• Выпуски
  • Основные выпуски
  • Приложения
• Авторам
  • Правила публикации статей
  • Технические требования
  • Оплата
  • Лицензионный договор
  • График публикаций
• Редакционный совет
• Публикационная этика
• О журнале
  • Общая информация
  • Список авторов
  • Контакты
• Издательство МЦИТО

Редакционно-издательские услуги Международные публикации Бесплатные вебинары

• Альтернативный способ оценки температурных полей в рамках физического образования студентов строительной специальности

Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 1

ART15146УДК 378.147:551.581

Елаховский Дмитрий Вячеславович, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВПО Петрозаводский государственный университетª, г.ПетрозаводскElahovsky@mail.ru

Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов

Аннотация.В предлагаемой статье представленынекоторые фрагменты строительной климатологии, связанные с задачами формирования в помещениях микроклимата, обеспечивающего комфортную жизнедеятельность людей. Их рассмотрение в рамках курса Молекулярная физикаª может способствовать более уважительномуотношению студентовстроителей к физике как учебному предмету.Ключевые слова:температура, температурное поле, теплопроводность, тепловое сопротивление.Раздел: 01 педагогика; история педагогики и образования; теория и методика обучения и воспитания попредметным областям.

Введение. В 1 рассмотрен один из способов повышения мотивационной составляющей физического образования студентовстроителей, связанный с попыткой адаптации учебной дисциплины кпредполагаемой профессиональной деятельностивыпускников университета. Его реализация связана с использованием в рамках традиционного курса Общая физикаª основных элементов курса Строительная физикаª, в частности,одного из его разделов под названием Архитектурная климатологияª. Проектирование зданий различного предназначения, связанных как с жизнедеятельностью людей, так и с организацией различных производств, должно реализовать условия их эксплуатации, обеспечивающие комфортное пребывание людей в помещениях, долговечность конструкций зданий и его оборудования, соблюдение технологических условий, гарантирующих качество выпускаемой продукции. И эта задача напрямую связана с проблемой создания в помещениях микроклимата, отвечающего состоянию теплового комфорта людей и требованиям используемых технологических процессов, т.е. с формированием соответствующей климатической среды. Её состояние определяется совместным влиянием различных факторов, в первую очередь температурновлажностными параметрами воздуха в помещениях, его подвижностью и наличием воздушных потоков, а также наличием радиационного излучения окружающих элементов интерьера, при этом необходимо учитывать взаимное влияние указанных факторов.Основополагающие аспекты формирования климатической среды помещений, удовлетворяющей комфортным условиям жизнедеятельности человека, рассматриваются в рамках курса Общая физикаª, однако многие нюансы данной проблематики остаются за кадромª. Следует также отметить, что общепринятая при проектировании климатической среды помещений терминология, связанная сконкретными физическими явлениями, как правило, не рассматривается в лекционной программе курса физики, поэтому знакомство с ней представляется весьма полезным. Необходимость такого подхода продиктованатакже тем, что в учебных планах строительных факультетов не всегда присутствует дисциплина Теплотехникаª. Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 2

1.Некоторые аспекты формирования климатической среды помещенийЕсли рассматривать любой протяженный объект, например воздушную среду помещений или любые строительные конструкции, то температуры в различных точках воздушной или твердотельной среды, как правило, отличаются по величине. Температура внешней среды испытывает значительные изменения в зависимости от времени года и в течение суток. В протяженных строительных ограждениях например, в стене, имеющих определенную толщину, температура на внешней и внутренней поверхности отличается по величине а иногда и по знаку, при этом в теле ограждения возникает определенное распределение температуры. В этом случае говорят о температурном поле,размеры которого ограничены пространством данной воздушной среды или соответствующего строительного ограждения. Это температурное поле может быть как стационарным, так и нестационарным, при этом стационарное температурное поле можно графически охарактеризовать с помощью изотермических поверхностей: T(x, y, z) = const. В ряде практически важных случаев, когда температуры поверхностей ограждений слабо изменяются в пределах промежутка наблюдения, можно говорить о квазистационарном температурном поле. В плоских ограждениях, высота и ширина которых много больше толщины, как правило, теплофизические параметры зависят только от одной координаты, соответствующей толщине ограждения например, х. В том случае, когда температуры на поверхностях ограждений постоянны, температурное поле внутри стенки одномерно, а изотермы ‬системы плоскостей, перпендикулярных к оси х.1.1.Основные механизмы теплопередачиКак известно из курса Общей физикиª, в системе тел с различной температурой возникают тепловые потоки т.е. потоки энергии, благодаря которым имеет место тенденция к выравниванию температуры в условиях изолированности от внешних энергетических воздействий и переходу в состояние теплового равновесия. Различают три основных механизма переноса тепла: теплопроводность, конвекциюи излучение. Так как в рамках лекционного курса физики последние два механизма фактически не рассматриваются, остановимся более подробно именно на них.1.1.1.КонвекцияДля газов и жидкостей молекулярная теплопроводность маскируется значительно более интенсивным переносом тепла конвекционными потоками больших масс сред благодаря наличию гравитационного поля или механического воздействия. Различают конвекцию внутреннюю ‬при наличии набегающих направленных потоков‬и естественную.Когда ограждение подвергается воздействию воздушного потока, подходящие к теплой стенке воздушные массы приобретают некоторое количество тепловой энергии, после чего возвращаются в ядро потока, и в результате перемешивания см. рис.1 остается тонкий пограничный слой малоподвижного воздуха, в котором практически сосредоточен весь перепад температур ΔТ  Тст‬Тнар. Толщина δ этого пограничного слоя тем меньше, чем сильнее турбулизирован набегающий поток.Конвекционный унос тепла всегда практически равен потоку тепла через этот пограничный слойк ядру воздушного потока:

(1.1)Величина α  æ /δнносит название коэффициента теплоотдачиот стенки к наружной среде. В зависимости от скорости ветра и его направления по отношению к ограждающей поверхности н=(11,623,2Вт/м2град, а перепад температуры между наружной поверхностью ограждения и воздухом будет составлять 1.52.5°С.Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 3

Рис. 1. Естественная конвекция 2]

В помещении обычно нет вынужденных воздушных потоков, поэтому может существовать только естественная конвекция. Градиент плотности слоёв воздуха с различной температурой обеспечивает циркуляцию воздушных потоков, что и выравнивает температуру воздуха в основном объеме помещения, за исключением тонкого малоподвижного пограничного слоя в непосредственной близости к внутренней поверхности ограждений. Возникающий тепловой поток определяется по формуле, аналогичной 1.1:

(1.2)Коэффициент виногда называют коэффициентом теплоусвоения внутренней поверхности ограждения.1.1.2.ИзлучениеЛюбое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, является источником электромагнитных волн. Этот поток лучистойэнергии, попадая на другие тела, частично поглощается поверхностью этих тел что повышает их внутреннюю энергию, а частично отражается и может попасть на источник электромагнитных волн. Смоделируем эту ситуацию с помощью двух плоских противостоящих поверхностей с температурами Т1и Т2 Т1�Т2 из материала, не соответствующего понятию абсолютно чёрного тела3. При теплообмене между двумя параллельными противостоящими поверхностями с указанными температурами и с поглощающими способностями соответственно а1и а2)необходимо учитывать многократные отражения лучистых потоков с частичным поглощением при отражении. Тогдаесли левая плоскость излучает энергию в единицу времени с единичной поверхности а1σТ14, то правая плоскость поглотит энергию, равнуюа2σа1Т14и,соответственно,(1 ‬а2 а1σТ14отразит в пространство между плоскостями. В результате многократных отражений правая пластина будет поглощать энергию, равную:J,где (1.3)где С1 а1σ, С2 а2σ ‬коэффициенты излучениядля левой и правой поверхностей. С0 σ ‬коэффициент Стефана ‬Больцмана. Аналогичный расчет для левой пластины дает аналогичный результат СТ24. Таким образом, учет многократных отражений дает для плотности потока при лучистом теплообмене между двумя противостоящими поверхностями: (1.4)где величина С определяется из соотношения 1.3.Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 4

В том случае, когда ΔТ  Т1‬Т2<< Т1, Т2, приращение величины Т4можно заменить дифференциалом Тогда

