книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) учеб. пособие

в.м. ильинскии

СТ Р О И Т Е Л Ь Н А Я

ТЕ П Л О Ф И З И К А

(ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ И МИКРОКЛИМАТ ЗДАНИЙ)

СССР в качестве учебного пособия для студентов инженерно-строительных ву­ зов и факультетов

72

И46

УДК 72.(0.75)

Ильинский В. М.

1146 Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микро­ климат зданий). Уч. пособие для инж.-строит, вузов. М ., «Высш. школа», 1974

320 с. с ил.

В книге изложены теплофизические основы проектирования зда­ ний и ограждающих конструкций, удовлетворяющих требованиям нормального теплового состояния помещений в различных климати­ ческих условиях СССР .

Рассмотрены инженерные методы теплофизических расчетов ограждающих конструкций в целях определения требуемого сопро­ тивления теплопередаче и воздухопроницанию, а также необходимых свойств теплоустойчивости и влажностного состояния.

В книге содержатся примеры расчета и приложены таблицы, кар­ ты и другие справочные данные, необходимые в процессе проектиро­ вания или самостоятельной работы студентов.

001(01)—74

Рецензенты:

кафедра архитектуры Полтавского инженерно-строительного института

(зав. кафедрой проф. — докт. техн. наук А. Н. Могилат); докт. техн. наук Ф. В. Ушков.

-ая

IЧИТ АІП—nijOTO^ 3/ѵ-

'9 №

(б) Издательство «Высшая школа», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Строительство, развивающееся на индустриальной основе, все большее распространение получает в восточных, северных и юговосточных районах Советского Союза. Опыт эксплуатации вновь выстроенных в этих районах зданий свидетельствует о том, что многие виды внешних воздействий на них (в зависимости от раз­ личия климатических условий) существенно отличаются от при­ родных влияний, характерных для умеренного климата централь­ ных районов европейской части СССР. Методы проектирования и строительства, обогащенные этим опытом, весьма необходимы для разработки наиболее целесообразных объемно-планировочных ре­ шений зданий и выбора типов ограждающих конструкций.

Одна из актуальных задач строительства связана с разработкой II применением жилых и общественных зданий, наиболее отвечаю­ щих условиям нормальной эксплуатации и требованиям защиты че­ ловека от неблагоприятных влияний внешней среды, что является первой ступенью необходимых мероприятий по обеспечению нор­ мальных условий пребывания в здании.

В промышленном строительстве разработка более совершенных типов зданий осложняется, кроме того, требованиями технологиче­ ского процесса и необходимостью устранения или ограничения вредных влияний некоторых видов производства на человека.

Инженерные решения зданий и ограждающих конструкций не­ прерывно совершенствуются. В последние годы наметилось сбли­ жение между научно обоснованными гигиеническими требования­ ми к тепловому состоянию жилых и других зданий и степенью вы­ полнения этих требований в практике строительства. Об этом, в частности, свидетельствует более широкое применение конструктив­ ных решений, обеспечивающих повышение эксплуатационных ка­ честв зданий.

Все реже находят применение совмещенные невентилируемые крыши в жилищном строительстве, приводящие к перегреву поме­ щений верхних этажей летом и переохлаждению зимой. Расширено внедрение в строительство ограждающих конструкций с отсутстви­ ем теплопроводных включений, что наиболее необходимо в суро­ вых климатических условиях. Применение сдвоенных оконных пе­ реплетов используется в относительно мягких климатических усло­ виях, в холодных районах (с продолжительностью отопительного периода более 8—9 месяцев) практическое применение начинает получать тройное остекление, позволяющее уменьшить теплопотери через окна на 30—35% по сравнению с теплопотерями при сдвоен­ ных оконных переплетах.

3

Реализуются дифференцированные нормы теплового состояния жилых помещений в зависимости от суровости зимних условий. Расчетная температура воздуха помещений принимается более вы­ сокой в условиях суровых зим, вызывающих длительное охлажде­ ние наружных ограждений зданий, близкое к предельному'.

Научно-технический прогресс в области строительства и повы­ шение гигиенических требований к новым зданиям, обусловили большой интерес к изучению проблем строительной теплофизики, развивающейся на основе всестороннего изучения климатических данных отдельных районов СССР и совершенствования имеющих­ ся расчетных методов.

