Расчет тепловых потерь для здания

77



МИНИСТЕРСТВО

ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«АДЫГЕЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-физический факультет

Кафедра Теоретической физики

                                                                               Заведующий кафедрой

                                                                                                                     Тлячев В.Б

 « _____» __________ 20 ___ г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

по направлению подготовки  03.03.02 «Физика»

Тема: «Расчет тепловых потерь для здания 

Адыгейского государственного университета»





Научный руководитель:  ст.преподаватель  А.И.Шамбин___________________

Рецензент: к.п.н. Г.С.Феклистов____________________

Выполнил студент группы 4Ф (Физика) С.В.Волобуев _____________________                                                                                     

                         



   « _____» __________ 20 ___ г.



Майкоп 2017


Оглавление

	Введение	3

	Глава 1. Теоретические основы расчета тепловых потерь	5

	1.1 Теплообмен	5

	1.2 Теплопроводность	10

	1.3 Основная формула расчета тепловых потерь ограждений	17

	1.4  Тепловое излучение	20

	1.5. Конвективный теплообмен	23

	Глава 2. Принципы расчёта тепловых потерь в зданиях учебных заведений	27

	2.1 Микроклимат помещения	27

	2.2  Задача расчёта отопительной системы здания	27

	2.3 Виды тепловых потерь здания.	29

	2.4 Основные тепловые потери здания	30

	2.5 Виды ограждающих конструкций	31

	2.6 Расчет площадей ограждающих конструкций	31

	2.7 Принципы расчета тепловых потерь через напольное покрытие	33

	2.8 Принципы расчета тепловых потерь многоэтажных зданий	34

	2.9 Параметры воздуха	34

	2.10 Теплопотери здания связанные с ориентированием по сторонам света	36

	2.11 Воздухопроницание ограждений здания	37

	2.13 Требуемое сопротивление теплопередаче	41

	2.14 Теплоизолирующий материал	43

	2.15 Тепловой баланс здания	44

	2.16 Расчет тепловых потерь по укрупненным показателям	46

	Глава 3. Расчет тепловых потерь здания главного корпуса Адыгейского государственного университета	48

	3 . 1 Теплотехнический расчет наружных ограждений первого этажа	48

	3.1 Теплотехнический расчет наружных ограждений второго этажа	52

	Заключение	64

	Приложения	67




Введение

Объектом исследования данной работы является расчет тепловых потерь здания  во время отопительного сезона.

Предмет и практическая составляющая исследования – примерный расчет тепловых потерь здания главного корпуса Адыгейского государственного университета.

В России существует большое количество общественных зданий, построенных еще в прошлом веке. Со временем отопительное оборудование устаревает и перестает удовлетворять требованиям, с другой стороны появляются новые строительные материалы и конструкции теплопроводящие свойства которых отличаются от свойств ранее использованных материалов.  Поэтому тема данной работы актуальна на данный момент.

Целью данной работы является описание теоретических основ методики расчета тепловых потерь здания и их расчет на примере здания Адыгейского государственного университета. 

Выпускная квалификационная работа включает в себя введение, три главы и заключение.

В первой главе данной работы рассматривается подход к задаче с физической точки зрения, в которой сделан упор на физические законы: термодинамики, молекулярно-кинетической теории и электромагнитного излучения, с обоснованием формул и законов, используемых в следующей главе.

Во второй главе работы описываются общепринятые алгоритмы и методика решения данной задачи, в которых упор делается на, многолетние наработки в области строительной теплотехники содержащиеся в нормативных документах СНиП (санитарные нормы и правила) и ГОСТ (государственный стандарт).

Третья глава содержит применение описанных во второй главе алгоритмов для расчета тепловых потерь здания главного корпуса Адыгейского государственного университета. 

Практическое значение данной работы заключается в следующем: зная тепловые потери здания в самое холодное время года, можно определить тепловую мощность системы отопления, покрывающую максимальную нагрузку на нее. 

