Передача тепла в строительных контурах: конвекция, излучение и конвекция

Понимание теплопередачи в строительных контурах: всеобъемлющее руководство по конвекции и излучению

Оболочка здания служит критическим барьером между внутренними кондиционированными пространствами и внешней средой, играя фундаментальную роль в определении энергоэффективности конструкции, комфорта жильцов и общей производительности. Тепловые характеристики оболочек здания являются наиболее важным тепловым и физическим свойством, влияющим на энергетические характеристики. Понимание трех основных режимов теплопередачи - проводимости, конвекции и излучения - необходимо для архитекторов, инженеров, строителей и владельцев зданий, которые стремятся проектировать и строить энергоэффективные структуры, которые минимизируют потребление энергии при максимизации комфорта.

Это всеобъемлющее руководство подробно исследует каждый способ теплопередачи, изучая их механизмы, последствия для проектирования зданий и практические стратегии оптимизации тепловых характеристик. Овладев этими фундаментальными концепциями, специалисты по строительству могут принимать обоснованные решения о выборе материала, методах строительства и стратегиях проектирования, которые приводят к превосходным эксплуатационным характеристикам здания.

Строительный конверт: основа тепловой производительности

Оболочка здания может быть разбита на три основные части: крышу, стены и фундамент.Эти части можно рассматривать как более мелкие части, которые работают вместе, чтобы поддерживать структуру здания, причем каждая часть играет роль в обеспечении общей поддержки.Подходящий барьер обеспечит сопротивление ветру, воде, теплу, свету и шуму и сможет выдерживать различные климатические условия.

Оболочка состоит из различных материалов, таких как стекло, дерево, гипсокартон, шпон и другие, расположенные в серии композитных слоев на строительном уровне, причем каждый из этих материалов отображает уникальные тепловые свойства, которые необходимо учитывать при проектировании наиболее энергоэффективной структуры.Взаимодействие между этими материалами и тремя режимами теплопередачи определяет общие тепловые характеристики здания.

Оболочка здания часто классифицируется как «жесткая» или «свободная» в зависимости от ее характеристик, с рыхлыми оболочками здания, позволяющими нерегулируемую передачу воздуха, что может улучшить качество воздуха в помещении и устранить необходимость дополнительной механической вентиляции, но также приводит к увеличению сквозняков и дискомфорту из-за трудностей в регулировании постоянной температуры в помещении.

Проводимость: теплообмен через твердые материалы

Проводимость представляет собой передачу тепловой энергии через твердые материалы посредством прямого молекулярного контакта. Когда молекулы в более теплой области материала вибрируют с большей энергией, они сталкиваются с соседними молекулами, перенося кинетическую энергию через материал. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие или пока источник тепла не будет удален. В строительных оболочках проводимость, пожалуй, является наиболее простым способом передачи тепла для понимания и количественной оценки, но она остается одним из наиболее значительных факторов потери и усиления энергии.

Теплопроводность: основа проводящей теплопередачи

Тепловые свойства строительного материала оцениваются путем определения его теплопроводности, которая непосредственно связана с способностью материала эффективно передавать тепло.Теплопроводность, также известная как Lambda (обозначенная греческим символом λ), является мерой того, насколько легко тепло течет через определенный тип материала, независимо от толщины рассматриваемого материала.

Чем ниже теплопроводность материала, тем лучше тепловые характеристики (т.е. более медленное тепло будет перемещаться по материалу), и он измеряется в Ваттах на метр Кельвина (W / mK). Материалы с высоким значением теплопроводности будут способствовать теплопередаче и позволят тепло быстро проходить через них, в то время как в идеале оболочка здания должна в основном состоять из материалов с очень низкими значениями теплопроводности.

Различные строительные материалы демонстрируют совершенно разные значения теплопроводности. Расширенный полистирол (EPS) имеет k-значение около 0,033 Вт / (м⋅К), фенольная изоляция пены имеет k-значение около 0,018 Вт / (м⋅К), в то время как древесина варьируется от 0,15 до 0,75 Вт / (м⋅К), а сталь имеет k-значение примерно 50,0 Вт / (м⋅К). Этот драматический диапазон иллюстрирует, почему выбор материала так важен в конструкции оболочки здания.

