तापीय द्रव्यमान

इमारत के डिजाइन में, थर्मल द्रव्यमान एक इमारत के द्रव्यमान का एक गुण है जो इसे गर्मी को स्टोर करने और तापमान में उतार-चढ़ाव के खिलाफ थर्मल जड़ता प्रदान करने में सक्षम बनाता है। इसे कभी-कभी थर्मल फ्लाईव्हील प्रभाव के रूप में जाना जाता है। ऊर्जा कुशल भवनों को बनाने के लिए भारी संरचनात्मक तत्वों के थर्मल द्रव्यमान को निर्माण के हल्के थर्मल प्रतिरोध घटकों के साथ काम करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।

उदाहरण के लिए, जब बाहर के तापमान में दिन भर उतार-चढ़ाव होता रहता है, तो घर के इंसुलेटेड हिस्से के भीतर एक बड़ा थर्मल मास दैनिक तापमान में उतार-चढ़ाव को समतल करने का काम कर सकता है, क्योंकि थर्मल मास थर्मल ऊर्जा को अवशोषित कर लेगा, जब आसपास के तापमान की तुलना में तापमान अधिक होगा। द्रव्यमान, और ऊष्मीय ऊर्जा वापस दें जब परिवेश ठंडा हो, बिना तापीय संतुलन तक पहुंचे। यह एक सामग्री के थर्मल इन्सुलेशन मूल्य से अलग है, जो एक इमारत की तापीय चालकता को कम करता है, जिससे इसे बाहर से अपेक्षाकृत अलग से गर्म या ठंडा किया जा सकता है, या यहां तक ​​​​कि रहने वालों की तापीय ऊर्जा को लंबे समय तक बनाए रखा जा सकता है।

वैज्ञानिक रूप से, थर्मल मास थर्मल रेज़िज़टेंस या गर्मी क्षमता के बराबर है, थर्मल ऊर्जा को स्टोर करने के लिए शरीर की क्षमता। इसे आमतौर पर प्रतीक सी द्वारा संदर्भित किया जाता हैth, और इसकी SI इकाई J/°C या J/K (जो समतुल्य हैं) है। थर्मल द्रव्यमान का उपयोग पानी, मशीनों या मशीन के पुर्जों, जीवित चीजों, या किसी अन्य संरचना या इंजीनियरिंग या जीव विज्ञान में शरीर के लिए भी किया जा सकता है। उन संदर्भों में, ताप क्षमता शब्द का आमतौर पर इसके बजाय उपयोग किया जाता है।

पृष्ठभूमि
ऊष्मीय ऊर्जा का तापीय द्रव्यमान से संबंधित समीकरण है:
 * $$Q = C_\mathrm{th} \Delta T\,$$

जहां क्यू स्थानांतरित थर्मल ऊर्जा है, सीth शरीर का ऊष्मीय द्रव्यमान है, और ΔT तापमान में परिवर्तन है।

उदाहरण के लिए, यदि 38.46 J/°C के तापीय द्रव्यमान वाले तांबे के गियर में 250 J ऊष्मा ऊर्जा जोड़ी जाती है, तो इसका तापमान 6.50 °C बढ़ जाएगा। यदि शरीर में पर्याप्त रूप से ज्ञात भौतिक गुणों के साथ एक सजातीय सामग्री होती है, तो थर्मल द्रव्यमान उस सामग्री की विशिष्ट ताप क्षमता के वर्तमान समय में सामग्री का द्रव्यमान होता है। कई सामग्रियों से बने निकायों के लिए, उनके शुद्ध घटकों के लिए ताप क्षमता का योग गणना में इस्तेमाल किया जा सकता है, या कुछ मामलों में (उदाहरण के लिए पूरे जानवर के लिए) संख्या को पूरे शरीर के लिए प्रश्न में मापा जा सकता है, सीधे।

एक व्यापक संपत्ति के रूप में, ताप क्षमता किसी वस्तु की विशेषता है; इसकी संबंधित गहन संपत्ति विशिष्ट ताप क्षमता है, जो द्रव्यमान या मोल्स की संख्या जैसी सामग्री की मात्रा के माप के रूप में व्यक्त की जाती है, जिसे सामग्री के पूरे शरीर की ताप क्षमता देने के लिए समान इकाइयों से गुणा किया जाना चाहिए। इस प्रकार ऊष्मा क्षमता की गणना शरीर के द्रव्यमान m के उत्पाद और सामग्री के लिए विशिष्ट ताप क्षमता c के उत्पाद के रूप में की जा सकती है, या मौजूद अणुओं के मोल (इकाई) की संख्या और दाढ़ की विशिष्ट ताप क्षमता के उत्पाद के रूप में की जा सकती है। $$\bar c$$. शुद्ध पदार्थों की तापीय ऊर्जा भंडारण क्षमता अलग-अलग क्यों होती है, इसकी चर्चा के लिए, ऊष्मा क्षमता # विशिष्ट ताप क्षमता को प्रभावित करने वाले कारक देखें।

