Изучение особенностей тепло- и массообмена в ограждающих конструкциях жилых зданий и сооружений

Вода, конденсируящаяся на холодной поверхности, переносится  по капилляру в другую полость. Таким  образом в теле происходит циркуляция воды с периодическим преобразованием  ее в пар. Когда эта вода достигает наружной поверхности, она испаряется в атмосферу, и содержание влаги в материале уменьшается.

 Однако, если вода не может выйти  в окружающую среду, она вследствие капиллярности или действия силы тяжести может вновь оказаться на горячей стенке. Влагосодержание материала у холодной стенки выше, чем у горячей.

Для установления элементарных количественных соотношений рассмотрим слой воздуха (рис. 13).

   .                    (78)

При одном и том  же перепаде температур разность С₁ – С₂ зависит от среднего значения Т₁ и Т₂ ; она быстро возрастает с увеличением температуры. Диффузионный тепловой поток

   ,          (79)

r – теплота испарения.

При температуре порядка 75 С теплопередача за счет диффузии достигает максимума. По мере дальнейшего увеличения содержания воды, насыщенный воздух из некоторых пор вытесняется водой и теплопроводность материала снижается.

Наиболее распространенным примером пористых материалов, применяемых в строительстве, являются различные бетоны. Бетоны (и растворы) представляют собой капиллярнопористые тела и по своей природе гидрофильны, т. е., находясь в соприкосновении с водой, они ее впитывают. Последствия, возникающие от вредного влияния воды, а также от попеременного замораживания увлажненного бетона с последующим его оттаиванием становятся заметными уже через несколько лет.

Негативное влияние воды во всех её агрегатных состояниях (водяной  пар, вода, лед) вредно сказывается на сохранности бетона на всем протяжении его службы. Исключить или хотя бы значительно минимизировать его можно только уменьшением поступления этой воды в толщу бетона. Т.к. главной транспортной артерией поступления воды в бетон являются капиллярные ходы, бороться с водонасыщением бетона очень сложно. Капиллярные силы настолько сильны, что различные наружные защитные обмазки или изоляции мало эффективны – рано или поздно вода находит себе путь.

 Против капиллярных сил невозможно бороться, но оказывается их можно попросту “выключить”. Для этого достаточно изначально гидрофильным внутренним стенкам пор и капилляров, пронизывающих все бетонное изделие, придать гидрофобные свойства. Это с успехом делают гидрофобизирующие добавки. Рис. 15.

Противокапиллярное давление гидрофобизированного пористого тела достаточно велико, и именно благодаря этому противокапиллярному давлению материалы, оставаясь воздухо- и паропроницаемыми, оказываются непроницаемыми для воды в жидкой вазе, даже при достаточно высоких гидростатических давлениях.

Давление, при котором вода начинает просачиваться в гидрофобизованные  материалы (водоупорность), определяется в основном шириной пор, так как  существующие водоотталкивающие покрытия имеют примерно одинаковую степень  гидрофобности. Так, например, гидрофобизованный материал, имеющий поры со средним диаметром около десяти микрон, способен противостоять гидростатическому давлению около 1/3 атмосферы, т. е. выдерживать, не впитывая в себя, столб воды высотой до трех метров. Если вспомнить, что самый сильный дождь при ураганном ветре создает гидростатическое давление около 20 - 40 см водяного столба, то становится ясным, что гидрофобизация защищает строительные материалы от проникновения в них дождевой влаги вполне надежно. Тем не менее, если гидростатическое давление воды на материал превышает противокапиллярное (например, при нахождении над поверхностью гидрофобизованного материала толстого слоя воды), то после заполнения пор водой протекает процесс фильтрации, который может идти даже легче, т. е. с меньшим коэффициентом проницаемости, чем, если бы материал был гидрофильным. Это обусловлено тем, что гидрофильные материалы сорбируют воду, проникающую в мельчайшие дефекты поверхности пор. Это вызывает явления набухания, сокращающего размеры пор, а также пептизации и расклинивания, в результате которых от поверхности отщепляются малые частицы, закупоривающие поры. У гидрофобных материалов эти явления проявляются лишь в незначительной степени или не обнаруживаются вовсе.

Благодаря противокапиллярному давлению пропитанные водой гидрофобизованные пористые материалы и высыхают значительно быстрее, чем негидрофобизованные, впитавшие такое же количество воды, так как вода стремиться выйти из несмачивающихся капилляров – противокапиллярное давление её оттуда выдавливает. Чтобы выгнать же воду из гидрофильных капилляров, напротив, необходимо приложить внешнее давление. Таким образом, гидрофобизация пористых, волокнистых или порошкообразных материалов служит защитой от проникновения воды лишь при сравнительно невысоком гидростатическом давлении.

 

§ 3.5. Возможности использования солнечной энергии

Источником большей  части энергии (включая ископаемые органические топлива) на Земле является Солнце. Плотность мощности солнечного излучения, достигающего поверхности Земли на высоте уровня моря при вертикальном падении, около 1000 Вт/м². Полная мощность излучения, входящего в земную атмосферу, составляет приблизительно 2 • 10¹⁴ кВт, что соответствует 20 млн ТВт • ч энергии в год. Если исходить из того, что потребность мирового хозяйства в энергии составляет 8-10 тыс. ТВт • ч в год, то общий объем солнечной энергии огромен.

Поступающая солнечная  радиация поглощается биомассой или преобразуется в энергию ветра, гидроэнергию, тепловую энергию. В процессе фотосинтеза, являющегося основой жизни многих видов растений, живая природа потребляет лишь незначительную часть от общего количества исходящей от Солнца энергии. Большее количество солнечной энергии расходуется на нагревание атмосферы Земли (около 50 %), освещение планеты и на приведение в движение процессов круговорота веществ на Земле.

