Процессы теплообмена в ограждающих конструкциях зданий

О строительной теплотехнике и климатологии

Теплозащитные и санитарно-гигиенические качества наружных ограждающих конструкций зданий, а также степень их долговечности зависят в первую очередь от таких факторов, как температура наружного воздуха, его влажность, количество и характер выпадающих осадков, скорость и направление ветра, а также от взаимного сочетания суточных и сезонных изменений этих факторов. Например, в некоторых районах нашей страны возможно сочетание сильного мороза с сильным ветром, большого числа оттепелей в течение холодного периода года с колебаниями температуры наружного воздуха, переходящими через нуль, и др.

Все эти вопросы рассматривает строительная теплотехника, развитие которой в значительной степени зависит от развития знаний в области строительной климатологии. Климатологией называется наука, изучающая условия формирования климата и климатический режим различных стран и района. Отрасль климатологии, изучающая климатические факторы, учитываемые при проектировании зданий и населенных пунктов, называется строительной климатологией.

Особое значение строительная теплотехника в климатология имеют в настоящее время а связи с развитием строительства в Сибири, на Крайнем Севере, на Дальнем Востоке и в республиках Средней Азии, с их климатическими условиями, сильно отличающимися от средних климатических условий европейской части СССР. При проектировании зданий в северных и восточных районах необходимо учитывать влияние на наружные ограждения очень низких температур наружного воздуха, сальных ветров, а на юге — влияние солнечной радиации или повышенной атмосферной важности.

Рационально запроектированные наружные ограждающие конструкции зданий должны удовлетворять следующим теплотехническим требованиям:

• обладать достаточными теплозащитными свойствами, предохраняя помещения от холодов в зимнее время и осенью, и защищать их от перегрева солнцем в летнее время;
• при эксплуатации не иметь на внутренней поверхности слишком низкой температуры во избежание образования на ней конденсата;
• воздухопроницаемость их не должна превосходить допустимого предела, выше которого воздухообмен будет охлаждать помещение;
• сохранять нормальный влажностный режим, учитывая, что увлажненные ограждения ухудшают его теплозащитные свойства и недолговечны.

В соответствии с указанными требованиями к ограждениям в строительной теплотехнике рассматривают следующие основные вопросы: теплопередачу в ограждениях, воздухопроницаемость и влажностное состояние ограждений.

Виды теплообмена

Теплообмен представляет собой совокупность явлений, связанных с распространением тепловой энергии от более нагретых тел к другим. Различают три вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и излучение (радиацию).

Теплопроводностью называют теплообмен между частицами тела, находящимися в соприкосновении Друг с другом. Передача энергии в этом случае происходит в газах в результате столкновения молекул, в твердых диэлектриках — при колебаниях соседних молекул, а в металлах — благодаря тепловому движению электронов.

Конвекция представляет собой процесс распространения тепла в результате механического перемещения частицы вещества газообразной или жидкой среды из одной части пространства в другую.

Передача тепла излучением (радиацией) происходит между телами через пространство. Сущность лучистого теплообмена состоит в том, что часть внутренней энергии тела преобразуется в энергию излучения, которая передается в форме электромагнитных волн. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия поглощается ими в той или иной степени и превращается снова' в тепловую энергию.

На практике обычно один из перечисленных видов теплообмена хотя и_ сопровождается другими, однако настолько преобладает над остальными, что практически рассматривают только этот вид. Так, при передаче тепла через сплошные ограждающие конструкции теплообмен осуществляется главным образом путем теплопроводности. Теплообмен конвекцией и излучением происходит через воздушные прослойки ограждений, а также у их внутренних и наружных поверхностей.

Включающий все виды теплообмена перенос тепла от одной нагретой газообразной среды к другой через разделяющую их стенку (обычно твердую) называется теплопередачей.

Процесс теплообмена между твердой стенкой и обтекающей его газообразной или жидкой средой иногда называют теплоотдачей.

Показатели теплотехнических свойств ограждения

Количество тепла Q, ккал¹, проходящего через плоскую стенку, ограниченную двумя параллельными плоскостями, определяют по формуле

где t_в — температура воздуха с внутренней стороны ограждения; t_н — то же, с наружной стороны; F — площадь ограждения, м²; Z — время передачи тепла, ч, k — коэффициент, зависящий от теплотехнических свойств ограждения и называемый коэффициентом теплопередачи.

Если в формуле (1) принять t_в — t_н = 1°, F = 1 м², Z = 1 ч, то получим Q = k. Следовательно, коэффициент теплопередачи к измеряется количеством тепла в ккал, которое будет проходить в течение 1 ч через 1 м² ограждения при разности температуры воздуха с одной в другой стороны ограждения, равной 1°.

