Термическая масса - Thermal mass

Преимущество тепловой массы показано в этом сравнении того, как тяжелые и легкие конструкции влияют на внутреннюю температуру.

При проектировании зданий тепловая масса - это свойство массы здания, которое позволяет ему сохранять тепло, обеспечивая «инерцию» по отношению к колебаниям температуры. Иногда его называют тепловым эффектом маховика . Например, когда наружная температура колеблется в течение дня, большая тепловая масса внутри изолированной части дома может служить для «сглаживания» дневных колебаний температуры, поскольку тепловая масса будет поглощать тепловую энергию, когда температура окружающей среды выше. чем масса, и возвращать тепловую энергию, когда окружающая среда холоднее, не достигая теплового равновесия . Это отличается от изоляционных свойств материала, которые снижают теплопроводность здания , позволяя нагревать или охлаждать его относительно отдельно от внешней стороны или даже просто дольше сохранять тепловую энергию людей.

С научной точки зрения тепловая масса эквивалентна тепловой емкости или теплоемкости , способности тела накапливать тепловую энергию . Обычно он обозначается символом C _th, а его единица СИ - Дж / ° C или Дж / К (что эквивалентно). Термическая масса также может использоваться для водоемов, машин или частей машин, живых существ или любых других конструкций или тел в инженерии или биологии. В этих контекстах вместо этого обычно используется термин «теплоемкость».

Задний план

Уравнение, связывающее тепловую энергию с тепловой массой, выглядит следующим образом:

{\ Displaystyle Q = C _ {\ mathrm {th}} \ Delta T \,}

где Q - переданная тепловая энергия, C _th - тепловая масса тела, а Δ T - изменение температуры.

Например, если к медной передаче с тепловой массой 38,46 Дж / ° C добавить 250 Дж тепловой энергии, ее температура повысится на 6,50 ° C. Если тело состоит из однородного материала с достаточно известными физическими свойствами, термическая масса - это просто масса материала, умноженная на удельную теплоемкость этого материала. Для тел, сделанных из многих материалов, в расчетах может использоваться сумма теплоемкостей для их чистых компонентов, или в некоторых случаях (например, для всего животного) число может быть просто измерено для всего рассматриваемого тела, напрямую.

Как экстенсивное свойство для объекта характерна теплоемкость; его соответствующее интенсивное свойство - это удельная теплоемкость, выраженная в единицах измерения количества материала, таких как масса или количество молей, которые необходимо умножить на аналогичные единицы, чтобы получить теплоемкость всего тела материала. Таким образом, теплоемкость может быть эквивалентно рассчитана как произведение массы тела m на удельную теплоемкость c материала или произведение количества молей присутствующих молекул n и молярной удельной теплоемкости . Для обсуждения того, почему способность чистых веществ накапливать тепловую энергию различается, см. Факторы, влияющие на удельную теплоемкость . ${\ displaystyle {\ bar {c}}}$

Для тела однородного состава может быть аппроксимировано выражением ${\ displaystyle C_ {th}}$

{\ Displaystyle C_ {th} = mc_ {p}}

где - масса тела, - изобарическая удельная теплоемкость материала, усредненная по рассматриваемому диапазону температур. Для корпусов, состоящих из множества различных материалов, тепловые массы различных компонентов можно просто сложить. ${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle c_ {p}}$

Тепловая масса в зданиях

Тепловая масса эффективна для повышения комфорта здания в любом месте, которое испытывает подобные суточные колебания температуры - как зимой, так и летом. При правильном использовании и в сочетании с пассивной солнечной системой тепловая масса может сыграть важную роль в значительном сокращении энергопотребления в активных системах отопления и охлаждения . Использование материалов с термической массой наиболее выгодно там, где есть большая разница в температуре наружного воздуха от дня к ночи (или когда ночная температура по крайней мере на 10 градусов ниже уставки термостата). Термины « тяжелый» и « легкий» часто используются для описания зданий с различными стратегиями тепловой массы и влияют на выбор числовых коэффициентов, используемых в последующих расчетах для описания их теплового отклика на нагрев и охлаждение. При проектировании инженерных систем зданий использование программного обеспечения для компьютерного моделирования динамического моделирования позволило точно рассчитать экологические характеристики зданий с различной конструкцией и для разных годовых наборов климатических данных. Это позволяет архитектору или инженеру детально исследовать взаимосвязь между тяжелыми и легкими конструкциями, а также уровни изоляции, снижая потребление энергии для механических систем отопления или охлаждения или даже полностью устраняя необходимость в таких системах.

