Архитектурно-строительня акустика и теплотехника

 

 

 

 

Мiнiстерство освiти i науки Украiни

Запорiзький нацiональний технiчний унiверситет

 

 

 

 

кафедра Дизайну

 

 

 

 

 

Реферат

"АРХIТЕКТУРНО - БУДIВЕЛЬНА АКУСТИКА

ТА ТЕПЛОТЕХНIКА"

 

 

 

 

 

Виконала студ 3к ГФз-918

Цибульська Д.В.

Перевiрила: Еншуева Т.В.

 

 

 

 

 

 

Запoрiжжя, 2011

 

Содержание

 

1. Архитектурно-строительная акустика:

- Оптимальное время реверберации;

- Расчет времени реверберации

2. Теплофизика:

- Основы теплопередачи в здании;

- Влажностный режим ограждающих конструкций;

- Воздухопроницаемость наружных ограждений

 

_{Архитектурно-строительная акустика}

_{1.Оптимальное  время реверберации}

 

Необходимо определить оптимальное  время реверберации для конференц-зала размерами 18 × 12 × 4,2 м. Вычисляем объем зала: V = 907 м³. Определяем оптимальное время реверберации для частот 500 и 2000 Гц:

 

Т_опт = 0,29 lg 907,2 = 0,86 с.

 

Для частоты 125 Гц полученное значение необходимо увеличить на 20%: 0,86 с × 1,2 = 1,03 с.

Определяем допускаемые отклонения оптимального времени реверберации:

          для частот 500 и 2000 Гц: 0,86 с × 1,1 = 0,95 с; 0,86 с × 0,9 = 0,77 с;

для частоты 125 Гц: 1,03 с × 1,1 = 1,13 с; 1,03 с × 0,9 = 0,93 с.

Частотная зависимость оптимального времени  реверберации для конференц-зала объемом 907 м³ в графическом виде.

Частотные характеристики оптимального времени  реверберации для конференц-зала объемом 907 м³

 

_{2. Расчет времени реверберации}

 

Необходимо определить время реверберации для конференц-зала размерами 18 × 12 × 4,2 м вместимостью 180 человек и сравнить полученные значения с оптимальными. Материалы отделки поверхностей следующие:

пол - паркетный (с установленными полумягкими креслами (180 шт), площадь одного кресла с проходом 0,5 м²); стены - ГВЛ (в стенах расположены 3 окна размером 2,1 × 2,1 м каждое, а также 2 двери размером 1,2 × 2,1 м каждая); потолок - подвесной, из потолочных плит Armstrong Casa.

Последовательность  действий при определении времени  реверберации конференц-зала следующая:

1. Определяем объем зала (V = 907 м³), площадь каждой из внутренних поверхностей помещения, а также площадь всех поверхностей за исключением площади, занятой зрительскими местами, (S_общ = 594 м²).

2. Определяем оптимальное время реверберации на трех частотах в зависимости от вычисленного объема и назначения помещения.

3. Определяем количество зрителей и пустых кресел из условия 70% - ного заполнения зала: количество зрителей - 126 чел., количество пустых кресел - 54 шт.

4. Заносим в таблицу наименования всех поверхностей, их площади, а также общую площадь S_общ.

5. После этого перемножаем площадь каждой из поверхностей помещения (S) на соответствующий коэффициент звукопоглощения α (для всех трех частот). Получили значения эквивалентной площади звукопоглощения каждой из поверхностей (α·S). После суммирования этих значений для всех поверхностей получаем звукопоглощение поверхностями помещения (три значения для частот 125, 500 и 2000 Гц).

6. Аналогичные действия производим с эквивалентным звукопоглощением зрителями и пустыми креслами. Перемножаем соответствующие значения на количество зрителей (126 чел) и пустых кресел (54 шт). В результате получаем звукопоглощение зрителями и креслами (три значения для частот 125, 500 и 2000 Гц).

7. Для получения значений добавочного звукопоглощения перемножаем эти коэффициенты на общую площадь поверхностей помещения. В данном случае в задании не указано, что в конференц-зале имеются условия, вызывающее значительное добавочное звукопоглощение (помещение конференц-зала простой формы, не имеет пазух и объемных осветительных приборов), поэтому добавочное звукопоглощение уменьшаем на 50% (S_общ × 0,5 = 594 × 0,5 =297 м²).

