Задачи и методологические основы теплофизики

Строительная теплофизика является составной частью строительной физики, которая призвана решать вопросы обеспечения комфортных условий проживания человека во внутренней среде зданий. Строительная теплофизика базируется на данных строительной климатологии, содержащих обобщенную информацию о многолетних наблюдениях за состоянием погоды.

Цель курса «Строительная теплофизика» - с помощью системного изложения сформировать подход к физическойсущности теплового и влажностного режимов здания как к основе технологии обеспечения микроклимата.

В задачи дисциплины входит:

- формирование общего представления о теплотехнической роли внешней оболочки здания и работе инженерных систем, обеспечивающих его микроклимат, как о единой энергетической системе;

- обучение студента умению использовать теоретические положения и методы расчета в дальнейшей профессиональной работе.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать:

- понятия, определяющие тепловой, воздушный и влажностный режимы здания, включая климатологическую и микроклиматическуютерминологию;

- законы передачи теплоты, влаги, воздуха в материалах, конструкциях и элементах систем здания и величины, определяющие тепловые и влажностныепроцессы;

- нормативы по теплозащите наружных ограждающих конструкций, нормирование параметров наружной и внутренней среды здания.

Уметь:

- формулировать и решать задачипередачитеплоты во всех элементах здания

- выполнять проверочныйрасчетзащитныхсвойств наружных ограждений.

Предмет курса. Строительная теплофизика изучает процессы передачи теплоты, переноса влаги, фильтрации воздуха в зданиях.

В основном строительная теплофизика изучает процессы, происходящие на поверхностях и в толще ограждающих конструкций здания. Значительное место в строительной теплофизике отведено наружным ограждениям, которые отделяют отапливаемые помещения от наружной среды или от неотапливаемых помещений (неотапливаемых техподполий, подвалов, чердаков, тамбуров и т.п.)

В проектировании и теплотехнической оценке наружных ограждений имеется ряд особенностей. Утепление здания - дорогостоящая и ответственная составляющая современного строительства, поэтому важно обоснованно принимать толщину утеплителя.

Научная база строительной теплофизики - теория общей термодинамики (которая требует, однако, высокой физико-математической подготовки специалистов), поэтому в инженерных расчетах используется с допущениями.

Основные понятия:

Теплообмен - любой процесс обмена энергией между телами, осуществляется при непосредственномвзаимодействии или между молекулами и атомами этих тел (теплопроводностью и конвекцией), или между молекулами и атомами одного тела и частицами (фотонами) электромагнитного излучения, испускаемого другими телами (излучение - лучистый теплообмен).

Теплота (количество тепла) - изменение энергии тела в процессе теплообмена.

Перенос тепла - в твердых материалах независимо от их структуры возникает всегда, когда имеется разница температур и количество переносимого тепла всегда пропорционально ей.

Перенос влаги и воздуха - происходит только тогда, когда энергетический уровень потенциала переноса выше энергетического уровня сопротивления переносу со стороны структуры конструкции.

Сезонная и суточная периодичность интенсивности воздействияклиматических факторов - определяет периодичность во времени атмосферныхвоздействий на ограждающие конструкции зданий.

Их значения имеют достаточно большой разброс, и описание их зависимостей лежит в рамках теории случайных величин. Строительная теплофизика стремится упростить, привести к закономерным периодическим функциям, представляя такие процессы как квазистационарных (нестационарные). Такие системы в термодинамике называются ограничено закрытыми: они закрыты для процессов массопереноса, но остаются открытыми для теплопереноса.

Ограждающие конструкцииздания - находятся в состоянии постоянного тепломассообмена ( открытые системы). При стабилизации во времени внешних условий в открытых системах устанавливается постоянное распределение значений термодинамическихпараметров. Система приходит в состояние равновесного обмена теплом и веществом с окружающей средой. Такой процесс обмена называется стационарным. Это очень удобная модель для анализа реальных условий.

Здание как единая энергетическая система.

При проектировании жилых, общественных, производственных зданий и сооружений (далее зданий и сооружений) необходимо обеспечивать их тепловую защиту с целью создания оптимальных санитарно-гигиенических условий при разумном расходовании энергоносителей на отопление зданий и сооружений.

К комплексу мероприятий по обеспечению надлежащей тепловой защиты зданий относятся:

- оптимальное объемно-планировочное решение зданий и сооружений при минимальной площади наружных ограждающих конструкций

- применение рациональных наружных ограждающих конструкций с использованием в них эффективных теплоизоляционных материалов

- использование современных методов расчета тепловой защиты зданий и сооружений, базирующихся на условиях энергосбережения.

Проектирование тепловой защиты зданий и сооружений осуществляется на основе требований:

ДСТУ-Н Б В.1.1–27:2011 «Будівельна кліматологія»;

ДБН В.2.6-31:2106 «Теплова ізоляція будівель»;

ДСТУ Б А.2.2-12:2015 «Метод розрахунку енергоспоживання при опаленні, охолодженні, вентиляції, освітленні та гарячому водопостачанні»,

а также соответствующих ДСТУ и норм проектирования зданий и сооружений, в которых приведены необходимые для расчета параметры микроклимата помещений.

То есть, помимо соответствующих теплотехнических расчетов, необходимо учитывать архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий (композиционное решение, ориентация, размеры и герметичность заполнения световых проемов, теплоизоляция ограждений), которые определяют эксплуатационную эффективность и экономичность искусственных средств (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха).

Следует помнить, что даже идеальные в теплотехническом отношении стены и покрытия не дадут ожидаемого эффекта, если композиция здания характеризуется чрезмерным периметром наружных стен, неглубокими помещениями, большими площадями остекления и нерациональной ориентацией по отношению к господствующим ветрам.

Поэтому, важно уже на первой стадии проектирования, когда выявляются принципиальные решения здания, определяющие его теплотехническую, гигиеническую и экономическую эффективность, правильно оценить тепловой климат и аэрационный режим места строительства по исходным данным и умело пользоваться картами строительно-климатического районирования и зон влажности территории (см. курс «Будівельна кліматологія»)

Специфика современного теплотехнического расчета наружных ограждений связана:

- с повысившимися требованиями к теплозащите зданий;

- с необходимостью учитывать роль эффективных утеплителей в ограждающих конструкциях, теплопроводность которых настолько мала, что требуют очень аккуратного отношения к подтверждению их величин в эксплуатационных условиях;

- с тем, что в ограждениях появились различные связи, сложные примыкания одного ограждения к другому, снижающие сопротивление теплопередаче ограждения. Оценка влияния различного рода теплопроводныхвключений на теплозащиту зданий должна опираться на специальные подробные исследования.

Здание как единая энергетическая система. Совокупность всех факторов и процессов (внешних и внутренних воздействий), влияющих на формирование тепловогомикроклимата помещений, называется тепловым режимом здания.

Ограждения не только защищают помещение от наружной среды, но и обмениваются с ним теплотой и влагой, пропускают воздух сквозь себя как внутрь, так и наружу.

Задача поддержания заданного теплового режима помещений здания (поддержания на необходимом уровне температуры и влажности воздуха, его подвижности, радиационной температуры помещения) возлагается на инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако определение режима работы этих систем невозможно без учета влияния тепловлагозащитных и теплоинерционных свойств ограждений.

Поэтому система кондиционирования микроклимата помещений включает в себя:

- все инженерные средства, обеспечивающие заданный микроклимат обслуживаемых помещений;

- ограждающие конструкции здания;

- инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Таким образом, современное здание – это сложная взаимосвязанная единая энергетическая система.