Для снижения потерь тепла и уменьшения расхода строительных материалов, таких как кирпич, бетон, древесина, необходимо при строительстве использовать теплозащитные материалы, особенностью которых является высокая пористость, что является следствием снижения теплопроводных качеств ограждений. Целью тепловой защиты ограждений является снижение расходов тепловой энергии на отопление. При хорошем устройстве теплозащиты можно достигнуть экономии до 50% энергии, что в настоящее время является важным, из-за дороговизны и нехватки энергии.

 Теплозащитные свойства ограждений здания зависят от толщины и коэффициента теплопроводности материалов, из которых оно состоит. Достаточно хорошо в настоящее время зарекомендовали себя трехслойные ограждения у которых между наружным и внутренним слоями, соединенными гибкими связками (арматура, стеклопластиковые стержни и т.д.) или каркасные слои, между которыми проложен слой утепляющего материала. Тем не менее многослойным конструкциям присущи некоторые недостатки, такие как малая воздухопроницаемость, конденсация влаги и теплотехническая неоднородность. Из-за чего следует вывод, что теплотехнический расчет, для ограждений, необходимо проводить еще на стадии проектирования здания, для уменьшения слоистости ограждений.


Глава 1. Теоретические основы расчета тепловых потерь

1.1 Теплообмен

Внутреннюю энергию тела или системы тел можно изменить совершением  над ними работы, или путём теплообмена. Во время совершения работы тела,  действующие, на систему перемещаются. При теплообмене происходит обмен внутренней энергией между внешними телами и системой. 

Под теплообменом понимают процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом. Рассмотрим физическую модель, демонстрирующую процесс теплообмена.

Математически процесс обмена внутренней энергией можно записать в виде первого начала термодинамики: количество теплоты Q полученное системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы A системой над внешними телами.

					(1.1)

	Работа, совершаемая газом, определяется формулой:



	Так как давление газа по определению величина скалярная и положительная, то знак работы зависит от того увеличивается или уменьшается объём газа в процессе совершения работы. В процессах, изучаемых классической термодинамикой рассматриваются квазистатические процессы ,то есть процессы перехода от одного равновесного состояния к другому. Это означает, что давление, как функция объёма будет изменяться достаточно плавно, то есть её можно считать дифференцируемой функцией. Согласно теорема Лагранжа любая дифференцируемая на отрезке [а; b] функция удовлетворяет условию:

, 

где x0 – некоторая внутренняя точка отрезка [а; b].

Отсюда следует равенство:



Так как – это первообразная своей производной , и, согласно формуле Ньютона-Лейбница:

, то:



В данном случае  будет называться средним значением функции f на отрезке [а; b], а само равенство – теоремой о среднем.

Рассматривая давление как производную работы по объёму:

,

и используя соответствие: преобразуем формулу работы к виду:



	Введём обозначение:



	Среднее значение давления за всё время совершения работы. Окончательно имеем:



	Из этой формулы видно, что при расширении газа (V2>V1) совершается положительная работа, а при сжатии газа (V1>V2) отрицательная работа.

Совершению положительной работы может препятствовать действие внешних тел. Пусть пружина П сильно давит на поршень, ограничивающий объем газа Г, причем и газ и действующая на него пружина находятся в адиабатной оболочке (рис. 1):

	 

	          Рис. 1. Модель для объяснения первого начала термодинамики

Адиабатная оболочка — это оболочка, которая не допускает теплообмен между физическим телом и внешней средой, что делает процесс адиабатным. Примером такой оболочки является термос. 

В адиабатной оболочке Q=0, поэтому имеем равенство:



Отсюда следует:



Это означает, что при сжатии газа, когда A<0:



то есть внутренняя энергия (и температура газа) увеличиваются, а при расширении газа (А>0):





то есть внутренняя энергия и температура газа уменьшаются.

