ЛЕКЦІЯ 2
Теплофізичні властивості будівельних матеріалів. Види теплопередачі.
Теплофизические свойства строительных материалов
Знание теплофизических свойств строительных материалов позволяет эффективно использовать их для обеспечения теплозащитных качеств ограждений. Величины теплотехнических показателей строительных материалов определяются экспериментально, основные значения приведены в ДСТУ Б В.2.6-189:2013 Методи вибору теплоізоляційного матеріалу для утеплення будівель [7].
Плотность (объемная масса) p, кг/м3, представляет собой отношение массы вещества (m, кг) к объему вещества (V, м3), то есть
(2.1)
Пористость. Строительные материалы содержат некоторое количество пор различных размеров. Пористость, Р выражается в % и указывает объем, который занимают поры относительно общего объема.
, (2.2)
где ρ о - плотность материала с учетом пор,
ρ - то же только твердой части (без пор).
Влажность. Представляется содержанием в материале химически свободной воды по массе
или по объему
, (2.3)
где т1 і т2 - масса сухого и влажного материала;
V1 і V2 - объем влаги в материале и объем сухого материала, м3.
Теплопроводность.
Передача тепла в материале осуществляется как теплопроводностью через твердые частицы, так и теплопроводностью, конвекцией и излучением между стенками пор. Характеризуется величиной теплопроводности λ, Вт/(моК). В расчетах принимается теплопроводность как осредненная величина, учитывающая все виды теплопередачи в материале. В основном влияют на теплопроводность тепловые колебания атомов. Чем тяжелее атомы или атомные группы и слабее они между собой связаны, тем меньше теплопроводность материала. Наименьшее значение λ у воздуха - (0,023), наибольшее - у меди (407).
 |
Величина теплопроводности λ на основании экспериментальных исследований устанавливается зависимостью между количеством тепла (Q, Вт·с), которое проходит в стационарном режиме (при постоянно работающем отоплении) через 1 м2 слоя материала (F, м2) толщиной 1 м (δ, м) в 1 секунду (τ, с), когда разница температур на внешней и внутренней поверхностях слоя составляет 1 Кельвин (перепад температур Δ t, °К, 1 оК = 1оС) следующим образом
= 
= Вт/(м∙оК) (2.4)
 |
Теплопроводность зависит от:
Пористости материала.
Так как теплопроводность воздуха меньше теплопроводности любых материалов, то повышение пористости приводит к уменьшению теплопроводности. Особенно благоприятны мелкие поры. В крупных порах выше определенного предела происходит рост теплопроводности из-за возникновения конвективных токов.
Плотности материала.
Чем плотнее материал, тем больше величина λ. Воздух имеет очень хорошие теплоизоляционные свойства (λ = 0,023 Вт/(моК). материалы с малой плотностью имеют, как правило, много воздушных пор, которые улучшают их теплоизоляционные свойства.
влагосодержания материала.
Оно зависит от:
- структуры материала (поры, строение)
- положения в конструкции (подход воздуха)
- климатические воздействия (внутри - снаружи)
 |
Поры заполняются влагой и замена воздуха на воду способствует увеличению λ; теплопроводность влажного материала относительно сухого с λо; определяется условно линейной зависимостью
. (2.5)
здесь β – коэффициент, зависящий от материала (керамзитобетон β = 0,105, пенобетон β = 0,011 и т.п.). Условия эксплуатации конструкции (характеристики микроклимата и окружающей среды) также накладывают отпечаток на теплофизические характеристики материала. В инженерных расчетах это учитывается так называемым режимом эксплуатации ("А" и "Б", которые определяются по ДБН [7]);
- температуры материала.
Молекулы теплых материалов более подвижны, чем молекулы холодных материалов. Чем ниже температура материала, тем хуже теплопроводность. Чтобы получить сравнимые величины следует определять теплопроводность при температуре +10оС.
В общем виде наблюдается линейный закон роста теплопроводности в виде
. (2.6)
здесь λо – теплопроводность при ˚С; b - коэффициент, величина которого колеблется в пределах 0,0001 - 0,001 и зависит от вида материала (принимается по таблицам Б.Н.Кауфмана, исключение составляют магнезиальная кирпич и металлы и их соединения, кроме алюминия и латуни). В строительной практике это зависимость используют только при теплоизоляции оборудования с очень низкими или высокими температурами;
- анизотропности материала - неравномерности теплопроводности в различных направлениях. Это свойство имеют большинство слоистых материалов и особенно древесина. Так у дуба поперек волокон теплопроводность практически вдвое меньше, чем у дуба вдоль волокон.
Теплоемкости материала - способности материалов поглощать (отдавать) тепло при повышении (понижении) температуры окружающего воздуха. Характеризуется массовой теплоемкостью материала (с, кДж/кг, ˚С), зависит от удельной теплоемкости (со) и влажности материала (w, %). Примерно зависимость имеет вид
(2.7)
Виды теплопередачи
Причиной того, что в помещении имеют место примерно одинаковые температуры, независимо от расположения источников тепла, или того, что температура в помещении после отключения отопления понижается с различной скоростью, являются различные возможности передачи тепла.
