VẬT LÝ KIẾN TRÚC CHƯƠNG 3 (2): TRUYỀN NHIỆT VÀ CÁCH NHIỆT CỦA KẾT CẤU BAO CHE

3.2. Cách nhiệt kết cấu mùa lạnh
3.2.1. Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều
- Giả thiết:
+ Mùa lạnh, nhiệt độ bên trong>nhiệt độ bên
ngoài nhà: t
t
> t
n
,
+ Coi BXMT: I = 0;
+ Coi: tn = const, tt = const;
Vì vậy đảm bảo bài toán truyền nhiệt ổn đinh: q =
const, chiều không thau đổi, từ trong nhà ra ngoài
nhà;
+Tường: có chiều dày d (m), 1 lớp đồng
nhất, làm bằng VL có hệ số dẫn nhiệt là: k (λ );
+ Nhiệt trở R đặc trưng cho sự cản trở
truyền nhiệt:
R = 1/α
α: hệ số trao đổi nhiệt, αt và αn
Rt= 1/ αt: nhiệt trở mặt trong
Rn = 1/ αn: nhiệt trở mặt ngoài
R = d/k: nhiệt trở của VL
Ro = Rt + Rn + R: nhiệt trở tổng

3.2.1.Bài toán truyền nhiệt ổn định một chiều qua kết cấu bao che
q
1
= h
t

(t
t
– τ
t
)
q
2
= (τ
t
- τ
n
) k/d
q
3
= - h
n
(t
n
– τ
n
)
(q
1
và q
3
bằng bxạ và đlưu
q
2
bằng dẫn nhiệt)
q

1
= q
2
= q
3
= q
h
t
hệ số trao đổi nhiệt mặt
trong,
h
n
hệ số trao đổi nhiệt mặt
ngoài.
k hệ số dẫn nhiệt của vật liệu.
Ro = 1/h
t
+ R + 1/h
n
Ro = R
t
+ R + R
n
d
q
Trong nhà Ngoài nhà
t
t
t
n

τ
t
τ
n
q = (t
t
– t
n
) /R
0
,
W/m
2
hoặc kCal/m
2
h
q
1
q
2
q
3

Hệ số dẫn nhiệt k của vật liệu (conductivity)
Đơn vị: kJ/mh
0
C; kCal/mh
0
C
Hệ số dẫn nhiệt k

Tỷ trọng (độ rỗng)
của vật liệu
Độ ẩm vật liệu
Cấu trúc của vật liệu
Bê tông cốt thép k = 1,33
Bê tông xỉ k = 0,35 – 0,6
Nước dẫn nhiệt
mạnh gấp 25 lần
không khí,
Kim loại dẫn nhiệt
mạnh hơn vật liệu phi kim
Vật liệu cách nhiệt (thermal insulation) thường có nhiều lỗ rỗng nhỏ chứa không
khí, có hệ số k nhỏ, và thường nhẹ.

Vật liệu nhẹ không nung
( eco-materials, green materials )

Bã mía, trấu, vỏ dừa, rơm, mạt cưa, … là nguồn nguyên liệu dồi dào cho
các sản phẩm vật liệu xây dụng sinh thái bảo vệ môi trường.

LaMai là sản phẩm vật liệu xây dụng nhẹ không nung được làm từ vỏ trấu
của Công ty Lâm Mai ( Việt Nam) mới được đưa ra thị trường sau 7 năm
nghiên cứu. Sản phẩm được sử dụng cho tấm tường, sàn, trần và mái.

LaMai gồm vỏ trấu nghiền, mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới sợi
thuỷ tinh. Trọng lượng của vật liệu này nhẹ chỉ bằng một nửa so với gạch
xây thông thường và có tính cách âm, cách nhiệt, không thấm nước cao.

Vật liệu cách nhiệt -
KIF Phenolic Foam Thermal Insulation Material

Tường cách nhiệt gồm nhiều lớp vật liệu
Thermal Insulation System (External Wall Cladding)
Gạch nhẹ block được làm từ xi măng, cát và chất
tạo bọt, hệ số dẫn nhiệt thấp hơn gạch nung 2 lần


Nhiệt trở của kết cấu R, (resistance), đơn vị m
2
h
0
C/kCal hoặc m
2 0
C/W
đặc trưng cho sức chống lại dòng nhiệt

Nhiệt trở mặt trong R
t
= 1/ h
t

Nhiệt trở mặt ngoài R
n
= 1/ h
n

Nhiệt trở lớp vật liệu R
lop
= d/k

Nhiệt trở tổng R

0
= R
t
+ R
n
+ ∑R
lop,


Tổng hệ số truyền nhiệt qua kết cấu k
0
= 1/ R
0
t 1 2 3 n
q
1
= (t
t
– τ
t
) /R
t


q
2
= (τ
t
– τ
n

) / ∑R
lop,i
q
3
= (τ
n
– t
n
) / R
n
q = (t
t
– t
n
) / R
0

q
1
= q
2
= q
3
= q

Nhiệt độ bề mặt kết cấu τ,
0
C
Nhiệt độ mặt trong

Nhiệt độ mặt ngoài

t
t
- t
n
τ
t
= t
t
- R
t
,
0
C
R
0
t
t
- t
n
τ
n
= t
t
- (R
t
+ R)

