Masa termiczna
W projektowaniu budynków masa termiczna jest właściwością masy budynku, która umożliwia magazynowanie ciepła i zapewnia bezwładność wobec wahań temperatury. Czasami nazywa się to efektem termicznego koła zamachowego . Masa termiczna ciężkich elementów konstrukcyjnych może być zaprojektowana tak, aby współpracowała z lżejszymi elementami odporności termicznej konstrukcji, tworząc energooszczędne budynki .
Na przykład, gdy temperatura zewnętrzna zmienia się w ciągu dnia, duża masa termiczna w izolowanej części domu może służyć do „spłaszczania” 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 , pozwalając na jego ogrzewanie lub chłodzenie stosunkowo niezależnie od otoczenia, a nawet po prostu dłużej zatrzymując energię cieplną mieszkańców.
Z naukowego punktu widzenia masa termiczna jest równoważna pojemności cieplnej lub pojemności cieplnej , zdolności ciała do magazynowania energii cieplnej . Jest zwykle określany symbolem Cth , a jego jednostką w układzie SI jest J/°C lub J/K (które są równoważne) . Masę termiczną można również stosować do zbiorników wodnych, maszyn lub części maszyn, organizmów żywych lub wszelkich innych struktur lub ciał w inżynierii lub biologii. W tych kontekstach zwykle używa się terminu „pojemność cieplna”.
Tło
Równanie odnoszące energię cieplną do masy termicznej jest następujące:
gdzie Q to przekazana energia cieplna, C th to masa termiczna ciała, a Δ T to zmiana temperatury.
Na przykład, jeśli do miedzianej przekładni o masie termicznej 38,46 J/°C dodamy 250 J energii cieplnej, jej temperatura wzrośnie o 6,50°C. Jeśli ciało składa się z jednorodnego materiału o wystarczająco znanych właściwościach fizycznych, masa termiczna jest po prostu masą obecnego materiału pomnożoną przez ciepło właściwe tego materiału. W przypadku ciał wykonanych z wielu materiałów do obliczeń można zastosować sumę pojemności cieplnych ich czystych składników lub w niektórych przypadkach (jak na przykład całe zwierzę) liczbę można po prostu zmierzyć dla całego danego ciała, bezpośrednio.
Jako właściwość rozległa , pojemność cieplna jest charakterystyczna dla obiektu; odpowiadającą mu właściwością intensywną jest ciepło właściwe, wyrażone 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 dla materiału lub iloczyn liczby moli obecnych cząsteczek n i molowe ciepło właściwe do . Aby dowiedzieć się, dlaczego właściwości magazynowania energii cieplnej czystych substancji są różne, zobacz czynniki wpływające na ciepło właściwe .
W przypadku ciała o jednolitym składzie można przybliżyć do
gdzie jest i jest izobaryczną pojemnością cieplną właściwą materiału uśrednioną w danym W przypadku korpusów składających się z wielu różnych materiałów masy termiczne różnych komponentów można po prostu dodać.
Masa termiczna w budynkach
Masa termiczna skutecznie poprawia komfort w budynkach w każdym miejscu, w którym występują tego typu dobowe wahania temperatury – zarówno zimą, jak i latem. Dobrze wykorzystana i połączona z pasywnym projektem solarnym masa termiczna może odegrać ważną rolę w znacznej redukcji zużycia energii w aktywnych systemach ogrzewania i chłodzenia . Zastosowanie materiałów z masą termiczną jest najkorzystniejsze tam, gdzie występuje duża różnica temperatur zewnętrznych między dniem a nocą (lub gdy temperatury w nocy są co najmniej o 10 stopni niższe niż nastawa termostatu). Terminy wagi ciężkiej i lekkie są często używane do opisywania budynków o różnych strategiach masy cieplnej i wpływają na wybór współczynników liczbowych używanych w późniejszych obliczeniach do opisu ich reakcji termicznej na ogrzewanie i chłodzenie. W inżynierii usług budowlanych zastosowanie oprogramowania do modelowania komputerowego do symulacji dynamicznych umożliwiło dokładne obliczenie efektywności środowiskowej budynków o różnej konstrukcji i dla różnych rocznych zestawów danych klimatycznych. Pozwala to architektowi lub inżyniera, aby szczegółowo zbadać związek między ciężkimi i lekkimi konstrukcjami, a także poziomami izolacji, w zmniejszaniu zużycia energii w mechanicznych systemach ogrzewania lub chłodzenia , a nawet w całkowitym wyeliminowaniu potrzeby stosowania takich systemów.