एकसमान संरचना वाले निकाय के लिए, $$C_\mathrm{th}$$ द्वारा अनुमानित किया जा सकता है
 * $$C_\mathrm{th} = m c_\mathrm{p}$$

कहाँ $$m$$ शरीर का द्रव्यमान है और $$c_\mathrm{p}$$ विचाराधीन तापमान सीमा पर औसत सामग्री की आइसोबैरिक विशिष्ट ताप क्षमता है। कई अलग-अलग सामग्रियों से बने पिंडों के लिए, विभिन्न घटकों के थर्मल द्रव्यमान को एक साथ जोड़ा जा सकता है।

इमारतों में थर्मल द्रव्यमान
थर्मल द्रव्यमान किसी भी स्थान पर इमारत के आराम को बेहतर बनाने में प्रभावी है जो इस प्रकार के दैनिक तापमान में उतार-चढ़ाव का अनुभव करता है - दोनों सर्दियों में और साथ ही गर्मियों में। जब अच्छी तरह से उपयोग किया जाता है और निष्क्रिय सौर डिजाइन के साथ जोड़ा जाता है, तो थर्मल द्रव्यमान एचवीएसी में ऊर्जा के उपयोग में बड़ी कमी लाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। तापीय द्रव्यमान वाली सामग्रियों का उपयोग सबसे अधिक फायदेमंद होता है जहां दिन से रात के बाहरी तापमान में बड़ा अंतर होता है (या, जहां रात का तापमान थर्मोस्टैट सेट बिंदु से कम से कम 10 डिग्री ठंडा होता है)। भारी-वजन और हल्के-वजन वाले शब्दों का उपयोग अक्सर विभिन्न थर्मल द्रव्यमान रणनीतियों वाली इमारतों का वर्णन करने के लिए किया जाता है, और हीटिंग और कूलिंग के लिए उनकी थर्मल प्रतिक्रिया का वर्णन करने के लिए बाद की गणनाओं में उपयोग किए जाने वाले संख्यात्मक कारकों की पसंद को प्रभावित करता है। बिल्डिंग सर्विसेज इंजीनियरिंग में, डायनेमिक सिमुलेशन कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग सॉफ़्टवेयर के उपयोग ने विभिन्न निर्माणों के साथ और विभिन्न वार्षिक जलवायु डेटा सेटों के लिए इमारतों के भीतर पर्यावरणीय प्रदर्शन की सटीक गणना की अनुमति दी है। यह आर्किटेक्ट या इंजीनियर को एचवीएसी के लिए ऊर्जा खपत को कम करने, या पूरी तरह से ऐसी प्रणालियों की आवश्यकता को दूर करने में भारी वजन और हल्के वजन के निर्माण, साथ ही इन्सुलेशन स्तरों के बीच संबंधों का विस्तार से पता लगाने की अनुमति देता है।

अच्छे तापीय द्रव्यमान के लिए आवश्यक गुण
थर्मल द्रव्यमान के लिए आदर्श सामग्री वे सामग्रियां हैं जिनमें: द्रव्यमान वाले किसी भी ठोस, तरल या गैस में कुछ तापीय द्रव्यमान होगा। एक आम ग़लतफ़हमी यह है कि केवल ठोस या मिट्टी की मिट्टी में तापीय द्रव्यमान होता है; यहाँ तक कि हवा में भी ऊष्मीय द्रव्यमान होता है (हालाँकि बहुत कम)।
 * उच्च विशिष्ट ताप क्षमता,
 * उच्च घनत्व

निर्माण सामग्री के लिए वॉल्यूमेट्रिक ताप क्षमता की एक तालिका उपलब्ध है, लेकिन ध्यान दें कि तापीय द्रव्यमान की उनकी परिभाषा थोड़ी अलग है।

विभिन्न जलवायु में तापीय द्रव्यमान का प्रयोग
ऊष्मीय द्रव्यमान का सही उपयोग और अनुप्रयोग एक जिले में प्रचलित जलवायु पर निर्भर करता है।