8. Суммируем значения звукопоглощения поверхностями помещения, зрителями и креслами, а также добавочное звукопоглощение. В результате получили эквивалентное звукопоглощение А_общ на трех частотах.

9. Определяем средний коэффициент звукопоглощения α_ср = А_общ/S_общ, а также функцию среднего коэффициента звукопоглощения φ (α_ср) = - ln (1-α_ср) для всех трех частот.

10. Вычисляем время реверберации помещения по формуле Эйринга на трех частотах.

11. Определенное расчетное время реверберации Т сравнивается с оптимальным временем реверберации Т_опт, учитывая его допускаемые отклонения (±10%). Результаты расчета времени реверберации и сравнения его с оптимальным временем реверберации представляются в виде графика.

 

                              Теплофизика

_{Основы теплопередачи  в здании}

 

Перемещение теплоты всегда происходит от более теплой среды к более  холодной. Процесс переноса теплоты  из одной точки пространства в  другую за счет разности температуры  называется теплопередачей и является собирательным, так как включает в себя три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и излучение. Таким образом, потенциалом переноса теплоты является разность температуры.

_{Теплопроводность}

Теплопроводность - вид передачи теплоты между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразными вещества. Таким образом, теплопроводность - это теплообмен между частицами или элементами структуры материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом. При изучении теплопроводности вещество рассматривается как сплошная масса, его молекулярное строение игнорируется. В чистом виде теплопроводность встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.

Большинство строительных материалов являются пористыми телами. В порах находится воздух, имеющий возможность двигаться, то есть переносить теплоту конвекцией. Считается, что конвективной составляющей теплопроводности строительных материалов можно пренебречь ввиду ее малости. Внутри поры между поверхностями ее стенок происходит лучистый теплообмен. Передача теплоты излучением в порах материалов определяется главным образом размером пор, потому что чем больше поры, тем больше разность температуры на ее стенках. При рассмотрении теплопроводности характеристики этого процесса относят к общей массе вещества: скелету и порам совместно.

Ограждающие конструкции здания, как  правило, является плоско-параллельными стенками, теплоперенос в которых осуществляется в одном направлении. Кроме того, обычно при теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкций принимается, что теплопередача происходит при стационарных тепловых условиях, то есть при постоянстве во времени всех характеристик процесса: теплового потока, температуры в каждой точке, теплофизических характеристик строительных материалов. Поэтому важно рассмотреть процесс одномерной стационарной теплопроводности в однородном материале, который описывается уравнением Фурье:

 

, (2.1)

 

где q_T - поверхностная плотность теплового потока, проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку, Вт/м²;

λ - теплопроводность материала, Вт/м^{. о}С;

t - температура, изменяющаяся вдоль оси x, оС;

Отношение , носит название градиента температуры, ^оС/м, и обозначается grad t. Градиент температуры направлен в сторону возрастания температуры, которое связано с поглощением теплоты и уменьшением теплового потока. Знак минус, стоящий в правой части уравнения (2.1), показывает, что увеличение теплового потока не совпадает с увеличением температуры.

Теплопроводность λ является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (2.1) теплопроводность материала - это мера проводимости теплоты материалом, численно равная тепловому потоку, проходящему сквозь 1 м² площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 ^оС/м (рис.1). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в таком материале процесс теплопроводности, больше тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м^{. о}С.

 

Рис.1 Направления теплового потока и градиента температуры.

_______ - изотермы; - ------ - линии тока теплоты.

 

Изменение теплопроводности строительных материалов с изменением их плотности происходит из-за того, что практически любой строительный материал состоит из скелета - основного строительного вещества и воздуха. К.Ф. Фокин [38] для примера приводит такие данные: теплопроводность абсолютно плотного веществе (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/м^оС (у пластмассы) до 14 Вт/м^оС (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт/м^оС. Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение его теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют сравнительно небольшую плотность.

Различия в пористости и в  теплопроводности скелета приводит к различию в теплопроводности материалов, даже при одинаковой их плотности. Например, следующие материалы (табл.1) при одной и той же плотности, ρ₀=1800 кг/м³, имеют различные значения теплопроводности [38]:

Таблица 1.

