Что называют уравнением теплового баланса: Уравнение теплового баланса, формула и примеры — Шины для спецтехники, шины для погрузчика

Содержание

Уравнение теплового баланса – формула, составляющие, определение теплообменного аппарата

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 68.

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 68.

Решение задач термодинамики заключается в нахождении неизвестных величин в процессе обмена теплом внутри рассматриваемой системы. Важнейшим этапом решения является составление уравнения теплового баланса. Далее с помощью обычных математических правил находятся неизвестные величины. Рассмотрим порядок построения этого уравнения.

Теплообмен в системе

В соответствии с положениями молекулярно-кинетической теории (МКТ), температура тела – это количественная характеристика энергии молекул тела. Каждая молекула обладает некоторой кинетической энергией, и средняя энергия молекулы пропорциональна температуре ($k$ – постоянная Больцмана):

$$E_{ср}={3\over2}kT$$

В равновесном состоянии температура тела во всех точках системы одинакова, и, следовательно, средняя энергия также одинакова. При столкновениях молекулы обмениваются энергией, однако, в среднем, каждая молекула получает от соседних ту же энергию, что и отдает им.

Рис. 1. Теплообмен в замкнутой системе.

Что произойдет, если система будет образована с телами разной температуры ?

Разная температура тел означает, что молекулы этих тел имеют разную среднюю энергию. При столкновениях молекул более энергичные молекулы горячего тела будут отдавать молекулам холодного тела гораздо больше энергии, чем молекулы холодного тела смогут отдать молекулам горячего. При этом сами молекулы горячего тела, отдавая энергию, теряют скорость (а значит, и температуру), а молекулы холодного тела – скорость увеличивают (а значит, и температуру).

Такой процесс передачи энергии молекул от горячего тела к холодному называется теплообменом.

Уравнение теплового баланса

Поскольку количество молекул пропорционально массе тела, а средняя энергия молекулы пропорциональна температуре, то количество тепла, отданное или принятое телом, пропорционально массе и разности температур до и после обмена:

$$Q \thicksim mΔt$$

При этом величина $Δt$ (а значит, и $Q$) будет положительна, если тело нагревается, и отрицательна, если тело охлаждается. Для окончательного нахождения количества тепла, принятого или отданного телом, необходимо ввести коэффициент пропорциональности, физический смысл которого состоит в том, что это количество энергии, необходимое, чтобы нагреть 1кг вещества на 1К. Данный коэффициент называется удельной теплоемкостью, обозначается латинской буквой «c», и имеет размерность в $Дж \over кг × К$.

Рис. 2. Теплоемкость.

Таким образом, количество тепла, переданное n-му телу, равно:

$$Q_n = c_n m_n Δt_n$$

Поскольку система замкнута, то, согласно Закону сохранения энергии, общее количество энергии в системе остается постоянным. Теплообмен состоит лишь в том, чтобы энергия распределилась по системе равномерно. То есть, сумма количества тепла, переданного или принятого каждым телом в системе равна нулю:

$$Q_1+Q_2+ Q_3+…=0$$

В результате мы получили формулу уравнения теплового баланса. Подставив значения количества тепла, полученное или отданное каждым телом в системе, и решив получившееся уравнение, можно найти неизвестные величины.

Подчеркнем, что система должна быть замкнутой – то есть теплоизолированной от внешнего мира. Обычно изоляция осуществляется с помощью специального теплообменного аппарата – калориметра.

Рис. 3. Калориметр.

Порядок составления уравнения теплового баланса

Для составления уравнения теплового баланса необходимо рассмотреть все тела в представленной системе. Каждое тело обладает определенной массой $m_n$ и теплоемкостью $c_n$.

Кроме того, в начальный момент каждое тело имело некоторую температуру $t_n$, а в после теплообмена во всей системе установилась новая температура $t_{рез}$. Следовательно, у каждого из тел надо определить разность температур $Δt_n = t_{рез}-t_n$ (эта величина будет положительной для нагреваемых тел, и отрицательной для охлаждаемых).

Подставляя эти три параметра (теплоемкость, массу и разность температур) в формулу количества тепла для каждого тела, получаем выражения для $Q_1$,$Q_2$,$Q_3$…, сумма этих составляющих по Закону сохранения энергии равна нулю. В результате имеем готовое уравнение теплового баланса для данной системы, из которого возможно определение неизвестной величины.

Что мы узнали?

Уравнение теплового баланса следует из закона сохранения энергии. Оно означает, что сумма тепла, полученная нагреваемыми телами равна сумме тепла, отданного охлаждаемыми, общее количество переданного тепла всеми телами равно нулю. Составив уравнение теплового баланса для системы, можно найти неизвестную величину.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 68.

А какая ваша оценка?

Применение уравнения теплового баланса | Физика

1. Первый закон термодинамики и уравнение теплового баланса

До сих пор мы рассматривали первый закон термодинамики применительно к газам. Отличительной особенностью газа является то, что его объем может значительно изменяться. Поэтому согласно первому закону термодинамики переданное газу количество теплоты Q равно сумме совершенной газом работы и изменения его внутренней энергии:

Q = ∆U + A_г.

В этом параграфе мы рассмотрим случаи, когда некоторое количество теплоты сообщают жидкости или твердому телу. При нагревании или охлаждении они незначительно изменяются в объеме, поэтому совершенной ими при расширении работой обычно пренебрегают. Следовательно, для жидкостей и твердых тел первый закон термодинамики можно записать в виде

Q = ∆U.

Простота этого уравнения, однако, обманчива.

Дело в том, что внутренняя энергия тела представляет собой только суммарную кинетическую энергию хаотического движения составляющих его частиц лишь тогда, когда этим телом является идеальный газ. В таком случае, как мы уже знаем, внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре (§ 42). В жидкостях же и в твердых телах большую роль играет потенциальная энергия взаимодействия частиц. А она, как показывает опыт, может изменяться даже при постоянной температуре!

Например, если передавать некоторое количество теплоты смеси воды со льдом, то ее температура будет оставаться постоянной (равной 0 ºС), пока весь лед не растает. (Именно по этой причине температуру таяния льда и приняли в свое время в качестве опорной точки при определении шкалы Цельсия.) При этом подводимое тепло расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул:чтобы превратить кристалл в жидкость, необходимо затратить энергию на разрушение кристаллической решетки.

Похожее явление происходит и при кипении: если передавать некоторое количество теплоты воде при температуре кипения, ее температура будет оставаться постоянной (равной 100 ºС при нормальном атмосферном давлении), пока вся вода не выкипит. (Потому ее и выбрали в качестве второй опорной точки для шкалы Цельсия.) В этом случае подводимое тепло также расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Может показаться странным, что потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре больше, чем в воде. Ведь молекулы газа почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому потенциальную энергию их взаимодействия естественно принять за нулевой уровень. Так и поступают. Но тогда потенциальную энергию взаимодействия молекул в жидкости надо считать отрицательной.

Такой знак потенциальной энергии взаимодействия характерен для притягивающихся тел. В таком случае, чтобы увеличить расстояние между телами, надо совершить работу, то есть увеличить потенциальную энергию их взаимодействия. И если после этого она становится равной нулю, значит, до этого она была отрицательной.

Итак, изменение состояния жидкостей и твердых тел при сообщении им некоторого количества теплоты надо рассматривать с учетом возможности изменения их агрегатного состояния. Изменения агрегатного состояния называют фазовыми переходами. Это – превращение твердого тела в жидкость (плавление), жидкости в твердое тело (отвердевание или кристаллизация), жидкости в пар (парообразование) и пара в жидкость (конденсация).

Закон сохранения энергии в тепловых явлениях, происходящих с жидкостями и твердыми телами, называют уравнением теплового баланса.
Рассмотрим сначала уравнение теплового баланса для случая, когда теплообмен происходит между двумя телами, а их теплообменом с другими телами можно пренебречь (на опыте для создания таких условий используют калориметры – сосуды, которые обеспечивают теплоизоляцию своего содержимого).

Будем считать (как мы считали ранее для газов) переданное телу количество теплоты положительным, если вследствие этого внутренняя энергия тела увеличивается, и отрицательным, если внутренняя энергия уменьшается. В таком случае уравнение теплового баланса имеет вид

Q₁ + Q₂ = 0, (1)

где Q₁ – количество теплоты, переданное первому телу со стороны второго, а Q₂ – количество теплоты, переданное второму телу со стороны первого.

Из уравнения (1) видно, что если одно тело получает тепло, то другое тело его отдает. Скажем, если Q₁ > 0, то Q₂ < 0.

Если теплообмен происходит между n телами, уравнение теплового баланса имеет вид

Q₁ + Q₂ + … + Q_n = 0.

2. Уравнение теплового баланса без фазовых переходов

Будем считать тело однородным, то есть состоящим целиком из одного вещества (например, некоторая масса воды, стальной или медный брусок и т. д.). Рассмотрим сначала случай, когда агрегатное состояние тела не изменяется, то есть фазового перехода не происходит.

Из курса физики основной школы вы знаете, что в таком случае переданное телу количество теплоты Q прямо пропорционально массе тела m и изменению его температуры ∆t:

Q = cm∆t. (2)

В этой формуле как Q, так и ∆t могут быть как положительными, так и отрицательными величинами.

Входящую в эту формулу величину с называют удельной теплоемкостью вещества, из которого состоит тело. Обычно в задачах на уравнение теплового баланса используют температуру по шкале Цельсия. Мы тоже будем так поступать.

? 1. На рисунке 48.1 приведены графики зависимости температуры двух тел от переданного им количества теплоты Q. Масса каждого тела 100 г.

а) У какого тела удельная теплоемкость больше и во сколько раз?
б) Чему равна удельная теплоемкость каждого тела?

? 2. В калориметр, содержащий 150 г воды при температуре 20 ºС, погружают вынутый из кипятка металлический цилиндр. Удельная теплоемкость воды равна 4,2 кДж/(кг * К). Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь.
а) Объясните, почему справедливо уравнение

c_мm_м(t_к – 100º) + c_вm_в(t_к – 20º) = 0,

где c_м и c_в – значения теплоемкости данного металла и воды соответственно, m_м и m_в – значения массы цилиндра и воды соответственно, t_к – значение конечной температуры содержимого калориметра, когда в нем установится тепловое равновесие.

б) Какое из двух слагаемых в приведенной формуле положительно, а какое – отрицательно? Поясните ваш ответ.
в) Чему равна удельная теплоемкость данного металла, если масса цилиндра 100 г, а конечная температура равна 25 ºС?
г) Чему равна конечная температура, если цилиндр изготовлен из алюминия, а его масса 100 г? Удельная теплоемкость алюминия равна 0,92 кДж/(кг * К).
д) Чему равна масса цилиндра, если он изготовлен из меди и его конечная температура 27 ºС? Удельная теплоемкость меди 0,4 кДж/(кг * К).

Рассмотрим случай, когда механическая энергия переходит во внутреннюю. Английский физик Дж. Джоуль пытался измерить, насколько нагреется вода в водопаде при ударе о землю.

? 3. С какой высоты должна падать вода, чтобы при ударе о землю ее температура повысилась на 1 ºС? Примите, что во внутреннюю энергию воды переходит половина ее потенциальной энергии.

Полученный вами ответ объяснит, почему ученого постигла неудача. Примите во внимание, что опыты ученый ставил на родине, где высота самого высокого водопада – около 100 м.

Если тело нагревают с помощью электронагревателя или сжигая топливо, надо учитывать коэффициент полезного действия нагревателя. Например, если коэффициент полезного действия нагревателя равен 60 %, это означает, что увеличение внутренней энергии нагреваемого тела составляет 60 % от теплоты, выделившейся при сгорании топлива или при работе электронагревателя.

Напомним также, что при сгорании топлива массой m выделяется количество теплоты Q, которое выражается формулой

Q = qm,

где q – удельная теплота сгорания.

? 4. Чтобы довести 3 л воды в котелке от температуры 20 ºС до кипения, туристам пришлось сжечь в костре 3 кг сухого хвороста. Чему равен коэффициент полезного действия костра как нагревательного прибора? Удельную теплоту сгорания хвороста примите равной 107 Дж/кг.

? 5. С помощью электронагревателя пытаются довести до кипения 10 л воды, но вода не закипает: при включенном нагревателе ее температура остается постоянной, ниже 100 ºС. Мощность нагревателя 500 Вт, коэффициент полезного действия 90 %.
а) Какое количество теплоты передается за 1 с воде от нагревателя?
б) Какое количество теплоты передается за 1 с от воды окружающему воздуху при включенном нагревателе, когда температура воды остается постоянной?
в) Какое количество теплоты передаст вода за 1 мин окружающему воздуху сразу после выключения нагревателя? Считайте, что за это время температура воды существенно не изменится.
г) Насколько понизится температура воды за 1 мин сразу после выключения нагревателя?

3. Уравнение теплового баланса при наличии фазовых переходов

Напомним некоторые факты, известные вам из курса физики основной школы.

Для того чтобы полностью расплавить кристаллическое твердое тело при его температуре плавления, надо сообщить ему количество теплоты Q, пропорциональное массе m тела:

Q = λm.

Коэффициент пропорциональности λ называют удельной теплотой плавления. Она численно равна количеству теплоты, которое надо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг при температуре плавления, чтобы полностью превратить его в жидкость. Единицей удельной теплоты плавления является 1 Дж/кг (джоуль на килограмм).

Например, удельная теплота плавления льда равна 330 кДж/кг.

? 6. На какую высоту можно было бы поднять человека массой 60 кг, если увеличить его потенциальную энергию на величину, численно равную количеству теплоты, которая нужна для того, чтобы расплавить 1 кг льда при температуре 0 ºС?

При решении задач важно учитывать, что твердое тело начнет плавиться только после того, как оно все нагреется до температуры плавления. На графике зависимости температуры тела от переданного ему количества теплоты процесс плавления представляет собой горизонтальный отрезок.

? 7. На рисунке 48.2 изображен график зависимости температуры тела массой 1 кг от переданного ему количества теплоты.

а) Какова удельная теплоемкость тела в твердом состоянии?
б) Чему равна температура плавления?
в) Чему равна удельная теплота плавления?
г) Какова удельная теплоемкость тела в жидком состоянии?
д) Из какого вещества может состоять данное тело?

? 8. В атмосферу Земли влетает железный метеорит. Удельная теплоемкость железа равна 460 Дж/(кг * К), температура плавления 1540 ºС, удельная теплота плавления 270 кДж/кг. Начальную температуру метеорита до входа в атмосферу примите равной -260 ºС. Примите, что 80 % кинетической энергии метеорита при движении сквозь атмосферу переходит в его внутреннюю энергию.
а) Какова должна быть минимальная начальная скорость метеорита, чтобы он нагрелся до температуры плавления?
б) Какая часть метеорита расплавится, если его начальная скорость равна 1,6 км/с?

Если при наличии фазовых переходов требуется найти коечную температуру тел, то прежде всего надо выяснить, каким будет конечное состояние. Например, если в начальном состоянии заданы массы льда и воды и значения их температур, то есть три возможности.

В конечном состоянии только лед (такое может быть, если начальная температура льда была достаточно низкой или масса льда была достаточно большой). В таком случае неизвестной величиной является конечная температура льда. Если задача решена правильно, то полученное значение не превышает 0 ºС. При установлении теплового равновесия лед нагревается до этой конечной температуры, а вся вода охлаждается до 0 ºС, затем замерзает, и образовавшийся из нее лед охлаждается до конечной температуры (если она ниже 0 ºС).

В конечном состоянии находятся в тепловом равновесии лед и вода. Такое возможно только при температуре 0 ºС. Неизвестной величиной в таком случае будет конечная масса льда (или конечная масса воды: сумма масс воды и льда дана). Если задача решена правильно, то конечные массы льда и воды положительны. В таком случае при установлении теплового равновесия сначала лед нагревается до 0 ºС, а вода охлаждается до 0 ºС. Затем либо часть льда тает, либо часть воды замерзает.

В конечном состоянии только вода. Тогда неизвестной величиной является ее температура (она должна быть не ниже 0 ºС), В этом случае вода охлаждается до конечной температуры, а льду приходится пройти более сложный путь: сначала он весь нагревается до 0 ºС, затем весь тает, а потом образовавшаяся из него вода нагревается до конечной температуры.

Чтобы определить, какая из этих возможностей реализуется в той или иной задаче, надо провести небольшое исследование.

? 9. В калориметр, содержащий 1,5 л воды при температуре 20 ºС, кладут кусок льда при температуре –10 ºС. Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь. Удельная теплоемкость льда 2,1 кДж/(кг * К).
а) Какова могла быть масса льда, если в конечном состоянии в калориметре находится только лед? только вода? лед и вода в тепловом равновесии?
б) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 40 кг?
в) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 200 г?
г) Чему равна конечная масса воды, если начальная масса льда равна 1 кг?

То, что для плавления телу надо сообщить некоторое количество теплоты, кажется естественным. Это явление служит нам добрую службу: оно замедляет таяние снега, уменьшая паводки весной.

А вот то, что при кристаллизации тело отдает некоторое количество теплоты, может удивить: неужели вода при замерзании действительно отдает некоторое количество теплоты? И тем не менее это так: замерзая и превращаясь в лед, вода отдает довольно большое количество теплоты холодному воздуху или льду, температура которых ниже 0 ºС. Это явление тоже служит нам добрую службу, смягчая первые заморозки и наступление зимы.
Учтем теперь возможность превращения жидкости в пар или пара в жидкость.

Как вы знаете из курса физики основной школы, количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы превратить жидкость в пар при постоянной температуре, пропорционально массе m жидкости:

Q = Lm.

Коэффициент пропорциональности L называют удельной теплотой парообразования. Она численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг жидкости, чтобы полностью превратить ее в пар. Единицей удельной теплоты парообразования является 1 Дж/кг.

Например, удельная теплота парообразования воды при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении авиа примерно 2300 кДж/кг.

? 10. В калориметр, в котором находится 1 л воды при температуре 20 ºС, вводят 100 г водяного пара при температуре 100 ºС. Чему будет равна температура в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.

Дополнительные вопросы и задания

11. Чтобы нагреть на плите некоторую массу воды от 20 ºС до температуры кипения, потребовалось 6 мин. Сколько времени потребуется, чтобы вся эта вода выкипела? Примите, что потерями тепла можно пренебречь.

12. В калориметр, содержащий лед массой 100 г при температуре 0 ºС, впускают пар при температуре 100 ºС. Чему будет равна масса воды в калориметре, когда весь лед растает и температура воды будет равна 0 ºС?

13. Нагретый алюминиевый куб положили на плоскую льдину, температура которой 0 ºС. До какой температуры был нагрет куб, если он полностью погрузился в лед? Примите, что потерями тепла можно пренебречь. Удельная теплоемкость алюминия 0,92 кДж/(кг * К).

14. Свинцовая пуля ударяется о стальную плиту и отскакивает от нее. Температура пули до удара равна 50 ºС, скорость 400 м/с. Скорость пули после удара равна 100 м/с. Какая часть пули расплавилась, если во внутреннюю энергию пули перешло 60 % потерянной кинетической энергии? Удельная теплоемкость свинца 0,13 кДж/(кг * К), температура плавления 327 ºС, удельная теплота плавления 25 кДж/кг.

15. В калориметр, в котором содержится 1 л воды при температуре 20 ºС, кладут 100 г мокрого снега, содержание воды в котором (по массе) составляет 60 %. Какая температура установится в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.
Подсказка. Под мокрым снегом подразумевают смесь воды и льда при температуре 0 ºС.

Тепловой баланс — Физика. 8 класс. Барьяхтар

Физика.

8 класс. Барьяхтар

Изучая механические явления, вы узнали о законе сохранения и превращения энергии. Этот фундаментальный закон справедлив для всех процессов, происходящих в природе, в том числе и для теплопередачи. Математическое выражение закона сохранения энергии для процесса теплопередачи — уравнение теплового баланса. Ознакомимся с этим уравнением и научимся применять его для решения задач.

1. Записываем уравнение теплового баланса

Представьте систему тел, которая не получает и не отдает энергию (такую систему называют изолированной), а уменьшение или увеличение внутренней энергии тел происходит только вследствие теплообмена между телами этой системы. В таком случае на основании закона сохранения энергии можно утверждать: сколько теплоты отдадут одни тела системы, столько же теплоты получат другие тела этой системы.

Обозначим Q⁺ количество теплоты, полученное некими телами системы, a Q^— — модуль количества теплоты, отданного некими телами системы. Тогда закон сохранения энергии для процесса теплопередачи можно записать в виде уравнения, которое называют уравнением теплового баланса:

Q₁^— + Q₂^— + … + Q_n^— = Q₁⁺ + Q₂⁺ + … + Q_k⁺,

где n — количество тел, отдающих энергию; k — количество тел, получающих энергию.

Формулируется оно так: в изолированной системе тел, в которой внутренняя энергия тел изменяется только в результате теплопередачи, суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами этой системы.

Отметим, что в приведенной форме уравнения теплового баланса все слагаемые — модули количества теплоты, то есть положительные величины.

Уравнение теплового баланса применяют для решения ряда задач, с которыми мы часто имеем дело на практике (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Некоторые примеры использования уравнения теплового баланса для решения практических задач: а — определение количества горячей воды, которое надо добавить в сосуд с холодной водой, чтобы получить теплую воду необходимой температуры; б — определение мощности нагревателя, необходимой для поддержания в помещении комфортной температуры

2. Учимся решать задачи

Решая задачи на составление уравнения теплового баланса, следует помнить: процесс теплообмена в конце концов приводит к установлению теплового равновесия, то есть температуры всех тел системы становятся одинаковыми.

Задача. В воду массой 400 г, взятую при температуре 20 °C, добавили 100 г горячей воды, имеющей температуру 70 °C. Какой станет температура воды? Считайте, что теплообмен с окружающей средой не происходит.

Анализ физической проблемы. В теплообмене принимают участие два тела. Отдает энергию горячая вода: ее температура уменьшается от 70 °C до искомой температуры t. Получает энергию холодная вода: ее температура увеличивается от 20 °C до t. По условию, теплообмен с окружающей средой отсутствует, поэтому для решения задачи можно воспользоваться уравнением теплового баланса.

* Напоминаем: уравнение теплового баланса мы будем использовать в виде, в котором значения количеств теплоты взяты по модулю, то есть являются положительными. Поэтому здесь и далее, вычисляя количество теплоты, отданное или полученное телом, всегда будем вычитать из большей температуры меньшую.

Подводим итоги

Для любых процессов, происходящих в природе, выполняется закон сохранения и превращения энергии. Для изолированной системы, в которой внутренняя энергия тел изменяется только в результате теплообмена между телами этой системы, закон сохранения энергии можно сформулировать так: суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами системы.

Математическим выражением закона сохранения энергии для процесса теплопередачи является уравнение теплового баланса:

Q₁^— + Q₂^— + … + Q_n^— = Q₁⁺ + Q₂⁺ + … + Q_k⁺

Контрольные вопросы

1. Какую систему тел называют изолированной? 2. Сформулируйте закон сохранения энергии, на основании которого составляют уравнение теплового баланса.

Упражнение № 9

При решении задач теплообменом с окружающей средой пренебречь.

1. В ванну налили 80 л воды при температуре 10 °C. Сколько литров воды при температуре 100 °C нужно добавить в ванну, чтобы температура воды в ней стала 25 °C? Массой ванны пренебречь.

2. В кастрюлю налили 2 кг воды, имеющей температуру 40 °C, а затем добавили 4 кг воды, нагретой до температуры 85 °C. Определите температуру смеси. Массой кастрюли пренебречь.

3. Нагретый в печи стальной брусок массой 200 г опустили в воду массой 250 г при температуре 15 °C. Температура воды повысилась до 25 °C. Вычислите температуру в печи.

