Строительная теплофизика

СТРОИТЕЛЬНАЯ
ТЕПЛОФИЗИКА

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

А.А. КУДИНОВ

Рекомендовано 
в качестве учебного пособия для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлению 
подготовки 08.03.01 «Строительство»

УДК 69:53:721.01
ББК 31.31
 
К88

Кудинов А.А. 
Строительная теплофизика : учебное пособие / А.А. Кудинов. 
— Москва : ИНФРА-М, 2021. — 262 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-005158-1 (print)
ISBN 978-5-16-103379-1 (online)

Рассмотрены основы теории переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и радиацией, а также тепло- и массообмена при 
фазовых превращениях. Изложена теория подобия процессов конвективного теплообмена и теплопередачи, теплового и гидромеханического расчетов теплообменных аппаратов рекуперативного типа. 
Представлены инженерные методы расчета процессов передачи теплоты, диффузии водяного пара и воздухопроницаемости через ограждения, теплового режима помещений, теплоустойчивости и теплозащиты ограждающих конструкций здания.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».
УДК 69:53:721.01
ББК 31.31

К88

© Кудинов А.А., 2013
ISBN 978-5-16-005158-1 (print)
ISBN 978-5-16-103379-1 (online)

Р е ц е н з е н т ы:
зав. кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Саратовского государственного технического университета, д-р техн. 
наук, профессор Ю.Я. Печенегов;
зав. кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» Самарского 
государственного архитектурно-строительного университета, канд. 
техн. наук, доцент Н.П. Тюрин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов строи
тельных вузов и факультетов, обучающихся по специальности 290700 
«Теплогазоснабжение и вентиляция» (направление 653500 «Строительство») в соответствии с содержанием дисциплины «Строительная 
теплофизика» (60 ч занятий, включая лекции, практические занятия и 
курсовое проектирование). Курс «Строительная теплофизика» является базовым в системе подготовки специалистов указанного профиля.

Содержание учебного пособия изложено в 12 главах и включает в 

себя следующие основные разделы теории тепло- и массообмена 
применительно к ограждающим конструкциям и помещениям зданий:
теплопроводность при стационарном и нестационарном режимах; 
конвективный теплообмен; тепловое излучение; теплоотдача при конденсации пара и кипении жидкости; теория и расчет теплообменных 
аппаратов; теплопередача через наружные ограждающие конструкции зданий; влажностный режим наружных ограждений; воздушный 
и тепловой режимы помещений здания.

Предлагаемое читателю учебное пособие написано в соответст
вии с курсом «Строительная теплофизика» и может быть использовано студентами также при изучении курса «Тепломассообмен» и ряда 
специальных дисциплин, таких как «Теплогенерирующие установки», «Отопление», «Вентиляция», «Теплоснабжение».

Особое внимание уделено влажностному режиму наружных ог
раждений и тепловому режиму помещений здания. Эти задачи имеют 
в настоящее время непосредственные инженерные приложения, что 
обусловлено массовым строительством современных энергоэффективных зданий с повышенными теплозащитными свойствами наружных ограждений на основе высокоэффективных теплоизоляционных 
материалов и изделий.

Отдельная глава посвящена теплотехническому расчету ограж
дающих конструкций зданий, где изложен материал для определения 
состава, объема и последовательности выполнения курсовой работы 
по дисциплине «Строительная теплофизика». Приводятся подробные 
указания по выполнению расчетов, содержатся основные рекомендации по оформлению расчетно-пояснительной записки и графической 
части курсовой работы. В приложениях представлены необходимые 
для выполнения расчетов справочные материалы.

Для достижения компактности изложения материала книги при 

3

выводе уравнений тепло- и массообмена и доказательстве законов и 
теорем статики и динамики жидкостей используются общие формы законов и теорем механики, математики и технической термодинамики.

Предполагается, что студент изучил курсы физики, теоретиче
ской механики и математики, знаком с основами математического 
анализа, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и термодинамики.