सौर-उजागर तापीय द्रव्यमान
थर्मल द्रव्यमान आदर्श रूप से इमारत के भीतर रखा जाता है और स्थित होता है जहां यह अभी भी कम कोण वाली सर्दियों की धूप (खिड़कियों के माध्यम से) के संपर्क में आ सकता है लेकिन गर्मी के नुकसान से अछूता रहता है। गर्मियों में संरचना के अति ताप को रोकने के लिए एक ही थर्मल द्रव्यमान को उच्च-कोण ग्रीष्मकालीन सूरज की रोशनी से अस्पष्ट किया जाना चाहिए।

तापीय द्रव्यमान को निष्क्रिय रूप से सूर्य द्वारा या इसके अतिरिक्त दिन के दौरान आंतरिक ताप प्रणालियों द्वारा गर्म किया जाता है। द्रव्यमान में संग्रहीत ऊष्मीय ऊर्जा रात के दौरान वापस आंतरिक भाग में छोड़ी जाती है। यह आवश्यक है कि इसका उपयोग निष्क्रिय सौर डिजाइन के मानक सिद्धांतों के संयोजन में किया जाए।

तापीय द्रव्यमान के किसी भी रूप का उपयोग किया जा सकता है। एक कंक्रीट स्लैब नींव या तो खुला छोड़ दिया या प्रवाहकीय सामग्री के साथ कवर किया गया, उदा। टाइल्स, एक आसान उपाय है। एक और नई विधि लकड़ी के फ्रेम वाले घर के चिनाई के मुखौटे को अंदर ('रिवर्स-ईंट लिबास') में रखना है। इस स्थिति में ऊष्मीय द्रव्यमान बड़ी मात्रा या मोटाई के बजाय एक बड़े क्षेत्र पर सबसे अच्छा लगाया जाता है। 7.5–10 सेमी (3″–4″) अक्सर पर्याप्त होता है।

चूंकि तापीय ऊर्जा का सबसे महत्वपूर्ण स्रोत सूर्य है, ग्लेज़िंग से तापीय द्रव्यमान का अनुपात विचार करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। इसे निर्धारित करने के लिए विभिन्न सूत्र तैयार किए गए हैं। एक सामान्य नियम के रूप में, अतिरिक्त सौर-उजागर थर्मल द्रव्यमान को 6: 1 से 8: 1 के अनुपात में सूर्य के किसी भी क्षेत्र के लिए (दक्षिणी गोलार्ध में उत्तर की ओर या उत्तरी गोलार्ध में दक्षिण की ओर) ग्लेज़िंग के लिए लागू करने की आवश्यकता होती है। कुल तल क्षेत्र का 7%। उदाहरण के लिए, 200 मी2 20 मीटर वाला घर2 सूर्यमुखी ग्लेजिंग में कुल फ्लोर एरिया के अनुसार ग्लेजिंग का 10% है; 6 मीटरउस ग्लेज़िंग के 2 को अतिरिक्त तापीय द्रव्यमान की आवश्यकता होगी। इसलिए, ऊपर दिए गए 6:1 से 8:1 के अनुपात का उपयोग करके, अतिरिक्त 36–48 मी2 सौर-उजागर तापीय द्रव्यमान की आवश्यकता है। सटीक आवश्यकताएं जलवायु से जलवायु में भिन्न होती हैं।



गर्मी के समय में अधिक गर्मी को सीमित करने के लिए थर्मल मास
थर्मल द्रव्यमान आदर्श रूप से एक इमारत के भीतर रखा जाता है जहां इसे सीधे सौर लाभ से बचाया जाता है लेकिन भवन में रहने वालों के संपर्क में आता है। इसलिए यह आमतौर पर प्राकृतिक रूप से हवादार या कम ऊर्जा वाले यांत्रिक रूप से हवादार इमारतों में ठोस कंक्रीट के फर्श के स्लैब से जुड़ा होता है, जहां कंक्रीट के सोफिट को कब्जे वाले स्थान के संपर्क में छोड़ दिया जाता है।

दिन के दौरान सूर्य से गर्मी प्राप्त होती है, भवन के रहने वालों, और किसी भी विद्युत प्रकाश व्यवस्था और उपकरण से, जिससे अंतरिक्ष के भीतर हवा का तापमान बढ़ जाता है, लेकिन यह गर्मी ऊपर उजागर कंक्रीट स्लैब द्वारा अवशोषित हो जाती है, इस प्रकार तापमान में वृद्धि सीमित हो जाती है। अंतरिक्ष के भीतर मानव थर्मल आराम के लिए स्वीकार्य स्तर के भीतर होना चाहिए। इसके अलावा कंक्रीट स्लैब की निचली सतह का तापमान भी सीधे रहने वालों से उज्ज्वल गर्मी को अवशोषित करता है, जिससे उनके थर्मल आराम को भी फायदा होता है।