Бетон обладает низкой теплопроводностью примерно 0,8 Вт/(м/К) и предназначен для контроля передачи влаги и тепловой энергии в и из внутреннего пространства. Понимание этих значений позволяет дизайнерам выбирать подходящие материалы для конкретных применений и климатических условий.

R-ценность и термостойкость

R-значение является мерой теплового сопротивления, в частности, насколько хорошо двумерный барьер, такой как слой изоляции, окно или полная стена или потолок, сопротивляется проводящему потоку тепла, в контексте конструкции, с более высокими R-значениями, указывающими на большее количество изоляционного материала. Сопротивление изоляционного материала проводящему тепловому потоку измеряется или оценивается с точки зрения его теплового сопротивления или R-значения - чем выше R-значение, тем больше эффективность изоляции, с R-значением в зависимости от типа изоляции, ее толщины и плотности.

R-значение - это мера сопротивления материала тепловому потоку при определенной толщине, при этом большее сопротивление означает большее число, и для расчета значения R материала необходимо разделить толщину материала (в метрах) по теплопроводности (в W / mK). Этот простой расчет обеспечивает практический способ сравнения различных изоляционных материалов и толщин.

R-значения являются аддитивными для слоев материалов, а это означает, что дизайнеры могут вычислить общее тепловое сопротивление многослойной сборки, просто добавив R-значения каждого отдельного слоя. При расчете R-значения многослойной установки добавьте R-значения отдельных слоев, так как установка большего количества изоляции в вашем доме увеличивает R-значение и сопротивление тепловому потоку, при этом увеличенная толщина изоляции обычно пропорционально увеличивает R-значение.

U-ценность и тепловая передача

Теплопропускание, обычно называемое U-значением, представляет собой скорость теплопередачи через оболочку здания, разделенную разностью температур по всей структуре, обратно пропорциональна R-значению, которое указывает на эффективность материала при сопротивляемости теплопередаче, а более низкое U-значение указывает на лучшую тепловую производительность оболочки.

U-фактор или U-значение - это общий коэффициент теплопередачи, который описывает, насколько хорошо строительный элемент проводит тепло или скорость передачи тепла (в ваттах) через один квадратный метр структуры, деленная на разницу температур по структуре, выраженную в ваттах на метр квадратного кельвина W / (m2⋅K). Это означает, что чем выше U-значение, тем хуже тепловые характеристики оболочки здания, с низким U-значением, обычно указывающим на высокие уровни изоляции.

U-значение является мерой того, сколько тепла теряется через заданную толщину конкретного материала, но включает в себя три основных способа, которыми тепло перемещается, и рассчитывается путем принятия обратной R-значения, а затем добавления конвекционных и радиационных потерь тепла. Это делает U-значение более всеобъемлющей метрикой для оценки общих тепловых характеристик, чем только R-значение.

Факторы, влияющие на перенос тепла

Несколько ключевых факторов влияют на скорость проводящего теплопередачи через компоненты оболочки здания:

Тепловое скрещивание: критическая задача

Термическое мостовидение происходит, когда проводящие материалы создают пути для теплообмена с изоляцией, что значительно снижает общие тепловые характеристики строительных сборок.Общее значение R стены или потолка будет несколько отличаться от значения R самой изоляции, потому что тепло течет более легко через шпильки, балки и другие строительные материалы, в явлении, известном как тепловое мостовидение.

Студии и окна обеспечивают параллельный путь теплопроводности, на который не влияет R-значение изоляции, с практическим выводом о том, что можно удвоить R-значение изоляции, установленной между обрамляющими элементами, и реализовать существенно меньше, чем 50-процентное снижение потерь тепла, поскольку даже идеальная изоляция стен только устраняет проводимость через изоляцию, но оставляет незатронутыми проводящие потери тепла через такие материалы, как стеклянные окна и шпильки.

Инфракрасная термография (ИРТ) обнаруживает инфракрасное излучение (ИК), испускаемое объектами для визуализации изменений температуры, выделения областей потери тепла, тепловых мостов и недостатков изоляции. Эта технология стала бесценным инструментом для идентификации тепловых мостов в существующих зданиях и проверки правильного строительства в новых зданиях.

