CC BY
7
ISSN 2304-120X
ниепт
научно-методический электронный журнал
Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
ART 171044 УДК 378.147:551.58
Елаховский Дмитрий Вячеславович,
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет», г. Петрозаводск Elahovsky@mail.ru
Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета
Аннотация. Обсуждается возможность реализации методического обеспечения практического фрагмента курса общей физики за счет привлечения расчетно-гра-фической работы, связанной с формированием климатической среды помещений различного предназначения, удовлетворяющей условиям комфортного пребывания человека. Выполнение такой работы наглядно свидетельствует о роли физических законов при проектно-конструкторских работах в строительной индустрии. Это обстоятельство способствует связи физического образования с предполагаемой профессиональной деятельностью студентов-строителей и повышает мо-тивационную составляющую процесса обучения.
Ключевые слова: строительная физика, тепловой поток, тепловое сопротивление, сопротивление паропроницаемости. Раздел: (01) отдельные вопросы сферы образования.
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 от-
ISSN 2Э04-120Х
ниепт
научно-методический электронный журнал
Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
сутствию 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 мощ-ностных 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.
ниегп
issn 2304-120X Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
научно-методический электронный журнал
1. Термическое сопротивление однородного ограждения:
К = С/® (м2чоС/ккал, (1)
где С - толщина ограждения, ® - коэффициент теплопроводности материала ограждения.
2. Коэффициент теплоотдачи от стенки к наружной среде:
ат = 20ккал/м2чоС. (2)
3. Коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности ограждения:
ав = 7,5ккал/м2чоС (3)
4. Для многослойной ограждающей конструкции полное сопротивление теплопередачи:
Ко = Кв + I Я + К», (4)
где Rb = 1/ав =0.133м2чоС/ккал - сопротивление тепловосприятию; Rh =
= 0,05мчоС/ккал - сопротивление теплопередаче; Ri - термическое сопротивление отдельных слоев.
5. Тепловой поток через единицу площади ограждения:
T -Т
j = т^ , (5)
J Ro К!
где Tb - температура внутри помещения, Тн - температура наружного воздуха.
6. Требуемое сопротивление теплопередаче RТ:
Т - Т
R ШР = ^-^ R , (6)
о АТ"76 6
где АТ6 = 6 оС - нормативный температурный перепад для внутренних стен; данная величина определяет соответствие данного ограждения требованиям СНИПа ^о > RТр).
7. Показатель тепловой инерции ограждения (характеризует проникновение тепловых волн вглубь вещества):
й= I ЯД , (7)
г
где - термическое сопротивление отдельных слоев;
Э| (ккал/м2чоС) - коэффициенты теплоусвоения материала (затабулированные величины).
Знание й позволяет в том случае, когда не дана температура наружного воздуха, выбрать ее, руководствуясь следующим правилом: й < 4, Ъ = Т1 - средняя температура наиболее холодных суток в данной местности, 4 < й < 7 Ъ = Тз - соответствует среднему значению наиболее холодных трех суток, а при й >7 Ъ = Т5 - среднему значению наиболее холодных пяти суток. Значения указанных температур для разных городов находятся в таблицах климатических данных.
ISSN 2Э04-120Х
ниепт
научно-методический электронный журнал
Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
8. Характер распределения температуры в многослойной конструкции:
Т - Т
Тп = Тп-1 - Яп, (8)
Ка
где Тп - определяемая температура (оС), Тп-1 - температура в предыдущем слое (оС), Кп - термическое сопротивление слоя.
Найдя из (5) величину плотности теплового потока, проходящего через многослойную стенку, можно теперь из (8) последовательно определить все промежуточные температуры: То, Т|, Тп. Можно использовать графический метод, основанный на соотношении:
т1-1 - Т1 =
Откладывая по оси абсцисс на рисунке последовательные сопротивления участков от нуля до К, а по оси ординат - температуры, проведем на этом графике прямую с наклоном - ДТ/ДК = ], 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 Т|. Перенося эти значения Т| 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] 9. Сопротивление паропроницаемости многослойной конструкции:
1Кпар= ^ / д ,
(9)
где ^ - толщина слоя, д (г/мчмм рт. ст.) - коэффициент паропроницаемости (берется из таблиц).
10. Интенсивность потока пара через ограждение:
^пар —
(10)
пар
где ев (мм рт. ст.) -упругость водяного пара внутри помещения (при данной температуре и влажности), ен - аналогичная величина для наружного воздуха.
ш=1
е — е
в н
ниегп
issn 2304-120X Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
научно-методический электронный журнал
11. Упругость водяного пара внутри помещения:
ев = ^, (11)
100%
где Ев (мм рт. ст.) - максимальная упругость водяного пара внутри помещения при заданной температуре, ^ (%) - относительная влажность внутри помещения.
12. Упругость водяного пара вне помещения:
ен = ^, (12)
н 100%
где Ен - предельное значение упругости водяного пара вне помещения, срн - относительная влажность наружного воздуха.
Информация для выполнения расчетно-графической работы включает следующие параметры:
1. Используемые слои ограждения (материал) и их геометрические и плотност-ные 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: ^ = 4 см, = 10 см, Ьз = 2 см, = 0.65, = 0,1, = 1,2 (ккал/мчоС). Температура внутри помещения Тв = 18 оС, наружная температура Тн = -24 оС.
