Для проведения теплофизических расчетов ограждающих конструкций зданий необходимо выделять периоды времени ограниченной продолжительности наиболее холодных или жарких видов погоды с наиболее низкой или наиболее высокой температурой. Такие значения температуры называют экстремальными.
При этом расчетные низкие температуры устанавливают как средние для одних или нескольких наиболее холодных суток, наблюдающихся в данной местности с определенной ограниченной повторяемостью. Принято считать, что такая повторяемость наиболее неблагоприятных для человека (находящегося в помещении) значений теплового состояния наружной среды может достаточно характеризовать многолетнюю надежность ограждающих конструкций здания в целях защиты людей от чрезмерного охлаждения. В некоторые очень холодные зимы допускается определенное переохлаждение помещений или поддержание нормальной температуры в них за счет усиленного действия отопительных систем.
Обычно применяемый в проектной практике простейший теплотехнический расчет ограждающих конструкций для холодного периода года производится на основе закономерностей для установившихся условий теплопередачи (температура наружного и внутреннего воздуха принимается неизменной во времени), тогда как в действительных условиях имеют место более сложные процессы неустановившегося охлаждения конструкций. В связи с этим значение температуры наружного воздуха для такого простейшего расчета теплозащитных свойств ограждающих конструкций устанавливается и принимается с учетом времени, необходимого для предельно допустимого охлаждения рассматриваемых конструкций, возможного при крайних и наиболее длительных понижениях зимней температуры в данном географическом пункте.
Отдельные зимы в одной и той же местности отличаются различной степенью суровости.
Значение расчетной температуры, устанавливаемое как среднее из метеорологических данных для восьми наиболее холодных зим за 50-летний период, обеспечивает 8%!-ную повторяемость тепловых состояний более неблагоприятных по сравнению с расчетными, поскольку температуры ниже средних будут иметь место лишь для половины холодных зим.
При проектировании какой-либо ограждающей конструкции за расчетную принимается средняя температура наиболее холодного промежутка времени, в течение которого завершается процесс охлаждения этой конструкции; такое завершение выражается в предельном понижении температуры на поверхности ограждения, обращенной в помещение. Продолжительность времени, необходимого для предельного охлаждения рассматриваемой ограждающей конструкции, зависит от ее массивности; чем массивнее конструкция, тем длительнее это время.
Расчеты нестационарного охлаждения конструкций, вызванного понижением температуры в соответствии с рис. II.6, показывают, что для полного охлаждения легких конструкций, утепленных эффективными теплоизоляционными материалами, требуется около одних суток, тогда как для тяжелых массивных конструкций, выполненных из кирпича или конструктивных бетонов, процесс охлаждения завершается только в течение периода от трех до пяти суток. Предельно низкие температуры на внутренней поверхности конструкции, полученные сложным нестационарным методом расчета, хорошо учитывающим действительные условия охлаждения, могут быть установлены более простым расчетом по установившимся условиям теплопередачи, если в качестве расчетной будет принята средняя температура наружного воздуха за период охлаждения конструкции.
В соответствии с этим для расчета легких ограждающих конструкций принимается средняя температура наиболее холодных суток; для массивных — средняя температура наиболее холодной пятидневки; для конструкций средней массивности — полусумма этих температур. Расчетная температура может совпадать с абсолютно минимальной только для одинарного остекления и других особо легких ограждений с ничтожной тепловой инерцией.
Чем массивнее ограждающая конструкция или чем больше ее тепловая инерция, тем более умеренная температура наружного воздуха принимается при теплотехническом расчете.
В качестве характеристики тепловой инерции конструкции нормами строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиПа принята так называемая «условная толщина» конструкции, предложенная проф. О. Е. Власовым. Условная толщина представляет безразмерный критерий (произведение или в слоистых конструкциях сумму произведений термических сопротивлений отдельных слоев на коэффициент теплоусвоения s соответствующего материала, т. е. D=Rs или D=?Rs), характеризующий число температурных волн, затухающих внутри конструкции при периодическом действии таких волн на одну из внешних ее поверхностей1.
К легким ограждающим конструкциям с характеристикой тепловой инерции менее 4,0 относятся все наиболее распространенные виды бесчердачных покрытий промышленных зданий, крупнопанельные и щитовые конструкции стен, утепленные эффективными теплоизоляционными материалами, слоистые конструкции стен, выполняемые в виде облицовок из бетона, керамики, пластмасс и легких утеплителей и т. д.2
К массивным конструкциям с характеристикой тепловой инерции более 7,0 следует относить однородные стены с толщиной более 0,6 м, выполненные из полнотелого глиняного или силикатного кирпича, а также из сплошных бетонных камней или блоков (при объемном весе бетона 1600 кг/м3 и более).