Перемещение теплоты всегда происходит от более теплой среды к более холодной. Процесс переноса теплоты из одной точки пространства в другую за счет разности температуры называется теплопередачей и является собирательным, так как включает в себя три элементарных вида теплообмена: теплопроводность(кондукцию), конвекцию и излучение.
Таким образом, потенциалом переноса теплоты является разность температуры.
 |
Теплопроводностью называется процесс, когда передача тепла происходит в результате соприкосновения частиц твердого материала (бетон, кирпич и т.п.).
Конвекция - это процесс передачи тепла путем механического перемещения частиц вещества в газообразной или жидкой среде.
Излучение (радиация) - процесс передачи тепла с помощью электромагнитных волн, которые передаются от более нагретого другому, менее нагретому телу, превращаясь в нем в тепловую энергию.
При теплопроводности молекулы твердого вещества в процессе передачи тепла остаются на месте, в то время как при конвекции, передача тепла происходит путем изменения положения частичек вещества теплоносителя (нагретого воздуха или горячей воды), что в результате меняет тепловой потенциал окружающей среды.
Теплопроводность
При изучении теплопроводности вещество рассматривается как сплошная масса, его молекулярное строение игнорируется. В чистом виде теплопроводность встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.
Большинство строительных материалов являются пористыми телами. В порах находится воздух, имеющий возможность двигаться, т.е. переносить теплоту конвекцией. Считается, что конвективной составляющей теплопроводности строительных материалов можно пренебречь ввиду ее малости. Внутри пор между поверхностями ее стенок происходит лучистый теплообмен. Передача теплоты излучением в порах материалов определяется, главным образом размером пор, потому что чем больше поры, тем больше разность температуры на ее стенках.
Ограждающие конструкции здания, как правило, являются плоско-параллельными стенками, теплоперенос в которых осуществляется в одном направлении.
Кроме того, обычно при теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкций принимается, что теплопередача происходит при стационарных тепловых условиях, т.е. при постоянстве во времени всех характеристик процесса: теплового потока, температуры в каждой точке, теплофизических характеристик строительных материалов.
Поэтому важно рассмотреть процесс одномерной стационарной теплопроводности в однородном материале, который описывается уравнением Фурье:
(2.8)
где q – поверхностная плотность теплового потока, проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку, Вт/м2;
λ – теплопроводность материала, Вт/(м·оК);
t – температура, изменяющаяся вдоль оси х, оК;
Отношение 
носит название градиента температуры, оК/м. Градиент температуры направлен в сторону возрастания температуры, которое связано с поглощением теплоты и уменьшением теплового потока. Знак минус, стоящий в правой части уравнения (2.8), показывает, что увеличение теплового потока не совпадает с увеличением температуры.
Теплопроводность λ является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (2.8), теплопроводность материала – это мера проводимости теплоты материалом, численно равная тепловому потоку, проходящему сквозь 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 оК/м (рис. 2.1). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в таком материале процесс теплопроводности, больше тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с теплопроводностью менее 0,3 Вт/(м·оК).
 |
Рис.2.1. Направления теплового потока и градиента температуры:
 |
Изменение теплопроводности строительных материалов с изменением их плотности происходит из-за того, что практически любой строительный материал состоит из скелета – основного строительного вещества и воздуха.
Например, теплопроводность абсолютно плотного вещества (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/(м·оК) (у пластмассы) до 14 Вт/(м·оК) (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,023 Вт/(м·оК).
Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение его теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют небольшую плотность.
Различия в пористости и в теплопроводности скелета приводят к различию в теплопроводности материалов, даже при одинаковой их плотности. Например, следующие материалы (табл. 2.1) при одной и той же плотности, ρо = 1800 кг/м3, имеют различные теплопроводности [4]:
Таблица 2. 1
Теплопроводность материалов с одинаковой плотностью 1800 кг/м3
| Материал | Теплопроводность, Вт/(м·оК) |
| Цементно-песчаный раствор | 0,93 |
| Кирпич | 0,76 |
| Асфальт | 0,72 |
| Портландцементный | 0,46 |
| Асбестоцемент | 0,35 |
С уменьшением плотности материала его теплопроводность λ уменьшается, так как снижается влияние кондуктивной составляющей теплопроводности скелета материала, но, однако, при этом возрастает влияние радиационной составляющей.
Поэтому уменьшение плотности ниже некоторого значения приводит к росту теплопроводности, т.е. существует некоторое значение плотности, при котором теплопроводность имеет минимальное значение.
Для плоской однородной стенки толщиной δ (рис.2.2) тепловой поток, Вт/м2, передаваемый теплопроводностью через однородную стенку, может быть выражен уравнением
, (2.9)
где τ1, τ2 – значения температуры на поверхностях стенки, оС.
