Строительная теплофизика и теплотехнические измерения


А. С. Шибеко, М. А. Рутковский





СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ


Учебное пособие










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 697.1:536(075.8)
ББК38.113я73
     Ш55





Рецензенты:
кафедра энергетики Белорусского государственного аграрного технического университета (зав. кафедрой - канд. техн. наук, доцент В. А. Коротинский);
      главный специалист РУП «Институт Белгоспроект» А. В. Смирнов








Ш55

      Шибеко, А. С.
     Строительная теплофизика и теплотехнические измерения : учебное пособие / А. С. Шибеко, М. А. Рутковский. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 288 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0443-3


      Рассмотрены параметры влажного воздуха, процессы теплообмена, воздухо- и паропроницания через ограждающие конструкции, параметры наружного воздуха и микроклимата помещений, теплотехнические особенности частей зданий, приборы для измерения теплотехнических показателей. Приведены теплофизические расчеты, используемые при проектировании систем климатизации зданий.
      Для инженерно-технических работников, студентов старших курсов, аспирантов и преподавателей строительных специальностей.

                                                 УДК 697.1:536(075.8)
                                                 ББК38.113я73






ISBN 978-5-9729-0443-3

     © Шибеко А. С., Рутковский М. А., 2020
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ



А - азимут, град.; амплитуда колебаний (температуры, теплового потока, интенсивности солнечной радиации); удельный коэффициент поглощения солнечной радиации, м²-К/Вт;
а - коэффициент температуропроводности, м2/с;
B - барометрическое (атмосферное) давление, Па; коэффициент теплопоглоще-ния ограждения, Вт/(м2-К);
Ъ - коэффициент тепловой активности материала, Вт/(м2-К-с );
Со = 5,67 Вт/(м2-К⁴) - постоянная излучения абсолютно черного тела;
с - аэродинамический коэффициент; удельная массовая изобарная теплоемкость, Дж/(кг-К) или кДж/(кг-К);
D - интенсивность рассеянной солнечной радиации, Вт/м2; коэффициент диффузии, м2/ч; тепловая инерция;
d - влагосодержание, г/кг сухого воздуха; диаметр, м;
E - давление насыщения (максимальное парциальное давление, максимальная упругость) водяных паров, Па;
e - парциальное давление (упругость) водяных паров, Па; основание натурального логарифма;
F - площадь, м2;
f - абсолютная влажность, кг/м³;
G - массовый расход воздуха, кг/ч;
g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; фильтрационный поток, кг/(м²-ч);
h - высота, м; высота стояния солнца, град.; удельная энтальпия, кДж/кг;
I - интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/м2;
i - коэффициент воздухопроницаемости, кг/(м-ч-Па); мнимая единица;
k (U) - коэффициент теплопередачи; Вт/(м2-К);
L - объемный расход воздуха, кг/ч;
l - длина, м;
l₀ - характерный размер, м;
m - коэффициент неравномерности теплоотдачи отопительных приборов; масса, кг;
n - коэффициент уменьшения расчетной разности температур; показатель режима фильтрации;
P - показатель теплопоглощения, Вт/К;
p - давление, Па; удельный поток диффундирующего водяного пара, мг/(м²-ч) или кг/(м²-ч);
Q - тепловой поток, Вт;
q - удельный тепловой поток, Вт/м2;
R - интенсивность отраженной солнечной радиации, Вт/м2; термическое сопротивление; м2-К/Вт;
Rт - сопротивление теплопередаче; м2-К/Вт;