,
0
C
R
0

3.2.2. Yêu cầu cách nhiệt chống lạnh
R
0
→ q↓, nhiệt độ mặt trong kc → đem lại cảm giác ấm áp và
tránh được hiện tượng đọng sương trên bề mặt kc.
để chống lạnh và chống đọng sương bề mặt → R
0
( kết cấu
cần có nhiệt trở đủ lớn).
giá trị của R
0
được xác định căn cứ vào đâu ?
q = (t
t
– t
n
) /R
0

Các điều kiện xác định nhiệt trở yêu cầu
a) Điều kiện về tiện nghi nhiệt : nhiệt độ mặt trong kc
phải bằng hoặc vượt một giá trị cho phép
T
t

≥ [T
t
]
Nếu đk này được thỏa mãn → nhiệt độ mặt trong kc
không gây cảm giác lạnh.
b) Điều kiện không đọng sương trên bề mặt : nhiệt độ
mặt trong kc phải vượt một giá trị nhiệt độ điểm sương
T
t
> t
s

Nhiệt trở yêu cầu đối với KCBC
1. Nhiệt trở yêu cầu đảm bảo tiện nghi nhiệt
t
t
– t
n
R
o
yc1
≥ R
t

t
t
– [ τ
t
]

2. Nhiệt trở yêu cầu đảm bảo không đọng sương
t
t
– t
n
R
o
yc2
> R
t

t
t
– t
s

Giải pháp chống đọng sương sàn tầng trệt
•
Tổ chức tầng cách nhiệt
-
Nhà để xe
-
Kho
-
Quầy bar gia đình
-
…
•
Cấu tạo lớp VL cách nhiệt dưới lớp lát

Kết luận
•
Nhiệt độ mặt trong không được quá thấp
•
Dòng nhiệt truyền qua nhỏ
t
t
- t
n
τ
t
= t
t
- R
t
,
0
C
R
0
q = (t
t
– t
n
) /R
0
, w/ m
2
hoặc kCal/m
2

h

Ví dụ 1: Nhiệt trở tổng
Tính nhiệt trở tổng của một bức trường gạch đặc dày 25 cm
kể cả vữa trát (xi măng - cát). Biết rằng hệ số trao đổi nhiệt
mặt trong tường là 7,5 và mặt ngoài tường là 20 kCal/m
2
h
0
C.
Giải
Để tính nhiệt trở tổng, cần tìm tổng sau:
nhiệt trở lớp vật liệu + nhiệt trở mặt trong + nhiệt trở mặt
ngoài

Ví dụ 1: Nhiệt trở tổng
•
Tính nhiệt trở lớp vật liệu
R
lop
= d/k = 0,25/0,7 = 0,357 m
2
h
0
C/kCal
•
Tính nhiệt trở mặt trong
R
t
= 1/ h

t
= 1/ 7,5 = 0,133 m
2
h
0
C/kCal
•
Tính nhiệt trở mặt ngoài
R
n
= 1/ h
n
= 1/ 20 = 0,05 m
2
h
0
C/kCal
•
Tính nhiệt trở tổng
R
o
= 0,357 + 0,133 + 0,05 = 0,54 m
2
h
0
C/kCal

Ví dụ 2: Tính q và τt (continue)
Giả thiết rằng nhiệt độ không khí hai bên bức tường như
sau: bên trong nhà 25

0
C và bên ngoài nhà 5
0
C. Tính
dòng nhiệt truyền qua kết cấu ra ngoài và nhiệt độ mặt
trong kết cấu.
Giảiג
•
Tính dòng nhiệt truyền qua
q = (t
t
- t
n
)/R
o
q = ( 25 – 5 )/0,54 = 37,03 kCal/ m
2
h

Ví dụ 2: Tính q và τt (continue)
•
Tính nhiệt độ mặt trong kết cấu
25 - 5
τ
t
= 25 - 0,133

= 20
0
C

0,54
t
t
- t
n
τ
t
= t
t
- R
t
,
0
C
R
0

Dòng nhiệt và nhiệt độ mặt trong tường khi
t
t
= 25
0
C; t
n
= 5
0
C; h
t
=7,5; h
n

= 20 kCal/m
2
h
0
C.
Đại
lượng
gạch 0,25
m
gạch 0,14
m
BTCT
0,10 m
Vách kính
0,006 m
k = 0,7 k = 0,7 k = 1,33 k = 0,65
R
R
0
q,
kCal/m
2
h
τ ,
0
C
Tường

3.3. Cách nhiệt kết cấu mùa nóng
3.3.1.Bài toán

Giả thiết và điều
kiện tính toán
•
Mùa hè: → I lớn
chiếu lên mặt ngoài kc,
tác động mạnh đến quá
trình truyền nhiệt.
•
I là đại lượng dao
động theo chu kỳ 24h,
được coi gần đúng Ià
dđđh (hình sin)
•
t
n
cũng được coi là dđđh
•
Cả I và t
n
cùng tác động
lên mặt ngoài kc. Theo
chu kỳ 24h.
•
Dòng nhiệt truyền qua
kc q ?

