В строительном проектировании тепловая масса — это свойство материи здания, которому для изменения температуры требуется поток тепла. В научной литературе предпочтительнее термин « теплоемкость ». Иногда его называют эффектом теплового маховика . [1] Тепловая масса тяжелых структурных элементов может быть спроектирована для работы вместе с более легкими компонентами теплового сопротивления конструкции для создания энергоэффективных зданий .
Например, когда наружная температура колеблется в течение дня, большая тепловая масса внутри изолированной части дома может служить для «выравнивания» суточных колебаний температуры, поскольку тепловая масса будет поглощать тепловую энергию, когда окружающая среда имеет более высокую температуру, чем масса, и отдавать тепловую энергию обратно, когда окружающая среда более холодная, не достигая теплового равновесия . Это отличается от изоляционного значения материала , которое снижает теплопроводность здания , позволяя его нагревать или охлаждать относительно отдельно от внешней среды или даже просто дольше сохранять тепловую энергию жильцов.
С научной точки зрения тепловая масса эквивалентна теплоемкости или теплоемкости , способности тела хранить тепловую энергию . Обычно она обозначается символом C th , а ее единицей измерения в системе СИ является Дж/К или Дж/°C (что эквивалентно). Тепловая масса может также использоваться для водоемов, машин или деталей машин, живых существ или любых других структур или тел в инженерии или биологии. В этих контекстах вместо нее обычно используется термин «теплоемкость».
Уравнение, связывающее тепловую энергию с тепловой массой, имеет вид:
где Q — переданная тепловая энергия, C th — тепловая масса тела, а Δ T — изменение температуры.
Например, если 250 Дж тепловой энергии добавить к медной шестерне с тепловой массой 38,46 Дж/°C, ее температура повысится на 6,50 °C. Если тело состоит из однородного материала с достаточно известными физическими свойствами, тепловая масса — это просто масса присутствующего материала, умноженная на удельную теплоемкость этого материала. Для тел, состоящих из многих материалов, в расчете может использоваться сумма теплоемкостей их чистых компонентов, или в некоторых случаях (например, для целого животного) число может быть просто измерено для всего рассматриваемого тела напрямую.
Как экстенсивное свойство , теплоемкость является характеристикой объекта; ее соответствующее интенсивное свойство — удельная теплоемкость, выраженная в терминах меры количества материала, такой как масса или число молей, которые должны быть умножены на подобные единицы, чтобы получить теплоемкость всего тела материала. Таким образом, теплоемкость может быть эквивалентно рассчитана как произведение массы m тела и удельной теплоемкости c для материала, или как произведение числа молей присутствующих молекул n и молярной удельной теплоемкости . Для обсуждения того, почему способности чистых веществ сохранять тепловую энергию различаются, см. факторы, которые влияют на удельную теплоемкость .
Для тела однородного состава можно аппроксимировать выражением
где — масса тела, а — 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 здания в любом месте, где наблюдаются такие типы суточных колебаний температуры — как зимой, так и летом. При правильном использовании и в сочетании с пассивным солнечным проектированием тепловая масса может играть важную роль в значительном сокращении потребления энергии в активных системах отопления и охлаждения . Использование материалов с тепловой массой наиболее выгодно там, где существует большая разница в наружных температурах днем и ночью (или где ночные температуры по крайней мере 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 инженерии инженерных систем зданий использование программного обеспечения для динамического имитационного вычислительного моделирования позволило точно рассчитать экологические показатели в зданиях с различными конструкциями и для различных 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 исключить необходимость в таких системах.
Идеальными материалами для тепловой массы являются те материалы, которые имеют:
Любое твердое тело, жидкость или газ будут иметь некоторую термическую массу. Распространенное заблуждение заключается в том, что только бетон или земля имеют термическую массу; даже воздух имеет термическую массу (хотя и очень малую).
Таблица объемной теплоемкости строительных материалов доступна [3] , но следует отметить, 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 располагается там, где она все еще может подвергаться воздействию зимнего солнечного света под низким углом (через окна), но изолирована от потери тепла. Летом та же тепловая масса должна быть скрыта от летнего солнечного света под высоким углом, чтобы предотвратить перегрев конструкции.
