Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Строительная теплофизика

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 406050.08.01
К покупке доступен более свежий выпуск Перейти
Рассмотрены основы теории переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и радиацией, а также тепло- и массообмена при фазовых превращениях. Изложена теория подобия процессов конвективного теплообмена и теплопередачи, теплового и гидромеханического расчетов теплообменных аппаратов рекуперативного типа. Представлены инженерные методы расчета процессов передачи теплоты, диффузии водяного пара и воздухопроницаемости через ограждения, теплового режима помещений, теплоустойчивости и теплозащиты ограждающих конструкций здания. Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».
45
Кудинов, А. А. Строительная теплофизика : учебное пособие / А. А. Кудинов. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 262 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). - ISBN 978-5-16-005158-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1870565 (дата обращения: 20.04.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
СТРОИТЕЛЬНАЯ
ТЕПЛОФИЗИКА

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

А.А. КУДИНОВ

Рекомендовано 
в качестве учебного пособия для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению 
подготовки 08.03.01 «Строительство»

УДК 69:53:721.01
ББК 31.31
 
К88

Кудинов А.А. 
Строительная теплофизика : учебное пособие / А.А. Кудинов. — 
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 262 с. — (Высшее образование: Ба-
калавриат).

ISBN 978-5-16-005158-1 (print)
ISBN 978-5-16-103379-1 (online)

Рассмотрены основы теории переноса теплоты теплопроводностью, 
конвекцией и радиацией, а также тепло- и массообмена при 
фазовых превращениях. Изложена теория подобия процессов конвективного 
теплообмена и теплопередачи, теплового и гидромеханического 
расчетов теплообменных аппаратов рекуперативного типа. 
Представлены инженерные методы расчета процессов передачи теплоты, 
диффузии водяного пара и воздухопроницаемости через ограждения, 
теплового режима помещений, теплоустойчивости и теплозащиты 
ограждающих конструкций здания.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение 
и вентиляция».
УДК 69:53:721.01
ББК 31.31

К88

© Кудинов А.А., 2013
ISBN 978-5-16-005158-1 (print)
ISBN 978-5-16-103379-1 (online)

Р е ц е н з е н т ы:
зав. кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Саратовского 
государственного технического университета, д-р техн. 
наук, профессор Ю.Я. Печенегов;
зав. кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» Самарского 
государственного архитектурно-строительного университета, канд. 
техн. наук, доцент Н.П. Тюрин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов строительных 
вузов и факультетов, обучающихся по специальности 290700 
«Теплогазоснабжение и вентиляция» (направление 653500 «Строительство») 
в соответствии с содержанием дисциплины «Строительная 
теплофизика» (60 ч занятий, включая лекции, практические занятия и 
курсовое проектирование). Курс «Строительная теплофизика» является 
базовым в системе подготовки специалистов указанного профиля.

Содержание учебного пособия изложено в 12 главах и включает в 

себя следующие основные разделы теории тепло- и массообмена 
применительно к ограждающим конструкциям и помещениям зданий:
теплопроводность при стационарном и нестационарном режимах; 
конвективный теплообмен; тепловое излучение; теплоотдача при конденсации 
пара и кипении жидкости; теория и расчет теплообменных 
аппаратов; теплопередача через наружные ограждающие конструкции 
зданий; влажностный режим наружных ограждений; воздушный 
и тепловой режимы помещений здания.

Предлагаемое читателю учебное пособие написано в соответствии 
с курсом «Строительная теплофизика» и может быть использовано 
студентами также при изучении курса «Тепломассообмен» и ряда 
специальных дисциплин, таких как «Теплогенерирующие установки», «
Отопление», «Вентиляция», «Теплоснабжение».

Особое внимание уделено влажностному режиму наружных ограждений 
и тепловому режиму помещений здания. Эти задачи имеют 
в настоящее время непосредственные инженерные приложения, что 
обусловлено массовым строительством современных энергоэффективных 
зданий с повышенными теплозащитными свойствами наружных 
ограждений на основе высокоэффективных теплоизоляционных 
материалов и изделий.

Отдельная глава посвящена теплотехническому расчету ограждающих 
конструкций зданий, где изложен материал для определения 
состава, объема и последовательности выполнения курсовой работы 
по дисциплине «Строительная теплофизика». Приводятся подробные 
указания по выполнению расчетов, содержатся основные рекомендации 
по оформлению расчетно-пояснительной записки и графической 
части курсовой работы. В приложениях представлены необходимые 
для выполнения расчетов справочные материалы.