Стратегии минимизации теплопроводной передачи

Специалисты по строительству могут использовать многочисленные стратегии для снижения потерь тепла и усиления за счет ограждений здания:

Конвекция: передача тепла через движение жидкости

Конвекция включает в себя передачу тепла через движение жидкостей, включая как жидкости, так и газы. В строительных оболочках конвективная передача тепла происходит в основном через движение воздуха, как внутри полостей здания, так и по внутренним и внешним поверхностям. В отличие от проводимости, которая требует прямого контакта между материалами, конвекция зависит от объемного движения жидкости для транспортировки тепловой энергии из одного места в другое.

Понимание конвективных механизмов теплопередачи

Конвективный теплообмен происходит, когда жидкость (обычно воздух в строительных приложениях) вступает в контакт с поверхностью при другой температуре. Жидкость поглощает или выделяет тепло на поверхности, а затем удаляется, неся эту тепловую энергию с ней. Этот процесс может происходить естественным образом из-за различий плотности, вызванных колебаниями температуры, или он может быть вынужден с помощью механических средств.

Конвекция будет изменять скорость теплопередачи между воздухом и поверхностью изолятора в зависимости от характеристик потока воздуха (или другой жидкости) при контакте с ним. Скорость конвективного теплопередачи зависит от нескольких факторов, включая разницу температур между поверхностью и жидкостью, скорость движения жидкости, свойства самой жидкости и геометрию поверхности.

Виды конвекций в зданиях

Конверты зданий испытывают два основных типа конвективного теплопередачи:

Проникновение и эксфильтрация воздуха

Одним из наиболее значительных конвективных механизмов теплопередачи в зданиях является утечка воздуха — неконтролируемое движение воздуха через трещины, зазоры и другие отверстия в оболочке здания. Это включает как инфильтрацию (наружный воздух, поступающий в здание), так и эксфильтрацию (наружный воздух, выходящий на улицу).

Свободные строительные оболочки позволяют осуществлять нерегулируемую передачу воздуха, что приводит к увеличению сквозняков и дискомфорту из-за трудностей в регулировании постоянной температуры в помещении, при этом больше воздушного потока означает, что больше вредных парниковых газов высвобождается, потому что механические системы нуждаются в дополнительной энергии для работы, а неэффективная конструкция здания вызывает значительное увеличение расходов на энергию для домовладельцев при регулировании температуры здания.

Установка изоляции между шпильками может уменьшить, но обычно не устраняет потери тепла из-за утечки воздуха через оболочку здания. Это подчеркивает критическую важность уплотнения воздуха в качестве дополнения к изоляции. Даже лучшая изоляция не может эффективно работать, если воздух свободно перемещается через и вокруг него.

Утечка воздуха может происходить через многочисленные пути в строительных оболочках, в том числе:

Конвективные коэффициенты теплопередачи

Скорость конвективного теплообмена на поверхностях зданий количественно определяется с помощью конвективных коэффициентов теплообмена.На протяжении экспериментов измеряется конвективный теплообмен как на внутренних, так и на внешних поверхностях, при этом типичные значения hin = 1 Вт м−2∙К для внутренних поверхностей и hout = 5 Вт м−2∙К для наружных поверхностей. Эти коэффициенты варьируются в зависимости от скорости воздуха, ориентации поверхности и других факторов.

Внутренние поверхности обычно испытывают более низкие конвективные коэффициенты теплопередачи из-за более низких скоростей воздуха, в то время как внешние поверхности, подверженные воздействию ветра, испытывают гораздо более высокие коэффициенты. Вот почему озноб ветра является таким важным фактором потери тепла в здании - более высокие скорости ветра увеличивают конвективный коэффициент теплопередачи, ускоряя потерю тепла от внешних поверхностей.

Влияние конвекции на производительность здания

Конвективная теплопередача существенно влияет на потребление энергии в зданиях и комфорт жильцов несколькими способами:

Стратегии контроля конвективной передачи тепла

Эффективный контроль конвективного теплообмена требует комплексного подхода к управлению уплотнением воздуха и вентиляцией:

Радиация: передача тепла через электромагнитные волны

Радиационная теплопередачи принципиально отличается от проводимости и конвекции тем, что для перемещения тепла не требуется среда. Вместо этого тепловое излучение передается через электромагнитные волны, в первую очередь в инфракрасном спектре. Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают тепловое излучение, а количество испускаемого излучения резко возрастает с температурой. В строительных приложениях радиационная теплопередачи играет решающую роль как в теплопоглощении от солнечной радиации, так и в теплопотере до ночного неба.

