열질량

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건물 설계에서 열질량은 열을 저장할 수 있는 건물 질량의 특성으로, 온도 변동에 대한 "관성"을 제공합니다.열 플라이휠 ^[1]효과라고도 합니다.예를 들어, 외부 온도가 하루 종일 변동할 때, 집의 단열 부분 내의 큰 열 질량은 주변의 온도가 질량보다 높을 때 열에너지를 흡수하고 열 에너지가 다시 공급될 것이기 때문에 매일의 온도 변동을 "평탄화"시키는 역할을 할 수 있습니다.주변 환경이 열평형에 도달하지 않고 더 시원하다.이는 건물의 열 전도율을 떨어뜨려 외부와 상대적으로 독립적으로 가열 또는 냉각할 수 있고 심지어 거주자의 열에너지를 더 오래 유지할 수 있는 단열재 값과 구별됩니다.

과학적으로 열질량은 열용량 또는 열용량과 맞먹습니다. 열용량은 열 에너지를 저장하는 물체의 능력입니다.일반적으로 기호_th C로 나타내며 SI 단위는 J/°C 또는 J/K(등가)입니다.열질량은 수역, 기계 또는 기계 부품, 생물, 또는 공학 또는 생물학의 다른 구조물이나 신체에도 사용될 수 있다.이러한 상황에서는 일반적으로 "열 용량"이라는 용어가 사용됩니다.

배경

열 에너지와 열 질량의 관련 방정식은 다음과 같습니다.

${\displaystyle Q=C_{\mathrm {th}}\Delta T,}$

여기서 Q는 전달되는 열 에너지, C는_th 물체의 열 질량, δT는 온도 변화입니다.

예를 들어, 열량이 38.46J/°C인 구리 기어에 250J의 열에너지를 더하면 온도가 6.50°C 상승합니다.차체가 충분히 알려진 물리적 특성을 가진 균질한 물질로 구성된 경우, 열 질량은 단순히 현재 물질의 질량에 해당 물질의 비열 용량을 곱한 값입니다.많은 물질로 만들어진 신체의 경우, 순수 구성요소에 대한 열 용량의 합계를 계산에 사용할 수 있으며, 일부 경우(예를 들어 전체 동물의 경우) 해당 신체 전체에 대해 직접 그 수를 측정할 수 있다.

광범위한 특성으로서, 열 용량은 물체의 특성이다. 이에 대응하는 강도 높은 특성은 질량이나 몰 수와 같은 물질의 양 측정 단위로 표현되는 특정 열 용량이다. 물질 본체 전체의 열 용량을 제공하기 위해 유사한 단위를 곱해야 한다.$따라서$ 열용량은 체질량 m의 곱과 물질에 대한 비열용량 c 또는 존재하는 분자의 몰 수와 몰 $비열용량{\displaystyle \stackrel{}{}}$ $c의$곱으로 동등하게 계산할 수 있다$.$ 열 에너지 $저장능력$에 대한 논의를 위해비열 용량에 영향을 미치는 요인을 참조하십시오.

균일한 구성의 본체의 경우 C ${\displaystyle {\mathrm{t}}_{}}$ h$${\$displaystyle C_{\mathrm {th}}}$은(는) 다음과 같이 근사할 수 있습니다.

${\displaystyle C_{\mathrm {th}}=mc_{\mathrm {p}}}$

$여기$서$$m {\$displaystyle$ m$}$은 신체 질량이고 ${\displaystyle {c\mathrm{}}_{}}$ $p{\displaystyle {}_{}}$ ${\$는 해당 물질의 온도 범위에서 평균된 등압 비열 용량입니다.수많은 다른 재료로 구성된 차체의 경우, 다른 구성 요소의 열 질량을 합산할 수 있습니다.

건물의 열량

서멀 매스는 겨울뿐만 아니라 여름에도 이러한 유형의 일교차가 발생하는 모든 장소에서 건물의 쾌적성을 향상시키는 데 효과적입니다.열 질량은 잘 사용하고 수동형 태양열 설계와 결합하면 능동 난방 및 냉방 시스템의 에너지 사용을 크게 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있다.열질량을 가진 재료를 사용하는 것이 낮과 밤의 실외 온도 차이가 큰 경우(또는 야간 온도가 온도 조절기 ^[2]설정 지점보다 10도 이상 낮은 경우)에 가장 유리합니다.중량 및 경량이라는 용어는 열질량 전략이 다른 건물을 설명하는 데 자주 사용되며, 이후 계산에 사용된 수치 요인의 선택에 영향을 미쳐 난방 및 냉방에 대한 열 반응을 기술한다.빌딩 서비스 엔지니어링에서 동적 시뮬레이션 계산 모델링 소프트웨어를 사용하면 다양한 구조를 가진 건물 내 및 다양한 연간 기후 데이터 세트에 대한 환경 성능을 정확하게 계산할 수 있습니다.이를 통해 설계자 또는 엔지니어는 기계적 난방 또는 냉방 시스템의 에너지 소비를 줄이거나 심지어 그러한 시스템의 필요성을 완전히 제거하면서 단열 수준뿐만 아니라 중량 및 경량 구조 간의 관계를 자세히 살펴볼 수 있습니다.