3

r - коэффициент теплотехнической однородности; удельная теплота парообразования, кДж/кг;
5 - интенсивность прямой солнечной радиации, Вт/м²;
5 - коэффициента теплоусвоения материала, Вт/(м2-К);
T - абсолютная температура, К; период колебаний, с;
t - температура по шкале Цельсия, °C;
v - удельный объем, м³/кг;
w - скорость потока, м/с;
x = d/1000 - влагосодержание, кг/кг сухого воздуха;
Y- коэффициент теплоусвоения поверхности, Вт/(м2-К);
z - расчетный час; продолжительность периода, сутки;
а - коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м2-К);
Р - коэффициент влагообмена, мг/(м2-ч-Па); температурный коэффициент объемного расширения, 1/К;
5 - толщина, м; термоградиентный коэффициент, 1/К;
8 - электродвижущая сила, В (мВ);
е - диэлектрическая проницаемость; изотермическая сжимаемость, 1/Па; запаздывание температурных колебаний, ч; коэффициент порового охлаждения; степень черноты; тепловлажностное отношение (луч процесса), кДж/кг влаги;
£ - коэффициент местного сопротивления;
к - относительный коэффициент фильтрационного теплообмена;
Л - показатель конвективного теплообмена в помещении, Вт/К;
X - географическая широта, град., длина волны, м; коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); коэффициент трения;
р - коэффициент паропроницаемости, мг/(м-ч-Па);
v - кинематический коэффициент вязкости, м2/с;
р - коэффициент поглощения солнечной радиации; плотность, кг/м³;
т - время, с (ч); оптическая толщина атмосферы;
Y - коэффициент вертикальной освещенности;
Ф - географическая широта, град.; коэффициент теплоустойчивости ограждения; относительная влажность, %; угловой коэффициент излучения;
X - удельные потери теплоты через точечную неоднородность, Вт/К;
Т - линейные теплопотери, Вт/(м-К);
го - влажность, %; циклическая частота, рад/с.

4

            ИНДЕКСЫ



     max - максимальный; min - минимальный; w - вода; в - вертикальный, внутренний, внутренний воздух; в.в - влажный воздух; вкл - включение; вл - влажный; в.п - внутренняя поверхность; г - газ, горизонтальный; гл - гладь; гр - гравитационный; дв - дверь; дых - дыхание; ж - жидкость; жил - жилые; ЗВП - замкнутая воздушная прослойка; зд - здание; инф - инфильтрация; инс - инсоляция; исп - испарение; к - кожа; конвективный; кр - критический; л - лучистый; м - массовый; мае - массивный; н - наветренный, наружный; нач - начальный; норм - нормативный; н.з - нейтральная зона; н.п - наружная поверхность; общ - общественный; огр - ограждение; од - одежда; ок - окно; окр - окружающий; опт - оптимальный; от - отопительный; отн - относительный; п - пар, паропроницание, подветренный, пол; ПВК - плоскость возможной конденсации; ПМУ - плоскость максимального увлажнения; пов - поверхность; погл - поглощение; пом - помещение; пост - поступления; пот - потери; пр - приведенный, прослойка, прямой; пром - промышленный;р - роса, рассеянный; с - солнечный, сухой; с.в - сухой воздух; СЗУ - солнцезащитное устройство; ср - средний; СРК - слой резких колебаний; ст - стенка; т - теплопроводность, теплопередача; у - угол; уд - удаляемый; увл - увлажняемый; усл - условный; ут - утеплитель; ф - фильтрационный; фр - фрагмент; ц - центальный; чел - человек; щ - щель; эк - экономически целесообразный; экв - эквивалентный; эксф - эксфильтрация.

