Термическая масса - Thermal mass

Эта статья включает в себя список общих использованная литература, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшить эта статья введение более точные цитаты. (Сентябрь 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

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

В строительном дизайне термическая масса - это свойство массы здания, которое позволяет ему сохранять тепло, обеспечивая «инерцию» по отношению к колебаниям температуры. Иногда его называют тепловой эффект маховика.^[1] Например, когда наружная температура колеблется в течение дня, большая тепловая масса в 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 отдавать тепловую энергию, когда окружающая среда холоднее, не достигая тепловое равновесие. Это отличается от материала изолирующий стоимость, что снижает теплопроводность, позволяя нагревать или охлаждать его относительно отдельно от внешней среды, или даже просто дольше сохранять тепловую энергию людей.

С научной точки зрения тепловая масса эквивалентна тепловая емкость или теплоемкость, способность тела хранить термальная энергия. Обычно обозначается символом C_th и 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:

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

где Q - переданная тепловая энергия, C_th - тепловая масса тела, ΔТ 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 корпус состоит из однородного материала с достаточно известными физическими свойствами, Тепловая масса - это просто масса материала, умноженная на удельную теплоемкость этого материала. Для тел, сделанных из многих материалов, в расчетах может использоваться сумма теплоемкости их чистых компонентов, или в некоторых случаях (например, для всего животного) число может быть просто измерено для всего рассматриваемого тела, прямо.

Как обширная собственность, теплоемкость характерна для объекта; соответствующий интенсивное свойство - 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 масса м тела и удельной теплоемкости c для материала, или произведение количества родинки присутствующих молекул п и молярная удельная теплоемкость ${ displaystyle { bar {c}}}$. Для обсуждения Зачем способность чистых веществ к хранению тепловой энергии различается, см. факторы, влияющие на удельную теплоемкость.

Для тела однородного состава, ${ displaystyle C_ {th}}$ можно приблизительно оценить

${ displaystyle C_ {th} = mc_ {p}}$

где ${ displaystyle m}$ масса тела и ${ displaystyle c_ {p}}$ изобарический удельная теплоемкость материала, усредненного по рассматриваемому диапазону температур. Для тел, состоящих из множества различных материалов, тепловые массы для разных компонентов можно просто сложить.

Тепловая масса в зданиях

Тепловая масса эффективна для повышения комфорта здания в любом месте, которое испытывает подобные ежедневные колебания температуры - как зимой, так и летом. При правильном использовании и в сочетании с пассивный солнечный дизайн, тепловая масса может сыграть важную роль в значительном сокращении использования энергии в активные системы 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).^[2]Условия тяжеловесный и легкий часто используются для описания зданий с различными стратегиями тепловой массы и влияют на выбор численных факторов, используемых в последующих расчетах для описания их теплового отклика на нагрев и охлаждение. инженерные сети, 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 архитектор или инженер, чтобы подробно изучить взаимосвязь между тяжелыми и легкими конструкциями, а также уровни изоляции для снижения потребления энергии для механические системы отопления или охлаждения или даже полное устранение необходимости в таких системах.

Свойства, необходимые для хорошей тепловой массы

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

• высоко удельная теплоемкость,
• высоко плотность

Любое твердое вещество, жидкость или газ, масса 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,^[3] но обратите внимание, что их определение тепловой массы немного отличается.

Использование термальной массы в разных климатических условиях

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

Умеренный и холодный умеренный климат

Тепловая масса, подвергающаяся воздействию солнечных лучей

Тепловая масса идеально размещается внутри здания и находится там, где на нее все еще может попадать низкоугловой зимний солнечный свет (через окна), но она 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 нагревается пассивно 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 пассивный солнечный дизайн.

Можно использовать любую форму тепловой массы. Фундамент из бетонной плиты либо оставлен открытым, либо покрыт проводящими материалами, например плитки - одно из простых решений. Еще один новаторский метод - это размещение каменного фасада дома с деревянным каркасом внутри («облицовка обратным кирпичом»). Термическую массу в этой ситуации лучше наносить на большую площадь, а не на большие объемы или толщину. 7,5–10 см (3-4 дюйма) 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.^[4] Как правило, дополнительную тепловую массу, подвергающуюся воздействию солнечного света, необходимо применять в соотношении от 6: 1 до 8: 1 для любой области остекления, обращенной на солнце (на север в Южном полушарии или на юг в Северном полушарии) выше 7% от общей площади. Например, 200 м² дом 20 м² солнечного остекления составляет 10% остекления от общей площади пола; 6 мес.² для этого остекления потребуется дополнительная тепловая масса. Таким образом, используя соотношение 6: 1 к 8: 1, указанное выше, можно получить дополнительные 36–48 м² требуется солнечная тепловая масса. Точные требования меняются от климата к климату.

Современный школьный класс с естественной вентиляцией за счет открывающихся окон и открытой тепловой массы от прочного бетонного перекрытия для контроля летних температур

Тепловая масса для ограничения летнего перегрева

Тепловая масса идеально размещается внутри здания, где она защищена от прямых солнечных лучей. солнечное усиление но подвергается воздействию жителей здания. Поэтому он чаще всего ассоциируется с твердыми бетонными перекрытиями в зданиях с естественной или малоэнергетической механической вентиляцией, где бетонный потолок остается открытым для занимаемого пространства.

В течение дня тепло поступает от солнца, жителей здания и любого электрического освещения и оборудования, вызывая повышение температуры воздуха в помещении, но это тепло поглощается открытой бетонной плитой выше, 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 саман или утрамбованная земля дома. Его функция сильно зависит от отмеченных суточные колебания температуры. Стена в основном препятствует передаче тепла снаружи внутрь в течение дня. Высота объемная теплоемкость и толщина предотвращает попадание тепловой энергии на внутреннюю поверхность. Когда температура падает ночью, 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 области, которая не подвергается прямому воздействию солнечного излучения, а также позволяет вентиляция ночью, чтобы унести 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: воды имеет самую высокую объемную теплоемкость из всех обычно используемых материалов. Обычно его помещают в большой контейнер (ы), акрил трубки, например, в зоне прямого солнечного света. Его также можно использовать для пропитывания других материалов, таких как почва, для увеличения теплоемкости.
• Бетон, глиняный кирпич и другие виды кладки: теплопроводность из бетон зависит 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 сэкономить 5-8% годовых затрат на электроэнергию по сравнению с пиломатериалами хвойных пород.^[5]
• 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, потому что масса изолирована с обеих сторон.
• Глиняный кирпич, саманный кирпич или сырцовый кирпич: см. кирпич и саман.
• Земля, грязь и дерн: грязь теплоемкость зависит от его 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 настоящее время люди иногда используют укрытие земли 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 благодаря своей высокой плотности и высокой удельной теплоемкости грунта, использованного при его 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.^[6] 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 пассивное годовое накопление тепла или PAHS. Система PAHS успешно использовалась на высоте 7000 футов в Колорадо и в ряде домов в Монтане.^{[нужна цитата ]} В Земные корабли Нью-Мексико использовать пассивное отопление и охлаждение, а также использовать переработанные шины для фундаментной стены с максимальным содержанием ПАУ / СТЭ. Он также успешно использовался в Великобритании на Жилищный проект Хокертона.

Смотрите также

• Earthship
• Утрамбованная земляная стена
• Удельная теплоемкость
• Хранение тепловой энергии
• Стена для тромба

использованная литература

внешние ссылки

• Экопилот, Использование тепловой массы для повышения комфорта и энергоэффективности зданий