Основы теплового излучения

Тепловое излучение следует нескольким важным физическим принципам, которые регулируют его поведение в строительных приложениях. Закон Стефана-Больцмана гласит, что общая энергия, излучаемая на единицу площади поверхности, пропорциональна четвертой мощности абсолютной температуры. Это означает, что даже небольшие перепады температур могут привести к значительному радиационному теплопередаче, особенно при более высоких температурах.

В ответ на тепловое излучение температура поверхности зависит от тепловой излучательности материала, при этом поверхности с низкой излучательностью, такие как блестящая металлическая фольга, уменьшают теплообмен излучением. Излучательность является мерой того, насколько эффективно поверхность испускает тепловое излучение по сравнению с идеальным черным телом, со значениями в диапазоне от 0 (идеальный отражатель) до 1 (идеальный излучатель).

При нескольких режимах теплопередачи конечная температура поверхности (а следовательно, наблюдаемый поток энергии и рассчитанное значение R) будет зависеть от относительного вклада излучения, проводимости и конвекции, даже если общий вклад энергии остается неизменным. Это взаимодействие между различными режимами теплопередачи делает конструкцию оболочки здания сложной и требует тщательного рассмотрения всех механизмов.

Солнечное излучение и строительные контуры

Солнечное излучение представляет собой наиболее значительный источник радиационного усиления тепла для зданий. Солнце излучает электромагнитное излучение по широкому спектру, при этом большая часть энергии в видимой и ближней инфракрасной длинах волн. Когда это излучение поражает поверхности зданий, оно может отражаться, поглощаться или передаваться в зависимости от свойств материалов.

В недавних хорошо изолированных зданиях солнечные приросты являются более значительным вкладом в глобальный тепловой баланс. Это делает управление солнечной радиацией все более важным, поскольку строительные оболочки становятся более термически эффективными. Солнечные приросты происходят как от падающего солнечного теплового потока через остекление, так и от непрозрачных элементов здания.

Солнечный теплоснабжение через глазурь

Окна и другие остекленные зоны являются основными путями проникновения солнечного излучения в здания. Коэффициент усиления солнечного тепла (SHGC) количественно определяет, сколько солнечного излучения проходит через окно в виде тепла. Значения варьируются от 0 до 1, с более низкими значениями, указывающими на меньший прирост солнечного тепла. В условиях с преобладанием тепла в охлаждении окна с низким содержанием SHGC могут значительно снизить нагрузки на охлаждение, в то время как в условиях с преобладанием тепла более высокие окна SHGC на фасадах с южной стороны могут обеспечить полезное пассивное солнечное отопление.

Ориентация остекления оказывает резкое влияние на увеличение солнечного тепла. Южные окна (в Северном полушарии) получают наибольшее количество солнечного излучения в зимние месяцы, когда солнце находится ниже в небе, что делает их идеальными для пассивного солнечного отопления. Восточные и западные окна получают интенсивное солнечное излучение в утренние и дневные часы соответственно, что может привести к перегреву и проблемам с бликами. Северные окна получают минимальное прямое солнечное излучение и являются главным образом источниками потери тепла.

Солнечная абсорбция по непрозрачным поверхностям

Непрозрачные компоненты оболочки здания - стены, крыши и другие поверхности - также поглощают солнечное излучение, которое увеличивает их температуру поверхности и приводит к проводящей теплопередаче в здание. Солнечная абсорбция поверхности определяет, сколько падающего солнечного излучения поглощается по сравнению с отраженным. Темные поверхности имеют высокую солнечную абсорбцию (часто от 0,8 до 0,95), в то время как светлые или отражающие поверхности имеют низкую солнечную абсорбцию (от 0,2 до 0,3).

Поверхности крыш особенно важны, поскольку они обычно получают наиболее интенсивное солнечное излучение, особенно в летние месяцы, когда солнце высоко в небе. Темные крыши могут достигать температуры поверхности 150-190°F (65-88°C) в солнечные летние дни, в то время как белые или отражающие крыши могут достигать только 100-120°F (38-49°C) в тех же условиях. Эта разница температур приводит непосредственно к уменьшению охлаждающих нагрузок для зданий с отражающей кровлей.