1.1. По формулам (1) и (4) определим тепловое сопротивление каждого слоя К и общее тепловое сопротивление ограждения Ко:
= 0,04/1,2 = 0,031, К2 = 0,1/0,1 = 1, Кз = 0,02/0,65 = 0,033. Ко = 0,133 + 0,031 + 1 + 0,033 + 0,05 = 1,25 оСм2ч/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:
. = 18 - С-24) = 42/1,25 = зз,6 ккал/м2ч = 38,7вт/м2.
1,25
ниегп
issn 2304-i20x Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
научно-методический электронный журнал
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.
Тз = -21,2 - 0,03342/1,25 = -22,3 оС.
Расчет 2. Ограждение представляет собой слой газобетона С1 = 0,17м, = 0,35, Э1 = 5,23, ^ = 0,015 (размерность не указана) и кирпичную кладку (С2 = 0,25 м, = 0,6, Э2 = 7,86. ¡и2 = 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): = С1/®1 = 0,17/0,35 = 0,49, = С2/®2 = 0,25/0,6 = 0,42. Тогда: й = 0,49 • 5,23 + 0,42 • 7,86 = 5,8. Так как 4 < й < 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: Ме = 6 0С, Кв = 0,133м2чоС/ккал, Тв - Тн = 18 - (-20) = 38 оС. Тогда = 38 •
0,133/6 = : = 0,84 м2чоС/ккал.
Полное сопротивление теплопередачи определяем по формуле (4): Ко = Кв + + К2 + Кн = 0,133 + 0,49 + 0,31 + 0,05 = 1,086 м2чоС/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): Л = [18 - (-20)]/1,086 = 34,86 ккал/м2ч.
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: г р = = 7,6 оС. Так как температура на внутренней поверхности 1о = 13,35 больше точки росы, то на внутренней поверхности ограждения конденсация водяного пара отсутствует.
2.6. Сопротивление паропроницаемости ограждения.
Используется формула (9): Кп = 0,17/0,015 + 0,25/0,014 = 29,1 м2чмм 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
ISSN 2304-120X
ниепт
научно-методический электронный журнал
Елаховский Д. В. Физические основы оценки климатической среды помещений в рамках учебного плана строительного факультета // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - № V11. - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/171044. htm.
модификации учебного плана, так как уже на ранних курсах студенты знакомятся с логикой проектирования зданий различного предназначения с точки зрения их темпе-ратурно-влажностных режимов эксплуатации.
Ссылки на источники
1. Елаховский Д. В. Повышение мотивационной составляющей физического образования студентов строительной специальности вуза // Физическое образование в вузах. - 2013. - Т. 19. - № 4. - С. 74.
2. Елаховский Д. В. Элементы архитектурной климатологии как фрагменты физического образования студентов строительной специальности университетов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2015. - № 5 (май). - С. 86-90. - и^: http://e-koncept.ru/2015/15146.htm.
3. Елаховский Д. В., Малиненко И. А. Физические основы архитектурной климатологии: учеб. пособие. -Петрозаводск: Изд-во ПетрГу, 2008. - 102 с.
4. Тодес О. М. Курс лекций и заданий по строительной физике. - Л., 1972.
Dmitry Elakhovskiy,
Candidate of Physical Mathematical Sciences, Associate Professor, General Physics Chair, Petrozavodsk
State University, Petrozavodsk
Elahovskv@mail.ru
Physical principles of premises climatic conditions estimation within the framework of the civil engineering faculty curriculum
Abstract. The author discusses an opportunity to implement methodological support of a general physics course practical part due to the calculation and graphic work connected with climatic conditions design in premises of various destination that meet requirements for a comfort level in an occupied zone. Such task provides clear evidence of physical laws importance in building industry engineering work. The interdisciplinary relation between physical education and students' future professional activities increases their motivation for studying. Key words: physics in building industry, heat flow, heat transfer resistance, vapor permeability resistance. References
1. Elahovskij, D. V. (2013). "Povyshenie motivacionnoj sostavljajushhej fizicheskogo obrazovanija studentov stroitel'noj special'nosti vuza", Fizicheskoe obrazovanie v vuzah, t. 19, № 4, p. 74 (in Russian).
2. Elahovskij, D. V. (2015). "Jelementy arhitekturnoj klimatologii kak fragmenty fizicheskogo obrazovanija studentov stroitel'noj special'nosti universitetov", Nauchno-metodicheskij jelektronnyj zhurnal "Koncept", № 5 (maj), pp. 86-90. Available at: http://e-koncept.ru/2015/15146.htm (in Russian).
3. Elahovskij, D. V. & Malinenko, I. A. (2008). Fizicheskie osnovy arhitekturnoj klimatologii: ucheb. posobie, Izd-vo PetrGu, Petrozavodsk, 102 p. (in Russian).
4. Todes, O. M. (1972). Kurs lekcij i zadanij po stroitel'noj fizike, Leningrad (in Russian).
Рекомендовано к публикации:
Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
Поступила в редакцию Received 30.10.17 Получена положительная рецензия Received a positive review 15.11.17
Принята к публикации Accepted for publication 15.11.17 Опубликована Published 30.11.17
© Концепт, научно-методический электронный журнал, 2017 © Елаховский Д. В., 2017
www.e-koncept.ru
