1.Основные параметры физико-климатических факторов.Климат – совокупность погодных условий, повторяющихся из года в год.На климат влияют: высота, географическое положение, близость больших водоемов, течение, преобладающие ветра.Воздух ( температура, влажность, ветер ), температура и влажность грунта, осадки, солнечная радиация.

2. Факторы, определяющие микроклимат помещения. Тепловая обстановка в помещении определяется совместным действием ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха помещения, наличием струйных течений, распределением параметров состояния воздуха в плане и по высоте помещения (всё вышеперечисленное характеризует воздушный режим помещения), а также радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от их температуры, геометрии и радиационных свойств (характеризующим радиационный режим помещения). Комфортное сочетание этих показателей соответствует условиям, при которых отсутствует напряжение в процессе терморегуляции человека.

3. Воздушный и радиационный режим помещения. Процессы перемещения воздуха внутри помещений, движения его через ограждения и отверстия в ограждениях, по каналам и воздухово­дам, обтекания здания потоком воздуха и взаимодействия здания с ок­ружающей воздушной средой объединяются общим понятием воздуш­ный режим здания. В отоплении рассматривается тепловой режим зда­ния. Эти два режима, а также влажностный режим тесно связаны меж­ду собой. Аналогично тепловому режиму при рассмотрении воздушного режима здания различают три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

К внутренней задаче воздушного режима относятся следующие вопросы:

а) расчет требуемого воздухообмена в помещении (определение количества поступающих в помещения вредных выделений, выбор про­изводительности систем местной и общеобменной вентиляции);

б) определение параметров внутреннего воздуха (температуры, влажности, скорости движения и содержания вредных веществ) и рас­пределения их по объему помещений при различных вариантах подачи и удаления воздуха. Выбор оптимальных вариантов подачи и удаления воздуха;

в ) определение параметров воздуха (температуры и скорости дви­жения) в струйных течениях, создаваемых приточной вентиляцией;

г) расчет количества вредных выделений, выбивающихся из-под укрытий местных отсосов (диффузия вредных выделений в потоке воз­духа и в помещениях);

д) создание нормальных условий на рабочих местах (душирование) или в отдельных частях помещений (оазисы) путем подбора параметров подаваемого приточного воздуха.

Радиационный режим. Лучистый теплообмен.

Важной составляющей сложного физического процесса, обуславливающего тепловой режим помещения, является теплообмен на его поверхностях.

Лучистый теплообмен в помещении имеет особенность: он происходит в замкнутом объеме в условиях ограниченных температур, определенных радиационных свойств поверхностей и геометрии их расположения. Тепловое излучение поверхностей в помещении можно рассматривать как монохроматическое, диффузное, подчиняющееся законам Стефана—Больцмана, Ламберта и Кирхгофа, инфракрасное излучение серых тел.

Как один из видов поверхностей в помещении своеобразные радиационные свойства имеет оконное стекло. Оно частично проницаемо для излучения. Оконное стекло, хорошо пропускающее коротковолновое излучение, практически непрозрачно для излучения с длиной волн более 3—5 ммк, которое характерно для теплообмена в помещении.

Воздух помещения при расчете лучистого теплообмена между поверхностями обычно считают лучепрозрачной средой. Он состоит в основном из двухатомных газов (азота и кислорода), которые практически прозрачны для тепловых лучей и сами не излучают тепловой энергии. Незначительное содержание многоатомных газов (водяного пара и углекислого газа) при малой толщине слоя воздуха в помещении практически не изменяет этого свойства.

4. Радиационная температура t_R- усредненная температура поверхностей ограждающих конструкций – стен, потолка и пола. Она играет важную роль, так как большая часть теплопотерь организмом человека (45-60 %) обуславливается более низкой температурой внутренних поверхностей помещения. Точно температуру t_R можно определить, зная коэффициенты облученности всех поверхностей помещения, но упрощенно t_R определяют как усредненную температуру по площадям окружающих поверхностей:

t_R= Siτi\Si,

где τ - температура поверхности конструкции.

не нормируется, так как в определенной степени зависит от температуры воздуха в помещении, но СНиПом рекомендуется не превышать предельно допустимый перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции ∆tн=(tв- τв)max.

В жилых помещениях максимальная разность температур не должна быть более: для наружных стен - 4 ºС, для покрытий и чердачных перекрытий - 3 ºС, для перекрытий над подвалами и подпольями - 2 ºС. Ограничение указанного перепада температур связано с недопустимостью выпадения конденсата на поверхности ограждения. Комфортное состояние человека зависит от соотношения значений температур внутреннего воздуха и поверхностей ограждающих конструкций помещения.