	При попытке сжать газ он будет сопротивляться этому оказывая на поршень заметное давление. Поэтому для сжатия газа внешним силам нужно совершить работу, которая будет положительна когда объём газа уменьшается и отрицательна, когда он увеличивается. Если движение поршня происходит равномерно (что является условием квазистатического процесса) то это означает, что сумма внешних сил, действующих на поршень равна силе, действующей на поршень со стороны газа. Следовательно:



	Допустим, что при перемещении поршня под действием пружины  П он совершает перемещение . Тогда элементарная работа внешних над газом Г, равна:



	Между тем, элементарная работа, совершённая газом при таком перемещении:



	Следовательно, зная элементарную работу, совершённую газом, можно определить элементарную работу, совершённую внешними силами:



	Аналогичное соотношение будет справедливо и в общем случае:



	Следовательно, имеем:



						(1.2)

	то есть изменение внутренней энергии газа определяется работой, совершённой внешними силами.

Рассмотрим другую модель, в которой в обоих частях сосуда, заключённого в адиабатическую оболочку находятся два, в общем случае различных, газа. Если поршень, разделяющий оба газа и способный пропускать тепло,  закреплен неподвижно, то обе части системы не смогут совершать работу друг над другом.



Рис. 2. Модель объяснения теплопередачи

Между Г  и Г’ может происходить обмен энергией посредством теплопередачи.  При этом роль перегородки играет поверхность поршня. Для возникновения процесса теплообмена между частями вещественного пространства необходимо и достаточно наличие разности температур между рассматриваемыми телами. Тепло передается совершения работы только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. Интенсивность теплообмена зависит от разности температур. Чем она выше, тем интенсивнее происходит процесс.

В первой XVIII века была распространена теория теплорода, согласно которой тепло представляет из себя некоторое вещество, способное перетекать от одного тела к другому (аналогично воздуху). Из этой, опровергнутой, впоследствии, многочисленными опытами модели, в современную теорию теплообмена перешло немало терминов, в частности «количество тепла» или «тепловой поток». В настоящее время известно, что теплообмен – это гораздо более сложный процесс, использующий сразу несколько видов теплопередачи. Достаточно часто один из этих видов доминирует настолько, что влиянием остальных можно пренебречь.

Передача теплоты (теплопередача) является основным вопросом отопительной техники. 

Существуют  три вида передачи теплоты:

			теплопроводность, или кондукция;

		кондукция - процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении.

			конвекция, или перенос теплоты движущимися частицами вещества;

			излучение, или радиация.

		тепловая радиация - электромагнитные волны, вызванные тепловыми колебаниями молекул и переходящие в теплоту при поглощении. 

Теплообмен может проходить, как в чистых веществах, так  и  в веществах с примесями, а так же в веществах с неизменным агрегатным состоянием. В зависимости от ситуации теплообмен описывается различными уравнениями.

1.2 Теплопроводность



Теплопроводность – это вид теплообмена, который  возможен при  соприкосновении между отдельными частицами тела и заключается в распространении тепловой энергии от одной частицы тела к другой, находящейся в пределах амплитуды их  колебательных движений. 

Передача теплоты при помощи  теплопроводности связанна с разностью температур. Множество значений температур всех точек тела в некоторый момент времени называется температурным полем. Данное поле является скалярным.

Уравнение температурного поля выглядит следующим образом.

						(1.3)

где t - температура тела;

x, y, z - координаты данной точки тела;

? - момент времени.

Уравнение (1.3) является нестационарным и соответствует неустановившемуся процессу теплопроводности, так как оно содержит время ?.

Если в функцию f время не входит непосредственно в качестве аргумента, то уравнение называется стационарным:



		(1.4)

При этом имеем:



(1.4а)

При этом, если во всех точках системы температура одинакова, это означает, что система находится в тепловом равновесии. Такая система может быть замкнутой.

Если же в различных точках системы температура различна, но температурное поле остаётся постоянным это означает, что система не замкнута и такая стационарность поддерживается определённым взаимодействием системы с окружающей средой. Как хорошо известно, замкнутая система, в которой имеется разность температур между различными частями, в соответствии со вторым законом термодинамики, будет наращивать свою энтропию, до тех пор, пока последняя не достигнет максимума. Максимум же энтропии достигается только в равновесном состоянии, когда температура и давление во всех малых частях системы оказываются равны друг другу.

