Проблемы тепловой защиты связаны с перемещением тепла через ограждающую конструкцию здания в результате разницы температур внутреннего и внешнего воздуха. Защита от конденсации влаги основана на анализе диффузии водяного пара через перегородки, вызванной разницей температуры и относительной влажности воздуха внутри и снаружи. С точки зрения акустической защиты большое значение имеют способность передавать звуки и изоляционные свойства строительных перегородок.

Общие понятия - тепловая защита.


Это, в том числе, проблема экономии энергии. Разница температур внутри и снаружи зданий возникает как летом, так и зимой. Вычислительные модели предполагают, что температуры постоянны во времени.
Целью тепловой защиты является:
- обеспечение теплового комфорта внутри помещения
- снижение потребности в тепловой энергии
- снижение затрат на отопление или кондиционирование воздуха
- уменьшение загрязнения воздуха
- защита перегородок здания от повреждений, вызванных влажностью.
Летом утепление здания должно защитить внутреннее пространство от перегрева.

Защита от конденсации водяного пара.
Защита от конденсата связана с теплоизоляцией строительных перегородок. Предметом этого раздела является движение влаги (в основном диффузия водяного пара) через перегородки, вызванное разницей температуры и относительной влажности воздуха внутри и снаружи здания. Предметом поверочных расчетов является возможность конденсации водяного пара на внутренней поверхности перегородок в соответствии с действующими нормами и внутри перегородок здания. Защита от конденсации, однако, не касается мер по предотвращению воздействия дождя, подъема влаги из земли, грунтовых вод.


Целью защиты от глубокой конденсации является:
- создание благоприятных условий в интерьере
- поддержание надлежащей теплоизоляции
- защита перегородок от повреждений из-за чрезмерной влажности
- обеспечение физической прочности и качества материалов.
Эффект защиты от влаги - здоровый микроклимат и отсутствие плесневых грибков в интерьере.

Акустическая защита.
В этом разделе рассматривается формирование звуков и передача звуков от источника к получателю. Звуки издаются как снаружи, так и внутри зданий. Итак, при акустической защите необходимо учитывать изоляционные свойства внешних и внутренних перегородок.
Источники шума в строительстве делятся на три группы:
- жилые помещения и рабочие места
- шум от технических устройств в том же здании
- внешний шум (от транспорта, промышленных предприятий и т. д.)
Основная проблема здесь - снижение интенсивности звука, проходящего через преграду от источника к получателю, т.е. акустическая изоляция перегородки. Также будет проведена акустическая оценка различных внутренних устройств и необходимые меры по ограничению распространения шума.
Обозначение размеров и единиц в области строительной физики:
- тепловая защита
- защита от влаги
- акустическая защита

Тепловая защита
Физические основы.


Условия теплового комфорта.
Для правильного функционирования человеческого тела необходимо поддерживать температуру тела в определенном узком температурном диапазоне. Даже незначительные отклонения от средней температуры тела около 37°C опасны для здоровья и могут привести к летальному исходу. Человек подвержен большим колебаниям температуры, поэтому он должен защищаться от внешних климатических воздействий с помощью искусственного укрытия, например, здания. Тепловой комфорт в здании будет обеспечен, когда можно будет поддерживать практически постоянные условия внутреннего микроклимата.
Из-за излучения тепла от тела человека температура поверхности перегородок, образующих это помещение, имеет большое значение для условий теплового комфорта. Температура пола имеет особое значение, поскольку тепловые потери тела человека дополнительно увеличиваются за счет теплопроводности.
Еще одним параметром, влияющим на тепловой комфорт в доме, является движение воздуха (скорость воздуха). Чрезмерная скорость воздуха может вызвать неприятное местное охлаждение поверхности тела.