4. Латунный сосуд массой 200 г содержит 400 г воды при температуре 20 °C. В воду опустили 800 г серебра, имеющего температуру 69 °C. В результате вода нагрелась до температуры 25 °C. Определите удельную теплоемкость серебра.

5. Приведите примеры веществ, которые при температуре 20 °C находятся в твердом состоянии; жидком состоянии; газообразном состоянии.

Экспериментальное задание

Воспользовавшись рисунком, составьте план проведения эксперимента по определению удельной теплоемкости вещества, из которого изготовлено твердое тело.

По возможности проведите эксперимент.

Попередня

Сторінка

Наступна

СторінкаЗміст

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України
Уравнение теплового баланса — Закон теплового баланса позволяет утверждать, что когда в изолированной системе физических тел происходит только теплообмен, то часть тепла, переданного телами,

Скачать 14.89 Kb.
Название Закон теплового баланса позволяет утверждать, что когда в изолированной системе физических тел происходит только теплообмен, то часть тепла, переданного телами,
Дата 06. 05.2022
Размер 14.89 Kb.
Формат файла
Имя файла Уравнение теплового баланса.docx
Тип Закон
#514819
С этим файлом связано 1 файл(ов). Среди них: Законы сохранения в современной физике. Реферат.doc.
Показать все связанные файлы
Подборка по базе: Законодательство о налогах и сборах. Действие актов законодатель, презентация Законы генетики, установленные Г. Менделем.ppt, Основы законодательства Пр №1.docx, Лекция 1 Основные понятия и законы химии.ppt, ПР ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ КОРРУПЦИИ В ОРГАНАХ ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ И ИСПОЛНИ, Динамические и статистические законы.pptx, Противодействие коррупции в органах законодательной и исполнител, Конспект мероприятия Помоги младшему, расскажи о законах нашей ш, Основы законодательства.pptx, Курсовая работа по ТГП систематизация законодательства.docx

Одним из фундаментальных положений в физике является уравнение теплового баланса. С его помощью можно найти различные термические величины. Например, удельную теплоёмкость вещества или теплоту сгорания. По своему смыслу, формула в процессах теплообмена подтверждает закон сохранения энергии для теплоизолированных систем. Само же равенство имеет простой вид и довольно часто используется в термодинамике при решении задач.
Баланс в переводе на русский язык означает равновесие. Когда теплоизолированная система приходит в состояние теплового равновесия, то температура всех тел, образующих эту совокупность, становится одинаковой. Такую ситуацию называют законом теплового равновесия или нулевым уравнением термодинамики.
Впервые с уравнением теплового баланса знакомят в средней школе на уроке физики. Ученикам в седьмом классе предлагается решить несколько простых заданий, используя равенство. Формула и определение даётся без доказательства, так как для понимания процесса нужно знать понятия, которые разбираются в выпускных классах школы. Например, то, что теплоёмкость не является характеристикой вещества, при этом она может быть разной в зависимости от проходящих процессов.
Закон теплового баланса позволяет утверждать, что когда в изолированной системе физических тел происходит только теплообмен, то часть тепла, переданного телами, внутреннее состояние энергии которых уменьшается, численно равняется теплу, полученному объектами с возрастающей внутренней энергии. Математически уравнение записывается в виде следующей формулы: Q₁ + Q₂+ Q₃+ …+ Qn = 0,
где: n – число тел, находящихся в теплоизолированной системе;
Q – полученное количество теплоты.
Если предположить, что имеется совокупность, состоящая из двух тел, из которых одно отдаёт тепло, а другое принимает его, то справедливо будет записать: Q₁ = Q₂. Таким образом, теплоотдача всегда равняется теплоприёму. Поэтому этот закон и называют правилом сохранения энергии в тепловых процессах.
Когда тела два, то понять, какое из них отдаёт тепло, а какое получает, несложно. То, что имеет большее нагревание, — будет отдавать. Если же объектов три и более, и некоторые из них имеют промежуточную температуру, определить, какие из них принимают тепло, довольно сложно. Вот тут на помощь и приходит уравнение термодинамики.
Следует рассмотреть процесс установления теплового равновесия в теплоизолированной системе. Это такая совокупность, в которой объекты взаимодействуют только друг с другом. Простейшая система будет состоять из двух тел. Например, в термос налит сок и в него вброшен лёд. В этом случае термос является изолятором от внешнего воздействия. Пусть первое тело имеет температуру t₁, а второе t₂. Допустим, что t₁ больше t₂. Это допущение не является принципиальным, поэтому его можно использовать.
В начальный момент времени тела находятся далеко друг от друга и теплообмен между ними не происходит. Как только, они соприкоснутся – начнётся взаимодействие. Так как температура первого тела больше, то оно начнёт остывать, а второе нагреваться. Происходит теплопередача. В какой-то момент времени она прекратится и наступит тепловое равновесие. То есть температура двух тел станет одинаковой: t₁ = t₂.
Получившаяся температура называется равновесной. Обозначается она греческой буквой тета — θ. Так как раньше первое тело имело большую температуру, то получается, что в процессе взаимодействия оно отдало тепло. Записать это можно как Q₁ — количество теплоты, отданное первым телом. Второй же объект в процессе подогрелся — увеличил температуру. Обозначить это можно как +Q₂ — количество теплоты, полученное вторым телом.
Получить тепло второй объект мог только от первого тела, так как рассматриваемая система изолированная. Соответственно, и отдать определённое количество теплоты первое тело могло только второму. Отсюда можно сделать вывод, что если система теплоизолированная, то эти два количества теплоты одинаковы: Q₁ = +Q₂. Фактически это есть уравнение баланса.
Такая запись даётся в школьных учебниках. Но профессиональные физики записывают его в другой форме. Для термодинамики неважно, какой объект отдаёт, а какой получает тепло. Наука изучает только количество теплоты, полученное в процессе. Взяв простую аналогию с весом, когда о похудевшем человеке на два килограмма можно сказать, что он поправился на минус два кило, будет верным записать: Q₁ = -Q₁ или -Q₁ = Q₂.
Если собрать два слагаемых таким образом, чтобы они находились с одной стороны знака равенства, то можно записать: Q₁ + Q₂ = 0.
Работа газа в термодинамике. Количество теплоты. Уравнение теплового баланса. Школьный курс физики

Главная | Физика 10 класс | Работа газа в термодинамике

Глава 7. Основы термодинамики
Для дальнейшего изучения тепловых процессов нужно детально исследовать, в результате каких внешних воздействий может изменяться состояние термодинамической системы (например, газа в закрытом сосуде). В этом случае существуют два различных вида воздействий, которые приводят к изменению состояния системы, т. е. к изменению её макроскопических параметров — давления р, объёма V, температуры Т. Первый из таких способов — это совершение работы (самой системой или над ней), второй способ — теплообмен (передача системе количества теплоты или отдача системой количества теплоты).

Тепловые процессы связаны с передачей и превращением энергии. Первым законом термодинамики является закон сохранения энергии, распространённый на тепловые явления. Второй закон термодинамики устанавливает направление энергетических превращений и выражает необратимость процессов в природе. Вданной главе рассмотрим первый и второй законы термодинамики, которые лежат в основе действия тепловых двигателей и машин.
§ 47. Работа газа в термодинамике. Количество теплоты. Уравнение теплового баланса
Работа газа в термодинамике.
В механике изучается движение макроскопических тел. В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, и речь идёт о перемещении частей макроскопического тела друг относительно друга. При совершении работы изменяется объём тела и его температура, а скорость тела остаётся равной пулю. Но скорости молекул тела (например, газа) меняются, поэтому изменяется и его температура. Причина состоит в том, что при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем их кинетическая энергия изменяется. Так, при движении навстречу молекулам (в случае сжатия газа) поршень во время столкновений передаёт им часть своей механической энергии, в результате чего газ нагревается. Если газ расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем скорости молекул уменьшаются, в результате чего газ охлаждается. Итак, при совершении работы в термодинамике меняется состояние макроскопических тел.

Определим работу газа, находящегося в цилиндре под поршнем, в зависимости от изменения объёма (рис. 7.1).
Рис. 7.1
Проще всего вычислить не работу силы , действующей на газ со стороны внешнего тела (поршня), а работу, которую совершает сам газ, действуя на поршень с постоянной силой ‘. Согласно третьему закону Ньютона, = —‘.
Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень, равен
F’ = pS, где р — давление газа, a S — площадь поверхности поршня. Пусть газ расширяется, и поршень перемещается в направлении силы на малое расстояние Δh = h₂ — h₁ (рис. 7.1, а). Если перемещение мало, то давление газа можно считать постоянным.
Работа газа равна
Эту работу можно выразить через изменение объёма газа ΔV = V₂ — V₁. Учитывая, что начальный объём газа V₁ = Sh₁, а конечный — V₂ = Sh₂, то
Если газ сжимается, то формула (1) остаётся справедливой, но в этом случае V = V₂ < V₁, и поэтому А’ < 0 (рис. 7.1, б). Работа А, совершаемая поршнем над газом, отличается от работы газа
А’ только знаком: А = -А’ (так как сила , действующая на газ, направлена против силы ‘, а перемещение по модулю остаётся тем же самым).
Тем самым, работа внешней силы, действующей на газ, равна
Знак «минус» в этом выражении указывает, что при сжатии газа, когда ΔV = V₂ — V₁< 0, работа внешней силы положительна (А > 0). При этом направления силы и перемещения совпадают. При расширении газа, наоборот, работа внешней силы отрицательна (А < 0), так как ΔV = V₂ — V₁> 0. В этом случае направления силы и перемещения противоположны.
Выражения (1) и (2) справедливы также при малом изменении объёма любой термодинамической системы.
Если процесс изобарный (р = const), то эти формулы можно применять и для больших изменений объёма.
Графический смысл работы.
Работе газа А’ для случая постоянного давления можно дать простое геометрическое истолкование. Построим график зависимости давления р газа от его объёма V (рис. 7.2).
Рис. 7.2
В этом случае площадь прямоугольника abdc, ограниченная графиком p_l = const, осью V и отрезками ab и cd, равными давлению газа, численно равна работе газа А’ = p₁ΔV.
В общем случае при произвольном изменении объёма газа давление не остаётся постоянным. Например, при изотермическом процессе оно убывает обратно пропорционально объёму (рис. 7.3).
Рис. 7.3

Для вычисления работы газа нужно общее изменение объёма разделить на малые части, вычислить элементарные (малые) работы, а потом все их просуммировать. Работа газа по-прежнему будет численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости р(V), осью V и отрезками ab и cd, равными давлениям p_l и р₂ в начальном и конечном состояниях.
Количество теплоты.
Изменить состояние тела можно без совершения работы, в результате нагревания. Так, состояние газа в цилиндре будет изменяться, если поршень закрепить и нагревать газ при помощи горелки (рис. 7.4).
Рис. 7.4
Объём газа при этом не меняется, но его температура и давление увеличиваются. В таких случаях говорят, что системе передано некоторое количество теплоты. Нагревание тела означает увеличение скоростей теплового движения его молекул. При взаимодействии медленных молекул холодной термодинамической системы с более быстрыми молекулами горячей системы на границе систем происходит выравнивание кинетических энергий молекул. В результате теплообмена скорости молекул холодной системы увеличиваются, а горячей — уменьшаются.
Исследования физических явлений опытным путём
Теплообмен между телами, изолированными от взаимодействия с окружающей средой, можно наблюдать с помощью калориметра (рис. 7.5).
Рис. 7.5
Возьмём большой тонкостенный металлический сосуд, имеющий форму стакана. Этот стакан поставим на кусочки пробки внутрь другого, большего стакана так, чтобы между стаканами оставался слой воздуха. Сверху оба сосуда закроем крышкой (рис. 7.6).
Рис. 7.6
Это несложное устройство и представляет собой калориметр. Он сконструирован так, чтобы максимально уменьшить теплообмен содержимого внутреннего стакана с внешней средой. Нальём в калориметр воду, масса которой m₁ и температура t₁, а затем добавим в него воды массой m₂ при температуре t₂. Пусть t₂ > t₁. В сосуде начнётся теплообмен, и спустя некоторое время установится состояние теплового равновесия — температура обеих порций воды будет одинаковой и равной t. Очевидно, t₁ < t < t₂.
Изменение состояния обеих порций воды можно объяснить тем, что первая порция получила некоторое количество теплоты, а вторая — его отдала. Часть количества теплоты будет передана стенкам самого калориметра. Но если его масса во много раз меньше масс ₁ и m₂ порций воды, то можно пренебречь нагреванием сосуда.
В результате исследований было замечено, что для данных масс воды m₁ и m₂ при любых значениях начальных температур t₁ и t₂ выполняется равенство:
Теперь опустим в калориметр вместо второй порции воды кусок железа массой m₂ при температуре t₂ > t₁. Спустя некоторое время в системе наступит тепловое равновесие. Однако связь между температурами и массами будет иной. В правой части появится коэффициент А, значение которого остаётся неизменным при любых массах и начальных температурах веществ:
Так как для одинаковых веществ k = 1, то этот коэффициент можно записать в виде отношения величин c₂ и c₁, характеризующих тепловые свойства веществ (например, железа и воды).
Обозначим изменение температуры воды через Δt₁ = t — t₁, а изменение температуры железа через Δt₂ = t — t₂ (Δt₂ < 0, если t₂ > t₁). Тогда уравнение для этого случая можно записать в виде:
Равенство (3) имеет характер закона сохранения энергии. Сумма двух величин, одна из которых относится к первому телу, а другая — ко второму, всегда равна нулю независимо от масс тел, их температур и выбора пар тел (вода и железо были выбраны произвольно).
Итак, мы ввели новую физическую величину — количество теплоты.
Энергию, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена, называют количеством теплоты.

В СИ количество теплоты выражают в джоулях (Дж).
В рассматриваемом примере обозначим Q₁ = c₁m₁Δt₁ — количество теплоты, полученное водой, a Q₂ = c₂m₂Δt₂ — количество теплоты, отданное железом. Тогда можно утверждать, что количество теплоты в процессе теплообмена сохраняется:
Q₁ + Q₂ = 0           (5)
В равенстве (5) Q₁ > 0, так как Δt₁ > 0 (вода нагрелась от температуры t₁ до температуры t > t₁), а второе слагаемое Q₂ отрицательно (Q₂ < 0), так как Δt₁ < 0. Таким образом, полученное телом количество теплоты положительно, а отданное — отрицательно.
Количество теплоты, отданное одним телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному другим телом.

Уравнение (5) называют уравнением теплового баланса.
В общем случае теплообмен осуществляется между многими телами термодинамической системы, и уравнение теплового баланса запишется следующим образом:
Q₁ + Q₂ + Q₃ + … + Q_n = 0.
Здесь Q₁ + Q₂ + Q₃ + … + Q_n — количества теплоты, полученные или отданные телами системы, участвующими в теплообмене.
Удельная теплоёмкость вещества.
Если масса тела равна единице и температура меняется на единицу, то, согласно формуле (4), величина с численно равна количеству теплоты. Постоянная с численно равна количеству теплоты, которое нужно сообщить единице массы вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C. Эту величину называют удельной теплоёмкостью вещества. Она характеризует тепловые свойства вещества.
Единицей удельной теплоёмкости вещества в СИ является джоуль на килограмм-градус Цельсия (Дж/(кг • °C)). Так как Δt = ΔT, то эту величину также измеряют в Дж/(кг • К).
Количество теплоты, необходимое для увеличения температуры на 1 0C тела произвольной массы, называют теплоёмкостью C данного тела.

Эту величину можно определить следующим образом:
Единицей теплоёмкости в СИ является 1 Дж/К.
Теплоёмкость C тела массой m, изготовленного из вещества с удельной теплоёмкостью с, равна
C = mс.
Теплоёмкость одного моля вещества называют молярной теплоёмкостью с_м этого вещества.

Единицей молярной теплоёмкости в СИ является 1 Дж/(моль • °C).
Таким образом, теплоёмкость тела, содержащего ѵ моль вещества с молярной теплоёмкостью с_м, равна
C = ѵс_м.

Вопросы:
1. Какими способами можно изменить состояние термодинамической системы?
2. Как можно вычислить работу газа в термодинамике? В чём заключается её графический смысл?
3. Какой знак будет иметь работа газа при:
а) его сжатии;
б) расширении в цилиндре?
4. Какую физическую величину называют:
а) количеством теплоты;
б) удельной теплоёмкостью вещества;
в) теплоёмкостью тела?
5. Как записывается уравнение теплового баланса?
Вопросы для обсуждения:
1. Можно ли передать телу некоторое количество теплоты, не вызывая при этом повышения его температуры?
2. На что расходуется большее количество теплоты: на нагревание чугунного горшка или воды, налитой в него, если их массы одинаковы?
Пример решения задачи
В цилиндре под поршнем находится 2 ∙ 10²² молекул идеального одноатомного газа под давлением 10⁵ Па и при температуре 100 °C. Какую работу необходимо совершить, чтобы изобарно сжать газ до объёма, равного 0,17 л?

Упражнения:
1. Алюминиевую и серебряную ложки одинаковой массы и температуры опустили в кипяток. Равное ли количество теплоты получат они от воды в результате теплообмена?
2. Температура воздуха в комнате объёмом 70 м³ была равна 280 К. После того как протопилась печь, температура воздуха поднялась до 296 К. Найдите работу воздуха при расширении, если атмосферное давление равно 100 кПа.
3. Идеальный газ массой 0,25 кг расширяется изобарически, совершая работу, равную 4,15 ∙ 10⁴ Дж. Па сколько при этом нагрелся газ? Молярная масса газа равна 0,002 кг/моль.
4. Кислород массой 6,4 г нагрели на 20 °C при постоянном давлении. Найдите работу расширения газа.
5. Какое количество теплоты отдаст печь, сложенная из 300 кирпичей, при её остывании от 70 до 20 °C? Масса одного кирпича равна 5 кг, удельная теплоёмкость кирпича 0,88 кДж/(кг • °C).
6. В латунном калориметре массой 200 г находится 400 г воды при температуре, равной 17 °C. В калориметр опустили тело из серебра массой 600 г при температуре, равной 85 °C. Определите удельную теплоёмкость серебра, если в калориметре установилась температура, равная 22 °C.
Предыдущая страницаСледующая страница

§ 9. Тепловой баланс » Народна Освіта
Изучая механические явления, вы узнали о законе сохранения и превращения энергии. Этот фундаментальный закон справедлив для всех процессов, происходящих в природе, в том числе и для теплопередачи. Математическое выражение закона сохранения энергии для процесса теплопередачи — уравнение теплового баланса. ознакомимся с этим уравнением и научимся применять его для решения задач.
Записываем уравнение теплового баланса
Представьте систему тел, которая не получает и не отдает энергию (такую систему называют изолированной), а уменьшение или увеличение внутренней энергии тел происходит только вследствие теплообмена между телами этой системы. В таком случае на основании закона сохранения энергии можно утверждать: сколько теплоты отдадут одни тела системы, столько же теплоты получат другие тела этой системы.
Обозначим Q⁺ количество теплоты, полученное некими телами системы, а Q^— — модуль количества теплоты, отданного некими телами системы. Тогда закон сохранения энергии для процесса теплопередачи можно записать в виде уравнения, которое называют уравнением теплового баланса:
^Q1 + ^Q2 + … + ^Qn = ^Q+1 + ^Q2 + … + ^Q+,
где n — количество тел, отдающих энергию; k — количество тел, получающих энергию.
Формулируется оно так: в изолированной системе тел, в которой внутренняя энергия тел изменяется только в результате теплопередачи, суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами этой системы.
Отметим, что в приведенной форме уравнения теплового баланса все слагаемые — модули количества теплоты, то есть положительные величины.
Уравнение теплового баланса применяют для решения ряда задач, с которыми мы часто имеем дело на практике (рис. 9.1).
Учимся решать задачи
Решая задачи на составление уравнения теплового баланса, следует помнить: процесс теплообмена в конце концов приводит к установлению теплового равновесия, то есть температуры всех тел системы становятся одинаковыми.
Задача. В воду массой 400 г, взятую при температуре 20 °С, добавили 100 г горячей воды, имеющей температуру 70 °С. Какой станет температура воды? Считайте, что теплообмен с окружающей средой не происходит.
Анализ физической проблемы. В теплообмене принимают участие два тела. Отдает энергию горячая вода: ее температура уменьшается от 70 °С до искомой температуры t. Получает энергию холодная вода: ее температура увеличивается от 20 °С до t. По условию, теплообмен с окружающей средой отсутствует, поэтому для решения задачи можно воспользоваться уравнением теплового баланса.
* Напоминаем: уравнение теплового баланса мы будем использовать в виде, в котором значения количеств теплоты взяты по модулю, то есть являются положительными. Поэтому здесь и далее, вычисляя количество теплоты, отданное или полученное телом, всегда будем вычитать из большей температуры меньшую.
Для любых процессов, происходящих в природе, выполняется закон сохранения и превращения энергии. Для изолированной системы, в которой внутренняя энергия тел изменяется только в результате теплообмена между телами этой системы, закон сохранения энергии можно сформулировать так: суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами системы.
Математическим выражением закона сохранения энергии для процесса теплопередачи является уравнение теплового баланса:
^Q1 + ^Q2 + … + ^Qn = ^Q1⁺ + ^Q2 + … + ^Q+ .
Контрольные вопросы    =
*1. Какую систему тел называют изолированной? 2. Сформулируйте
закон сохранения энергии, на основании которого составляют уравнение
теплового баланса.
Упражнение № 9
При решении задач теплообменом с окружающей средой пренебречь.
1.    В ванну налили 80 л воды при температуре 10 °С. Сколько литров воды при температуре 100 °С нужно добавить в ванну, чтобы температура воды в ней стала 25 °С? Массой ванны пренебречь.
2.    В кастрюлю налили 2 кг воды, имеющей температуру 40 °С, а затем добавили 4 кг воды, нагретой до температуры 85 °С. Определите температуру смеси. Массой кастрюли пренебречь.
3.    Нагретый в печи стальной брусок массой 200 г опустили в воду массой 250 г при температуре 15 °С. Температура воды повысилась до 25 °С. Вычислите температуру в печи.
4.    Латунный сосуд массой 200 г содержит 400 г воды при температуре 20 °С. В воду опустили 800 г серебра, имеющего температуру 69 °С. В результате вода нагрелась до температуры 25 °С. Определите удельную теплоемкость серебра.
і 5. Приведите примеры веществ, которые при температуре 20 °С находятся в твердом состоянии; жидком состоянии; газообразном состоянии.

Экспериментальное задание —
Воспользовавшись рисунком, составьте план проведения эксперимента по определению удельной теплоемкости вещества, из которого изготовлено твердое тело.
По возможности проведите эксперимент.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I

Тема. Изучение теплового баланса при смешивании воды разной температуры.
Цель: ознакомиться с устройством и принципом действия калориметра; определить количество теплоты, переданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, в результате смешивания воды разной температуры, сравнить результаты. Оборудование: измерительный цилиндр, термометр, калориметр, стакан с холодной водой, стакан с горячей водой, бумажные салфетки, мешалка.
Теоретические сведения    —

Для многих опытов по изучению тепловых явлений применяют калориметр — устройство, которое состоит из двух сосудов, размещенных друг в друге и разделенных воздушной прослойкой (см. рисунок). Благодаря небольшому расстоянию между внутренним и внешним сосудами (что обеспечивает отсутствие конвекционных потоков) и из-за слабой теплопроводности воздуха теплообмен с окружающей средой в калориметре незначителен.
указания к работе
Подготовка к эксперименту
1.    Прежде чем приступить к измерениям:
а)    внимательно прочитайте теоретические сведения, приведенные выше;
б)    вспомните, что такое состояние теплового равновесия.
2.    Определите цену деления шкалы каждого измерительного прибора.
Эксперимент
Строго соблюдайте инструкцию по безопасности (см. форзац). Результаты измерений сразу заносите в таблицу.
1.    Ознакомьтесь с устройством калориметра.
2.    Налейте в измерительный цилиндр 60-80 мл холодной воды. Определите ее объем (F₁) и измерьте температуру ().
3.    Налейте в калориметр горячей воды (1/3 внутреннего сосуда калориметра) и измерьте ее температуру (t₂).
4.    Не вынимая термометр, перелейте в калориметр холодную воду из измерительного цилиндра и, осторожно перемешивая смесь мешалкой, следите за показаниями термометра. Как только изменение температуры станет незаметным, запишите температуру смеси (t).

