TCXDVN299:2003

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 299:2003 về Cách nhiệt - Các đại lượng vật lý và định nghĩa do Bộ Xây dựng ban hành TIÊU CHUẨN XÂY DỰNG VIỆT NAM TCXDVN 299: 2003 (ISO 7345: 1987) CÁCH NHIỆT - CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐỊNH NGHĨA Thermal insulation- physical quantities and definitions Lời nói đầu TCXDVN 299: 2003 (ISO 7345:1987)- Cách nhiệt- Các đại lượng vật lý và định nghĩa được chấp nhận từ ISO 7345:1987- Cách nhiệt- Các đại lượng vật lý và định nghĩa. TCXDVN 299: 2003 (ISO 7345:1987)- Cách nhiệt- Các đại lượng vật lý và định nghĩa do Viện Nghiên cứu Kiến trúc chủ trì biên soạn, Vụ Khoa học Công nghệ- Bộ Xây dựng đề nghị và được Bộ Xây dựng ban hành. Phần giới thiệu TIÊU CHUẨN NÀY LÀ MỘT TRONG CÁC TIÊU CHUẨN VỀ THUẬT NGỮ LIÊN QUAN ĐẾN CÁCH NHIỆT, BAO GỒM: - TCXDVN 300: 2003 (ISO 9251-1987). CÁCH NHIỆT - CÁC ĐIỀU KIỆN TRUYỀN NHIỆT VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU - THUẬT NGỮ. - ISO 9346. CÁCH NHIỆT- TRUYỀN NHIỆT KHỐI- CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐỊNH NGHĨA. - ISO 9288. CÁCH NHIỆT- TRUYỀN NHIỆT BẰNG BỨC XẠ - CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐỊNH NGHĨA CÁCH NHIỆT - CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐỊNH NGHĨA Thermal insulation- physical quantities and definitions 1. Phạm vi và lĩnh vực áp dụng TIÊU CHUẨN NÀY ĐỊNH NGHĨA CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC CÁCH NHIỆT VÀ ĐƯA RA CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ TƯƠNG ỨNG. GHI CHÚ: DO PHẠM VI CỦA TIÊU CHUẨN NÀY CHỈ GIỚI HẠN TRONG LĨNH VỰC CÁCH NHIỆT NÊN MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA ĐƯA RA Ở MỤC 2 KHÁC VỚI NHỮNG ĐỊNH NGHĨA ĐƯA RA Ở ISO 31/4- CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ CÁC ĐƠN VỊ NHIỆT. ĐỂ PHÂN BIỆT SỰ KHÁC NHAU ĐÓ, TRƯỚC CÁC THUẬT NGỮ CÓ ĐÁNH DẤU SAO (*) . 2. Các đại lượng vật lý và định nghĩa ĐẠI LƯỢNG ĐƠN VỊ 2.1. NHIỆT; NHIỆT LƯỢNG Q J 2.2. LƯU LƯỢNG DÒNG NHIỆT: NHIỆT LƯỢNG TRUYỀN TỚI HOẶC TRUYỀN TỪ MỘT HỆ THỐNG CHIA CHO THỜI GIAN: f = f W 2.3 CƯỜNG ĐỘ DÒNG NHIỆT: LƯU LƯỢNG DÒNG NHIỆT CHIA CHO DIỆN TÍCH: Q = Ghi chú: Từ “cường độ” có thể được thay thế bằng thuật ngữ “cường độ bề mặt” khi nó có thỂ nhầm lẫn với thuật ngữ “cường độ theo chiều dài” (2.4) Q W/M 2 2.4. Cường độ theo chiều dài của dòng nhiệt: Lưu lượng dòng nhiệt chia cho chiều dài: q 1 = Q 1 W/M 2.5. Hệ số dẫn nhiệt: Đại lượng được xác định theo biểu thức dưới đây: q = - l grad T Ghi chú: Khái niệm chính xác về hệ số dẫn nhiệt cho ở phần phụ lục. Khái niệm này cũng liên quan tới việc sử dụng khái niệm hệ số dẫn nhiệt cho vật liệu xốp đẳng hướng hoặc dị hướng, ảnh hưởng của nhiệt độ và các điều kiện thử nghiệm. l W/(M.K) 2.6 Nhiệt trở suất: Đại lượng được xác định bởi hệ thức dưới đây: grad T = - rq Ghi chú: Khái niệm chính xác về nhiệt trở suất cho ở phần phụ lục. R (M.K)/W 2.7 *Nhiệt trở 1) : Chênh lệch nhiệt độ chia cho cường độ dòng nhiệt trong trạng thái ổn định R = Ghi chú: 1. Đối với một lớp phẳng khi sử dụng khái niệm hệ số dẫn nhiệt và khi tính chất này không đổi hoặc tuyến tính với nhiệt độ (xem phụ lục) thì: R = Trong đó d là chiều dày của lớp. Các định nghĩa này giả thiếtt định nghĩa hai nhiệt độ tham chiếu T 1 , T 2 và một diện tích mà cường độ dòng nhiệt truyền qua đó là đồng nhất R (m 2 .K)/W 1) Theo ISO 31/4 thì “nhiệt trở” còn gọi là “vật cách nhiệt” hoặc “hệ số cách nhiệt”, ký hiệu là M Nhiệt trở có thể liên quan tới vật liệu, cấu trúc hoặc bề mặt. Nếu T 1 hoặc T 2 không phải là nhiệt độ của bề mặt chất rắn mà của bề mặt chất lỏng, thì nhiệt độ tham chiếu phải được xác định trong mỗi trường hợp cụ thể (có tham chiếu với sự truyền nhiệt đối lưu tự do hay cưỡng bức và bức xạ nhiệt từ các vật xung quanh, v.v...) Khi xác định giá trị nhiệt trở thì phải biết T1 và T2 2. “Nhiệt trở” có thể được thay thế bằng thuật ngữ “Nhiệt trở bề mặt” khi nó có thể nhầm lẫn với thuật ngữ “Nhiệt trở theo chiều dài” (2.8). 2.8 * Nhiệt trở theo chiều dài 1) : Chênh lệch nhiệt độ chia cho cường độ dòng nhiệt theo chiều dài trong điều kiện ổn định: R 1 = Ghi chú: Giả thiết hai nhiệt độ tham chiếu là T 1 , T 2 và chiều dài mà cường độ theo chiều dài của dòng nhiệt là đồng nhất Nếu bên trong hệ thống T 1 hoặc T 2 không phải là nhiệt độ của bề mặt chất rắn mà là của bề mặt chất lỏng thì nhiệt độ tham chiếu đó phải được xác định trong từng trường hợp cụ thể (có chú ý đến truyền nhiệt đối lưu hay cưỡng bức và bức xạ nhiệt từ các mặt xung quanh, v.v...) Khi xác định giá trị nhiệt trở theo chiều dài thì phải biết T 1 và T 2 R 1 (m.K)/W 2.9 Hệ số trao đổi nhiệt bề mặt: cường độ dòng nhiệt tại bề mặt trong điều kiện ổn định chia cho chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt đó và môi trường xung quanh: h = Ghi chú: Giả thiết bề mặt truyền nhiệt, nhiệt độ bề mặt Ts , nhiệt độ không khí là Ta là xác định (có sự tham chiếu với sự truyền nhiệt đối lưu tự do hay cưỡng bức và bức xạ nhiệt từ các mặt xung quanh, v.v...) h W/(m 2 .K) 2.10 Độ dẫn nhiệt: Số nghịch đảo của nhiệt trở từ bề mặt này tới bề mặt kia trong điều kiện cường độ dòng nhiệt là đồng nhất. A = Ghi chú: “Độ dẫn nhiệt” được thay thế bằng “độ dẫn nhiệt bề mặt” khi nó có thể bị nhầm lẫn với thuật ngữ “độ dẫn nhiệt theo chiều dài” (2.11). A W/(m 2 .K) 2.11 Độ dẫn nhiệt theo chiều dài: Số nghịch đảo của nhiệt trở theo chiều dài từ bề mặt này tới bề mặt kia trong điều kiện cường độ dòng nhiệt là đồng nhất. A 1 = A 1 W/(m.K) 2.12 Độ truyền nhiệt: Lưu lượng dòng nhiệt ở điều kiện ổn định chia cho tích số của diện tích và chênh lệch nhiệt độ của môi trường ở hai phía của hệ thống: U1 = U 1 W/(m 2 .K) Ghi chú: 1. Giả thiết hệ thống, hai nhiệt độ tham chiếu T 1 , T 2 và các điều kiện biên khác là xác định. 2. “Độ truyền nhiệt” được thay thế bằng thuật ngữ “Độ truyền nhiệt bề mặt” khi nó có thể nhầm lẫn với thuật ngữ “Độ truyền nhiệt theo chiều dài” (2.13). 