5

            ВВЕДЕНИЕ



     Строительная теплофизика - эта часть строительной физики, которая изучает процессы тепло- и массообмена в строительных конструкциях и помещениях, а также влияние данных процессов на микроклимат помещений. Объектами изучения строительной теплофизики являются:
    —   климатические характеристики;
     —  процессы теплообмена, происходящие в ограждающих конструкциях, которые отделяют помещение от наружной среды, неотапливаемых помещений, внутренних помещений с другой температурой;
    —   процессы теплообмена от различных элементов инженерных систем;
     —  процессы тепломассообмена, связанные с движением масс воздуха в помещении (вентиляционные струи, инфильтрационные и эксфиль-трационные потоки);
    —   процессы воздухообмена через ограждающие конструкции;
    —   процессы влагообмена через ограждения;
    —   временные режимы работы и потребления энергии зданием.
     Строительная теплофизика в современном строительстве играет значительную роль. Политика энергосбережения, целенаправленно проводимая во всем мире и в Республики Беларусь в частности, предполагает снижение затрат во всех сферах деятельности человека. В соответствии с государственной программой «Энергосбережение» на 2016-2020 годы достижение подпрограммы 1 «Повышение энергоэффективности» в жилищно-коммунальной сфере должно осуществляется увеличением сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций эксплуатируемых жилых зданий. Однако ошибочно думать, что строительная теплофизика должна заниматься только вопросами теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий с целью уменьшения теплозатрат здания. Правильным следует считать, что только при наличии комплексных знаний в данной сфере инженер-строитель сможет добиться создания максимально комфортной климатической обстановки для отдыха и работы человека при минимальном потреблении энергии. Такое сочетание можно получить только прагматичным конструированием ограждений и систем климатизации (отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха) зданий, в основе которых лежат базовые принципы строительной теплофизики.
     Материал пособия базируется на фундаментальных теоретических дисциплинах, являющихся результатом развития классической физики: «Техническая термодинамика», «Тепломассообмен», «Механика жидкости и газа». В книге использованы не только проверенные временем результаты теоретических и экспериментальных исследований видных советских (В. Н. Богословский, О. Е. Власов, В. М. Ильинский, А. В. Лыков, Э. X. Одельский, Ф. В. Ушков, К. Ф. Фокин, А. М. Шкловер) и иностранных (Л. Банхиди, В. Блэзи, Г. Глазер, К. Шильд, П. О. Фангер) ученых, но и современные разработки (В. Г. Гагарин, П. И. Дячек, Ю. Я. Кувшинов, Ю. А. Табунщиков и др.).

6

    Целью данной книги авторы ставили донести до читателей основные фундаментальные знания по теплофизике и измерениям теплотехнических величин таким образом, чтобы они были понятны даже неспециалистам в данной сфере. Для полного понимания использования соответствующих математических выкладок на практике в некоторых разделах приведены примеры расчетов.
    Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам за ценные замечания и предложения.

7

                1. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ







        1.1.  Параметры влажного воздуха

     Влажным воздухом называется механическая смесь сухого воздуха и водяного пара. Под сухим воздухом или сухой компонентой имеется ввиду некон-денсирующаяся при нормальных условиях смесь газов: азота (около 78 % по объёму), кислорода (21 %), аргона (0,9 %), углекислого газа (0,03 %) и других (неон, гелий, метан и др.). Пары воды составляют порядка 0,5 % объёма.
     Влажный воздух делят на насыщенный и ненасыщенный. Первым называется смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром, вторым - с насыщенным паром. Так как содержание водяного пара невелико, то воздух можно считать идеальным газом, для которого характерны все законы смеси идеальных газов, хотя иногда учитываются свойства водяного пара как реального газа.
     К основным параметрам влажного воздуха, которые используются при расчётах систем теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха (ТГВ), можно отнести следующие:
    —    температура воздуха по сухому термометру tс, °C;
     —   давление насыщения (максимальное парциальное давление) E и парциальное давление водяных паров e, Па;
    —    абсолютная/, г/м³,и относительная ф, %, влажность воздуха;
    —    влагосодержание d, г/кг сухого воздуха;
    —    плотность рв.в, кг/м³;
    —    удельная изобарная массовая теплоёмкость cв.в, кДж/(кг-К);
    —    удельная энтальпия hв.в, кДж/кг сухого воздуха;
    —    температура по «мокрому» термометру tм, °C;
    —    температура точки росы tр, °C;
     Температура даёт представление о степени нагретости воздуха. Измеряется различными видами термометров. Системная единица измерения температуры T - кельвин (К), но в технике и быту широко применяется температурная шкала Цельсия (t, °C). Между ними существует связь


Т = t + 273,15.


(1.1)

    Сотые градуса обычно в технических расчётах не учитываются.