Температура воды, °С

Объем воды, мл

Масса воды, кг

Количество теплоты, Дж

^tI

^t2

t

V₁

V

V₂

Ші

^Ш2

Qi

Q2

5.    Осторожно извлеките термометр из воды, протрите салфеткой и положите в футляр.
6.    Перелейте всю воду из калориметра в измерительный цилиндр, измерьте общий объем V воды.

Анализ результатов эксперимента
Проанализируйте эксперимент и его результаты. Сформулируйте вывод, в котором:
а)    сравните количество теплоты, переданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой;
б)    укажите причину возможного расхождения результатов.
Задание «со звездочкой»
Оцените относительную погрешность эксперимента, воспользовавшись формулой:

► ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Тема. Определение удельной теплоемкости вещества.
цель: определить удельную теплоемкость вещества в твердом состоянии.
Оборудование: измерительный цилиндр, весы с разновесами, термометр, калориметр, металлическое тело с нитью, стакан с водой комнатной температуры, электрический чайник с кипящей водой (один на класс), бумажные салфетки, мешалка.
Теоретические сведения    —
Для определения удельной теплоемкости вещества в твердом состоянии можно воспользоваться следующим методом. Твердое тело нагревают в кипятке, а затем опускают в калориметр с холодной водой. Происходит теплообмен, в котором принимают участие четыре тела: отдает энергию твердое тело, получают энергию вода, калориметр, термометр. По сравнению с водой термометр и калориметр получают незначительное количество теплоты, поэтому можно считать, что количество теплоты, отданное твердым телом, равно количеству теплоты, полученному холодной водой:
УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовка к эксперименту
1.    Прежде чем приступить к измерению:
а)    внимательно прочитайте теоретические сведения, представленные выше;
б)    вспомните, что характеризует удельная теплоемкость вещества; какова единица удельной теплоемкости.
2.    Определите цену деления шкалы каждого измерительного прибора. Эксперимент
Строго соблюдайте инструкцию по безопасности (см. форзац). Результаты измерений сразу заносите в таблицу.
1.    Налейте в измерительный цилиндр 100-150 мл воды. Измерьте объем воды (Уводы).
2.    Перелейте воду из измерительного цилиндра в калориметр. «_воДы). Результат вычислений занесите в таблицу.
2.    Подумайте и заполните столбики 5-7 таблицы.
4.    Завершите заполнение таблицы.
5.    Воспользовавшись таблицей удельных теплоемкостей некоторых веществ в твердом состоянии (см. табл. 1 Приложения), выясните, из какого вещества изготовлено тело.
Анализ результатов эксперимента
Проанализируйте эксперимент и его результаты. Сформулируйте вывод, в котором укажите:
а)    какую величину вы измеряли;
б)    какой результат получили;
в)    какие факторы повлияли на точность полученного результата. Творческое задание
Предложите способ определения удельной теплоемкости жидкости. Запишите план эксперимента.
Задание «со звездочкой»
Оцените относительную погрешность проведенного в ходе лабораторной работы эксперимента, воспользовавшись формулой:
где с_изм — полученное во время эксперимента значение удельной теплоемкости вещества, из которого изготовлено тело; с_табл — табличное значение удельной теплоемкости этого вещества.

Лекция по тепловому регулированию
Лекция по тепловому регулированию
DEA3500: Окружающая среда: температурный режим
УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ — ТЕПЛОВАЯ СРЕДА
Тепло, холод и производительность: мы до сих пор удивительно невежественны в отношении механизмов терморегуляции тела!
1. Тепловой баланс — процесс теплообмена
Живое тело постоянно производит тепло, которое должно передаваться в окружающую среду. Тепловой баланс (тепловое равновесие) – это баланс между скоростью теплопродукции и скоростью теплоотдачи.