В случае стационарного температурного поля функция температуры в температурном поле может зависеть от одной, двух или трех координат. Соответственно, поле может являться одно-, двух-, трехмерным. В одномерном случае температура зависит только от одной координаты (например х) и не зависит от двух других (соответственно от y и z). Отсюда получаем, что скалярное температурное поле выражается функцией одной переменной:

		

(1.5)

Откуда, в частности следует:



                                                      (1.5а)



Важную роль в теории теплообмена играет понятие «изотермическая поверхность». Изотермическая поверхность – геометрическое место точек в пространстве с одинаковой температурой. Для того, чтобы получить изотермическую поверхность надо соединить все точки  с одинаковой температурой. Такие поверхности не пересекаются, так как в данной точке тела в данный момент времени может быть только одно значение температуры. Поэтому все изотермические поверхности либо замыкаются на себя, либо ограничиваются границами тела.

Возьмем изменение температуры в произвольном направлении (рис. 3). Интенсивность изменения характеризуется величиной  , принимающей  максимальное значение в направлении нормали к изотермической поверхности:



                            (1.6)



	где grad(t) - градиент температуры или интенсивность изменения температуры в направлении её возрастания.

	

	

	

		

		n

	

			dS	t+10C

		t0C

		t-10C

j





Рис. 3 изменение температуры в направлении n

Получим одномерное уравнение теплопроводности математическим путем. Пусть распространение тепла происходит в направлении оси х. Рассмотрим распространение тепла подобно течению жидкости. 

Тепловым потоком называется величина, которая характеризует количество тепла, проходящее через данную поверхность в единицу времени. Тепловой поток даётся выражением:



                           (1.6а)

Единицей измерения теплового потока является  .

Плотность потока тепла, сонаправленная с направлением потока тепла, численно равна количеству тепла, проходящему в единицу времени, через единичную площадку. 

						 (1.7а)

Из формулы (1. 6а) следует, что:

						 (1.7)

В системе СИ единицей измерения плотности теплового потока является

1 Дж/(м2·с), в технике используется Дж/(м2·ч).

Для перевода из одних единиц в другие применяется соотношение:

1 Дж/(м2·ч)=1/3600 Дж/(м2·с)

Возьмем бесконечно длинный цилиндр, с площадью поперечного сечения S и рассмотрим участок AB=dx.



Рис. 4



Тогда количество тепла, вошедшее в AB за промежуток времени d? , выразится следующим образом. 



 Где dQвх – количество теплоты, проходящее через поверхность А,

 dQвых – количество теплоты, выходящее через поверхность В. 

Из формулы (1. 7) получаем:





Отсюда:





Таким образом:

			(1.8)

Учитывая, что масса цилиндра равна

					(1.9)

И формулу количества теплоты

		    		(1.10)

	где   - плотность цилиндра,

	с - удельная теплоемкость материала ограждения,

	dt - приращение температуры.

	Получим соотношение

					(1.11)

Установим связь между плотностью потока тепла и температурой, на примере бесконечной пластинки толщиной l и температурами t1 на одной стороне и t2 на другой, причем t1>t2. Таким образом, плотность  потока тепла представится в виде

					(1.12)

 где - коэффициент теплопроводности.

		

Рис.5

Направим ось x в сторону понижения температуры и допустив что толщина пластинки бесконечно малая , получим 

(1.13)

									  

С учетом (1.12) формула (1.13) примет вид

		(1.14)



Полученная формула справедлива для произвольных распределений температур, т.е. для неоднородных сред.