Размерность коэффициента теплопередачи к выражается в ккал/м²·ч·град, что видно из выражения

Если в формуле (1) принять F = 1 м² и Z = 1 ч, то получим тепловой поток q в ккал/м²·ч:

В случае когда вместо температуры воздуха с одной и другой сторон ограждения будет известна температура на поверхности ограждения, формула (1) примет вид

где ?_в — температура внутренней поверхности ограждения; ?_н — то же, наружной; F — площадь ограждения, м²: Z — время передачи тепла, ч; ? — коэффициент теплопроводности материала ограгкдения; ? — толщина ограждения, м.

Когда тепловой поток, проходящий через ограждение, не изменяется во времени (по величине и направлению), то в этом случае тепловой режим называют стационарным.

Коэффициент теплопроводности ? характеризует способность ограждения проводить тепло в условиях стационарного теплового режима. Если из формулы (3) определить ?, то получим

Из формулы (4) видно, что размерность коэффициента теплопроводности ? ккал/град·м·ч.

Величина коэффициента теплопроводности в основном зависит от объемного веса, влажности и природы материала. Чем меньше объемная масса материала и, следовательно, чем больше в нем пор, заполненных воздухом, являющимся плохим проводником тепла, тем меньше и его коэффициент теплопроводности. Однако прямой пропорциональности между объемной массой и теплопроводностью нет, так как на теплопроводность существенно влияют природа материала и характер его структуры.

Заметно влияет на величину коэффициента теплопроводности влажность материала ограждения: с повышением ее резко увеличивается коэффициент теплопроводности. Это объясняется тем, что вода, заполняющая поры материала, имеет коэффициент теплопроводности в 25 раз больший, чем неподвижный воздух.

Влияние температуры материала на изменение коэффициента теплопроводности при ограниченных перепадах температуры (порядка 50—60°) невелико и поэтому в строительной практике обычно не учитывается.

Значения коэффициентов теплопроводности приведены в СНиП II-A. 7—71 для сухих и нормальных условий эксплуатации в зависимости от влажности помещений, а также влажностной характеристики района строительства. Режим помещений в холодное время года может быть сухой, нормальный, влажный или мокрый (см. ниже табл. 10 § 27 гл. 8). Климат района строительства по влажностной характеристике бывает сухой, нормальный или влажный (см. карту гл. СНиП II-A. 7-71).

Условии эксплуатации считаются сухими, если влажностный режим помещения сухой, а климат тоже сухой или даже нормальный, или когда режим помещения нормальный, но климат сухой. В остальных случаях условия эксплуатации считаются нормальными.

Расчетные величины коэффициента теплопроводности следует повышать на 10% для наружных ограждений конструкций, выполняемых из медленно высыхающих материалов (например, стены из золобетона, газозолобетона, бетона с перлитом и т. п.).

При расчетах теплозащитных свойств ограждений удобно пользоваться величиной термического сопротивления, выражаемого через разность температур на одной и из другой поверхностях ограждения, при которой тепловой поток 1 м² ограждения равен 1 ккал/ч.

Термическое сопротивление R однородного ограждения или отдельного слоя многослойного ограждения определяют в град·м²·ч/ккал по формуле

Чем больше величина термического сопротивления, тем лучше теплозащитные свойства ограждения. Из формулы (5) видно, что для увеличения термического сопротивления R необходимо или увеличить толщину ограждения ?, или уменьшить коэффициент теплопроводности К. В целях экономии материалов выгоднее применять такие из них, которые имеют малые коэффициенты теплопроводности. При этом, разумеется, должны быть соблюдены условии необходимой прочности ограждения и необходимые его эксплуатационные качества.

Величину, обратную коэффициенту теплопередачи к, называют сопротивлением теплопередаче R₀ и выражают в град·м·ч/ккал:

При переходе теплового потока через ограждение от внутренней его поверхности к наружной происходит падение температуры, которое вызывается термическим сопротивлением ограждения. При переходе тепла через ограждение температура понижается не только в материале, но и около его поверхностей. Это свидетельствует о наличии сопротивления потоку тепла при переходе от внутреннего воздуха на внутреннюю поверхность ограждения, а также при отдаче тепла от наружной поверхности наружному воздуху.

Первое сопротивление называется сопротивлением тепловосприятию и обозначается буквой R_в, второе — сопротивлением теплоотдаче и обозначается буквой R_н. Сопротивления R_в и Rн иногда объединяют общим названием — сопротивления теплопереходу.