Уравнение теплового баланса
Производство тепла = скорость производства тепла = M — W, где:
M = общая скорость производства энергии, которую можно определить из скорости потребления кислорода (1 литр O2 = 5 ккал = 20 000 джоулей) (1 кал = 4,184 Дж) (1 ккал = 1000 кал)
Вт = скорость, с которой выполняется внешняя работа (сила x расстояние).
М — Вт = полная энергия — рабочая энергия
Тепловые потери = скорость тепловых потерь = R + C + E + L + K + S, где:
R = излучение (потеря или приток тепла) между поверхностью кожи или одежды и окружающими поверхностями, т.е. стены, солнце и т. д. В покое, в термонейтральной среде (21C), 60% потерь тепла обнаженным телом происходит за счет излучения. Упомяните лучистую асимметрию.
C = конвекция (воздух рядом с телом поглощает тепло), которая представляет собой форму передачи окружающему воздуху и представляет собой потерю (или получение) тепла за счет смешивания воздуха вблизи поверхности тела.
2 типа: естественная конвекция (в неподвижном воздухе тело создает восходящий поток теплого воздуха) и принудительная конвекция (движение воздуха мимо тела, например, ветер.
В состоянии покоя, как указано выше, на конвекцию приходится 18% потерь тепла.
E = испарение. Испарение воды через внешние слои кожи (неощутимое потоотделение) или с поверхности кожи, когда она смачивается потом (потоотделение) или каким-либо другим внешним фактором.
L = согревание и увлажнение воздуха, который вдыхается, а затем выдыхается (иногда включается в E).
K = проводимость к поверхностям при прямом контакте с кожей или одеждой, например сидение на холодной поверхности и т. д. Это иногда включается в C. В состоянии покоя, как указано выше, на это приходится 3% потери тепла.
S = скорость накопления тепла в теле.
Тепловой баланс существует, когда
М — Ш = Р + С + Э + Л + К + С
R + C + K = 72% потерь тепла
Эскин = 15% (Выделение с калом и мочой = 3%)
Легкие = 7% выдыхается, 3% согревается вдохом
В идеале S должно равняться 0, когда тело находится в тепловом балансе, т. е. производство тепла = потеря тепла без хранения.
На практике тело редко достигает или поддерживает тепловой баланс, и многие факторы влияют на относительную важность процессов теплообмена.
2. Терморегуляция — простейшая терморегуляторная модель делит тело на две составляющие: ядро и оболочку. Также более сложные модели, например. Режим Stolwyck & Hardy с 25 узлами.
Оболочка – температура кожи изменяется в большем диапазоне, чем температура ядра. Температура кожи зависит в первую очередь от условий окружающей среды.
Сердцевина — внутренняя температура контролируется в относительно узком диапазоне с помощью систем терморегуляции. Температура ядра зависит в первую очередь от скорости работы.
Механизмы теплообмена — 3 основных физиологических механизма.
а. Вазомоторный — вся кожа нуждается в некотором кровоснабжении, чтобы поддерживать ее жизнь, но кожный кровоток может быть увеличен во много раз по сравнению с базовым уровнем. Увеличение кожного кровотока повышает температуру кожи и увеличивает передачу тепла в окружающую среду, а также охлаждает ядро. Уменьшение кожного кровотока охлаждает кожу, снижает теплопередачу в окружающую среду и согревает сердцевину. Изменения кожного кровотока наиболее выражены на конечностях (кистях и стопах) и менее выражены на туловище и голове. Вот почему руки и ноги часто мерзнут в первую очередь.
б. Потоотделение — (макс. продолжающаяся общая скорость потоотделения = 1 л/ч; макс. кратковременная = 10-15 л за 6 ч; всегда 650 мл/сут.). Когда температура кожи приближается к температуре ядра, передача тепла от ядра к коже становится все труднее. В жарких условиях испарение пота с поверхности кожи охлаждает ее, тем самым улучшая передачу тепла от ядра.
2 вида пота:
апокрин — лоб, спина, ладони, подмышки — белоксодержащий пот
эккрин — водяной пот со всех других участков кожи (скрытая теплота воды 600 кал/гм)
в. Дрожь — при минимальном кожном кровотоке могут иметь место чрезмерные потери тепла из ядра за счет проводимости через ткани скорлупы. Поддержание внутренней температуры требует увеличения теплопродукции, а озноб является дезорганизованной мышечной деятельностью, которая имеет этот эффект и увеличивает теплопродукцию на 300-400%. Для испарения макс. на пот уходит 6000-9000 ккал, что равняется теплу дровосека в холодную погоду!.
3. Системы терморегуляции — при переходе тела из одной тепловой среды в другую в работу включаются следующие механизмы:
а. Переход от теплой к холодной среде влечет за собой следующее:
-кожа становится прохладной
— кровь направляется от кожи к ядру, где она нагревается, прежде чем вернуться к коже.
— внутренняя температура слегка повышается, а затем падает при длительном воздействии
— возможны озноб и «гусиная кожа» Если тело стабилизируется, то большие участки кожи получат мало крови. Если охлаждение продолжается, то в конечном итоге внутренняя температура падает, вызывая гипотермию, которая может привести к смерти. (Анекдот о смерти Криса от переохлаждения после инцидента в пещере, не только у пожилых людей.)
б. Переход из холодной среды в теплую влечет за собой следующее:
— больше крови направляется от ядра к поверхности кожи, что повышает температуру кожи
— внутренняя температура падает, но при длительном воздействии снова повышается
-начинается потливость
Если тело стабилизируется, то большие участки кожи получат кровь и произойдет потоотделение. Если согревание тела продолжается, в конечном итоге температура тела повышается, вызывая гипертермию (тепловой удар), который может привести к смерти.
4. Акклиматизация к жаре и холоду. Акклиматизация состоит из ряда физиологических приспособлений, которые происходят у человека, который обычно подвергается воздействию либо жарких, либо холодных условий. Говорят, что акклиматизация состоит из двух процессов: «привыкание» и «непривыкание»!
Акклиматизация к жаре: В жарком климате происходят физиологические адаптации, помогающие охлаждать тело:
— увеличивается потребление воды (обратите внимание, что лучше пить теплые жидкости, потому что они повышают внутреннюю температуру и стимулируют потоотделение для усиления охлаждения, тогда как холодные жидкости снижают внутреннюю температуру, что препятствует потоотделению, уменьшая охлаждение, что увеличивает дискомфорт.
— увеличивается потоотделение. При «тренировке» потовые железы производят больше пота.
— увеличивается объем крови и больше крови отводится к коже (может даже получиться «красное» лицо)
-происходят поведенческие изменения: носят меньше одежды или избегают жары, например, прибегание к кондиционируемому помещению (пример привыкания к не привыканию, поскольку такое поведение не вызывает физиологической акклиматизации).
Акклиматизация к теплу лучше всего достигается при фактическом выполнении работы в жарком климате, т.е. упражнение. Наилучшие результаты достигаются при продолжительности воздействия не менее одного часа или хотя бы через раз или каждый день в течение как минимум 2–3 недель (некоторая акклиматизация происходит в течение 4–7 дней, а в разумных пределах — через 12–14 дней). Прекращение воздействия тепла приводит к возвращению в неакклиматизированное состояние через несколько недель. Бустерные воздействия каждую неделю или около того могут поддерживать высокий уровень акклиматизации. Этот процесс был подтвержден экспериментальными исследованиями, т. е. Линд и Басс, 19 лет63.
Lind & Bass (1963) — Мужчины работали каждый из 9 дней по 100 минут за раз при затрате энергии 300 ккал час-1 в жарком климате. По мере акклиматизации внутренняя температура и частота пульса снижались, а потоотделение увеличивалось.
Акклиматизация к холоду: Процессы холодовой акклиматизации менее выражены. В отличие от потоотделения, скорость озноба не увеличивается при длительном воздействии холода. Однако имеют место и другие изменения.
— ядро тела сжимается так, что гораздо больше тканей тела оказывается в оболочке. Сжатая сердцевина теперь лучше изолирована, и поэтому для поддержания внутренней температуры требуется меньше тепла.
— имеется тенденция к уменьшению притока крови к конечностям, поэтому использование рук затруднено и в норме снижено. Однако продолжительное использование рук в холодном климате приводит к оттоку большего количества крови, например, к этим органам. филетеры сельди на побережье Северного моря работали на открытом воздухе, погружая руки в почти ледяную воду или выставляя их на влажный ветер. Для неакклиматизированного человека это быстро вызывает сильную боль, однако филлеры работали весь день с небольшим дискомфортом. Такие изменения могут занять много времени (месяцы или годы).
Последствия острого или длительного воздействия различных температур на кожу и внутреннюю часть тела кратко ниже:
Перейти к следующей лекции
Уравнение теплового баланса
Уравнение теплового баланса
Уравнение теплового баланса
Уравнения переноса тепла в сплошных средах выводятся из первого начала термодинамики, обычно называемого принципом сохранения энергии. В настоящей части устанавливается уравнение теплового баланса в его интегральной и локализованной формах, которые служат основой для вывода различных уравнений теплопереноса, решаемых в COMSOL Multiphysics.
Интегральная форма
Первый закон термодинамики гласит, что изменения макроскопической кинетической энергии, KΩ, и внутренней энергии, EΩ, области Ω вызываются либо механической мощностью сил, приложенных к системе, Pext, либо обменной скоростью теплоты, Qexch (2. 3.53 в ссылке 4):
(4-7)
Баланс массы и импульса необходим для завершения описания системы. Законы механики, как для твердых тел, так и для жидкостей, порождают следующее уравнение баланса между изменением кинетической энергии, KΩ, мощности напряжения, Pstr, и мощности приложенных сил, Pext (2.3.64 в ссылке 4):
(4-8)
В это уравнение входят величины макроскопического уровня, где изменение кинетической энергии из-за приложенных к ней сил отражает ощутимое перемещение. В COMSOL Multiphysics интерфейсы Solid Mechanics или Single-Phase Flow являются примерами физических интерфейсов, имитирующих макроскопический уровень, описываемый уравнением 4-8.
Объединение уравнения 4-7 и уравнения 4-8 дает так называемое уравнение теплового баланса (2.3.65 в ссылке 4):
(4-9)
На этот раз уравнение включает величины микроскопического уровня (скорость теплообмена, Qexch, и внутреннюю энергию, EΩ), больше связанные с атомными вибрациями и подобными микроскопическими явлениями, которые ощущаются как тепло. Наличие мощности напряжения, Pstr, как в уравнении 4-8, так и в уравнении 4-9 означает тот факт, что такая мощность преобразуется в тепло путем рассеяния. Интерфейсы Heat Transfer, описанные в следующих разделах, моделируют теплообмен, описываемый уравнением 4-9..
Локализованная форма
В этом абзаце различные члены уравнения 4-9 более подробно описаны для получения локализованной формы уравнения теплового баланса.
Изменение внутренней энергии
Уравнения, приведенные в предыдущем абзаце, справедливы для данной макроскопической непрерывной области Ω, где внутренняя энергия определяется с использованием удельной внутренней энергии (на единицу массы), E, как:
Обратите внимание, что при сохранении массы изменение внутренней энергии во времени составляет:
В этих последних соотношениях ρ — плотность, а dv обозначает элементарный объем Ω. В отличие от постоянной элементарной массы, dm, элементарный объем изменяется за счет расширения или сжатия домена. Напомним, что оператор вывода d ⁄ dt под интегралами находится в материальной системе отсчета (см. Производная по времени в разделе «Системы для уравнений теплопередачи»).
Сила стресса
Мощность напряжения, полученная из теории механики сплошной среды, определяется формулой (2.3.59в исх. 4):
, где σ — тензор напряжений Коши, а D — тензор скорости деформации. Операция «:» является сокращением и в этом случае может быть записана в следующем виде:
Обратите внимание, что в гидромеханике тензор напряжений Коши делится на статическую часть для давления, p, и симметричную девиаторную часть, τ, как в:
(4-10)
, так что Pstr становится следующей суммой работы давления-объема и вязкой диссипации:
Эквивалентно сила напряжения также может быть выражена как:
Теплообмен
Наконец, тепловые потоки, Qexch, учитывают теплопроводность (см. закон Фурье в уравнении 4-6), излучение и потенциально дополнительные источники тепла. Джоулев нагрев и экзотермические химические реакции являются такими примерами доменного источника тепла. Различные виды обмениваемого тепла суммируются следующим равенством:
Напомним следующие обозначения, использованные выше: q — поток тепла за счет проводимости, qr — поток тепла за счет излучения, Q — дополнительные источники тепла, n — вектор внешней нормали к границе ∂Ω.
Локализованное уравнение теплового баланса
Со всеми этими элементами уравнение теплового баланса (уравнение 4-9) принимает вид:
(4-11)
, что приводит к следующей локализованной форме в материальном фрейме:
(4-12)
или эквивалент в пространственном кадре:
(4-13)
На словах это означает, что изменения внутренней энергии во времени уравновешиваются конвекцией внутренней энергии, теплопроводностью, излучением, диссипацией механического напряжения и дополнительными объемными источниками тепла. В следующих разделах будет получено уравнение 4-13 для получения уравнений теплопередачи в различных средах.
См. Фреймы для уравнений теплопередачи для получения более подробной информации об использовании материальных и пространственных фреймов в интерфейсах теплопередачи.
Справочник по техническим вопросам — EnergyPlus 9.2
В основе метода теплового баланса лежит внутренний тепловой баланс, включающий внутренние поверхности поверхностей зон. Этот тепловой баланс обычно моделируется с помощью четырех связанных компонентов теплопередачи: 1) проводимость через строительный элемент, 2) конвекция в воздух, 3) поглощение и отражение коротковолнового излучения и 4) обмен длинноволновым излучением. Падающее коротковолновое излучение возникает из-за солнечного излучения, проникающего в зону через окна, и излучательной способности внутренних источников, таких как источники света. Обмен длинноволновым излучением включает поглощение и испускание низкотемпературных источников излучения, таких как поверхности всех других зон, оборудование и люди.
Баланс тепла на внутренней стороне можно записать следующим образом:
q»LWX+q»SW+q»LWS+q»ki+q»sol+q»conv=0
где:
q»LWX = чистый обменный поток длинноволнового излучения между поверхностями в зоне или группе зон (оболочке).
q»SW = чистый поток коротковолнового излучения на поверхность от источников света.
q»LWS = поток длинноволнового излучения от оборудования в зоне или группе зон (ограждении).
q′′ki = поток проводимости через стену.
q′′sol = Проходящий поток солнечной радиации, поглощаемый поверхностью.
q′′conv = конвективный поток тепла к зональному воздуху.
Каждый из этих компонентов теплового баланса кратко представлен ниже.
Диаграмма объема контроля внутреннего теплового баланса [fig:inside-heat-balance-control-volume-diagram]
Внутренний длинноволновый радиационный обмен[ССЫЛКА]
Обмен длинноволновым излучением сбалансирован внутри ограждения, которое может представлять собой единую зону или группу зон, соединенных воздушными границами (см. Конструкция: Воздушная граница) с использованием GroupedZone метод радиационного обмена. В этом разделе «Зона» относится к любому типу корпуса.
ДВ Обмен излучением между поверхностями зоны[ССЫЛКА]
Существует два предельных случая для внутреннего радиационного обмена LW, которые легко моделируются:
Предельный случай полного поглощения воздуха использовался для расчетов нагрузки, а также в некоторых расчетах энергетического анализа. Эта модель привлекательна тем, что ее можно сформулировать просто, используя комбинированный коэффициент теплопередачи излучением и конвекцией от каждой поверхности к воздуху зоны. Однако это чрезмерно упрощает проблему поверхностного обмена зоны, и в результате формула теплового баланса в EnergyPlus рассматривает воздух как полностью прозрачный. Это означает, что он не участвует в радиационном обмене ДВ между поверхностями в зоне. Модель, которая считает комнатный воздух полностью прозрачным, физически разумна из-за низких концентраций водяного пара и коротких средних длин пути. Он также позволяет разделить лучистую и конвективную части теплообмена на поверхности, что является важным атрибутом метода теплового баланса.
EnergyPlus использует модель серого обмена для длинноволнового излучения между поверхностями зоны. Эта модель основана на концепции «ScriptF», разработанной Хоттелом (Хоттел и Сарофим, Радиационная передача, глава 3, Макгроу Хилл, 1967). Эта процедура основана на матрице коэффициентов обмена между парами поверхностей, которая включает все пути обмена между поверхностями. Другими словами, все отражения, поглощения и переизлучения от других поверхностей в ограждении включаются в коэффициент обмена, который называется ScriptF. Основные предположения заключаются в том, что все свойства поверхностного излучения являются серыми, а все излучение рассеянным. Оба допущения разумны для построения зонной развязки.
Коэффициенты ScriptF разрабатываются исходя из традиционных коэффициентов прямого излучения. В случае со строительными комнатами и зонами существует несколько факторов, усложняющих поиск факторов прямого обзора, основной из которых заключается в том, что расположение поверхностей, таких как тепловая масса, представляющая мебель и перегородки, неизвестно. Другое ограничение заключается в том, что точное вычисление коэффициентов прямого обзора требует больших вычислительных ресурсов, даже если положения всех поверхностей известны. Соответственно, EnergyPlus использует процедуру для аппроксимации коэффициентов прямого обзора. Процедура состоит из двух шагов:
1) Определить общую площадь других поверхностей, «видимых» поверхностью.
2) Приблизительно коэффициент прямого обзора с поверхности 1 на поверхность 2 как отношение площади поверхности 2 к общей площади, «видимой» поверхностью 1.
Определение «видимой» площади имеет несколько ограничений:
Ни одна поверхность не видит себя.
Все поверхности см. поверхности тепловой массы.
Никакая поверхность, обращенная в пределах 10 градусов от другой поверхности, не видна другой поверхностью.
Все поверхности видят крыши, полы и потолки (с учетом предыдущего ограничения направления взгляда).
Поскольку приближенные коэффициенты обзора могут не удовлетворять основным требованиям взаимности (две поверхности должны обмениваться одинаковым количеством тепла в каждом направлении) и полноты (каждая поверхность должна иметь сумму коэффициентов прямого обзора 1,0), EnergyPlus учитывает коэффициент обзора исправить операцию, прежде чем они будут использованы в определении ScriptF. Обычно выполняются оба требования, но в некоторых особых случаях они не выполняются, и применяются специальные правила.
Если пользователь включает менее четырех поверхностей в зону, обеспечение «полноты» строго невозможно, потому что невозможно иметь законченный корпус с менее чем четырьмя поверхностями. В этой ситуации сначала применяется взаимность, а затем суммируются коэффициенты просмотра с каждой поверхности. При работе с этими несколькими поверхностями результат использования приблизительных коэффициентов обзора заключается в том, что после принудительной взаимности наибольшая поверхность в зоне в конечном итоге будет иметь коэффициенты обзора, сумма которых больше единицы. Это физически невозможно. Итак, чтобы исправить это и сохранить полноту для одной поверхности, вся матрица коэффициентов обзора делится на наибольшую сумму коэффициентов обзора для любой поверхности в зоне. Делением всей матрицы коэффициентов обзора на одно и то же значение соблюдается взаимность, установленная стандартным алгоритмом, и устанавливается полнота для одной поверхности. Все остальные поверхности не будут иметь множителей обзора, суммирующихся с единицей, и, таким образом, не будут удовлетворять требованиям полноты. Однако эти другие поверхности не будут иметь коэффициенты обзора, сумма которых больше единицы, что позволяет избежать физически невозможной ситуации.
Если площадь одной поверхности в зоне больше, чем сумма площадей всех других поверхностей, применяется только взаимность, но иногда, для очень больших поверхностей, это выполнение становится невозможным, и коэффициенты обзора изменяются таким образом, что только большая поверхность видна очень маленькими поверхностями.
Предупреждающие сообщения выводятся в обоих этих случаях, и результаты должны быть тщательно изучены, чтобы убедиться, что они верны. Предлагаемое действие для второго случая (очень большая поверхность) состоит в том, чтобы разделить большую поверхность на несколько меньших поверхностей; тогда вложение будет рассматриваться как обычно.
После определения коэффициентов ScriptF для каждой поверхности рассчитывается обмен длинноволновым излучением, используя: я и дж.
Термомасса и мебель[ССЫЛКА]
Мебель в зоне увеличивает площадь поверхности, которая может участвовать в теплообмене излучением и конвекцией. Это также добавляет участвующую тепловую массу в зону. Эти два изменения влияют как на реакцию на изменения температуры в зоне, так и на характеристики отвода тепла.
Надлежащее моделирование мебели требует дальнейших исследований, но формулировка теплового баланса позволяет реалистично смоделировать эффект, включив площадь поверхности мебели и тепловую массу в процесс теплообмена.
ДВ-излучение от внутренних источников[ССЫЛКА]
Традиционная модель для этого источника заключается в определении распределения радиационного/конвективного тепла, поступающего в зону от оборудования. Затем излучающая часть распределяется по поверхностям внутри зоны определенным образом. Это, конечно, не совсем реалистичная модель, и она отходит от принципов теплового баланса. Однако рассмотреть этот источник более подробно практически невозможно, поскольку в противном случае потребовались бы сведения о размещении и температуре поверхности всего оборудования.
Внутреннее коротковолновое излучение[ССЫЛКА]
SW Излучение от источников света[ССЫЛКА]
Коротковолновое излучение света распределяется по поверхностям в зоне определенным образом.
Передаваемая солнечная энергия[ССЫЛКА]
Проходящая солнечная радиация также распределяется по поверхностям в зоне в установленном порядке. Было бы возможно рассчитать фактическое положение луча солнечного излучения, но это потребовало бы частичного облучения поверхности, что несовместимо с моделью остальной части зоны, которая предполагает однородные условия по всей поверхности. Текущие процедуры включают набор предписанных распределений. Поскольку подход теплового баланса может иметь дело с любой функцией распределения, можно изменить функцию распределения, если это представляется целесообразным.
Конвекция в зональный воздух[ССЫЛКА]
Поток конвекции рассчитывается с использованием коэффициентов теплопередачи следующим образом:
q′′conv=hc(Ts−Ta)
Коэффициенты внутренней конвекции ( hc ) могут быть рассчитаны с использованием одной из множества различных моделей. В настоящее время в реализации используются коэффициенты, основанные на корреляциях для естественной, смешанной и вынужденной конвекции.
Внутренняя проводимость[ССЫЛКА]
Этот вклад в тепловой баланс внутренней поверхности представляет собой коэффициент теплопроводности стенки, q»ki, показанный в уравнении [eq:InsideFaceHeatBalanceEquation]. Это представляет собой передачу тепла на внутреннюю поверхность строительного элемента. Опять же, формула CTF используется для определения этого теплового потока.
Внутренняя конвекция[ССЫЛКА]
В EnergyPlus доступно множество различных вариантов моделирования коэффициентов внутренней конвекции, hc . Существует четыре различных параметра, определяющих, как менеджеры EnergyPlus выбирают модели hc во время моделирования. В EnergyPlus существует множество отдельных уравнений модели для hc , охватывающих различные ситуации, возникающие в зависимости от ориентации поверхности, условий воздушного потока в помещении и направления теплового потока. Кроме того, во многих случаях несколько исследователей разработали конкурирующие модели для одних и тех же ситуаций, которые различаются, и невозможно объявить, что одна лучше другой. Общее значение по умолчанию для моделирования выбирается в объекте «SurfaceConvectionAlgorithm:Inside» и может быть переопределено путем выбора другого параметра в описании зоны. Эти модели объясняются в следующих разделах. В дополнение к вариантам корреляции, описанным ниже, также возможно переопределить коэффициенты конвекции внутри любой поверхности, используя объект «SurfaceProperty:ConvectionCoefficients» во входном файле, чтобы установить значение коэффициента конвекции внутри любой поверхности. Значения могут быть указаны напрямую или с помощью графиков. Конкретные подробности приведены в документе Справочник по вводу-выводу.
Алгоритм адаптивной конвекции[ССЫЛКА]
Beausoleil-Morrison (2000, 2002) разработал методологию динамического управления выбором hc уравнений, названную алгоритмом адаптивной конвекции . Алгоритм используется для выбора среди имеющихся hc уравнений того, которое наиболее подходит для данной поверхности в данный момент времени. Как отмечает Босолей-Моррисон, алгоритм адаптивной конвекции предполагается расширить и изменить, чтобы он отражал различные схемы классификации и/или новые hc уравнений. Реализация в EnergyPlus была изменена по сравнению с оригиналом следующим образом:
Предусмотрен механизм ввода (см. объект
SurfaceConvectionAlgorithm:Inside:AdapativeModelSelections), так что пользователь может настраивать определенные варианты уравнений hc , которые применяются для различных режимов течения и ориентации поверхности. Изменения в целом применяются ко всей модели (но их можно переопределить, задав свойства поверхности).
Во избежание необходимости дополнительного ввода пользователем информации о расположении оборудования типа ZoneHVAC в зоне не проводится различие между зонами, в которых оборудование конвективных зональных нагревателей расположено под окнами, и зонами, в которых конвективные нагреватели расположены вдали от окон. Это касается режима воздушного потока, связанного с зональными конвективными обогревателями. Используя терминологию Босолей-Моррисон, режимы B1 и B2 объединены в один режим B.
Во избежание необходимости дополнительного ввода данных пользователем о расположении оборудования типа ZoneHVAC в пределах зоны не проводится различие между поверхностями, непосредственно обдуваемыми вентилятором, и поверхностями, удаленными от вентилятора, для режима воздушного потока, связанного с механической циркуляцией от зонального вентилятора (оборудование типа ZoneHVAC).
Корреляция для горизонтальной свободной струи, разработанная Фишером (1995), не используется. Модели с потолочными диффузорами используются для всех механических циркуляций от системы кондиционирования. Это решение было принято по двум причинам: (1) чтобы избежать необходимости дополнительного ввода пользователем информации о положении и импульсе, генерируемом аэродинамическими установками, и (2) потому что Фишер (1995) обнаружил, что эффект Коанда настолько значителен, что на практике трудно поддерживать свободную горизонтальную струю, а механические потоки воздуха в помещении обычно прикрепляются к поверхностям и имеют тенденцию соответствовать режиму потока потолочного диффузора гораздо чаще, чем свободная струя.
EnergyPlus поддерживает произвольную геометрию, поэтому поверхности можно наклонять по вертикали или горизонтали. Алгоритм адаптивной конвекции Босолей-Моррисон изначально был построен для использования hc уравнений, не имеющих функциональной зависимости от угла наклона поверхности. Однако наклонные поверхности ведут себя иначе, чем вертикальные или горизонтальные поверхности, когда силы плавучести значительны. Поэтому реализация EnergyPlus расширяет структуру алгоритма, включая дополнительные категории для наклонных поверхностей. Уравнения hc , разработанные Уолтоном (1983), выбраны по умолчанию для наклонных поверхностей, поскольку они имеют функциональную зависимость от угла наклона.
Fohanno and Polidari (2006) создали новое уравнение hc для вертикальных стен внутри зданий с простым режимом плавучести. Они использовали теоретический подход, основанный на интегральном формализме и равномерном тепловом потоке (а не на однородной температуре), который охватывает как ламинарные, так и турбулентные потоки. В EnergyPlus эта модель выбрана по умолчанию вместо модели Аламдари и Хаммонда (1983) для вертикальных стен.
Karadag (2009) разработал новое уравнение hc для потолочных поверхностей, которые активно охлаждаются. Он использовал вычисления гидродинамики и различных размеров помещений и температурных режимов. В EnergyPlus эта модель выбирается по умолчанию для поверхностей с активным потолочным охлаждением (вместо модели Аламдари и Хаммонда (1983) для неустойчивых потолков).
Международная организация по стандартизации (ISO) завершила стандарт 15099-2003, который включает hc уравнения для внутренней поверхности окон. EnergyPlus стремится по возможности придерживаться формальных стандартов моделирования. Поэтому реализация включает более крупную структуру для адаптивного алгоритма, которая включает дополнительные категории для окон во всех режимах потока, а модели ISO 15099-2003 используются по умолчанию для окон в режимах потока с естественной конвекцией. Модель ISO 15099 применима к различным углам наклона.
Гольдштейн и Новосалец (2010 г.) выпустили новые hc уравнения для ситуаций принудительной вентиляции с потолочными щелевыми диффузорами по периметру со значительной долей остекления. Они использовали эксперименты с полноразмерной тестовой комнатой. Эти новые уравнения выбраны по умолчанию для окон, потолков и полов при наличии активной системы кондиционирования.
Внутренним массовым поверхностям присваивается уравнение hc , которое применимо (устойчиво или нестабильно) к горизонтальной обращенной вверх поверхности для каждого режима потока. 92, для зоны. Большие значения Ri указывают на то, что преобладает плавучесть, а малые значения указывают на то, что преобладают вынужденные течения. Для того, чтобы провести различие между оборудованием противоположного типа Zone (с вентиляторами), предполагается, что оно нагнетает воздух вверх по стенам, а оборудование типа центрального кондиционера (с диффузорами) предполагается, что оно нагнетает воздух вниз по стенам.
Алгоритм адаптивной конвекции, реализованный в EnergyPlus для внутренней поверхности, имеет в общей сложности 45 различных категорий поверхностей и 29 различных вариантов для hc Выбор уравнения. В следующей таблице приведены категории и назначения по умолчанию для уравнений hc . Отдельные уравнения hc описаны ниже.
Категории и назначения внутренней конвекции
1 Вертикальные стенки FohannoPolidoriVerticalWall*
AlamdariHammondVerticalWall
ASHRAEВертикальныйстенный
2 Стабильный горизонтальный AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
WaltonStableHorizontalOrTilt
3 Простая плавучесть А3 Нестабильный горизонтальный AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный*
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
4 Стабильный наклонный WaltonStableHorizontalOrTilt*
5 Нестабильный наклонный WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
6 Окна ISO15099Windows*
7 Вертикальные стенки KhalifaEq3WallAwayFromHeat*
FohannoPolidoriVerticalWall
AlamdariHammondVerticalWall
ASHRAEВертикальныйстенный
8 Стабильный горизонтальный AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
WaltonStableHorizontalOrTilt
9 Внутреннее отопление или потолочное охлаждение А1 Нестабильный горизонтальный KhalifaEq4CeilingAwayFromHeat*
AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
10 Пол с подогревом AwbiHattonHeatedFloor*
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный
11 Охлаждающий потолок КарадагХолодный потолок*
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
12 Устойчивый Наклонный WaltonStableHorizontalOrTilt*
13 Нестабильный наклонный WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
14 Окна ISO15099Windows*
15 Вертикальные стены (без обогрева) KhalifaEq6NonHeatedWalls*
FohannoPolidoriVerticalWall
ASHRAEВертикальныйстенный
16 Стена с подогревом AwbiHattonHeatedWall*
17 Настенная панель отопления А2 Стабильный горизонтальный AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
WaltonStableHorizontalOrTilt
18 Нестабильный горизонтальный KhalifaEq7Потолок*
AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
19 Устойчивый Наклонный WaltonStableHorizontalOrTilt*
20 Нестабильный наклонный WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
21 Окна ISO15099Windows*
22 Вертикальные стены не рядом с обогревателем FohannoPolidoriVerticalWall*
KhalifaEq6NonHeatedWalls
KhalifaEq3WallAwayFromHeat
AlamdariHammondVerticalWall
ASHRAEВертикальныйстенный
23 Вертикальные стены рядом с обогревателем KhalifaEq5WallNearHeat*
24 Нагреватель конвективной зоны Б Стабильный горизонтальный AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
WaltonStableHorizontalOrTilt
25 Нестабильный горизонтальный KhalifaEq7Потолок*
KhalifaEq4CeilingAwayFromHeat
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
26 Устойчивый Наклонный WaltonStableHorizontalOrTilt*
27 Нестабильный наклонный WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
28 Окна ISO15099Windows*
29 Стены Goldstein NovoselacПотолочный ДиффузорСтены*
FisherPedersenПотолочный ДиффузорСтены
30 Потолок FisherPedersenCeilingDiffuserCeiling*
31 Механический центральный воздушный диффузор С Этаж Goldstein NovoselacПотолочный ДиффузорНапольный*
FisherPedersenПотолочный ДиффузорНапольный
32 Окна Goldstein NovoselacПотолочныйДиффузорОкно*
ISO15099Windows
33 Стены KhalifaEq3WallAwayFromHeat *
34 Стабильный горизонтальный AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
WaltonStableHorizontalOrTilt
35 Циркуляция вентилятора механической зоны Д Нестабильный горизонтальный KhalifaEq4CeilingAwayFromHeat*
WaltonUnstableHorizontalOrTilt
36 Устойчивый Наклонный WaltonStableHorizontalOrTilt*
37 Нестабильный наклонный WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
38 Окна Гольдштейн НовоселакПотолочныйДиффузорОкно*
ISO15099Windows
39 Вспомогательные перегородки BeausoleilMorrisonMixedAssistedWall*
40 Противоположные стенки BeausoleilMorrisonMixedOpposedWall*
41 Стабильный пол BeausoleilMorrisonMixedStableFloor*
42 Смешанный Э Неустойчивый пол Босолей Моррисон MixedUnstableFloor*
43 Стабильный потолок BeausoleilMorrisonMixedStableCeiling*
44 Нестабильный потолок BeausoleilMorrisonMixedUnstableCeiling*
45 Окна Гольдштейн НовоселакПотолочныйДиффузорОкно*
ISO15099Windows
*Обозначает выбор по умолчанию для hc уравнение модели.
Классификация внутренней лицевой поверхности[ССЫЛКА]
Алгоритм адаптивной конвекции основан на классификации поверхностей по режиму течения и ориентации, чтобы можно было выбрать правильное уравнение hc в конкретный момент времени во время моделирования. Классификация зависит от пользовательского ввода, при этом некоторые аспекты обрабатываются только один раз в начале, а другие — на каждом временном шаге. Существуют также различные параметры или входы для hc 9.0218 уравнений, требующих статической или динамической обработки.
Для каждой поверхности она и зона, к которой она прикреплена, обрабатываются для получения следующих статических характеристик.
В качестве высоты зоны принимается характерная высота для конвекции.
Поверхности, указанные как получающие тепло от оборудования Zone HVAC с излучающими моделями, считаются «рядом» с нагревателем.
Зоны исследуются для низкотемпературных радиационных систем. Поверхности, которые содержат активные элементы, исследуются, и зона характеризуется, чтобы узнать, имеет ли она подогрев пола, потолочное охлаждение или настенное отопление.
Гидравлический диаметр рассчитывается для горизонтальных поверхностей для всей зоны.
и расчет различных параметров, необходимых для уравнений hc . Выбор режима течения осуществляется следующим образом. Для каждой поверхности мы проверяем зону на внутренней грани на следующее:
Во время начальных расчетов размеров зоны и системы характеристики системы HVAC еще не известны, поэтому режим потока выбирается исходя из неконтролируемой зоны. Во время моделирования, включая моделирование размеров HVAC, используются характеристики системы HVAC.
Поверхности оцениваются для определения:
Классификация поверхностей: пол, стена, крыша, окно, типы
Угол наклона
Конвективная устойчивость (знак ΔT)
Отдельные уравнения модели hc и их соответствующие ссылки перечислены далее по ключевому слову, используемому для их идентификации.
Вертикальная стена ASHRAE[ССЫЛКА]
Уолтон принял следующее уравнение для естественной конвекции из ASHRAE.
h=1,31|ΔT|13
Обычно в EnergyPlus это ограничение составляет минимум 0,1. Это компонент общего алгоритма TARP, описанного ниже.
Walton Нестабильный горизонтальный или наклонный [ССЫЛКА]
Уолтон (1983) разработал следующее уравнение путем подгонки кривых из различных источников.
h=9,482|ΔT|137,238−|cosΣ|
Нестабильный относится к направлению теплового потока и связанной с ним плавучести относительно поверхностей. Нестабильный — это когда естественная тенденция состоит в том, чтобы увеличить поток в том смысле, что поднимающийся более теплый воздух или опускающийся более холодный воздух могут свободно удаляться от поверхности. В EnergyPlus это обычно ограничено как минимум 0,1. Это компонент общего алгоритма TARP, описанного ниже.
Walton Stable Горизонтальный или наклонный [ССЫЛКА]
Уолтон (1983) разработал следующее уравнение путем подгонки кривых из различных источников.
h=1,810|ΔT|131,382+|cosΣ|
Стабильный относится к направлению теплового потока и связанной с ним плавучести относительно поверхностей. Стабильный — это когда естественная тенденция заключается в замедлении потока в том смысле, что восходящий более теплый воздух или опускающийся более холодный воздух прижимаются к поверхности. В EnergyPlus это обычно ограничено как минимум 0,1. Это компонент общего алгоритма TARP, описанного ниже.
Потолочный диффузор Fisher Pedersen Стены[ССЫЛКА]
Фишер и Педерсен (1997) разработали следующее уравнение на основе измерений в лабораторной камере.
h=1,208+1,012∗ACH0,604
Это компонент общего алгоритма CeilingDiffuser, описанный ниже.
Потолочный диффузор Fisher Pedersen[ССЫЛКА]
Фишер и Педерсен (1997) разработали следующее уравнение на основе измерений в лабораторной камере.
h=2,234+4,099∗ACH0,503
Это компонент общего алгоритма CeilingDiffuser, описанного ниже.
Напольный потолочный диффузор Fisher Pedersen[ССЫЛКА]
Фишер и Педерсен (1997) разработали следующее уравнение на основе измерений в лабораторной камере.
h=3,873+0,082∗ACH0,98
Это компонент общего алгоритма CeilingDiffuser, описанный ниже.
Alamdari Hammond Stable Horizontal [ССЫЛКА]
Аламдари и Хаммонд (1983) разработали следующую корреляцию для горизонтальных поверхностей в условиях стабильной температуры.
h=0,6(|ΔT|D2h)1/155
где,
Dh=4AP , гидравлический диаметр горизонтальной поверхности, A площадь (м2) и P периметр (м) вся зона.
Аламдари Хаммонд Нестабильный горизонтальный[ССЫЛКА]
Аламдари и Хаммонд (1983) разработали следующую корреляцию для горизонтальных поверхностей в плавучей тепловой ситуации.
ч=⎧⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎨⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩⎡⎢ ⎢ ⎢⎣1,4(|ΔT|Dh)1/144⎤⎥ ⎥ ⎥⎦6+[1,63|ΔT|1/133]6⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎬⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎭1/166
Вертикальная стена Alamdari Hammond[ССЫЛКА]
Аламдари и Хаммонд (1983) разработали следующую корреляцию для вертикальных поверхностей.
ч=⎧⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎨⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩⎡⎢ ⎢ ⎢⎣1,5(|ΔT|H)1/144⎤⎥ ⎥ ⎥⎦6+[1,23|ΔT|1/133]6⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎬⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎭1/166
где
H  – характерная высота поверхности. В EnergyPlus это высота потолка зоны (которая может быть больше, чем высота отдельной поверхности, если стена разделена на более чем одну поверхность).
Khalifa Eq3 Стена подальше от тепла[ССЫЛКА]
Халифа (1989) провел эксперименты с испытательными камерами и разработал корреляции для определенных типов поверхностей. Одно из них, обозначенное как «Уравнение 3» в исходной ссылке, предназначено для зон с конвективным обогревом и применяется к внутренним поверхностям стен вдали от источника тепла:
h=2,07|ΔT|0,23
Khalifa Eq4 [ССЫЛКА НА САЙТ]
Халифа (1989) провел эксперименты с испытательными камерами и разработал корреляции для определенных типов поверхностей. Одно из них, обозначенное как «Уравнение 4» в исходной ссылке, предназначено для зон с конвективным обогревом и применяется к внутренним поверхностям потолков вдали от источника тепла:
h=2,72|ΔT|0,13
Khalifa Eq5 Wall Near Heat[ССЫЛКА]
Халифа (1989) провел эксперименты с испытательными камерами и разработал корреляции для определенных типов поверхностей. Одно из них, обозначенное как «Уравнение 5» в исходном справочнике, предназначено для зон с конвективным обогревом и применяется к внутренним поверхностям стен рядом с источником тепла:
h=1,98|ΔT|0,32
Khalifa Eq6 Неотапливаемые стены[ССЫЛКА ]
Халифа (1989) провел эксперименты с испытательными камерами и разработал корреляции для определенных типов поверхностей. Одно из них, обозначенное как «Уравнение 6» в исходной ссылке, предназначено для отапливаемых зон и применяется к внутренним поверхностям стен, которые не обогреваются:
h=2,30|ΔT|0,24
Потолок Khalifa Eq7[ССЫЛКА]
Халифа (1989) провел эксперименты с испытательными камерами и разработал корреляции для определенных типов поверхностей. Один из них, обозначенный как «Уравнение 7» в исходной ссылке, предназначен для обогреваемых зон и применяется к внутренним поверхностям потолков:
h=3,10|ΔT|0,17
Пол с подогревом Awbi Hatton[ССЫЛКА]
Awbi и Hatton (1999) провели лабораторные измерения с использованием климатических камер и получили следующую корреляцию для поверхностей пола, которые активно нагреваются.
h=2,175|ΔT|0,308D0,076h
где,
Dh=4AP, гидравлический диаметр горизонтальной поверхности, A площадь (м2) и P периметр (м) всей зоны (все прилегающие поверхности пола, если в зоне их несколько).
Стена с подогревом Awbi Hatton[ССЫЛКА]
Авби и Хаттон (1999) разработали следующую корреляцию для поверхностей стен, которые активно нагреваются.
h=1,823|ΔT|0,293D0,076h
где,
Dh=4AP, гидравлический диаметр поверхности стены, A — площадь (м2) и P — периметр (м) всей стены (всех смежных поверхностей стены, если вдоль стены их несколько).
Beausoleil Morrison Смешанная вспомогательная стена[ССЫЛКА]
Beausoleil-Morrison (2000) использовал методы смешивания для объединения корреляций, первоначально разработанных Аламдари и Хаммондом (1983) и Фишером и Педерсеном (1997), чтобы создать следующую корреляцию для стен, где движущие силы потока от механических сил дополняются движущие силы от плавучести.
ч=⎛⎜ ⎜⎝⎧⎪⎨⎪⎩⎡⎢⎣1,5(|ΔT|H)1/4⎤⎥⎦6+[1,23|ΔT|2]1/6⎫⎪⎬⎪⎭1/2+{[Tsurf−TSAT| ΔT|][−0,199+0,190⋅ACH0,8]}3⎞⎟ ⎟⎠1/3
где,
TSAT – температура приточного воздуха на диффузоре.
Здесь эталонной температурой является температура воздуха в зоне, а не температура приточного воздуха диффузора.
Beausoleil Morrison Mixed Противоположная стена[ССЫЛКА]
Beausoleil-Morrison (2000) использовал методы смешивания для объединения корреляций, первоначально разработанных Аламдари и Хаммондом (19).83) и Фишер и Педерсен (1997) для создания следующей корреляции для стен, где движущие силы потока от механических сил противостоят движущим силам от плавучести.
ч=макс⎧⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎨⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩⎛⎝{[1,5(|ΔT|H)1/4]6+[1,23|ΔT|2]1/6}1/2−{[Tsurf−TSAT|ΔT|]⋅[−0,199+0,190⋅ ACH0,8]}3⎞⎠1/30,8⋅{[1,5(|ΔT|H)1/4]6+[1,23|ΔT|2]}1/60,8⋅{[Tsurf−TSAT|ΔT|]⋅[ −0,199+0,190⋅ACH0,8]}
Beausoleil Morrison Mixed Stable Floor[ССЫЛКА]
Beausoleil-Morrison (2000) использовал методы смешивания для объединения корреляций, первоначально разработанных Аламдари и Хаммондом (19). 83) и Fisher and Pedersen (1997) для создания следующей корреляции для полов, где движущие силы потока включают как механические силы, так и термически стабильную плавучесть.
ч=⎛⎜ ⎜⎝⎧⎪ ⎪⎨⎪ ⎪⎩0,6⋅(|ΔT|DH)1/155⎫⎪ ⎪⎬⎪ ⎪⎭3+{[Tsurf−TSAT|ΔT|]⋅[0,159+0,116ACH0,8]}3⎞⎟ ⎟⎠1/133
Beausoleil Morrison Смешанный неустойчивый пол[ССЫЛКА]
Босолей-Моррисон (2000) использовал методы смешивания для объединения корреляций, первоначально разработанных Аламдари и Хаммондом (1983) и Фишером и Педерсеном (19).97) для создания следующей корреляции предназначено для полов, где движущие силы потока включают в себя как механические силы, так и термически нестабильную плавучесть.
ч=⎛⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎧⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎨⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩⎡⎢ ⎢ ⎢⎣1,4(|ΔT|Dh)1/144⎤⎥ ⎥ ⎥⎦6+[1,63|ΔT|1/133]6⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎬⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎭3/366+{[Tsurf−TSAT|ΔT|]⋅[0,159+0,116ACH0,8]}3⎞⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠1/133
Стабильный потолок Beausoleil Morrison смешанного типа[ССЫЛКА]
Beausoleil-Morrison (2000) использовал методы смешивания для объединения корреляций, первоначально разработанных Аламдари и Хаммондом (19). 83) и Fisher and Pedersen (1997) для создания следующей корреляции для потолков, где движущие силы потока включают как механические силы, так и термически стабильную плавучесть.
ч=⎛⎜ ⎜⎝⎧⎪ ⎪⎨⎪ ⎪⎩0,6⋅(|ΔT|DH)1/155⎫⎪ ⎪⎬⎪ ⎪⎭3+{[Tsurf−TSAT|ΔT|]⋅[−0,166+0,484ACH0,8]}3⎞⎟ ⎟⎠1/133
Beausoleil Morrison Смешанный нестабильный потолок[ССЫЛКА]
Босолей-Моррисон (2000) использовал методы смешивания для объединения корреляций, первоначально разработанных Аламдари и Хаммондом (1983) и Фишером и Педерсеном (19).97) создать следующую корреляцию для потолков, где движущие силы потока включают в себя как механические силы, так и термически нестабильную плавучесть.
ч=⎛⎜ ⎜⎝⎛⎜⎝⎡⎢⎣1,4(|ΔT|Dh)1/4⎤⎥⎦6+[1,63|ΔT|1/3]6⎞⎟⎠3/6+([Tsurf−TSAT|ΔT|]⋅ [−0,166+0,484⋅ACH0,8])3⎞⎟ ⎟⎠1/3
Fohanno Polidori Вертикальная стена[ССЫЛКА]
Фоханно и Полидори (2006) разработали следующее уравнение для hc для вертикальных стенок в простых условиях плавучести.
ч=⎧⎪ ⎪⎨⎪ ⎪⎩1,332(|ΔT|H)1/144,Ra∗H≤6,3×1091. 235e(0.0467H)|ΔT|0.316,Ra∗H>6.3×109
где,
Ra∗H=gβfq′′ch5kfν2fPrf
Карадагский охлаждающий потолок[ССЫЛКА]
Karadag (2009) использовал численные методы для получения следующей формулы для hc для поверхностей охлаждаемых потолков.
h=3,1|ΔT|0,22
ISO 15099 Windows[ССЫЛКА]
Стандарт ISO 15099-2003 включает уравнения для hc для комнатных окон и поверхностей с любым углом наклона и направлением теплового потока. ИСО 15099 корреляция относится к углу неподвижного воздуха и определяется числом Нуссельта, Nu , где
hi=Nu(λH)
, где
λ — теплопроводность воздуха, а
H — высота окна.
Число Рэлея, основанное на высоте, RaH , рассчитывается по следующей формуле: под действием силы тяжести,
cp – удельная теплоемкость воздуха,
μ — динамическая вязкость воздуха, а
Tm,f — средняя температура пленки в градусах Кельвина, определяемая по формуле:
Tm,f=Tair+14(Tsurf,i−Tair) Корреляция Нуссельта, которая зависит от угла наклона в градусах, γ и основана на условиях нагрева. Для условий охлаждения (где Tsurf,i>Tair) угол наклона дополняется таким образом, что 90o
Racv=2,5×105(e0,72γsinλ)1/155
Nu=0,56(RaHsinγ)1/144; для RaH≤RaCV
Nu=0,13(Ra1/133H−Ra1/133CV)+0,56(RaCVsinγ)1/144;RaH>RaCV
Случай C. 90o<γ≤ 179o
Nu=0,56(RaHsinγ)1/144;105≤RaHsinγ<1011
Случай Г. температура пленки. Для ρ и cp используются стандартные психрометрические функции EnergyPlus. Теплопроводность рассчитывается по формуле:
λ=2,873×10-3+7,76×10-8Tm,f.
Кинематическая вязкость рассчитывается по формуле:
μ=3,723×10-6+4,94×10-8Tm,f .
Эта корреляция зависит от температуры поверхности остекления со стороны помещения и поэтому включена в итерационный цикл теплового баланса окна.
Goldstein Novoselac Потолочный диффузор Окно[ССЫЛКА]
Гольдштейн и Новоселак (2010) использовали измерения в лабораторных камерах для разработки корреляций конвекции для зон периметра с сильно остекленными помещениями, обслуживаемыми воздушными системами на основе щелевых диффузоров. Ниже приведены голые окна в таких помещениях.
Для WW<50% с окном в верхней части стены:
h=0,117(˙VL)0,8
Для WW<50% с окном в нижней части стены
h=0,093(˙VL)0,8
Для WWR > 50 %
h=0,103(˙VL)0,8
Где
WWR – отношение окна к стене.
L длина наружной стены с остеклением в зоне.
˙V – расход воздушной системы в м3/с.
Goldstein Novoselac Потолочный диффузор Стены[ССЫЛКА]
Гольдштейн и Новоселак (2010) использовали измерения в лабораторных камерах для разработки корреляций конвекции для зон периметра с сильно остекленными помещениями, обслуживаемыми воздушными системами на основе щелевых диффузоров. Ниже приведены данные для наружных стен в таких помещениях.
Для стен, расположенных под окном
h=0,063(˙VL)0,8
Для стен, расположенных над окном
h=0,093(˙VL)0,8
Goldstein Novoselac Потолочный диффузор Напольный[ССЫЛКА]
Гольдштейн и Новоселак (2010) использовали измерения в лабораторных камерах для разработки корреляций конвекции для зон периметра с сильно остекленными помещениями, обслуживаемыми воздушными системами на основе щелевых диффузоров. Ниже приведены полы в таких помещениях.
h=0,048(˙VL)0,8
Отдельно от приведенной выше структуры модели существуют также другие комплексные структуры алгоритмов, которые описаны ниже.
Алгоритм TARP[ССЫЛКА]
Комплексная модель естественной конвекции, доступ к которой осуществляется по ключевому слову «TARP», связывает коэффициент конвективной теплопередачи с ориентацией поверхности и разницей между температурой воздуха на поверхности и в зоне (где DT = температура поверхности — температура воздуха). Алгоритм взят непосредственно у Уолтона (1983). Уолтон вывел свой алгоритм из литературы ASHRAE, которую теперь можно найти, например, в Справочнике ASHRAE (HoF 2001), таблица 5 на с. 3.12, где приведены уравнения для коэффициентов теплопередачи естественной конвекции в турбулентном диапазоне для больших вертикальных пластин и для больших горизонтальных пластин, обращенных вверх при нагреве (или вниз при охлаждении). Примечание в тексте также дает приближение для больших горизонтальных пластин, обращенных вниз при нагревании (или вверх при охлаждении), рекомендуя, что оно должно составлять половину значения, обращенного вверх. Уолтон добавляет кривую в зависимости от косинуса угла наклона, чтобы получить промежуточные значения между вертикалью и горизонталью. Значения аппроксимации кривой в экстремумах очень хорошо соответствуют значениям ASHRAE.
При отсутствии разницы температур ИЛИ вертикальной поверхности используется следующая корреляция:
h=1,31|ΔT|13 (90) поверхность) используется корреляция усиленной конвекции:
h=9,482|ΔT|137,238−|cosΣ| (91)
, где Σ — угол наклона поверхности.
Для (ΔT > 0,0 И обращенной вверх поверхности) ИЛИ (ΔT < 0,0 И обращенной вниз поверхности) используется редуцированная корреляция конвекции:
h=1,810|ΔT|131,382+|cosΣ| (92)
где Σ — угол наклона поверхности.
Простой алгоритм естественной конвекции[ССЫЛКА]
В простой модели конвекции используются постоянные коэффициенты для различных конфигураций теплопередачи с использованием тех же критериев, что и в подробной модели, для определения ослабленной и усиленной конвекции. Коэффициенты также взяты непосредственно из Уолтона (1983). Уолтон вывел свои коэффициенты из поверхностной проводимости для e = 0,90, найденной в Справочнике ASHRAE (1985) в таблице на с. 23.2. Компонент лучистого теплопереноса был оценен в 1,02 * 0,9 = 0,918 БТЕ/ч-фут2-F, а затем вычтен. Наконец, коэффициенты были преобразованы в единицы СИ, чтобы получить следующие значения.
Для вертикальной поверхности:
h=3,076
Для горизонтальной поверхности с пониженной конвекцией:
h=0,948
Для горизонтальной поверхности с усиленной конвекцией:
h=4,040
Для наклонной поверхности с пониженной конвекцией:
h=2,281
Для наклонной поверхности с улучшенной конвекцией:
h=3,870
Алгоритм потолочного диффузора[ССЫЛКА]
Алгоритм потолочного диффузора основан на эмпирических корреляциях, разработанных Фишером и Педерсеном (1997). Корреляция была переформулирована для использования комнатной температуры на выходе в качестве эталонной температуры. Корреляции показаны ниже.
Для этажей:
h=3,873+0,082∗ACH0,98 (93)
Корреляция для полов показана на рисунке 2. :
h=2,234+4,099∗ACH0,503
Корреляция для потолков показана на рисунке 3.0003
Для стен:
h=1,208+1,012∗ACH0,604
Корреляция для стен показана на рисунке 4. Следует отметить, что условия, при которых были разработаны корреляции, включали значения ACH примерно до 3,0. Тем не менее, экстраполяция данных до ACH = 1,0 является разумной, и поэтому в EnergyPlus для значений ACH 1,0 или выше используются корреляции потолочного диффузора, как показано выше. Ниже значений ACH 0,5 используется алгоритм естественной конвекции. Между значениями ACH от 0,5 до 1,0 существует линейная интерполяция между двумя моделями, чтобы избежать каких-либо разрывов в рассчитанном коэффициенте конвекции.
Алгоритм стены Тромба[ССЫЛКА]
Алгоритм стены Тромба используется для моделирования конвекции в «зоне стены Тромба», то есть в воздушном пространстве между поверхностью стены хранилища и наружным остеклением. (См. более поздние разделы о пассивных и активных стенах Trombe ниже для получения дополнительной информации о стенах Trombe.) Алгоритм идентичен модели конвекции (на основе ISO 15099), используемой в Window5 для конвекции между слоями остекления в оконных системах с несколькими стеклами. Использование алгоритма моделирования невентилируемой стены Тромба было подтверждено экспериментальными данными Эллиса (2003).