Właściwości wymagane dla dobrej masy termicznej
Idealnymi materiałami na masę termiczną są te materiały, które mają:
- wysoka pojemność cieplna właściwa ,
- wysoka gęstość
Każde ciało stałe, ciecz lub gaz, które ma masę , będzie miało pewną masę termiczną. Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że tylko beton lub ziemia mają 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
Właściwe wykorzystanie i zastosowanie masy termicznej uzależnione jest od klimatu panującego w danej dzielnicy.
Klimat umiarkowany i zimny
Masa termiczna wystawiona na działanie promieni słonecznych
Masa termiczna jest idealnie umieszczona w budynku i usytuowana tam, gdzie nadal może być narażona na działanie promieni słonecznych w zimie pod niskim kątem (przez okna), ale jest izolowana przed utratą ciepła. Latem ta sama masa termiczna powinna być osłonięta przed promieniami słonecznymi padającymi pod większym kątem, aby zapobiec przegrzaniu konstrukcji.
Masa termiczna jest ogrzewana biernie przez słońce lub dodatkowo przez wewnętrzne systemy grzewcze w ciągu dnia. Energia cieplna zmagazynowana w masie jest następnie uwalniana z powrotem do wnętrza w nocy. Istotne jest, aby był używany w połączeniu ze standardowymi zasadami pasywnego projektu solarnego .
Można zastosować dowolną formę masy termicznej. Fundament z płyty betonowej pozostawiony na zewnątrz lub pokryty materiałami przewodzącymi, np. płytkami, to jedno z łatwych rozwiązań. Inną nowatorską metodą jest umieszczenie od wewnątrz murowanej fasady domu o konstrukcji szachulcowej („fornir z odwróconej cegły”). Masę termiczną w tej sytuacji najlepiej nakładać na dużym obszarze, a nie w dużych objętościach lub grubościach. Często wystarcza 7,5–10 cm (3″–4″).
Ponieważ najważniejszym źródłem energii cieplnej jest Słońce, ważnym czynnikiem do rozważenia jest stosunek oszklenia do masy termicznej. Aby to określić, opracowano różne formuły. Z reguły należy zastosować dodatkową masę termiczną nasłonecznioną w stosunku od 6:1 do 8:1 dla każdego obszaru oszklenia skierowanego w stronę słońca (północna na półkuli południowej lub południowa na półkuli północnej) powyżej 7% całkowitej powierzchni użytkowej. Na przykład dom o powierzchni 200 m2 z 20 m2 przeszkleń wychodzących na słońce ma 10% przeszkleń w stosunku do całkowitej powierzchni podłogi; 6 m2 tego oszklenia będzie wymagało dodatkowej masy termicznej. Dlatego przy powyższym stosunku 6:1 do 8:1 wymagane jest dodatkowe 36-48 m2 nasłonecznionej masy termicznej. Dokładne wymagania różnią się w zależności od klimatu.
Masa termiczna do ograniczania przegrzania w okresie letnim
Masa termiczna jest idealnie umieszczona w budynku, gdzie jest osłonięta przed bezpośrednim nasłonecznieniem , ale narażona na działanie użytkowników budynku. Dlatego najczęściej jest kojarzony z litymi betonowymi płytami stropowymi w budynkach wentylowanych naturalnie lub niskoenergetycznie wentylowanych mechanicznie, w których betonowy strop pozostaje wystawiony na działanie zajmowanej przestrzeni.
W ciągu dnia ciepło jest pozyskiwane od słońca, mieszkańców budynku oraz wszelkiego oświetlenia i urządzeń elektrycznych, co powoduje wzrost temperatury powietrza w przestrzeni, ale ciepło to jest pochłaniane przez odsłoniętą płytę betonową powyżej, ograniczając w ten sposób wzrost temperatury w przestrzeni, aby mieściły się w akceptowalnych poziomach komfortu cieplnego człowieka. Ponadto niższa temperatura powierzchni płyty betonowej pochłania również promieniowanie cieplne bezpośrednio od mieszkańców, co również korzystnie wpływa na ich komfort cieplny.
Pod koniec dnia płyta z kolei się nagrzała, a teraz, gdy temperatury zewnętrzne spadają, ciepło może zostać uwolnione, a płyta ostygnie, gotowa do rozpoczęcia następnego dnia. Jednak ten proces „regeneracji” jest skuteczny tylko wtedy, gdy system wentylacji budynku działa w nocy, aby odprowadzić ciepło z płyty. W budynkach z naturalną wentylacją normalne jest zapewnienie zautomatyzowanego otwierania okien w celu automatycznego ułatwienia tego procesu.