Подставив (1.14) в (1.8) получим 

						(1.15)

Уравнение (1.15) получила название уравнение теплопроводности или закона Фурье, где знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность S, т.е. тепловой поток можно записать путем интегрирования плотности потока по поверхности следующим образом

	(1.16)



Тогда полное количество теплоты, прошедшее через данную поверхность за время ?, примет вид 

	(1.17)



Коэффициент теплопроводности ? можно охарактеризовать как количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу поверхности при градиенте температуры равному единице. Значение коэффициента теплопроводности, для различных теплопроводящих веществ, берется исходя из справочных данных, полученных опытным путем. Для большинства материалов, зависимость коэффициента теплопроводности от температуры, приблизительно выражается следующей функцией

	(1.18)



	где ?0 - коэффициент теплопроводности при температуре t0=0 0C;

	b – постоянная величина, определяется из опытных данных для различных материалов.



1.3 Основная формула расчета тепловых потерь ограждений



	Ограждения здания в большинстве случаев представляют собой плоскопараллельные пластинки, в которых перенос теплоты можно описать  законом Фурье для одномерного направления.  При расчетах теплотехнических показателей внешних ограждений, принимают,  что теплопередача происходит при постоянных во времени таких характеристиках как: тепловой поток, температура и теплофизические характеристики материала ограждения.

	Рассмотрим слой вещества толщины d, который находится между двумя параллельными плоскостями с площадями S. Пусть эти плоскости находятся в различных температурах t1 и t2, причем t1 > t2 . Считаем, что разность температур t1 и t2 не велика, таким образом можно пренебречь изменением коэффициента теплопроводности ?, при прохождении слоя стенки d. Направим ось x в сторону уменьшения температуры, за точку отсчета примем пластину t1. В данном случае тепловой поток q направлен от плоскости t1 к t2.  

	

	

Рис. 6

Полный поток тепла q, проходящий за секунду через весь слой описывается формулой:

					(1.19а)

Из уравнения (1. 14) получаем:

				(1.19)

Полный тепловой поток q не зависит от x, т.к. при прохождении через слой стенки, для стационарных условий, тепло не расходуется и не появляется извне, следовательно, полное количество теплоты, проходящей за секунду через поверхность, пересекающую весь слой, одинаково. Поэтому, проинтегрировав (1.19) получим:

					(1.20)

Из (1.20) следует, что изменение температуры вдоль толщины стенки происходит по линейному закону. Для нахождения константы подставляем в (1.20) граничные условия, при x=0 , t=t1 следовательно const=t1 и уравнение примет вид

		                   			(1.21)

Подставляя граничные условия x=d, получим t=t2, т.е. 

					(1.22)

Получим полный поток тепла через стенку площадью S, за секунду.

	                				(1.23)

Введем  обозначение R=d/?, которое называется сопротивлением при теплопередаче, получим основную формулу расчета тепловых потерь через ограждающую поверхность

		            			(1.24)

В стационарных условиях, когда энергия не тратится на нагрев, плотность теплового потока неизменна при движении в толще стенки. В практических расчетах предполагается, что коэффициент теплопроводности не зависит от температуры и его значение берется исходя из справочных данных для различных материалов, при средней температуре стенки



Полученной формулой (1.24) можно воспользоваться для расчета потока тепла через многослойную стенку, состоящую из нескольких плотно прилегающих разнородных слоев. Тогда термическое сопротивление такой стенки равно сумме сопротивлений отдельных слоев.

					(1.25)

Вместо разности температур в формуле (1.24) необходимо подставить разность температур на границах раздела отдельных слоев стенки, т.е. 



				



Рис. 7

Таким образом, получена формула потока тепла применяемая, для расчета тепловых потерь через ограждение путем теплопередачи (1.24). 

1.4  Тепловое излучение



При теплообмене излучением, тепло распространяется в виде лучистой энергии. При распространении в пространство в каком-либо другом месте она полностью или частично превращается вновь в тепловую энергию.

Тепловым излучением - является разновидность электромагнитного излучения, возникающего за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела, в энергию излучения. Оно так же является равновесным, при условии, если в замкнутой системе тел наступает равновесие между испускающимся излучением от тела, и поглощающимся излучением телом. 