Из выражения (2.9) следует, что распределение температуры по толщине стенки линейное. Величина 
названа термическим сопротивлением материального слоя и обозначается R, м2 оК/Вт:
(2.10)
Следовательно, тепловой поток q, Вт/м2, через однородную плоско-параллельную стенку толщиной δ, м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/моК, можно записать в виде
, (2.11)
Термическое сопротивление слоя – это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м2.
Теплообмен теплопроводностью имеет место в материальных слоях ограждающих конструкций здания.
 |
Рис. 2.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке.
Конвекция
Конвекция имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела. При этом происходит передача теплоты и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности называется конвективным теплообменом.
Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях ограждений здания. В теплообмене внутренних поверхностей помещения конвекция играет существеннуюроль.
При различных значениях температуры поверхности и прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей температуры.
Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит от:
- режимадвижения жидкости или газа, омывающих поверхность,
- от температуры, плотности и вязкости движущейся среды,
- от шероховатости поверхности,
- от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.
Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью) протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения газа.
Различают естественную и вынужденнуюконвекцию.
В первом случае движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа, во втором – за счет внешних для данного процесса сил (работы вентиляторов, ветра).
В практических расчетах для оценки конвективного теплового потока (рис. 2.3) применяют уравнение Ньютона:
(2.12)
где qк – тепловой поток, Вт, передаваемый конвекцией от движущейся среды к поверхности или наоборот;
ta – температура воздуха, омывающего поверхность стенки, оС;
τ – температура поверхности стенки, оС;
αк - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м2.оК.
Рис. 2.3. Конвективный теплообмен стенки с воздухом
Коэффициент теплоотдачи конвекцией aк – физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности между температурой воздуха и температурой поверхности тела, равной 1оК.
При таком подходе вся сложность физического процесса конвективного переноса теплоты заключена в коэффициенте теплоотдачи aк.
Для практического использования принимаются весьма приближенные значения aк.
Уравнение (2.12) удобно переписать в виде:
(2.13)
где Rк – сопротивление конвективной теплоотдаче на поверхности ограждающей конструкции, м2.оК/Вт, равное разности температуры на поверхности ограждения и температуры воздуха при прохождении теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м2 от поверхности к воздуху или наоборот.
Сопротивление Rк является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи aк:
(2.14)
Тепловая радиация
Излучение (лучистый теплообмен) – перенос теплоты с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту (рис.2.4).
Рис. 2.4 Лучистый теплообмен между двумя поверхностями
Любое физическое тело, имеющее температуру отличную от абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию в виде электромагнитных волн. Свойства электромагнитного излучения характеризуются длиной волны. Излучение, которое воспринимается как тепловое и имеющее длины волн в диапазоне 0,76 – 50 мкм, называется инфракрасным.
Тепловая энергия с помощью радиации может передаваться как через заполненное воздухом, так и через безвоздушное пространство. Тепловые лучи имеют различные длины волн, и не связаны с материей. Поэтому они без потерь могут пронизывать безвоздушное пространство (космос).
Например, лучистый теплообмен происходит между поверхностями, обращенными в помещение, между наружными поверхностями различных зданий, поверхностями земли и неба.
Важен лучистый теплообмен между внутренними поверхностями ограждений помещения и поверхностью отопительного прибора. Во всех этих случаях лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, является воздух.
Тепловые лучи в виде электромагнитных волн, попадая на поверхность кого-либо материального вещества, частично поглощаются им, а частично отражаются от него.
Эффект поглощения обычно используется в солнечных коллекторах, с помощью которого происходит нагревание воды и отопление помещений.
Эффект отражения используется в случае задержания радиационного тепла в помещении путем наклеивания алюминиевой фольги за отопительными приборами или под утепляющим слоем мансарды, а также путем нанесения специального отражающего слоя на внутренние поверхности оконных стекол.
|
|
|
|
|
В практике расчетов теплового потока при лучистом теплообмене используют упрощенную формулу. Интенсивность передачи теплоты излучением qл, Вт/м2, определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене:
(2.15)
где τ1 и τ2 – значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, оК;
αл - коэффициент лучистой теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м2.оК.
Коэффициент теплоотдачи излучением aл – физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от одной поверхности к другой путем излучения при разности между температурой поверхностей, равной 1оК.
Введем понятие сопротивления лучистой теплоотдачеRл на поверхности ограждающей конструкции, м2.оК/Вт, равное разности температуры на поверхностях ограждений, обменивающихся лучистой теплотой, при прохождении с поверхности на поверхность теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м2.
Тогда уравнение (2.15) можно переписать в виде:
, (2.16)
Сопротивление Rл является величиной обратной коэффициенту лучистой теплоотдачи aл:
. (2.17)
В инженерных расчетах коэффициент лучистого теплообмена равен
= 4,9 Вт/ (м2К) (2.18)