5. Точка росы. Выпадение конденсата возможно, если температура внутренней поверхности опустится ниже точки росы – температуры, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе данной влажности, станет насыщенным. tp- точка росы - это t при которой фактическая упругость достигает максимального значения. Температура, при которой относительная влажность воздуха достигает 100 % (е = Е), называется точкой росы, остается неизменной и равной 100%.

Температуру, при которой начинается конденсация влаги (точку росы t_р), можно определить, зная температуру воздуха в помещении и относительную влажность воздуха φ.

6. От чего зависит влажностный режим помещения? -Выделение влаги находящимися в помещении людьми -Выделение влаги при приготовление влаги при стирке сушки белья мытья полов -Производственные условия -Выделения влаги того или ионного производства -Влажность ограждающих конструкции

7. Процессы переноса тепла и вещества. Процессы переноса тепла, влаги и воздуха, происходящие в конструкциях и помещениях зданий. (обмен с внешней средой энергией и массой). Тепло – один из видов энергии, влага и воздух – виды вещества. Естественное течение физических процессов всегда связано с переносом тепла или вещества от участков с более высокими потенциалами переноса к участкам с более низкими потенциалами. В результате этого происходит стабилизация значений t или Р на отдельных участках рассматриваемой системы. Если Q = 0 и М = 0, то система находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой.

8.Пртенциалы переноса. Термодинамические параметры, вызывающие перенос, то есть определяющие направление и интенсивность процессов теплообмена и массообмена, называются потенциалами переноса. Потенциалом переноса тепла является температура. Это значит, что возникновение процесса переноса тепловой энергии в конструкциях или в воздушной среде помещений возможно только при разных температурах в отдельных зонах рассматриваемой среды, и количество переносимой тепловой энергии всегда пропорционально разности температур.

Потенциалом переноса вещества является соответствующий вид давления. При рассмотрении процессов переноса в парообразной фазе рассматривают парциальное давление водяного пара, при переносе влажного воздуха или жидкой влаги – общее давление, вызываемое соответствующими причинами (ветер, сила тяжести и т.п.). Возникновение процессов переноса вещества возможно при разных давлениях в отдельных зонах среды.

9. Температурное поле. Примеры одномерного и двухмерного полей. Одновременное распределение температур в рассматриваемой среде называется температурным полем, которое подразделяют на одномерное, двумерное и трехмерное.

Примером одномерного температурного поля при стационарных условиях теплопередачи является однородная плоская бесконечно длинная стена с постоянной разностью температур на поверхностях. В ней изолинии параллельны друг другу и поверхностям стены (направление теплового потока Q – от зоны с большей температурой t_max к зоне с меньшей температурой t_min). В более сложном случае (например, угол здания, теплопроводные включения) изотермы не параллельны поверхностям ограждающих конструкций, а криволинейны и выражаются двумерным температурным полем при стационарных условиях теплопередачи.

10. Стационарный и нестационарный процесс теплопередачи. 10. Система (конструкция здания), обменивающаяся с внешней средой энергией и массой, в термодинамике называется открытой. Система, в которой устанавливается постоянное распределение значений температур или давлений, приходит в состояние постоянного равновесного обмена теплом или веществом с окружающей средой. Установившийся процесс такого постоянного обмена называется стационарным. В действительных условиях наружные температуры постоянно изменяются во времени, что приводит к нестационарной теплопередаче и изменчивости температурного поля.

11. Виды теплопередачи. Теплопроводность – это способность материала в той или иной степени проводить тепло через свою массу. Количество тепла, проходящее через однородный слой материала, равно Q= -λ Δt\δSθ. Различают три вида теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Передача тепла теплопроводностью может происходить в твердой, жидкой и газообразной средах. Конвекция представляет собой перенос тепла движущимися частицами жидкости или газа и может быть лишь в жидкой и газообразной средах. Излучение может происходить в газообразной среде или в пустоте. Тепловое излучение представляет собой перенос энергии в виде электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями.

12. Передача тепла через ограждение. Вследствие того, что строительные материалы являются в своей основе твердыми телами, передача тепла через ограждающие конструкции зданий осуществляется главным образом теплопроводностью. Аналитическая теория теплопроводности игнорирует молекулярное строение вещества и рассматривает его как сплошную массу. То есть при том, что подавляющее большинство строительных материалов представляет собой пористые тела, в порах которых возможны все виды теплопередачи, при теплотехнических расчетах считается, что распространение тепла в материалах происходит лишь по законам теплопроводности.

17. Плотность материала. Пористость материала. Материалы характеризуются: - объемным весом (плотностью) материала γ= m\Vo, кг/м³ (масса 1 м³ материала в том состоянии, в котором он будет использоваться в строительстве). При этом Vo=Vвещ+Vпор; - удельным весом (плотностью вещества, скелета) ρ=m\Vвещ (не учитываются поры материала); - пористостью, которая определяет процентное содержание пор в материале и выражается процентным соотношением объема пор к общему объему материала. Пористость также можно найти по формуле p=ρ-γ\ρ∙100%.