(1.5)где ‬среднее значение температуры поверхностей:   Т1 Т2)/2, ‬коэффициент теплообмена излучением.Вид этого выражения аналогичен закону конвекционного теплообмена. При средней температуре  300 К коэффициент теплообмена излучением между поверхностями центрального отопления и воздухом помещения имеет величину порядка 5 Вт/м2∙град и сравним с конвекционным. Полный результирующий тепловой поток, обеспечивающий нагревание воздуха в помещении и компенсирующий тепловые потери в окружающую среду, находится как (1.6)где α  αизл αконв‬полный коэффициент теплоотдачи.Физические основы теплового расчета строительных огражденийРассмотренные механизмы теплопередачи позволяют заключить, что применительно к строительным ограждениям как правило, выполненным из твердых материалов теплопроводность ‬единственное явление, рассматриваемоепри тепловых расчетах. Коэффициент теплопроводности строительных материалов существенно зависит от состояния их плотности пористости, влажности, температуры и химикоминералогического состава. Влага, попадая в поры, вытесняет из них воздух, что значительно увеличивает общий коэффициент теплопроводности, так как в жидком состоянии вода имеет теплопроводность существенно большую, чем воздух.При наличии в порах материалов воды и воздушных прослоек перенос тепла связан с испарением влаги на более нагретых участках, а также с рядом дополнительных осложняющих явлений. Поэтому для таких материалов можно вводить некую эффективную теплопроводность æэф, определяя ее как коэффициент пропорциональности в законе Фурье. Рассмотрим некоторые элементы математической теории теплопроводности для одномерных ситуаций, пренебрегая потерями тепла на лучеиспускание. 2.1.Математическая теория теплопроводностиПусть имеется неограниченная среда, в которой возникает поток теплоты в направлении оси х, при этом плотность теплового потока: j= f(x, t, рассматриваем одномерный случай. Выделим мысленно в данной среде бесконечно длинную призму илицилиндр с образующими, параллельными оси х, и рассмотрим бесконечно малый участок такого цилиндра АВ длиной dxи площадью поперечного сечения S.

Рис.2. Вывод уравнения теплопроводности

Так как через боковую поверхность цилиндра теплота не поступает, то полное количество теплоты, аккумулированное за время t в рассматриваемом объёме, равно: (2.1)Аккумулированную тепловую энергию можно представить в виде: dM·cV·dT, где dM= ρS·dx‬масса цилиндра АВ, плотность материала которого ρ; cV‬удельная теплоемкость при постоянном объеме, dT‬повышение температуры. Приравнивая выражения, получим:Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 5

(2.2)В соответствии с уравнением Фурье: (2.3)где æ  f(x)‬коэффициент теплопроводности для одномерной задачи. Тогда: (2.4)Это уравнение называется уравнением теплопроводности. Для однородной среды: =(2.5)где Постоянная kназывается температуропроводностьюсреды.2.2.Стационарная теплопроводностьРассмотрим бесконечную пластину толщиной d, поверхности которой поддерживаются при постоянных температурах Т1и Т2. Найдем распределение температуры Т внутри такой пластины. Пусть ось х перпендикулярна пластине, начало координат соответствует левой грани. В этом случае уравнение 2.4 переходит в (2.6)Из этого уравнения следует, что или ввиду 2.3 j=const, т.е.плот

ность потока теплоты есть величина постоянная, причем это справедливо независимо от вещества пластины. Для однородной пластины dT/dx= const, поэтому T= Ax+ B, где А и В ‬постоянные, не зависящие от температуры,и определяется из граничных условий: Т1=В, Т2= Ad+ B, следовательно, Т в произвольной точкеСледует еще раз подчеркнуть непрерывность плотности теплового потока на границе двух сред с теплопроводностями æ1и æ2:

Инепрерывность температурного поля: Т х*‬0  Т х*+ 0).(2.6)В качестве основного примера одномерной стационарной задачи рассмотрим тепловой поток через многослойную стенку рис. 3. Толщины последовательных слоев обозначим через d1, d2, … dn, а их теплопроводности соответственно через æ1, æ2, … æn. Температуры внутри помещений Тви снаружи Тнзаданы, а коэффициенты теплоотдачи αви αнизвестны. Условие стационарности обеспечивает одинаковый градиент температуры в каждом слое. (2.7)Условие теплопроводности и постоянства теплового потока через все ограждения запишем в виде: (2.8)Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 6

Рис.3. Распределение температуры в многослойной стене

Введем обозначения: Rв 1/αв, Rн  1/αн‬сопротивления при переходе тепла на границе сопротивления теплообмена,Ri= di/æi‬тепловое сопротивление единичной площади каждого слоя.Тогда серия равенств 2.8 запишется в симметричной форме:

(2.9)Можно исключить все промежуточные температуры Тiи получить: (2.10) (2.11)Найдя из 2.10 величину плотности теплового потока, проходящего через многослойную стенку, можно теперь из 2.9 последовательно определить все промежуточные температуры: Т0, Тi, Tn. Можно использовать графический метод, основанный на соотношении: Откладывая по оси абсцисс на рис. 4 последовательные сопротивления участков от нуля до R, а по оси ординат ‬температуры,проведем на этом графике прямую с наклоном ΔТ/ΔR= j, соответствующую постоянству теплового потока через все последовательные тепловые сопротивления. Эта прямая, естественно, должна пройти через начальную и конечную температуры Тви Тн. Пересеченияэтой прямой с границами участков в масштабах тепловых сопротивленийдадут значения всех граничных температур Ti. Перенося эти значения Tiна график зависимости Тх в реальных масштабах и соединяя их прямыми линиями, можно получить полностью искомое распределение температур во всей многослойной стенке.