Тепловое излучение происходит  при любой температуре, однако при низких температурах наблюдаются лишь инфракрасные электромагнитные волны. 

Излучательной способностью тела (или спектральной плотностью поверхностного излучения), называется мощность излучения с единицы поверхности тела, в единичном интервале длин волн.

					(1.26)

Поглощательной способностью тела, называется отношение мощности поглощенной единицей поверхности тела, на мощность падающего излучения на тело, в единичном интервале длин волн. 

					(1.27)

Абсолютно черным называется тело, поглощательная способность которого равна единице. Абсолютно черных тел в природе не существует. Поэтому в физике используют модель абсолютно черного тела, которой служит полая сфера, внутренняя поверхность которой имеет зеркальное покрытие. 

Закон Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела, гласит: энергетическая светимость А.Ч.Т. прямо пропорциональна четвертой степени температуры тела

					(1.28)

где                                    - постоянная Стефана- Больцмана,

 - энергетическая светимость А.Ч.Т. или мощность излучения с единицы поверхности А.Ч.Т. во всем интервале длин волн. Энергетическую светимость А.Ч.Т. можно получить через излучательную способность А.Ч.Т. в интегральном виде

				(1.29)

Из эксперимента была установлена зависимость          , графический вид которой представлен на рис. 8.

	

	t1>t2

	Рис. 8

Для тела у которого поглощательная способность меньше единицы, закон Стефана-Больцмана имеет вид

					(1.30)

где k - коэффициент серости (k<1)

Из термодинамических соображений Вином было показано, что функция излучательной способности А.Ч.Т. имеют вид

				(1.31)

Совершая переход от        к         получим 

	            			(1.32)	

Приравняв, получим в результате



Таким образом, мы имеем следствие из закона Вина

	            	            		(1.33)

	где b - константа ().

Формула (1.33) называется  правилом смещения Вина, которое гласит: с увеличением температуры, максимум излучательной способности А.Ч.Т. двигается в область коротких длин волн. 

Релей и Джинс предложили рассматривать равновесное тепловое излучение в модели черного тела (зеркальный шар), как систему стоячих волн. Они считали, что на каждое колебание приходится энергия W=kt , а число стоячих волн в единице объема 



В результате была получена формула для излучательной способности А.Ч.Т.

				(1.34)

Оказалось, что эта формула согласуется с экспериментальными данными только в области малых частот (рис. 9).





Рис. 9



Планк предложил квантовую модель осцилляторов, энергия которых может принимать только определенные значения 

					(1.35)

Затем он вывел среднюю энергию осциллятора

					(1.36)

Далее, действуя, как Релей и Джинс, им была получена формула, для излучательной способности А.Ч.Т.

                                    (1.37)



1.5. Конвективный теплообмен

Конвекция (от лат. convecti — «перенесение») – это процесс, при котором наблюдается перенос теплоты в жидкостях, газах, или же сыпучих средах при помощи потока вещества. В зависимости от причин, порождающих процесс, конвекция бывает: свободной и вынужденной. В твердом теле и вакууме конвекция происходить не может.

Свободная конвекция

Возникновение конвекции в веществе происходит самопроизвольно под воздействием неравномерного прогревания в зоне тяготения. При таком распределении происходит нагрев нижнего слоя вещества, который становится легче и «всплывает» наружу, а верхний слой, напротив, становится тяжелее при остывании и стремится занять низ. Величина доли переноса в свободной конвекции становится выше, при повышении разницы температур между отдельными частями среды, при этом наблюдается уменьшение скорости вынужденного движения. Примером природной конвекции является горизонтальное движение тектонических плит. В свою очередь естественная конвекция хорошо проявляет себя в атмосферных явлениях, таких как образование облаков. Также благодаря конвекции на Солнце появляются солнечные пятна и гранулы. 