Этот алгоритм дает коэффициенты конвекции для воздуха в узкой вертикальной полости, которая герметична и не вентилируется. Это относится как к воздушному зазору между стеклами окна, так и к воздушному зазору между стеновым остеклением Trombe и внутренней поверхностью (часто селективной поверхностью). Эти коэффициенты конвекции на самом деле являются единственным различием между нормальной зоной и зоной Тромба. В остальном тепловой баланс зоны одинаков, например, прошедшее солнечное, длинноволновое излучение между поверхностями и т. д.
Для вертикальной полости корреляция от ISO 15099:
NU1 = 0,0673838RA13FOR5E4 297444444444444444444444444444444444444445454545454545454545454545454545454545454.2975441arplo4. {{\rm{Ra}}}/RaA{\rm{A}})0,272
NU=MAX(NU1,NU2)
, где
Nu = число Нуссельта
Ra = число Рэлея
A = аспект коэффициент полости
Затем используется в EnergyPlus следующим образом:
Чистый коэффициент конвекции от стекла к стене:
hnet=k({{\rm{NU}}}/NUL{\rm{L}})
где
k = проводимость воздуха
L = толщина воздушного зазора
Коэффициент конвекции, применяемый к каждой стене отдельно и фактически используемый в зоне тепловой баланс:
hc=2hnet
Дополнительный источник теплового баланса[ССЫЛКА]
EnergyPlus также позволяет импортировать предварительно рассчитанные результаты других процессов теплопередачи для учета при расчете внутреннего теплового баланса. Дополнительный термин источника тепла, определенный как свойство поверхности, позволит учитывать эти процессы в виде графиков при расчете теплового баланса внутренней поверхности в EnergyPlus.
Баланс тепла на внутренней поверхности можно записать следующим образом:
q»LWX+q»SW+q»LWS+q»ki+q»sol+q»conv+q» add=0
, где: q′′add = Предварительно рассчитанные результаты теплового потока к внутренней поверхности от других процессов теплопередачи.
Ссылки[ССЫЛКА]
Аламдари Ф. и Г.П. Хаммонд. 1983. Улучшена корреляция данных для конвекции, вызванной плавучестью, в помещениях. Инженерные исследования и технологии строительных услуг. Том. 4, № 3.
АШРАЭ. 1985. Справочник ASHRAE 1985 г. – Основы, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
ASHRAE. 2001. Справочник ASHRAE 2001 г. – Основы, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
Awbi, H.B. и А. Хаттон. 1999. Естественная конвекция от нагретых поверхностей помещения. Энергия и здания 30 (1999) 233-244.
Beausoleil-Morrison, I. 2000. Адаптивное сочетание моделирования потоков тепла и воздуха в динамическом моделировании всего здания. Кандидат наук. Тезис. Университет Стратклайда, Глазго, Великобритания.
Эллис, Питер Г. 2003. Разработка и проверка модели невентилируемой стены тромба в EnergyPlus. Магистерская диссертация, Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Фишер, Д.Э. и К.О. Педерсен. 1997. «Конвективный теплообмен в расчетах энергии и тепловой нагрузки здания», ASHRAE Transactions, Vol. 103, пт. 2.
Фоханно С. и Г. Полидори. 2006. Моделирование естественного конвективного теплообмена на внутренней поверхности. Энергетика и здания 38 (2006) 548 — 553
Гольдштейн, К. и А. Новоселак. 2010. Конвективный теплообмен в помещениях с потолочными щелевыми диффузорами (RP-1416). HVAC&R Research Journal TBD
Карадаг, Р. 2009. Новый подход к общему коэффициенту теплопередачи, включая влияние излучения и конвекции на потолке в помещении с охлаждаемым потолком. Прикладная теплотехника 29 (2009) 1561-1565
Khalifa AJN. 1989. Процессы теплообмена в зданиях. Кандидат наук. Диссертация, Университет Уэльса, Колледж Кардиффа, Кардифф, Великобритания.
ИСО. 2003. ИСО 15099:2003. Тепловые характеристики окон, дверей и затеняющих устройств – подробные расчеты. Международная организация по стандартизации.
Уолтон, Г. Н. 1983. Справочное руководство по программе исследований термического анализа. НБССИР 83-2655. Национальное бюро стандартов (теперь NIST). Это документация для «TARP».
Авторские права на содержание документации © 1996-2020 Совет попечителей Иллинойского университета и регенты Калифорнийского университета через Национальную лабораторию Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли. Все права защищены. EnergyPlus является торговой маркой Министерства энергетики США.
Эта документация доступна в рамках лицензии EnergyPlus Open Source License v1.0.
Справочник по техническим вопросам — EnergyPlus 8.5
Диаграмма объема контроля внешнего теплового баланса
Тепловой баланс на наружной поверхности:
где: q′′αsol = Поглощенный поток тепла прямого и рассеянного солнечного (коротковолнового) излучения. q»LWR = Чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с воздухом и окружающей средой. q′′conv = конвективный потокообмен с наружным воздухом. q′′ko = Тепловой поток проводимости (q/A) в стену.
Все члены положительны для чистого потока к поверхности, за исключением члена проводимости, который традиционно считается положительным в направлении снаружи внутрь стенки. Упрощенные процедуры обычно комбинируют первые три члена, используя концепцию температуры солнца и воздуха . Каждый из этих компонентов теплового баланса кратко представлен ниже.
Внешнее коротковолновое излучение[ССЫЛКА]
q′′αsol рассчитывается с использованием процедур, представленных далее в этом руководстве, и включает как прямое, так и рассеянное падающее солнечное излучение, поглощаемое поверхностью. Это зависит от местоположения, угла и наклона поверхности, свойств материала поверхности, погодных условий и т. д.
Внешнее длинноволновое излучение[ССЫЛКА]
q»LWR — это стандартная формула радиационного обмена между поверхностью, небом и землей. Радиационный тепловой поток рассчитывается на основе поглощающей способности поверхности, температуры поверхности, температуры неба и земли, а также коэффициентов обзора неба и земли.
Теплообмен длинноволновым излучением между поверхностями зависит от температуры поверхности, пространственных отношений между поверхностями и окружающей средой и свойств материала поверхностей. Соответствующие свойства материала поверхности, излучательная способность e и поглощательная способность a, являются сложными функциями температуры, угла и длины волны для каждой участвующей поверхности. Тем не менее, общепризнано, что разумными допущениями для расчета нагрузок здания являются (Chapman 1984; Lienhard 1981):
каждая поверхность диффузно излучает или отражает, серая и непрозрачная (α = ε, τ = 0, ρ = 1 — ε)
каждая поверхность имеет одинаковую температуру
поток энергии, покидающий поверхность, равномерно распределяется по поверхности,
среда внутри корпуса не участвует.
Эти допущения часто используются во всех инженерных приложениях, кроме наиболее важных.
Номенклатура Список переменных
q»LWR Поток длинноволнового излучения внешней поверхности Вт/м2 —
час Линеаризованный коэффициент лучистой теплопередачи в зависимости от температуры воздуха Вт/м2.K —
Цурф Поверхность Наружная температура поверхности К —
Таир Температура наружного воздуха К —
тгнд Температура окружающей среды на поверхности земли К —
Тский Небо Эффективная температура К —
Фгнд Коэффициент обзора поверхности стены относительно поверхности земли — 0–1
Фски Коэффициент обзора поверхности стены относительно неба — 0–1
Ярмарка Коэффициент обзора поверхности стены относительно воздуха — 0–1
ε Поверхностный коэффициент излучения длинных волн — 0–1
о Постоянная Стефана-Больцмана Вт/м2. K4 5,67×10−8
Рассмотрим ограждение, состоящее из внешней поверхности здания, окружающей поверхности земли и неба. Используя сделанные выше предположения, мы можем определить поток длинноволнового лучистого тепла на внешней поверхности здания (Walton 1983; Макклеллан и Педерсен, 1997). Полный длинноволновый лучистый тепловой поток представляет собой сумму составляющих, обусловленных радиационным обменом с землей, небом и воздухом.
q’LWR’=q»gnd+q»sky+q»air
Применение закона Стефана-Больцмана к каждому компоненту дает:
q’LWR’=εσFgnd(T4gnd−T4surf)+εσFsky( T4sky−T4surf)+εσFair(T4air−T4surf)
где
ε = длинноволновая эмиттанс поверхности
σ = постоянная Стефана-Больцмана
Fgnd = коэффициент обзора поверхности стены относительно температуры поверхности земли
Fsky = коэффициент зависимости поверхности стены от температуры неба
Fair = коэффициент зависимости поверхности стены от температуры воздуха
Tsurf = температура наружной поверхности
Tgnd = температура поверхности земли
Tsky = температура неба
Tair = температура воздуха
Линеаризованные коэффициенты лучистой теплопередачи введены, чтобы сделать приведенное выше уравнение более совместимым с формулировкой теплового баланса,
q’LWR’=hr,gnd(Tgnd-Tsurf)+hr,sky(Tsky-Tsurf)+hr,air (Таир−Цурф) 9Где Факторы длинноволнового обзора земли и неба рассчитываются с помощью следующих выражений (Уолтон, 1983): поверхность. Фактор обзора неба дополнительно делится между излучением неба и воздуха на:
β=√0,5(1+cosϕ)
Предполагается, что температура поверхности земли равна температуре воздуха. Здесь показаны окончательные формы коэффициентов лучистой теплопередачи.
час,gnd=εσFgnd(T4surf-T4air)Tsurf-Tair
час,sky=εσFskyβ(T4surf-T4sky)Tsurf-Tsky
час,air=εσFsky(1-β)(T4surf-T4air)Tsurf-Tair
АШРАЭ. 1993 г. Справочник ASHRAE 1993 г. – Основы. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
Чепмен, А. Дж. 1984. Теплопередача, 4-е издание, Нью-Йорк: издательство Macmillan Publishing Company.
Линхард, Дж. Х. 1981. Учебник по теплообмену, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc.
Макклеллан, Т. М., и К. О. Педерсен. 1997. Исследование моделей внешнего теплового баланса для использования в расчете теплового баланса при охлаждении. ASHRAE Transactions, Vol. 103, часть 2, стр. 469-484.
Уолтон, Г. Н. 1983. Справочное руководство по программе исследований термического анализа. НБССИР 83-2655. Национальное бюро стандартов.
Атмосферные колебания[ССЫЛКА]
Все строения расположены в тропосфере, самом нижнем слое атмосферы. Тропосфера простирается от уровня моря до высоты 11 км. Во всей тропосфере температура воздуха уменьшается с высотой почти линейно со скоростью примерно 1°С на 150 м. Атмосферное давление снижается медленнее. Скорость ветра, наоборот, увеличивается с высотой.
Поскольку атмосфера меняется с высотой (определяется как высота над землей в данном случае), высотные здания могут испытывать значительные различия в местных атмосферных свойствах между первым и верхним этажами. Здания взаимодействуют с атмосферой посредством конвективного теплообмена между наружным воздухом и наружными поверхностями ограждающих конструкций, а также посредством воздухообмена между внешней и внутренней частью здания посредством инфильтрации и вентиляции.
Стимул для использования этого моделирования показан в следующей таблице. Если взять в качестве примера 70-этажное здание (284 метра), атмосферные переменные имеют большое значение.
Атмосферные переменные на двух разных высотах над уровнем земли
Температура воздуха 15°С 13,15°С 1,85°С 12,3%
Атмосферное давление 101 325 Па 97 960 Па 3 365 Па 3,3%
Скорость ветра 2,46 м/с 7,75 м/с 5,29 м/с 215%
Сравнивая годовое потребление энергии между 60 дискретно смоделированными этажами здания, оказывается, что влияние изменения скорости ветра преобладает на первых десяти этажах. Но на 25 этаже, как ни странно, эффект от температуры воздуха догнал и примерно равен эффекту от скорости ветра. Выше 25 этажа теперь преобладает влияние температуры воздуха. Очевидно, что для высотных зданий желательно моделировать изменение температуры воздуха с высотой.
Чтобы приспособиться к атмосферным изменениям, EnergyPlus автоматически рассчитывает местную температуру наружного воздуха и скорость ветра отдельно для каждой зоны и поверхности, подверженной воздействию внешней среды. Центроид зоны или центроид поверхности используются для определения высоты над землей. В настоящее время рассчитываются только локальная температура наружного воздуха и скорость ветра, поскольку они являются важными факторами для расчета внешней конвекции для поверхностей (см. Внешняя конвекция ниже), а также могут быть факторами при расчетах инфильтрации и вентиляции зоны. Однако изменение барометрического давления учитывается при использовании объектов Airflow Network.
Расчет локальной температуры наружного воздуха[ССЫЛКА]
Изменение температуры наружного воздуха рассчитывается с использованием стандартной атмосферы США (1976 г. ). Согласно этой модели зависимость между температурой воздуха и высотой в данном слое атмосферы имеет вид:
Tz=Tb+L(Hz−Hb)
где
Tz = температура воздуха на высоте z
Tb = температура воздуха в основании слоя, т. е. на уровне земли для тропосферы
L = градиент температуры воздуха, равный –0,0065 К/м в тропосфере
Hb = смещение, равное нулю для тропосферы
Гц = геопотенциальная высота.
Переменная Гц определяется как:
Гц=Ez(E+z)
где
E = 6356 км, радиус Земли
z = высота.
Для моделирования зданий в тропосфере, высота над уровнем моря z относится к высоте над уровнем земли, а не к высоте над уровнем моря. Высота над землей рассчитывается как высота центроида или центральной точки, взвешенной по площади, для каждой зоны и поверхности.
Температура воздуха на уровне земли, Tb , получается из файла данных о температуре воздуха путем инвертирования приведенного выше уравнения:
Tb=Tz,met-L(EzmetE+zmet-Hb)
где ,met = погодный файл температура воздуха (измеренная на метеостанции)
zmet = высота над землей датчика температуры воздуха на метеостанции.
Значение по умолчанию для zmet для измерения температуры воздуха составляет 1,5 м над землей. Это значение можно переопределить с помощью объекта Site:WeatherStation.
Расчет местной скорости ветра[ССЫЛКА]
Глава 16 Справочника по основам (ASHRAE 2005). Скорость ветра, измеренная на метеорологической станции, экстраполируется на другие высоты с помощью уравнения:
Vz=Vmet(δmetzmet)αmet(zδ)α
where
z = altitude, height above ground
Vz = wind speed at altitude z
α = wind speed profile exponent на площадке
δ = толщина пограничного слоя профиля скорости ветра на площадке
zmet = высота над землей датчика скорости ветра на метеостанции
Vmet = скорость ветра, измеренная на метеостанции
αmet = показатель степени профиля скорости ветра на метеорологической станции
δmet = толщина пограничного слоя профиля скорости ветра на метеорологической станции.
Коэффициенты профиля скорости ветра α , δ , αmet и δmet являются переменными, которые зависят от характеристик шероховатости окружающей местности. Типичные значения для α и δ показаны в следующей таблице:
Коэффициенты профиля скорости ветра (Основы ASHRAE 2005).
Плоский, открытая местность 0,14 270
Лесистая местность 0,22 370
Города и поселки 0,33 460
Океан 0,10 210
Городской, промышленный, лесной 0,22 370
Приведенные выше типы местности соответствуют параметрам в поле Terrain объекта Building. Поле Terrain можно переопределить конкретными значениями для α и δ с помощью объекта Site:HeightVariation.
Значение по умолчанию для zmet для измерения скорости ветра составляет 10 м над землей. Значения по умолчанию для αmet и δmet составляют 0,14 и 270 м соответственно, так как большинство метеостанций расположены в открытом поле. Эти значения можно переопределить с помощью объекта Site:WeatherStation.
Наружная/внешняя конвекция[ССЫЛКА]
Теплообмен от поверхностной конвекции моделируется по классической формуле:
Qc=hc,extA(Tsurf−Tair)
где
Qc = скорость внешнего конвективного теплообмена
hc,ext = коэффициент внешней конвекции
A = площадь поверхности
Tsurf = температура поверхности
Tair = температура наружного воздуха
коэффициент. С 1930-х годов было опубликовано множество различных методов расчета этого коэффициента, и между ними были большие различия (Cole and Sturrock, 1977; Yazdanian and Klems, 19). 94). Совсем недавно Palyvos (2008) провел обзор корреляций, каталогизировав около 91 различных корреляций в четыре категории на основе функциональной формы модельного уравнения. Поэтому EnergyPlus предлагает широкий выбор различных методов определения значений для hc,ext . Выбор модельных уравнений для hc,ext может производиться на двух разных уровнях. Во-первых, это набор параметров, доступных во входном объекте SurfaceConvectionAlgorithm:Outside, который обеспечивает способ широкого выбора уравнений модели, применяемых во всей модели. Входные объекты SurfaceProperty:ConvectionCoefficients и SurfaceProperty:ConvectionCoefficients:MultipleSurface также предоставляют способы выбора, какие уравнения или значения модели применяются для определенных поверхностей. Эти основные параметры определяются клавишей, используемой для ввода, и включают в себя:
Обратите внимание, что если внешние условия указывают на то, что идет дождь, внешние поверхности (подверженные ветру) считаются мокрыми. Коэффициент конвекции установлен на очень большое число (1000), а внешняя температура, используемая для поверхности, будет температурой по влажному термометру. (Если вы решите сообщать об этой переменной, вы увидите 1000 в качестве ее значения.)
Когда используется AdaptiveConvectionAlgorithm, появляется второй, более глубокий уровень управления, доступный для выбора из большего числа hc,ext уравнений, а также определение пользовательских уравнений с использованием кривых или объектов таблицы. Эти параметры описаны в этом разделе.
В дополнение к вариантам корреляции, описанным ниже, также возможно переопределить коэффициенты конвекции снаружи любой поверхности другими способами:
Используйте объект SurfaceProperty:ConvectionCoefficients во входном файле, чтобы установить значение коэффициента конвекции по обе стороны любой поверхности.
Используйте объект SurfaceProperty:OtherSideCoefficients во входном файле, чтобы задать коэффициенты теплопередачи и температуры на поверхностях.
Используйте приводы EnergyManagementSystem, доступные для переопределения значений hc.
Эти параметры также могут использовать расписания для управления значениями во времени. Конкретные подробности приведены в документе Справочник по вводу-выводу.
Простой комбинированный[ССЫЛКА]
Простой алгоритм использует шероховатость поверхности и местную скорость ветра у поверхности для расчета внешнего коэффициента теплопередачи (ключ: SimpleCombined). Основное используемое уравнение:
h=D+EVz+FVz2
где
h = коэффициент теплопередачи
Vz = местная скорость ветра, рассчитанная на высоте над землей центра тяжести поверхности
D, E, F = шероховатость материала коэффициенты
Корреляция шероховатости взята из рисунка, стр. 22.4, ASHRAE Handbook of Fundamentals (ASHRAE 1989). Коэффициенты шероховатости показаны в следующей таблице:
Коэффициенты шероховатости D, E и F.
1 (очень шероховатый) 11,58 5,894 0,0 Штукатурка
2 (Грубая) 12,49 4.065 0,028 Кирпич
3 (среднешероховатая) 10,79 4.192 0,0 Бетон
4 (среднегладкая) 8,23 4,0 -0,057 Чистая сосна
5 (гладкая) 10,22 3. 1 0,0 Гладкая штукатурка
6 (очень гладкая) 8,23 3,33 -0,036 Стекло
Обратите внимание, что простая корреляция дает комбинированный коэффициент теплопередачи конвекции и излучения. Излучение в небо, землю и воздух включено в коэффициент внешней конвекции для этого алгоритма.
Все другие алгоритмы дают конвекцию только с коэффициентом теплопередачи . Излучение на небо, землю и воздух рассчитывается программой автоматически.
АЛГОРИТМ БРЕЗЕНТА[ССЫЛКА]
TARP, или Исследовательская программа термического анализа, является важным предшественником EnergyPlus (Walton 1983). Уолтон разработал всеобъемлющую модель внешней конвекции, смешивая корреляции из ASHRAE и экспериментов с плоской пластиной Sparrow et. др. В более старых версиях EnergyPlus, до версии 6, модель «TARP» называлась «Подробная». Модель была повторно реализована в версии 6, чтобы использовать значения площади и периметра для группы поверхностей, составляющих фасад или крышу, а не для одной моделируемой поверхности.
Номенклатурный список переменных.
А Площадь поверхности м2 /=0
зч Коэффициент конвективной теплопередачи внешней поверхности Вт/(м2К) —
вч Принудительно-конвективный коэффициент теплопередачи Вт/(м2К) —
гп Коэффициент естественной конвективной теплопередачи Вт/(м2К) —
П Периметр поверхности м —
РФ Множитель шероховатости поверхности — —
Таир Местная температура наружного воздуха, рассчитанная на высоте над землей центра тяжести поверхности °С —
Цо Температура наружной поверхности °С —
ΔТ Разница температур между поверхностью и воздухом, °С —
Взз Местная скорость ветра, рассчитанная на высоте над землей центра тяжести поверхности м/с —
Вф Модификатор направления ветра — —
ϕ Угол между внешней нормалью к земле и внешней нормалью к поверхности степень —
Индекс шероховатости Индекс шероховатости поверхности (6=очень гладкая, 5=гладкая, 4=среднегладкая, 3=среднешероховатая, 2=шероховатая, 1=очень шероховатая) — 1-6
Модели конвекции Detailed, BLAST и TARP очень похожи. Во всех трех моделях конвекция делится на вынужденную и естественную составляющие (Уолтон, 1981). Суммарный коэффициент конвекции представляет собой сумму этих составляющих.
hc=hf+hn
Компонент вынужденной конвекции основан на корреляции Sparrow, Ramsey, and Mass (1979):
hf=2,537WfRf(PVzA)1/2
, где наветренные поверхности
или
Wf = 0,5 для подветренных поверхностей
Подветренная сторона определяется как угол, превышающий 100 градусов от нормального падения (Walton 1981).
Множитель шероховатости поверхности Rf основан на графике проводимости поверхности ASHRAE (ASHRAE 1981) и может быть получен из следующей таблицы:
Множители шероховатости поверхности (Walton 1981).
1 (очень шероховатый) 2,17 Штукатурка
2 (Грубая) 1,67 Кирпич
3 (среднешероховатая) 1,52 Бетон
4 (среднегладкая) 1,13 Чистая сосна
5 (гладкая) 1. 11 Гладкая штукатурка
6 (очень гладкая) 1,00 Стекло
Составляющая естественной конвекции hn рассчитывается так же, как и внутренняя «детальная» модель. Подробная модель естественной конвекции связывает коэффициент конвективной теплопередачи с ориентацией поверхности и разницей между температурой воздуха на поверхности и в зоне (где ΔT = температура воздуха — температура поверхности). Алгоритм взят непосредственно у Уолтона (1983). Уолтон получил свой алгоритм из Справочника ASHRAE (2001), Таблица 5 на стр. 3.12, где приведены уравнения для коэффициентов теплопередачи естественной конвекции в турбулентном диапазоне для больших вертикальных пластин и для больших горизонтальных пластин, обращенных вверх при нагреве (или вниз при охлаждении). Примечание в тексте также дает приближение для больших горизонтальных пластин, обращенных вниз при нагревании (или вверх при охлаждении), рекомендуя, что оно должно составлять половину значения, обращенного вверх. Уолтон добавляет кривую в зависимости от косинуса угла наклона, чтобы получить промежуточные значения между вертикалью и горизонталью. Значения аппроксимации кривой в экстремумах очень хорошо соответствуют значениям ASHRAE.
Для отсутствия перепада температур ИЛИ вертикальной поверхности используется следующая корреляция: используется корреляция усиленной конвекции:
h=9,482|ΔT|137,283−|cosΣ|
где Σ — угол наклона поверхности.
Для (ΔT > 0,0 И поверхность, обращенная вверх) ИЛИ (ΔT < 0,0 И поверхность, обращенная вниз) используется уменьшенная корреляция конвекции:
ч=1,810|ΔT|131,382+|cosΣ|
где Σ — угол наклона поверхности.
Алгоритм MoWiTT[ССЫЛКА]
Номенклатурный список переменных.
А Константа Вт/(м2К(м/с)b —
Б Константа — —
Кар Постоянная турбулентной естественной конвекции Вт/(м2K4/3) —
зч Коэффициент конвективной теплопередачи внешней поверхности Вт/(м2К) —
Цо Температура наружной поверхности °С/К —
ΔТ Разница температур между поверхностью и воздухом °С/К —
Модель MoWiTT основана на измерениях, проведенных на установке для тепловых испытаний мобильных окон (MoWiTT) (Yazdanian and Klems 1994). Корреляция применима к очень гладким вертикальным поверхностям (например, оконному стеклу) в малоэтажных зданиях и имеет вид: постоянные естественной конвекции Ct приведены в табл. Первоначальная модель MoWiTT была модифицирована для использования в EnergyPlus, чтобы она была чувствительна к местной скорости ветра на поверхности, которая меняется в зависимости от высоты над землей. Первоначальная модель MoWiTT была разработана для использования со скоростью воздуха в месте расположения метеостанции. Начиная с версии 7.2, EnergyPlus использует коэффициенты модели «а», полученные Booten et al. (2012), а не исходные значения Yazdanian и Klems (1994).
ПРИМЕЧАНИЕ. Алгоритм MoWiTT может не подходить для шероховатых поверхностей, поверхностей высотных зданий или поверхностей с подвижной изоляцией.
Коэффициенты MoWiTT (Yazdanian and Klems 1994, Booten et al. 2012)
Направление ветра карат и б
(Единицы) Вт/(м2K4/3) Вт/(м2К(м/с)b —
Наветренный 0,84 3,26 0,89
Подветренный 0,84 3,55 0,617
Модель DOE-2[ССЫЛКА]
Номенклатурный список переменных.
и Константа Вт/(м2К(м/с)b —
б Константа — —
зч Коэффициент конвективной теплопередачи внешней поверхности Вт/(м2К) —
вч, стекло Коэффициент конвективной теплопередачи для очень гладких поверхностей (стекло) Вт/(м2К) —
гп Коэффициент естественной конвективной теплопередачи Вт/(м2К) —
РФ Множитель шероховатости поверхности — —
Цо Температура наружной поверхности °С/К —
ΔТ Разница температур между поверхностью и воздухом, °С/К —
Φ Угол между внешней нормалью к земле и внешней нормалью к поверхности радиан —
Модель конвекции DOE-2 представляет собой комбинацию моделей конвекции MoWiTT и BLAST (LBL 1994).
Коэффициент конвекции для очень гладких поверхностей (например, стекла) рассчитывается как:[ССЫЛКА]
hc,glass=√h3n+[aVbz]2
hn вычисляется с использованием уравнения или уравнения . Константы а и b приведены в табл.
Для менее гладких поверхностей коэффициент конвекции изменяется в соответствии с уравнением
hc=hn+Rf(hc,glass-hn)
, где Rf – множитель шероховатости, указанный в таблице.
Адаптивный алгоритм конвекции[ССЫЛКА]
Структура этого алгоритма позволяет лучше контролировать модели, используемые для конкретных поверхностей. Алгоритм для внешней поверхности был разработан для EnergyPlus, но он заимствует концепции и свое название из исследования, проведенного Beausoleil-Morrison (2000, 2002) для конвекции на внутренней поверхности (см. описание внутренней конвекции ниже).
Алгоритм адаптивной конвекции, реализованный в EnergyPlus для внешней грани, намного проще, чем для внутренней грани. Система классификации поверхностей имеет в общей сложности 4 различных категории поверхностей, которые зависят от текущего направления ветра и направления теплового потока. Однако оно более сложное, так как уравнение hc разделено на две части, и существуют отдельные выборки уравнений модели для вынужденной конвекции, hf , и естественной конвекции, hn . В следующей таблице приведены категории и назначения по умолчанию для уравнений hc . Отдельные уравнения hc описаны ниже.
Детали алгоритма адаптивной конвекции
1 Конюшня на крыше Вниз Любой TARPWindward MoWiTTWindward DOE2Windward NusseltJurges BlockenWindward EmmelRoof ClearRoof WaltonStableHorizontalOrTilt AlamdariStableHorizontal
2 Крыша неустойчивая Вверх Любой TARPWindward MoWiTTWindward DOE2Windward NusseltJurges BlockenWindward EmmelRoof ClearRoof WaltonUnstableHorizontalOrTilt AlamdariUnstableHorizontal
3 Вертикальная стена с наветренной стороны Любой Наветренный TARPWindward DOE2Windward MoWiTTWindward NusseltJurges McAdams Mitchell BlockenWindward EmmelVertical ASHRAEВертикальныйНастенный AlamdariHammondВертикальныйНастенный FohannoPolidoriВертикальныйНастенный ISO15099Windows
4 Вертикальная стена с подветренной стороны Любой Подветренный TARPLeeward MoWiTTLeeward DOE2Leeward EmmelVertical NusseltJurges McAdams Mitchell ASHRAEВертикальныйНастенный AlamdariHammondВертикальныйНастенный FohannoPolidoriВертикальныйНастенный ISO15099Windows
Классификация наружной поверхности[ССЫЛКА]
На этапе начальной настройки все поверхности теплообмена во входном файле анализируются по группам, чтобы определить соответствующие значения геометрических масштабов, используемых во многих корреляциях конвекции. Собираются восемь отдельных групп по номинально вертикальным наружным поверхностям по восьми бинам азимута: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад. Поверхности с одинаковым диапазоном азимутов группируются вместе и анализируются на общие параметры геометрии. Девятая группа собирается для номинально горизонтальных наружных поверхностей багажника на крыше, который также анализируется на геометрию. Эти процедуры геометрии находят границы и пределы всех поверхностей в группе, а затем моделируют геометрические параметры на основе этих пределов.
Воробей Наветренный[ССЫЛКА]
Как обсуждалось выше для алгоритма TARP, Sparrow et al. (1979) провели измерения плоских пластин и разработали следующую корреляцию для плоских пластин конечного размера, ориентированных на наветренную сторону.
hf=2.53Rf(PVzA)1/122
Воробей Подветренный[ССЫЛКА]
Воробей и др. (1979) провели измерения плоских пластин и разработали следующую корреляцию для плоских пластин конечного размера, ориентированных с подветренной стороны.
hf=2,532Rf(ПВзА)1/122
MoWITT Наветренный [ССЫЛКА]
Как обсуждалось выше, Yazdanian and Klems (1994) использовали наружные лабораторные измерения, чтобы вывести следующую корреляцию для гладких поверхностей, ориентированных на наветренную сторону. Бутен и др. (2012) разработали пересмотренные коэффициенты для использования с местной скоростью приземного ветра.
hc=√[0,84|ΔT|1/133]2+[2,38V0,89z]2
Это модельное уравнение относится к общему коэффициенту пленки и включает часть естественной конвекции. Поэтому его не следует использовать вместе со вторым уравнением модели естественной конвекции.
MoWITT Подветренный [ССЫЛКА]
Yazdanian and Klems (1994) использовали лабораторные измерения на открытом воздухе, чтобы вывести следующую корреляцию для гладких поверхностей, ориентированных с подветренной стороны. Бутен и др. (2012) разработали пересмотренные коэффициенты для использования с местной скоростью приземного ветра.
hc=√[0,84|ΔT|1/133]2+[2,86V0,617z]2
Это модельное уравнение относится к общему коэффициенту пленки и включает часть естественной конвекции. Поэтому его не следует использовать вместе со вторым уравнением модели естественной конвекции.
Заблокирован[ССЫЛКА]
Блокен и др. (2009) разработали набор корреляций для наружных поверхностей, обращенных к наветренной стороне, с использованием численных методов (ключ: BlockenWindward).
hf=4,6V0,8910m:θ≤11,25hf=5,0V0,8010m:11,25<θ≤33,75hf=4,6V0,8410m:33,75<θ≤56,25hf=4,5V0,8110m:56,25<θ2≤100,0
0 Где
V10m — скорость воздуха в месте расположения метеостанции, а θ — угол падения ветра на поверхность в градусах. Эта модель применима только к наветренным поверхностям, в ней отсутствует компонент естественной конвекции, поэтому ее нельзя использовать отдельно, а только в рамках алгоритма адаптивной конвекции для внешней поверхности.
Очистить[ССЫЛКА]
Клир и др. (2003) разработали корреляции на основе измерений горизонтальных крыш двух коммерческих зданий. В EnergyPlus реализация использует модель естественной и турбулентной вынужденной конвекции (уравнение 8A в справочнике) и применяет ее к центральной точке каждого участка поверхности, из которого состоит крыша.
hc=ηkLn0,15Ra1/133Ln+kxRf0,0296Re4/455×1/133Pr
Где
x — расстояние до центроида поверхности, от которого ветер начинает пересекать крышу. В EnergyPlus это в настоящее время упрощено до половины квадратного корня из поверхности крыши.
Ln=Периметр общей крыши
k – теплопроводность воздуха
η=ln(1+GrL,xRe2x)1+ln(1+GrL,xRe2x) — весовой коэффициент для естественной конвекции (подавляемой при высоких скоростях вынужденной конвекции)
RaLn=GrLnPr — число Рэлея
GrLn=gρ2Ln3ΔTTfμ2 — число Грасгофа
Rex=Vzρxμ — число Рейнольдса в точке x
Число Прандтля
Заявлено, что эта модель применима только к горизонтальным поверхностям крыш, поэтому она может быть не применима к наклонным крышам. Он сочетает в себе естественную и вынужденную конвекцию и поэтому не должен использоваться вместе с еще одной моделью естественной конвекции.
Эммель[ССЫЛКА]
Эммель и др. (2007) разработали набор корреляций для наружных поверхностей с использованием численных методов. Следующие уравнения относятся к вертикальным поверхностям (ключ: EmmelVertical):
hf=5,15V0,8110m:θ≤22,5hf=3,34V0,8410m:22,5<θ≤67,5hf=4,78V0,7110m:67,5<θ≤112,5hf=4,05V0,7710m:112,5<θ≤157,5hf= 3,54V0,7610m:157,5<θ≤180,0
Где V10m — скорость воздуха в месте расположения метеостанции, а θ — угол падения ветра на поверхность в градусах. Следующие уравнения используются для горизонтальных поверхностей (крыши) (ключ: EmmelRoof): θ≤90
Где θ — угол падения ветра на самую длинную кромку поверхности крыши в градусах.
Эта модель подходит для всех направлений ветра, но в ней отсутствует компонент естественной конвекции. Модель была разработана для простых прямоугольных малоэтажных зданий. Доступно только в алгоритме адаптивной конвекции для наружного забоя
Nusselt Jurges[ССЫЛКА]
Возможно, самое старое уравнение ветровой конвекции было разработано Нуссельтом и Юрджесом (1922). Palyvos (2008) представляет свою модель в упрощенной форме в единицах СИ: координата оси z центроида поверхности и модель ветра площадки. Эта модель может быть применена ко всем поверхностям, и предполагается, что относительно большая константа представляет долю естественной конвекции в общем коэффициенте конвекции. Модель не чувствительна ни к направлению ветра, ни к шероховатости поверхности.
МакАдамс[ССЫЛКА]
Знаменитое уравнение конвекции, вызванное ветром, было разработано McAdams (1954), которое Palyvos (2008) представил в единицах СИ следующим образом: который был скорректирован по высоте над землей с использованием координаты оси z центра тяжести поверхности. Эта модель может быть применена ко всем поверхностям, и предполагается, что относительно большая константа представляет долю естественной конвекции в общем коэффициенте конвекции. Модель не чувствительна ни к направлению ветра, ни к шероховатости поверхности.
Митчелл[ССЫЛКА]
Полезная геометрическая шкала, основанная на объеме здания, используется в уравнении, разработанном Митчеллом (1976). Уравнение ветровой конвекции составлено Паливосом следующим образом: центроид поверхности, а L — это кубический корень из общего объема здания. EnergyPlus интерпретирует это как сумму объемов всех зон во входном файле.
Внешняя/внешняя проводимость[ССЫЛКА]
Коэффициент теплопроводности q»ko теоретически можно рассчитать, используя самые разные формулы теплопроводности. Обычно в EnergyPlus используется метод функции передачи проводимости (CTF). Доступные модели описаны в этом разделе: Conduction Through The Walls.
АШРАЭ. 1981. Справочник ASHRAE 1981 года – Основы, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
ASHRAE. 1989. Справочник ASHRAE 1989 г. – Основы, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
ASHRAE. 1993 г. Справочник ASHRAE 1993 г. – Основы, Глава 3, Теплопередача, Издания I-P и S-I, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
ASHRAE. 2001. Справочник ASHRAE 2001 г. – Основы, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
ASHRAE. 2005 г. Справочник ASHRAE 2005 г. – Основы, Глава 16, Воздушный поток вокруг зданий, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.
Бутен, К., Н. Круис и К. Кристенсен. 2012. Выявление и решение проблем в расчетах теплопередачи окон EnergyPlus и DOE-2. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. НРЭЛ/ТП-5500-55787. Golden, CO.
Коул, Р. Дж. и Н. С. Старрок. 1977. Конвективный теплообмен на внешней поверхности зданий. Строительство и окружающая среда, Vol. 12, с. 207.
Эллис П.Г. и П.А. Торчеллини. 2005 г. «Моделирование высотных зданий с помощью EnergyPlus», Материалы девятой международной конференции IBPSA, Building Simulation 2005, Монреаль, Канада, 15–18 августа 2005 г.
Лаборатория Лоуренса Беркли (LBL). 1994. Исходный код DOE2.1E-053.
Sparrow, E.M., JW Ramsey, and E.A. Mass. 1979. Влияние конечной ширины на теплопередачу и течение жидкости вокруг наклонной прямоугольной пластины. Журнал теплопередачи, Vol. 101, с. 204.
Стандартная атмосфера США. 1976. Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия
Уолтон, Г. Н. 1981. Пассивное солнечное расширение программы анализа нагрузок на здания и системной термодинамики (BLAST), технический отчет, Исследовательская лаборатория строительной техники армии США, Шампейн, Иллинойс.
Walton, G. N. 1983. Справочное руководство по программе исследований термического анализа. НБССИР 83-2655. Национальное бюро стандартов.
Язданян М. и Дж. Х. Клемс. 1994. Измерение коэффициента внешней конвективной пленки для окон малоэтажных зданий. ASHRAE Transactions, Vol. 100, ч. 1, с. 1087.
Авторское право на содержание документации © 1996-2016 Совет попечителей Иллинойского университета и Регенты Калифорнийского университета через Национальную лабораторию Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли. Все права защищены. EnergyPlus является торговой маркой Министерства энергетики США.
Эта документация доступна в рамках лицензии EnergyPlus Open Source License v1.0.
Тепловой баланс при физических нагрузках на солнце
. 1988;58(1-2):189-96.
дои: 10.1007/BF00636625.
Б Нильсен ¹ , К. Кассов, Ф. Э. Ашенгрин
принадлежность
¹ Институт Августа Крога, Копенгагенский университет, Дания.
PMID: 3203666
DOI: 10.1007/BF00636625
B Нильсен и соавт. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1988.
. 1988;58(1-2):189-96.
дои: 10.1007/BF00636625.
Авторы
Б Нильсен ¹ , К. Кассов, Ф. Э. Ашенгрин
принадлежность
¹ Институт Августа Крога, Копенгагенский университет, Дания.
PMID: 3203666
DOI: 10.1007/BF00636625
Абстрактный
10 мужчин, одетых только в белые шорты, тренировались в течение 120 минут при мощности 92 Вт на велоэргометре, подвешенном на весах. Первые 60 минут они находились на солнце, от 60 до 90. мин они были заштрихованы, а от 90.-120. мин снова на солнце. В 10 опытах они стояли лицом к солнцу, в 10 — спиной. Значения (в Вт) в уравнении теплового баланса M — W +/- C +/- R +/- E +/- L +/- S = 0 были измерены методом парциальной калориметрии: M скорость метаболизма, W скорость внешней работы , C конвективные потери тепла, R коротковолновый и длинноволновый радиационный обмен, E испарительная потеря пота, L легочная испарительная потеря и S скорость накопления тепла. Средние значения измеренных значений (W) показаны ниже. R в уравнении теплового баланса равно радиационному коротковолновому (Rgs) и длинноволновому (Rgl) теплопритоку за вычетом радиационного длинноволнового теплопотери (Rll). (таблица; см. текст) Прямой прирост от солнечного излучения составляет примерно 100 Вт. В период тени снижение притока лучистого тепла компенсируется уменьшением испарения пота.
Похожие статьи
Солнечная тепловая нагрузка: тепловой баланс при физических нагрузках у одетых субъектов.
Нильсен Б. Нильсен Б. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1990;60(6):452-6. DOI: 10.1007/BF00705036. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1990. PMID: 23
Влияние времени суток воздействия солнечной радиации на терморегуляцию при занятиях спортом на свежем воздухе в жару.
Отани Х., Гото Т., Гото Х., Ширато М. Отани Х. и др. Хронобиол Инт. 2017;34(9):1224-1238. дои: 10.1080/07420528.2017.1358735. Epub 2017 14 сентября. Хронобиол Инт. 2017. PMID: 288
Лучистая потеря тепла, неиспользованный путь снижения теплового стресса у затеняемого крупного рогатого скота.
Берман А., Горовиц Т. Берман А. и др. Дж. Молочная наука. 2012 июнь; 95 (6): 3021-31. doi: 10. 3168/jds.2011-4844. Дж. Молочная наука. 2012. PMID: 22612938
Связанные с фитнесом различия в скорости потери тепла при испарении всего тела у тренирующихся мужчин зависят от тепловой нагрузки.
Ламарш Д.Т., Нотли С.Р., Луи Дж.К., Порье М.П., Кенни Г.П. Ламарш Д.Т. и соавт. Опыт физиол. 2018 1 января; 103 (1): 101-110. DOI: 10.1113/EP086637. Epub 2017 22 ноября. Опыт физиол. 2018. PMID: 285
Парциальная калориметрия.
Крамер М.Н., Джей О. Крамер М.Н. и соавт. J Appl Physiol (1985). 2019 1 февраля; 126 (2): 267-277. doi: 10.1152/japplphysiol.00191.2018. Epub 2018 29 ноября. J Appl Physiol (1985). 2019. PMID: 30496710 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.
Посмотреть все похожие статьи
Цитируется
Предлагаемая основа для прогнозирования воздействия тепла на двигательно-когнитивные способности на летних Олимпийских играх.
Пиил Дж.Ф., Кингма Б., Моррис Н.Б., Кристиансен Л., Иоанну Л.Г., Флурис А.Д., Нибо Л. Пиил Дж. Ф. и соавт. Температура (Остин). 2021 авг. 20;8(3):262-283. дои: 10.1080/23328940.2021.1957367. Электронная коллекция 2021. Температура (Остин). 2021. PMID: 34485620 Бесплатная статья ЧВК.
Проблемы теплового стресса в марафоне и беге на сверхвыносливость.
Бускарен Н., Милле Г.Ю., Расинаис С. Бускарен Н. и соавт. Front Sports Act Living. 201913 ноября; 1:59. doi: 10.3389/fspor.2019.00059. Электронная коллекция 2019. Front Sports Act Living. 2019. PMID: 33344982 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.
Физиология функции потовых желез: роль потоотделения и состава пота в здоровье человека.
Бейкер ЛБ. Бейкер ЛБ. Температура (Остин). 2019 17 июля; 6 (3): 211-259. дои: 10.1080/23328940.2019.1632145. Электронная коллекция 2019. Температура (Остин). 2019. PMID: 31608304 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.
Скорость потоотделения и концентрация натрия в поте у спортсменов: обзор методологии и внутри/межиндивидуальной изменчивости.
Бейкер ЛБ. Бейкер ЛБ. Спорт Мед. 2017 март; 47 (Приложение 1): 111-128. doi: 10.1007/s40279-017-0691-5. Спорт Мед. 2017. PMID: 28332116 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.
Влияние солнечной радиации на выносливость в жарких условиях.
Отани Х., Кая М., Тамаки А., Уотсон П., Моган Р.Дж. Отани Х. и др. Eur J Appl Physiol. 2016 Апрель; 116 (4): 769-79. doi: 10. 1007/s00421-016-3335-9. Epub 2016 2 февраля. Eur J Appl Physiol. 2016. PMID: 26842928
Просмотреть все статьи «Цитируется по»
использованная литература
Джей Клин Инвест. 1945 сен; 24 (5): 712-21 — пабмед
Приложение Acta Physiol Scand. 1969;323:1-74 — пабмед
Дж. Физиол. 1968 Октябрь; 198 (3): 531-9 — пабмед
J Appl Physiol. 1966 г., май; 21 (3): 967–77. — пабмед
J Appl Physiol. 1967 авг; 23 (2): 248-58 — пабмед
Типы публикаций
термины MeSH
Тепловой баланс | Окружающая среда Земли
Рубрики: Окружающая среда — gargpk @ 12:59
Метки: Энергетический баланс, Тепловой баланс
Когда солнечное излучение попадает в окружающую среду Земли, оно обеспечивает энергию для поддержания и динамического функционирования различных компонентов глобальной окружающей среды. Постоянное поддержание определенных физико-химических состояний вещества в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере требует энергии, обеспечиваемой солнечным излучением. Далее обнаруживаются различные динамические изменения этих состояний, такие как движение воздуха и воды, изменение состояния воды из парообразного в жидкое в твердое и наоборот и деятельность живых организмов. Эти изменения возможны только за счет расхода энергии, обеспечиваемой солнечным излучением. Энергия радиационного баланса поверхности Земли расходуется на нагрев атмосферы за счет турбулентной теплопроводности, на испарение воды, на теплообмен с более глубокими слоями гидросферы и литосферы и т. д. и фотосинтез в биосфере. В целом количественные характеристики всех форм преобразования солнечной энергии на поверхности Земли представлены в уравнение глобального энергетического (теплового) баланса . В это уравнение входит алгебраическая сумма потоков энергии, достигающих и покидающих поверхность Земли. Эта сумма всегда равна нулю по закону сохранения энергии. Энергетический баланс и радиационный баланс на поверхности Земли связаны между собой.
Уравнения энергетического баланса могут быть составлены для различных объемов и поверхностей атмосферы, гидросферы и литосферы. Однако в исследованиях глобальной окружающей среды часто используются уравнения для воображаемой колонны, верхний конец которой находится на верхней границе атмосферы и которая проходит через атмосферу глубоко под поверхностью Земли. Три уравнения энергетического (теплового) баланса, описывающие глобальный энергетический баланс:
(а) Уравнение энергетического баланса земной поверхности
(б) Уравнение энергетического баланса системы Земля-атмосфера
(в) Уравнение энергетического баланса атмосферы.
(a) Уравнение энергетического баланса земной поверхности
Основными элементами этого уравнения являются (рис. 1):
(i) Радиационный баланс ( R ) т.е. поток излучения, который считается положительным по величине когда он описывает приток энергии (тепла) сверху к подстилающей поверхности Земли.
(ii) Турбулентный поток энергии (тепла) ( P ) от подстилающей поверхности Земли в атмосферу.
(iii) Поток подземной энергии (тепла) ( A ) с поверхности Земли в более глубокие слои гидросферы или литосферы.
(iv) Расход энергии (тепла) на испарение (или выделение тепла при конденсации) ( LE ), где L – скрытая теплота парообразования, а E – скорость испарения.
С учетом вышеперечисленных элементов уравнение энергетического баланса земной поверхности имеет вид:
Элементами энергетического баланса, не включенными в приведенное выше уравнение, являются:
(i) Затраты энергии на таяние льда или снега на поверхности (или приток тепла от замерзания воды)
(ii) Затраты энергии, связанные с трением воздушных течений, океанских волн, создаваемых ветрами и океанскими приливами
Рисунок-1. Компоненты энергетического баланса системы Земля-Атмосфера-Гидро-Литосфера.
(iii) Потоки энергии (тепла), переносимые осадками, когда их температура не равна температуре подстилающей поверхности
(iv) Расход энергии на фотосинтез
(v) Приток энергии (тепла) при окислении биомассы.
При добавлении этих элементов также может быть получено комплексное уравнение энергетического баланса поверхности Земли.
Величина подземного потока энергии (тепла) ( A ) может быть получена из уравнения энергетического баланса вертикальной колонны, верхнее основание которой находится на поверхности земли, а нижнее – на глубине под поверхностью земли, где поток тепла пренебрежимо мал ( Рис. 2). Поскольку поток тепла из недр земной коры пренебрежимо мал, вертикальный поток тепла у нижнего основания колонны можно принять равным нулю. Уравнение для A задается как:
A = Fo + B
где B представляет собой изменение теплосодержания внутри колонны за заданный период времени, а Fo представляет собой приток тепла, производимого горизонтальными теплообмен между рассматриваемой колонной и окружающим пространством гидросферы или литосферы. Fo равно разнице между количествами тепла, поступающего и выходящего через вертикальные стенки колонны.
В литосфере, Fo обычно становится незначительным из-за низкой теплопроводности грунта. Так, для земли А = В , а так как в течение всего года верхние слои почвы не нагреваются и не охлаждаются, то А = В = 0,
Fo становится большим в случае воды. тела, имеющие течения с большой горизонтальной теплопроводностью, определяемой макротурбулентностью. В случае закрытых водоемов, взятых в целом, глубина и площадь которых велики, значения A и B близки. Это связано с тем, что теплообмен между такими водоемами и землей обычно незначителен. Однако в отдельных секторах океанов, морей и озер звездные величины A и B могут существенно различаться. Среднегодовая величина теплообмена активной поверхности с нижней не равна нулю, а равна количеству тепла, полученного или потерянного за счет течений и макротурбулентности, т. е. А = Fo .
Таким образом, для среднегодового периода уравнение энергетического баланса земной поверхности будет:
(i) Для суши : R = LE + P
(ii) Для океана : R = LE + P + Fo
(iii) Для пустынь (где испарение практически равно нулю): R = P
(iv) Для мировых океанов в целом (где перераспределение тепла течениями компенсировано и равно нулю) : Р = ЛЭ + П
(b) Уравнение энергетического баланса системы Земля-атмосфера
Это уравнение можно получить, рассматривая приток и расход энергии в вертикальном столбе, идущем вниз от верхней части атмосферы до того уровня в гидросфере или литосфере, на котором заметные суточные или сезонные колебания температуры прекращаются (рис. -1). Поток энергии (тепла) через нижнее основание этой колонны практически равен нулю.
Уравнение энергетического баланса системы Земля-атмосфера может быть представлено в виде:
Rs = Fs + L(E – r) + Bs
Все члены в правой части уравнения предполагаются положительными, когда они описывают затраты энергии (тепла). Элементы уравнений приведены ниже:
(i) Радиационный баланс системы Земля-атмосфера ( Rs ): Он описывает обмен энергией (теплом) между рассматриваемым вертикальным столбом и космическим пространством и равен равна разнице между количеством полной солнечной радиации, поглощенной всем столбом, и полным длинноволновым излучением от столба в космическое пространство. Он считается положительным, когда описывает приток энергии (тепла) в систему Земля-атмосфера.
(ii) Суммарная горизонтальная теплопередача ( Fs ): она происходит через стороны рассматриваемой колонны и определяется как: теплопередача через стенки колонны в атмосфере и Fa = горизонтальная теплопередача через грани колонны в гидросфере или литосфере. Значение Fa аналогично значению Fo и описывает разницу притока и расхода тепла в столбе воздуха в результате атмосферной адвекции и макротурбулентности.
(iii) Теплопередача при изменении состояния воды : На тепловой баланс столба также влияют источники тепла (как положительные, так и отрицательные), которые расположены внутри самого столба. К ним относятся приток и расход тепла за счет изменения состояния воды, особенно за счет испарения и конденсации.
На достаточно однородных поверхностях в течение длительных периодов средняя разность величин конденсации и испарения капель воды в атмосфере равна сумме осадков ( r ), а приток тепла равен Lr . Соответствующая составляющая в энергетическом балансе представляет собой разницу между притоком тепла от конденсации и расходом его на испарение капель. Может отличаться от Lr в условиях неровных поверхностей, а также в отдельных коротких промежутках времени.
Разность между затратами теплоты на испарение с поверхности водоемов, почв и растительности и притоком теплоты от конденсации на этих поверхностях равна ЛЭ .
Общее влияние конденсации и испарения на энергетический баланс колонны может быть приблизительно выражено в виде L(r-E).
(iv) Изменения теплосодержания в столбце : Это изменение за рассматриваемый период представлено компонентом Bs в уравнении энергетического баланса.
Остальные составляющие баланса, такие как приток тепла от диссипации механической энергии, разница между расходом и притоком тепла на таяние и образование льда, разница между расходом тепла на приток фотосинтеза от окисления биомассы и т.д. очень малы и ими можно пренебречь .
Рассмотрение различных составляющих уравнения энергетического баланса в различных условиях показывает, что:
(i) Для среднегодового периода величина Bs , по-видимому, близка к нулю и уравнение упрощается до:
Rs = Fs + L(E – r)
(ii) Для наземных условий уравнение принимает вид:
Rs = Fa + L(E – r)
(iii) Для всего земного шара E = r за год и горизонтальный приток тепла в атмосферу и гидросферу, по-видимому, равен нулю. Таким образом, уравнение энергетического баланса системы Земля-атмосфера для Земли в целом упрощается до:
Rs = 0
(c) Уравнение баланса энергии атмосферы
Это уравнение может быть получено либо
(i) суммированием соответствующих потоков тепла, либо уравнения теплового баланса для системы Земля-атмосфера и для земной поверхности.
При условии, что радиационный баланс атмосферы определяется по формуле:
Ra = Rs – R
, а изменения теплосодержания атмосферы (Ba) определяются по формуле:
Ba = Bs – B
видно, что:
Ra = Fa – Lr – P + Ba
и для среднегодового периода уравнение:
Ra = Fa – Lr – P
Распределение составляющих энергетического баланса земной поверхности
Важными составляющими энергетического баланса земной поверхности, проявляющими географические различия в своих значениях, являются затраты тепла на испарение, турбулентный теплообмен и перераспределение тепла атмосферными и океаническими течениями.
1. Расход тепла на испарение : Величина испарения с поверхности суши и океанов вблизи береговых линий значительно различается. Это, по-видимому, может быть объяснено
(i) различиями в величине возможного испарения на суше и на океане и
(ii) влиянием недостаточного увлажнения многих участков суши, ограничивающего интенсивность процессов испарения и затраты тепла на испарение.
Во внетропических широтах абсолютная величина расхода тепла на испарение в целом уменьшается с увеличением широты. Однако серьезные незональные изменения на суше и в океане меняют эту картину. В тропических широтах распределение затрат тепла на испарение довольно сложное. По сравнению с районами высокого давления его величина несколько снижается в районах океана, примыкающих к экватору.
В океанах максимальные среднеширотные затраты тепла на испарение приходятся на пояса высокого давления. При 50-70 градусах, когда радиационные балансы суши и океанов примерно одинаковы, затраты тепла на испарение у океанов существенно больше. Это, по-видимому, связано с большим расходом тепла, приносимого океанскими течениями. В океанах распределение теплых и холодных течений является основной причиной незональных изменений расхода тепла на испарение. Все основные теплые течения существенно увеличивают расход тепла, а холодные течения уменьшают его. Это можно ясно увидеть в регионах, находящихся под влиянием теплых течений, таких как Гольфстрим и Куросио, старых течений, таких как Канарские острова, Бенгалия, Калифорния, Перу и Лабрадор. Годовое испарение с поверхности океана на той или иной широте может изменяться в несколько раз в зависимости от повышения или понижения температуры воды, вызванного течениями. Кроме того, на незональность в величинах затрат тепла на испарение и, следовательно, испарения с океанов влияют также условия атмосферной циркуляции, определяющие скорость ветра и годовой дефицит влаги над океанами. Поверхность океана имеет несколько более высокий радиационный баланс, чем поверхность суши, и испаряющиеся поверхности могут дополнительно получать большое количество тепловой энергии за счет перераспределения тепла океанскими течениями. Поэтому испарение с поверхности океана в тропических районах соответствует толщине слоя воды более двух метров.
Таблица-1. Средние значения компонентов энергетического баланса поверхности Земли на различных широтах (ккал/кв. см/год)
2