18. Влажность материала. Влажность материала, которая характеризуется наличием в материале несвязанной химической воды. В ограждающих конструкциях строительный материал никогда не бывает в абсолютно сухом состоянии, а имеет некоторую влажность вследствие процессов сорбции и конденсации водяного пара, происходящих в ограждении.

Влажность подразделяется на весовую и объемную. Весовая влажность определяется отношением массы влаги, содержащейся в образце материала, к массе образца в сухом состоянии _{ω=mвлаги\mсух мат∙100%=mвлаж.мат-mсух.мат\mсух.мат∙100%.}

Объемная влажность – отношение объема влаги, содержащейся в образце материала, к объему образца в сухом состоянии: ωo=Vвлаги\Vсух мат∙100%. При одном и том же объемном содержании влаги в образце выражение весовой влажности будет различным в зависимости от объемного веса материала. Чем ниже объемный вес, тем больше весовая влажность. Объемная влажность дает более ясное представление о содержании влаги в материале, чем весовая влажность. Но определять последнюю значительно проще, поэтому её использование более распространено. Связать w и wо материала можно соотношением ωo=ωγ\γводы, где γ – объемный вес материала, а γ_воды =1000 кг/м³. Влажность, которую будет иметь материал в правильно спроектированном и нормально эксплуатируемом здании (в частности достаточно просушенном после окончания строительства) в нормальной климатической зоне, называется нормальной влажностью.

21. Коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности λ характеризует степень теплопроводности материалов. Его физический смысл можно зафиксировать следующим образом: λ – это количество тепловой энергии, проходящее через 1 м² сечения материала толщиной 1 м за 1 с при разности температур на его краях, равной 1 ^оС или λ – это плотность теплового потока, приходящаяся на единичный градиент температуры. То есть, чем больше λ материала, тем он лучше пропускает тепло через свою массу. Единица измерения коэффициента теплопроводности – Вт/м^оС (или Вт/мК). Величина коэффициента теплопроводности строительных материалов варьируется в пределах от 0,04 (для пенистых материалов) до 3,5 (для гранита, базальта) и не является постоянной даже для одного и того же материала, так как зависит от его объемного веса, влажности, температуры, а также направления теплового потока, проходящего через него.

13. Плотность теплового потока. Плотность теплового потока q, Вт/м2 - количество теплоты, проходящее через ограждающую конструкцию в единицу времени, отнесенное к площади расчетной поверхности размером 1м².

1 4. Коэффициент теплоотдачи у поверхности ограждения.

15. Коэффициент теплоотдачи у внутренней поверхности ограждения. Величины ,обратные сопротивлениям теплопереходу,называются коэффициентами теплоотдачи и обозначаются:коэффициент теплоотдачи у внутренней поверхности а(альфа)в и коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности ан,причём ав=1/Rв и ан=1/Rн.

16. Коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности ограждения. Воздух обменивается теплом с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений и приборов систем отопления и охлаждения. Нагретые потоки воздуха поднимаются вверх, охлажденные опускаются вниз, вызывая общую подвижность и перемешивание воздуха в помещении. Подача и удаление воздуха системами вентиляции усиливает этот процесс. Такое движение воздуха и является основой конвективного теплообмена. В большинстве помещений в результате перемешивания воздуха наблюдается сравнительно равномерное распределение температуры воздуха t_в в плане и по высоте, что позволяет принимать одинаковое значение температуры t_в при расчете теплообмена на всех поверхностях. Исключения составляют помещения с большими теплоизбытками или струйной подачей воздуха, при которых имеет место неравномерность распределения температуры по высоте или в плане помещения. В результате различных аэродинамических явлений в помещении могут быть разные формы конвективного теплообмена. Во многих случаях обмен теплом воздуха с нагретыми или охлажденными поверхностями происходит в режиме естественной конвекции, при которой движение частиц среды обуславливается разностью температур и, как следствие, неодинаковой плотностью среды. В условиях принудительного движения воздуха вдоль поверхностей, связанного, например, с воздействием ветра, продуванием воздуха вентилятором, теплообмен определяется закономерностями вынужденной конвекции. Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться и естественной конвекцией, но из-за того, что интенсивность вынужденного процесса заметно больше, то при его рассмотрении естественной конвекцией часто пренебрегают. Количество тепла, передаваемого конвекцией, зависит от характера движения среды, ее плотности, вязкости и температуры, состояния поверхности твердого тела, величины температурного перепада между жидкостью или газом и поверхностью. В практических расчетах для определения количества тепла, передаваемого при конвективном теплообмене между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела, можно пользоваться формулой