Климатические условия в интерьере, обеспечивающие комфорт, поддерживаются правильно подобранными перегородками и соответствующими техническими устройствами (отопление, вентиляция). Наружная оболочка здания призвана максимально ограничить колебания параметров микроклимата.
Разница температур внутри и вокруг здания зимой должна приводить к потерям тепла, которые затем компенсируются подачей тепла из системы отопления. Чтобы свести к минимуму потребность в энергии и связанное с этим загрязнение окружающей среды, внешние перегородки должны быть хорошо изолированы.
Летом излишки тепла попадают внутрь здания в основном через окна и в меньшей степени через непрозрачные перегородки. Перегрева интерьера летом можно в значительной степени избежать, если сплошные перегородки обладают высокой теплоемкостью и с помощью устройств, защищающих окна (например, жалюзи, ставни и т. д.)

Тепловая энергия и тепловой поток


Тепло.
Тепло - это форма передачи энергии, которая связана с колебаниями атомов или молекул в газах, жидкостях и твердых телах. Изменение движения частиц тела равносильно изменению теплового состояния тела. Тепловая энергия может быть получена в процессе изменения формы другого вида энергии, например электричества.
Нагрев (количество тепла)
Q, Вт * с или Дж

Температура.
Температура - это информация об энергетическом состоянии тела. Это условная физическая величина, для ее численного определения используются две шкалы: Цельсия и Кельвина.
Ноль по шкале Цельсия практически совпадает с температурой криогенной смеси (смесь льда с водой). По шкале Кельвина ноль градусов соответствует абсолютному нулю. При абсолютном нуле температуры все движения молекул прекращаются.

Тепловое движение.
Когда существует разница температур внутри тела или разница температур между двумя телами, первый закон термодинамики активирует естественную тенденцию к выравниванию температуры. Тепловая энергия течет от более теплого к более холодному телу до тех пор, пока температуры не выровнены. Передача тепла может происходить разными способами: за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Теплопроводность.
Теплопроводность - это прямая передача кинетической энергии от одной молекулы к другой. Интенсивность теплопроводности зависит от структуры и свойств материала. Потери тепла из здания через перегородки в основном связаны с теплопроводностью.

Конвекция (подъем).
Конвективная теплопередача - это макроскопическое движение нагретых частиц газа или жидкости. Локальный перепад температур вызывает свободную конвекцию, то есть движение частиц из-за изменения плотности воздуха. С помощью вентилятора можно вызвать принудительную конвекцию.

Тепловое излучение.
Тепловое излучение - это форма обмена энергией между двумя телами, которые не находятся в контакте друг с другом. Излучение, падающее на поверхность твердого тела, частично поглощается и частично отражается. Тела темного цвета поглощают больше энергии солнца, чем яркие, и, таким образом, нагреваются до более высокой температуры. Солнечное излучение, а также излучение от других источников тепла в здании эффективно увеличивает температуру внутри.

Стационарный / нестационарный тепловой поток.
Если тепловой поток имеет место при постоянной температуре окружающей среды, то мы имеем дело со стационарным тепловым потоком (это предположение обычно делается при описании теплопередачи в зимних условиях). Нестационарный тепловой поток возникает, когда температура быстро меняется с течением времени, например, колебания внешней или внутренней температуры, контакт босых ног с полом и т. д.

Теплоизоляция.


Свойства материала.
Теплопроводность.

Разные температуры по обе стороны от слоя материала вызывают тепловой поток, величина которого зависит от теплопроводности материала. Некоторые материалы очень хорошо проводят тепло (например, металлы), тогда как другие очень плохо проводят тепло (например, полистирол). Способность материала проводить тепло определяется его теплопроводностью. Испытание и определение теплопроводности материала проводится в соответствии со стандартами: PN ISO 8301 и PN ISO 8302.

Коэффициент теплопроводности
Коэффициент теплопроводности указывает количество тепла [Ws], которое проходит через слой материала толщиной 1 м, со следующими значениями:
Количество тепла, которое теряется из отапливаемого помещения через его внешние перегородки, можно описать следующим образом:
- коэффициент теплопроводности материала
d - толщина слоя материала
A - площадь перегородки
T - разница температур
t – время.


