3.1. Một số khái niệm cơ bản về truyền nhiệt Một số khái niệm Các phương thức truyền nhiệt 3.2. Truyền nhiệt ổn định qua KCBC3.2.1. Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều hay bài toán cách nhiệt cho kết cấu trong mùa lạnh3.2.2. Yêu cầu cách nhiệt chống lạnh3.3. Truyền nhiệt dao động điều hòa qua KCBC3.3.1. Bài toán truyền nhiệt dao động điều hòa trong mùa hè hay bài toán cách nhiệt cho kết cấu trong mùa nóng3.3.2. Yêu cầu cách nhiệt chống nóng3.4. Cách nhiệt cho mái và tường
Trang 13.2 Cách nhiệt kết cấu mùa lạnh
3.2.1 Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều
- Giả thiết:
+ Mùa lạnh, nhiệt độ bên trong>nhiệt độ bên ngoài nhà: tt > tn,
+ Coi BXMT: I = 0;
+ Coi: tn = const, tt = const;
Vì vậy đảm bảo bài toán truyền nhiệt ổn đinh: q = const, chiều không thau đổi, từ trong nhà ra ngoài nhà;
+Tường: có chiều dày d (m), 1 lớp đồng nhất, làm bằng VL có hệ số dẫn nhiệt là: k (λ );
+ Nhiệt trở R đặc trưng cho sự cản trở truyền nhiệt:
R = 1/α
α: hệ số trao đổi nhiệt, αt và αn
Trang 23.2.1.Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều qua kết cấu bao che
Trang 3Hệ số dẫn nhiệt k của vật liệu (conductivity)
Đơn vị: kJ/mh0C; kCal/mh0C
Hệ số dẫn nhiệt k
Tỷ trọng (độ rỗng) của vật liệu
Trang 4Vật liệu nhẹ không nung
( eco-materials, green materials )
Bã mía, trấu, vỏ dừa, rơm, mạt cưa, … là nguồn nguyên liệu dồi dào cho các sản phẩm vật liệu xây dụng sinh thái bảo vệ môi trường
LaMai là sản phẩm vật liệu xây dụng nhẹ không nung được làm từ vỏ trấu của Công ty Lâm Mai ( Việt Nam) mới được đưa ra thị trường sau 7 năm nghiên cứu Sản phẩm được sử dụng cho tấm tường, sàn, trần và mái
LaMai gồm vỏ trấu nghiền, mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi thuỷ tinh Trọng lượng của vật liệu này nhẹ chỉ bằng một nửa so với gạch xây thông thường và có tính cách âm, cách nhiệt, không thấm nước cao
Trang 5Vật liệu cách nhiệt -
KIF Phenolic Foam Thermal Insulation Material
Tường cách nhiệt gồm nhiều lớp vật liệu Thermal Insulation System (External Wall Cladding)
Trang 83.2.2 Yêu cầu cách nhiệt chống lạnh
R0 → q↓, nhiệt độ mặt trong kc → đem lại cảm giác ấm áp và tránh được hiện tượng đọng sương trên bề mặt kc
để chống lạnh và chống đọng sương bề mặt → R0 ( kết cấu cần có nhiệt trở đủ lớn)
giá trị của R0 được xác định căn cứ vào đâu ?
q = (tt – tn) /R0
Trang 9Các điều kiện xác định nhiệt trở yêu cầu
a) Điều kiện về tiện nghi nhiệt : nhiệt độ mặt trong kc
phải bằng hoặc vượt một giá trị cho phép
T t ≥ [ T t ]
Nếu đk này được thỏa mãn → nhiệt độ mặt trong kc
không gây cảm giác lạnh
b) Điều kiện không đọng sương trên bề mặt : nhiệt độ
mặt trong kc phải vượt một giá trị nhiệt độ điểm sương
T > t
Trang 10Nhiệt trở yêu cầu đối với KCBC
1 Nhiệt trở yêu cầu đảm bảo tiện nghi nhiệt
Trang 12Kết luận
• Nhiệt độ mặt trong không được quá thấp
• Dòng nhiệt truyền qua nhỏ
t t - tn
τt = tt - - Rt , 0C
R0
q = (tt – tn) /R0 , w/ m2 hoặc kCal/m2h
Trang 13Ví dụ 1: Nhiệt trở tổng Tính nhiệt trở tổng của một bức trường gạch đặc dày 25 cm
kể cả vữa trát (xi măng - cát) Biết rằng hệ số trao đổi nhiệt mặt trong tường là 7,5 và mặt ngoài tường là 20 kCal/m2h0C.
