Термальная масса

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

В проектировании зданий тепловая масса — это свойство материала здания, которому требуется поток тепла для изменения температуры. термину « теплоемкость В научной литературе предпочтение отдается ». Иногда его называют эффектом теплового маховика . компонентами конструкции Тепловая масса тяжелых структурных элементов может быть спроектирована так, чтобы работать вместе с более легкими теплостойкими для создания энергоэффективных зданий .

Например, когда наружная температура колеблется в течение дня, большая тепловая масса внутри изолированной части дома может служить для «сглаживания» ежедневных колебаний температуры, поскольку тепловая масса будет поглощать тепловую энергию, когда температура окружающей среды выше. чем масса, и отдавать тепловую энергию обратно, когда окружающая среда становится холоднее, не достигая теплового равновесия . свойств материала Это отличается от изоляционных здания , которые уменьшают теплопроводность , позволяя нагревать или охлаждать его относительно отдельно от снаружи или даже просто дольше сохранять тепловую энергию, находящуюся в здании.

С научной точки зрения тепловая масса эквивалентна тепловой емкости или теплоемкости , способности тела сохранять тепловую энергию . Обычно он обозначается символом Cth _{, а} его единицей измерения в системе СИ является Дж/К или Дж/°C (которые эквивалентны). Тепловая масса также может использоваться для водоемов, машин или частей машин, живых существ или любой другой структуры или тела в технике или биологии. В этих контекстах вместо этого обычно используется термин «теплоемкость».

Фон

Основная статья: Теплоемкость

Уравнение, связывающее тепловую энергию с тепловой массой:

$Q=C_{\mathrm {th} }\Delta T\,$

где Q — передаваемая тепловая энергия, Cth _— тепловая масса тела, ΔT — изменение температуры.

Например, если к медному механизму с тепловой массой 38,46 Дж/°С добавить 250 Дж тепловой энергии, его температура повысится на 6,50°С.Если тело состоит из однородного материала с достаточно известными физическими свойствами, тепловая масса — это просто масса материала в настоящий момент, умноженная на удельную теплоемкость этого материала. Для тел, изготовленных из многих материалов, при расчете можно использовать сумму теплоемкостей их чистых компонентов, а в некоторых случаях (например, для всего животного) это число можно просто измерить для всего рассматриваемого тела. напрямую.

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

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

$C_{\mathrm {th} }=mc_{\mathrm {p} }$

где $m$ это масса тела и $c_{\mathrm {p} }$ – изобарная удельная теплоемкость материала, усредненная по рассматриваемому диапазону температур. Для тел, состоящих из множества различных материалов, тепловые массы различных компонентов можно просто сложить.

Тепловая масса в зданиях

Тепловая масса эффективна для повышения комфорта в здании в любом месте, где наблюдаются подобные ежедневные колебания температуры — как зимой, так и летом. При правильном использовании и в сочетании с пассивной солнечной конструкцией тепловая масса может сыграть важную роль в значительном сокращении потребления энергии в активных системах отопления и охлаждения .Использование материалов с термической массой наиболее выгодно там, где существует большая разница в дневной и ночной температуре наружного воздуха (или когда ночная температура как минимум на 10 градусов ниже заданного значения 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 тепловой реакции на нагрев и охлаждение.В проектировании инженерных систем зданий использование программного обеспечения для динамического компьютерного моделирования позволило точно рассчитать экологические характеристики зданий различной конструкции и для разных годовых наборов климатических данных. Это позволяет архитектору или инженеру подробно изучить взаимосвязь между тяжелыми и легкими конструкциями, а также уровнями изоляции, чтобы снизить потребление энергии для механических систем отопления или охлаждения или даже полностью устранить необходимость в таких системах.

Свойства, необходимые для хорошей термической массы

Идеальными материалами по термической массе являются те материалы, которые обладают:

• высокая удельная теплоемкость ,
• высокая плотность ​

Любое твердое тело, жидкость или газ 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).

Имеется таблица объемной теплоемкости строительных материалов, но учтите, что их определение тепловой массы немного отличается.

Использование тепловой массы в разных климатических условиях

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

Умеренный и холодный умеренный климат

Тепловая масса, подверженная солнечному воздействию

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

Термальная масса в течение дня нагревается пассивно солнцем или дополнительно внутренними системами отопления. Тепловая энергия, накопленная в массе, затем ночью высвобождается обратно внутрь помещения. Крайне важно, чтобы он использовался в сочетании со стандартными принципами пассивного солнечного проектирования .

Можно использовать любую форму термомассы. Одним из простых решений является фундамент из бетонных плит, оставленный открытым или покрытый проводящими материалами, например плиткой. Еще один новый метод — облицовка каменного фасада деревянного дома изнутри («облицовка обратным кирпичом»). Термальную массу в этой ситуации лучше всего наносить на большую площадь, а не на большие объемы или толщину. Часто бывает достаточно 7,5–10 см (3–4 дюйма).

Поскольку наиболее важным источником тепловой энергии является Солнце, важным фактором, который следует учитывать, является соотношение остекления и тепловой массы. Для определения этого были разработаны различные формулы. Как правило, дополнительную тепловую массу, подвергающуюся воздействию солнечных лучей, необходимо наносить в соотношении от 6:1 до 8:1 для любой площади обращенного к солнцу (северного в Южном полушарии или южного в Северном полушарии) остекления над 7% от общей площади. Например, 200 м. ² дом площадью 20 м. ² солнечного остекления составляет 10% от общей площади остекления; 6 м ² этого остекления потребует дополнительной тепловой массы. Следовательно, используя приведенное выше соотношение от 6:1 до 8:1, дополнительно 36–48 м ² требуется тепловая масса, подвергающаяся воздействию солнечной энергии. Точные требования варьируются от климата к климату.