Величину, обратную сопротивлению тепловосприятию R_в, называют коэффициентом тепловосприятия и обозначают буквой ?_в:

Величина, обратная сопротивлению теплоотдаче R_н, называется коэффициентом теплоотдачи и обозначается буквой ?_н:

Размерность ?_в и ?_н — ккал/м²·ч·град.

Величины тепловосприятия и теплоотдачи зависит от излучения, конвекции и геометрической формы поверхностей конструкций. Коэффициенты ?_в и ?_н вычисляют по особым формулам. После определения коэффициентов ?_в и ?_н находят значения R_в и R_н.

Наибольшее влияние на величину коэффициента теплоотдачи оказывает скорость ветра, а на величину коэффициента тепловосприятия — температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения, а также интенсивность излучения поверхностей.

Для практических теплотехнических расчетов принимают значения сопротивлений и коэффициентов теплоперехода, приведенные в табл. 2.

Пример 2. Определить сопротивление теплопередаче кирпично-бетонной стены, изображенной на рис. 11. Кирпич — обыкновенный глиняный, обожженный, шлакобетон с объемным весом 1400 кг/м³, кладка — на тяжелом растворе.

В данной стене материал неоднороден как в направлении параллельном, так и в направлении, перпендикулярном тепловому потоку, поэтому расчет необходимо производить указанным выше образом.
Коэффициенты теплопроводности материалов стены но таблице СНпП принимаем: для кирпичной кладки из обыкновенного глиняного обожженого кирпича на тяжелом растворе ?=0,70, для шлакобетона с объемным весом 1400 кг/м³ ?=0,55.

Плоскостями, параллельными тепловому потоку, разрезаем стену на 3 участка (см. римские цифры на рис. 11). Расчет ведем на полосу стены шириной 1 л в плане и 0,45 м по высоте.

Площади I и III участков: F_I = F_III = 0,065 м².

Термическое сопротивление (град·м²·г/ккал) на этих участках составит

Площадь двух участков II составляет F_II=0,16X2=0,320 м².

Термическое сопротивление на II участке будет равно

По формуле (12) получим


Плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, разрезаем стену на четыре слоя (см. арабские цифры на рис. 11). Определим по формуле (5) термическое сопротивление слоев 1 и 4:

В слоях 2 и 3 определяем для каждого слоя:


По формуле (12) получим


Термическое сопротивление стены по формуле (13) будет равно

Общее сопротивление теплопередаче в град·м²·ч/ккал составит

Расчет температуры в ограждениях

Для выполнения расчетов влажностного режима ограждений, а также для определения возможности образования конденсата на внутренней их поверхности необходимо знать значения температуры как на внутренней поверхности, так и в вертикальной плоскости любого слоя толщины ограждения.

Расчет температуры в ограждении ведут следующим образом. Согласно формуле (2) количество тепла, проходящего в 1 ч через 1 м2 ограждения, равно

По той же формуле количество тепла, проходящего в 1 ч через 1 м² внутренней поверхности, выражают так:

где ?_в — температура внутренней поверхности ограждения.

В стационарных условиях теплопередачи, характеризующихся постоянством во времени величины теплового потока, q=9_в. Следовательно,

отсюда


Количество тепла, проходящего в 1 ч через 1 м² первого слоя ограждения, если температура на внутренней поверхности второго слоя ?₂, будет равно

Поскольку тепловой поток постоянен, имеем q₁=q_?. Следовательно,

Отсюда


Подставив значение ?_в в формулу (14), будем иметь

По аналогии температура на внутренней поверхности любого n-го слоя будет равна

Последнюю формулу можно выразить следующим образом:

где ?R — сумма термических сопротивлений всех предыдущих слоев (считая от внутренней поверхности).

При расчете температуры в многослойных ограждениях задачу проще решить графически. Для этого (рис. 12) задаются масштабом температур, размещая его по вертикали. На горизонтальной оси откладывают последовательно в масштабе все термические сопротивления ограждения, начиная с R_в и кончая R_н, так, чтобы сумма всех отрезков изображала в том же масштабе величину сопротивления теплопередаче R₀.

Через полученные на горизонтальной оси точки проводят вертикальные линии. На крайних вертикалях откладывают в принятом масштабе слева t_в вверх и справа t_н вниз от горизонтальной оси, проходящей через 0°, и получают точки А а В, которые соединяют прямой.

Точки пересечения этой прямой с соответствующими вертикальными линиями определяют отрезки, выражающие величины температур на границах слоев ограждения. Определенные графическим способом величины температур переносят на чертеж конструкции ограждения, выполненный в линейном масштабе. и соединяют прямыми точки, соответствующие температурам на границах слоев. В результате получают ломаную линию перепада температур в самой конструкции ограждения. Наклон этой линии будет больший в слоях из малотеплопроводного материала, и наоборот. Такой график наглядно характеризует теплоизоляционные свойства того или иного слоя ограждения.