Пористость имеет большое влияние на теплопроводность материала. Поскольку воздух, закрытый в порах материала, имеет самую низкую теплопроводность, увеличение пористости, другими словами уменьшение плотности материала, снижает его теплопроводность.
В случае полистирола зависимость коэффициента теплопроводности от плотности носит иной характер.
Помимо пористости и плотности, влажность также влияет на теплопроводность материала. Теплопроводность быстро увеличивается с увеличением влажности. В строительной практике при определении изоляционных свойств перегородок следует учитывать фактическую влажность материалов и температуру.

Удельная теплоемкость.
Для описания нестационарного теплового потока через перегородки здания недостаточно информации только о теплопроводности материала. В этих условиях важную роль играет и другой параметр, а именно удельная теплоемкость материала. Это информация о том, сколько тепла необходимо для нагрева материала в условиях повышения температуры.
Удельная теплоемкость материала - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг материала на 1 К.

Проводимость.
Коэффициент теплопередачи определяет поток теплового потока через слой материала толщиной 1 м. При анализе теплового потока через конкретный элемент здания следует учитывать его фактическую толщину.
Отношение теплопроводности материала к толщине его слоя называется теплопроводностью.
Электропроводность определяет, сколько тепла [Вт с] проходит через слой строительного материала толщиной [d] при граничных условиях.

Сопротивление теплопередаче.
Для оценки теплоизоляции внешних перегородок здания чаще используют понятие сопротивления материала тепловому потоку, чем проводимости. Тепловое сопротивление слоя материала обратно пропорционально проводимости.

Воздушный слой.
Изолирующие свойства замкнутого воздушного слоя нельзя описать, используя только теплопроводность воздуха и толщину слоя, потому что помимо теплопроводности важна также конвекция.

Коэффициент теплопередачи.
Прежде чем тепловой поток достигнет поверхности перегородки и снаружи, прежде чем он покинет перегородку и перейдет в наружный воздух, он должен преодолеть сопротивление приповерхностных слоев воздуха. Теплообмен, происходящий в этих местах, происходит в основном за счет конвекции и излучения. В совокупности это определяется как теплопередача на поверхности перегородки и описывается коэффициентом теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи определяет количество тепла [Вт с], которое проходит через поверхностный слой воздуха.
Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности перегородки обозначается как hi, а на внешней стороне как he.

Сопротивление теплопередачи.
Сопротивление теплопередаче обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи.

При расчете теплового сопротивления строительных перегородок значения сопротивлений теплопередаче для различных случаев расположения перегородок и направлений теплового потока приведены в PN EN ISO 6946.

Строительные элементы и элементы здания
- Термическое сопротивление и коэффициент теплопередачи
- Метод расчета.
Общее тепловое сопротивление Тепловой поток через материалы перегородки связан с их теплопроводностью, а теплообмен на поверхности перегородки связан с коэффициентом теплопередачи. Общее тепловое сопротивление перегородки рассчитывается как сумма сопротивлений проводимости отдельных слоев перегородки и сопротивлений теплопередаче на обеих ее поверхностях.
Коэффициент теплопередачи равен обратному полному тепловому сопротивлению перегородки.
Коэффициент теплопередачи соответствует количеству тепла [Вт с], которое проникает через перегородку здания с учетом подповерхностных слоев воздуха при граничных условиях.
Используя коэффициент теплопередачи, можно описать количество тепла, которое проникает через перегородки, защищающие отапливаемые внутренние помещения здания:
где:
U - коэффициент теплопередачи
A - площадь перегородки
T - разница температур
t - время
Средний коэффициент теплопередачи неоднородной перегородки, т.е. перегородки с участками с локально разными значениями коэффициентов теплопередачи, рассчитывается как средневзвешенное значение локальных значений. Веса - это площади An этих областей, относящиеся к общей площади неоднородного раздела.

Нестационарный тепловой поток.