К ограждающим конструкциям средней массивности с характеристикой тепловой инерции в пределах от 4,1 до 7,0 принадлежат стены из легковесного и многодырчатого кирпича, пустотной керамики, ячеистых бетонов, пустотных шлакобетонных камней и других подобных изделий.
Чем больше тепловая инерция (массивность) ограждающей конструкции, преодолеваемая в процессе охлаждения, тем более осредняется расчетная температура. Если на рис. II.6 обозначить разность между абсолютно минимальной и средней температурой наиболее холодного месяца через Atн, то в общем виде значение расчетной температуры tpacч может быть определено так (предложено В. Н. Богословским):
Здесь величины корреляционного коэффициента ? изменяются в зависимости от тепловой инерции конструкции, в пределах от 1,08 D для легких конструкций до 0,083 D — для предельно массивных.
Закономерное соотношение между среднемесячными и более низкими температурами позволило Е. С. Рубинштейн предложить метод определения средних температур наиболее холодных пятидневок и суток по средним температурам наиболее холодного месяца. Приближенная эмпирическая формула для вычисления расчетной температуры имеет вид:
где а — коэффициент, равный 1,125, для вычисления температуры пятидневки и 1,146 — для температуры суток; b — некоторая величина в градусах, определяемая в соответствии с закономерностью колебаний зимних температур в рассматриваемом географическом районе.
Закономерности (II.2) и (II.3) имеют главным образом методическии интерес и могут быть использованы при составлении норм и справочных таблиц.
При проектировании используются расчетные температуры наружного воздуха для легких и массивных конструкций, включенные в справочные таблицы норм строительной климатологии и геофизики СНиПа.
Для того чтобы судить о теплофизической целесообразности применения типовых конструкций в отдельных климатических районах, а также для определения расчетных температур во вновь возникающих населенных пунктах, важно знать общий характер изменений расчетных параметров по территории СССР.
На прилагаемой карте, составленной при консультации Е. С. Рубинштейн, указаны изолинии средних температур наиболее холодных пятидневок, т. е. расчетных температур для массивных конструкций (см. карту в конце книги).
Изолинии проведены через 5°; в равнинных местностях СССР ориентировочные значения расчетных температур для пунктов, расположенных между изотермами, могут быть определены линейной интерполяцией с точностью до 1°.
Методы определения расчетных температур наружного воздуха, применяемые в СССР, отличаются большей физической обоснованностью по сравнению с практикой, установившейся в этом отношении во многих зарубежных странах.
Разработка физически обоснованных методов определения расчетных температур определялась большим разнообразием и суровостью климатических условий СССР. При этих условиях необходимые теплофизические свойства ограждающих конструкций часто являются решающими для обеспечения их долговечности. Кроме того, такая разработка вызывается общей необходимостью развития больших объемов строительства на научной основе.
В других, в частности Западно-Европейских, странах с более мягким и однородным климатом, уточнение значений зимних расчетных температур наружного воздуха теряет свою актуальность по крайней мере для тех типов ограждающих конструкций, толщина которых определяется конструктивными соображениями и условиями прочности, доминирующими по сравнению с влиянием более слабо выраженных климатических воздействий.
В таких странах в качестве расчетных температур часто используют значения последних, близкие к многолетним абсолютно минимальным, что ведет к повышению скрытых запасов теплофизической надежности, но не приводит к необходимости менее экономичного решения ограждений, поскольку их конструктивная толщина определяется другими факторами.
Примечания
1. Этот безразмерный критерий достаточно точно характеризует процесс затухания температурных волн только в однослойных конструкциях, в слоистых — затухание зависит от толщины и порядка расположения отдельных слоев, а поэтому критерий является приближенным. Однако для применяемых в строительстве конструкций приближение обычно не превышает практически необходимой точности расчетов.
2. Из числа легких конструкций целесообразно выделить особо легкие с характеристикой тепловой инерции менее 2,5. Поскольку продолжительность охлаждения таких конструкций предельно мала, в качестве расчетной температуры при их теплофизическом расчете уместно принимать осредненную из абсолютно минимальных температур.