Лабораторная работа. Laboratornaya_rabota_1_3 исх. Методические указания к лабораторной работе изучение теплоустойчивости ограждающих конструкций методом натурных измерений

• Название: Методические указания к лабораторной работе изучение теплоустойчивости ограждающих конструкций методом натурных измерений
• Анкор: Лабораторная работа
• Дата: 27.05.2022
• Размер: 168 Kb.
• Имя файла: Laboratornaya_rabota_1_3 исх.doc
• Тип: Методические указания; #552790

Методические указания к лабораторной работе

«ИЗУЧЕНИЕ теплоустойчивости ограждающих конструкций методом натурных измерений»

архитектурная и строительная физика

Лабораторная работа № 1.3
Изучение теплоустойчивости ограждающих конструкций методом натурных измерений

Цель работы: получение практических навыков измерения температуры внешней и внутренней поверхностей ограждающих конструкций термоэлектрическим методом; изучение распределения температуры на различных участках внутренней поверхности в течение одного занятия; определение теплоустойчивости ограждающих конструкций по результатам натурных испытаний в течение семестра.
Нормативные ссылки и рекомендуемая литература:

• 
  ТКП 45-2.04-43-2006 Строительная теплотехника с изменениями 2007-07-01.;
  
• 
  СНБ 2.04.02-2000 Строительная климатология изм.№1;
  
• 
  СНиП 2.01.01.-82 Строительная климатология геофизика (справ.).
  

Оборудование: термоэлектрические преобразователи температуры с термопарами ТХА по ГОСТ 6616 – 74 (градуировка по ГОСТ 3044 – 77); низкоомный потенциометр класса точности 0,05 с верхним пределом измерений 20 мВ по ГОСТ 9245 – 79; многоточечный переключатель; лабораторные спиртовые термометры с пределами от 0 до 40°С и точностью 0,5°С.
Теоретические основы работы
Задача обеспечения комфортного температурного - влажностного режима зданий решается двумя способами. Первый способ- это создание такого архитектурного- планировочного и конструктивного решения зданий, которое обеспечивало бы минимальные теплопотери и максимальные поступления тепла от Солнца зимой и минимальные теплопоступления в здания в летнее время.

Второй способ- это оборудование здания современными надежными системами отопления, вентиляции и охлаждение воздуха. Этим занимаются специалисты по отоплению и вентиляции, разработчики инженерного оборудования зданий.

Инженеры-строители и архитекторы занимаются проектированием зданий и их конструкций, решают, таким образом, эту задачу первым способом. Однако от того, насколько качественно эта задача решена, зависит энергоэкономичность работы инженерного оборудования.

Так, например, в административном здании башенного типа с огромными ленточными окнами по всему периметру даже в умеренном климате Москвы в рабочих помещениях нельзя обеспечить комфортный температурный режим только с помощью кондиционеров, не применяя солнцезащитные средства.

Комфорт температурно-воздушной среды зависит от следующих факторов:

-температура внутреннего воздуха: оптимально 20-22 ^оС;

-температура внутренних поверхностей, ограждающих помещение: стены – минимум 16-18 ^оС. Если температура ниже – появляется ощущение сквозняка около стен, на стенах возможно выпадение конденсата. Температура пола – оптимально 22-24 ^оС;

-тепловая инерция (накопление тепла) ОК помещений. Барачный микроклимат- это быстрый нагрев и быстрое охлаждение помещений;

-относительная влажность воздуха в помещении: нормальная 50-60%. Менее 40% - сухость слизистой оболочки. Более 60% - парниковый микроклимат;

-движение воздуха: максимально – 0,2 м/с, больше 0,2 м/c – возникает ощущение сквозняка;

-деятельность человека: при сидячей работе требуется большая температура воздуха, чем при подвижной работе.

Теплозащита должна обеспечить комфорт в помещении как в зимних (защита от холода), так и в летних (защита от перегрева) условиях.