22 22
Latit-sude (в градусах)
Р
ЛЭ
Р
А
Р
ЛЭ
Р
Р
ЛЭ
Р
А
Океан
Океан
Океан
Океан
Земля
Земля
Земля
Земля
Земля
Земля
Земля
70-60 Н
23
33
16
-26
20
14
6
21
20
9
-8
60-50 Н
29
39
16
-26
30
19
11
30
28
13
-11
С
28
31
8
0
49
25
24
72
60
12
0
50-40 Н
51
53
14
-16
45
24
21
48
38
17
-7
С
57
55
9
-7
41
21
20
56
53
9
-6
40-30 Н
83
86
13
-16
60
23
37
73
59
23
-9
С
82
80
9
-7
62
28
34
80
74
12
-6
30-20 Н
113
105
9
-1
69
20
49
96
73
24
-1
С
101
100
7
-6
70
28
42
94
83
15
-4
20-10 Н
119
99
6
14
71
29
42
106
81
15
10
С
113
104
5
4
73
41
32
104
90
11
3
10-0 Н
115
80
4
31
72
48
24
105
72
9
24
С
115
84
4
27
72
50
22
105
76
8
21
На суше среднеширотная величина затрат тепла на испарение максимальна на экваторе. Эти значения меняются в пределах субтропических поясов высокого давления. В обоих полушариях происходит некоторое увеличение испарения с увеличением широты, хотя это увеличение более выражено в Северном полушарии. Это увеличение связано с увеличением количества осадков по сравнению с засушливыми зонами в более низких широтах. Распределение расхода тепла на испарение с поверхности суши отклоняется от зонального даже больше, чем у океанов. Это связано с очень большим влиянием климатических условий влажности на испарение. В районах достаточного увлажнения почвы высоких широт и во влажных районах средних и тропических широт затраты тепла на испарение и испарение определяются в основном балансом. В районах с недостаточным увлажнением испарение уменьшается из-за недостаточной влажности почвы, а в пустынных и полупустынных районах испарение почти равно малой годовой сумме осадков. Наибольшие затраты тепла на испарение наблюдаются в некоторых экваториальных районах, где при обильном увлажнении и больших притоках тепла они превышают 60 ккал/кв. см/год. Это соответствует ежегодному испарению слоя воды толщиной более одного метра.
Далее, характер сезонных расходов тепла на испарение во внетропических широтах различен на суше и в океанах. На суше этот расход и испарение существенно снижается в холодное время года и в зависимости от условий увлажнения достигает максимума в начале или середине теплого сезона. Напротив, испарение с океанов обычно увеличивается в холодное время года из-за большей разницы температур воды и воздуха в это время, что увеличивает разницу в концентрации водяного пара на поверхности воды и в воздухе. Кроме того, во многих океанических районах средние скорости ветра в холодное время года выше, что также увеличивает испарение.
2. Турбулентный теплообмен : Величина турбулентного теплообмена равна положительному теплу, выделяемому земной поверхностью в воздух, и отрицательному, когда земная поверхность получает тепло из атмосферы в течение года. В течение года все поверхности суши, кроме Антарктиды и большей части поверхности океана, отдают тепло в атмосферу.
В океанах турбулентный теплообмен постепенно увеличивается по направлению к более высоким широтам. Его величина невелика для большей части поверхности океана и обычно не превышает 10-20% от величин главных компонент уравнения энергетического баланса. Большие абсолютные значения турбулентного теплового потока, превышающие 30-40 ккал/см ² /год, встречаются в районах мощных теплых течений, т.е. Гольфстрим. Здесь вода в среднем теплее воздуха, а в более высоких широтах море еще свободно ото льда. Холодные океанические течения снижают температуру воды, уменьшают турбулентный поток тепла с поверхности океана в атмосферу и увеличивают его в обратном направлении.
На суше турбулентный тепловой поток уменьшается по направлению к более высоким широтам. Его максимальное значение приходится на пояса высокого давления, которое несколько снижается вблизи экватора и резко уменьшается в высоких широтах. На величину турбулентного теплообмена на континентах большое влияние оказывают влажностно-климатические условия. В засушливых регионах турбулентный поток тепла с поверхности земли в атмосферу значительно выше, чем во влажных регионах. Наибольший расход турбулентных тепловых потоков на сушу приходится на тропические пустыни, где он может превышать 60 ккал/кв. см/год. Во влажных районах, особенно в районах средних широт, расход тепла на турбулентные потоки обычно значительно ниже.
Очень разные закономерности изменения турбулентного теплообмена на суше и в океанах отражают различия в механизмах преобразования воздушных масс на поверхности континентов и океанов.
3. Перераспределение тепла водными течениями : В тепловом балансе океанов большое значение имеет приток или расход энергии за счет горизонтального обмена, в первую очередь океаническими течениями. Большое количество тепла перераспределяется в океанах между тропическими и внетропическими широтами. Как теплые, так и холодные течения играют важную роль в перераспределении тепла в океанах. Области повышенных положительных значений этой составляющей теплового баланса (отражающие отток тепла с поверхности океана в нижние слои) соответствуют областям холодных течений, а области пониженных отрицательных значений — теплым течениям. Такое соответствие наблюдается для больших теплых течений, т.е. Гольфстрим, Куросио и юго-западное тихоокеанское течение, а также для холодных течений, т.е. Канарские острова, Бенгалия, Калифорния и Перу. Океанические течения уносят тепло в основном из зоны от 20° северной широты до 20° южной широты. Максимум поглощенного тепла несколько смещен к северу от экватора. Далее тепло переносится в более высокие широты и расходуется в районе 50-70° северной широты, где особенно сильны теплые течения.
Исследования Строкиной (1963, 1969) по изменению теплосодержания верхних слоев океана в течение года показали, что эти изменения могут достигать значительных величин, вполне сравнимых с изменениями величин основных составляющих теплового баланса. Наибольшие годовые изменения теплосодержания верхних слоев океана (более 25 ккал/кв. см/год) наблюдаются в северо-западных районах Тихого океана и прилегающих районах.
Распределение компонентов энергетического баланса системы Земля-атмосфера
Данные по среднегодовым условиям показывают, что относительные соотношения различных составляющих энергетического баланса Земля-атмосфера заметно изменяются на различных широтах.
В экваториальной зоне большой приток энергии излучения дополнительно увеличивается за счет добавления значительного притока тепла, производимого изменениями состояния воды в результате конденсации и испарения. Эти источники тепла производят большие затраты тепла на атмосферную и океаническую адвекцию. Относительно узкая зона, примыкающая к экватору, является чрезвычайно важным источником энергии для этих условий адвекции.
На более высоких широтах до 30-40 градусов положительный радиационный баланс, уменьшающийся с увеличением широты, сопровождается значительными затратами энергии на водообмен. На большей части этой зоны энергия радиационного баланса почти равна теплу, затрачиваемому на водообмен, и очень мало тепла перераспределяется через воздушные и водные потоки.
На широты выше 40 градусов обнаружена зона отрицательного радиационного баланса. Его абсолютное значение увеличивается в более высоких широтах. Отрицательный радиационный баланс этой зоны компенсируется притоком тепла, приносимым воздушными и водными потоками. Доли тех компонентов в этом балансе, которые компенсируют дефицит энергии излучения, различны на разных широтах. Для пояса между 40–60 градусами избыточная энергия, выделяющаяся при конденсации воды, является основным источником тепла, а также важен приток тепла, перераспределяемый океанскими течениями. В более высоких широтах, особенно в полярных районах, приток тепла от конденсации очень мал, а влияние океанических течений либо отсутствует (в южной полярной зоне), либо слабо из-за постоянного ледяного покрова (в северной полярной зоне). В этих широтах основным источником тепла является перераспределение тепла за счет атмосферной циркуляции.
Изучены средние значения различных составляющих энергетического баланса системы Земля-атмосфера за полугодовые периоды на различных широтах (табл.-2). Они показывают, что величина радиации, поглощаемой системой Земля-атмосфера ( Qa ), не является единственным фактором, определяющим величину уходящей длинноволновой радиации в верхней части атмосферы (Is). Для средних и высоких широт в период с октября по март в Северном полушарии и для высоких широт в Южном полушарии в течение всего года основным источником тепла является перенос тепла из более низких широт через атмосферную циркуляцию.
Распределение составляющих энергетического баланса атмосферы
Средний радиационный баланс атмосферы на различных широтах изменяется меньше, чем другие составляющие теплового баланса. Большие абсолютные отрицательные значения радиационного баланса атмосферы, наблюдаемые на всех широтах, в значительной степени компенсируются притоком тепла от конденсации. Роль тепла с поверхности Земли через турбулентный теплообмен менее существенна, хотя влияние вполне ощутимо.
Распределение компонентов энергетического баланса Земли в целом
В зависимости от соотношения площадей суши и океана в отдельных зонах среднеширотное распределение компонентов энергетического баланса Земли в целом характеризуется закономерностями, характерными для континентов или узорами, типичными для океанов. Средние значения компонентов энергетического баланса для отдельных континентов и океанов (табл. 3) показывают, что на трех континентах (Европа, Северная Америка и Южная Америка) большая доля энергорадиационного баланса расходуется на испарение. На остальных трех континентах (Азия, Африка и Австралия), где преобладает сухой климат, все наоборот.
Компоненты энергетического баланса трех океанов мало чем отличаются друг от друга. Для каждого океана сумма затрат тепла на испарение и турбулентный теплообмен близка к величине радиационного баланса. Это означает, что теплообмен между различными океанами в результате течений не оказывает существенного влияния на тепловой баланс отдельных океанов.
Значения составляющих энергетического баланса Земли в целом показывают, что в океанах примерно 90 % энергии радиационного баланса расходуется на испарение и только 10 % на непосредственный турбулентный нагрев атмосферы. Эти величины почти одинаковы на суше. Для Земли в целом 83% энергии радиационного баланса расходуется на испарение, 17% — на турбулентный теплообмен.
Значения составляющих энергетического баланса Земли в целом представлены на Рисунке-2. Общий годовой поток солнечной радиации, поступающей на внешнюю границу тропосферы, составляет примерно 1000 ккал/кв. см. Из-за сферической формы Земли около 25% этого годового потока (т.е. 250 ккал/кв.см) проходит через единицу поверхности верхней границы тропосферы. Если предположить, что альбедо Земли ( As ) равно 0,33, коротковолновое излучение, поглощаемое Землей, представленное Qs(1-As) , составляет примерно 167 ккал/кв. см/год. Из них коротковолновое излучение, достигающее поверхности Земли, составляет 126 ккал/кв. см/год. Среднее значение альбедо у поверхности Земли ( A ) равно 0,14. При этом учитываются различия в величине приходящей солнечной радиации в различных регионах. Таким образом, количество коротковолнового излучения, поглощенного поверхностью Земли, представленное Q(1-A), , составляет 108 ккал/кв. см/год и 18 ккал/кв. см/год отражается обратно от поверхности. Атмосфера поглощает около 59ккал/кв. см/год, что значительно меньше, чем поглощается поверхностью Земли. Поскольку радиационный баланс поверхности Земли ( R ) составляет 72 ккал/кв. см/год, среднее эффективное излучение земной поверхности ( I ) составляет 360 ккал/кв. см/год. Общая величина длинноволнового излучения Земли (Is) довольно близка к 167 ккал/кв. см/год. Отношение I/Is значительно меньше
0217 апрель-сентябрь
Широта (в градусах)
Качество
Фа
Fo
Бс
Есть
80-90 Н
7,8
-4,5
0,0
0,8
11,5
С
0,0
-8,8
0,0
0,0
8,8
70-80 Н
8. 2
-4,4
0,0
0,8
11,8
С
0,2
-9,8
0,0
0,0
10,0
60-70 Н
11,5
-1,8
-0,4
1,2
12,5
С
1,0
-9,5
0,0
0,8
11,3
50-60 Н
14,6
0,0
-1,3
2,8
13. 1
С
3,3
-3,9
-2,6
-2,5
12,3
40-50 Н
16,9
1,0
-2,0
3,9
14,0
С
5,9
-1,9
-1,6
-3,5
12,9
30-40 с.ш.
19,2
1,4
-1,7
4,3
15,2
С
8,9
-0,4
-0,4
-4,2
13,9
20-30 Н
20,0
2. 0
-0,4
2,9
15,5
С
13,0
1,4
0,3
-3,4
14,7
10-20 Н
19,7
2,4
0,9
1,4
15,0
С
16,2
2,6
0,9
-2,5
15,2
0-10 Н
18,4
1,4
2,2
-0,1
14,9
С
18,0
2,3
2,2
-1,5
15,0
Октябрь-март
80-90 Н
0,1
-9. 1
0,0
-0,8
10,0
С
3,4
-6,9
0,0
0,0
10,3
70-80 Н
0,5
-9,3
0,0
-0,8
10,6
С
4,4
-6,5
0,0
0,0
10,9
60-70 Н
1,8
-6,7
-1,5
-1,2
11,2
С
8. 1
-4,3
0,0
0,8
11,6
50-60 Н
4,0
-4,7
-0,5
-2,8
12,0
С
12,8
-2,6
0,6
2,5
12,3
40-50 Н
6,5
-2,9
0,6
-3,9
12,7
С
15,9
0,0
-0,6
3,5
13,0
30-40 с. ш.
9,5
-0,9
0,7
-4,3
14,0
С
18,9
2.0
-1,4
4.2
14.1
20-30 Н
13,7
0,9
0,6
-2,9
15.1
С
20,6
3,5
-0,3
2,5
15,0
10-20 Н
17,0
1,8
1,0
-1,4
15,6
С
20,7
3,5
-0,3
2,5
15,0
0-10 Н
18,7
2. 1
1,4
0,1
15.1
С
19,7
2,4
0,8
1,5
15,0
Таблица-3. Энергетический баланс континентов и океанов (ккал/кв.см/год)
Континент
Р
ЛЭ
Р
Океан
Р
ЛЭ
Р
Европа
39
24
15
Атлантика
82
72
8
Азия
47
22
25
Тихоокеанский
86
78
8
Африка
68
26
42
Индийский
85
77
7
Северная Америка
40
23
17
Южная Америка
70
45
25
Австралия
70
22
48
соотношение Q(1-A)/Qs(1-As).