Giải
Để tính nhiệt trở tổng, cần tìm tổng sau:
nhiệt trở lớp vật liệu + nhiệt trở mặt trong + nhiệt trở mặt ngoài
Trang 17Dòng nhiệt và nhiệt độ mặt trong tường khi
Trang 183.3 Cách nhiệt kết cấu mùa nóng
Trang 193.3 Truyền nhiệt dao động điều hòa trong mùa nóng
3.3.1.Bài toán
- BXMT: Chu kỳ 24 h, dao động hình sin, cực đại phụ thuộc vị trí
và hướng kết cấu:
+ Mái: 12h;
+ Tường Đông, Đông – Bắc, Đông Nam: 8h;
+ Tường Tây, Tây Nam, Tây Bắc: 16h;
- Nhiệt độ ngoài nhà: thay đổi chu kỳ hình sin;
+ Hà Nội: Cực đại lúc 15h, cực tiểu lúc 6h, biện độ dao động nhiệt: 3 – 6oC
Trang 21• Tính lượng nhiệt 1m2 mặt ngoài kc nhận được từ môi trường trong 1 giờ:
- Lượng nhiệt do không khí:
qkk= hn(tn- τn)
- Lượng nhiệt do BXMT:
qi = I
là hệ số hút BXMT của kc ( xem phụ lục VIII)
• I là cường độ BXMT chiếu tới kc, kCal/m2h
q = qkk+ qi = hn(tn - τn) + I, kCal/m2h
I
Trang 22Vì cả tn và I đều là đại lượng dao động điều hòa ( có đồ thị hình sin)
→ ttg cũng là đại lượng dao động điều hòa ( có đồ thị hình sin)
Trang 23Ψ (psi) – hệ số lệch pha của hai dao động tn và ttđ, Ψ ≤ 1 , (tra bảng 3.3)
σ (sigma) – số hiệu chỉnh do lệch pha của hai dao động , (tra bảng 3.3)
Z1 – đại lượng có biên độ lớn hơn
Dấu ± lấy sao cho nhiệt độ tổng cực đại vào khoảng giữa của hai thời điểm
Trang 24Nhiệt độ tổng
• Nhận xét:
+ I biến thiên mạnh theo thời gian: Coi là đại lượng dao động điều hòa chu
kỳ 24h và thời điểm đạt cực đại tùy thuộc vào kết cấu và hướng.
Cực đại vào buổi trưa (trên mặt ngang);cực đại vào buổi chiều – 16h (mặt đứng hướng Tây), cực đại vào 8h sáng (mặt đứng hướng Đông).
+ Nhiệt độ không khí ngoài nhà: biến thiên, chu kỳ 24h, coi tn là đại lượng dao động điều hòa, thời điểm đạt cực đại vào 15h.
+ Vậy ttổng cũng là 1 đại lượng dao động điều hòa được đặc trưng bởi
- ttổng tb
- A ttổng
- Ttổng max
Trang 25Nhiệt độ tổng
• Ý nghĩa của nhiệt độ tổng: là nhiệt độ đặc trưng cho sự tác
động của 2 yếu tố bức xạ mặt trời (I) và nhiệt độ bên ngoài (tn), giúp đưa bài toán truyền nhiệt về dạng chính tắc
• Xác định t tổng: cộng dao động điều hòa của I và tn: xác định
điểm cực đại;
Trang 26Hình minh họa tổng hợp của các dao động thành phần của nhiệt độ tổng đối với mái nhà
Trang 27Ví dụ tính toán nhiệt độ tổng
• Tính nhiệt độ tổng cực đại tác dụng lên một mái nhà có lớp bề
mặt trên cùng là gạch lá nem, khi biết hệ số trao đổi nhiệt mặt ngoài hn= 20 ; cường độ BXMT và nhiệt độ không khí ngoài nhà như sau:
BXMT trên mặt ngang
Nhiệt độ kk bên ngoài nhà Giá trị trung bình Itb = 366 kCal/m2h tn,tb= 30,5 0C
Trang 28Hệ số lêch pha dao động
Số hiệu chỉnh lêch pha
…trước khi áp dụng các công thức tính
Trang 293.3.2 Khái quát về truyền nhiệt qua kết cấu
Trang 303.3.2 Khái quát về truyền nhiệt qua kết cấu
2 Dao động nhiệt độ trên các bề mặt kết cấu có tính tắt dần từ ngoài vào trong, biên độ dao động của chúng sẽ nhỏ tương ứng Nếu kết cấu đủ dày dao động nhiệt
có thể tắt hẳn ( Att = 0) tại một độ sâu nào đó so với mặt ngoài kết cấu;