Рис.4. Расчёт температур на границах многослойной стены 4]

Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 7

При данном общем тепловом сопротивлении ограждения Rпол для многослойной стенки возможно комбинировать последовательность расположения слоев. Полная плотность теплового потока j Тв‬Тn)/ Rполи падение температуры на каждом участке ΔTi= Rijпри этой перестановке не меняются, но сами абсолютные значения температур будут различными.Рис. 5 иллюстрирует два различных способа расположения слоев ограждения.

Рис.5. Влияние расположения слоёв ось х направлена из помещения наружу на распределение температуры в теле ограждения: аæ1> æ2 >…> æn; б æ1< æ2 <…< æn[5]

Из этих рисунков видно, что в случае а, когда для слоев ограждения выполняется условие æ1> æ2 >…> æn, температуры в толще ограждения за исключением крайних точек Т0и Тn будут выше, чем в случае б, когда æ1< æ2 <…< æn. В первом случае стенка будет теплой по сравнению с ситуацией, когда слой с æminрасположен изнутри, и, соответственно, стенка будет холодной, и возможно ее промерзание почти на всю толщину. Учитывая это обстоятельство, рекомендуется при проектировании зданий, в которых в зимнее время поддерживается температура более высокая, чем снаружи, теплоизоляционный слой располагать ближе к наружной поверхности ограждения.Заключение. Жёсткие рамки журнальной статьи не позволяют в полной мере охватить все аспекты физических явлений, влияющих на формирование климатической среды помещений, обеспечивающей комфортную жизнедеятельность людей и реализацию необходимых условий протекания технологических процессов. Вследствие сказанного за кадромª остались рассмотрение нестационарной теплопроводности, теплоустойчивость ограждений, физические основы воздухопроницаемости и влажностный режим ограждающих конструкций. Но даже такое усечённоеª изложение физических основ архитектурной климатологии в рамках курса Молекулярная физикаª представляется полезным для будущих инженеровстроителей. Более полное изложение по данной тематике представлено в учебнометодическом пособии Физические основы архитектурной климатологииª 6].

Ссылки на источники1.Елаховский Д.В. Повышение мотивационной составляющей физического образования студентов строительной специальности вуза //Физическое образование в вузах. ‬2013. ‬Т.19. ‬№4. ‬С.74‬81.2.Тодес О.М. Курс лекций и заданий по строительной физике. ‬Л., 1972.3.Там же.4.Там же.5.Там же.6.Елаховский Д. В., Малиненко И. А. Физические основы архитектурной климатологии: учеб. пособие. ‬Петрозаводск: Издво ПетрГУ, 2008.

Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов// Концепт. –2015. –№ 05(май).–ART15146. –0,4 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2015/15146.htm. –ISSN 2304120X. 8

Dmitriy Elakhovskiy,Candidate of Physicmathematical Sciences, Associate Professor at the chair of General Physics, Petrozavodsk State UniversityElahovsky@mail.ruThe elements of architectural climatology as fragmentsof physics education of students majoring in civil engineeringAbtct.Fragments of constructional climatology, viewed as the issues forming microclimate of the premises and providing for the conditions of daily life activities comfortable for people are considered. This approach tken within the fme of the coue Molecul Phyicª my pomote moe epectble ttitue of the students of Civil Engineering Faculty to Physics as a school subject. Key words: temperature, temperature field, thermal conductivity, thermal resistance.References1.Elahovskij,D. V. (2013 ‮Povyshenie motivacionnoj sostavljajushhej fizicheskogo obrazovanija studentov stroitel'noj special'nosti vuza ,Fizicheskoe obrazovanie v vuzah,vol. 19,№ 4,pp. 74‬81(inRussian).2.Todes,O. M. (1972) Kurs lekcij i zadanij po stroitel'noj fizike, Leningrad (in Russian).3.Ibid.4.Ibid.5.Ibid.6.Elahovskij,D. V.&Malinenko,I. A. (2008) Fizicheskie osnovy arhitekturnoj klimatologii: ucheb. posobie,Izdvo PetrGU, Petrozavodsk(inRussian).

Рекомендованокпубликации:

Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала Концептª



Поступила в редакциюReceived16.03.15Получена положительная рецензияReceived a positive review19.03.15ПринятакпубликацииAccepted for publication19.03.15ОпубликованаPublished31.05.15

© Концепт, научнометодический электронный журнал, 2015©Елаховский Д. В., 2015www.ekoncept.ru