3. Số nghịch đảo của độ truyền nhiệt là tổng nhiệt trở của môi trường ở hai phía của hệ thống: 2.13 Độ truyền nhiệt theo chiều dài: Lưu lượng dòng nhiệt ở điều kiện ổn định chia cho tích số của chiều dài và chênh lệch nhiệt độ của môi trường ở hai phía của hệ thống: U1 = U 1 W/(m.K) Ghi chú: 1. Giả thiết hệ thống, hai nhiệt độ tham chiếu T 1 , T 2 và các điều kiện biên là xác định. 2. Số nghịch đảo của độ truyền nhiệt theo chiều dài là tổng nhiệt trở theo chiều dài giữa môi trường ở hai phía của hệ thống: 2.14 Nhiệt dung: Đại lượng được xác định bằng đẳng thức sau: C J/K Ghi chú: Khi nhiệt độ của hệ thống tăng lên một lượng dT do sự tăng thêm một lượng nhỏ nhiệt dQ thì đại lượng dQ/dT gọi là nhiệt. dung 2.15 Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung chia cho khối lượng. c J/(kg.K) 2.15.1 Nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi. cp J/(kg.K) 2.15.2 Nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi. cv J/(kg.K) 2.16 *Hệ số dẫn nhiệt độ: Độ dẫn nhiệt chia cho tích số giữa khối lượng riêng và nhiệt dung riêng Ghi chú: 1. Đối với chất lỏng, nhiệt dung riêng thích hợp là cp. 2. ĐỊNH NGHĨA NÀY GIẢ THIẾT MÔI TRƯỜNG ĐỒNG NHẤT, KHÔNG TRONG SUỐT . 3. Hệ số dẫn nhiệt độ có liên quan tới trạng thái không ổn định và có thể đo trực tiếp hoặc tính toán bằng công thức trên từ các đại lượng được đo riêng rẽ 4. Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt độ có kể đến sự thay đổi nhiệt độ ở bên trong khối vật liệu khi nhiệt độ ở bề mặt thay đổi. Hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu càng cao thì nhiệt độ bên trong vật liệu càng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ bề mặt. a m2/s 2.17 Hệ số hàm nhiệt: Căn bậc hai của tích số giữa độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng và nhiệt dung riêng b = Ö l r c b J/(m 2 .Ks 1/2 ) Ghi chú: 1. Đối với chất lỏng, nhiệt dung riêng thích hợp là cp. 2. Đặc tính này liên quan tới điều kiện không ổn định. Nó có thể được đo hoặc tính toán bằng công thức trên từ các đại lượng đo riêng rẽ. Ngoài ra, hệ số hàm nhiệt thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ bề mặt vật liệu khi cường độ dòng nhiệt đi qua bề mặt thay đổi. Hệ số hàm nhiệt của vật liệu càng thấp thì nhiệt độ bề mặt càng nhạy cảm với sự thay đổi của dòng nhiệt tại bề mặt. 3. Đặc tính năng lượng của công trình: 3.1 Hệ số tổn thất nhiệt theo thể