Строительная теплофизика ограждающих конструкций зданий и сооружений

УДК 697.1:536(075.8)
ББК 38.113я73
 
П 83

Р е ц е н з е н т ы: кафедра теплоснабжения и вентиляции учреждения образования «Полоцкий государственный университет» (кандидат технических 
наук, доцент Э.И. Гончаров); заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции учреждения образования «Брестский государственный технический 
университет» кандидат технических наук, доцент В.Г. Новосельцев

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой 
ее части не может быть осуществлено без разрешения изда те льства.

Протасевич, А. М.
П 83  
Строительная теплофизика ограждающих конструкций 
зданий и сооружений : учеб. пособие / А. М. Прота севич. – 
Минск : Вышэйшая школа, 2015. – 239 с. : ил.

 
ISBN 978-985-06-2503-8.

Рассмотрены теплофизические процессы в ограждающих конструкциях зданий с учетом обеспечения микроклимата помещений 
при использовании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Материал представлен на базе современных положений по технической термодинамике, тепломассопереносу и аэродинамике. Учтены 
новейшие научные разработки по теплоизоляции ограждающих конструкций зданий, системам отопления и вентиляции. Приведены примеры из опыта отечественной и мировой практики. Отдельная глава 
посвящена теплофизике светопрозрачных ограждающих конструкций.
Для студентов учреждений высшего образования, обучающихся 
по строительным специальностям. Может быть полезно инженернотехническим работникам, занимающимся проектированием и теплотехнической оценкой ограждающих конструкций зданий.

УДК 697.1:536(075.8)
ББК 38.113я73

ISBN 978-985-06-2503-8 
© Протасевич А.М., 2015
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2015

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Учебное пособие по курсу «Строительная теплофизика» 
предназначено для студентов, обучающихся по специальности 
«Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна». Оно может также быть рекомендовано студентам-строителям, изучающим дисциплины «Инженерные сети и оборудование», «Строительная физика», «Архитектурная физика».
В задачи курса входят изучение ограждающих конструкций 
здания и их влияние на эксплуатацию инженерных систем по 
обеспечению микроклимата помещений, обучение умению использовать теоретические положения и методы теплотехнических расчетов при проектировании и эксплуатации зданий.
Учебное пособие поможет студентам освоить понятия, определяющие тепловой, воздушный и влажностный режимы, законы передачи теплоты, диффузии влаги, воздуха в материалах, 
конструкциях и элементах зданий, характеристики, определяющие тепловлажностные процессы, нормирование параметров 
наружной и внутренней среды, а также научиться выполнять 
расчеты процессов тепло- и массопереноса в элементах зданий 
и анализировать результаты расчетов защитных свойств наружных ограждений.
Основной задачей учебного пособия является системное изложение основного комплекса знаний, входящих в строительную теплофизику, и рассмотрение путей и методик их применения в инженерной практике.

Автор

ÂÂÅÄÅÍÈÅ. ÏÐÅÄÌÅÒ ÑÒÐÎÈÒÅËÜÍÎÉ ÒÅÏËÎÔÈÇÈÊÈ

Комплекс сложных, взаимосвязанных процессов тепло- и массообмена, проходящих в ограждающих конструкциях современных зданий и его инженерных системах, рассматривается как тепловой, воздушный и влажностный режимы всего здания или отдельных его помещений. Обеспеченность внутренних условий 
в помещениях связана с внешними климатическими воздействиями, осуществляемыми через ограждающие конструкции. Будучи 
ранее узкой областью немногих специалистов, сегодня эти три научных направления, изучающие тепловой, влажностный, воздушный режимы здания, становятся все большей потребностью проектировщиков и производственников в области строительства.
Изучением процессов переноса теплоты, влаги и воздуха через 
ограждающие конструкции, а также влияния их на обеспечение 
теплового, воздушного и влажностного режимов здания занимается наука, известная как строительная теплофизика. Она включает в себя комплекс знаний из молекулярной физики, термодинамики, теории тепло- и массообмена, теории подобия, гидравлики, климатологии и других наук. Рассматривая процессы, происходящие при формировании микроклимата помещения, следует 
знать: требования к характеристикам внутреннего климата и факторы, влияющие на них; тепло- и массообменные процессы на 
обогревающих и охлаждающих поверхностях и в потоках воздуха 
в помещении; характеристики наружного климата и законы их 
изменения; годовые режимы работы и потребления энергии 
в здании. Основной задачей строительной теплофизики остается 
изучение процессов переноса теплоты и массы на поверхностях 
и в толще ограждающих конструкций. При этом рассматриваются в основном ограждающие конструкции, отделяющие помещения от наружного воздуха или неотапливаемых помещений.
Основы современной науки в области строительной теплофизики были заложены в работах В.Д. Мачинского, О.Е. Власова, 
К.Ф. Фокина, Р.Е. Бриллинга, А.М. Шкловера и других ученых. 
Особый вклад в развитие строительной теплофизики внесли академик АН БССР А.В. Лыков и профессор В.Н. Богословский. В их 
работах сложные теплофизические задачи в строительстве решаются современными математическими и физическими методами.
Строительная теплофизика ограждающих конструкций зданий важна как специалистам, занимающимся проектированием 
конструкций, так и специалистам по обеспечению микроклимата помещений. Инженеру-конструктору необходимы данные 
по формированию тепловлажностного режима ограждений, его 
влиянию на долговечность конструкций и на их эксплуатаци