Ночные лучевые охлаждения

В ночное время поверхности зданий излучают тепловое излучение в небо. В ясные ночи эта радиационная потеря тепла может быть существенной, так как поверхности эффективно «видят» холодную температуру космического пространства, а не температуру окружающего воздуха. Это явление, известное как ночное радиационное охлаждение, может привести к тому, что поверхности зданий опустятся ниже температуры окружающего воздуха.

В то время как ночное радиационное охлаждение увеличивает нагрев в холодную погоду, оно может быть полезным в жарком климате, где оно помогает охлаждать здания естественным образом. Некоторые передовые конструкции зданий включают материалы и системы, специально разработанные для усиления радиационного охлаждения ночного неба в качестве пассивной стратегии охлаждения.

Материалы и покрытия с низкой эмиссией

Материалы с низкой излучательной способностью (низкой излучательной способностью) и покрытия предназначены для уменьшения радиационного теплопередачи путем отражения теплового излучения, а не поглощения или испускания его. Эти материалы обычно состоят из тонких металлических или металлических оксидных покрытий, которые высоко отражающие в инфракрасном спектре, оставаясь при этом относительно прозрачными или нейтральными в видимом спектре.

Радиантные барьеры представляют собой высокоотражающие материалы, которые повторно излучают лучистое тепло, а не поглощают его, уменьшая охлаждающие нагрузки, и как таковой, лучистый барьер не имеет присущего R-значения.

Стратегии управления передачей радиационного тепла

Эффективное управление радиационной передачей тепла требует специфических климатических стратегий, которые уравновешивают потребности в отоплении и охлаждении.

Комплексный подход к управлению теплообменом

В БЭП-значение рассматриваются дополнительные элементы теплопередачи, влияющие на энергозатраты здания из-за внешних и внутренних (солнечных) тепловых нагрузок: проводящая и лучистая теплопередачи, и воздушная инфильтрация. Это подчеркивает важность рассмотрения всех трех режимов теплопередачи одновременно, а не изолированно.

Полномасштабная производительность

Коэффициент эффективности огибающей конструкции здания (BECOP) представляет собой комплексную метрику, которая оценивает тепловые характеристики огибающей конструкции путем сравнения их с идеальной системой, обеспечивая применимость к типам зданий и климатическим зонам, и фиксирует комбинированное влияние теплового сопротивления, климатической зоны и внутреннего теплового усиления. Такие целостные показатели становятся все более важными для оценки и сравнения характеристик огибающей конструкции здания.

Традиционные показатели, такие как R-значение и U-значение, хотя и полезны, но только захватывают проводящий теплообмен. Всесторонние характеристики здания требуют рассмотрения всех режимов теплообмена, утечки воздуха, теплового мостика, эффектов тепловой массы и динамического характера реальных условий, включая солнечное излучение, ветер и колебания температуры.

Климатические стратегии проектирования

Оптимальный дизайн оболочки здания значительно варьируется в зависимости от климата. Министерство энергетики США, энергетические коды зданий и EPA ENERGY STAR® рекомендуют значения R-изоляции дома на основе карты климатической зоны с рекомендуемыми значениями R для разных частей дома в каждой климатической зоне, обусловленными днями нагрева и днями охлаждения.

Холодный климат ставит во главу угла минимизацию потерь тепла за счет высоких уровней изоляции, отличного уплотнения воздуха и смягчения последствий теплового моста. Пассивный солнечный прирост через окна, обращенные к югу, может компенсировать нагрузки на отопление. Горячий климат фокусируется на снижении прироста тепла за счет отражающих поверхностей, затенения и соответствующего выбора остекления. Смешанный климат требует сбалансированных стратегий, которые учитывают как потребности в отоплении, так и в охлаждении.

Передовые технологии строительных конвертов

Новые технологии продолжают расширять возможности управления теплообменом в оболочках зданий:

Роль ввода в эксплуатацию и тестирования зданий

Точная оценка фактической производительности здания будет значительным шагом на пути к сокращению производительности, хотя методы в условиях занятости имеют эксплуатационные преимущества, но сопряжены с дополнительными ограничениями из-за изменчивости погоды и условий занятости, которые нельзя игнорировать.