Для достижения компактности изложения материала книги при 

3

выводе уравнений тепло- и массообмена и доказательстве законов и 
теорем статики и динамики жидкостей используются общие формы законов 
и теорем механики, математики и технической термодинамики.

Предполагается, что студент изучил курсы физики, теоретической 
механики и математики, знаком с основами математического 
анализа, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и термодинамики.


Настоящее издание разработано на кафедре «Гидравлика и теплотехника»

Самарского 
государственного 
архитектурно-

строительного университета и, по мнению автора, дополняет фундаментальные 
учебники В.Н. Богословского «Строительная теплофизика» (
1982), К.Ф. Фокина «Строительная теплотехника ограждающих 
частей зданий» (1973), В.М. Ильинского «Строительная теплофизика» (
1974). 

Автор будет весьма благодарен за критические замечания и пожелания, 
которые возникнут у читателя. Отзывы и пожелания просим 
направлять по адресу: 127282, Москва, Полярная ул., 31В, стр.1, ООО 
«Издательство ИНФРА-М».  

4

ВВЕДЕНИЕ

В строительной теплофизике изучаются процессы теплопередачи 

и воздухопроницания через ограждающие конструкции зданий, а 
также влажностного режима ограждающих конструкций, связанного 
с процессами теплопередачи.

Знание строительной теплофизики необходимо инженерам-

строителям для рационального проектирования наружных ограждающих 
конструкций зданий. Особенно большое значение имеет знание 
процессов теплопередачи и влажностного режима для современного 
строительства, когда широко применяются сборные облегченные 
многослойные конструкции из новых эффективных материалов.

С переходом к новому виду высотной, многоэтажной застройки 

создаются и совершенствуются конструкции элементов сборных зданий, 
используются новые теплоизоляционные, облицовочные и конструктивные 
материалы с разнообразными физическими свойствами.

Здания и строительные сооружения подвержены наиболее слож-

ным физическим воздействиям. Процессы тепло- и массообмена в 
помещениях зданий и ограждающих конструкциях связаны с дейст-
вием наружных климатических условий, а также с работой систем 
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Поэтому ясное представление о процессах, происходящих в ог-

раждениях при теплопередаче, и умение пользоваться соответствую-
щими расчетами дают возможность проектировщику обеспечить тре-
буемые теплотехнические качества наружных ограждающих конст-
рукций.

Климат нашей планеты и Российской Федерации исключительно 

разнообразен. В Якутии расположен полюс обжитых районов Земли, 
где температура понижается до –71 °С при среднегодовой температуре 
– 17 °С. (Полюс абсолютного холода Земли расположен в районе стан-
ции Восток в Российском секторе Антарктиды. Здесь температура по-
нижается до –87,6 °С при среднегодовом ее значении около –50 °С). В 
Узбекистане (г. Термез) температура повышается до +48 °С при сред-
негодовой температуре +18 °С. Во многих пунктах побережья Ледо-
витого океана отопительный период продолжается весь год, в то вре-
мя как в отдельных районах Средней Азии и Кавказа он продолжает-
ся менее трех месяцев, например в Батуми, Гагре –75 дней. Но в жар-
ких районах необходимо защищать здания от перегрева солнечной 
радиацией и обеспечивать искусственное охлаждение помещений в 

5

течение продолжительного жаркого периода года.

Теплоснабжение является одной из основных отраслей энергети-

ки Российской Федерации. На теплоснабжение промышленных и 
коммунально-бытовых объектов расходуется 
3
/1
всех используемых 

в стране первичных топливно-энергетических ресурсов. Отмечается 
постоянное повышение стоимости топлива, возрастает дальность его 
транспортировки. Поэтому в настоящее время основной задачей в об-
ласти строительства является проектирование зданий и сооружений с 
эффективным использованием тепловой энергии, а также модерниза-
ция существующего фонда зданий в целях ее экономии.

6

Глава 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ЗАКОН ФУРЬЕ

Понятие теплопроводности охватывает процесс распространения 

теплоты путем непосредственного соприкосновения между частица-
ми тела. При этом в газах перенос энергии (теплоты) осуществляется 
путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах – 
диэлектриках – путем упругих волн, в металлах – в основном путем 
диффузии свободных электронов. 