Свойства, необходимые для хорошей тепловой массы

Идеальными материалами для термической массы являются те материалы, которые имеют:

высокая удельная теплоемкость ,
высокая плотность

Любое твердое, жидкое или газообразное вещество, имеющее массу, будет иметь некоторую тепловую массу. Распространенное заблуждение состоит в том, что только бетон или земляной грунт имеют тепловую массу; даже воздух имеет тепловую массу (хотя и очень небольшую).

Таблица объемной теплоемкости строительных материалов доступна, но обратите внимание, что их определение тепловой массы немного отличается.

Использование термальной массы в разном климате

Правильное использование и применение термальной массы зависит от преобладающего климата в районе.

Умеренный и холодно-умеренный климат

Тепловая масса, подвергающаяся воздействию солнечных лучей

Тепловая масса идеально размещается внутри здания и находится там, где она все еще может подвергаться воздействию зимнего солнечного света под низким углом (через окна), но изолирована от потерь тепла. Летом ту же самую тепловую массу следует закрывать от летнего солнечного света под большим углом, чтобы предотвратить перегрев конструкции.

Тепловая масса пассивно прогревается солнцем или дополнительно внутренними системами отопления в течение дня. Тепловая энергия, хранящаяся в массе, затем возвращается во внутреннее пространство в течение ночи. Важно, чтобы он использовался в сочетании со стандартными принципами пассивного солнечного дизайна .

Может использоваться любая форма тепловой массы. Фундамент из бетонных плит, оставленный открытым или покрытый проводящими материалами, например плиткой, является одним из простых решений. Еще один новаторский метод - разместить каменный фасад дома с деревянным каркасом внутри («облицовка обратным кирпичом»). Тепловую массу в этой ситуации лучше наносить на большую площадь, а не на большие объемы или толщину. 7,5–10 см (3 ″ –4 ″) часто бывает достаточно.

Поскольку наиболее важным источником тепловой энергии является Солнце, соотношение остекления к тепловой массе является важным фактором, который следует учитывать. Для определения этого были придуманы различные формулы. Как правило, дополнительную тепловую массу, подвергающуюся воздействию солнечного света, необходимо наносить в соотношении от 6: 1 до 8: 1 для любой области, обращенной к солнцу (на север в Южном полушарии или на юг в Северном полушарии) выше 7% от общей площади. Например, дом площадью 200 м ² с солнечным остеклением 20 м ² имеет 10% остекления от общей площади пола; 6 м ² этого остекления потребуют дополнительной тепловой массы. Следовательно, используя соотношение 6: 1 к 8: 1, указанное выше, требуется дополнительно 36–48 м ² тепловой массы, подвергающейся воздействию солнечных лучей. Точные требования меняются от климата к климату.

Современный школьный класс с естественной вентиляцией, открывающимися окнами и открытой тепловой массой от прочного бетонного перекрытия для контроля летних температур.

Тепловая масса для ограничения летнего перегрева

Тепловая масса идеально размещается внутри здания, где она защищена от прямого солнечного излучения, но подвергается воздействию людей, находящихся в здании. Поэтому его чаще всего связывают с плитами из сплошного бетона в зданиях с естественной или малой энергоэффективностью с механической вентиляцией, где бетонный потолок остается открытым для занимаемого пространства.

В течение дня тепло поступает от солнца, жителей здания, электрического освещения и оборудования, вызывая повышение температуры воздуха в помещении, но это тепло поглощается открытой бетонной плитой наверху, что ограничивает повышение температуры. в пределах допустимого уровня для человеческого теплового комфорта. Кроме того, более низкая температура поверхности бетонной плиты также поглощает лучистое тепло непосредственно от людей, что также способствует их тепловому комфорту.

К концу дня плита, в свою очередь, нагревается, и теперь, когда внешняя температура снижается, тепло может быть выпущено, и плита остыла, готовая к началу следующего дня. Однако этот процесс «регенерации» эффективен только в том случае, если система вентиляции здания работает в ночное время, чтобы отводить тепло от плиты. В зданиях с естественной вентиляцией обычно предусматривают автоматические оконные проемы для автоматического облегчения этого процесса.

Жаркий, засушливый климат (например, пустыня)

Здание с глинобитными стенами в Санта-Фе, Нью-Мексико

Это классическое использование тепловой массы. Примеры включают глинобитные , утрамбованные земли или дома из известняковых блоков. Его функция во многом зависит от заметных суточных колебаний температуры . Стена в основном препятствует передаче тепла снаружи внутрь в течение дня. Высокая объемная теплоемкость и толщина предотвращают попадание тепловой энергии на внутреннюю поверхность. Когда ночью температура падает, стены повторно излучают тепловую энергию обратно в ночное небо. В этом случае важно, чтобы такие стены были массивными, чтобы предотвратить передачу тепла внутрь помещения.