Факторы, влияющие на теплозащиту зданий. Общие факторы:

1. 
   Климат местности.
   
2. 
   Теплоизоляция ОК.
   
3. 
   Тепловая инерция ОК, таких как стены, потолки, полы – способность к накоплению тепла и постепенной ее отдачи.
   
4. 
   Расположение отдельных слоев в многослойной ОК. Правильное расположение слоев предотвращает увлажнение внутри конструкции за счет конденсации водяного пара, влияет на величину тепловой инерции.
   
5. 
   Общий коэффициент пропускания энергии окнами и прочими светопрозрачными конструкциями, такими как:
   

- балконные и другие наружные остекленные двери;

- зимние сады;

- прозрачная теплоизоляция;

- стекла с металлическим напылением.

6. Отношение площади окон и других светопрозрачных конструкций к площади наружных ограждающих конструкций.

7. Ориентация окон и других светопрозрачных конструкций по сторонам света.

8. Возможности вентиляции, открывание окон и дверей, воздухопроницаемость ОК.

9. Окраска наружных поверхностей стен. Светлые поверхности отражают, а темные поглощают солнечные лучи.

Все эти факторы будут рассмотрены отдельно в зависимости от того, какая теплозащита требуется, - зимняя или летняя. Для некоторых факторов требования к зимней и летней теплозащите совпадают (тепловая инерция), в других случаях они могут не совпадать (окраска наружных поверхностей стен или расположение слоев ОК).

Рассмотрим основные причины высокого уровня потребления тепловой энергии в частных домах. Теплопотеря происходит через:

1) вентиляцию – в современных домах традиционных конструкций, таким образом, уходит 30-40% тепла;

2) окна и двери – обычно на них приходится до 25% общих теплопотерь дома. В некоторых домах величину окон определяют, руководствуясь не рациональными нормами естественного освещения, а архитектурной модой, пришедшей к нам из стран с более теплым климатом;

3) наружные стены – через конструкцию стен уходит 15—20% тепла. Строительные нормы прошлых лет не требовали от конструкции стен высокой теплоизоляционной способности, к тому лее и без того часто нарушались;

4) крышу – через нее уходит до 15% тепла;

5) пол на грунте – распространенное решение в домах без подвала, при недостаточной теплоизоляции может привести к потерям 5—10% тепла;

6) мостики холода, или термические мостики – служат причиной потери около 5 % тепла.

С целью устранения теплопотери применяют следующие мероприятия:

1. Утепление наружных стен. Оно состоит в создании дополнительного слоя теплоизоляции на внешней или внутренней стороне наружной стены дома. При этом теплопотери уменьшаются, а температура внутренней поверхности степы увеличивается, что делает проживание в доме комфортнее и устраняет причину повышения влажности и образования плесени. После дополнительного утепления теплоизоляционные свойства стены улучшаются в три-четыре раза.

Утепление снаружи гораздо удобнее и эффективнее, поэтому его применяют в подавляющем большинстве случаев. Оно обеспечивает:

• равномерность теплоизоляции на всей поверхности наружной стены;

• увеличение теплостатичности стены, то есть последняя становится аккумулятором тепла. Днем от солнечного света она нагревается, а ночью, остывая, отдает тепло в помещение;
• устранение неровности стены и создание нового, более эстетичного фасада дома;

• выполнение работ без неудобств для жильцов.

Утепление дома изнутри применяется только в исключительных случаях, например в домах с богато украшенными фасадами или когда утепляются лишь некоторые помещения.