Процесс распространения теплоты вообще и процесс теплопро-

водности в частности неразрывно связаны с распределением темпера-
туры. Введем определения.

Температурное поле – это совокупность значений температуры 

во всех точках тела в данный момент времени. Математически оно 
описывается уравнением 

t= f(x, y, z, τ).                                           (1.1) 

При этом если температура зависит от времени, то поле называ-

ется неустановившимся, в противном случае – установившимся. Тем-
пература может изменяться по одной, двум или трем пространствен-
ным координатам; в соответствии с этим температурное поле назы-
вают одно-, двух или трехмерным. Уравнение одномерного стацио-
нарного температурного поля имеет вид 

t = f(x); 
0
∂
/
∂
=

t
; 
0
∂
/
∂

y
t
; 
0
∂
/
∂
=
z
t
. 

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, 

имеющих одинаковую температуру. Изотермические поверхности 
разных температур друг с другом не пересекаются, так как одна и та 
же точка тела не может одновременно иметь различные температуры. 

Изменение температуры в теле наблюдается 
лишь в направлениях, пересекающих изо-
термические поверхности (рис. 1.1). При 
этом наиболее резкое изменение температу-
ры происходит в направлении нормали n к 
изотермическим поверхностям.

Температурный градиент. Предел от-

ношения изменения температуры  ∆t  к нор-
мали ∆n  называется температурным гради-
ентом qrad t, ○С/м:

n

Рис. 1.1. Изотермы

7

qrad t =









n
t

n
lim

0
→

=
n
t
n ∂

∂

0

,                              (1.2) 

где 
0n  – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхно-

сти и направленный в сторону возрастания температуры; 
n
t ∂
/
∂
 – 

производная от температуры по нормали n. 

Градиент температуры qrad t является вектором, направленным по 

нормали к изотермической поверхности. Его положительным направ-
лением считается направление в сторону возрастания температуры. 
Значение qrad t, взятое с обратным знаком, называется падением тем-
пературы. 

Тепловой поток. Тепловая энергия распространяется всегда толь-

ко в сторону убывания температуры. Количество переносимой теп-
лоты называется тепловым потоком Q, Дж. Обычно эту величину 
относят к единице времени, с. Тепловой поток в единицу времени
Q, Дж/с (Вт), отнесенный к единице поверхности, называется удель-
ным тепловым потоком или плотностью теплового потока q, Вт/м2. 
Величина Q (q) является вектором, направленным в сторону убыва-
ния температуры, т.е. противоположную qrad t. 

Необходимым условием распространения теплоты является не-

равномерность распределения температуры в теле (среде). Таким об-
разом, передача теплоты теплопроводностью возможна только тогда, 
когда градиент температуры не равен нулю в различных точках тела.

Изучая явление теплопроводности в твердых телах, Фурье (1822) 

установил, что вектор плотности теплового потока q, передаваемого те-
плопроводностью, пропорционален градиенту температуры: 

q = 

 λ qrad t,  q = –
n
t
n
∂
∂
λ

0

,                                 (1.3) 

где λ  – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м∙К). Знак ми-
нус в уравнении (1.3) указывает, что вектор q направлен противополож-
но вектору qrad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Тепловой поток dQ через произвольно ориентированную эле-

ментарную площадку dF равен скалярному произведению вектора q

на вектор элементарной площадки 
dQ
F
d :

=q∙dF, а полный тепловой 

поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием это-
го произведения по поверхности F: 

Q = 

F
q∙ dF= –
dF

F
n

t





,                                    (1.4) 

8

где dF – элемент изотермической поверхности, м2.  

Значение Q измеряется в ваттах.
Из уравнений (1.3) и (1.4) следует, что для определения количества 

теплоты, проходящего через какую-либо поверхность твердого тела, 
необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. 
Нахождение температурного поля и является главной задачей теории 
теплопроводности.

1.2. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Коэффициент теплопроводности λ является физическим парамет-

ром вещества и характеризует способность вещества проводить теп-
лоту: 

x
t
F

Q
q

Δ
/
Δ
t
qrad
λ






. 