Вынужденная конвекция

Вынужденная конвекция – движение жидкостей и газов, которое вызывается внешними поверхностными силами, создаваемыми при работе компрессора, насоса и т.д. Главное отличие вынужденной конвекции от свободной – вынужденная может не сопровождаться теплообменом. В таком случае осуществиться конвективный перенос масс. В общем случае может существовать вынужденная конвекция в сопровождении со свободной. Осуществление вынужденной конвекции происходит под воздействием внешних тел, к примеру, процесс нагнетания воздуха вентилятором.

Ярчайшим представителем наличия конвекционных потоков при обогреве является конвекторный обогреватель. Процесс его работы заключается в следующем: поступающий снизу воздух, нагревается в обогревателе, под действием нагревательного элемента, а затем уже нагретый воздух поступает в помещение. Обогревается помещение за считанные минуты, благодаря конвекции, то есть происходит процесс смешивания остывшего воздуха и нагретого, который при помощи потоков разносится по всему помещению. 

Процесс конвекции можно объяснить с помощью ячеек Бенара (рис. 10). Если горизонтальный слой жидкости достаточно сильно разогреть в нижней части, то между верхней и нижней поверхностями возникнет разность температур равная .



Рис. 10 Ячейки Бернара

В случае , где  - критическая температура, при которой видимое различие между жидкостью и паром исчезает, подводимое снизу количество теплоты распространяется в верх путем теплопроводности, а сама жидкость остается неподвижной. При большой разности температур, при , в 

жидкости возникают конвекционные противоположные потоки, холодные слои опускаются вниз, а нагретые вверх. Распределение этих двух потоков самоорганизуется, и в результате возникает система периодических ячеек шестиугольной формы.

По краю каждой такой ячейки жидкость опускается вниз, а в центре поднимается вверх.

Представим зависимость полного теплового потока Ф, в единицу времени, от нижней поверхности к верхней, от разности температур на рисунке 11.

	

	Рис. 11 зависимость теплового потока от разности температур

При  состояние покоящейся теплопроводящей жидкости становится неустойчивым, и вместо этого наступает режим конвекционный режим Бенара. Происходит это из-за того, что при увеличении разности температур, покоящаяся жидкость не обеспечивает перенос увеличевшегося количества теплоты и наступает новый конвекционный режим. Для описания ячеек Бенара в жидкости применяют нелинейные уравнения гидродинамики.


Глава 2. Принципы расчёта тепловых потерь в зданиях учебных заведений

2.1 Микроклимат помещения

Для внутренних помещений учебных заведений должен выполняться целый ряд условий, соблюдение которых необходимо для бесперебойного осуществления образовательного процесса. Главным из таких условий является создание подходящего микроклимата. 

В соответствии с ГОСТ 3004 микроклиматом помещения называют: состояние внутренней среды помещения, оказывающее воздействие на человека, характеризуемое показателями температуры воздуха и ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха. [27]

Основным показателем качества обеспечения микроклимата является его стабильность, когда внутри конкретного помещения поддерживаются одни и те же показатели температуры, влажности и движения воздуха, независимо от состояния окружающей здание среды. Внутренние помещения здания изолированы от внешней среды при помощи ограждающих конструкций, что позволяет создать в них определённый микроклимат. Наружные ограждения защищают помещения от атмосферных воздействий, а специальные системы кондиционирования поддерживают определенные заданные параметры внутренней среды. 

Под системой кондиционирования микроклимата  подразумевается совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в помещениях здания (ограждающие конструкции, солнцезащитные устройства, другие конструктивно-планировочные средства, а также системы отопления и охлаждения, вентиляции, кондиционирования воздуха).

2.2  Задача расчёта отопительной системы здания



	Российская Федерация расположена в климатических зонах, для которых характерны достаточно резкие колебания температуры наружного воздуха в течение календарного года. Основные затраты по поддержанию микроклимата связаны не с необходимостью охлаждения воздуха, как в странах тропического и экваториального пояса, а с отоплением помещений в холодное время года в течение достаточно длительного срока. Эта задача остаётся актуальной и для регионов Юга России, несмотря на более мягкий климат, по сравнению с другими регионами, в которых холодное время года имеет значительно большую продолжительность.

