Часть 2. Практикум.

Курс “Строительной физики “ для студентов строительных специальностей входящий в основу комплекса научного проектирования и практического возведения зданий и сооружений, содержит вопросы строительной светотехники и акустики, строительной теплотехники. Данный лабораторный практикум в основном посвящён разделу теплофизики (теплотехники) и имеет своею целью закрепление теоретических знаний при изучении теплотехнических свойств ограждающих конструкций и микроклимата помещений. В процессе выполнения работ студенты приобретают навыки экспериментирования и анализа полученных результатов с точки зрения физико-технических требований, предъявляемых СНиП как к отдельной конструкции, так и к зданию или сооружению в целом.

В изготовлении экспериментальных установок, принимали участие Ордин А. П. , Вавилов С. В., Грызлов В. С.

В написании первого варианта лабораторного практикума по строительной физике (Изд. ЧФ ВоПИ 1992 г) принимал участие доцент Добромыслов Н.А.

При написании технического отчета по работе пользоваться указаниями [9].

Указание по технике безопасности

1. Запрещается:

а) включать установку без разрешения преподавателя;

б) оставлять работающую установку без присмотра;

в) прикасаться к оголенным проводам;

г) включать установку и регулировать напряжение при отсутствии контакта щупа с наружной шиной (работы № 1, 2,3).

2. После окончания эксперимента отключить установку от электрической сети.

3. Обо всех замеченных неисправностях в работе установки необходимо немедленно сообщить преподавателю или лаборанту.

4. После окончания работы в лаборатории студент(ы) должен(ы) сдать свое рабочее место преподавателю или лаборанту.

5. Перед включением экспериментальных установок лабораторных работ № 1, 2 и 3 необходимо обеспечить надёжный контакт щупа с наружной шиной.

Работа 1 исследование температурного поля наружной стены методом электрического моделирования

Цель работы: изучение и построение одномерного температурного поля наружной стены в условиях стационарной теплопередачи; расчеты тепловых потоков, термического сопротивления.

Оборудование: установка - электрическая модель фрагмента наружной стены из сплошной кирпичной кладки.

1.1. Теоретическое введение [1]

В наружных ограждениях за счет разности температур внутреннего и наружного воздуха возникает передача тепла, направленная в сторону понижения температуры. Передача тепла в общем случае может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и излучением. Передача тепла через однородное тело осуществляется в основном теплопроводностью. Процесс теплопроводности описывается дифференциальным уравнением Фурье:

(1.1)

где t - температура; τ - время; a - коэффициент температуропроводности; - оператор Лапласа; с – удельная теплоемкость среды; – объемная мощность внутренних источников тепла;ρ – плотность среды.

Если процесс передачи тепла является стационарным () и внутренние источники тепла отсутствуют (q_v = 0), то уравнение (1.1) упрощается и преобразуется к уравнению Лапласа, которое в декартовой системе координат имеет вид:

(1.2)

Электрическое моделирование тепловых процессов основано на математическом подобии уравнений электро- и теплопроводности. Несмотря на различие физической природы этих явлений, они описываются одинаковыми по форме уравнениями. В частности, для электростатического поля в вакууме справедливо такое же уравнение Лапласа, что и уравнение (1.2), но вместо температуры t в нем фигурирует потенциал электрического поля U:

(1.3)

В связи с этим для определения тепловых характеристик ограждающих конструкций задачу непосредственного измерения тепловых характеристик в натуре можно свести к задаче измерения электрических параметров в модели.

При создании электрической модели конкретной ограждающей конструкции необходимо учитывать количественные соотношения между тепло- и электропроводностью, которые следуют из аналогии законов Фурье и Ома в дифференциальной (локальной) форме:

,

.

где - вектор плотности теплового потока; - вектор плотности электрического тока; λ, σ - коэффициенты теплопроводности и электропроводности.

Таким образом, в методе электрического моделирования должны выполняться три основных принципа подобия натуры и модели:

1. Геометрическое подобие формы. Этот принцип означает, что расстояния между любыми сходными точками на модели и в натуре должны быть пропорциональны друг другу (коэффициент подобия -).

2. Сходство математических уравнений.

3. Подобие физических констант. Это подобие означает, что коэффициенты тепло- и электропроводности в сходных точках должны изменяться пропорционально друг другу:

В соответствии с изложенными принципами создается модель, например плоской наружной стены, из листа электропроводной бумаги, которому придается форма, подобная форме исследуемой конструкции. Если толщина конструкции значительно меньше остальных ее размеров, то можно считать, что тепловой поток распространяется только в одном направлении: перпендикулярно поверхности стены. В этом случае можно использовать по аналогии законы Фурье и Ома в интегральном форме:

(1.3)

(1.4)

где q - плотность теплового потока тепла через единицу поверхности стены; Δt - разность температур на поверхностях плоского слоя; δ - толщина плоского слоя; I - величина тока; R_э – электрическое сопротивление проводника, на концах которого поддерживается разность потенциалов ΔU.

Сравнение уравнений (1.3) и (1.4) позволяет установить аналогию между плотностью теплового потока q и величиной тока I; между перепадом температур Δt и разностью потенциалов ΔU, между коэффициентами λ и σ, а также позволяет ввести понятие теплового сопротивления R_т, аналогично понятию электрического сопротивления:

(не Омы!).

Модуль плотности теплового потока вычисляется по формуле:

Термическим сопротивлением однослойной конструкции R_т называется величина:

Таким образом:

; .

Малоподвижные слои воздуха, находящиеся непосредственно у поверхностей конструкций, также обладают термическими сопротивлениями. В связи с этим для внутренней поверхности можно ввести понятие сопротивления тепловосприятию R_в, а для наружной - сопротивление теплоотдаче R_н. Величины этих сопротивлений

где α_в – коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности; α_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности.

Численные значения α_в и α_н приводятся в СНиПе.

Общее термическое сопротивление ограждающей конструкции определяется по формуле:

.

В стационарных условиях плотность теплового потока, проходящего любую плоскость сечения ограждающей конструкции, имеет постоянную величину, что позволяет записать следующие соотношения:

(1.5)

где t_в, t_н, t_н.п и t_в.п – температура внутреннего, наружного воздуха, наружной и внутренней поверхностей соответственно.

Решая уравнения (1.5) относительно t_в.п, получим формулу для определения температуры внутренней поверхности конструкций:

Температура воздуха внутри помещения отлична от температуры стены t_в.п (скачок температур).

Значение Δt^н (скачка температуры) нормируется в СНиП.

Аналогично можно вычислить температуру в любой плоскости конструкции, зная термическое сопротивление между этой поверхностью и поверхностью наружной стены.

Из метеорологических наблюдений в каждой местности задают значения t_н. В строительном деле используют усредненные данные за период ≥10 лет. Для Вологодской области и Череповца величины среднемесячных по году температур t_н приведены в таблице (см. Приложение, табл. 5. Там же приведены значения и, <t>).

Значение температур t_в важно для нормального функционирования человека в помещении. Оптимальная температура для работы умственного характера 23-24 °С. Температура 27-28 °С воспринимается как жарко, 17-18 °С – прохладно, 14-12 °С – холодно. При задании значения t_в руководствуются данными Приложения, табл. 6.

При физиологической приемлемости помещения важной вехой является температура t_в.п, перепад температур Δt^н = t_в – t_в.п и относительная влажность f %. Значения температур t_в, t_в.п, Δt^н влажности нормируются в СНиП, причем должно быть обязательно t_в.п > t_d, где t_d – точка росы [1, с. 45-46].