онные качества. Специалистам по обеспечению микроклимата 
помещений необходимы сведения для проектирования и дальнейшей эксплуатации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Положения строительной теплофизики, необходимые при 
проектировании и расчетах ограждающих конструкций, сводятся 
к следующему:
 – конструкции должны обеспечивать санитарно-гигиенические и комфортные условия в помещениях при минимальном 
расходовании энергоресурсов на эксплуатацию инженерных 
сис тем обеспечения микроклимата;
 – соответствовать климатическим условиям места строительства объекта;
 – учитывать взаимное влияние и особенности переноса через 
них теплоты, влаги и воздуха;
 – материалы, используемые в конструкциях, должны обеспечивать их долговечность.
На основании положений строительной теплофизики оцениваются теплозащитные качества ограждений и уровень расхода 
тепловой энергии зданием. Определяются теплотехнические характеристики ограждений, с помощью которых выявляются теплопотери помещений и зданий, необходимые для проектирования систем отопления и теплопоступления, расчета систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Ужесточение требований к теплозащите определило специфику расчетов тепловлажностных режимов ограждающих конструкций современных зданий. Она заключается в необходимости учета повышенного сопротивления воздухопроницаемости 
оконных заполнений, использования эффективных теплоизоляционных материалов в многослойных ограждающих конструкциях, появления сложных сопряжений различных ограждений 
одного к другому и т.д.
Вследствие этого появилась необходимость уточнения знаний в области строительной теплофизики и детального анализа 
процессов переноса теплоты, влаги и воздуха в строительных материалах и ограждающих конструкциях зданий на базе современного развития науки. Комплексные исследования проводятся 
в научных учреждениях России, Беларуси, Украины и других 
стран СНГ и мира.

ÃËÀÂÀ 1. ÏÎËÎÆÅÍÈß ÒÅÎÐÈÈ ÏÅÐÅÍÎÑÀ ÒÅÏËÎÒÛ 
È ÒÅÐÌÎÄÈÍÀÌÈÊÈ ÂËÀÆÍÎÃÎ ÂÎÇÄÓÕÀ

1.1. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è îïðåäåëåíèÿ

Теплопередача – наука о необратимых процессах распространения теплоты, обусловленных неоднородным температурным 
полем в телах или системах тел. Теплопередача является основой 
многих явлений, наблюдаемых в технике и природе. Распространение теплоты теплопередачей – сложный процесс, который 
можно разделить на ряд простых. Теплота может передаваться 
тремя простейшими способами – теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества – молекулами, атомами, электронами в процессе их движения. Такой теплообмен бывает в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм 
переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах – диэлектриках – перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплоты при движении 
молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит 
вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих 
различную скорость движения. В металлах теплопроводность обеспечивается главным образом движением свободных электронов.
В практических условиях теплопроводность в наиболее чистом виде наблюдается в твердых телах.
Конвекцией называется перенос теплоты перемещением и перемешиванием между собой частиц жидкости или газа. Эти макроскопические перемещения среды, возникающие в условиях 
течения жидкостей и газов и описываемые уже не кинетической 
теорией материи, а гидроаэромеханикой, вызывают перемешивание различным образом нагретых объемов и, следовательно, 
теплообмен между ними.
Теплообмен излучением (или радиационный теплообмен) состоит в испускании энергии излучения телом, распространении 
ее в пространстве между телами и поглощении ее другими телами. В процессе испускания внутренняя энергия излучающего 
тела превращается в энергию электромагнитных волн, которые 
распространяются во всех направлениях. Тела, расположенные 
на пути распространения энергии излучения, поглощают часть 
падающих на них электромагнитных волн, и таким образом 
энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела.

Наблюдаемые в природе и технике процессы переноса теплоты включают в себя обычно все простые виды переноса. Различают три сложных вида переноса: конвективный теплообмен, сложный теплообмен и теплопередачу.
Явление конвекции, происходящее в газах и жидкостях, заключается в переносе теплоты перемещающимися в пространстве 
достаточно крупными частями тела. Одновременно теплота внутри жидких и газообразных тел передается также и теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Теплоносителем в этом 
случае является газообразное или жидкое тело, аккумулирующее 
теплоту и передающее его другому телу.
Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью какого-либо тела (твердого, жидкого и газообразного) часто называется теплоотдачей. В технике наиболее часто 
это явление протекает в форме теплообмена жидкого или газообразного теплоносителя с поверхностью твердого тела. Через 
поверхность соприкосновения жидкости или газа с твердым телом теплота передается теплопроводностью. 
Если перенос теплоты происходит одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением, то такой процесс называется сложным теплообменом.
Перенос теплоты между двумя жидкими или газообразными 
средами, разделенными твердой стенкой, называется теплопередачей. Перенос теплоты от теплоносителя к стенке и от стенки 
к теплоносителю может иметь характер теплоотдачи или сложного теплообмена. Перенос теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью.
Перенос теплоты неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому при его изучении прежде всего 
необходимо установить понятие температурного поля.
Температурным полем называется совокупность мгновенных 
значений температуры во всех точках тела или системы тел в данный момент времени 

 
t
f x y z
= (
)
, , ,
,
τ   
(1.1)

