Тепловая масса зданий: назначение и характеристики

Сложные проектные стратегии преобразуют тепловую массу в тепловые лабиринты и другие решения с привлечением энергии земли

Проектировщики закладывают тепловые характеристики зданий таким образом, чтобы снизить влияние окружающей среды и создать комфорт внутри помещений с наименьшими материальными и энергетическими затратами. Как правило, в этом участвует тепловая масса, теплоизоляция, пассивные и активные инженерные системы здания.

Тепловая масса описывает способность материалов поглощать, хранить и высвобождать тепловую энергию. Это свойство смягчает воздействие температурных колебаний на здание от внутренних и внешних источников: тепло поглощается, когда температура окружающей среды повышается, и выходит из материала, когда становится прохладно.

Тепловую массу полезно учитывать при проектировании, когда требуется выравнивать или блокировать экстремальные температурные условия, стабилизировать внутреннюю среду таким образом, чтобы снизить потребность в инженерных системах здания.

Тепловая масса снижает повышенные тепловые нагрузки, когда поглощает тепло от внешних источников, таких как солнечный свет, или от внутренних, таких как электроприборы и освещение. Это приносит пользу летом и зимой.

Тепловая масса собирает и хранит тепло. Например, специально подготовленная стена перед окном, которое выходит на юг, поглотит солнечное излучение, а затем медленно возвратит энергию в замкнутое пространство помещения.

Тепловая масса хорошо сочетается с принудительной и естественной вентиляцией. Например, бетонные плиты перекрытия можно насытить теплом в течение дня и затем эту энергию ночью выбросить наружу. К следующему дню полностью остывший материал сможет поглотить больше тепла.

Исторически сложилось так, что для постоянного проживания строятся здания с повышенной тепловой массой. Хорошо изолированные легкие строения лучше подходят для периодического пребывания, когда жильцы возвращаются после недолгого отсутствия и по щелчку выключателя активируют инженерные системы, которые за короткое время создают комфорт в помещении.

Ситуация усложняется тем, что внешние условия меняются в зависимости от времени года и времени суток, поэтому от ограждающих конструкций требуется иногда удержать тепло, иногда уловить, а иногда и отвести.

И строительные конструкции иногда должны делать это в сочетании с несколькими противоречивыми функциями: ограниченный доступ к помещению, безопасность и акустическая изоляция.

Термодинамика тепловой массы - сложный предмет. Способность хранить тепло связывает физические свойства материалов с температурным циклом, который требуется смягчить.

Полезная тепловая масса требует повышенной удельной теплоемкости, высокой плотности энергии и теплопроводности материала. Тепловые потоки в материал и обратно должны соответствовать тепловому циклу занимаемого пространства.

Бетон и каменная кладка - это полезная тепловая масса, тогда как древесина слишком медленно поглощает тепло, а у стали слишком высокая теплопроводность.

Способность материала поглощать и отдавать тепло с помощью тепловых циклов основана на следующих характеристиках:

• Теплоемкость;
• Теплопроводность;
• Плотность энергии;
• Поверхностное сопротивление;
• Толщина.

Считается, что в умеренном климате при 24-часовом цикле тепловая энергия проникает в тепловую массу, такую как бетон и кирпичная кладка, на глубину не более 100 мм. Такое расстояние умещается в толщину стен большинства зданий. Пиковые температуры проявляются со смещением до шести часов.

Тепловая масса, чтобы была продуктивной, должна сообщаться с внешней средой. Это означает, что бетонные полы и стены должны быть открыты. Напротив, типовые помещения обычно облицованы отделочными материалами, закрыты подвесными потолками и напольным покрытием. Тем не менее, производительность тепловой массы повышается красками, которые усиливают поглощение и выделение теплового излучения.

Открытая тепловая масса внутри зданий способна вызвать сильную акустическую реверберацию.

Тепловую массу часто сочетают с другими стратегиями проектирования комфортной среды, которая включает активные, пассивные или смешанные системы. Там, где заложено охлаждение ночью, подойдут узкие здания открытой планировки с атриумами, в которых присутствует естественная вентиляция.

Следует избегать нежелательного охлаждения ночью, чтобы не увеличилось энергопотребление на отопление. Здесь поможет хорошая изоляция со сниженной инфильтрацией.

Сложные проектные стратегии преобразуют тепловую массу в тепловые лабиринты и другие решения с привлечением энергии земли.

Местоположение может затруднить использование тепловой массы, например, если естественная вентиляция невозможна. Помешают ориентация, акустические соображения или требования к кондиционированию воздуха.