Теплоустойчивость ограждений

При рассмотрении вопроса о теплопередаче предполагалось, что тепловой поток, проходящий через ограждение, является стационарным, т. е. что величина его не изменяется во времени. Но такой тепловой поток может быть лишь в том случае, если температуры наружного и внутреннего воздуха также не изменяются во времени.

В действительности как наружная, так и внутренняя температура испытывают колебания в течение суток, не говоря уже о более длительных периодах.

Вследствие периодических изменений температуры воздуха к ограждениям необходимо предъявлять дополнительные теплотехнические требования помимо установленных для условий стационарного теплового потока. Эти требования сводятся к тому, чтобы обеспечить минимальные колебания температуры на внутренней поверхности ограждений в целях поддержания комфортных условий в помещениях, а также во избежание образования конденсата водяных паров на поверхности конструкций.

Колебания температуры на внутренней поверхности ограждения зависят не только от колебаний температуры внутреннего и наружного воздуха, но и от теплотехнических свойств самого ограждении. Те ограждения, которые обеспечивают меньшие колебания температуры на внутренней поверхности, называют более теплоустойчивыми.

Таким образом, под теплоустойчивостью ограждения понимают его свойство обеспечивать относительное постоянство температуры на внутренней поверхности при колебании величины теплового потока, проходящего через ограждение.

Одним из важнейших факторов, влияющих на теплоустойчивость ограждения, является теплоусвоение его поверхности. Если ограждение состоит из однородного материала, то теплоусвоение его поверхности, воспринимающей тепловой поток, измеряют коэффициентом теплоусвоения материала, который обозначается буквой s, и измеряют в ккал·м²·ч·град.

Коэффициент теплоусвоения представляет собой максимальное изменение амплитуды колебаний потока тепла (в ккал), отнесенное к единице поверхности (м²) ограждения и единице времени (ч), которое вызвано нагреванием или остыванием слоев конструкции при периодических колебаниях температуры ее поверхности с амплитудой 1°.

Коэффициент теплоусвоения связан с изменениями температуры поверхности конструкции, а отнюдь не количеством тепла, аккумулируемым последней.

Значения коэффициентов теплоусвоения материала s согласно СНиП II-A. 7—71 определяют в ккал/м²·ч·град для периода колебаний 24 ч по формуле

где ? — коэффициент теплопроводности материала; с — удельная теплоемкость материала в состоянии естественной влажности, определяемая в ккал/кг·град по формуле

где с_о — теплоемкость сухого материала; W — весовая влажность, %. (В СНиПе весовая влажность обозначена буквой w).

Величины с_о и W (W_A a W_Б) следует принимать по табл. приложения 1 книги; ? — объемная масса материала (кг/м³), определяемая по формуле

где ?_о — объемная масса материала в сухом состоянии.

Колебания температуры на одной из поверхностей ограждения (например на наружной, воспринимающей колебания температуры наружного воздуха) вызывают колебания температуры внутри ограждения. По мере удаления от наружной поверхности амплитуда колебаний температуры в толще ограждении будет постепенно уменьшаться, т. е. затухать. Амплитудой колебании температуры А_? называют величины максимального повышения или понижения температуры от ее среднего значения при колебаниях теплового потока.

Схематически график затухающих колебаний температуры в ограждении изображен на рис. 13, а.

Сплошная прямая линия ?_н ?_в показывает изменение температуры в ограждении. Пунктирные линии выше и ниже этой прямой обозначают границы колебаний температуры.

Расстояния по вертикали от любой точки пунктирной линии до средней сплошной линии выражают амплитуды колебаний температуры, которые по мере удаления от наружной поверхности все время уменьшаются.

Помимо уменьшения амплитуд колебания температуры, эти колебания запаздывают еще во времени по мере удаления от поверхности, воспринимающей колебание температур. Например, в тот момент, когда на наружной поверхности в точке 1 температура достигла минимума, в тот же момент в точке .2 она равна средней температуре, в точке 3 в это же время температура будет максимальной, а в точке 4 минимальной, соответствующей предыдущему минимуму температуры на наружной поверхности. Следовательно, в точке 4 происходит отставание колебаний температуры на целый период колебаний теплового потока.

Каждому моменту времени будет соответствовать своя волнообразная кривая распределения температуры в слоях ограждения, сдвинутая по отношению к предыдущей кривой.

Расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами называют длиной температурной волны l.