양호한 열질량에 필요한 특성

열질량에 이상적인 재료는 다음과 같은 재료입니다.

• 높은 비열 용량,
• 고밀도

질량을 가진 고체, 액체 또는 기체는 어느 정도의 열량을 가집니다.일반적인 오해는 콘크리트나 흙만이 열량을 가지고 있다는 것이다; 심지어 공기도 열량을 가지고 있다.

건축 자재에 대한 부피 열 용량 표를 사용할 ^[3]수 있지만, 열 질량에 대한 정의는 약간 다릅니다.

다양한 기후에서의 열질량 사용

열질량의 올바른 사용 및 적용은 해당 지역의 일반적인 기후에 따라 달라집니다.

온대 및 냉대 기후

태양 노출 열질량

열질량은 이상적으로 건물 내에 배치되며, 여전히 낮은 각도의 겨울 햇빛(창문)에 노출될 수 있지만 열 손실로부터 보호됩니다.여름에는 구조물의 과열을 방지하기 위해 동일한 열량을 더 높은 각도의 여름 햇빛으로부터 가려야 합니다.

열량은 태양에 의해 수동적으로 또는 낮에 내부 난방 시스템에 의해 추가로 따뜻해집니다.덩어리에 저장된 열에너지는 밤에 다시 내부로 방출된다.수동 태양 설계의 표준 원리와 함께 사용하는 것이 필수적이다.

모든 형태의 열질량을 사용할 수 있습니다.콘크리트 슬래브 기초는 노출되거나 타일 등의 전도성 재료로 덮여 있는 것이 하나의 쉬운 해결책입니다.또 다른 참신한 방법은 목조건축 주택의 외관을 내부에 배치하는 것이다('역벽돌 베니어').이 경우 열 질량은 큰 부피나 두께보다는 넓은 영역에 적용하는 것이 가장 좋습니다. 7.5-10cm(3µ-4º)가 종종 적절합니다.

열에너지의 가장 중요한 원천은 태양이기 때문에 열질량에 대한 유리의 비율은 고려해야 할 중요한 요소입니다.이를 ^[4]결정하기 위해 다양한 공식들이 고안되었다.일반적으로 태양 노출 열 질량은 총 바닥 면적의 7%를 초과하는 태양 방향(남반구는 북향 또는 북반구는 남향)의 모든 영역에 6:1에서 8:1의 비율로 적용해야 한다.예를 들어, 20m의² 햇빛을 바라보는 유리가 있는² 200m 주택은 총 바닥 면적으로 10%의 유리를 가진다. 그 중 6m는² 추가적인 열 질량이 필요하다.따라서 위의 6:1 대 8:1 비율을 사용하면 태양 노출 열 질량의 36-48m가² 추가로 필요하다.정확한 요건은 기후에 따라 다르다.

여름철 과열을 제한하기 위한 열량

열질량은 직사광선으로부터 보호되지만 건물 거주자에게 노출되는 건물 내에 배치하는 것이 이상적입니다.따라서 콘크리트 바닥 슬래브는 자연환기 또는 저에너지 기계환기 건물의 견고한 콘크리트 바닥 슬래브와 가장 일반적으로 관련되어 있으며, 콘크리트 바닥 슬래브는 점유된 공간에 노출되어 있습니다.

낮에는 태양, 건물 거주자 및 모든 전기 조명 및 장비에서 열이 발생하므로 공간 내 공기 온도가 증가하지만, 이 열은 위의 노출된 콘크리트 슬래브에 흡수되므로 공간 내 온도 상승이 인간의 온열 쾌적함을 위해 허용 가능한 수준 이내로 제한됩니다.또한 콘크리트 슬래브의 낮은 표면 온도도 탑승자로부터 직접 복사열을 흡수하므로 탑승자의 열 쾌적함에도 도움이 됩니다.

하루가 끝날 무렵에는 슬래브가 차례로 따뜻해졌고, 이제 외부 온도가 낮아지면 열을 방출하고 슬래브를 식혀 다음 날 시작할 준비를 할 수 있습니다.그러나 이러한 "재생" 프로세스는 건물 환기 시스템이 슬라브에서 열을 제거하기 위해 야간에 작동하는 경우에만 효과적입니다.자연 환기가 되는 건물에서는 이 프로세스를 자동으로 용이하게 하기 위해 창문을 자동으로 여는 것이 일반적입니다.

덥고 건조한 기후(사막 등)

이것은 전형적인 열질량 사용법입니다.예를 들어 어도비, 흙을 박은 집, 석회암 블록 집 등이 있습니다.이 기능은 현저한 주간 온도 변화에 크게 좌우됩니다.벽은 주로 낮 동안 외부로부터 내부로의 열 전달을 지연시키는 역할을 합니다.높은 부피 열용량과 두께로 인해 열에너지가 내부 표면에 도달하는 것을 방지합니다.밤에 온도가 떨어지면, 벽은 열 에너지를 밤하늘로 다시 방사합니다.이 응용 프로그램에서는 내부로의 열 전달을 방지하기 위해 이러한 벽이 매우 큰 것이 중요합니다.

