В проектировании зданий тепловая масса — это свойство массы здания, которое позволяет ему сохранять тепло и обеспечивать инерцию против колебаний температуры. Иногда его называют эффектом теплового маховика . [1] Тепловая масса тяжелых структурных элементов может быть спроектирована так, чтобы работать вместе с более легкими компонентами конструкции с термическим сопротивлением 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 . Это отличается от изоляционных свойств материала , которые снижают теплопроводность здания , 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».
Уравнение, связывающее тепловую энергию с тепловой массой:
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 эквивалентным образом рассчитана как произведение массы m тела и удельной теплоемкости c материала или как произведение количества молей присутствующих молекул n и молярной удельной теплоемкости . Для обсуждения того, почему способность чистых веществ хранить тепловую энергию различается, см. Факторы, влияющие на удельную теплоемкость .
Для тела однородного состава можно аппроксимировать формулой
где – масса тела, – 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 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). [2] 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 отопление 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.
Идеальными материалами по термической массе являются те материалы, которые обладают:
Любое твердое тело, жидкость или газ, имеющие массу , будет иметь некоторую тепловую массу. Распространенным заблуждением является то, что только бетон или земляной грунт имеют тепловую массу; даже воздух имеет тепловую массу (хотя и очень небольшую).
Таблица объемной теплоемкости строительных материалов доступна [3] , но обратите внимание, что их определение тепловой массы немного отличается.
Правильное использование и применение тепловой массы зависит от преобладающего климата в районе.
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 эту 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 использовать его 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. [4] Как правило, дополнительная тепловая масса, подвергающаяся воздействию солнечного света, должна применяться 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). ) остекление площадью более 7% от общей площади пола. Например, дом площадью 200 м 2 с 20 м 2 солнечного остекления имеет 10% остекления от общей площади; 6 м 2 такого остекления потребуют дополнительной тепловой массы. Таким образом, при использовании приведенного выше соотношения от 6:1 до 8:1 потребуется дополнительно 36–48 м 2 солнечной тепловой массы. Точные требования варьируются от климата к климату.
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.
Это классическое использование тепловой массы. Примеры включают глинобитные , утрамбованные земляные или блочные дома из известняка . 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.
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.
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. [ нужна цитата ] Земные корабли Нью-Мексико используют пассивное отопление и охлаждение, а также используют переработанные шины для фундаментной стены, что дает максимальный уровень PAHS/STES. Он также успешно использовался в Великобритании в жилищном проекте Хокертон .
