Термическое сопротивление конструкций

При установившихся условиях передачи тепла в любом слое ограждающей конструкции температура не изменяется, поскольку не происходит нагревания или охлаждения этого слоя.

Поток тепла Q, проходящий через любое сечение однородной конструкции, прямо пропорционален разности температур ?t на ее поверхностях и обратно пропорционален термическому сопротивлению R этой конструкции, т. е.

Термическое сопротивление однородной конструкции или отдельного конструктивного слоя выражается отношением толщины б к коэффициенту теплопроводности ?¹ материала, т. е.:

Для конструкции, состоящей из нескольких слоев (1, 2, 3...n)

Общее сопротивление конструкции R₀ теплопередаче, с учетом сопротивлений теплообмену на ее внутренней и внешней поверхностях, составит:

Если температуры внутреннего и наружного воздуха не изменяются во времени и известны их значения t_в и t_н, а также термические сопротивления отдельных слоев конструкции, легко определить температуры на поверхностях ограждающей конструкции и на границах отдельных слоев.

Из равенства потоков тепла, проходящих через любое сечение х конструкции и через все ограждение в целом (рис. 1.9), т. е.

следует, что температура в плоскости х—t_x и на внутренней поверхности ограждающей конструкции t_в.п вычисляется по формулам:

где ?R_x — сумма термических сопротивлений от внутренней поверхности конструкции до сечения х; R_в — сопротивление теплообмену на внутренней поверхности.

При графическом построении линии распределения температуры в слоистой ограждающей конструкции, вычерченной в масштабе реальных толщин отдельных слоев, уклон этой линии в пределах каждого слоя составит:

Чем больше коэффициент теплопроводности ?, тем круче падение линии распределения температур в пределах рассматриваемого слоя.

В слоистой конструкции, выполненной из материалов с различной теплопроводностью, распределение температур выражается ломаной линией (рис. 1.10, а). Эта линия превращается в прямую, соединяющую значения t_в и t_н, если слоистая ограждающая конструкция вычерчена в масштабе термических сопротивлений R (рис. 1.10, б); в этом случае уклоны ?t/R в пределах каждого слоя равны потоку тепла Q и, следовательно, в установившихся условиях теплопередачи равны друг другу.

Пример 1.2. Определить сопротивление теплопередаче R₀ наружной стены жилого дома для климата умеренной влажности (нормальной) и вычислить распределение температур при установившемся потоке тепла через эту стену. Конструкция стены выполнена в виде крупной панели из керамзитобетона толщиной 0,3 м, покрытий с внутренней и наружной сторон фактурными слоями толщиной по 0,015 м (рис. 1.11). Объемный вес керамзитобетона 800 кг/м³, а фактурных слоев — 1600 кг/м³.

Толщины конструктивных слоев при теплофизических расчетах принимаются в метрах, поскольку в физическую размерность (град·м²·ч/ккал) входит эта величина.

Значения коэффициентов теплопроводности (соответствующие нормальному влажностному состоянию материалов); ?₁ керамзитобетона — 0,25 ккал/град·м·ч; ?₂ наружного фактурного слоя — 0,65 ккал/град·м·ч; ?₃ внутреннего фактурного слоя 0,55 ккал/град·м·ч. Коэффициент теплопроводности наружного фактурного слоя больше, чем внутреннего, поскольку в холодный период года он более влажен и теплопроводен.

По формуле (1.23) имеем:


Рассматриваемая панельная конструкция обладает относительно высоким сопротивлением теплопередаче и при удовлетворительном решении сопряжений (между отдельными панелями), не понижающем теплозащитных свойств конструкции, отвечает теплофизическим требованиям для многих климатических районов СССР. Однако при повышении объемного веса керамзитобетона, например, до 1200 кг/м³, значение R₀ резко снижается до недопустимых пределов (R₀=0,98).

При расчетной температуре внутреннего воздуха +18° и наружного —29° температура на поверхности стены, обращенной в помещение, будет по формуле (1.24а):

Температура в стене под внутренним фактурным слоем (1.24):

Здесь R₁=0,027 — термическое сопротивление внутреннего фактурного слоя.

Температура внутри стены под наружным фактурным слоем:

Температура на наружной поверхности стены:

Вычисленное распределение температур соответствует установившейся одномерной передаче тепла через конструкцию и достаточно близко может совпасть с изменениями температур в натурных условиях лишь для участков панельной стены, удаленных от оконных проемов и стыков (например, для панелей глухих торцовых стен), и при этом в периоды времени, характеризующиеся устойчивыми значениями температуры наружного и внутреннего воздуха, близкими к расчетным и не изменяющимися в течение нескольких суток.

В других случаях между значениями вычисленных и измеренных температур могут быть существенные различия, объясняемые двумерной передачей тепла или тепловым состоянием конструкции, сохранившимся от предыдущих погодных условий.

Примечания

1. В том случае, если применяются материалы, теплопроводность которых изменяется в реальных условиях эксплуатации из-за уплотнения и деформации структуры (например, минеральный войлок), или материалы со сквозной пористостью, вызывающей перенос тепла конвекцией и излучением, выражение (1.22) может быть записано в виде R=?/b?, где b — коэффициент качества теплоизоляции, значение которого превышает единицу (например, b=1,2) и устанавливается опытным путем.