2. Утепление перекрытий и крыш. Перекрытия на непотопляемом чердаке утепляют, укладывая слой из плит, матов или сыпучих материалов. Если чердак планируется использовать, то над утеплителем укладывают слой досок или цементную стяжку. Уложить дополнительный слой теплоизоляции на чердаке. Более сложной является ситуация с так называемой вентилируемой совмещенной кровлей, где над перекрытием последнего этажа находится пространство в несколько десятков сантиметров, к которому нет непосредственного доступа. Тогда в это пространство вдувают специальный утеплитель, чтобы, затвердев, он образовал на перекрытии толстый теплоизоляционный слой. Утеплить совмещенную кровлю (такую обычно устраивают над мансардными этажами) можно, уложив на нее дополнительный слой теплоизоляции и выполнив новое кровельное покрытие. Перекрытия над подвалами легче всего утеплить, приклеив или подвесив теплоизоляцию при помощи анкеров и стальной сетки. Слой теплоизоляции можно оставить открытым или закрыть алюминиевой фольгой, обоями, штукатуркой.

3. Уменьшение теплопотери через окна. Самым радикальным способом уменьшения теплопотери является замена окна. Вместо старых ставят окна с более высокими теплоизоляционными свойствами. Рынок предлагает различные типы энергосберегающих окон: деревянные, пластиковые, алюминиевые, с двух- и трехкамерными стеклопакетами, со специальным низкоэмиссионным стеклом.

4. Система отопления и горячего водоснабжения. Если теплоснабжение дома осуществляется при помощи котельной, которой пользуются 10—15 лет, то она требует термомодернизации. Самым большим недостатком старых котлов является их низкая производительность. Кроме того, такие устройства, отопляемые углем, выделяют много продуктов сгорания. Поэтому их целесообразно заменять современными газовыми или жидкотопливными котлами: у них больше производительность, и они меньше загрязняют воздух. Модернизировать можно и саму теплосеть в доме. Аля этого устраивают теплоизоляцию на трубах отопления и горячей воды, которые проходят через непотопляемые помещения. Кроме того, на всех радиаторах ставят терморегулирующие вентили. Это позволяет устанавливать необходимую температуру и не отапливать нежилые помещения. Можно также устроить воздушное отопление или «теплый пол». Модернизация сети горячей воды — это замена протекающих трубопроводов и теплоизоляция новых, оптимизация работы системы, готовящей горячую воду, и включение в нее циркуляционного насоса.

5. Система вентиляции. Чтобы уменьшить теплопотери через эту систему, можно установить рекуператор — устройство, позволяющее использовать тепло выходящего из дома воздуха. Кроме того, можно применить подогрев приточного воздуха. Простейшими устройствами, уменьшающими теплопотери через плотные современные окна, являются вентиляционные карманы, подающие воздух в помещения.

Примеры энергосберегающих зданий:

Самое высокое здание в Европе — Commerzbank во Франкфурте-на-Майне (Германия) — в 1997 г. было сдано в эксплуатацию и вошло в список 50-ти высочайших небоскребов мира. Его и сегодня считают одним из ярчайших образцов энергоэффективного строительства. Принципиальное отличие здания — в его естественных освещении и вентиляции. В центре высотки расположен огромный треугольный атриум, который является и каналом естественной вентиляции; способствуют наполнению небоскреба свежим воздухом и четырехэтажные сады, ориентированные на четыре стороны света. Чтобы снизить энергозатраты на климатизацию помещения, проектировщики использовали редкий прием: двухслойные светопрозрачные ограждения офисов. Теплоэнергию позволяет экономить теплозащитное остекление с коэффициентом теплопередачи приблизительно 1,4–1,6 Вт/(м² .°С).

Дом, построенный в Чикаго (США), получил название «дом нулевой энергии».В нём использованы солнечные батареи, теплоколлекторы, ветрогенераторы. Здесь продумано расположение помещений и окон таким образом, чтобы ни один солнечный луч не пропал даром. А вот для сохранения естественного тепла разработчики предусмотрели наличие высокоэффективных и долговечных теплоизоляционных материалов в конструкциях стен и перекрытий. Похожим образом устроено и здание филиала Британского университета в Китае. В этом уникальном сооружении будущие инженеры и архитекторы будут осваивать азы энергоэффективного строительства. Здание внушительной площадью — в 1300 кв. м — получает энергию при помощи солнечных батарей и ветряных установок.