Trang 313.3.2 Khái quát về truyền nhiệt qua kết cấu
3 Dao động nhiệt độ trong kết cấu có tính chậm dần, nghĩa là thời điểm xuất hiện cực đại nhiệt độ tại các lớp chậm dần so với thời điểm cực đại của nhiệt độ tổng khi tiến dần vào trong kết cấu;
4 Đặc trưng cho dao động nhiệt mặt trong kết cấu so với nhiệt độ tổng:
- Hệ số tắt dao động của nhiệt độ mặt trong kết cấu so với nhiệt độ tổng: ϑo
ϑo = A t tg/ Aτt , lần
- Độ trễ của dao động nhiệt độ mặt trong kết cấu so với nhiệt độ tổng: εo
εo = Zτtmax – Z ttg max , giờ
Trang 323.3.2 Khái quát về truyền nhiệt qua kết cấu
5 Tính ổn định nhiệt của kết cấu:
-Hệ số tắt dao động ϑo và độ trễ dao độngεo đặc trưng cho tính ổn định nhiệt của kết cấu là khả năng KC có thể giữ nhiệt độ bên trong nó ổn định khi nhiệt độ ngoài thay đổi
-Hai hệ số này càng lớn, thì dao động nhiệt mặt trong kết cấu càng nhỏ, độ lêch pha dao động càng lớn
- Độ ổn định nhiệt của kết cấu phụ thuộc:
+ Các chỉ tiêu nhiệt lý của VLXD : Hệ số hàm nhiệt S (kcal/m2 h oC), hệ số dẫn nhiệt k (phụ lục 7);
+ Trở nhiệt của kết cấu: tổng nhiệt trở của các lớp kết cấu;
+ Chỉ số quán tính nhiệt: D = R.S
D≥ 1: kết cấu “dày” về nhiệt;
D nhỏ hơn 1: kết cấu “mỏng” về nhiệt
Trang 333.3.3 Xác định nhiệt độ mặt trong và dòng nhiệt truyền qua kết cấu
- Dao động nhiệt độ mặt trong kết cấu đặc trưng bởi các đại lượng sau:
Trang 343.3.4 Yêu cầu cách nhiệt chống nóng
-Nhiệt độ mặt trong cực đại phải nhỏ hơn 1 giá trị cho phép :
Trang 353.4 Cách nhiệt cho các kết cấu bao che ( mái và tường)
Nguyên tắc chung
- Kết hợp chống nóng và chống lạnh : thường làm tăng nhiệt trở Nhưng nếu
kết cấu dày quá thì độ trễ lớn, ban ngày tích nhiệt nhiều và tỏa nhiệt vào ban đêm, cách nhiệt tốt nhưng chống nóng chưa chắc đã tốt Vì vậy phải chú ý khi tăng chiều dày lớp vật liệu, tránh tích nhiệt và bức xạ ngược vào mùa
nóng.Chiến lược này thường sử dụng ở các nước ôn đới ;
- Chống lạnh : Đối với mái không đặt ra nhiều vấn đề lắm Với tường : hạn chế
vách kính do lượng nhiệt xâm nhập qua vách kính mỏng và bức xạ thâm nhập lớn Tường gạch dày 220 nhìn chung tạm chấp nhận được ;
- Chống nóng : giảm t tổng, chọn vật liêu và màu sắc để có hệ số hút bức xạ
nhỏ (ρ) : màu sáng Quy hoạch công trình dành diện tích cho cây xanh, mặt
Trang 37Cách nhiệt cho mái :
- Đặc điểm : Chịu tác động mạnh nhất
của các yếu tố KH : BXMT (lớn gấp 5 lần chiếu lên tường), mưa Vì vậy yêu cầu : chống nóng cách nhiệt và tổ chức thoát nước mưa, chống thấm ;
Các lớp kết cấu mái : Lớp chịu lực – lớp chống nóng (cách nhiệt) – lớp
+ Sử dụng lớp không khí ở trong kết cấu mái : lớp không khí kín, cách nhiệt mùa đông tốt, lớp không khí lưu thông,
áp dụng cho cả mái dốc và mái bằng ;
Trang 38greenroof
Trang 40Green roof at the School of Art, Design and Media
Trang 41Mái kính của nhà ga T1 Nội Bài bị nứt và
gây dột vào mùa mưa 2008
“Vật liệu có phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm ?”