Настоящее издание разработано на кафедре «Гидравлика и теп
лотехника»
Самарского 
государственного 
архитектурно
строительного университета и, по мнению автора, дополняет фундаментальные учебники В.Н. Богословского «Строительная теплофизика» (1982), К.Ф. Фокина «Строительная теплотехника ограждающих 
частей зданий» (1973), В.М. Ильинского «Строительная теплофизика» (1974). 

Автор будет весьма благодарен за критические замечания и по
желания, которые возникнут у читателя. Отзывы и пожелания просим 
направлять по адресу: 127282, Москва, Полярная ул., 31В, стр.1, ООО 
«Издательство ИНФРА-М».  

4

ВВЕДЕНИЕ

В строительной теплофизике изучаются процессы теплопередачи 

и воздухопроницания через ограждающие конструкции зданий, а 
также влажностного режима ограждающих конструкций, связанного 
с процессами теплопередачи.

Знание строительной теплофизики необходимо инженерам
строителям для рационального проектирования наружных ограждающих конструкций зданий. Особенно большое значение имеет знание процессов теплопередачи и влажностного режима для современного строительства, когда широко применяются сборные облегченные многослойные конструкции из новых эффективных материалов.

С переходом к новому виду высотной, многоэтажной застройки 

создаются и совершенствуются конструкции элементов сборных зданий, используются новые теплоизоляционные, облицовочные и конструктивные материалы с разнообразными физическими свойствами.

Здания и строительные сооружения подвержены наиболее слож
ным физическим воздействиям. Процессы тепло- и массообмена в 
помещениях зданий и ограждающих конструкциях связаны с действием наружных климатических условий, а также с работой систем 
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Поэтому ясное представление о процессах, происходящих в ог
раждениях при теплопередаче, и умение пользоваться соответствующими расчетами дают возможность проектировщику обеспечить требуемые теплотехнические качества наружных ограждающих конструкций.

Климат нашей планеты и Российской Федерации исключительно 

разнообразен. В Якутии расположен полюс обжитых районов Земли, 
где температура понижается до –71 °С при среднегодовой температуре 
– 17 °С. (Полюс абсолютного холода Земли расположен в районе станции Восток в Российском секторе Антарктиды. Здесь температура понижается до –87,6 °С при среднегодовом ее значении около –50 °С). В 
Узбекистане (г. Термез) температура повышается до +48 °С при среднегодовой температуре +18 °С. Во многих пунктах побережья Ледовитого океана отопительный период продолжается весь год, в то время как в отдельных районах Средней Азии и Кавказа он продолжается менее трех месяцев, например в Батуми, Гагре –75 дней. Но в жарких районах необходимо защищать здания от перегрева солнечной 
радиацией и обеспечивать искусственное охлаждение помещений в 

5

течение продолжительного жаркого периода года.

Теплоснабжение является одной из основных отраслей энергети
ки Российской Федерации. На теплоснабжение промышленных и 
коммунально-бытовых объектов расходуется 
3
/1
всех используемых 

в стране первичных топливно-энергетических ресурсов. Отмечается 
постоянное повышение стоимости топлива, возрастает дальность его 
транспортировки. Поэтому в настоящее время основной задачей в области строительства является проектирование зданий и сооружений с 
эффективным использованием тепловой энергии, а также модернизация существующего фонда зданий в целях ее экономии.

6

Глава 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ЗАКОН ФУРЬЕ

Понятие теплопроводности охватывает процесс распространения 

теплоты путем непосредственного соприкосновения между частицами тела. При этом в газах перенос энергии (теплоты) осуществляется 
путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах – 
диэлектриках – путем упругих волн, в металлах – в основном путем 
диффузии свободных электронов. 

Процесс распространения теплоты вообще и процесс теплопро
водности в частности неразрывно связаны с распределением температуры. Введем определения.

Температурное поле – это совокупность значений температуры 

во всех точках тела в данный момент времени. Математически оно 
описывается уравнением 

t= f(x, y, z, τ).                                           (1.1) 

При этом если температура зависит от времени, то поле называ
ется неустановившимся, в противном случае – установившимся. Температура может изменяться по одной, двум или трем пространственным координатам; в соответствии с этим температурное поле называют одно-, двух или трехмерным. Уравнение одномерного стационарного температурного поля имеет вид 

t = f(x); 
0
∂
/
∂
=

t
; 
0
∂
/
∂

y
t
; 
0
∂
/
∂
=
z
t
. 

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, 

имеющих одинаковую температуру. Изотермические поверхности 
разных температур друг с другом не пересекаются, так как одна и та 
же точка тела не может одновременно иметь различные температуры. 

Изменение температуры в теле наблюдается 
лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (рис. 1.1). При 
этом наиболее резкое изменение температуры происходит в направлении нормали n к 
изотермическим поверхностям.

Температурный градиент. Предел от
ношения изменения температуры  ∆t  к нормали ∆n  называется температурным градиентом qrad t, ○С/м:

n

Рис. 1.1. Изотермы

7

qrad t =









n
t

n
lim

0
→

=
n
t
n ∂

∂

0

,                              (1.2) 

где 
0n  – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхно
сти и направленный в сторону возрастания температуры; 
n
t ∂
/
∂
 – 

производная от температуры по нормали n. 

Градиент температуры qrad t является вектором, направленным по 

нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону возрастания температуры. 
Значение qrad t, взятое с обратным знаком, называется падением температуры. 

Тепловой поток. Тепловая энергия распространяется всегда толь
ко в сторону убывания температуры. Количество переносимой теплоты называется тепловым потоком Q, Дж. Обычно эту величину 
относят к единице времени, с. Тепловой поток в единицу времени
Q, Дж/с (Вт), отнесенный к единице поверхности, называется удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока q, Вт/м2. 
Величина Q (q) является вектором, направленным в сторону убывания температуры, т.е. противоположную qrad t. 

Необходимым условием распространения теплоты является не
равномерность распределения температуры в теле (среде). Таким образом, передача теплоты теплопроводностью возможна только тогда, 
когда градиент температуры не равен нулю в различных точках тела.

Изучая явление теплопроводности в твердых телах, Фурье (1822) 

установил, что вектор плотности теплового потока q, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры: 

q = 

 λ qrad t,  q = –
n
t
n
∂
∂
λ

0

,                                 (1.3) 

где λ  – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м∙К). Знак минус в уравнении (1.3) указывает, что вектор q направлен противоположно вектору qrad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Тепловой поток dQ через произвольно ориентированную эле
ментарную площадку dF равен скалярному произведению вектора q

на вектор элементарной площадки 
dQ
F
d :

=q∙dF, а полный тепловой 

поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F: 

Q = 

F
q∙ dF= –
dF

F
n

t





,                                    (1.4) 

8

где dF – элемент изотермической поверхности, м2.  

Значение Q измеряется в ваттах.
Из уравнений (1.3) и (1.4) следует, что для определения количества 

теплоты, проходящего через какую-либо поверхность твердого тела, 
необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. 
Нахождение температурного поля и является главной задачей теории 
теплопроводности.

1.2. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Коэффициент теплопроводности λ является физическим парамет
ром вещества и характеризует способность вещества проводить теплоту: 

x
t
F

Q
q

Δ
/
Δ
t
qrad
λ






. 