tích: Lưu lượng dòng nhiệt từ công trình chia cho tích số thể tích và chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên trong và bên ngoài: Ghi chú: Lưu lượng dòng nhiệt có thể bao gồm:các tác động truyền nhiệt qua vỏ bao che của công trình, hệ thống thông gió, bức xạ mặt trời, v.v...Trong đó đại lượng thể tích V phải được xác định. Khi áp dụng hệ số tổn thất nhiệt theo thể tích chấp nhận các định nghĩa về nhiệt độ bên trong, nhiệt độ bên ngoài, thể tích và các tác động nhiệt khác gây ra lưu lượng dòng nhiệt . FV W/(m3.K) 3.2 Hệ số tổn thất nhiệt theo diện tích: Lưu lượng dòng nhiệt từ công trình chia cho tích số diện tích và chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên trong và bên ngoài: GHI CHÚ: LƯU LƯỢNG DÒNG NHIỆT CÓ THỂ BAO GỒM CÁC TÁC ĐỘNG TRUYỀN NHIỆT QUA VỎ BAO CHE CỦA CÔNG TRÌNH, HỆ THỐNG THÔNG GIÓ, BỨC XẠ MẶT TRỜI,V.V...DIỆN TÍCH CÓ THỂ LÀ DIỆN TÍCH VỎ BAO CHE, DIỆN TÍCH SÀN... Khi áp dụng hệ số tổn thất nhiệt theo thể tích chấp nhận các định nghĩa về nhiệt độ bên trong, nhiệt độ bên ngoài, thể tích và các tác động nhiệt khác gây ra lưu lượng dòng nhiệt. FS W/(m 2 .K) 3.3 Bội số trao đổi không khí: Số lần thay đổi không khí trong một thể tích xác định chia cho thời gian: Ghi chú: Đơn vị của bội số trao đổi không khí (h-1) không phải là đơn vị đo trong hệ SI. Tuy vậy, số lần thay đổi không khí trong một giờ nói chung được chấp nhận để thể hiện bội số trao đổi không khí n h -1 4. Ký hiệu và đơn vị đo của các đại lượng khác: 4.1 Nhiệt độ nhiệt động lực T K 4.2 Nhiệt độ bách phân q 0 C 4.3 Chiều dày d M 4.4 Chiều dài l M 4.5 Chiều rộng b M 4.6 Diện tích A m 2 4.7 Thể tích V m 3 4.8 Đường kính D M 4.9 Thời gian t S 4.10 Khối lượng M Kg 4.11 Khối lượng riêng r kg/m3 5. Các ký hiệu phụ: Để tránh nhầm lẫn cần phải sử dụng những ký hiệu phụ hoặc các dấu hiệu nhận biết khác. Trong các trường hợp đó ý nghĩa của chúng cần phải rõ ràng. Những ký hiệu phụ dưới đây khuyến cáo sử dụng: - bên trong (interior). i - bên ngoài (exterior) e - bề mặt (surface) s - mặt trong (interior surface) si - mặt ngoài (exterior surface) se - dẫn truyền (conduction) cd - đối lưu (convection) cv - bức xạ (radiation) r - tiếp xúc (contact) c - không gian khí (không khí) (gas (air) space) g - môi trường xung quanh (ambient) a PHỤ LỤC KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ DẪN NHIỆT A.0. Giới thiệu Để hiểu rõ thêm khái niệm độ dẫn nhiệt khi áp dụng, phụ lục này đưa ra cách giải thích theo toán học chính xác hơn. A.1. Gradian nhiệt (grad T) tại điểm P ĐÂY LÀ MỘT VÉCTƠ THEO HƯỚNG PHÁP TUYẾN N VỚI MẶT ĐẲNG NHIỆT CHỨA ĐIỂM P. ĐỘ LỚN CỦA NÓ BẰNG ĐẠO HÀM CỦA NHIỆT ĐỘ T THEO KHOẢNG CÁCH TỪ P DỌC THEO PHƯƠNG PHÁP TUYẾN N, VÉCTƠ ĐƠN VỊ LÀ EN Từ định nghĩa này có: grad T.en = (1) A.2. Cường độ dòng