Trang 42Cách nhiệt cho tường :
- Nhận ít BXMT hơn mái nhưng S lại lớn hơn S mái
- Lưu ý tường hướng Tây và tường hướng Đông nên có cách nhiệt
- Chú ý tạo bóng đổ trên tường ;
- Vật liệu và màu sắc ;
- Hạn chế vách kính do đây là vật liệu xuyên BX và xuyên sáng ;
Trang 443.3 Truyền nhiệt giao động điều hòa – bài toán truyền nhiệt qua kết cấu trong mùa nóng
3.3.1 Bài toán truyền nhiệt
Giả thiết
- BXMT lớn nên phải xét đến
- Cường độ mặt trời có tính chu kỳ: dao động điều hóa
- Đại lương tk = tn
Nhiệt độ tổng: (xét vào trường hợp bất lợi nhất)
- 1 m2 bề mặt ngoài kếtcấu nhận được từmôi trường:
q1 = qI + qk; qk = qđ + qb q1 = I ρ + αn (tn – Tn)
= αn (I ρ/ αn + tn – Tn)
= αn (t tổng – Tn)
- T tổng: cũng là 1 đại lượng dao động điều hòa:
ttổng = I ρ / αn + tn
Ý nghĩa của nhiệt độ tổng: là nhiệt độ đặc trưng cho sự tác động của 2 yếu tố I và nhiệt
độ bên ngoài, giúp đưa bài toán truyền nhiệt về dạng chính tắc
Xác định t tổng: cộng dao động điều hòa của I và tn: nhiệt độ không khí bên ngoài: xác định được giá trị trung bình của ttổng, biên độ dao động A ttổng, thời điểm cực đại;
Trang 453.3.1 Bài toán truyền nhiệt
- Xác định: ttổng = I ρ / αn + tn:
+ I biến thiên mạnh theo thời gian: mạnh nhất vào buổi trưa, đêm = 0 (trên mặt ngang);cực đại vào buổi chiều – 16h (mặt đứng hướng Tây), cực đại vào 8h sáng (mặt đứng hướng Tây) Coi là đại lượng dao động điều hòa chu kỳ 24h và thời điểm đạt cực đại tùy thuộc vào kết cấu và hướng.
+ Nhiệt độ không khí ngoài nhà: biến thiên, chu kỳ 24h, coi tn là đại lượng dao động điều hòa, thời điểm đạt cực đại vào 15hPM.
+ Vậy ttổng cũng là 1 đại lượng dao động điều hòa:
lượng I va tn lệch pha hơn bao nhiêu h
(Vì vậy tường hường tây bất lợi (vì độ lệch pha nhỏ, kết hợp hai đại lượng bức xạ và tn vào lúc cực đại, giá trị ttổng lớn) hơn tường hướng đông mặc dù nhận cùng lượng bức xạ)
Trang 463.3.1 Bài toán truyền nhiệt
-Đặc điểm truyền nhiệt dao động điều hòa qua kết cấu: (H13):
+ q: Tt, Tx, Tn đều dao động điều hòa và chu kỳ là 24h
+ Dao động này có tính tắt dần theo chiều truyền nhiệt :
A tổng>ATn>ATx>Att ZTtổngmax>ZTxmax>ZTnmax>Zttổngmax (nêu VD SGK 107) + ZTtổng max: thể hiện thời điểm nhiệt độ bên trong đạt giá trị cực đại
- Tính ổn định nhiệt của kết cấu: thể hiện qua:
+ Hệ số tắt dao động :
υo = A ttổng/A Ttổng, (lần);
+ Độ trể dao động: giá trị nhiệt độ mặt trong của kết cấu đạt cực đại chậm sau mấy h so với nhiệt độ tổng:
εo = ZTtổng max – Zttổng max (h)
- Nhiệt độ mặt trong kết cấu: Tt:
-Giá trị trung bình:
Tt,tb = t tổng tb – (t tổng tb – t t tb)/ Ro(Rn –Rl), oC
-Biên độ:
Att = A trong/ υo, oC
-Thời điểm cực đại:
ZTtổng max = Z t tổng max + εo, h
- Dòng nhiệt:
q tb = (t tổng tb – t t tb)/ Ro
Aq = αn A Tt
q max = q tb + Aq