Tepelná hmotnost - Thermal mass

Výhoda tepelné hmoty je ukázána v tomto srovnání toho, jak těžké a lehké konstrukce ovlivňují vnitřní teplotu

V projektování budov je tepelná hmotnost vlastností hmoty budovy, která jí umožňuje uchovávat teplo a poskytuje „setrvačnost“ proti teplotním výkyvům. Někdy je také znám jako tepelný setrvačník . Například když venkovní teploty kolísají po celý den, velká tepelná hmota v izolované části domu může sloužit k „vyrovnání“ denních teplotních výkyvů, protože tepelná hmota pohltí tepelnou energii, pokud má okolí vyšší teplotu než je hmotnost, a vracet tepelnou energii zpět, když je okolí chladnější, aniž by dosáhlo tepelné rovnováhy . To se liší od izolační hodnoty materiálu , která snižuje tepelnou vodivost budovy , což umožňuje její vytápění nebo chlazení relativně odděleně od vnějšku, nebo dokonce déle uchovává tepelnou energii obyvatel.

Vědecky je tepelná hmotnost ekvivalentní tepelné kapacitě nebo tepelné kapacitě , schopnosti těla ukládat tepelnou energii . Obvykle se na něj odkazuje symbolem C _th a jeho jednotkou SI je J/° C nebo J/K (které jsou ekvivalentní). Tepelnou hmotu lze také použít pro vodní útvary, stroje nebo části strojů, živé bytosti nebo jakoukoli jinou strukturu nebo těleso ve strojírenství nebo biologii. V těchto kontextech se místo toho obvykle používá termín „tepelná kapacita“.

Pozadí

Rovnice vztahující tepelnou energii k tepelné hmotě je:

{\ displaystyle Q = C _ {\ mathrm {th}} \ Delta T \,}

kde Q je přenesená tepelná energie, C _th je tepelná hmotnost tělesa a Δ T je změna teploty.

Pokud se například do měděného ozubeného kola s tepelnou hmotností 38,46 J/° C přidá 250 J tepelné energie, zvýší se jeho teplota o 6,50 ° C. Pokud se těleso skládá z homogenního materiálu s dostatečně známými fyzikálními vlastnostmi, je tepelná hmotnost jednoduše hmotou přítomného materiálu krát měrnou tepelnou kapacitou tohoto materiálu. U těl vyrobených z mnoha materiálů lze při výpočtu použít součet tepelných kapacit jejich čistých složek nebo v některých případech (například u celého zvířete) lze počet jednoduše změřit pro celé dotyčné tělo, přímo.

Jako rozsáhlá vlastnost je pro objekt charakteristická tepelná kapacita; jeho odpovídající intenzivní vlastností je specifická tepelná kapacita, vyjádřená jako míra množství materiálu, jako je hmotnost nebo počet krtků, která musí být vynásobena podobnými jednotkami, aby se získala tepelná kapacita celého těla materiálu. Tepelnou kapacitu lze tedy ekvivalentně vypočítat jako součin hmotnosti m tělesa a měrné tepelné kapacity c pro materiál nebo součin počtu molů přítomných molekul n a molární měrné tepelné kapacity . Diskuse o tom, proč se schopnosti akumulace tepelné energie čistých látek liší, viz faktory, které ovlivňují specifickou tepelnou kapacitu . ${\ displaystyle {\ bar {c}}}$

Pro tělo jednotného složení lze aproximovat pomocí ${\ displaystyle C_ {th}}$

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

kde je hmotnost tělesa a je izobarická měrná tepelná kapacita materiálu zprůměrovaná v daném teplotním rozsahu. U těles složených z mnoha různých materiálů lze tepelné hmoty pro různé součásti sečíst. ${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle c_ {p}}$

Tepelná hmota v budovách

Tepelná hmota účinně zlepšuje komfort budovy na jakémkoli místě, kde dochází k těmto typům denních teplotních výkyvů - jak v zimě, tak v létě. Při dobrém použití a v kombinaci s pasivním solárním designem může tepelná hmota hrát důležitou roli při zásadním snížení spotřeby energie v aktivních systémech vytápění a chlazení . Použití materiálů s tepelnou hmotou je nejvýhodnější tam, kde je velký rozdíl ve venkovních teplotách ze dne na noc (nebo kde jsou noční teploty alespoň o 10 stupňů chladnější než nastavená hodnota termostatu). Termíny těžká a nízká hmotnost se často používají k popisu budov s různými strategiemi tepelné hmoty a ovlivňují výběr numerických faktorů použitých v následných výpočtech k popisu jejich tepelné reakce na vytápění a chlazení. V oblasti inženýrských služeb budov umožnilo použití softwaru pro výpočetní modelování dynamické simulace přesný výpočet vlivu prostředí na budovy s různými konstrukcemi a pro různé roční datové soubory o klimatu. To umožňuje architektovi nebo inženýrovi podrobně prozkoumat vztah mezi těžkými a lehkými konstrukcemi a také úrovně izolace při snižování spotřeby energie pro mechanické topné nebo chladicí systémy nebo dokonce pro úplné odstranění potřeby takových systémů.

Vlastnosti požadované pro dobrou tepelnou hmotnost

Ideálními materiály pro tepelnou hmotu jsou materiály, které mají:

vysoká měrná tepelná kapacita ,
vysoká hustota

Jakákoli pevná látka, kapalina nebo plyn, který má hmotnost, bude mít určitou tepelnou hmotnost. Běžná mylná představa je, že pouze betonová nebo zemská půda má tepelnou hmotnost; i vzduch má tepelnou hmotnost (i když velmi malou).

K dispozici je tabulka objemové tepelné kapacity stavebních materiálů, ale všimněte si, že jejich definice tepelné hmoty se mírně liší.

Využití tepelné hmoty v různých klimatických podmínkách

Správné použití a aplikace tepelné hmoty závisí na převládajícím klimatu v dané oblasti.

Mírné a studené mírné podnebí

Tepelná hmota vystavená slunečnímu záření

Tepelná hmota je ideálně umístěna uvnitř budovy a umístěna tam, kde může být stále vystavena nízkému úhlu zimního slunečního světla (přes okna), ale izolována od tepelných ztrát. V létě by měla být stejná tepelná hmota zakryta letním slunečním zářením s vyšším úhlem, aby se předešlo přehřívání konstrukce.

Tepelná hmota se během dne ohřívá pasivně sluncem nebo dodatečně vnitřními topnými systémy. Tepelná energie uložená v hmotě se pak během noci uvolňuje zpět do interiéru. Je nezbytné, aby byl použit ve spojení se standardními principy pasivního solárního designu .

Lze použít jakoukoli formu tepelné hmoty. Základem betonové desky buď ponechané odkryté nebo pokryté vodivými materiály, např. Dlaždicemi, je jedno snadné řešení. Další novou metodou je umístění zděné fasády dřevěného domu na vnitřní stranu („dýha z reverzních cihel“). Tepelná hmota se v této situaci nejlépe aplikuje na velkou plochu, než ve velkých objemech nebo tloušťkách. 7,5–10 cm (3 ″ –4 ″) je často dostačující.

Vzhledem k tomu, že nejdůležitějším zdrojem tepelné energie je Slunce, je poměr glazování k tepelné hmotnosti důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu. Byly navrženy různé vzorce, jak to určit. Jako obecné pravidlo platí, že další solární exponovaná tepelná hmota musí být aplikována v poměru od 6: 1 do 8: 1 pro jakoukoli oblast zasklení směřujícího ke slunci (severní orientace na jižní polokouli nebo jižní orientace na severní polokouli) 7% z celkové podlahové plochy. Například dům 200 m ² s 20 m ² zasklení orientovaného proti slunci má 10% zasklení z celkové podlahové plochy; 6 m ² tohoto zasklení bude vyžadovat dodatečnou tepelnou hmotu. Proto je při použití výše uvedeného poměru 6: 1 až 8: 1 zapotřebí dalších 36–48 m ² sluneční hmoty vystavené slunečnímu záření. Přesné požadavky se liší podle podnebí.

Moderní školní třída s přirozeným větráním otevřením oken a odkrytou tepelnou hmotou z pevného betonového podlahového podhledu, která pomáhá kontrolovat letní teploty

Tepelná hmota pro omezení letního přehřívání

Tepelná hmota je ideálně umístěna v budově, kde je chráněna před přímým slunečním ziskem, ale je vystavena obyvatelům budovy. Proto je nejčastěji spojován s pevnými betonovými podlahovými deskami v přirozeně větraných nebo nízkoenergetických mechanicky větraných budovách, kde je betonový podhled vystaven obývanému prostoru.

Během dne se teplo získává ze slunce, obyvatel budovy a jakéhokoli elektrického osvětlení a zařízení, což způsobuje zvýšení teploty vzduchu v prostoru, ale toto teplo je absorbováno odkrytou betonovou deskou výše, což omezuje nárůst teploty v prostoru, aby byl v přijatelných úrovních pro tepelný komfort člověka. Nižší povrchová teplota betonové desky navíc pohlcuje sálavé teplo přímo od obyvatel, což také prospívá jejich tepelnému komfortu.

Na konci dne se deska zase zahřeje a nyní, když se vnější teploty snižují, lze teplo uvolnit a deska vychladnout, připravena na začátek dalšího dne. Tento „regenerační“ proces je však účinný pouze tehdy, pokud je ventilační systém budovy provozován v noci, aby odváděl teplo z desky. V přirozeně větraných budovách je normální zajistit automatické okenní otvory, které tento proces automaticky usnadní.