nhiệt bề mặt, q, ở điểm P (bề mặt có dòng nhiệt được truyền qua) Được xác định như sau: (2) Khi đề cập đến sự trao đổi nhiệt do dẫn nhiệt ở mỗi điểm của vật thể nơi tồn tại sự dẫn nhiệt thì đại lượng q phụ thuộc vào hướng của bề mặt (tức là phụ thuộc vào hướng pháp tuyến ở điểm P tới bề mặt diện tích A) và có thể tìm được hướng pháp tuyến n với bề mặt diện tích An chứa điểm P, nơi mà trị số q có giá trị lớn nhất và được ký hiệu bằng véctơ q: Đối với bề mặt bất kỳ diện tích AS đi qua điểm P, cường độ dòng nhiệt bề mặt q là một thành phần của véc tơ q theo hướng pháp tuyến tới bề mặt đó tại điểm P. Véctơ q được gọi là “mật độ dòng nhiệt” (không phải cường độ dòng nhiệt). Thuật ngữ “dòng nhiệt” và “lưu lượng dòng nhiệt” là cách nói tương đương khi đề cập tới dẫn nhiệt. Bất kỳ khi nào véctơ q không thể xác định được (đối với truyền nhiệt đối lưu và hầu hết các trường hợp truyền nhiệt bức xạ), thì chỉ sử dụng thuật ngữ “lưu lượng dòng nhiệt” và “cường độ dòng nhiệt bề mặt” A.3. Nhiệt trở suất r tại điểm P Đây là đại lượng cho phép tính toán véctơ grad T tại điểm P từ véctơ q tại điểm P bằng định luật Fourier. Trường hợp đơn giản nhất (vật liệu đẳng nhiệt) là khi grad T và q song song và ngược chiều, lúc đó r được xác định ở mỗi điểm như hệ số tỷ lệ giữa các véctơ grad T và q: grad T = - rq (4) Trong trường hợp này r cũng là hệ số tỷ lệ nghịch giữa các thành phần của grad T và q tại cùng một điểm dọc theo hướng s bất kỳ và không phụ thuộc vào hướng s đã chọn. Trong trường hợp chung (vật liệu đẳng hướng hoặc dị hướng), một trong ba thành phần xác định grad T là đại lượng tỷ lệ tuyến tính của các thành phần của véctơ q. Do đó nhiệt trở suất được xác định thông qua tenxơ [ r ] của chín hệ số của các đại lượng tỷ lệ tuyến tính đó theo hệ thức dưới đây : grad T = - [ r ] q (5) Nếu nhiệt trở suất r hoặc [ r ] không đổi theo toạ độ và thời gian, có thể xem nó như là một đặc tính nhiệt ở nhiệt độ đã cho. A.4. Độ dẫn nhiệt l ở điểm P Đây là đại lượng cho phép để tính toán véctơ q tại điểm P từ véctơ grad T tại điểm P, có nghĩa là bằng tích số của độ dẫn nhiệt với nhiệt trở suất bằng một hoặc bằng một đơn vị tenxơ. Nếu q và grad T song song và ngược chiều thì: q = - l grad T (6) l r = 1 Giống như nhiệt trở suất, độ dẫn nhiệt trong hầu hết các trường hợp là một tenxơ [ l ] của chín hệ số của các đại lượng tỷ lệ tuyến tính thuộc các thành phần của grad T mà các hệ số này xác định mỗi thành phần của q theo hệ thức dưới đây: q = - l grad T (7) Như vậy [ l ] có thể được xác định được bằng cách đảo ngược [ r ] và ngược lại. Nếu độ dẫn nhiệt l hoặc [ l ] không đổi theo toạ độ và thời gian, nó có thể được xem như là một đặc tính nhiệt ở nhiệt độ đã cho. Độ dẫn nhiệt có thể là một hàm số của nhiệt độ và của hướng (vật