Единицей измерения коэффициента теплопроводности в системе 

СИ является Вт/(м∙К). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через 
единицу поверхности при падении температуры в 1 ○С на единицу 
длины. Для различных веществ λ  различен и для каждого из них зависит от структуры, объемного веса, влажности, давления и температуры, так как при распространении теплоты температура в различных 
частях тела изменяется. На практике важно знать зависимость λ  от 
температуры. Многочисленные опытные данные показывают, что для 
большинства материалов коэффициент теплопроводности λ возрастает при повышении температуры: 

λ = λ0(1+b∙t), 

где  λ0 – значение коэффициента теплопроводности при t = 0 ○C;         
b – постоянная, определяемая опытным путем.

В практических расчетах значение λ  обычно определяется по 

среднеарифметической из граничных значений температуры тела и 
это значение принимается постоянным. При стационарной теплопроводности такая замена законна и единственно правильна для любой 
формы тела.

Рассмотрим зависимость коэффициента теплопроводности λ  от 

температуры и других параметров для различных сред (тел).

1. Газы. Коэффициент теплопроводности λ газов зависит от скоро
сти движения молекул, которая возрастает с увеличением температуры 
и уменьшением массы молекул. С повышением температуры λ  возрас
9

тает. От давления λ практически не зависит, за исключением очень высоких (более 2∙103 ата) и очень низких (менее 20∙10–2 ата). Наибольшей 
теплопроводностью обладает легкий газ – водород Н2. При стандартных условиях (t = 20 °С, р = 101325 Па) λ  водорода ≈ 0,2 Вт/(м∙К). У 
более тяжелых газов λ  меньше: у воздуха λ ≈ 0,025, у диоксида углерода  СО2 λ ≈ 0,02 Вт/(м∙К).

2. Жидкости. Коэффициент теплопроводности λ  капельных 

жидкостей изменяется в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м∙К). С повышением температуры для большинства жидкостей λ  убывает, исключение 
составляют вода и глицерин. Для воды λ сначала возрастает (при 
t = 0 ○С λ = 0,5536 Вт/(м∙К); при t =120 ○С λ= 0,59 Вт/(м∙К)), а 
затем убывает (при t = 370 ○С λ = 0,3387 Вт/(м∙К)).

3. Твердые тела. В металлах теплопроводность обеспечивается в 

основном за счет теплового движения электронов, которые более чем 
в 3000 раз легче молекул самого легкого газа водорода Н2; соответственно, и теплопроводность металлов много выше, чем газов. Наибольшим коэффициентом теплопроводности λ обладают чистые металлы: серебро – 420,5 Вт/(м∙К); медь – 397,12 Вт/(м∙К); золото – 327,04 
Вт/(м∙К); алюминий – 210,24 Вт/(м∙К). Для большинства металлов с 
повышением температуры λ убывает. При наличии примесей λ  чистых металлов резко убывает. Например, для меди со следами мышьяка λ =142,5 Вт/(м∙К). 

4. Коэффициент теплопроводности λ строительных и теплоизоля
ционных материалов находится в пределах 2,8 – 0,02 Вт/(м∙К). Материалы со значением λ ≤ 0,23 Вт/(м∙К) называют теплоизоляционными. 
С повышением температуры λ  возрастает. Коэффициент теплопроводности строительных материалов с бόльшей плотностью (ρ, кг/м3) выше. 
Он зависит также от структуры материала, его пористости и влажности.

Для влажного материала коэффициент теплопроводности λ  зна
чительно выше, чем для сухого и воды в отдельности. Так, например, 
для сухого кирпича λ ≈ 0,3 Вт/(м∙К), для воды λ ≈ 0,55 Вт/(м∙К), а для 
влажного кирпича λ ≈ 0,911 Вт/(м∙К). Это явление требует особого 
внимания при определении λ  и при расчете теплопередачи ограждающих конструкций зданий.

Для сыпучих материалов коэффициент теплопроводности умень
шается с уменьшением объемного веса (плотности ρ, кг/м3) и величины 
их зерен, так как по мере измельчения частиц уменьшается ρ. 

Коэффициент теплопроводности мерзлого материала выше тало
го, но при малых содержаниях льда может образоваться рыхлый 

10