Существует  множество промышленно-пригодных путей использования собственно солнечной энергии, а также энергии ветра, воды, биомассы и других источников. Некоторые из этих технологий уже являются конкурентоспособными на рынке источников энергии. Прежде всего, речь идет о гидроэлектростанциях, на долю которых в настоящее время приходится примерно 20% производимой электроэнергии.

Значительные успехи достигнуты в строительстве ветровых электростанций. Общая установленная мощность ветровых турбин достигает примерно 400 МВт. Особенно широко они применяются в США, Дании, Нидерландах, Индии и Германии.

Широко внедряются и  технологии применения биомассы для производства энергии. Например, программа использования этанола в качестве моторного топлива, вырабатываемого из сахарного тростника, с успехом осуществляется в Бразилии.

Однако наибольшие перспективы  связывают с использованием непосредственно солнечной энергии. В настоящее время применяются следующие пути утилизации солнечной энергии: солнечные коллекторы для надевания жидкости или газа для обогрева жилых и промышленных зданий; солнечные электростанции термодинамического цикла, в которых излучение Солнца с помощью зеркальных концентраторов (отражателей) генерирует водяной пар, вращающий турбину и электрогенератор; и наконец, солнечные электростанции с непосредственным преобразованием световой энергии в электрическую. Именно последний тип преобразователей (солнечных элементов) наиболее перспективный. Подсчитано, что для обеспечения электроэнергией региона средней полосы за счет солнечных элементов необходима площадь порядка 0,1-0,2% его территории. Для Беларуси - это квадрат со стороной 16 км.

 Однако если речь идет о небольших строениях, таких как частные загородные дома, то потенциал использования солнечной энергии для обогрева и подогрева воды достаточно велик. Существует множество конструкций солнечных коллекторов, которые позволяют нагревать воду до температуры порядка 50 – 60 ºС даже в холодное время года (рис. 16.).

Такие коллекторы просты в установке и обслуживании. Речь, конечно, не идет о полном отказе от электрического или газового обогрева, однако предварительный подогрев воды солнцем может значительно снизить затраты на отопление в холодное время года, и практически ликвидировать их летом (рис. 17.).

Рис. 17. Принципиальная схема использования солнечного коллектора.

 

Современные солнечные коллекторы достаточно компактны  и могут устанавливаться в  любой части здания: на стенах, на крыше или даже на земле (Рис. 18. ). Некоторые модели устанавливаются под покрытие крыши, не нарушая тем самым внешний дизайн.

Рис. 18. Вид дома с установленными на крыше солнечными коллекторами.

 

Говоря о производстве электричества, важно различать так называемые управляемые и неуправляемые источники энергии. При отсутствии недорогих технологий хранения энергии производство электричества должно быть организовано таким образом, чтобы всегда обеспечивать имеющуюся в нем потребность. Гидроэлектростанции чаще всего относятся к управляемым источникам энергии, поскольку их технологический процесс предполагает наличие специальных водохранилищ, и производство электроэнергии можно легко регулировать. Биомасса также является управляемым источником, поскольку способна долгое время сохранять энергию. В то же время солнечная радиация и сила ветра могут быть использованы для получения энергии исключительно при их наличии, ими невозможно «управлять», и поэтому они называются неуправляемыми источниками энергии.

 

 

ВЫВОДЫ

 

В результате проведенных  исследований можно сделать следующие  выводы:

 

1. На основе экспериментальных исследований доказано, что расчет проходящих удельных тепловых потоков по внутреннему тепловыделению и площади неприемлем из-за больших погрешностей, являющихся следствием неучитываемых фильтрационных потоков. Кроме того подобная методика исключает возможность исследования локальных потоков тепла.
2. В силу отмеченных недостатков был разработан метод тепломера, позволяющий определять локальные потоки тепла и рассчитывать их фильтрационные составляющие: q_общ = q_к + q_ф .
3. На примере решения задачи для параллелепипеда при теплообмене в среде постоянной температуры показана возможность временной корреляции модельных экспериментов и реальных объектов.
4. Так как в качестве теплоизоляционных материалов как правило используются капиллярно-пористые структуры, эффективное значение теплопроводности и механические характеристики которых в значительной степени зависят не только от пористости но и от влажности, целесообразно использовать эти материалы с внешне закрытой пористостью или в гидрофобизированном состоянии.
5. Приближенные расчеты температурных полей и тепловых потоков возможны на основе решения задач теплопроводности для трехслойных систем.
6. Для малоэтажных строений и частных домов в целях экономии целесообразно использовать солнечную энергию: коллекторы, простейшие теплообменники и т.д.

 

Использованная литература

 

1. Л ы к о в А. В., Тепломассообмен, М., изд-во «Энергия», 1971.
2. E c k e r t  E. R. G., D r a k e  M. R. Heat and mass transfer , New York: McGraw-Hill Book Co., 1959.
3. Ш а ш к о в А. Г., В о л о х о в Г. М., А б р а м е н к о Т. М., К о з л о в В.П., Методы определения теплопроводности и температуропроводности, М., изд-во «Энергия», 1973.
4. К а р л с л о у  Г., Е г е р  Д., Теплопроводность твердых тел, М., изд-во «Наука», 1964.
5. Д а н н  П., Р э й  Д., Тепловые трубы: Пер. с англ.: - М., изд-во «Энергия», 1979.
6. М и х а л е в и ч  А. А., Введение в энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент, Мн., БГТУ, 2002.