Передача тепла через ограждения

Рассмотрим некоторое ограждение, постоянно подвергающееся различным климатическим воздействиям. С одной стороны действует температура наружного воздуха, с другой стороны – температура внутреннего воздуха. Из-за отсутствия теплового равновесия внутри конструкции происходит перемещение тепла из более нагретой среды через ограждение в менее нагретую среду, в результате чего изменяется температура в толще конструкций (рисунок). Этот процесс называется теплопередача или теплообмен.

Для твердых строительных материалов, имеющих капиллярно - пористую структуру, основным видом теплопередачи является теплопроводность, т.е. теплообмен между частицами тела, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом.

Интенсивность теплопередачи посредством теплопроводности называется тепловым потоком Q.

При рассмотрении процесса перехода тепла через однородное ограждение от внутреннего воздуха к наружному следует различать три этапа:тепловосприятие – теплопроницание через ограждение – теплоотдача.

Процесс теплопередачи

Количество тепла, проходящее через конструкцию, может быть определено на основании закона Фурье:

где t_в и t_н – температура внутренней и наружной поверхности ограждения, °С;

l – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м°С);

d – толщина ограждения, м;

F – площадь ограждения, м²;

z – время передачи тепла, час.

Если толщину ограждения, площадь, время теплопередачи и разность температур принять равными единице, то l = Q. Таким образом, коэффициент теплопроводности l – это количество тепла, которое проходит в единицу времени 1 ч через единицу поверхности 1 м² однородного ограждения толщиной 1 м при разности температур на его поверхностях в 1°С.

Коэффициент теплопроводности – одна из основных характеристик строительных материалов. В таблице для сравнения приведены коэффициенты теплопроводности различных материалов.

Таблица – Сравнение коэффициентов теплопроводности материалов

Коэффициент теплопроводности материалов зависит от пористости (плотности), структуры, влажности, вида взаимосвязи влаги с материалом, температуры, химико-минералогического состава материала.

Чем меньше пористость материала, образуемая относительно мелкими порами, т.е. чем больше плотность материала, тем больше его коэффициент теплопроводности (таблица).

Таблица – Теплопроводность кирпича различной плотности

Вода обладает высоким коэффициентом теплопроводности l = 0,5 Вт/(м°С), поэтому увлажнение материалов и тем более образование в них льда (l = 2 Вт/(м°С)) увеличивает теплопроводность.

Коэффициенты теплопроводности зависят от природы материала, его химического состава и особенностей кристаллической структуры. В металлах значительная часть тепла переносится потоком электронов. Чем выше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность (медь, алюминий). Теплопроводность камневидных материалов вызвана волнами тепловых упругих колебаний структуры. Чем тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристаллы в структуре материала, и чем слабее они между собой связаны, тем меньше теплопроводность материала.

Расчетные величины теплофизических показателей основных строительных материалов приведены в СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника».