Masa termiczna - Thermal mass

Korzyści płynące z masy termicznej są pokazane w tym porównaniu wpływu ciężkich i lekkich konstrukcji na temperaturę wewnętrzną

W projektowaniu budynków masa termiczna jest właściwością masy budynku, która umożliwia magazynowanie ciepła, zapewniając „bezwładność” wobec wahań temperatury. Czasami nazywa się to termicznym efektem koła zamachowego . Na przykład, gdy temperatura zewnętrzna zmienia się w ciągu dnia, duża masa termiczna w izolowanej części domu może służyć do „wyrównania” dziennych wahań temperatury, ponieważ masa termiczna pochłania energię cieplną, gdy temperatura otoczenia jest wyższa niż masa i oddają energię cieplną, gdy otoczenie jest chłodniejsze, bez osiągania równowagi termicznej . Różni się to od wartości izolacyjnej materiału , która zmniejsza przewodność cieplną budynku , umożliwiając jego ogrzewanie lub chłodzenie względnie oddzielnie od otoczenia, a nawet po prostu dłuższe zatrzymywanie energii cieplnej użytkowników.

Z naukowego punktu widzenia masa termiczna jest odpowiednikiem pojemności cieplnej lub pojemności cieplnej , czyli zdolności ciała do magazynowania energii cieplnej . Jest to zwykle określane przez symbol C _TH i jego jednostka SI J / ° C lub J / k (który jest równoważny). Masę termiczną można również stosować do zbiorników wodnych, maszyn lub części maszyn, istot żywych lub dowolnej innej struktury lub ciała w inżynierii lub biologii. W tych kontekstach zwykle stosuje się termin „pojemność cieplna”.

Tło

Równanie wiążące energię cieplną z masą cieplną to:

{\ Displaystyle Q = C_ {\ operatorname {th}} \ Delta T \,}

gdzie Q to przekazana energia cieplna, C _th to masa termiczna ciała, a Δ T to zmiana temperatury.

Na przykład, jeśli do miedzianego koła zębatego o masie cieplnej 38,46 J/°C doda się 250 J energii cieplnej, jego temperatura wzrośnie o 6,50 °C. Jeżeli korpus składa się z jednorodnego materiału o dostatecznie znanych właściwościach fizycznych, to masa termiczna jest po prostu masą obecnego materiału pomnożoną przez pojemność cieplną właściwą tego materiału. W przypadku ciał wykonanych z wielu materiałów w obliczeniach można wykorzystać sumę pojemności cieplnych ich czystych składników lub w niektórych przypadkach (np. dla całego zwierzęcia) liczbę tę można po prostu zmierzyć dla całego ciała, o którym mowa, bezpośrednio.

Jako właściwość rozległa , pojemność cieplna jest charakterystyczna dla obiektu; odpowiadającą mu właściwością intensywną jest pojemność cieplna właściwa, wyrażona jako miara ilości materiału, taka jak masa lub liczba moli, którą należy pomnożyć przez podobne jednostki, aby uzyskać pojemność cieplną całego materiału. Zatem pojemność cieplną można równoważnie obliczyć jako iloczyn masy m ciała i ciepła właściwego c materiału lub iloczynu liczby moli obecnych cząsteczek n i molowej pojemności cieplnej . Aby omówić, dlaczego zdolność czystych substancji do magazynowania energii cieplnej jest różna, zobacz czynniki, które wpływają na właściwą pojemność cieplną . ${\bar {c}}$

Dla ciała o jednolitym składzie można przybliżyć przez $C_{th}$

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

gdzie jest masą ciała i jest izobaryczną pojemnością cieplną materiału uśrednioną w danym zakresie temperatur. W przypadku korpusów składających się z wielu różnych materiałów, masy termiczne różnych komponentów można po prostu dodać razem. ${\ Displaystyle m}$ $c_{p}$

Masa termiczna w budynkach

Masa termiczna skutecznie poprawia komfort budynku w każdym miejscu, w którym występują tego typu dobowe wahania temperatury – zarówno zimą, jak i latem. Dobrze wykorzystana i połączona z pasywną konstrukcją słoneczną , masa termiczna może odegrać ważną rolę w znacznej redukcji zużycia energii w aktywnych systemach ogrzewania i chłodzenia . Stosowanie materiałów z masą termiczną jest najkorzystniejsze, gdy występuje duża różnica temperatur zewnętrznych w ciągu dnia i nocy (lub, gdy temperatura w nocy jest o co najmniej 10 stopni niższa niż nastawa termostatu). Terminy ciężki i lekki są często używane do opisu budynków o różnych strategiach masy termicznej i wpływają na wybór współczynników liczbowych wykorzystywanych w późniejszych obliczeniach w celu opisania ich reakcji termicznej na ogrzewanie i chłodzenie. W inżynierii usług budowlanych zastosowanie oprogramowania do modelowania obliczeniowego symulacji dynamicznej pozwoliło na dokładne obliczenie efektywności środowiskowej w budynkach o różnych konstrukcjach i dla różnych rocznych zbiorów danych klimatycznych. Pozwala to architektowi lub inżynierowi na szczegółowe zbadanie zależności między konstrukcjami ciężkimi i lekkimi, a także poziomami izolacji, w zmniejszaniu zużycia energii w mechanicznych systemach grzewczych lub chłodzących , a nawet całkowitym wyeliminowaniu takich systemów.

Właściwości wymagane dla dobrej masy termicznej

Idealnymi materiałami na masę termiczną są te materiały, które posiadają:

wysoka pojemność cieplna właściwa ,
wysoka gęstość

Każde ciało stałe, ciecz lub gaz, które mają masę, będą miały pewną masę termiczną. Powszechnym błędem jest przekonanie, że tylko beton lub ziemia ma masę termiczną; nawet powietrze ma masę termiczną (choć bardzo małą).

Dostępna jest tabela objętościowej pojemności cieplnej materiałów budowlanych, ale należy pamiętać, że ich definicja masy termicznej jest nieco inna.

Wykorzystanie masy termicznej w różnych klimatach

Prawidłowe wykorzystanie i zastosowanie masy termicznej zależy od klimatu panującego w danej dzielnicy.

Umiarkowany i zimny klimat umiarkowany

Masa termiczna wystawiona na działanie słońca

Masa termiczna jest idealnie umieszczona wewnątrz budynku i usytuowana tam, gdzie nadal może być wystawiona na działanie światła słonecznego pod małym kątem (przez okna), ale izolowana od strat ciepła. Latem ta sama masa termiczna powinna być zasłonięta przed letnim światłem słonecznym pod większym kątem, aby zapobiec przegrzaniu konstrukcji.

Masa termiczna ogrzewana jest pasywnie przez słońce lub dodatkowo przez wewnętrzne systemy grzewcze w ciągu dnia. Energia cieplna zmagazynowana w masie jest następnie w nocy uwalniana z powrotem do wnętrza. Istotne jest, aby był on używany w połączeniu ze standardowymi zasadami projektowania pasywnej energii słonecznej .

Można zastosować dowolną formę masy termicznej. Jednym z łatwych rozwiązań jest fundament z płyty betonowej pozostawiony odsłonięty lub pokryty materiałami przewodzącymi, np. płytkami. Inną nowatorską metodą jest umieszczenie od wewnątrz murowanej elewacji domu o konstrukcji szkieletowej („fornir z cegły odwróconej”). Masę termiczną w tej sytuacji najlepiej nakładać na dużą powierzchnię, a nie na duże objętości lub grubości. Często wystarcza 7,5–10 cm (3″–4″).

Ponieważ najważniejszym źródłem energii cieplnej jest Słońce, ważnym czynnikiem do rozważenia jest stosunek przeszklenia do masy termicznej. Opracowano różne formuły, aby to określić. Zgodnie z ogólną zasadą, dodatkowa masa termiczna wystawiona na działanie promieni słonecznych musi być zastosowana w stosunku od 6:1 do 8:1 dla dowolnego obszaru oszklenia skierowanego na słońce (zwróconego na północ na półkuli południowej lub skierowanego na południe na półkuli północnej) powyżej 7% całkowitej powierzchni. Na przykład dom o powierzchni 200 m ² z 20 m ² przeszklenia skierowanego na słońce ma 10% przeszklenia na całkowitą powierzchnię podłogi; 6 m ² tego przeszklenia będzie wymagało dodatkowej masy termicznej. W związku z tym, stosując 6: 1 do 8: 1 stosunek powyżej, dodatkowe 36-48 m ² jest wymagane masy słonecznej naświetlonych. Dokładne wymagania różnią się w zależności od klimatu.

Nowoczesna sala szkolna z naturalną wentylacją poprzez otwieranie okien i odsłoniętą masę termiczną z podsufitki z litego betonu, aby pomóc kontrolować temperatury latem

Masa termiczna ograniczająca przegrzewanie w okresie letnim

Masa termiczna jest idealnie umieszczona w budynku, gdzie jest osłonięta przed bezpośrednim nasłonecznieniem, ale wystawiona na działanie użytkowników budynku. Jest to zatem najczęściej kojarzone z litymi betonowymi płytami stropowymi w budynkach wentylowanych naturalnie lub niskoenergetycznie wentylowanych mechanicznie, w których betonowa podbitka jest wystawiona na zajmowaną przestrzeń.

W ciągu dnia ciepło jest pozyskiwane ze słońca, osób przebywających w budynku oraz oświetlenia i sprzętu elektrycznego, co powoduje wzrost temperatury powietrza w przestrzeni, ale ciepło to jest pochłaniane przez znajdującą się powyżej płytę z betonu licowego, co ogranicza wzrost temperatury w przestrzeni mieścić się na akceptowalnym poziomie komfortu cieplnego człowieka. Ponadto niższa temperatura powierzchni płyty betonowej pochłania również ciepło promieniowania bezpośrednio od mieszkańców, co również wpływa na ich komfort termiczny.

Pod koniec dnia płyta z kolei się nagrzewa, a teraz, gdy temperatura zewnętrzna spada, ciepło może zostać uwolnione, a płyta schłodzona, gotowa na początek następnego dnia. Jednak ten proces „regeneracji” jest skuteczny tylko wtedy, gdy system wentylacji budynku działa w nocy w celu odprowadzenia ciepła z płyty. W budynkach z naturalną wentylacją normalne jest zapewnianie automatycznych otworów okiennych, aby automatycznie ułatwić ten proces.

Gorące, suche klimaty (np. pustynia)

Budynek otoczony murem z cegły w Santa Fe w Nowym Meksyku

Jest to klasyczne zastosowanie masy termicznej. Przykładami mogą tu być domy z gliny , ubitej ziemi lub bloków wapiennych . Jego działanie jest silnie uzależnione od znacznych dobowych wahań temperatury . Ściana działa głównie w celu spowolnienia przepływu ciepła z zewnątrz do wewnątrz w ciągu dnia. Wysoka wolumetryczna pojemność cieplna i grubość zapobiega przedostawaniu się energii cieplnej do wewnętrznej powierzchni. Kiedy temperatura spada w nocy, ściany ponownie wypromieniowują energię cieplną z powrotem na nocne niebo. W tej aplikacji ważne jest, aby takie ściany były masywne, aby zapobiec przenoszeniu ciepła do wnętrza.

Gorące wilgotne klimaty (np. subtropikalny i tropikalny)

Wykorzystanie masy termicznej jest największym wyzwaniem w tym środowisku, w którym temperatury w nocy pozostają podwyższone. Jego zastosowanie to przede wszystkim tymczasowy radiator. Jednak musi być strategicznie zlokalizowany, aby zapobiec przegrzaniu. Powinien być umieszczony w miejscu, które nie jest bezpośrednio narażone na nasłonecznienie, a także umożliwia odpowiednią wentylację w nocy, aby odprowadzać zmagazynowaną energię bez dalszego zwiększania temperatury wewnętrznej. Jeśli w ogóle ma być stosowany, powinien być stosowany w rozsądnych ilościach i ponownie nie w dużych grubościach.