, Дж (или , Вт/м²), где

Δt – разность температур между газом или жидкостью и поверхностью тела; α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, показывающий количество тепла, передаваемое от жидкости или газа к 1 м² поверхности твердого тела за 1 секунду при единичной разности температур между жидкостью и газом и поверхностью. Для определения величины α_к для различных случаев конвективного теплообмена можно пользоваться или эмпирическими формулами, имеющими, однако, ограниченную область применения, или «критериями подобия», вытекающими из дифференциальных уравнений теплопередачи. Необходимо отметить, что характер передачи тепла конвекцией различен у внутренней и наружной поверхностей ограждения. У внутренней поверхности – естественная конвекция, вызываемая разностью температур воздуха и поверхности, у наружной поверхности превалирует вынужденная конвекция, вызываемая действием ветра. Поэтому и формулы для определения α_к будут разными для внутренней и наружной поверхностей ограждения. То есть , а . На наружных поверхностях ограждающих конструкций конвективный теплообмен в большей степени связан с вынужденным движением воздуха, поэтому для определения коэффициента нужно знать расчетную скорость ветра для зимних условий. Чаще всего этот коэффициент находят по следующей формуле: (е – основание натуральных логарифмов).

19. Коэффициент излучения. Qизл= 1/Т изл Излучение может происходить в газообразной среде или в пустоте. Тепловое излучение представляет собой перенос энергии в виде электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями. Вследствие того, что строительные материалы являются в своей основе твердыми телами, передача тепла через ограждающие конструкции зданий осуществляется главным образом теплопроводностью. Аналитическая теория теплопроводности игнорирует молекулярное строение вещества и рассматривает его как сплошную массу. То есть при том, что подавляющее большинство строительных материалов представляет собой пористые тела, в порах которых возможны все виды теплопередачи, при теплотехнических расчетах считается, что распространение тепла в материалах происходит лишь по законам теплопроводности. Теплопередача конвекцией и излучением происходит в воздушных прослойках, а также у поверхностей, отделяющих конструкцию от внутреннего и наружного воздуха. Интенсивность излучения тепла поверхностью тела зависит от ее температуры и излучательной способности тела. Количество тепла, изучаемого нагретой поверхностью тела, определяется формулой

, Дж (или , Вт/м²), где

Т – температура поверхности, К, С – коэффициент излучения поверхности, Вт/(м²К⁴). Коэффициент излучения строительных материалов зависит от химического состава материала. С другой стороны, количество лучистого тепла, проходящего через 1 м² ограждения за 1 секунду, равно , Вт/м², где α_л – коэффициент лучистого теплообмена поверхности стены в помещении, показывающий количество тепла, передаваемое от одной поверхности единичной площади к другой за 1 секунду при разности температур этих поверхностей 1 К. Этот коэффициент учитывает излучательные способности поверхностей, их температуру и взаиморасположение; его можно определить по формуле:

,

C₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67; ε_пр – приведенный относительный коэффициент излучения при теплообмене между двумя серыми поверхностями. Он зависит от взаимного расположения двух взаимно облучаемых поверхностей и от значений их относительных коэффициентов излучения ε (степени черноты, ; b – температурный коэффициент, корректирующий расхождение между разностью температур двух поверхностей. Его значение можно определить исходя из средней температуры теплообменивающихся поверхностей; φ_1-2 – коэффициент облученности с одной поверхности на другую, показывает долю лучистого потока, падающую на поверхность 2, от всего потока, излучаемого поверхностью 1. Он зависит от расположения облучаемых поверхностей относительно друг друга.

20. Удельная теплоёмкость материала, её зависимость от влажности. Теплоемкость-это свойство материалов поглощать тепло при повышении температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материала «с». Удельная теплоемкость показывает количество тепла в ккал, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала ,чтобы повысить температуру всей егог массы на 1градус. Удельная теплоемкость имеет размерность ккал/кг*град. Удельная теплоемкость материала зависит от его влажности. С повышением влажности материала повышается и его теплоемкость, что объясняется присутствием воды, имеющей теплоемкость ,значительно превышающую теплоемкость строительных материалов. Зависимость удельной теплоемкости материала от его влажности выражается формулой:

С=С0 +0.01wв/1+0.01wв

Где с –удельная теплоемкость материала при влажности wв, С0- удельная теплоемкость этого же материала в сухом состоянии Wв- весовая влажность материала в % Если строительный материал состоит из нескольких различных материалов ,то его удельная теплоемкость определяется по формуле: С= с1Р1 + с2Р2+ с3Р3+…/Р1+Р2+Р3+…

Где с1,с2..-удельные теплоемкости составояющих материалов Р1,Р2,..- весовые части составляющих материалов

22. Зависимость коэффициента теплопроводности от плотности материала. Плотность материала дает возможность приблизительно оценить теплопроводность материала. Коэффициент теплопроводности воздуха, содержащегося в порах материала, имеет очень незначительную теплопроводность по сравнению с основным веществом материала (λ воздуха зависит главным образом от размера и формы пор и имеет значения примерно 0,025-0,03 Вт/м^оС). Таким образом, чем меньше пор в материале, а, следовательно, чем больше его объемный вес, тем больше и его коэффициент теплопроводности, и наоборот.