Теоретически определено, что число температурных волн d, укладывающихся по толщине однородного ограждения, составляет

Мерой интенсивности затухания температурных колебаний, выражаемой числом температурных волн, располагающихся в ограждении, принята так называемая характеристика тепловой инерции, обозначаемая буквой D, причем тепловой инерцией ограждения называют его свойство сохранять или медленно изменять распределение температуры внутри конструкции.

Характеристика тепловой инерции выражает число условных температурных волн, длина которых составляет 1/8,85 от длины натуральных температурных волн. Поэтому число условных волн в 8,85 раза больше, чем натуральных (рис. 13,6), и для однородного ограждения оно равно

Для многослойных ограждений характеристику тепловой инерции вычисляют как сумму характеристик тепловой инерции отдельных слоев, т. е.

Так как R имеет размерность м²·ч·град/ккал, а s измеряется в ккал/м²·ч·град, то характеристика тепловой инерции является величиной безразмерной.

Чем больше условных температурных волн размещается в пределах толщины ограждения, тем меньшие температурные колебания будут на внутренней поверхности ограждения, поскольку амплитуда колебаний с каждой последующей волной уменьшается. Поэтому количество условных температурных волн, размещающихся в толще ограждения, может служить критерием для оценки степени затухания температурных колебаний и, следовательно, в известной мере для оценки теплоустойчивости ограждения.

Определение требуемой величины сопротивления теплопередаче

Для определения требуемой величины R_о^тр преобразуем формулу (14):

Разность t_в—?_н называют внутренним температурным перепадом и обозначают ?t; разность t_в—t_н называют общим температурным перепадом и обозначают ?Т. Если в выражение (23) подставить эти обозначения, то получим

откуда


Сопротивление теплопередаче R_о выбирают с учетом того требования, чтобы количество тепла, теряемое зданием через ограждения в отопительный сезон года, было ограничено и чтобы температура на внутренней поверхности ограждения не вызывала конденсации паров на этой поверхности и, следовательно, излишнего охлаждения тела человека.

Указанные требования удовлетворяются, если будет ограничен температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения. Такое ограничение температурного перепада и положено в основу нормирования R_о.

Значения максимально допустимых величин температурного перепада для помещений различного назначения приведены в табл. 4.

где ?_в' — температура внутренней поверхности ограждения в местах более теплопроводных включений, имеющих прямоугольное сечение; t_в — расчетная температура внутреннего воздуха; t_н — то же, наружного; R_о' — сопротивление теплопередаче ограждения в месте более теплопроводного включения, определяемое по (формуле (10); R_о — сопротивление ограждения теплопередаче при отсутствии в нем более теплопроводного включения, определяемое по формуле (10); R_в — сопротивление тепловосприятию; ? — коэффициент, зависящий от отношения размера а поперечного сечения включения, измеренного параллельно поверхности ограждения, к полной толщине ограждения ? (рис. 14) и принимаемый по табл. 5.

Вычисленная по формуле (27) температура ?_в' должна быть выше точки росы внутреннего воздуха (о точке росы см. в § 27).

Утепление наружных углов. На внутренней поверхности стен около наружных углов температура обычно ниже, чем на внутренней поверхности глади стены (примерно на 3—4°, а в облегченных стенах и еще более). Это понижение температуры объясняется тем, что в наружном углу площадь теплоотдачи всегда больше площади тепловосприятия, тогда как на гладкой поверхности стены эти площади одинаковы. Кроме того, коэффициент тепловоспрпятия ?_в в наружном углу уменьшается вследствие меньшей интенсивности в нем конвекции и уменьшения количества тепла, получаемого углом излучения. В связи с уменьшением ?_в увеличивается R_в, что в свою очередь понижает температуру внутренней поверхности угла ?_у [см. формулу (14)].

Понижение температуры в наружных углах может вызвать промерзание их. Поэтому в тонких стенах наружные углы рекомендуется утеплять, утолщая их с внутренней стороны. Ширина скашивающей плоскости должна быть 250—400 мм. Более эффективным мероприятием для повышения температуры па внутренней поверхности наружного угла является обогрев его путем установки в углу разводящего стояка центрального отопления.

Расчет ограждающих конструкций при их периодическом прогреве в летних условиях

При проектировании наружных ограждающих конструкций зданий, возводимых в южных районах, необходимо делать теплотехнический расчет для летних условий с целью защиты помещений зданий от перегрева. К южным районам относятся территории с июльской среднемесячной температурой дня 20° и выше. При недостаточной защите от перегрева температура воздуха в помещениях здания может повыситься настолько, что создаются тяжелые условия для пребывания в. них людей. Особенно неблагополучными в этом отношении являются здания с легкими ограждающими конструкциями, обладающими малой теплоустойчивостью.