Horké a suché podnebí (např. Poušť)

Budova opevněná zdmi v Santa Fe v Novém Mexiku

Jedná se o klasické použití tepelné hmoty. Mezi příklady patří adobe , vrazená země nebo vápencové blokové domy. Jeho funkce je velmi závislá na výrazných denních teplotních změnách . Stěna během dne převážně působí tak, že zpomaluje přenos tepla z exteriéru do interiéru. Vysoká objemová tepelná kapacita a tloušťka zabraňují tomu, aby se tepelná energie dostala na vnitřní povrch. Když teploty v noci klesnou, stěny znovu vyzařují tepelnou energii zpět na noční oblohu. V této aplikaci je důležité, aby takové stěny byly masivní, aby se zabránilo přenosu tepla do interiéru.

Horké vlhké podnebí (např. Subtropické a tropické)

Využití tepelné hmoty je v tomto prostředí, kde noční teploty zůstávají zvýšené, nejnáročnější. Jeho použití je především jako dočasný chladič. Musí však být strategicky umístěn, aby se předešlo přehřívání. Měl by být umístěn v prostoru, který není přímo vystaven slunečnímu zisku, a také umožňuje v noci dostatečné větrání, které odvádí uloženou energii, aniž by se dále zvyšovaly vnitřní teploty. Pokud má být vůbec použit, měl by být použit v rozumném množství a opět ne ve velkých tloušťkách.

Materiály běžně používané pro tepelnou hmotu

Voda: voda má nejvyšší objemovou tepelnou kapacitu ze všech běžně používaných materiálů. Obvykle je umístěn ve velkých nádobách, například akrylových trubkách, v oblasti s přímým slunečním zářením. Může být také použit k nasycení jiných typů materiálů, jako je půda, ke zvýšení tepelné kapacity.
Betonu, cihel a další formy zdiva: The tepelná vodivost z betonu závisí na jeho složení a vytvrzovací technikou. Betony s kameny jsou tepelně vodivější než betony s popelem, perlitem, vlákny a jinými izolačními agregáty. Vlastnosti tepelné hmoty betonu ušetří 5–8% ročních nákladů na energii ve srovnání s řezivem z měkkého dřeva.
Panely z izolovaného betonu se skládají z vnitřní vrstvy betonu, která zajišťuje součinitel tepelné hmoty. Ta je zvenčí izolována běžnou pěnovou izolací a poté opět pokryta vnější vrstvou betonu. Výsledkem je vysoce účinný izolační plášť budovy.
Izolační betonové formy se běžně používají k poskytování tepelné hmoty stavebním konstrukcím. Izolační betonové formy poskytují specifickou tepelnou kapacitu a hmotnost betonu. Tepelná setrvačnost konstrukce je velmi vysoká, protože hmota je izolována na obou stranách.
Clay brick, adobe brick or mudbrick: see brick and adobe .
Země, bláto a drny: tepelná kapacita nečistot závisí na jejich hustotě, obsahu vlhkosti, tvaru částic, teplotě a složení. První osadníci do Nebrasky stavěli domy s tlustými zdmi z hlíny a drnu, protože dřeva, kamene a dalších stavebních materiálů bylo málo. Extrémní tloušťka stěn poskytovala určitou izolaci, ale hlavně sloužila jako tepelná hmota, která absorbovala tepelnou energii ve dne a uvolňovala ji v noci. V dnešní době lidé někdy používají ke stejnému účinku úkryt kolem svých domovů. Při úkrytu Země tepelná hmota nepochází pouze ze stěn budovy, ale z okolní Země, která je ve fyzickém kontaktu s budovou. To poskytuje poměrně konstantní, zmírňující teplotu, která snižuje tok tepla sousední stěnou.
Vrazená země: vrazená země poskytuje díky své vysoké hustotě a vysoké měrné tepelné kapacitě půdy použité při její konstrukci vynikající tepelnou hmotu.
Přírodní kámen a kámen: viz kameníctví .
Klády se používají jako stavební materiál k vytvoření vnějších, a možná i vnitřních stěn domů. Srubové domy se liší od některých dalších výše uvedených stavebních materiálů, protože masivní dřevo má jak průměrnou hodnotu R (izolace), tak také významnou tepelnou hmotnost. Naopak voda, země, kameny a beton mají nízké hodnoty R. Tato tepelná hmota umožňuje srubovému domu lépe udržovat teplo v chladnějším počasí a lépe si uchovávat chladnější teplotu v teplejším počasí.
Materiály s fázovou změnou

Sezónní skladování energie

Pokud je použito dostatečné množství hmoty, může to vytvořit sezónní výhodu. To znamená, že může v zimě topit a v létě chladit. Někdy se tomu říká pasivní roční skladování tepla nebo PAHS. Systém PAHS byl úspěšně použit na 7 000 stop v Coloradu a v řadě domů v Montaně. K Earthships nového Mexika využít pasivního vytápění a chlazení, jakož i použití recyklovaných pneumatik pro základové zdi, čímž se získal maximální PAU / STES. Úspěšně byl také použit ve Velké Británii v Hockerton Housing Project .

Viz také

Reference

externí odkazy

Ecopilot , využití tepelné hmoty ke zlepšení komfortu budov a energetické účinnosti

Languages

In other projects