Температура воды, °С			Объем воды, мл			Масса воды, кг		Количество теплоты, Дж
^tI	^t2	t	V₁	V	V₂	Ші	^Ш2	Qi	Q2

1			Вертикальные стенки	FohannoPolidoriVerticalWall*
				AlamdariHammondVerticalWall
				ASHRAEВертикальныйстенный
2			Стабильный горизонтальный	AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
				WaltonStableHorizontalOrTilt
3	Простая плавучесть	А3	Нестабильный горизонтальный	AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный*
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
4			Стабильный наклонный	WaltonStableHorizontalOrTilt*
5			Нестабильный наклонный	WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
6			Окна	ISO15099Windows*
7			Вертикальные стенки	KhalifaEq3WallAwayFromHeat*
				FohannoPolidoriVerticalWall
				AlamdariHammondVerticalWall
				ASHRAEВертикальныйстенный
8			Стабильный горизонтальный	AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
				WaltonStableHorizontalOrTilt
9	Внутреннее отопление или потолочное охлаждение	А1	Нестабильный горизонтальный	KhalifaEq4CeilingAwayFromHeat*
				AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
10			Пол с подогревом	AwbiHattonHeatedFloor*
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
				AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный
11			Охлаждающий потолок	КарадагХолодный потолок*
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
12			Устойчивый Наклонный	WaltonStableHorizontalOrTilt*
13			Нестабильный наклонный	WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
14			Окна	ISO15099Windows*
15			Вертикальные стены (без обогрева)	KhalifaEq6NonHeatedWalls*
				FohannoPolidoriVerticalWall
				ASHRAEВертикальныйстенный
16			Стена с подогревом	AwbiHattonHeatedWall*
17	Настенная панель отопления	А2	Стабильный горизонтальный	AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
				WaltonStableHorizontalOrTilt
18			Нестабильный горизонтальный	KhalifaEq7Потолок*
				AlamdariHammondНестабильныйГоризонтальный
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
19			Устойчивый Наклонный	WaltonStableHorizontalOrTilt*
20			Нестабильный наклонный	WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
21			Окна	ISO15099Windows*
22			Вертикальные стены не рядом с обогревателем	FohannoPolidoriVerticalWall*
				KhalifaEq6NonHeatedWalls
				KhalifaEq3WallAwayFromHeat
				AlamdariHammondVerticalWall
				ASHRAEВертикальныйстенный
23			Вертикальные стены рядом с обогревателем	KhalifaEq5WallNearHeat*
24	Нагреватель конвективной зоны	Б	Стабильный горизонтальный	AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
				WaltonStableHorizontalOrTilt
25			Нестабильный горизонтальный	KhalifaEq7Потолок*
				KhalifaEq4CeilingAwayFromHeat
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
26			Устойчивый Наклонный	WaltonStableHorizontalOrTilt*
27			Нестабильный наклонный	WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
28			Окна	ISO15099Windows*
29			Стены	Goldstein NovoselacПотолочный ДиффузорСтены*
				FisherPedersenПотолочный ДиффузорСтены
30			Потолок	FisherPedersenCeilingDiffuserCeiling*
31	Механический центральный воздушный диффузор	С	Этаж	Goldstein NovoselacПотолочный ДиффузорНапольный*
				FisherPedersenПотолочный ДиффузорНапольный
32			Окна	Goldstein NovoselacПотолочныйДиффузорОкно*
				ISO15099Windows
33			Стены	KhalifaEq3WallAwayFromHeat *
34			Стабильный горизонтальный	AlamdariHammondСтабильныйГоризонтальный*
				WaltonStableHorizontalOrTilt
35	Циркуляция вентилятора механической зоны	Д	Нестабильный горизонтальный	KhalifaEq4CeilingAwayFromHeat*
				WaltonUnstableHorizontalOrTilt
36			Устойчивый Наклонный	WaltonStableHorizontalOrTilt*
37			Нестабильный наклонный	WaltonUnstableHorizontalOrTilt*
38			Окна	Гольдштейн НовоселакПотолочныйДиффузорОкно*
				ISO15099Windows
39			Вспомогательные перегородки	BeausoleilMorrisonMixedAssistedWall*
40			Противоположные стенки	BeausoleilMorrisonMixedOpposedWall*
41			Стабильный пол	BeausoleilMorrisonMixedStableFloor*
42	Смешанный	Э	Неустойчивый пол	Босолей Моррисон MixedUnstableFloor*
43			Стабильный потолок	BeausoleilMorrisonMixedStableCeiling*
44			Нестабильный потолок	BeausoleilMorrisonMixedUnstableCeiling*
45			Окна	Гольдштейн НовоселакПотолочныйДиффузорОкно*
				ISO15099Windows