Эта прикладная область знания является особенно важной для совершенствования проектирования и выполнения ограждающих конструкций зданий, назначенных для эксплуатации в специфиче­ ских климатических условиях.

Вданной книге излагаются сведения, относящиеся к теплофизи­ ке зданий и их отдельным конструктивным элементам.

Впервой главе рассматриваются основные закономерности и необходимые константы процессов теплообмена и массообмена в зданиях и их конструкциях. Изложение особенностей формирова­ ния и изменений температурного поля в элементах зданий, а также основных измерителей теплозащитных свойств материалов и кон­ струкций составляет преимущественное содержание этой главы. Этому изложению предпосланы понятия об основных физических различиях процессов переноса тепла и вещества в материальных средах. В конце главы даны элементарные сведения о закономерно­ стях процессов влагообмена.

Вторая глава рассматривает влияние внешних физико-климати­ ческих воздействий на особенности проектирования зданий. В спе­ цифических климатических условиях большое значение имеют метелевые, штормовые и другие виды погоды с интенсивным перено­ сом воздуха и содержащихся в нем взвешенных частиц.

Влюбых условиях климатическими характеристиками, необхо­ димыми для выяснения особенностей эксплуатации зданий и целе­ сообразных направлений их типизации, являются характерные и достаточно длительные (в течение года) погодные условия, уста­ навливаемые по среднемесячным температурам с учетом их повы­ шения в дневное время суток. Деление видов погоды на «очень хо­ лодную», «холодную», «прохладную», «теплую», «жаркую» и «очень

жаркую» производится по температурным градациям, характерным для соответствующих тепловых ощущений человека, пребывающего в здании.

Для оценки совместного охлаждающего действия на ограждаю­ щие конструкции зданий мороза и ветра вводится понятие о зимней суммарной расчетной температуре.

Дифференциация видов погоды по влажностному состоянию воз­ душной среды становится менее актуальной при использовании описываемого в главе деления территории СССР на влажные, уме­ ренные и сухие зоны. Продолжительность характерных видов пого­

4 .

ды предопределяет естественные направления типизации зданий; в районах, где отопительный период (суммарная длительность очень холодной и холодной погоды) продолжается более девяти месяцев, целесообразно увеличивать ширину зданий, что особенно важно при необходимости развития площади и расширения номенклатуры подсобных помещений. Кроме того, необходим комплекс мероприя­ тий по повышению теплозащитных свойств и герметичности наруж­ ных ограждений. При многолетнемерзлых грунтах нежелательно использование цокольного этажа под жилье.

В районах, где длительность периодов теплой и жаркой погоды превышает пять месяцев, целесообразно возводить здания таких типов, которые наиболее надежно защищают человека от перегре­ ва. Из многоэтажных наиболее приемлемыми являются здания с экранированными и интенсивно вентилируемыми стенами и покры­ тием, с нормальной высотой этажей ( h ^ 3 м), с лоджиями, веран­ дами и другими летними помещениями и обязательной солнцезащи­ той проемов.

В небольших южных населенных пунктах, а также в отдельных районах крупных городов уместно шире использовать строительст­ во малоэтажных зданий, для которых характерны теплоотдача в грунт из помещений первого этажа и возможность защиты от пе­ регрева озеленением и обводнением прилегающей территории, что при активном сквозном проветривании квартир и хороших тепло­ технических свойствах вентилируемой крыши создает достаточные предпосылки для обеспечения теплового состояния жилых помеще­ ний, близкого к комфортному.

В третьей главе излагаются особенности микроклимата помеще­ ний. Распределение тепла и влаги в объеме помещений связано с разностью внешних давлений на оболочку здания и особенностями естественного воздухообмена в нем, что и нашло отражение в по­ следовательности рассмотрения этих физических процессов. Наибо­ лее существенно влияет эта взаимосвязь на микроклимат много­ этажных зданий, а также производственных комплексов с выделе­ ниями тепла и влаги.

Целесообразное использование естественного воздухообмена и органическое сочетание его особенностей с механической вентиля­ цией является одним из эффективных средств обеспечения необхо­ димых микроклиматических условий в помещениях.