Тепловая масса нагревается пассивно солнцем или дополнительно внутренними системами отопления в течение дня. Тепловая энергия, накопленная в массе, затем высвобождается обратно вовнутрь в течение ночи. Важно, чтобы она использовалась в сочетании со стандартными принципами пассивного солнечного проектирования .
Можно использовать любую форму тепловой массы. Бетонный фундамент из плиты, оставленный открытым или покрытый проводящими материалами, например, плиткой, является одним из простых решений. Другой новый метод — разместить каменный фасад каркасного дома изнутри («обратный кирпичный шпон»). Тепловая масса в этой ситуации лучше всего применяется на большой площади, а не в больших объемах или толщинах. 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 для рассмотрения. Для определения этого были разработаны различные формулы. [4] Как правило, дополнительная солнечная тепловая масса должна применяться в соотношении от 6:1 до 8:1 для любой области остекления, обращенной к солнцу (на север в Южном полушарии или на юг в Северном полушарии), свыше 7% от общей площади пола. Например, дом площадью 200 м2 с 20 м2 остекления , обращенного к солнцу, имеет 10% остекления от общей площади пола; 6 м2 этого остекления потребуют дополнительной тепловой массы. Следовательно, используя соотношение 6:1 к 8:1, указанное выше, требуется дополнительно 36–48 м2 солнечной тепловой массы. Точные требования различаются в зависимости от климата.
Тепловая масса идеально размещается внутри здания, где она защищена от прямого солнечного излучения , но открыта для жильцов. Поэтому она чаще всего ассоциируется с сплошными бетонными плитами перекрытия в зданиях с естественной вентиляцией или низкоэнергетическими механическими вентиляционными сооружениями, где бетонный потолок остается открытым для жилого пространства.
В течение дня тепло поступает от солнца, от людей, находящихся в здании, и от любого электрического освещения и оборудования, что приводит к повышению температуры воздуха в помещении, но это тепло поглощается открытой бетонной плитой, расположенной выше, тем самым ограничивая повышение температуры в помещении до приемлемого уровня для теплового комфорта человека. 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, по мере снижения внешней температуры, тепло может быть высвобождено, и плита охлаждается, готовая к началу следующего дня. Однако этот процесс «регенерации» эффективен только в том случае, если система вентиляции здания работает ночью, чтобы отводить тепло от плиты. В зданиях с естественной вентиляцией обычно предусматривают автоматизированные оконные проемы, чтобы автоматически облегчить этот процесс.
Это классическое использование тепловой массы. Примерами являются дома из самана , утрамбованной земли или известняковых блоков. Его функция в значительной степени зависит от выраженных суточных колебаний температуры . Стена в основном действует, чтобы задержать передачу тепла снаружи внутрь в течение дня. Высокая объемная теплоемкость и толщина не позволяют тепловой энергии достигать внутренней поверхности. Когда температура ночью падает, стены повторно излучают тепловую энергию обратно в ночное небо. В этом применении важно, чтобы такие стены были массивными, чтобы предотвратить передачу тепла внутрь.
Использование тепловой массы является наиболее сложным в этой среде, где ночные температуры остаются повышенными. Она используется в первую очередь как временный поглотитель тепла. Однако ее необходимо стратегически расположить, чтобы предотвратить перегрев. Ее следует размещать в месте, которое не подвергается прямому воздействию солнечного света, а также обеспечивать достаточную вентиляцию ночью для отвода накопленной энергии без дальнейшего повышения внутренней температуры. Если ее вообще использовать, то ее следует использовать в разумных количествах и, опять же, не большой толщины.
Если используется достаточно массы, это может создать сезонное преимущество. То есть, он может обогревать зимой и охлаждать летом. Иногда это называют пассивным годовым хранением тепла или PAHS. Система PAHS успешно использовалась на высоте 7000 футов в Колорадо и в ряде домов в Монтане. [ необходима цитата ] Earthships of New Mexico используют пассивное отопление и охлаждение, а также используют переработанные шины для фундаментной стены, обеспечивая максимальный PAHS/STES. Она также успешно использовалась в Великобритании в проекте Hockerton Housing Project .