Проверка эффективности ограждений зданий путем тестирования и ввода в эксплуатацию имеет важное значение для обеспечения того, чтобы проектируемые характеристики достигались на практике.

Экономические и экологические соображения

По оценкам EPA, домовладельцы могут сэкономить в среднем 15% на расходах на отопление и охлаждение (или в среднем 11% на общих затратах на электроэнергию), добавив изоляцию на чердаках, полах над ползаниями и подвалами, а также уплотнение воздуха.Эти сбережения накапливаются в течение срока службы здания, часто обеспечивая отличную отдачу от инвестиций для улучшения оболочек.

На тепловую энергию приходится более 30% общего потребления энергии в зданиях, особенно в холодных районах. Жилые здания потребляют 22% глобальной конечной энергии, а тепло, потерянное внешней оболочкой, может составлять половину потребляемой энергии. Эти статистические данные подчеркивают критическую важность производительности оболочек зданий для общей энергоэффективности.

Помимо прямой экономии энергии, улучшенная производительность оболочек зданий обеспечивает многочисленные дополнительные преимущества:

Практические руководящие принципы осуществления

Успешное внедрение стратегий управления теплообменом требует внимания на протяжении всего процесса проектирования и строительства.

Фаза проектирования

Фаза строительства

Операции и техническое обслуживание

Будущие направления в дизайне конвертов зданий

Повышение энергоэффективности зданий является важным элементом усилий по решению проблемы глобального потепления. По мере того, как проблемы изменения климата усиливаются и растут затраты на энергию, эффективность ограждений зданий будет становиться все более важной. Несколько тенденций формируют будущее дизайна ограждений зданий:

Заключение

Понимание и управление тремя способами теплопередачи — конвекцией, конвекцией и излучением — имеет основополагающее значение для проектирования высокопроизводительных оболочек зданий. Каждый режим работает в соответствии с различными физическими принципами и требует конкретных стратегий управления. Однако эти режимы не работают изолированно; они взаимодействуют сложными способами, которые должны рассматриваться целостно.

Проводимость через строительные материалы можно контролировать с помощью соответствующего выбора материала, адекватной толщины изоляции и устранения тепловых мостов. Конвекция, особенно через утечку воздуха, требует комплексных стратегий уплотнения воздуха и контролируемой вентиляции. Радиация, особенно из солнечных источников, требует выбора соответствующего климату остекления, стратегий затенения и обработки поверхности.

Строителям рекомендуется выбирать правильные материалы для естественного управления движением тепла, устраняя необходимость в дорогостоящих механических системах отопления и охлаждения, при этом выбранные компоненты работают вместе для выполнения четырех основных задач: обеспечения структурной поддержки, управления влагой, регулирования температуры и контроля воздушного потока, причем последние три характеристики оказывают наибольшее влияние на энергоэффективность, комфорт и устойчивость дома.

По мере того, как строительные нормы становятся более строгими, а ожидания в отношении энергоэффективности растут, важность превосходного дизайна оболочек зданий будет только возрастать. Стратегии и принципы, изложенные в этом руководстве, обеспечивают основу для создания зданий, которые являются удобными, эффективными, долговечными и экологически ответственными. Тщательно рассматривая все аспекты теплопередачи во время проектирования и обеспечения качественного внедрения во время строительства, специалисты по строительству могут создавать оболочки, которые работают исключительно хорошо на протяжении всего срока службы.

Будущее проектирования зданий заключается в интегрированных, основанных на производительности подходах, которые оптимизируют все аспекты управления теплообменом. С продолжающимися инновациями в материалах, технологиях и методах проектирования, строительные оболочки будут продолжать развиваться, предлагая все более высокие уровни производительности и устойчивости. Для архитекторов, инженеров, строителей и владельцев зданий, приверженных совершенству, освоение основ теплообмена в строительных оболочках является важной основой успеха.

Для получения дополнительной информации о строительной науке и энергоэффективности посетите журнал Ресурсы Министерства энергетики США по изоляции и Строительные журналы для последних исследований по тепловым характеристикам.Дополнительное техническое руководство можно найти через такие организации, как Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) и Корпорация по строительной науке .