Температура внутренней поверхности ограждения является одним из основных санитарно-гигиенических параметров помещения и характеризует теплозащитные свойства ограждения. Температура и относительная влажность воздуха помещения определяют вероятность выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения. Кроме того, температура внутренней поверхности ограждения характеризует степень комфортности микроклимата помещения, так как с ее понижением усиливается процесс потери тепла телом человека за счет теплоизлучения, что вызывает ощущение озноба. В связи с этим санитарные нормы ограничивают температурную разницу между внутренней поверхностью ограждения и воздухом помещения величиной нормируемого перепада температур.

В условиях стационарного теплового потока температуру внутренней поверхности ограждения можно оценить по формуле
,
где — температура внутренней поверхности ограждения, °С;

t_B — температура внутреннего воздуха, °С;

t_H — температура наружного воздуха, °С;

R₀— общее сопротивление теплопередаче, м²°С/Вт;

R_B— сопротивление тепловосприятию, м²°С/Вт.

Из приведенной формулы видно, что для повышения температуры внутренней поверхности ограждения следует повысить общее сопротивление теплопередаче ( ) или уменьшить сопротивление тепловосприятию ( ). Повышение общего сопротивления теплопередаче неэкономично, так как влечет за собой увеличение массы ограждающих конструкций и расхода материалов. Уменьшение сопротивле­ния тепловосприятию несущественно понизит общее сопротивление теплопередаче, но окажет значительное влияние на повышение температуры внутренней поверхности стены. Поскольку сопротивление тепловосприятию зависит главным образом от скорости движения воздуха, следует стремиться к уси­лению конвективного теплообмена у поверхности ограждения. Поэтому отопительные приборы и подводящие трубы распола­гают в нижней части стен.

Однако такой подход является слишком упрощенным и справедлив только для участков ограждений с параллельными поверхностями, достаточно удаленных от проемов, наружных углов и мест сопряжения с другими конструкциями. В реальных условиях температурные поля ограждений гораздо сложнее. Так, температура внутренней поверхности стен в наружных углах понижается вследствие увеличения площади теплоотдающей поверхности (снаружи) по отношению к площади, воспринимающей тепловой поток с внутренней стороны. Кроме того, конвекция воздуха в углах затруднена, что вызывает повышение сопротивления тепловосприятию.

Сопряжение элементов ограждающих конструкций между собой или с несущими конструкциями, как правило, нарушает однородность ограждения в теплотехническом отношении за счет теплопроводных включений, что также вызывает искажения температурного поля. Существенные нарушения в направлении тепловых потоков вызывают заполнения оконных проемов, поскольку их общее сопротивление теплопередаче значительно меньше, чем конструкции стены, а толщина стены и заполнения проемов различны в зоне примыкания оконных проемов.

Поэтому распределение температуры на различных участках внутренней поверхности ограждений изучается только прямым экспериментом в натурных условиях.

Теплоустойчивостью ограждающих конструкций называется способность сохранить относительное постоянство температуры на поверхности, обращенной в помещение, при периодических тепловых воздействиях извне. Полный теплотехнический расчет теплоустойчивости выполняется в курсе «Теплотехника».

Данная лабораторная работа приближена к стандартизированному определению теплоустойчивости ограждающих конструкций.

Сущность метода определения теплоустойчивости ограждающих конструкций основана на нахождении амплитуды колебаний температуры на внешней и внутренней поверхности конструкции. Результаты измерений температурных полей на каждом занятии обобщаются в конце семестра.

Экспериментальная часть
1. Начертить схему расположения термопар на внутренней и внешней поверхности стен. Указать номера контрольных точек, в которых следует произвести измерение температуры ограждающей конструкции. При измерениях необходимо следить, чтобы на температурный режим исследуемой поверхности не оказывали влияния случайные факторы: сквозняки, близость исследователя.