Materiały powszechnie stosowane do masy termicznej

Woda: woda ma największą objętościową pojemność cieplną ze wszystkich powszechnie stosowanych materiałów. Zazwyczaj umieszcza się go w dużym pojemniku (pojemnikach), na przykład tubie akrylowej , w miejscu bezpośrednio nasłonecznionym. Może być również stosowany do nasycania innych rodzajów materiałów, takich jak gleba, w celu zwiększenia pojemności cieplnej.
Betonu, cegieł z gliny i inne rodzaje murów: THE przewodności cieplnej z betonem w zależności od jej składu oraz techniki sieciowania. Betony z kamieniami są bardziej przewodzące ciepło niż betony z popiołem, perlitem, włóknami i innymi kruszywami izolacyjnymi. Właściwości masy termicznej betonu pozwalają zaoszczędzić 5-8% rocznych kosztów energii w porównaniu z tarcicą iglastą.
Izolowane płyty betonowe składają się z wewnętrznej warstwy betonu zapewniającej współczynnik masy termicznej. Jest on izolowany od zewnątrz konwencjonalną pianką izolacyjną, a następnie ponownie pokryty zewnętrzną warstwą betonu. Efektem jest wysoce wydajna przegroda izolacyjna budynku.
Izolacyjne formy betonowe są powszechnie stosowane w celu zapewnienia masy termicznej konstrukcji budowlanych. Izolacyjne formy betonowe zapewniają właściwą pojemność cieplną i masę betonu. Bezwładność cieplna konstrukcji jest bardzo duża, ponieważ masa jest izolowana z obu stron.
Cegła gliniana, cegła adobowa lub cegła mułowa: patrz cegła i cegła adobe .
Ziemia, błoto i darń: pojemność cieplna brudu zależy od jego gęstości, zawartości wilgoci, kształtu cząstek, temperatury i składu. Pierwsi osadnicy w Nebrasce budowali domy o grubych ścianach z ziemi i darni, ponieważ brakowało drewna, kamienia i innych materiałów budowlanych. Ekstremalna grubość ścian zapewniała pewną izolację, ale głównie służyła jako masa termiczna, pochłaniająca energię cieplną w ciągu dnia i uwalniająca ją w nocy. W dzisiejszych czasach ludzie czasami używają osłon ziemnych wokół swoich domów, aby uzyskać ten sam efekt. W osłonach ziemnych masa termiczna pochodzi nie tylko ze ścian budynku, ale z otaczającej go ziemi, która ma fizyczny kontakt z budynkiem. Zapewnia to dość stałą, umiarkowaną temperaturę, która zmniejsza przepływ ciepła przez sąsiednią ścianę.
Wbił ziemio wbił ziemia zapewnia doskonałą masę termiczną z powodu jego dużej gęstości, a także wysoką pojemność cieplną gruntu stosowanego w budownictwie.
Naturalna skała i kamień: patrz kamieniarstwo .
Bale są wykorzystywane jako materiał budowlany do tworzenia zewnętrznych, a być może również wewnętrznych ścian domów. Domy z bali różnią się od niektórych innych materiałów budowlanych wymienionych powyżej, ponieważ lite drewno ma zarówno umiarkowaną wartość R (izolacyjność), jak i znaczną masę termiczną. Natomiast woda, ziemia, skały i beton mają niskie wartości R. Ta masa termiczna pozwala domowi z bali lepiej utrzymywać ciepło w chłodniejsze dni i lepiej utrzymywać chłodniejszą temperaturę w cieplejsze dni.
Materiały zmiennofazowe

Sezonowe magazynowanie energii

Jeśli zastosuje się wystarczającą masę, może to stworzyć przewagę sezonową. Oznacza to, że zimą może się nagrzewać, a latem chłodzić. Jest to czasami nazywane pasywnym rocznym magazynowaniem ciepła lub PAHS. System PAHS jest z powodzeniem stosowany na wysokości 7000 stóp w Kolorado oraz w wielu domach w Montanie. W Earthships Nowy Meksyk wykorzystać pasywnego ogrzewania i chłodzenia, a także z wykorzystaniem przetworzonych opon do ściany fundamentowej uzyskując maks WWA / stes. Został również z powodzeniem wykorzystany w Wielkiej Brytanii w Hockerton Housing Project .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Ecopilot , wykorzystanie masy termicznej w celu poprawy komfortu budynków i efektywności energetycznej

Languages

In other projects