3.3 Truyền nhiệt dao động điều hòa trong mùa nóng
3.3.1.Bài toán
- BXMT: Chu kỳ 24 h, dao động hình sin, cực đại phụ thuộc vị trí
và hướng kết cấu:

+ Mái: 12h;
+ Tường Đông, Đông – Bắc, Đông Nam: 8h;
+ Tường Tây, Tây Nam, Tây Bắc: 16h;
-
Nhiệt độ ngoài nhà: thay đổi chu kỳ hình sin;
+ Hà Nội: Cực đại lúc 15h, cực tiểu lúc 6h, biện độ dao động nhiệt: 3 –
6oC

Giải:
Nhận xét :
•
Trạng thái truyền nhiệt ở đây là dao động điều hòa
(dao động theo đồ thị hình sin)
•
Cần đưa ra một đại lượng đặc trưng cho tác động
tổng hợp và đồng thời của I và t
n



•
Tính lượng nhiệt 1m
2
mặt ngoài kc nhận được từ môi
trường trong 1 giờ:
- Lượng nhiệt do không khí:
q
kk
= h
n

(t
n
- τ
n
)
- Lượng nhiệt do BXMT:
q
i
=  I

 là hệ số hút BXMT của kc ( xem phụ lục VIII)
•
I là cường độ BXMT chiếu tới kc, kCal/m
2
h

q = q
kk
+ q
i
= h
n
(t
n
- τ
n
) +  I, kCal/m
2
h
 I

q = h
n
[(t
n
+ ) – τ
n
]
h
n

Nhiệt độ tổng ngoài nhà



gọi là nhiệt độ tương đương ( thay thế cho tác động

của BXMT)


t
tg
- nhiệt độ tổng ( đại lượng đặc trưng cho tác động tổng hợp của nhiệt độ
không khí (t
n
)

và BXMT (I)
→ q

= h

n
(t
tg
- τ
n
) = (t
tg
- τ
n
) / R
n
Khái niệm nhiệt độ tổng

giúp bài toán TN trở nên đơn giản, phương trình tính
toán có dạng chính tắc.
Vì cả t
n
và I đều là đại lượng dao động điều hòa ( có đồ thị hình sin)
→ t
tg
cũng là đại lượng dao động điều hòa ( có đồ thị hình sin)



 I
coi t
tđ
=
h
n

 I
đặt t
n
+ t
tđ
= t
tg
→ t
tg
= t
n
+
h
n

Nhiệt độ tổng
Giá trị trung bình I
tb
t
tg, tb
= t
n,tb
+ ,
0
C
h
n
Biên độ dao động  A
I
A

ttg
= (A
tn
+ ) Ψ ,
0
C
h
n
Thời điểm cực đại
Z
ttg,max
= Z
1max
± σ , h
Ψ (psi) – hệ số lệch pha của hai dao động t
n
và t
tđ
, Ψ ≤ 1 , (tra bảng 3.3)
σ (sigma) – số hiệu chỉnh do lệch pha của hai dao động , (tra bảng 3.3)
Z
1
–

đại lượng có biên độ lớn hơn
Dấu ± lấy sao cho nhiệt độ tổng cực đại vào khoảng giữa của hai thời điểm
cực đại của I
max
và t
n,max

(Vì vậy tường hường tây bất lợi (vì độ lệch pha nhỏ, kết hợp hai đại lượng
bức xạ và tn vào lúc cực đại, giá trị ttổng lớn) hơn tường hướng đông
mặc dù nhận cùng lượng bức xạ)

Nhiệt độ tổng
•
Nhận xét:
+ I biến thiên mạnh theo thời gian: Coi là đại lượng dao động điều hòa chu
kỳ 24h và thời điểm đạt cực đại tùy thuộc vào kết cấu và hướng.
Cực đại vào buổi trưa (trên mặt ngang);cực đại vào buổi chiều – 16h (mặt
đứng hướng Tây), cực đại vào 8h sáng (mặt đứng hướng Đông).
+ Nhiệt độ không khí ngoài nhà: biến thiên, chu kỳ 24h, coi tn là đại lượng
dao động điều hòa, thời điểm đạt cực đại vào 15h.
+ Vậy t
tổng
cũng là 1 đại lượng dao động điều hòa được đặc trưng bởi
-
t
tổng
tb
-
A t
tổng

-
T
tổng
max
-
Z T

tổng
max

Nhiệt độ tổng
•
Ý nghĩa của nhiệt độ tổng: là nhiệt độ đặc trưng cho sự tác
động của 2 yếu tố bức xạ mặt trời (I) và nhiệt độ bên ngoài
(tn), giúp đưa bài toán truyền nhiệt về dạng chính tắc
•
Xác định t
tổng
: cộng dao động điều hòa của I và tn: xác định
được giá trị trung bình của t
tổng
, biên độ dao động A
ttổng
, thời
điểm cực đại;