Четвертая глава рассматривает основные теплофизические свой­ ства ограждающих конструкций, определяемые расчетом по уста­ новившемуся потоку тепла для условий холодного периода года.

Объем излагаемых сведений в отношении процессов теплопере­ дачи через однородные и неоднородные конструкции, расчета дву­ мерных температурных полей, теплопроводных включений и возду­ хопроницаемости ограждений соответствует учебным программам факультета промышленного и гражданского строительства в тех­ нических вузах.

В пятой главе излагаются теплофизические данные, необходи­ мые для расчета ограждающих конструкций по неустановившимся

5

условиям теплообмена, главным образом при периодических тепло­ вых воздействиях (солнечном нагреве ограждений, колебаниях тем­ пературы наружного воздуха в течение суток и т. д.). Основой та­ ких расчетов остается теория теплоустойчивости, разработанная в

СССР еще в двадцатых годах, основательно развитая в конце со­ роковых и обеспечившая достаточно достоверные и удобные для строительной практики методы расчета, несмотря на некоторую их приближенность.

Практические методы расчета, основанные на этой теории, при­ менимы, в частности, к летнему прогреву ограждающих конструк­ ций и изменениям теплового состояния помещений в холодный и жаркий периоды года.

Шестая глава рассматривает влажностное состояние ограждаю­ щих конструкций и его изменения.

Влажностное состояние ограждающих конструкций измеряется влагосодержанием капиллярно-пористых материалов, входящих в состав этих конструкций. Чем меньше влагосодержание материала, тем выше теплозащитные свойства конструкции.

Для многих ограждающих конструкций, выполненных из лег­ ких бетонов и других материалов с избыточным содержанием вла­ ги, характерно повышенное влагосодержание в первый период вре­ мени после выполнения конструкции.

Наибольшая возможность сокращения этого периода возникает в том случае, если в первые месяцы после монтажа конструкций они подвергаются летней естественной сушке, которая в большинст­ ве районов строительства связана с частым солнечным облучением, имеющим высокую иссушающую эффективность, объясняемую осо­ бенностями периодических воздействий лучистого тепла на продол­ жительно высыхающие конструкции.

Если во время дальнейшей службы здания не происходит увлаж­ нения наружных ограждений конденсирующейся влагой, а также не отмечается смачивания наружной поверхности стен косыми дож­ дями, единственной причиной эксплуатационного увлажнения на­ ружных ограждающих конструкций здания может явиться влага внутреннего воздуха, стремящаяся диффундировать из отапливае­ мых помещений наружу сквозь толщу ограждений. Через ограж­ дающие конструкции, отличающиеся сухим состоянием капилляр­ но-пористых материалов (бетонов, кирпича, фактурных слоев и т. д.) внутренней части ограждения, интенсивность диффузии водяного пара замедляется, так как сухой материал гигроскопиче­ ски поглощает диффундирующую влагу, не давая ей достигнуть охлажденной наружной части конструкции.

Помимо соответствующего уменьшения коэффициентов перено­ са влаги внутри таких материалов, на поверхности конструкции, ограждающей сухое помещение, возникает сопротивление влагообмену, ограничивающее в некоторых случаях процесс диффузии. Су­ хой конструкции, находящейся в воздушной среде, свойственно ос­ таваться в сухом состоянии; влажной (при возникновении увлаж­

6

ГЛАВА I

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА И МАССООБМЕНА В ЗДАНИЯХ И ИХ КОНСТРУКЦИЯХ

§1. РАЗЛИЧИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА

ИВЕЩЕСТВА

Основными физическими процессами, рассматриваемыми в строительной теплофизике, являются процессы переноса тепла, вла­ ги и воздуха, происходящие в конструкциях и помещениях зданий.

Тепло является одним из видов энергии, а влага и воздух — конкретными видами вещества. Физический механизм переноса энергии и вещества различен. Для количественного изучения осо­ бенностей, вытекающих из этих различий, необходимо знать кон­ станты переноса, а также внешние движущие силы или термодина­ мические параметры, вызывающие перенос. <

Эти параметры, определяющие направление и интенсивность процессов теплообмена и массообмена, называют потенциалами переноса.