Современный школьный класс с естественной вентиляцией за счет открывающихся окон и открытой тепловой массой от твердого бетонного перекрытия пола, которая помогает контролировать летнюю температуру.

Тепловая масса для ограничения перегрева в летнее время.

Тепловая масса идеально размещается внутри здания, где она защищена от прямых солнечных лучей, но подвергается воздействию жителей здания. Поэтому чаще всего это связано с монолитными бетонными плитами перекрытия в зданиях с естественной вентиляцией или низкоэнергетической механической вентиляцией, где бетонный перекрытие остается открытым для занимаемого пространства.

В течение дня тепло поступает от солнца, жильцов здания, а также любого электрического освещения и оборудования, в результате чего температура воздуха внутри помещения повышается, но это тепло поглощается открытой бетонной плитой наверху, тем самым ограничивая повышение температуры. в помещении, чтобы находиться в пределах допустимого уровня теплового комфорта человека. Кроме того, более низкая температура поверхности бетонной плиты также поглощает лучистое тепло непосредственно от жильцов, что также повышает их тепловой комфорт.

К концу дня плита, в свою очередь, нагрелась, и теперь, когда внешняя температура снижается, тепло можно высвободить, и плита остынет, готовая к началу следующего дня. Однако этот процесс «регенерации» эффективен только в том случае, если система вентиляции здания работает ночью для отвода тепла от плиты. В зданиях с естественной вентиляцией обычно предусматриваются автоматические открывания окон, чтобы автоматически облегчить этот процесс.

Жаркий, засушливый климат (например, пустыня)

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

Это классическое использование тепловой массы. Примеры включают дома из самана , утрамбованной земли или из известняка блоков . Его функция во многом зависит от заметных суточных колебаний температуры . Стена преимущественно замедляет передачу тепла снаружи внутрь в течение дня. Высокая объемная теплоемкость и толщина препятствуют попаданию 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.

Жаркий влажный климат (например, субтропический и тропический)

Использование тепловой массы является наиболее сложной задачей в этой среде, где ночные температуры остаются повышенными. Его используют в первую очередь в качестве временного теплоотвода. Тем не менее, он должен быть стратегически расположен, чтобы предотвратить перегрев. Его следует размещать в месте, которое не подвергается прямому воздействию солнечных лучей, а также обеспечивает достаточную вентиляцию в ночное время для отвода накопленной энергии без дальнейшего повышения внутренней температуры. Если вообще использовать, его следует использовать в разумных количествах и опять же не в больших толщинах.

Материалы, обычно используемые для термической массы

• Вода: вода имеет самую высокую объемную теплоемкость из всех обычно используемых материалов. Обычно его помещают в большие контейнеры, например, в акриловые трубки, в месте с прямым солнечным светом. Его также можно использовать для пропитки других типов материалов, таких как почва, для увеличения теплоемкости.
• и другие виды кладки: теплопроводность бетона Бетон, глиняный кирпич зависит от его состава и технологии затвердевания. Бетоны с камнями более теплопроводны, чем бетоны с золой, перлитом, волокнами и другими изоляционными заполнителями. Тепломассовые свойства бетона позволяют сэкономить 5–8% годовых затрат на электроэнергию по сравнению с пиломатериалами из хвойных пород.
• Изолированные бетонные панели состоят из внутреннего слоя бетона, обеспечивающего тепловой коэффициент массы. Он изолирован снаружи обычной пенопластовой изоляцией, а затем снова покрыт наружным слоем бетона. Результатом является высокоэффективная изоляционная оболочка здания.
• Изоляционные бетонные формы обычно используются для обеспечения тепловой массы и изоляции строительных конструкций. Бетонная масса обеспечивает удельную теплоемкость, необходимую для хорошей тепловой инерции. Изоляционные слои, созданные на боковых или внутренних поверхностях формы, обеспечивают хорошую термическую устойчивость.
• Глиняный кирпич, сырцовый кирпич или сырцовый кирпич: см. Кирпич и саман .
• Земля, грязь и дерн: грязи теплоемкость 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 днем ​​и выделяя ее ночью. В настоящее время люди иногда используют земляные укрытия вокруг своих домов для того же эффекта. При земляном укрытии 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, которая уменьшает тепловой поток через соседнюю стену.
• Утрамбованная земля: утрамбованная земля обеспечивает отличную тепловую массу из-за своей высокой плотности и высокой удельной теплоемкости грунта, использованного при ее строительстве.
• Натуральный камень и камень: см. каменная кладка .
• Бревна используются в качестве строительного материала для создания наружных, а возможно и внутренних стен домов. Бревенчатые дома отличаются от некоторых других строительных материалов, перечисленных выше, потому что твердая древесина имеет как умеренный показатель R (изоляция), так и значительную тепловую массу. Напротив, вода, земля, камни и бетон имеют низкие значения R. Эта тепловая масса позволяет бревенчатому дому лучше удерживать тепло в холодную погоду и лучше сохранять более прохладную температуру в жаркую погоду.
• Материалы с фазовым переходом

Сезонное накопление энергии

Если используется достаточная масса, это может создать сезонное преимущество. То есть зимой он может греть, а летом охлаждать. Иногда это называют пассивным годовым накоплением тепла или PAHS. Система PAHS успешно использовалась на высоте 7000 футов в Колорадо и в ряде домов в Монтане. Земные корабли Нью-Мексико используют пассивное отопление и охлаждение, а также используют переработанные шины для фундаментной стены, обеспечивая максимальный уровень PAHS/STES. Он также успешно использовался в Великобритании в жилищном проекте Хокертон .

См. также

• Земной корабль
• Утрамбованная земляная стена
• Удельная теплоемкость
• Хранение тепловой энергии
• Стена тромба