Full text

Следует признать, что оптимальное методическое обеспечение учебного плана любого факультета университета предполагает наличие в нем «оттенка» профессиональной деятельности выпускника. Если говорить о строительном факультете, то речь не идет о дисциплинах, в которых производственная составляющая достаточно прозрачна, например, в таких учебных предметах, как гидравлика или электротехника, связанных с водоснабжением и электроснабжением зданий различного предназначения. Точно так же нет необходимости говорить о профессиональной принадлежности таких общеобразовательных дисциплин, как сопромат и строительная механика, связанных с теоретическим обоснованием выбора элементов конструкций здания, обеспечивающих безопасность его эксплуатации. Если же рассмотреть роль физического образования в формировании требуемых компетенций для инженера-строителя, то следует констатировать, что традиционное методическое обеспечение курса физики для студентов технических специальностей (в частности, строительной) весьма слабо связано с предполагаемой профессиональной деятельностью выпускника университета. Аналогичная ситуация с рекомендуемой учебной физической литературой. В инженерно-строительных институтах, в которых традиционно используется курс строительной физики, при сохранении фундаментальных положений физической науки акцент сделан на их роль при формировании комфортной среды проживания людей как на этапе проектирования зданий, так и непосредственно при его реализации. Аналогичная ситуация на медицинских факультетах университета, в которых уже давно осуществлен переход от традиционного курса общей физики к курсу медицинской и биологической физики, где также прослеживается роль физических законов в функционировании организма человека и его отдельных органов. Отсутствие осознанной связи физического образования студентов строительного факультета университета с их предполагаемой специализацией приводит к пассивности процесса обучения и к отсутствию его мотивационной составляющей. Ситуация усугубляется, с одной стороны, низким уровнем физико-математической подготовки абитуриентов, а с другой – малым количеством аудиторных часов, выделяемых учебным планом факультета на преподавание физики. Один из способов повышения мотивационной составляющей физического образования студентов-строителей предложен в [1], и он основан на фрагментарном использовании элементов строительной физики, где базовыми являются архитектурная климатология, акустика и светотехника.

При проектировании зданий различного предназначения учитываются не только прочностные характеристики элементов конструкции, но и степень обеспечения теплового комфорта людей. Его практическая реализация связана с тепловыми расчетами ограждений с точки зрения тепловых потерь помещений, а также с количественными оценками переноса влаги через ограждения и возможностью конденсации пара на ее внутренней поверхности. Именно это обстоятельство учитывается при обосновании выбора материала стен и особенностей элементов конструкций, а также мощностных характеристик отопительного оборудования. При практическом рассмотрении вышесказанного необходимый теоретический материал излагается в рамках лекционного курса физики, в статье [2], а в более подробном варианте представлен в методическом пособии [3]. Указанная модификация методического обеспечения физического образования студентов-строителей предполагает не только изменение лекционного курса, но и переработку практического фрагмента учебного плана, а также привлечение новых форм приложения теоретического материала к конкретным ситуациям проектирования физической среды помещений. В первом случае речь идет не только об использовании в рамках практического занятия задач, имеющих политехническое и производственное содержание, но и о рассмотрении вопросов формирования физической среды помещений, включающей ее климатическую составляющую и обеспечивающей комфортное пребывание человека. Именно это обстоятельство в большей степени соответствует предполагаемой профессиональной деятельности будущих строителей. Если говорить о новых формах практического использования теоретического лекционного материала курса физики, то речь идет об использовании расчетно-графических работ по примеру работ, используемых, например, в курсе инженерной геодезии или автомобильных дорог. В отличие от практического занятия, в рамках которого рассматриваются частные случаи оценки теплофизических свойств используемых в строительстве материалов, расчетно-графическая работа (аналог курсовой работы) предусматривает более полную оценку состояния климатической среды конкретного помещения с учетом широкого спектра используемых материалов и климатических особенностей указанного региона. Естественно, что задание на выполнение указанной расчетно-графической работы каждому студенту выдается после лекционного рассмотрения теоретического раздела данной проблематики и разбора конкретных задач в рамках практического занятия. Предлагаемые задания позволяют ознакомиться с методами тепловых расчетов строительных ограждений, связанных с процессами распространения тепловой энергии внутри помещений и определением тепловых потерь зданий и отдельных помещений, а также с количественными оценками переноса влаги через ограждения и возможностью конденсации пара на ее внутренней поверхности. Расчеты такого рода позволяют прогнозировать благоприятные условия жизнедеятельности людей в помещениях различного предназначения. Ниже представлена используемая в расчетах терминология, количественные соотношения рассматриваемых величин и примеры конкретных расчетов.

 

 

  1. 1.     Термическое сопротивление однородного ограждения:

 

R = d/æ (м2∙ч∙оС/ккал,                    (1)

 

где d – толщина ограждения, æ – коэффициент теплопроводности материала ограждения.

  1. 2.     Коэффициент теплоотдачи от стенки к наружной среде:

 

= 20ккал/м2∙ч∙оС.                       (2)      

  1. 3.     Коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности ограждения:

 

= 7,5ккал/м2∙ч∙оС                       (3)       

  1. 4.     Для многослойной ограждающей конструкции полное сопротивление теплопередачи:

 

Ro= Rв + ,             (4)     

где Rв = 1/ =0.133м2∙ч∙оС/ккал – сопротивление тепловосприятию; Rн = = 0,05м∙ч∙оС/ккал – сопротивление теплопередаче; Ri – термическое сопротивление отдельных слоев.

  1. 5.     Тепловой поток через единицу площади ограждения:

 

 j =  ,               (5)

 

где Tв – температура внутри помещения, Тн –температура наружного воздуха. 

  1. 6.     Требуемое сопротивление теплопередаче R :

R ,               (6)

 

где = 6 оС – нормативный температурный перепад для внутренних стен; данная величина определяет соответствие данного ограждения требованиям СНИПа (Rо > R ).

  1. 7.     Показатель тепловой инерции ограждения (характеризует проникновение тепловых волн вглубь вещества):

 

D= ,                   (7)

где Ri – термическое сопротивление отдельных слоев;

Si (ккал/м2∙ч∙оС) – коэффициенты теплоусвоения материала (затабулированные величины).

Знание D позволяет в том случае, когда не дана температура наружного воздуха, выбрать ее, руководствуясь следующим правилом: D < 4, tн = Т1 – средняя температура наиболее холодных суток в данной местности, 4 < D < 7 tн = Т3 – соответствует среднему значению наиболее холодных трех суток, а при D >7 tн = Т5  – среднему значению наиболее холодных пяти суток. Значения указанных температур для разных городов находятся в таблицах климатических данных.

 

  1. 8.     Характер распределения температуры в многослойной конструкции:

 

 Tn= Tn-1 – ,                     (8)

где Тn– определяемая температура (оС), Тn-1 – температура в предыдущем слое (оС), Rn – термическое сопротивление слоя.

Найдя из (5) величину плотности теплового потока, проходящего через многослойную стенку, можно теперь из (8) последовательно определить все промежуточные температуры: Т0, Тi, Tn. Можно использовать графический метод, основанный на соотношении:

 

 

Откладывая по оси абсцисс на рисунке 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 Тв и Тн. Пересечение этой прямой с границами участков в масштабах тепловых сопротивлений даст значения всех граничных температур Ti. Перенося эти значения Ti на график зависимости Т (х) в реальных масштабах и соединяя их прямыми линиями, можно получить полностью искомое распределение температур во всей многослойной стенке.

 

 

 

Расчет температур на границах многослойной стены [4]

 

  1. 9.     Сопротивление паропроницаемости многослойной конструкции:

 

Rпар= ,                     (9)

 

где di – толщина слоя, (г/м∙ч∙мм рт. ст.) – коэффициент паропроницаемости (берется из таблиц).

  1. 10.  Интенсивность потока пара через ограждение:

 

qпар = ,                       (10)

 

где ев (мм рт. ст.) –упругость водяного пара внутри помещения (при данной температуре и влажности), ен – аналогичная величина для наружного воздуха.

 

  1. 11.  Упругость водяного пара внутри помещения:

ев = ,                 (11)

 

где Ев (мм рт. ст.) – максимальная упругость водяного пара внутри помещения при заданной температуре, (%) – относительная влажность внутри помещения.

  1. 12.  Упругость водяного пара вне помещения:

 

ен = ,                (12)

где Ен – предельное значение упругости водяного пара вне помещения, – относительная влажность наружного воздуха. 

Информация для выполнения расчетно-графической работы включает следующие параметры:

  1. Используемые слои ограждения (материал) и их геометрические и плотностные характеристики.
  2. Теплофизические характеристики материала слоев ограждения (коэффициенты теплопроводности, теплоусвоения, паропроницаемости). Данная информация представлена или непосредственно в задании работы, или указана ссылка ее нахождения.
  3. Температура наружного и внутреннего воздуха и относительная влажность.

Климатические данные для различных регионов в случае необходимости также берутся из таблицы (если не указана конкретная температура наружного воздуха).

При выполнении работы необходимо определить:

  1. Тепловое сопротивление ограждения и требуемое значение теплового сопротивления.
  2. Плотность теплового потока.
  3. Температуры на границах каждого слоя, построить график распределения температуры в ограждении.
  4. Показатель тепловой инерции ограждения.
  5. Возможность конденсации паров на внутренней поверхности стенки.
  6. Сопротивление паропроницаемости ограждения.

Ниже представлены примеры расчета.

Расчет 1. Необходимо рассчитать тепловые и температурные характеристики трехслойного ограждения с известными геометрическими и теплофизическими параметрами: d1 = 4 см, d2 = 10 см, d3 = 2 см, æ1 = 0.65, æ2 = 0,1, æ3 = 1,2 (ккал/м∙ч∙оС). Температура внутри помещения Тв = 18 оС, наружная температура Тн = –24 оС.

1.1. По формулам (1) и (4) определим тепловое сопротивление каждого слоя Ri и общее тепловое сопротивление ограждения Rо:

R1 = 0,04/1,2 = 0,031, R2 = 0,1/0,1 = 1, R3 = 0,02/0,65 = 0,033.

Rо = 0,133 + 0,031 + 1 + 0,033 + 0,05 = 1,25 оС∙м2∙ч/ккал.

Расчет показывает, что основной вклад в теплозащиту вносит слой 2.

1.2. Зная температуры воздуха внутри и вне помещения, определим тепловой поток через единицу площади ограждении, используя формулу 5:

 

j  =  = 42/1,25 = 33,6 ккал/м2∙ч = 38,7вт/м2.

1.3. По формуле (8) находим последовательно температуры на границах слоев. Температура на внутренней поверхности ограждения: То = (18 – 0,133)∙42/1,25 = 13,5 оС, а на границах следующих слоев:

Т1 = 13,5 – 0,031∙42/1.25 = 12.5 оС.

Т2 = 12,5 – 1∙42/1,25 = –21,2 оС.

Т3 = –21,2 – 0,033∙42/1,25 = –22,3 оС.

 

Расчет 2. Ограждение представляет собой слой газобетона d1 =   0,17м, æ1 =  0,35, S1 = 5,23,  = 0,015 (размерность не указана) и кирпичную кладку (d2 = 0,25 м, æ2 = 0,6, S2 = 7,86.  = 0,014). Температура внутри помещения Тв = 18 оС, относительная влажность воздуха в помещении  = 50%.

Определить:

2.1. Показатель тепловой инерции и расчетную наружную температуру для указанного города.

Искомую величину определяем по формуле (7). При этом (без указания размерности): R1 = d1/æ1 = 0,17/0,35 = 0,49, R2 = d2/æ2 = 0,25/0,6 = 0,42. Тогда: D = 0,49 ∙ 5,23 + 0,42 ∙ 7,86 = 5,8. Так как 4 < D < 7, то Тн = Т3 =  –20 оС (берутся из таблицы для данного города).

2.2. Требуемое и полное сопротивление теплопередаче, сравнить их и сделать вывод.

Требуемое сопротивление теплопередаче определяем по формуле (6). При этом:  = 6 0С, Rв = 0,133м2∙ч∙оС/ккал, Тв – Тн = 18 – (–20) = 38 оС. Тогда R ∙ 0,133/6 =  : = 0,84 м2∙ч∙оС/ккал.

Полное сопротивление теплопередачи определяем по формуле (4): Rо = Rв + R1 + R2 + Rн = 0,133 + 0,49 + 0,31 + 0,05 = 1,086 м2∙ч∙оС/ккал. Так как полное сопротивление теплопередачи больше требуемого, то данное строительное ограждение по сопротивлению теплопередаче соответствует ГОСТу.

2.3. Плотность теплового потока определяется по формуле (5): J  =  [18 – (–20)]/1,086 = 34,86 ккал/м2∙ч.

2.4. Температура на внутренней поверхности ограждения определяется аналогично пункту 1.3 предыдущей задачи: То = 18 – 38 ∙ 0,133/1,09 = 13,35 оС.

2.5. Возможность конденсации пара на внутренней поверхности ограждения.

Для этого определяем упругость водяного пара внутри помещения при данной температуре воздуха и относительной влажности по формуле (11), при этом максимальная упругость водяного Ев пара при заданной температуре равна 15,48 мм рт. ст. (из таблицы): ев = 15,48 ∙ 50%/100% = 7,74 мм рт. ст. Из той же таблицы определяется точка росы: р =  = 7,6 оС. Так как температура на внутренней поверхности tо = 13,35 больше точки росы, то на внутренней поверхности ограждения конденсация водяного пара отсутствует.

2.6. Сопротивление паропроницаемости ограждения.

Используется формула (9): Rп = 0,17/0,015 + 0,25/0,014 = 29,1 м2∙ч∙мм рт. ст./г.

 

Таким образом, использование расчетно-графических работ в практическом фрагменте курса общей физики представляется весьма полезным. Его реализация может способствовать более внимательному отношению студентов-строителей к данной учебной дисциплине, позволяющей наглядно убедиться в «работе» физических законов в процессе формирования тепловой среды помещений, обеспечивающей комфортное пребывание людей. Не менее важен практический аспект предлагаемой модификации учебного плана, так как уже на ранних курсах студенты знакомятся с логикой проектирования зданий различного предназначения с точки зрения их температурно-влажностных режимов эксплуатации.