q»LWR	Поток длинноволнового излучения внешней поверхности	Вт/м2	—
час	Линеаризованный коэффициент лучистой теплопередачи в зависимости от температуры воздуха	Вт/м2.K	—
Цурф	Поверхность Наружная температура поверхности	К	—
Таир	Температура наружного воздуха	К	—
тгнд	Температура окружающей среды на поверхности земли	К	—
Тский	Небо Эффективная температура	К	—
Фгнд	Коэффициент обзора поверхности стены относительно поверхности земли	—	0–1
Фски	Коэффициент обзора поверхности стены относительно неба	—	0–1
Ярмарка	Коэффициент обзора поверхности стены относительно воздуха	—	0–1
ε	Поверхностный коэффициент излучения длинных волн	—	0–1
о	Постоянная Стефана-Больцмана	Вт/м2. K4	5,67×10−8

Температура воздуха	15°С	13,15°С	1,85°С	12,3%
Атмосферное давление	101 325 Па	97 960 Па	3 365 Па	3,3%
Скорость ветра	2,46 м/с	7,75 м/с	5,29 м/с	215%

Плоский, открытая местность	0,14	270
Лесистая местность	0,22	370
Города и поселки	0,33	460
Океан	0,10	210
Городской, промышленный, лесной	0,22	370

1 (очень шероховатый)	11,58	5,894	0,0	Штукатурка
2 (Грубая)	12,49	4.065	0,028	Кирпич
3 (среднешероховатая)	10,79	4.192	0,0	Бетон
4 (среднегладкая)	8,23	4,0	-0,057	Чистая сосна
5 (гладкая)	10,22	3. 1	0,0	Гладкая штукатурка
6 (очень гладкая)	8,23	3,33	-0,036	Стекло

А	Площадь поверхности	м2	/=0
зч	Коэффициент конвективной теплопередачи внешней поверхности	Вт/(м2К)	—
вч	Принудительно-конвективный коэффициент теплопередачи	Вт/(м2К)	—
гп	Коэффициент естественной конвективной теплопередачи	Вт/(м2К)	—
П	Периметр поверхности	м	—
РФ	Множитель шероховатости поверхности	—	—
Таир	Местная температура наружного воздуха, рассчитанная на высоте над землей центра тяжести поверхности	°С	—
Цо	Температура наружной поверхности	°С	—
ΔТ	Разница температур между поверхностью и воздухом,	°С	—
Взз	Местная скорость ветра, рассчитанная на высоте над землей центра тяжести поверхности	м/с	—
Вф	Модификатор направления ветра	—	—
ϕ	Угол между внешней нормалью к земле и внешней нормалью к поверхности	степень	—
Индекс шероховатости	Индекс шероховатости поверхности (6=очень гладкая, 5=гладкая, 4=среднегладкая, 3=среднешероховатая, 2=шероховатая, 1=очень шероховатая)	—	1-6

1 (очень шероховатый)	2,17	Штукатурка
2 (Грубая)	1,67	Кирпич
3 (среднешероховатая)	1,52	Бетон
4 (среднегладкая)	1,13	Чистая сосна
5 (гладкая)	1. 11	Гладкая штукатурка
6 (очень гладкая)	1,00	Стекло

А	Константа	Вт/(м2К(м/с)b	—
Б	Константа	—	—
Кар	Постоянная турбулентной естественной конвекции	Вт/(м2K4/3)	—
зч	Коэффициент конвективной теплопередачи внешней поверхности	Вт/(м2К)	—
Цо	Температура наружной поверхности	°С/К	—
ΔТ	Разница температур между поверхностью и воздухом	°С/К	—

Направление ветра	карат	и	б
(Единицы)	Вт/(м2K4/3)	Вт/(м2К(м/с)b	—
Наветренный	0,84	3,26	0,89
Подветренный	0,84	3,55	0,617

1	Конюшня на крыше	Вниз	Любой	TARPWindward MoWiTTWindward DOE2Windward NusseltJurges BlockenWindward EmmelRoof ClearRoof	WaltonStableHorizontalOrTilt AlamdariStableHorizontal
2	Крыша неустойчивая	Вверх	Любой	TARPWindward MoWiTTWindward DOE2Windward NusseltJurges BlockenWindward EmmelRoof ClearRoof	WaltonUnstableHorizontalOrTilt AlamdariUnstableHorizontal
3	Вертикальная стена с наветренной стороны	Любой	Наветренный	TARPWindward DOE2Windward MoWiTTWindward NusseltJurges McAdams Mitchell BlockenWindward EmmelVertical	ASHRAEВертикальныйНастенный AlamdariHammondВертикальныйНастенный FohannoPolidoriВертикальныйНастенный ISO15099Windows
4	Вертикальная стена с подветренной стороны	Любой	Подветренный	TARPLeeward MoWiTTLeeward DOE2Leeward EmmelVertical NusseltJurges McAdams Mitchell	ASHRAEВертикальныйНастенный AlamdariHammondВертикальныйНастенный FohannoPolidoriВертикальныйНастенный ISO15099Windows

22	22 Latit-sude (в градусах)	Р	ЛЭ	Р	А	Р	ЛЭ	Р	Р	ЛЭ	Р	А
	Океан	Океан	Океан	Океан	Земля	Земля	Земля	Земля	Земля	Земля	Земля
70-60 Н	23	33	16	-26	20	14	6	21	20	9	-8
60-50 Н	29	39	16	-26	30	19	11	30	28	13	-11
С	28	31	8	0	49	25	24	72	60	12	0
50-40 Н	51	53	14	-16	45	24	21	48	38	17	-7
С	57	55	9	-7	41	21	20	56	53	9	-6
40-30 Н	83	86	13	-16	60	23	37	73	59	23	-9
С	82	80	9	-7	62	28	34	80	74	12	-6
30-20 Н	113	105	9	-1	69	20	49	96	73	24	-1
С	101	100	7	-6	70	28	42	94	83	15	-4
20-10 Н	119	99	6	14	71	29	42	106	81	15	10
С	113	104	5	4	73	41	32	104	90	11	3
10-0 Н	115	80	4	31	72	48	24	105	72	9	24
С	115	84	4	27	72	50	22	105	76	8	21

Широта (в градусах)	Качество	Фа	Fo	Бс	Есть
80-90 Н	7,8	-4,5	0,0	0,8	11,5
С	0,0	-8,8	0,0	0,0	8,8
70-80 Н	8. 2	-4,4	0,0	0,8	11,8
С	0,2	-9,8	0,0	0,0	10,0
60-70 Н	11,5	-1,8	-0,4	1,2	12,5
С	1,0	-9,5	0,0	0,8	11,3
50-60 Н	14,6	0,0	-1,3	2,8	13. 1
С	3,3	-3,9	-2,6	-2,5	12,3
40-50 Н	16,9	1,0	-2,0	3,9	14,0
С	5,9	-1,9	-1,6	-3,5	12,9
30-40 с.ш.	19,2	1,4	-1,7	4,3	15,2
С	8,9	-0,4	-0,4	-4,2	13,9
20-30 Н	20,0	2. 0	-0,4	2,9	15,5
С	13,0	1,4	0,3	-3,4	14,7
10-20 Н	19,7	2,4	0,9	1,4	15,0
С	16,2	2,6	0,9	-2,5	15,2
0-10 Н	18,4	1,4	2,2	-0,1	14,9
С	18,0	2,3	2,2	-1,5	15,0

80-90 Н	0,1	-9. 1	0,0	-0,8	10,0
С	3,4	-6,9	0,0	0,0	10,3
70-80 Н	0,5	-9,3	0,0	-0,8	10,6
С	4,4	-6,5	0,0	0,0	10,9
60-70 Н	1,8	-6,7	-1,5	-1,2	11,2
С	8. 1	-4,3	0,0	0,8	11,6
50-60 Н	4,0	-4,7	-0,5	-2,8	12,0
С	12,8	-2,6	0,6	2,5	12,3
40-50 Н	6,5	-2,9	0,6	-3,9	12,7
С	15,9	0,0	-0,6	3,5	13,0
30-40 с. ш.	9,5	-0,9	0,7	-4,3	14,0
С	18,9	2.0	-1,4	4.2	14.1
20-30 Н	13,7	0,9	0,6	-2,9	15.1
С	20,6	3,5	-0,3	2,5	15,0
10-20 Н	17,0	1,8	1,0	-1,4	15,6
С	20,7	3,5	-0,3	2,5	15,0
0-10 Н	18,7	2. 1	1,4	0,1	15.1
С	19,7	2,4	0,8	1,5	15,0

Континент	Р	ЛЭ	Р	Океан	Р	ЛЭ	Р
Европа	39	24	15	Атлантика	82	72	8
Азия	47	22	25	Тихоокеанский	86	78	8
Африка	68	26	42	Индийский	85	77	7
Северная Америка	40	23	17	Южная Америка	70	45	25
Австралия	70	22	48