liệu dị hướng). Do đó cần biết mối quan hệ của các thông số này. Hãy xem xét một vật thể có chiều dày d được giới hạn bằng hai mặt phẳng song song và đẳng nhiệt, có nhiệt độ T 1 và T 2 , mỗi mặt có diện tích A. Các mép bên bao quanh các mặt chính của vật thể này được giả thiết là đoạn nhiệt và thẳng góc với chúng. Giả thiết rằng vật thể được tạo bởi vật liệu ổn định, đồng nhất và đẳng hướng (hoặc không đẳng hướng -dị hướng- với một trục đối xứng vuông góc với các mặt chính). Trong điều kiện như vậy các hệ thức dưới đây = đạo hàm từ định luật Fourier trong các trạng thái ổn định sẽ được áp dụng nếu hệ số dẫn nhiệt l hoặc [ l ] , hoặc nhiệt trở suất r hoặc [ r ] không phụ thuộc nhiệt độ: (8) (9) Nếu tất cả các điều kiện trên được đáp ứng (ngoại trừ hệ số dẫn nhiệt l hoặc [ l ] là hàm số tuyến tính của nhiệt độ thì vẫn áp dụng các hệ thức trên nhưng hệ số dẫn nhiệt được tính ở nhiệt độ trung bình Tương tự, nếu một vật thể có chiều dài l được giới hạn bởi hai mặt đẳng nhiệt, hình lăng trụ, đồng trục có nhiệt độ T 1 và T 2 và đường kính D 1 và D 2 tương ứng, và nếu hai đầu của vật thể là các mặt đoạn nhiệt phẳng vuông góc với hình lăng trụ, và các vật liệu là ổn định, đồng nhất và đẳng hướng, thì các hệ thức dưới đây = đạo hàm từ định luật Fourier trong các điều kiện ổn định sẽ được áp dụng nếu độ dẫn nhiệt l hoặc nhiệt trở suất r không phụ thuộc vào nhiệt độ : (10) (11) Trong đó D có thể là đường kính bên ngoài hoặc bên trong hoặc đường kính xác định khác. Nếu tất cả các điều kiện trên đều được đáp ứng ngoại trừ hệ số dẫn nhiệt l là một hàm số tuyến tính của nhiệt độ thì các hệ thức trên vẫn được áp dụng nhưng hệ số dẫn nhiệt được tính theo nhiệt độ trung bình qua biểu thức sau: Tm = Với những giới hạn trên, công thức (8), (10) thường được sử dụng để xác định hệ số dẫn nhiệt của môi trường không trong suốt, đồng nhất từ các đại lượng đã đo được ở nhiệt độ trung bình Tm. Tương tự, công thức (8) và (10) còn thường được dùng để xác định đặc tính nhiệt của các môi trường xốp từ các đại lượng đo được mà đối với chúng quá trình truyền nhiệt tổng hợp bao gồm ba phương thức : bức xạ, dẫn nhiệt và đôi khi cả đối lưu nhiệt. Đặc tính nhiệt đo được đại diện cho tất cả các phương thức truyền nhiệt nêu trên được gọi là độ dẫn nhiệt (đôi khi còn gọi là độ dẫn nhiệt biểu kiến, tương đương hoặc hiệu quả) của môi trường xốp đồng nhất khi nó không phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu đo, tính chất bức xạ nhiệt của các bề mặt giới hạn của mẫu đo và chênh lệch nhiệt độ (T 1 - T 2 ) Khi các điều kiện đó không thoả mãn, nhiệt trở bề mặt phải được sử dụng để biểu thị đặc tính của mẫu đo với các kích thước hình học, chênh lệch nhiệt độ (T 1 -T 2 ) và với độ bức xạ nhiệt đã cho của các mặt bên của mẫu đo.