2. Заполнить «Журнал учета температур поверхности ограждения аудитории 202н» согласно приложения 1.

2.1. Включить термометр в сеть и нажать на левую кнопку, вращая рукоятку, измерить значения температур всех 14-ти точек, через 5-ть минут измерить температуры точек в обратном порядке.

2.2. В графе «Погодные условия» описать климатические условия во время замеров (см. приложение 2).

2.3. Данные влажности, давления и температуры воздуха внутри помещения снять на метеорологическом стенде (л/р №1.1).

2.4. Амплитуду колебания температуры вычислить как разность между максимальным и средним арифметическим значением по числу результатов измерений.

3. Определить температуру внутреннего воздухt_в как среднее арифметическое значение температур, измеренных в 3 точках объема помещения. Экспериментальные значения температур внутренней поверхности ограждающей конструкции τ_в и наружного воздуха t_н определить как среднее арифметическое значение трех измерений температур соответственно поверхности ограждающей конструкции и воздуха. Результаты оформить в виде таблицы 1.
Таблица 1
Состояние температурного режима

Дата	Время замера	Температура внутренней поверхности ограждения, °С	Температура наружного воздуха, °С	Температура внутреннего воздуха, °С
Средняя температура		τв=	tн=	tв=

4. По данным «Журнала учета температур поверхности ограждения аудитории 202н» заполнить таблицу 2 (или таблицу 3) и построить график изменения температуры, соответствующей вашему варианту (задание дает преподаватель).

Таблица 2
Изменение температуры наружного воздуха

год месяц	20__	20__	20__	20__	20__
	tв, °С
февраль
март
апрель
май
июнь

Таблица 3

Изменение температуры наружного воздуха

месяц

год

Число

tв, °С

год

Число

tв, °С

год

Число

tв, °С

5. В заключение работы сделать анализ полученных результатов и вывод.

Контрольные вопросы

1. 
   Значение температуры внутренней поверхности ограждений с точки зрения долговечности отделочного слоя ограждающих конструкций и санитарно-гигиенического состояния помещений.
   
2. 
   Перечислить причины, вызывающие понижение температуры внутренней поверхности на отдельных участках ограждения (наружные углы, примыкание к проемам, сопряжение отдельных элементов ограждения и др.).
   
3. 
   Перечислить конструктивные и другие средства повышения температуры внутренней поверхности ограждения.
   
4. 
   Обосновать выбор характерных точек для измерения температуры внутренней поверхности ограждений.
   

Приложение 1

ПРИМЕР ЗАПОЛНЕНИЯ ЖУРНАЛА
«__» _______ 20__года
Выполнили студенты группы ______: Иванов И.И., Петров П.П., Сидоров С.С.

Время	__:__			__:__			__:__
№ точки	t, °С		tср, °С	t, °С		tср, °С	t, °С		tср, °С
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
			τв=			τв=			τв=
Погодные условия
Микроклимат помещения
φ=__% р=_____мм.рт.ст. tin=___ °С

Приложение 2

ПОГОДНЫЕ УСЛОВИЯ
Облачность

• 
  

  сплошная (10 баллов)

  с просветами (9…1 баллов)

  ясно (0 баллов)

  нижняя (от поверхности земли до 2 км)
  
• 
  средняя (от 2 км до 6 км)
  
• 
  верхняя (более 6 км)
  

вид облаков

• 
  кучевые
  
• 
  кучево-дождевые (из них ливневые осадки)
  

Атмосферные явления
- осадки:

	дождь (обложной, ливневый, моросящий)
	снег (обложной, ливневый, моросящий)
	град
	морось
	ледяной дождь
	метель

виды осадков:

жидкие

твердые

смешанные

- изморозь (зернистая, кристаллическая)

- иней

- туман

- гроза

- роса

- дымка

- гололёд

- гололедица
Интенсивность явлений

• 
  слабый
  
• 
  умеренный
  
• 
  сильный