Причиной чрезмерного перегрева зданий в летнее время является воздействие на них высокой температуры наружного воздуха и солнечного облучения (инсоляции).

Лучистая энергия Солнца, которую воспринимает облучаемая поверхность, называется солнечной радиацией. В строительной теплотехнике интенсивность солнечной радиации измеряют количеством килокалорий тепла, приходящимся на 1 м² поверхности в 1 ч. (В физике и метеорологии солнечную радиацию измеряют в грамм-калориях на 1 см² в 1 мин.)

Поверхности ограждения могут подвергаться воздействию прямой и рассеянной солнечной радиации. Прямой солнечной радиацией называется лучистая энергия, поступающая на ограждение непосредственно от Солнца в виде параллельных лучей. Рассеянной называется поступающая на ограждение часть солнечной радиации, рассеянной земной атмосферой и облаками.

Максимум солнечной радиации зависит от ориентации ограждения по отношению к сторонам света, причем максимум летней температуры наружного воздуха наблюдается около 15 ч. В общем, оба эти максимума могут не совпадать во времени.

Воздействие солнечной радиации на наружную поверхность ограждения является периодическим с периодом времени Z=24 ч. Солнечная радиация вызывает периодические колебания температуры на наружной поверхности ограждения, которые в свою очередь порождают колебания температуры и на внутренней поверхности ограждения. Суточные изменения температуры наружного воздуха также являются периодическими. Чем меньше колеблется температура на внутренней поверхности ограждения при колебаниях температуры наружного воздуха (которые зависят от колебаний теплового потока), тем медленнее будет повышаться летом температура воздуха в помещении при нагревании солнечными лучами наружной поверхности ограждения.

Установлено, что периодические суточные колебания тепловых потоков и температур близки к гармоническим, протекая по закону синусоиды. Величина максимального повышения или понижения величины теплового потока против его среднего значения A_q называется амплитудой колебания теплового потока.

Величину максимального повышения или понижения температуры на наружной поверхности ограждения против ее среднего значения называют амплитудой колебания температуры поверхности ограждения А_?.

Величина A_? зависит от амплитуды колебания теплового потока А_q, периода этих колебаний Z и теплотехнических свойств ограждений конструкции и входящих в ее состав материалов. Наиболее важным из таких свойств является теплоусвоение поверхностью ограждения, подвергающейся воздействию периодически изменяющегося теплового потока.

Отношение величины амплитуды колебания теплового потока А_q к величине амплитуды колебания температуры на наружной поверхности ограждения А_? называют коэффициентом теплоусвоения наружной поверхности ограждения ккал/м²·ч·град и обозначают буквой У:

Если из выражения (28) определить A_?, то получим А_?—А_q:У. Отсюда видно, что чем больше будет коэффициент теплоусвоения наружной поверхности ограждения У при одной и той же величине A_q, тем меньше будет амплитуда колебания температуры А_? на наружной поверхности.

На величину коэффициента теплоусвоения поверхности ограждения У оказывает влияние только та часть ограждения, в которой размещается первая температурная волна, где амплитуда колебания температуры значительна. Далее, в глубине ограждения амплитуды колебания настолько малы, что практически они почти не влияют на коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения.

Ту часть ограждения, в которой располагается первая условная температурная волна, называют слоем резких колебаний. Так как число волн выражается величиной D, то для слоя резких колебаний D—Rs=1.

При определении коэффициента теплоусвоения поверхности ограждения У сначала необходимо определить, где находится граница слоя резких колебаний температуры. Если этот слой заканчивается в пределах первого слоя ограждения, т. е. когда D₁=R_1S1то У₁=s.

В тех случаях, когда слон резких колебаний температуры заканчивается в пределах второго слоя, т. е. D₁=R_1S11+D₂=R_1S1+R_2S2?1, тогда

где R₁ — термическое сопротивление первого слоя; s₁ — коэффициент теплоусвоения материала первого слоя; s₂ — то же, второго слоя.

Если первый слой ограждения имеет ?D

где ?_в — коэффициент тепловоснриятия.

Теплотехнический расчет ограждения при периодическом прогреве в летних условиях сводится к определению величины амплитуды колебания температуры на его внутренней поверхности A_?.

Этот расчет необходим только для наружных стен и покрытий жилых и общественных зданий (детских яслей-садов, поликлиник, больниц), в которых по условиям функционального процесса требуется поддерживать определенную температуру и относительную влажность воздуха, в зданиях, находящихся в районах со среднемесячной температурой за июль 20° и выше. В тех случаях, когда характеристика тепловой инерции наружных стен D>4, а для покрытий D>5, теплотехнический расчет их при перегреве в летних условиях вести не требуется.