Потенциалом переноса тепла является температура, а потенциа­ лом переноса вещества, в частности влаги и воздуха, уместно счи­ тать энергию, отнесенную к единице массы; эту энергию часто вы­ ражают в размерности соответствующего вида давления. Так, на­ пример, при изучении молекулярных процессов переноса влаги, диффундирующей преимущественно в парообразной фазе, рассмат­ ривается парциальное давление водяного пара, а при молярном переносе жидкой влаги или влажного воздуха — общее давление, вызываемое соответствующими причинами (например, силой ветра, тяжести и т. д.). Возникновение процессов переноса тепла и веще­ ства (например, влаги) в конструкциях или воздушной среде по­ мещений возможно только при разности температур или давлений в отдельных зонах или участках рассматриваемой материальной системы. Однако поскольку физический механизм переноса тепла в материальных средах и, в частности, в капиллярно-пористых строи­ тельных материалах, существенно отличен от процесса переноса ве­ щества, конкретные условия возникновения, а также кинетика этих видов переноса также различны.

В металлах тепло переносится потоком электронов, и теплопро­ водность является функцией электропроводности. Наиболее элек­ тропроводные металлы в то же время и наиболее теплопроводны (медь, алюминий). В диэлектриках, где электропроводность отсут­ ствует, перенос тепла осуществляется колебаниями атомов (или их групп) в структурной решетке материала.

8

Поскольку преобладающее большинство наиболее распростра­ ненных капиллярно-пористых строительных материалов (бетон, кирпич и т. д.) обладает ограниченной электропроводностью, ос­ новное значение для их теплопроводности имеют колебания атом­ ных групп, происходящие в структурной решетке. В связи с этим, перенос энергии происходит и в идеально плотных материалах, и в капиллярно-пористых. Этот процесс не связан с проницаемостью материалов для потоков вещества. Перенос тепла в твердых мате­ риалах возникает при любой разности температур At, и количество переносимого тепла Q всегда пропорционально разности потенциа­ лов независимо от того, велика или мала эта разность (т. е. Q~At).

Механизм переноса массы вещества и, в частности, влаги или воздуха связан с проницаемостью и особенностями пористой струк­ туры материала, внутри которого происходит процесс переноса; в материалах абсолютно плотных или отличающихся ультра-мелкой пористостью в поверхностном слое, непосредственно подвергающем­ ся внешним воздействиям, возникают сопротивления, ограничиваю­ щие перенос вещества. Эти сопротивления при малой разности по­ тенциалов переноса могут превышать энергетический уровень по­ следней и тогда оказываются непреодолимыми. При этих условиях перенос массы сквозь достаточно плотный материал не возникает, однако такой перенос может происходить в некотором другом на­ правлении, где сопротивления окажутся меньшими, чем энергия разности давлений. Так, например, поток холодного воздуха при ветре может обтекать здание, не проникая внутрь, поскольку сопро­ тивление прониканию плотного отделочного слоя наружных стен весьма значительно. Лишь при наличии щелей и неплотностей этот поток проникает в помещение.

Аналогичные сопротивления потоку воздуха возникают во влаж­ ных капиллярно-пористых материалах, в порах которых вода удер­ живается силами связи влаги с материалом, например, силами ад­ гезии или капиллярного давления. Энергетический уровень, необ­ ходимый для преодоления этих сопротивлений, может быть значи­ тельным, и при малой разности внешних потенциалов переноса бу­ дет превосходить энергию этой разности. В этом случае переноса массы вещества (например, воздуха, газа или водяного пара) через пористый материал происходить не будет; несмотря на наличие разности внешних потенциалов, масса вещества, содержащегося в капиллярно-пористой системе, будет находиться в равновесии.

Перенос массы, в частности, влаги возникнет только при разно­ сти давлений АР, превышающей давление РІф, равное энергетиче­ скому уровню сопротивления переносу вещества (на поверхности или внутри материала). Иначе говоря, количество переносимого вещества QM будет пропорционально разности между энергетиче­ скими уровнями внешнего потенциала и сопротивления переносу внутри системы, т. е. QM~ (АР — РкР). При разности потенциалов меньшей, чем РКр, количество вещества, которое могло бы быть перенесено в направлении, требующем преодоления соответствую­ щего сопротивления, будет равно нулю. В этом случае конструкции

9