고온 다습 기후(예: 아열대 및 열대)

밤 온도가 계속 상승하는 이 환경에서는 열량을 사용하는 것이 가장 어렵습니다.주로 임시 히트 싱크로 사용됩니다.다만, 과열을 막기 위해서는 전략적으로 배치해 둘 필요가 있습니다.태양 이득에 직접 노출되지 않는 영역에 배치해야 하며, 또한 내부 온도를 더 이상 상승시키지 않고 저장된 에너지를 운반할 수 있도록 밤에 적절한 환기를 허용해야 한다.만약 조금이라도 사용한다면, 그것은 적절한 양으로 사용되어야 하며, 또 다시 큰 두께로 사용해서는 안 된다.

열질량에 일반적으로 사용되는 재료

• 물: 물은 일반적으로 사용되는 모든 물질 중 가장 큰 부피 열 용량을 가집니다.일반적으로 아크릴 튜브와 같은 대형 용기에 담겨 직사광선이 비치는 곳에 보관됩니다.또한 토양과 같은 다른 유형의 물질을 포화시켜 열 용량을 증가시키는 데 사용될 수 있습니다.
• 콘크리트, 점토 벽돌 및 기타 형태의 석공: 콘크리트의 열전도율은 구성 및 경화 기술에 따라 달라집니다.돌이 있는 콘크리트는 회분, 펄라이트, 섬유 및 기타 단열성 골재를 포함한 콘크리트보다 열전도성이 높다.콘크리트의 열질량 특성은 연질 목재에 ^[5]비해 연간 에너지 비용을 5~8% 절감합니다.
• 절연 콘크리트 패널은 열질량 계수를 제공하기 위해 콘크리트 내부층으로 구성됩니다.이것은 기존의 발포 단열재로 외부와 절연된 후 다시 콘크리트 외부 층으로 덮여 있습니다.그 효과는 매우 효율적인 건물 단열 외피입니다.
• 단열 콘크리트 형태는 일반적으로 건물 구조물에 열량을 제공하기 위해 사용됩니다.단열 콘크리트 형태는 콘크리트의 비열 용량과 질량을 제공한다.질량이 양쪽에 절연되어 있기 때문에 구조물의 열관성이 매우 높습니다.
• 점토 벽돌, 어도비 벽돌 또는 진흙 벽돌: 벽돌과 어도비를 참조하십시오.
• 흙, 진흙, 소드: 흙의 열 용량은 흙의 밀도, 수분 함량, 입자 모양, 온도 및 조성에 따라 달라집니다.네브라스카에 초기 정착민들은 나무, 돌, 그리고 다른 건축 자재가 부족했기 때문에 흙과 잔디로 된 두꺼운 벽으로 집을 지었다.벽의 극단적인 두께는 약간의 단열재를 제공했지만, 주로 낮에는 열에너지를 흡수하고 밤에는 열을 방출하는 열 덩어리로 작용했다.요즘 사람들은 가끔 같은 효과를 위해 집 주변에 흙을 덮는 것을 사용한다.흙막이에서 열 덩어리는 건물의 벽뿐만 아니라 건물과 물리적으로 접촉하는 주변 흙에서 나옵니다.이는 인접한 벽을 통과하는 열 흐름을 감소시키는 상당히 일정한 온도를 제공합니다.
• 다진 흙: 다진 흙은 높은 밀도와 높은 비열 용량으로 인해 우수한 열량을 제공합니다.
• 천연 암석: 석공학을 참고하세요.
• 통나무는 집의 외부와 내부, 벽을 만들기 위한 건축 재료로 사용됩니다.통나무집은 단단한 목재는 적당한 R값(단열재)과 상당한 열량을 가지고 있기 때문에 위에 열거된 다른 건축 자재와 다릅니다.반면 물,^[6] 흙, 바위 및 콘크리트는 모두 R-값이 낮습니다.이 열 덩어리는 통나무가 추운 날씨에는 열을 더 잘 유지하고 더운 날씨에는 더 시원한 온도를 더 잘 유지할 수 있도록 해줍니다.
• 상변화 재료

계절 에너지 저장소

충분한 질량을 사용하면 계절적 이점을 창출할 수 있습니다.즉, 겨울에는 덥고 여름에는 시원할 수 있다.이를 패시브 연간 열 저장 또는 PAHS라고 부르기도 합니다.PAHS 시스템은 콜로라도의 7000피트 높이와 ^{[citation needed]}몬태나의 많은 가정에서 성공적으로 사용되고 있습니다.New Mexico의 Earthships는 PAHS/STES를 최대 산출하는 기초 벽에 재생 타이어를 사용할 뿐만 아니라 수동 난방 및 냉방을 사용합니다.그것은 또한 영국에서 Hockerton Housing Project에서 성공적으로 사용되어 왔다.

「 」를 참조해 주세요.

• 어스십
• 흙벽
• 비열 용량
• 열에너지 스토리지
• 트롬베 벽

레퍼런스