25. Закон Фурье. Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количество теплоты, проходящее через элемент изотермической поверхности, пропорционально градиенту температуры и продолжительности промежутка времени. Коэффициент теплопроводности является теплофизической характеристикой материала. [ O ] = [q]/[gad t] = Вт/м2- к/м = Вт/м-К Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при единичном градиенте температуры. В общем случае O = O(t). Для многих материалов его зависимость от температуры определяется по формуле

О = Oo[ 1+b(t-to) ]

Металлы. O= 3 - 458 Вт/м  К С увеличением температуры О убывает. Коэффициент тепло- и электропроводности у металлов пропорциональны, т.к. носители тепловой энергии и заряда одни и те же электроны. Для сплавов коэффициент теплопроводности ниже, чем для чистых металлов. С увеличением температуры О растет. Неметаллы. О = 0,02 у 3 Вт/м-К Обычно с увеличением температуры О растет. Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористую структуру. Для них О - условная величина, которая имеет смысл коэффициента теплопроводности "эквивалентного сплошного материала". Материалы с О  0,25 Вт/м-К называются теплоизоляционными. Жидкости. О = 0,08 у 0,65 Вт/м-К С увеличением температуры О убывает (за исключением воды). Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц. Приводит к выравниванию температуры тела. Обычно количество переносимой энергии, определяемое как плотность теплового потока, пропорционально градиенту температуры -закон Фурье. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом теплопроводности.  Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности. Q = -k*∆t/∆x k - коэффициент теплопроводности среды измеряется в ккал/м*r*с ∆t/∆x - градиент температуры

2 3. Зависимость коэффициента теплопроводности от влажности материала. С повышением влажности материала резко повышается и его коэффициент теплопроводности. Объясняется это тем, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности λ порядка 0,6 Вт/м^оС, то есть в 20-25 раз больший, чем λ воздуха в таких же порах. Кроме того, влага в порах увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала, что также повышает его коэффициент теплопроводности. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности в том случае, если влажный материал промерзает, так как λ льда в 4 раза больше, чем λ воды. При этом, правда, необходимо указать, что замерзание влаги происходит при температуре ниже 0 ^оС, причем чем меньше размер пор, тем при более низких температурах будет замерзать влага во влажном материале.

2 4. Зависимость коэффициента теплопроводности материала от направления теплового потока. Еще один немаловажный фактор, влияющий на теплопроводность материала, - это направление теплового потока. Его необходимо учитывать для анизотропных материалов (то есть имеющих разные свойства в различных направлениях). К ним относятся древесина, кристаллические вещества, прессованные и волокнистые материалы. Так, коэффициент теплопроводности древесины значительно увеличивается при направлении теплового потока параллельно направлению волокон (для сосны увеличение составляет 100 %, для дуба – 75 %), что объясняется тем, что при направлении, перпендикулярном волокнам, тепловому потоку приходится пересекать большее количество воздушных зазоров, находящихся внутри волокон древесины и между ними и оказывающих сопротивление прохождению тепла. При направлении теплового потока параллельно волокнам он будет идти по стенкам волокон, и в этом случае сопротивление воздуха, заключенное в древесине, будет значительно меньше. Увеличением коэффициента теплопроводности древесины при потоке тепла вдоль волокон объясняется резкое понижение температуры в наружных углах бревенчатых или брусковых стен.