Единицей измерения коэффициента теплопроводности в системе 

СИ является Вт/(м∙К). Коэффициент теплопроводности численно ра-
вен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через 
единицу поверхности при падении температуры в 1 ○С на единицу 
длины. Для различных веществ λ  различен и для каждого из них за-
висит от структуры, объемного веса, влажности, давления и темпера-
туры, так как при распространении теплоты температура в различных 
частях тела изменяется. На практике важно знать зависимость λ  от 
температуры. Многочисленные опытные данные показывают, что для 
большинства материалов коэффициент теплопроводности λ возраста-
ет при повышении температуры: 

λ = λ0(1+b∙t), 

где  λ0 – значение коэффициента теплопроводности при t = 0 ○C;         
b – постоянная, определяемая опытным путем.

В практических расчетах значение λ  обычно определяется по 

среднеарифметической из граничных значений температуры тела и 
это значение принимается постоянным. При стационарной теплопро-
водности такая замена законна и единственно правильна для любой 
формы тела.

Рассмотрим зависимость коэффициента теплопроводности λ  от 

температуры и других параметров для различных сред (тел).

1. Газы. Коэффициент теплопроводности λ газов зависит от скоро-

сти движения молекул, которая возрастает с увеличением температуры 
и уменьшением массы молекул. С повышением температуры λ  возрас-

9

тает. От давления λ практически не зависит, за исключением очень вы-
соких (более 2∙103 ата) и очень низких (менее 20∙10–2 ата). Наибольшей 
теплопроводностью обладает легкий газ – водород Н2. При стандарт-
ных условиях (t = 20 °С, р = 101325 Па) λ  водорода ≈ 0,2 Вт/(м∙К). У 
более тяжелых газов λ  меньше: у воздуха λ ≈ 0,025, у диоксида угле-
рода  СО2 λ ≈ 0,02 Вт/(м∙К).

2. Жидкости. Коэффициент теплопроводности λ  капельных 

жидкостей изменяется в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м∙К). С повышени-
ем температуры для большинства жидкостей λ  убывает, исключение 
составляют вода и глицерин. Для воды λ сначала возрастает (при 
t = 0 ○С λ = 0,5536 Вт/(м∙К); при t =120 ○С λ= 0,59 Вт/(м∙К)), а 
затем убывает (при t = 370 ○С λ = 0,3387 Вт/(м∙К)).

3. Твердые тела. В металлах теплопроводность обеспечивается в 

основном за счет теплового движения электронов, которые более чем 
в 3000 раз легче молекул самого легкого газа водорода Н2; соответст-
венно, и теплопроводность металлов много выше, чем газов. Наи-
большим коэффициентом теплопроводности λ обладают чистые ме-
таллы: серебро – 420,5 Вт/(м∙К); медь – 397,12 Вт/(м∙К); золото – 327,04 
Вт/(м∙К); алюминий – 210,24 Вт/(м∙К). Для большинства металлов с 
повышением температуры λ убывает. При наличии примесей λ  чис-
тых металлов резко убывает. Например, для меди со следами мышья-
ка λ =142,5 Вт/(м∙К). 

4. Коэффициент теплопроводности λ строительных и теплоизоля-

ционных материалов находится в пределах 2,8 – 0,02 Вт/(м∙К). Мате-
риалы со значением λ ≤ 0,23 Вт/(м∙К) называют теплоизоляционными. 
С повышением температуры λ  возрастает. Коэффициент теплопровод-
ности строительных материалов с бόльшей плотностью (ρ, кг/м3) выше. 
Он зависит также от структуры материала, его пористости и влажности.

Для влажного материала коэффициент теплопроводности λ  зна-

чительно выше, чем для сухого и воды в отдельности. Так, например, 
для сухого кирпича λ ≈ 0,3 Вт/(м∙К), для воды λ ≈ 0,55 Вт/(м∙К), а для 
влажного кирпича λ ≈ 0,911 Вт/(м∙К). Это явление требует особого 
внимания при определении λ  и при расчете теплопередачи ограж-
дающих конструкций зданий.

Для сыпучих материалов коэффициент теплопроводности умень-

шается с уменьшением объемного веса (плотности ρ, кг/м3) и величины 
их зерен, так как по мере измельчения частиц уменьшается ρ. 

Коэффициент теплопроводности мерзлого материала выше тало-

го, но при малых содержаниях льда может образоваться рыхлый 

10

К покупке доступен более свежий выпуск Перейти