दिन के अंत तक स्लैब गर्म हो गया है, और अब, जैसे बाहरी तापमान में कमी आती है, गर्मी को छोड़ा जा सकता है और स्लैब ठंडा हो जाता है, अगले दिन की शुरुआत के लिए तैयार होता है। हालांकि यह पुनर्जनन प्रक्रिया तभी प्रभावी होती है जब स्लैब से गर्मी दूर करने के लिए रात में बिल्डिंग वेंटिलेशन सिस्टम संचालित किया जाता है। स्वाभाविक रूप से हवादार इमारतों में इस प्रक्रिया को स्वचालित रूप से सुविधाजनक बनाने के लिए स्वचालित विंडो ओपनिंग प्रदान करना सामान्य है।

गर्म, शुष्क जलवायु (जैसे रेगिस्तान)
यह ऊष्मीय द्रव्यमान का शास्त्रीय उपयोग है। उदाहरणों में शामिल हैं एडोब, धरती से टकराना, या चूना पत्थर  ब्लॉक हाउस। इसका कार्य चिह्नित दैनिक तापमान भिन्नताओं पर अत्यधिक निर्भर है। दीवार मुख्य रूप से दिन के दौरान बाहरी से आंतरिक तक गर्मी हस्तांतरण को धीमा करने का काम करती है। उच्च आयतन ताप क्षमता और मोटाई तापीय ऊर्जा को आंतरिक सतह तक पहुँचने से रोकती है। जब रात में तापमान गिरता है, तो दीवारें ऊष्मीय ऊर्जा को रात के आकाश में वापस विकीर्ण कर देती हैं। इस एप्लिकेशन में इंटीरियर में गर्मी हस्तांतरण को रोकने के लिए ऐसी दीवारों को बड़े पैमाने पर होना महत्वपूर्ण है।

गर्म आर्द्र जलवायु (जैसे उपोष्णकटिबंधीय और उष्णकटिबंधीय)
थर्मल मास का उपयोग इस वातावरण में सबसे चुनौतीपूर्ण है जहां रात का तापमान ऊंचा बना रहता है। इसका उपयोग मुख्य रूप से एक अस्थायी हीट सिंक के रूप में होता है। हालांकि, अति ताप को रोकने के लिए इसे रणनीतिक रूप से स्थित होना चाहिए। इसे ऐसे क्षेत्र में रखा जाना चाहिए जो सीधे सौर लाभ के संपर्क में न हो और रात में पर्याप्त वेंटिलेशन (वास्तुकला)  की अनुमति देता है ताकि आंतरिक तापमान को और बढ़ाए बिना संग्रहीत ऊर्जा को दूर किया जा सके। अगर इस्तेमाल ही करना है तो इसका इस्तेमाल विवेकपूर्ण मात्रा में किया जाना चाहिए और फिर से बड़ी मोटाई में नहीं।