26. Дифференциальное уравнение теплопроводности при одномерном распространении тепла. (Фурье). Дифференциальное уравнение теплопроводности при одномерном распространении тепла. Для вывода дифференциального уравнения теплопроводности рассмотрим случай одномерной задачи, когда перенос тепла происходит в направлении одной из осей координат, например, через неограниченно протяженную плоскую стенку. Выделим внутри такой стенки бесконечно тонкий слой толщиной dx, в котором температура изменяется на величину dt. При стационарном тепловом потоке (когда температура слоя не меняется со временем) количество тепла, проходящее через этот слой, равно .В общем случае (то есть при нестационарных условиях теплопередачи) величина тепловой энергии при прохождении ее через выделенный слой будет изменяться. Для определения величины изменения тепловой энергии по толщине слоя нужно предыдущее уравнение продифференцировать по dx. Тогда получим: . Изменение величины тепловой энергии при этом связано с поглощением или выделением тепла слоем при изменении его температуры во времени. Количество тепла, необходимое для повышения температуры слоя толщиной dx на dt градусов пропорционально теплоемкости слоя: , а, следовательно , dm – масса слоя материала толщиной dx, кг, которую можно представить в виде . То есть или , где с – удельная теплоемкость материала, Дж/кг·К, характеризует способность материала повышать свою температуру при сообщении ему тепловой энергии. Наибольшей удельной теплоемкостью обладает вода (с_в=1 ккал/кг·К=4185 Дж/кг·К). Соответственно, теплоемкость строительных материалов значительно зависит от их влажности и растет при их увлажнении; γ - объемный вес (плотность) материала, кг/м³; Произведение удельной теплоемкости на плотность материала сγ носит название объемной теплоемкости материала. Знак минус в правой части этого уравнения поставлен потому, что повышение температуры слоя связано с поглощением им тепла и уменьшением величины тепловой энергии. Таким образом, при отсутствии в слое внутренних источников тепла, изменение величины тепловой энергии является следствием только поглощения тепла этим слоем, и , а значит или . В связи с тем, что дифференцирование происходит как по времени, так и по координате, последнее уравнение целесообразно записать в частных производных: . Данное уравнение – это дифференциальное уравнение теплопроводности (уравнение Фурье) для одномерного движения тепла. Левая часть уравнения представляет собой изменение температуры среды во времени, производная, стоящая в правой его части, - пространственное изменение градиента температуры. Коэффициентом пропорциональности между этими частями является коэффициент температуропроводности материала [м²/с], который является отношением величин, одна из которых (λ) характеризует теплопроводимость материала, а другая (cγ) - его способность аккумулировать тепло. Коэффициент температуропроводности характеризует скорость выравнивания температуры в различных точках среды, то есть, чем больше а, тем скорее все точки какого-либо тела при его нагреве или охлаждении достигнут одинаковой температуры. Численные значения а значительно изменяются в зависимости от состава, структуры и тепло-влажностного состояния материалов. В случаях, когда движение тепла может происходить во всех направлениях (по трем осям координат), дифференциальное уравнение теплопроводности имеет следующий вид: . Решение задач, связанных с передачей тепла теплопроводностью при нестационарных процессах теплообмена, сводится к интегрированию дифференциальных уравнений Фурье. Данные расчеты возможно осуществить, используя компьютерное моделирование конструкций, но для теплотехнических расчетов это не всегда нужно.

Значительно упрощается решение задач теплопередачи в частном случае при стационарных условиях, которые характеризуются постоянством температуры внутренней и наружной среды во времени, при этом постоянным оказывается и величина теплового потока, проходящего сквозь конструкцию. Делая расчет по стационарному режиму теплопередачи, можно определить: - потери тепла зданием для установления требуемой мощности системы отопления; - необходимые теплозащитные качества наружных ограждений; - распределение температуры в ограждающей конструкции.

27. Дифференциальное уравнение температурного поля в стационарных условиях (Лапласа). В стационарных условиях температура в любых точках среды остается постоянной во времени, то есть . Следовательно, и (для одномерной задачи), и тогда изменение температуры по толщине однородной конструкции является линейным (то есть на графике выражается прямой линией). Такая зависимость описывается уравнением . Можно вывести уравнение распределения температуры по толщине конструкции, рассмотрев стенку толщиной δ. Задавая граничные условиях: для левой поверхности стенки х=0, t=t₁; для правой – х=δ, t=t₂, получаем, что t₁, а . Тогда . В случае, когда конструкция состоит из нескольких слоев с разными коэффициентами теплопроводности, распределение температур (в ^оС) будет выглядеть следующим образом: Угол наклона изотермы к горизонту в каждом слое различен, так как зависит от коэффициента теплопроводности соответствующего материала. Тангенс угла наклона , то есть чем более теплопроводным является материал слоя, тем меньшим будет наклон изотермы к горизонту. В стационарных условиях теплопередачи температура в любых точках среды остается постоянной во времени, следовательно, в уравнении (1) при этом будем иметь dT/dt=0, а т. к., в общем случае, а не равно нулю, то нулю должно быть равно выражение, стоящее в скобках в правой части уравнения, т. е. для этого случая полу­чим дифференциальное уравнение Лапласа:

∂²T/∂x²+∂²T/∂y²+∂²T/∂z²=0 (2)

Это дифференциальное уравнение температурного поля в стационарных условия теплопередачи, дающее решение задачи о распределении температуры в данной сре­де. Физический смысл уравнения (2) будет ясен, если каждое из слагаемых его левой части умножить на величину коэффициента теплопроводности среды λ, тогда каждое из слагаемых будет представлять собой величину изменения теплового потока в дан­ной точке поля по одной из осей координат. Следовательно, сумма изменений вели­чины теплового потока в любой точке поля должна быть равной нулю. Или, другими словами, сумма количеств теплоты, притекающей к данной точке по всем направле­ниям, должна быть равна нулю. Это — основное условие так называемого тепловогобаланса.