где t – температура; х, у, z – пространственные координаты; τ – 
время.
Температурное поле, описываемое уравнением (1.1), называется нестационарным. В этом случае температура зависит от времени. Нестационарное поле температур соответствует режиму 
прогрева или охлаждения тела.

В том случае, когда распределение температуры в теле не изменяется со временем, температурное поле называется стационарным:

 
t
f x y z
= (
)
, ,
. 
(1.1а)

Поля (1.1) и (1.1а) являются трехмерными. Для двухмерного нестационарного поля общее уравнение может быть записано так:

 
t
f x y
= (
)
, ,τ . 
(1.2)

Для одномерного нестационарного температурного поля 
уравнение имеет вид

 
t
f x
=
(
)
,τ . 
(1.3)

В этом случае температура в процессе нагрева или охлаждения зависит от одной координаты.
Поверхности одинаковой температуры называются изотермическими (рис. 1.1). Ясно, что изотермические поверхности не 
пересекаются, они могут замыкаться или оканчиваться на поверхности тела. Изменение температуры в пространстве наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности.
Для характеристики процесса распространения теплоты введено понятие «тепловой поток». Тепловой поток – это количество 
теплоты, проходящее в единицу времени через данную поверхность в направлении нормали к ней. Тепловой поток измеряют 
в джоулях на секунду (Дж/с) или ваттах (Вт). Следует отметить, 
что количество теплоты и тепловой поток принято обозначать 
буквой Q. Если же количество переданной теплоты Q отнести 
к единице поверхности F и единице времени τ, получим величину 

Рис. 1.1. Изотермические поверхности тела:
1 – граница тела; 2 – изотермические поверхности

q
Q
F
=
τ, 
(1.4)

которая называется мощностью удельного теплового потока 
и измеряется в ваттах на метр квадратный (Вт/м2).

1.2. Òåïëîïðîâîäíîñòü

Теплопроводность – процесс молекулярного переноса теплоты 
в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. Перенос теплоты теплопроводностью происходит в результате последовательного обмена энергией движения структурных 
частиц более нагретых и соседних менее нагретых частей среды.

1.2.1. Ñòàöèîíàðíàÿ òåïëîïðîâîäíîñòü

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки 
с одинаковой температурой. Поэтому температурное поле может 
быть представлено в виде изотермических линий (рис. 1.2).
Интенсивность изменения температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры – вектором, численно равным производной от температуры по этому направлению:

grad t
t
n
= ∂
∂ .

Рис. 1.2. Расположение вектора теплового потока и градиента температуры 
относительно изотермы t2 = соnst температурного поля

Теория теплопроводности рассматривает тело как непрерывную среду. Основной закон теплопроводности формулируется следующим образом: вектор удельной мощности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры в той же точке и в тот же момент времени:

 
q
t
t
n
= −
= − ∂
∂
λ
λ
grad
. 
(1.5)

Знак «минус» в уравнении (1.5) указывает на то, что величины q и grad t являются векторами, направление которых противоположно.
Уравнение (1.5) является математическим выражением основного закона теплопроводности – закона Фурье. Множитель λ 
(Вт/(м · °C)) называется коэффициентом теплопроводности и является физическим параметром вещества. Теплопроводность 
численно равна удельной мощности теплового потока при градиенте температуры, равном единице.
Для технических расчетов уравнение Фурье следует представить в виде

 
q
t
t
=
−
(
)
λ
δ
1
2 , 
(1.5а)

где δ – расстояние между точками 1 и 2 однородного тела, м; t1 
и t2 – температуры в точках 1 и 2, °С.
Для представления о порядке величин λ приведены некоторые их значения при комнатной температуре (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов

Материал
λ,
Вт/(м · °С)
Материал
λ,
Вт/(м · °С)

Серебро
394
Бетон
1,1

Медь
330
Кирпич изоляционный
0,12

Алюминий
175
Асбест листовой
0,1

Латунь
73
Шлаковая вата
0,06

Чугун
54
Воздух
0,021

Аммиак
0,49
Углекислый газ
0,013

Вода
0,47
Водород
0,15

Из приведенных данных видно, что металлы весьма резко выделяются среди других материалов своими высокими значениями 
коэффициента теплопроводности. При этом для чистых металлов