Теплопроводность материалов с  одинаковой плотностью 1800 кг/м³ [38].

Материал	Теплопроводность, Вт/ (м оС)
Цементно-песчаный раствор	0,93
Кирпич	0,76
Асфальт	0,72
Портландцементный камень	0,46
Асбестоцемент	0,35

 

С уменьшением плотности материала  его теплопроводность l уменьшается, так как снижается влияние кондуктивной составляющей теплопроводности скелета материала, но, однако при этом возрастает влияние радиационной составляющей. Поэтому, уменьшение плотности ниже некоторого значения приводит к росту теплопроводности. То есть существует некоторое значение плотности, при котором теплопроводность имеет минимальное значение. Существуют оценки того, что при 20^оС в порах диаметром 1мм теплопроводность излучением составляет 0,0007 Вт/ (м°С), диаметром 2 мм - 0,0014 Вт/ (м°С) и т.д. Таким образом, теплопроводность излучением становится значимой у теплоизоляционных материалов с малой плотностью и значительными размерами пор.

Теплопроводность материала увеличивается  с повышением температуры, при которой  происходит передача теплоты. Увеличение теплопроводности материалов объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры большого значения не имеет.д.ля пересчета значений теплопроводности материалов, полученных при температуре до 100^оС, на значения их при 0^оС служит эмпирическая формула О.Е. Власова [3]:

        

          λ_о= λ_t/ (1+β^. t), (2.2)

 

где λ_о - теплопроводность материала при 0 ^оС;

λ_t - теплопроводность материала при t ^оС;

β - температурный коэффициент изменения теплопроводности, 1/^оС, для различных материалов, равный около 0,0025 1/^оС;

t - температура материала, при которой его коэффициент теплопроводности равен λ_t.

Для плоской однородной стенки толщиной δ (рис.2) тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через однородную стенку, может быть выражен уравнением:

 

, (2.3)

 

где τ₁,τ₂ - значения температуры на поверхностях стенки, ^оС.

Из выражения (2.3) следует, что распределение температуры по толщине стенки линейное. Величина δ/λ названа термическим сопротивлением материального слоя и обозначена R_Т, м^{2. о}С/Вт:

 

, (2.4)

 

Рис.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке

Следовательно, тепловой поток q_Т, Вт/м², через однородную плоскопараллельную стенку толщиной δ, м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/м^{. о}С, можно записать в виде

 

, (2.5)

 

Термическое сопротивление слоя - это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м².

Теплообмен теплопроводностью  имеет место в материальных слоях ограждающих конструкций здания.

Конвекция - перенос теплоты движущимися частицами вещества. Конвекция имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела. При этом происходит передача теплоты и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности называют конвективным теплообменом.

Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях ограждений здания. В теплообмене внутренних поверхностей помещения конвекция играет существенную роль. При различных значениях температуры поверхности и прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей температуры. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность, от температуры, плотности и вязкости движущейся среды, от шероховатости поверхности, от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.

Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью) протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения газа. Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа, во втором - за счет внешних для данного процесса сил (работы вентиляторов, ветра).

Вынужденная конвекция в общем  случае может сопровождаться процессом  естественной конвекции, но так как  интенсивность вынужденной конвекции  заметно превосходит интенсивность  естественной, то при рассмотрении вынужденной конвекции естественной часто пренебрегают.

В дальнейшем будут рассматриваться  только стационарные процессы конвективного  теплообмена, предполагающие постоянство  во времени скорости и температуры  в любой точке воздуха. Но так  как температура элементов помещения изменяется довольно медленно, полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на процесс нестационарного теплового режима помещения, при котором в каждый рассматриваемый момент процесс конвективного теплообмена на внутренних поверхностях ограждений считается стационарным. Полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на случай внезапной смены природы конвекции от естественной к вынужденной, например, при включении в помещении рециркуляционного аппарата нагрева помещения (фанкойла или сплит-системы в режиме теплового насоса). Во-первых, новый режим движения воздуха устанавливается быстро и, во-вторых, требуемая точность инженерной оценки процесса теплообмена ниже возможных неточностей от отсутствия коррекции теплового потока в течение переходного состояния.