8

     Парциальное давление pi, как известно из курса термодинамики, это давление компонента смеси, которое он создает при условии, что занимает весь объем смеси при той же температуре. Пояснить это можно следующим образом: если из герметичного сосуда, содержащего смесь газов, начнем удалять все молекулы, кроме молекул интересующего нас газа, то в конце концов весь объем будет заполнен только одни газом. Измерив давление в сосуде, получим парциальное давление данного газа. Парциальные давления компонентов подчиняется закону Джона Дальтона (1801), который гласит, что сумма парциальных давлений есть общее давление смеси. Применительно к воздуху, давлением смеси будет атмосферное (барометрическое) давление В. Таким образом,
n
В = Ё Р⁻ Р с.в ⁺ Р п>                    ⁽¹-²⁾
i -1
где рс.в - парциальное давление сухого воздуха, Па;
    рп - парциальное давление водяного пара, Па.
     В строительной теплофизике парциальное давление водяного пара обычно обозначают буквой e. Проф. К. Ф. Фокин в своей книге [102] употребляет другое название для парциального давления: упругость водяных паров. Как и всякое давление, парциальное измеряется в Паскалях (Па).
     Максимальное давление, которой будет создавать компонент в смеси при данной температуре, называется максимальным парциальным давлением или давлением насыщения рнас. Величина его зависит от температуры и атмосферного давления. В строительной теплофизике обычно для обозначения служит буква E. Для описания взаимосвязи давления насыщения и температуры при нормальных условиях предложены ряд зависимостей разной степени точности. В [1] приводятся следующие выражения для определения максимальной упругости:
    —   над поверхностью льда при температуре от -100 °C до 0 °C

             InE - С₁/ Т + С₂ + С₃Т + С₄Т² + С₅Т³ + С₆Т⁴ + С₇lnТ;    (1.3)

    —   над поверхностью жидкой воды при температуре от 0 °C до 200 °C

ln E - C₈ / Т + С₉ + С₁₀Т + С₁₁Т² + С₁₂Т³ + С₁₃ ln Т, (1.4)


где Т - абсолютная температура воздуха, К;
   С1 - С₁₃ - постоянные аппроксимации:

С1 = -5674,5359;
С2 = 6,3925247;
Сз = -9,677843-10⁻³;
С₄ = 6,2215701-10"⁻⁷;
С5 = 2,0747825-10⁻⁹;
С6 = -9,484024-10⁻¹³;
С₇ = 4,1635019;

С₈ = -5800,2206;
С9 = 1,3914993;
С10 = -4,8640239-10⁻²;
С11 =4,1764768-10⁻⁵;
С12 = -1,4452093-10⁻⁸;
С13 = 6,5459673.

9

Для инженерных расчётов в [14] приводятся следующие формулы:

'        18,741-115,72
1000e ²³³,⁷⁷⁺°,⁸⁸¹¹ при - 60 °C < t < 0 °C;
           16,571-115,72
1000e ²³³,⁷⁷⁺°,»⁷t при 0 °C < t < 83 °C,

(1-5)

где t - температура воздуха, °C;
   e = 2,718... - основание натурального логарифма.
    В книге В. Блэзи [8] даны следующие степенные зависимости:

E = ]

      ( t V
4,68911,486 +----I при- 20 °C < t < 0 °C;
      С 100)
       t        t Y’°2
288,6811,098 + —I при 0 °C < t < 30 °C.
       I 100)

(1-6)

    На практике зачастую используются табличные значения E, полученные из вышеприведённых выражений.
    Абсолютной влажностью f называется массовое содержание влаги в 1 м³ влажного воздуха. Таким образом, единица измерения абсолютной влажности совпадает с единицей измерения плотности: кг/м³ или г/м³. Поэтому в литературе встречается термин плотность водяного пара в воздухе. В практических расчётах данная величина не используется, так как более удобной является относительная влажность, которая показывает отношение действительной абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при данной температуре

Ф = f -100%. f J max

(1.7)

    Переходя от абсолютной влажности к парциальным давлениям, можно записать

Ф = — .100%.
    E

(1.8)

    Значение ф изменяется от 0 % (сухой воздух) до 100 % (влажный насыщенный воздух). Об экспериментальном определении величины относительной влажности речь пойдёт в разделе 8.

10