28. Изменение температуры в плоской однородной стене при стационарных условиях. Примером одномерного температурного поля при стационарных условиях теплопередачи является однородная плоская бесконечно длинная стена с постоянной разностью температур на поверхностях. В ней изолинии параллельны друг другу и поверхностям стены (направление теплового потока Q – от зоны с большей температурой t_max к зоне с меньшей температурой t_min).

29. Коэффициент теплопередачи. Величина, характеризующая интенсивность передачи тепла через ограждающую конструкцию; определяется отношением плотности теплового потока, проходящего через поверхность, к разности температур воздушных сред, прилегающих к конструкции. Если же рассмотреть всю конструкцию ограждения, то для неё возможно записать уравнение , где k – коэффициент теплопередачи ограждения, оценивающий его теплотехнические свойства. Чем ниже коэффициент теплопередачи, тем меньше тепла уйдёт из здания при одинаковой разности температур воздуха внутри и снаружи здания. Коэффициентом теплопроводности (не путать с термическим сопротивлением и температуропроводностью) определяется количество тепла, проходящего в единицу времени через две противоположные грани куба из рассматриваемого материала (например, пенопласта), если длина ребер куба равна 1 м и разность температур на двух гранях равна 1°С, а отдача тепла другими гранями куба предотвращена. Перенос тепла от наружной поверхности пограничного слоя к окружающему воздуху определяется также коэффициентом теплоотдачи а, который по определению соответствует коэффициенту теплоотдачи внутренней поверхности, однако отличается от него большей частью численным значением. При совершенно спокойном наружном воздухе среднее значение а составляет около 2,5 ккал/м*ч*град, а при сильной буре достигает 100 ккал/м2*ч*град. Вместо разделения процесса теплообмена (через стенку) на три части можно его отнести к разности температур теплоносителя и наружного воздуха, вводя как основную величину коэффициент теплопередачи. Им определяется количество тепла, передаваемого через стену в единицу времени, на единицу площади и на 1° разности температур теплоносителя и воздуха, между которыми происходит теплообмен. Коэффициент теплопередачи обозначается через k и имеет размерность ккал/м2*ч* град. В промышленности и строительстве коэффициент теплопередачи колеблется в пределах от 0,2 до 3,5 ккал/м2*ч*град, когда это касается теплоизоляции.

30. Сопротивление теплопередачи. Так как тепловой поток, проходящий через ограждение, встречает на своем пути некоторое препятствие свободному перемещению, в практических расчетах удобно пользоваться величинами сопротивлений, которые выражают разность температур на границах того или иного слоя, приходящуюся на единичную плотность теплового потока: , м²К/Вт. Различают следующие сопротивления:

- термическое сопротивление слоя (сопротивление при прохождении тепла через слой конструкции) ; - термическое сопротивление ограждения, состоящего из нескольких слоев ; - сопротивление тепловосприятию (сопротивление при переходе тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения) , обычно при расчетах коэффициент тепловосприятия не рассчитывается по приведенным выше формулам, а принимается из [1, табл. 7]; - сопротивление теплоотдаче (сопротивление при переходе тепла от наружной поверхности к наружному воздуху) , коэффициент теплоотдачи принимается по [3, табл. 6*]; - сопротивление теплопередаче ограждения , кроме того, . Сопротивления тепловосприятию и теплоотдаче часто объединяют общим названием сопротивлений теплообмена у внутренней и наружной поверхностей. Несмотря на то, что их численные значения малы по сравнению с сопротивлением теплопередаче (например, для стен R_в = 0,115, R_н=0,043 м²К/Вт), но они сопоставимы с термическими сопротивлениями материальных слоев (так, сопротивление 15-ти миллиметрового слоя сухой штукатурки приблизительно равно 0,08 м²К/Вт, а сопротивление глиняного кирпича составляет порядка 0,16 - 0,22 м²К/Вт). Для определения термического сопротивления ограждения необходимо знать коэффициенты теплопроводности материалов, составляющих ограждение, а также размеры слоев. R не зависит от порядка расположения слоев, но другие теплотехнические показатели ограждения (теплоустойчивость, распределение температуры в ограждении и его влажностный режим) зависят, поэтому принято нумеровать слои многослойного ограждения, и нумерация ведется последовательно от внутренней поверхности ограждения к наружной. Пользуясь уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно определить толщину одного из его слоев (чаще всего утеплителя – материала с наименьшим коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь заданную (требуемую) величину сопротивления теплопередаче . Тогда требуемое сопротивление утеплителя можно вычислить как , где – сумма термических сопротивлений слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя – так: . Для дальнейших расчетов толщину утеплителя необходимо округлять в большую сторону кратно унифицированным (заводским) значениям толщины того или иного материала. Например, толщину кирпича – кратно половине его длины (60 мм), толщину бетонных слоев – кратно 50 мм, а толщину слоев из иных материалов – кратно 20 или 50 мм в зависимости от шага, с которым они изготавливаются на заводах. При ведении расчетов сопротивлениями удобно пользоваться из-за того, что распределение температур по сопротивлениям будет являться линейным, а значит расчеты удобно вести графическим способом. В этом случае угол наклона изотермы к горизонту в каждом слое одинаков и зависит только от соотношения разности расчетных температур и сопротивления теплопередачи конструкции. А тангенс угла наклона есть не что иное как плотность теплового потока, проходящего через данное ограждение: . При стационарных условиях плотность теплового потока постоянна во времени, и значит, , где R_х – сопротивление части конструкции, включающее сопротивление теплообмену внутренней поверхности и термические сопротивления слоев конструкции от внутреннего слоя до плоскости, на которой ищется температура. Тогда . Например, температура между вторым и третьим слоем конструкции может быть найдена так:

.

31. Коэффициент теплопроницания. Количество теплоты, проходящей через ограждение, пропорционально разности температур воздуха с одной и с другой стороны ограждения, площади ограждения и времени, в течение которого происходит передача теплоты, и, кроме того, зависит от теплотехнических свойств самого ограждения. Количество теплоты Q, передавае­мой ограждением, определяется по формуле Q=k*(Tвн-Тн)*F*t где k — коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств ограждения и назы­ваемый коэффициентом теплопередачи, Вт/(м² • °С); Tвн — температура воздуха с внут­ренней стороны ограждения, °С; Тн — температура воздуха с наружной стороны ограж­дения, °С; F — площадь ограждения, м²; t — продолжительность передачи теплоты, с. Для выяснения физического смысла коэффициента теплопередачи ограждения по­ложим в формуле, что Tвн-Тн = 1°С, F = 1 м², t = 1 с, тогда k = Q, Следовательно, ко­эффициент теплопередачи ограждения измеряется количеством теплоты, Дж, которое будет проходить в течение 1 с через 1 м² ограждения при разности температур воздуха с одной и с другой его стороны, равной 1 °С. Если вместо температур воздуха с одной и с другой стороны ограждения будут из­вестны температуры на поверхностях ограждения, то формула Q примет вид: Q=Λ*(Tпов вн-Тпов н)*F*t где Λ — коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств ограждения и назы­ваемый коэффициентом теплопроницания ограждения, ВтДм² • °С); Tпов вн — температура внутренней поверхности ограждения, °С; т_н — температура наружной поверхности ог­раждения, °С. Размерность коэффициента теплопроницания, Вт/(м²- °С), одинакова с размер­ностью коэффициента теплопередачи, разница между ними только в том, что k от­носится к 1 °С разности температур воздуха с одной и с другой стороны ограждения, а Λ— к 1 °С разности температур на одной и другой поверхности ограждения.

32. Термическое сопротивление ограждения. термическое сопротивление ограждения, состоящего из нескольких слоев ; Для определения термического сопротивления ограждения необходимо знать коэффициенты теплопроводности материалов, составляющих ограждение, а также размеры слоев. R не зависит от порядка расположения слоев, но другие теплотехнические показатели ограждения (теплоустойчивость, распределение температуры в ограждении и его влажностный режим) зависят, поэтому принято нумеровать слои многослойного ограждения, и нумерация ведется последовательно от внутренней поверхности ограждения к наружной. Пользуясь уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно определить толщину одного из его слоев (чаще всего утеплителя – материала с наименьшим коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь заданную (требуемую) величину сопротивления теплопередаче . Тогда требуемое сопротивление утеплителя можно вычислить как , где – сумма термических сопротивлений слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя – так: . Для дальнейших расчетов толщину утеплителя необходимо округлять в большую сторону кратно унифицированным (заводским) значениям толщины того или иного материала. Например, толщину кирпича – кратно половине его длины (60 мм), толщину бетонных слоев – кратно 50 мм, а толщину слоев из иных материалов – кратно 20 или 50 мм в зависимости от шага, с которым они изготавливаются на заводах. При ведении расчетов сопротивлениями удобно пользоваться из-за того, что распределение температур по сопротивлениям будет являться линейным, а значит расчеты удобно вести графическим способом. В этом случае угол наклона изотермы к горизонту в каждом слое одинаков и зависит только от соотношения разности расчетных температур и сопротивления теплопередачи конструкции. А тангенс угла наклона есть не что иное как плотность теплового потока, проходящего через данное ограждение: . При стационарных условиях плотность теплового потока постоянна во времени, и значит, , где R_х – сопротивление части конструкции, включающее сопротивление теплообмену внутренней поверхности и термические сопротивления слоев конструкции от внутреннего слоя до плоскости, на которой ищется температура. Тогда .