Решая задачу расчета отопительной системы здания, необходимо, прежде всего, произвести расчет характеристик используемых ограждений и обогревающих устройств для обеспечения требуемых тепловых условий (теплового режима здания), прежде всего в наиболее суровые периоды зимы. Так же необходимо уменьшить тепловые потери здания - энергию, которая бесцельно уходит за его пределы. 

Тепловой режим здания — это совокупность всех тепловых процессов, определяющих обстановку в его помещениях. Он определяется совокупной температурной обстановкой всех помещений данного здания. Температурная обстановка отдельного помещения зависит от мощности отопительной системы, расположения обогревающего оборудования, тепловых свойств ограждений и внешних источников поступления и потерь тепла.

Под действием разности наружной и внутренней температур, солнечной радиации и ветра помещение теряет тепло через ограждения зимой и нагревается летом, гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями, eгo фильтрации через поры материала и неплотности ограждений. Атмосферные осадки, влаговыделение в помещениях, разность влажности внутpeннегo и наружногo воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием котopoгo возможно увлажнение материалов и ухудшение защитных свойств и долговечности наружных стен и покрытий.

Процессы, формирующие тепловую обстановку помещения, необходимо рассматривать в неразрывной связи между собой, ибо их взаимное влияние может оказаться весьма существенным. Например, фильтрация воздуха и увлажнение конструкций могут в несколько раз увеличить теплопотери помещения зимой. В то же время создание благоприятной воздушной среды в помещении требует организации eгo воздухообмена и влагообмена с наружной средой. Для повышения энергоэффективности здания требуется максимально возможная защита от потерь тепла и предотвращения термического воздействия.

2.3 Виды тепловых потерь здания.

Основным видом тепловых потерь является разность между температурами внутреннего и наружного воздуха  здания. Потеря тепла происходит как через конструкцию здания (стены, пол, потолок), так и через проемы (двери, окна). Основные потери тепла будем обозначать через Qт .

Так же существуют потери связанные с вентиляцией помещения с так называемым инфильтирующим теплом Qинф, в результате которого прогревается наружный воздух.

Третьим фактором тепловых потерь могут служить люди, находящиеся в здании и материалы поступающие снаружи в здание, иначе говоря добавочные потери  Qмт.

Для получения суммарных тепловых потерь помещения  нужно сложить все тепловых потери 



Таким образом, можно определить дефицит или избыток теплоты помещения. При расчетах тепловая мощность системы должна соответствовать максимальному дефициту теплоты помещения. 

Потеря тепла через конструкцию здания характеризуется величиной плотности теплового потока 



Для расчета тепловых потерь используются единицы энергии килоджоуль и килокалория, их отношение равно 1 Ккал=4,1868 КДж [30].



Калория – количество тела, необходимое для нагревания 1г (1кг) воды от 19,5 до 20,5°С при 101,325 кПа (760 мм рт.ст.) [26]

Соотношение между калорией и джоулем 1 кал=4,1860 Дж

В дальнейшем при расчетах будем использовать, для измерения теплового потока или тепловой мощности, килокалория в час 1 Ккал/ч=1,163 Вт.

Компенсация тепловых потерь может осуществляться активными мерами (подводом тепла) или пассивными мерами (уменьшением среднего потока отводимого тепла путём теплоизоляции здания в холодный период года).

Для теплоизоляции здания в первую очередь необходимо правильно подобрать строительные материалы ограждения, и планировку здания. Большую роль играет общая площадь стеклянных ограждений. При площади застекления 40%, суммарная потеря тепла через окна будет составлять примерно 65%. Правильно сориентировав здание по сторонам света, можно добиться экономии тепловой энергии за счет солнечной радиации. 

2.4 Основные тепловые потери здания



При расчете теплопотерь здания необходимо произвести отдельно расчет для к.......................