Накопление тепла.
Нестационарный теплообмен происходит при изменении температуры окружающей среды здания или при контакте двух тел с разными температурами. Следующие проблемы связаны с нестационарными тепловыми условиями:
- переменная температура воздуха в помещении из-за неравномерного обогрева зимой
- переменная температура наружного воздуха из-за неравномерного солнечного излучения
- охлаждение поверхности голой ноги, соприкасающейся с полом комнаты.


Течение перечисленных явлений связано в первую очередь с теплоемкостью строительных материалов и элементов. При проектных расчетах, относящихся к нестационарным условиям теплового потока, используются следующие значения:
- характеристики материала
- характеристики перегородки
Когда в зимних условиях помещение нагревается от начальной температуры, равной температуре наружного воздуха, до нормальной рабочей температуры, количество накопленной энергии в перегородках изменяется до достижения установившегося состояния.
В кирпичной стене хранится гораздо большее количество энергии, чем, например, в перегородке, выполненной в основном из изоляционного материала, например, в легкой плоской крыше.
Покрытие кирпичной стены изолирующим слоем снаружи позволяет накопить в ней больше тепла, чем в случае внутренней изоляции.
Таким образом, в многослойных перегородках с одинаковой площадью можно хранить существенно разное количество энергии.

Практические вопросы.
Колебания температуры воздуха в помещении.
Большие колебания температуры внутри помещения происходят в зданиях, которые периодически отапливаются, таких как церкви, спортивные сооружения, залы для мероприятий и т. д. Значительные колебания также возникают в помещениях, где ночью температура падает или, например, происходит сбой отопления. Теплоемкость перегородок и их проводимость влияют на процесс нагрева и охлаждения перегородок. В многослойных перегородках значительное влияние имеют внутренние слои перегородок.
Из-за теплового комфорта в помещении и защиты от конденсации водяного пара на внутренней поверхности желательны длительное время охлаждения перегородок и короткое время нагрева. Эти требования выполняются следующим образом:
- длительное время охлаждения
Помещение, защищенное однослойной перегородкой с низкой теплоемкостью, быстро охлаждается, и температура на внутренней поверхности перегородки быстро падает. Поскольку время охлаждения перегородки пропорционально частному, способ избежать конденсации водяного пара на поверхности легкой перегородки - повысить ее термическое сопротивление (снизить проводимость).
- быстрый нагрев
Многослойная перегородка, изолированная изнутри, хранит меньшее количество тепла, чем изолированная снаружи. Таким образом, время обогрева помещения, перекрытого такими перегородками, короче, чем при внешней изоляции. Поэтому помещения или здания, которые используются только периодически и требуют быстрого обогрева интерьера, можно утеплить изнутри.
Колебания температуры наружного воздуха
В течение дня температура наружного воздуха изменяется между максимальным и минимальным значением. Эти изменения в здании без кондиционера менее важны зимой, чем летом. Перегородки должны защищать интерьер от чрезмерного повышения температуры, а также позволять задерживать передачу тепла от стены внутрь помещения. Показателем эффективности защиты внутренней части от перегрева является ослабление температурной волны (отношение амплитуд) «A» и сдвиг фазы.
Если перегородка характеризуется сильным ослаблением тепловой волны (высокое значение A), фазовый сдвиг не имеет большого значеия. С другой стороны, если перегородка лишь незначительно гасит тепловой поток, требуется фазовый сдвиг температурной волны порядка 12 часов. Благодаря этому максимальный приток тепла внутрь помещения происходит только утром, когда уже возможно интенсивное охлаждение наружным воздухом.


Тепловая активность слоев пола.
Ощущение холода или тепла при ходьбе босиком по полу в помещении связано с температурой контакта ступни с полом. Его значение зависит от так называемого тепловая активность слоев пола. Чем ниже значение тепловой активности, тем теплее кажется пол при прикосновении ногой.
При использовании тонких напольных покрытий обычно необходимо учитывать свойства более глубоких материалов, а не только верхнего слоя.

Другие статьи:

Введения в менеджмент: основы

Основные разделы физики

Физика

Описание электростанций

Что такое автоматизация бизнес-процессов?