आमतौर पर तापीय द्रव्यमान के लिए प्रयुक्त सामग्री

 * पानी: पानी में आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली सभी सामग्री की उच्चतम मात्रा में ऊष्मा क्षमता होती है। आमतौर पर, इसे बड़े कंटेनर (कंटेनरों), ऐक्रेलिक राल ट्यूबों में रखा जाता है, उदाहरण के लिए, सीधे धूप वाले क्षेत्र में। इसका उपयोग गर्मी क्षमता बढ़ाने के लिए मिट्टी जैसे अन्य प्रकार की सामग्री को संतृप्त करने के लिए भी किया जा सकता है।
 * ठोस, मिट्टी की ईंटें और चिनाई के अन्य रूप: कंक्रीट की तापीय चालकता इसकी संरचना और इलाज की तकनीक पर निर्भर करती है। राख, पेर्लाइट, फाइबर और अन्य इन्सुलेट समुच्चय वाले कंक्रीट की तुलना में पत्थरों के साथ कंक्रीट अधिक तापीय प्रवाहकीय होते हैं। सॉफ्टवुड लंबर की तुलना में कंक्रीट के थर्मल द्रव्यमान गुण वार्षिक ऊर्जा लागत में 5-8% की बचत करते हैं।
 * इंसुलेटेड कंक्रीट पैनल में थर्मल मास फैक्टर प्रदान करने के लिए कंक्रीट की एक आंतरिक परत होती है। यह एक पारंपरिक फोम इन्सुलेशन द्वारा बाहर से इन्सुलेट किया जाता है और फिर कंक्रीट की बाहरी परत के साथ फिर से कवर किया जाता है। प्रभाव एक अत्यधिक कुशल भवन इन्सुलेशन लिफाफा है।
 * इन्सुलेट ठोस रूप का उपयोग आमतौर पर भवन संरचनाओं को थर्मल द्रव्यमान और इन्सुलेशन दोनों प्रदान करने के लिए किया जाता है। ठोस द्रव्यमान अच्छी तापीय जड़ता के लिए आवश्यक विशिष्ट ताप क्षमता प्रदान करता है। प्रपत्र के किनारे या आंतरिक सतहों पर बनाई गई इन्सुलेट परतें अच्छा थर्मल प्रतिरोध प्रदान करती हैं।
 * मिट्टी की ईंट, कच्ची ईंट या मिट्टी की ईंट: ईंट और ईंट देखें।
 * पृथ्वी, मिट्टी और सोड: गंदगी | गंदगी की गर्मी क्षमता इसकी घनत्व, नमी सामग्री, कण आकार, तापमान और संरचना पर निर्भर करती है। नेब्रास्का के शुरुआती निवासियों ने गंदगी और घास से बनी मोटी दीवारों वाले घरों का निर्माण किया क्योंकि लकड़ी, पत्थर और अन्य निर्माण सामग्री दुर्लभ थी। दीवारों की अत्यधिक मोटाई कुछ इन्सुलेशन प्रदान करती है, लेकिन मुख्य रूप से थर्मल द्रव्यमान के रूप में कार्य करती है, दिन के दौरान थर्मल ऊर्जा को अवशोषित करती है और रात के दौरान इसे जारी करती है। आजकल, लोग कभी-कभी उसी प्रभाव के लिए अपने घरों के आसपास मिट्टी के आश्रय का उपयोग करते हैं। पृथ्वी आश्रय में, तापीय द्रव्यमान न केवल भवन की दीवारों से आता है, बल्कि आसपास की पृथ्वी से भी आता है जो भवन के साथ भौतिक संपर्क में है। यह काफी स्थिर, मध्यम तापमान प्रदान करता है जो आसन्न दीवार के माध्यम से गर्मी के प्रवाह को कम करता है।
 * रेमेड अर्थ: रैम्ड अर्थ अपने उच्च घनत्व और इसके निर्माण में उपयोग की जाने वाली मिट्टी की उच्च विशिष्ट ताप क्षमता के कारण उत्कृष्ट तापीय द्रव्यमान प्रदान करता है।
 * प्राकृतिक चट्टान और पत्थर: पत्थर की चिनाई देखें।
 * घरों की बाहरी, और शायद आंतरिक, दीवारों को बनाने के लिए लॉग का उपयोग भवन निर्माण सामग्री के रूप में किया जाता है। लॉग हाउस ऊपर सूचीबद्ध कुछ अन्य निर्माण सामग्री से भिन्न होते हैं क्योंकि ठोस लकड़ी में मध्यम आर-मूल्य (इन्सुलेशन) और महत्वपूर्ण तापीय द्रव्यमान दोनों होते हैं। इसके विपरीत, जल, पृथ्वी, चट्टानें और कंक्रीट सभी का आर-मान कम है। यह ऊष्मीय द्रव्यमान एक लॉग होम को ठंड के मौसम में बेहतर गर्मी रखने और गर्म मौसम में अपने कूलर तापमान को बेहतर बनाए रखने की अनुमति देता है।
 * चरण-परिवर्तन सामग्री

मौसमी ऊर्जा भंडारण
यदि पर्याप्त द्रव्यमान का उपयोग किया जाता है तो यह मौसमी लाभ पैदा कर सकता है। यानी यह सर्दियों में गर्म और गर्मियों में ठंडा हो सकता है। इसे कभी-कभी मौसमी तापीय ऊर्जा भंडारण या PAHS कहा जाता है। PAHS सिस्टम को कोलोराडो में 7000 फ़ीट और मोंटाना में कई घरों में सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। भूपोत  पैसिव हीटिंग और कूलिंग के साथ-साथ नींव की दीवार के लिए पुनर्नवीनीकरण टायरों का उपयोग करके अधिकतम PAHS/STES का उपयोग करता है। यूके में हॉकर्टन हाउसिंग प्रोजेक्ट में भी इसका सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।

यह भी देखें

 * अर्थशिप
 * धरती से टकराना
 * विशिष्ट गर्मी की क्षमता
 * थर्मल ऊर्जा भंडारण
 * ट्रोम्बे की दीवार