Амплитуду колебания температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции при расчете прогрева ее в летних условиях определяют в °С по формуле

где А_tн^усл — расчетная амплитуда колебания температуры наружного воздуха с учетом солнечной радиации, определяемая по формуле

где J_макс, J_ср — соответственно максимальное и среднее суточное значения суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) за июль, падающей на наружную поверхность рассматриваемой ограждающей конструкции, принимаемые по СНиП II-A.6—72; ? — коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по приложению 3 настои-щей книги; A_tн — максимальная амплитуда колебания температуры наружного воздуха в июле, принимаемая по главе СНиП II-А.6—72; v — величина затухания колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей конструкции, определяемая по формуле (33).

Для стен в расчете следует принимать значения солнечной радиации, указанные в СНиП II-A. 6—72 для вертикальных поверхностей западной ориентации.

Под затуханием температурных колебаний v наружного воздуха в толще ограждения понимают отношение начальной (большей) амплитуды суточного колебания температуры наружного воздуха (с учетом солнечной радиаций) к затухшей (меньшей) амплитуде колебания температуры внутренней поверхности:

где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; ?D — характеристика тепловой инерции всего ограждения; n — число слоев в ограждении; s₁, s₂, s₃, ..., s_n — коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждения; У₁, У₂, ..., У_n — коэффициенты теплоусвоения поверхностей слоев, воспринимающих поступающую тепловую волну; ?_в, ?_н — коэффициенты теплоперехода на внутренней и наружной поверхности ограждения.

При расчете по формуле (33) слои нумеруют от внутренней поверхности к наружной, т. е. против движения тепловой волны.

Последний сомножитель формулы (33) (?_в+У_n)/?_н показывает величину затухания при переходе тепловой волны от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения.

В частном случае дли однослойной ограждающей конструкции формула (33) будет иметь вид

Значения коэффициента теплоотдачи ?_н определяют для наружных стен но формуле

для покрытий из выражения


где v — расчетная летняя скорость ветра, м/сек, равная наименьшей средней скорости из восьми румбов за июль, повторяемость которых составляет 16% и более, но не менее 1 м/сек (см. СНиП II-A.6—72).

Если для какого-либо слоя характеристика тепловой инерции D=Rs>1,0, то У=s.

Для облегчения расчетов по формуле (33) значения величин

приведены в табл. 6.

Амплитуда колебаний температуры в °С на внутренней поверхности ограждающей конструкции А?_в, вычисленная по формуле А?_в=A_tн^усл/v, не должна быть больше допускаемой, определяемой по формуле

где t_н — расчетная дневная среднемесячная температура наружного воздуха за июль, принимаемая по СНиП II-A.6—72.

Пример 4. Рассчитать на воздействие солнечной радиации трехслойную крупнопанельную наружную стену жилого дома, состоящую из двух железобетонных плит толщиной по 0,03 м с утеплителем между ними из минераловатных плит толщиной 0,11 м. Местоположение здания — г. Саратов.

Вычисляем по формуле (5) термические сопротивления конструктивных слоев, по формулам (17), (18) и (19) — величины коэффициентов теплоусвоения материала слоев s, по формуле (22)—значения характеристики тепловой инерции слоев и по формулам (29) и (30) — величины коэффициентов теплоусвоения поверхностей слоев У.

Результаты вычислений сводим в табл. 7.

Затем определяем по формуле (33) величину затухания колебания температуры наружного воздуха v в ограждении:

причем ?_н вычисляем по формуле (35): ?_н=5+10?v, где скорость ветра v определяем по СНиП II-A.6—72. Подставив эту величину, получим:

По формуле (31) определяем амплитуду колебания температуры на внутренней поверхности ограждения: А?_в=А_tн^усл, причем А_tн^усл вычисляем по формуле (32).

Величины J_макс и J_ср находим по СНиП 1I-A.6—72 для 51-й географической широты (г. Саратов):

J_макс — J_ср = 735—281 = 454; по табл. приложения 3 имеем ? = 0,6.

По табл. 2 (стр. 89) СНиП II-A.6—72 определяем величину А?_н=20,4°. Таким образом,

Следовательно, фактическая амплитуда колебаний на внутренней поверхности ограждения А?_н=1,6° не превышает величину нормируемой амплитуды, равной 2,29°.

Расчет ограждений на воздухопроницаемость

При возникновении у наружной и внутренней поверхностей ограждения некоторой разности давлений воздуха он начинает перемещаться через ограждение в сторону с меньшим давлением. Это явление навивают сквозной фильтрацией, свойство же материалов и ограждений пропускать через себя воздух называют их воздухопроницаемостью.