Gorący, suchy klimat (np. pustynia)
Jest to klasyczne zastosowanie masy termicznej. Przykładami są domy z cegły , ubitej ziemi lub wapienia . Jego funkcja jest silnie uzależniona od znacznych dobowych wahań temperatury . Ściana głównie opóźnia przenoszenie ciepła z zewnątrz do wnętrza w ciągu dnia. Wysoka objętościowa pojemność cieplna i grubość zapobiega przedostawaniu się energii cieplnej do powierzchni wewnętrznej. Kiedy temperatura spada w nocy, ściany ponownie wypromieniowują energię cieplną z powrotem na nocne niebo. W tym zastosowaniu ważne jest, aby takie ściany były masywne, aby zapobiec przenikaniu ciepła do wnętrza.
Klimaty gorące i wilgotne (np. subtropikalne i tropikalne)
Wykorzystanie masy termicznej jest najtrudniejsze 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 wzrostu temperatury wewnętrznej. Jeśli w ogóle ma być używany, powinien być stosowany w rozsądnych ilościach i znowu nie w dużych grubościach.
Materiały powszechnie stosowane na masę termiczną
- Woda: woda ma największą objętościową pojemność cieplną ze wszystkich powszechnie stosowanych materiałów. Zazwyczaj umieszcza się go w dużym pojemniku (pojemnikach), akrylowych , w miejscu narażonym na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Może być również używany do nasycania innych rodzajów materiałów, takich jak gleba, w celu zwiększenia pojemności cieplnej.
- inne formy muru: przewodność cieplna betonu zależy od jego składu i techniki utwardzania. Beton z kamieniami lepiej przewodzi ciepło niż beton z popiołem, perlitem, włóknami i innymi kruszywami izolacyjnymi. Właściwości masy termicznej betonu pozwalają zaoszczędzić 5–8% rocznych kosztów energii w porównaniu z drewnem iglastym.
- Izolowane panele betonowe składają się z wewnętrznej warstwy betonu zapewniającej termiczny współczynnik masy. Jest on izolowany od zewnątrz za pomocą konwencjonalnej izolacji piankowej, a następnie ponownie pokrywany zewnętrzną warstwą betonu. Efektem jest wysoce wydajna przegroda izolacyjna budynku.
- Izolacyjne formy betonowe są powszechnie stosowane do zapewnienia zarówno masy termicznej, jak i izolacji konstrukcji budowlanych. Masa betonowa zapewnia odpowiednią pojemność cieplną wymaganą dla dobrej bezwładności cieplnej. Warstwy izolacyjne utworzone na bocznych lub wewnętrznych powierzchniach formy zapewniają dobrą odporność termiczną.
- Cegła gliniana, cegła adobe lub cegła mułowa: patrz cegła i 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 służyła głównie jako masa termiczna, pochłaniając energię cieplną w ciągu dnia i uwalniając ją w nocy. W dzisiejszych czasach ludzie czasami używają osłon ziemi wokół swoich domów, aby uzyskać ten sam efekt. W osłonach ziemnych masa termiczna pochodzi nie tylko ze ścian budynku, ale także z otaczającej ziemi, która ma fizyczny kontakt z budynkiem. Zapewnia to dość stałą, umiarkowaną temperaturę, która zmniejsza przepływ ciepła przez sąsiednią ścianę.
- Ziemia ubijana: ziemia ubijana zapewnia doskonałą masę termiczną ze względu na dużą gęstość i wysoką pojemność cieplną właściwą gleby użytej do jej budowy.
- Naturalna skała i kamień: patrz kamieniarstwo .
- Kłody są wykorzystywane jako materiał budowlany do tworzenia zewnętrznych, a być może także 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 zatrzymywać ciepło w chłodniejsze dni i lepiej utrzymywać niższą temperaturę w cieplejsze dni.
- Materiały zmiennofazowe
Sezonowe magazynowanie energii
Jeśli wykorzystana zostanie wystarczająca masa, może to stworzyć przewagę sezonową. Oznacza to, że zimą może grzać, a latem chłodzić. Nazywa się to czasem pasywnym rocznym magazynowaniem ciepła lub WWA. System PAHS został z powodzeniem zastosowany na wysokości 7000 stóp w Kolorado oraz w wielu domach w Montanie. [ Potrzebne źródło ] Earthships of New Mexico wykorzystują pasywne ogrzewanie i chłodzenie, a także wykorzystują opony z recyklingu do budowy ścian fundamentowych, uzyskując maksymalny PAHS/STES. Został on również z powodzeniem zastosowany w Wielkiej Brytanii w Hockerton Housing Project .