговечность конструкций здания и его оборудования. Тепловая обстановка в помещении определяется совместным действием ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха помещения, наличием струйных течений, распределением параметров воздуха в плане и по высоте помещения, а также радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от их температуры, геометрии и радиационных свойств. Под действием конвективного и лучистого теплообмена и процессов массопе-реноса температуры воздуха и поверхностей в помещении взаимосвязаны и оказывают воздействие друг на друга. Для изучения формирования микроклимата, его динамики и способов воздействия на него нужно знать законы теплообмена в помещении. Общая схема теплообмена в помещении приведена на рис. 1.2. Из нее следует, что в помещении в обмене теплом участвует ряд элементов. Это воздух основного (не занятого струйными течениями) объема помещения, поверхности, обращенные в помещение, объемы струй воздуха, внешние среды (наружный воздух, теплохладоноси-тель в приборах системы отопления- охлаждения). Между перечисленными элементами происхо-  Рис. 1.2. Общая схема теплообмена в помещении: / - воздух основного объема помещения; 2 - поверхности, обращенные в помещение; 3 - струн Воздуха; 4 - внешняя среда; 5-конвективный теплообмен; в - лучистый теплообмен; 7 -струйный теплообмен; 8 - теплообмен теплопроводностью; / - наружное ограждение; - панель (отопительный прибор) системы отопления (охлаждения): / - нензотермическая струя приточного воздуха дят следующие виды обмена теплом. Конвективный (К) теплообмен возникает между воздухом и поверхностями ограждений и приборов системы отопления - охлаждения, лучистый (Л) теплообмен - между отдельными поверхностями. В результате турбулентного перемешивания неизотермических струй воздуха с воздухом основного объема помещения происходит струйный (Ст) теплообмен. Внутренние поверхности наружных ограждений в основной теплопроводностью (Т) через толщину конструкций и теплообменом передают тепло наружному воздуху, а поверхности приборов также теплопроводностью и теплообменом - теплохладоносителю системы отопления - охлаждения. Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепловой режим помещения, является теплообмей на поверхностях. Тепловой баланс любой поверхности i в помещении (рис. 1.2) в стационарных и нестационарных условиях может быть представлен на основе закона сохранения энергии уравнением J7t + Kt + Tt = 0. (1.1) Лучистая Ль конвективная Kt и кондуктивная (теплопроводностью) Т/ составляющие теплообмена на поверхностях в помещении могут изменяться во времени, иметь различную величину и знак, но уравнение (1.1) остается неизменным для всех поверхностей в стационарных и нестационарных условиях теплообмена. Исключение составляют поверхности, на которых происходят явления, связанные с дополнительным выделением и поглощением тепла (испарение воды или кон- денсация водяного пара, облучение сосредоточенным источником тепла и пр.). Для таких условий в уравнение теплового баланса (1.1) необходимо ввести слагаемые, учитывающие наличие до полнительных источников или стоков тепла. Температуры поверхностей в помещении неодинаковы. Обычно зимой и летом наружные ограждения и приборы систем отопления - охлаждения бывают более нагретыми или охлажденными по сравнению с внутренними стенами, которые имеют температуру, близкую к температуре воздуха в помещении. Между поверхностями происходит теплообмен излучением, подчиняющийся общим физическим закономерностям, пользоваться которыми в инженерных расчетах сложно. Лучистый теплообмен в помещении происходит в условиях ограниченного диапазона значений температур, определенных радиационных свойств поверхностей, геометрии их расположения и пр. Рассмотрим особенности излучения поверхностей и лучистого теп-, лообмена в помещении, с тем чтобы упростить задачу и получить достаточно точную и простую методику для инженерного расчета. § 1.3 свойства теплового излучения поверхностей Все поверхности помещения являются источниками теплового излучения. Тепловые лучи, идущие от нагретых поверхностей, представляют собой электромагнитные волны, тождественные по своей природе видимому свету, радиоволнам и др. Электромагнитные коле- 1 2 3 4 ... 42 |