Горячий влажный климат (например, субтропический и тропический)

Использование тепловой массы является наиболее сложной задачей в этой среде, где ночные температуры остаются высокими. Его используют в первую очередь в качестве временного радиатора. Тем не менее, он должен быть стратегически расположен, чтобы предотвратить перегрев. Он должен быть размещен в месте, которое не подвергается прямому воздействию солнечного излучения, а также обеспечивает адекватную вентиляцию в ночное время, чтобы уносить накопленную энергию без дальнейшего повышения внутренней температуры. Если он вообще будет использоваться, его следует использовать в разумных количествах и, опять же, не в больших толщинах.

Материалы, обычно используемые для тепловой массы

Вода: вода имеет самую высокую объемную теплоемкость из всех обычно используемых материалов. Обычно его помещают в большой контейнер (-ы), например, в акриловые тубы, в местах с прямым солнечным светом. Его также можно использовать для пропитывания других материалов, таких как почва, для увеличения теплоемкости.
Бетон, кирпичи глины и другие формы кладки: теплопроводность из бетона зависят от его состава и техники отверждения. Бетоны с камнями более теплопроводны, чем бетоны с золой, перлитом, волокнами и другими изоляционными заполнителями. Тепловые массовые свойства бетона позволяют сократить ежегодные затраты на электроэнергию на 5–8% по сравнению с пиломатериалами хвойных пород.
Изолированные бетонные панели состоят из внутреннего слоя бетона, обеспечивающего коэффициент тепловой массы. Он изолирован снаружи обычным пенопластом, а затем снова покрыт наружным слоем бетона. В результате получается высокоэффективная изоляционная оболочка здания.
Изоляционные бетонные формы обычно используются для обеспечения тепловой массы строительным конструкциям. Изоляционные бетонные формы обеспечивают удельную теплоемкость и массу бетона. Тепловая инерция конструкции очень высока, поскольку масса изолирована с обеих сторон.
Глиняный кирпич, саманный кирпич или сырцовый кирпич : см. Кирпич и саман .
Земля, грязь и дерн: теплоемкость грязи зависит от ее плотности, влажности, формы частиц, температуры и состава. Ранние поселенцы Небраски строили дома с толстыми стенами из земли и дерна, потому что дерева, камня и других строительных материалов было мало. Чрезвычайная толщина стен обеспечивала некоторую изоляцию, но в основном служила тепловой массой, поглощая тепловую энергию в течение дня и высвобождая ее ночью. В наши дни люди иногда используют земные укрытия вокруг своих домов для того же эффекта. При укрытии из земли тепловая масса исходит не только от стен здания, но и от окружающей земли, которая находится в физическом контакте со зданием. Это обеспечивает довольно постоянную умеренную температуру, что снижает тепловой поток через прилегающую стену.
Утрамбованная земля: утрамбованная земля обеспечивает отличную тепловую массу из-за своей высокой плотности и высокой удельной теплоемкости почвы, используемой при ее строительстве.
Натуральный камень и камень: см . Каменная кладка .
Бревна используются в качестве строительного материала для создания внешних и, возможно, внутренних стен домов. Бревенчатые дома отличаются от некоторых других строительных материалов, перечисленных выше, потому что массивная древесина имеет как умеренную R-ценность (изоляцию), так и значительную тепловую массу. Напротив, вода, земля, камни и бетон имеют низкие значения R. Эта термальная масса позволяет бревенчатому дому лучше удерживать тепло в холодную погоду и лучше сохранять более низкую температуру в жаркую погоду.
Материалы с фазовым переходом

Сезонное хранение энергии

Если используется достаточно массы, это может создать сезонное преимущество. То есть может зимой греть, а летом прохладно. Иногда это называют пассивным годовым накоплением тепла или ПАУ. Система PAHS успешно использовалась на высоте 7000 футов в Колорадо и в ряде домов в Монтане. В Earthships Нью - Мексико использовать пассивное нагревание и охлаждение, а также с использованием переработанных шин для фундаментной стены получая максимум PAHS / STES. Он также успешно использовался в Великобритании в Hockerton Housing Project .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

Ecopilot , Использование тепловой массы для повышения комфорта и энергоэффективности зданий

Languages

In other projects