Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра теплогазоводоснабжения, водоотведения и вентиляции

Строительная теплофизика

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по направление подготовки «Строительство»

профиль подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Новокузнецк

2014 г.

Содержание

1 Теплообмен в помещении

При эксплуатации зданий определяющим является тепловой режим помещения.

Тепловая обстановка определяется:

• температурой;

• подвижностью и влажностью воздуха;

• наличием струйных течений;

• распределением параметров воздуха в плане и по высоте;

• радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от температуры, геометрии и радиационных свойств.

Под действием конвективного и лучистого теплообмена и процессов, масса переноса температуры воздуха и поверхностей в помещении взаимосвязаны и оказывают большое воздействие друг на друга.

1.1 Общая схема теплообмена в помещении

Общая схема теплообмена в помещении приведена на рисунке 1.1. Из него 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, теплоноситель в приборах системы отопления–охлаждения). Между перечисленными элементами происходят следующие виды обмена теплом.

Конвективный теплообмен (К) возникает между воздухом и поверхностями ограждений и приборами системы отопления-охлаждения, лучистый (Л) – теплообмен между отдельными поверхностями.

Вследствие турбулентного перемешивания не изотермических струй воздуха с воздухом основного объема помещения происходит струйный (Ст) теплообмен.

Внутренние поверхности наружных ограждений в основном передают теплопроводностью через толщину конструкций и теплообменом наружному воздуху, а поверхности приборов также теплопроводностью приборов и теплообменом – теплохладоносителю системы отопления-охлаждения.

–воздух основного объема помещения;– поверхности, обращенные в помещение;– струи воздуха;– внешняя среда;

–конвективный теплообмен; – лучистый теплообмен; | - наружное ограждение; || - панель; ||| - не изотермическая струя приточного воздуха

Рисунок1.1 – Общая схема теплообмена в помещении

Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепловой режим помещения, является теплообмен на поверхностях.

Тепловой баланс любой поверхности i в помещении (рисунок 1) в стационарных и не стационарных условиях может быть представлен на основе закона сохранения энергии:

Л_i+К_i+Т_i=0. (1.1)

Лучистая Л_i, конвективная К_i, кондуктивная (теплопроводностью) Т_i составляющие теплообмена на поверхностях в помещении могут изменяться во времени, иметь различную величину и знак, но уравнение (9) остается неизменным для всех поверхностей в стационарных и нестационарных условиях теплообмена.

Исключения – явления, связанные (испарение воды и конденсация влаги, облучение сосредоточенным источником тепла) для таких условий в уравнение теплового баланса учитывается слагаемые дополнительных источников или стоков тепла.

2 Общий теплообмен на поверхности в помещении

Количество тепла, которое воспринимает или отдает произвольная поверхность i в результате лучисто-конвективного теплообмена в по­мещении, равно количеству тепла, которое передается к поверхности или отводится от нее теплопроводностью.

Теплопроводностью передается количество тепла Т_i, которое при средних по всей площади F_i значениях температурного градиента около поверхности t_i/n и коэффициента теплопроводности λ_i составляет:

(2.1)

В стационарных условиях, когда температурный градиент в толще ограждения остается неизменным во времени, уравнение (10) удобнее написать в виде:

(2.2)

где К^/_i – коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности ограждения до внешней среды, температура которой равна t_{ср i}.

Общее уравнение теплового баланса поверхности i в помеще­нии имеет вид:

(2.3)

Тепловой баланс поверхности в помещении можно записать в виде двух уравнений:

(2.4)

(2.5)

где α_кi – коэффициент конвективного теплообмена, средний по поверхности;

Q_i – прочие источники и стоки тепла на поверхности.

Слагаемые в уравнениях (2.4) и (2.5) имеют одинаковую структуру записи. Все составляющие тепловой баланс потоки тепла про­порциональны соответствующим разностям температур (в,^°С). Такая запись уравнений оказывается удобной для расчета теплообмена при использовании метода электротепловой аналогии или ЭВМ.

Как было сказано, учет многократного отражения значительно усложняет расчет теплового баланса поверхности и в то же время не оказывает большого влияния на конечные результаты. В строительной практике обычно ограничиваются учетом только первого отраже­ния. В этом случае тепловой баланс поверхности описывается одним уравнением:

(2.6)

В соответствии с особенностями теплообмена все поверхности в помещении можно разделить на три характерные группы: охлаждающие, нагревающие и нейтральные.

Охлаждающими помещение поверхностями в зимний период года будут внутренние поверхности наружных ограждений. Таких поверх­ностей может быть несколько. Особенность написания уравнения (15) для наружных ограждений в том, что τ_i заменяют на темпера­туру внутренней поверхности наружного ограждения τ_в, а К'_i – на приведенный коэффициент теплопередачи К'_но от внутренней поверх­ности ограждения к наружному воздуху, отнесенный к площади F_i. Последняя определяется по размерам внутренней поверхности, обра­щенной в помещение. Температура внешней среды t_cpi – это темпе­ратура наружного воздуха t_н.

Для нагретых поверхностей (зимой, например, это отопительные панели или другие нагревательные приборы) значения отдельных ве­личин в уравнении (3.6) будут следующими: τ_i –температура панели τ_п; К'_i – коэффициент теплопередачи от поверхности панели к теплоносителю К'_нп; t_cpi – средняя температура теплоносителя в трубах панели t_тн.

Для нейтральных поверхностей внутренних стен и перекрытий в уравнении (3.6) составляющая передачи тепла теплопроводностью T_i (третье слагаемое) равна нулю. Эти поверхности в стационарных условиях не нагреваются и не охлаждаются со стороны ограждений и являются как бы адиабатическими отражателями, так как полученное тепло от помещения они ему же и отдают. Поверхности внутренних стен могут иметь положительный радиационный баланс, получая в результате Лучистого теплообмена определенное количество тепла. Такое же количество тепла они будут отдавать конвекцией воздуху помещения.

В теплообмене может участвовать тепло солнечной радиации, про­никающее через лучепрозрачные ограждения. Прямые солнечные лучи нагревают отдельные части внутренних ограждений. Диффузно рас­сеянная радиация распределяется равномерно. В расчете теплообмена допустимо принимать, что вся прямая и рассеянная радиация , непосредственно проникающая в помещение, равномерно распределяется по площади всех внутренних поверхностей. В уравнениях теплового баланса (2.6) всех поверхностей дополнительное слагаемое Q_i равно доле проникающей радиации. Величину Q_i можно определить в виде:

(2.7)

В помещении могут быть поверхности, которые омываются струей охлажденного или нагретого воздуха, подаваемого в помещение. Струя воздуха, настилаясь на ограждение, нагревает или охлаждает его. За счет подмешивания воздуха помещения и конвективного теплообмена струя изменяет температуру и постепенно достигает рабочей зоны помещения.

По направлению движения изменяются температура и скорость воздуха в струе, а, следовательно, и условия теплообмена. В общей постановке уравнение теплового баланса такой поверхности должно быть записано в интегральной форме, учитывающей изменение условий теплообмена в направлении движения струи. Такая запись осложнит решение и для целей инженерного расчета ее желательно упростить. Поверхность разбивают на элементарные площадки, в пределах кото­рых все параметры принимают осредненными. Для каждой элементарной площадки поверхности составляют свое уравнение теплового баланса вида (2.6).