Сквозную фильтрацию через ограждение называют инфильтрацией, если воздушный поток направлен ив наружного пространства в помещение, и эксфилътрацией, когда поток движется из помещения наружу.

Разность давлений воздуха с одной и другой стороны ограждения может возникнуть или вследствие разности его температур (тепловой напор), или под влиянием ветра (ветровой напор). Разность давлений ?р выражают в мм вод. ст., что численно равно давлению в кг/м².

Воздухопроницаемость ограждения из-за наличия в нем щелей и неплотностей далеко не всегда соответствует воздухопроницаемости материалов, из которых оно сделано. Необходимо отметить, что воздухопроницаемость, например, кирпичных стен толщиной в 1? и 2? кирпича примерно одинакова, так как сопротивление прониканию воздуха создается в основном наружными слоями кладки с более тщательным заполнением швов раствором, сопротивление же средней части кладки (забутовки) ничтожно.

Наличие штукатурки резко снижает воздухопроницаемость стен. Так, кирпичная стена, оштукатуренная с двух сторон, имеет воздухопроницаемость в 40 раз меньшую, чем неоштукатуренная. Небольшую воздухопроницаемость ограждений с санитарно-гигиенической точки зрения принято рассматривать как положительный фактор, создающий в помещениях естественный воздухообмен. Однако по теплотехническим соображениям чрезмерная воздухопроницаемость ограждения крайне нежелательна, так как в зимнее время она вызывает дополнительные теплопоте-ри и охлаждает помещения.

Для оценки степени воздухопроницаемости ограждения определяют величину его сопротивления воздухопроницанию R_он в м²·ч·мм вод. ст.·ч/кг по формуле

R_он1, R_он2, ..., R_{он n} — сопротивления воздухопроницанию отдельных слоев ограждения, принимаемые по табл. 8.

Сопротивление воздухопроницанию наружных ограждающих конструкций R_он должно быть равно или больше требуемого сопротивления воздухопроницанию R^тр_он, определяемого по формуле

где ? — коэффициент, принимаемый по табл. 9; ?р — расчетная разность давлений воздуха у наружной и внутренней поверхностей ограждающих конструкций для нижнего этажа, определяемая в мм вод. ст. по формуле

где Н — высота здания, м; ?_н, ?_в — объемный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха в кг/м³, определяемый по формуле

где t — расчетные температуры внутреннего воздуха или наружного, равные температуре наиболее холодной пятидневки; ? — коэффициент, учитывающий несовпадение во времени принятых в расчете скорости ветра и температуры наружного воздуха, принимаемый 0,6 для европейской части территории СССР, расположенной севернее 52° с. ш. Для остальных районов СССР величина коэффициента ? указана в СНиП II-A.7—71 (п. 4, 2, стр. 13); v — скорость ветра, м/сек, которую принимают по данным СНиП II-A. 6—72.

Для зимних условий v равно максимальной скорости из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более. Для летних условий принимают минимальную из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16% и более, но не менее 1 м/сек.

Скорость ветра v принимают не менее 5 м/сек и не менее 8 м/сек для I подзоны Северной строительно-климатической зоны.

На воздухопроницаемость не требуется рассчитывать также наружные стены, у которых сопротивление воздухопроницанию R_он?20, либо когда приток воздуха через ограждение q

Приток воздуха через ограждение G определяют в кг/м²·ч по формуле

где ?р — расчетная разность давления между наружной и внутренней поверхностями ограждения, определяемая по формуле (40); R_он — сопротивление воздухопроницанию наружных ограждающих конструкций, определяемое по формуле (38).

Сопротивление воздухопроницанию R_он слоев, отделяющих в наружных стенах замкнутую воздушную прослойку от наружного воздуха, должно быть предусмотрено в проекте не менее 0,4.

Воздухопроницаемость ограждений в значительной степени зависит от качества работ, достигаемого при их выполнении. Известны случаи, когда кирпичные стены, конструктивное решение которых теоретически удовлетворяло требованиям в отношении предельной воздухопроницаемости, фактически имели повышенную продуваемость. Объясняется это тем, что поперечные вертикальные швы кладки в этих случаях заполнялись раствором неполностью или же не были заполнены зазоры по периметру сопряжения оконных блоков с кладкой стены.

Примечания

1. Единицы измерения тепла приняты в ккал согласно СНиП II-A. 7—71 издании 1973 г.

2. Расчетные зимние температуры наружного воздуха для различных пунктов СССР приведены в СНиП II-A. 6—72; гл. «Строительная климатология и геофизика».