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

Данные рисунков ІІІ.З и III.4 относятся к жилым помещениям

свысотой 2,5 м.

Внеблагоприятных климатических условиях приходится прибе­ гать к кондиционированию микроклимата помещений. Средства кондиционирования могут быть местными (переносные вентиляторы

икондиционеры) или общими для здания в целом (системы радиа­ ционного охлаждения или кондиционирования.

Наиболее целесообразными являются системы радиационного охлаждения.

Рис. ІІІ.З. Летняя температура жилых помещений при естественных средствах защиты от перегрева (по данным Е. А. Солдатова):

помещения с круглосуточным проветриванием без солнцезащиты проемов

Рис. ІІІ.4. Летняя температура жилых помещений верхнего этажа с различной конструкцией покрытий:

1 — температура наружного воздуха, 2 — температура воздуха помещения с совмещенной невентилируемой крышей; 3 — то же, но с вентилируемой крышей (по данным Е. А. Сол­ датова)

§2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ

ИЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОЗДУХООБМЕН В ПОМЕЩЕНИЯХ

Наружная атмосфера всегда в большей или меньшей степени влияет на внутренний микроклимат помещений, поскольку ограж­ дающие конструкции здания не могут обладать идеальной герме­ тичностью, а при входе и выходе людей нарушается и та ограни­ ченная герметичность, которая имеется у ограждений. Особенно недостаточной герметизацией обычно обладают притворы оконных и дверных проемов. Поэтому внутренний микроклимат в зданиях с невысокой степенью герметизации ограждающих конструкций между отдельными помещениями приходится рассматривать для целой группы смежно расположенных помещений или даже для всего здания в целом.

100

здается избыточное (против атмосферного давления) удаление теплого воздуха наружу (эксфильтрация).

Эти явления, вызывающие естественный воздухообмен в поме­ щении или здании, в особенности заметны при сильных морозах, когда разность температур наружного и внутреннего воздуха отап­ ливаемых помещений наиболее велика.

В климатических районах е суровой и длительной зимой ин­ фильтрация холодного воздуха в нижнюю зону помещения или нижние этажи многоэтажного здания приводит к резкому переох­ лаждению этой зоны или целых групп помещений нижнего этажа во всех тех случаях, когда при проектировании и строительстве не было принято надлежащих мер по устройству тамбуров и других буферных помещений, а также по достаточной герметизации ог­ раждающих конструкций, особенно притворов дверных и оконных проемов.

В районах с мягкой зимой для помещений с ограниченной ку­ батурой воздуха на каждого человека возникает необходимость в постоянном минимальном воздухообмене через относительно пори­ стые ограждения и притворы проемов.

Такая необходимость ощущается в жилых зданиях с предельно­ малой высотой этажей и ограниченной полезйой площадью на каж­ дого человека.

Объемный вес холодного наружного воздуха ун больше объем­ ного веса внутреннего теплого воздуха ув; величина разности дав­ лений в приточных и вытяжных отверстиях APt, возникающая под

воздухообмена в здании, но не может быть принята в качестве рас­ четной для фильтрации воздуха через ограждающие конструкции, поскольку последняя зависит от особенностей изменения разности давлений на внешних поверхностях здания и внутри его поме­ щений.

При незначительных и равномерно-распределенных выделениях тепла внутри помещений в зданиях, подвергающихся воздействиям только теплового напора (при котором в нижней части здания ха­

высоте воображаемую изобарическую поверхность (рис. III.5), для которой внутреннее давление в рассматриваемый момент времени соответствует наружному атмосферному, и, следонательно, разность этих давлений равна нулю.

Если приточные и вытяжные отверстия имеют определенную площадь и неизменное расположение, высота h такой поверхности

102

(которую часто называют нейтральной поверхностью или зоной) над приточными отверстиями определяется из выражения:

А + А

где fi и І2— соответственно плошади вытяжных и приточных от­ верстий или площади щелей и неплотностей в верхней и нижней зонах здания.

В холодный период года площадь вытяжных отверстий /і з эксплуатируемых отапливаемых здани­ ях (т. е. приоткрываемых на длитель­ ный срок в верхней части здания фра­ муг, форточек и т. д.) обычно превыша­ ет по крайней мере в полтора раза пло­ щадь приточных проемов /2 в нижней части здания. Это объясняется тем, что открывание проемов (в целях сохране­ ния тепла) ограничивается пределами эксплуатационной необходимости, а ко­ личество холодного воздуха, поступаю­ щего в здание, — необходимым мини­ мумом.

Подставляя это соотношение вы­ тяжных и приточных проемов в форму­ лу III.6, получим:

верхнюю часть здания *, а ограждающие конструкции всей нижней части подвергаются избыточному внешнему давлению, что связано с повышенной инфильтрацией.

Наибольшая и наименьшая величины этого внешнего давления пропорциональны вертикальному расстоянию крайних приточных и вытяжных отверстий от нейтральной поверхности, т. е. в соответ­

* При равенстве площади вытяжных и приточных отверстий положение ней­ тральной поверхности имело бы место на половине высоты Я , как это следует из выражения III.6.

103

Опыт эксплуатации зданий с деревянными оконными переплета­ ми, притворы которых не подвергались специальному уплотнению или герметизации, показывает, что при величинах теплового напо­ ра, превосходящих 0,5 мм вод. ст., инфильтрация холодного возду­ ха уже может вызвать нежелательное ухудшение температурного режима помещений, а эксфильтрация из верхней части влажных помещений — ухудшение влажностного состояния ограждающих конструкций в местах сопряжений и неплотностей.

Наоборот, при тщательной и надежной герметизации перепле­ тов и проемов увеличение разности давлений до нескольких милли­ метров водяного столба не вызывает таких нежелательных послед­ ствий. Помимо этих отличий в эксплуатационных качествах ограж­ дений с различной степенью герметизации, в суровом климате характерно обледенение в зоне вытяжных устройств и неплотно­ стей, через которые происходит эксфильтрация.

Несмотря на то, что положение нейтральной поверхности не­ устойчиво из-за мгновенно меняющихся аэродинамических условий, а при ветре ее расположение, близкое к горизонтальному, нару­ шается совершенно, в многоэтажных зданиях в условиях относи­ тельного безветрия можно выделить зоны характерных (преобла­ дающих во времени) давлений: положительных (превышающих атмосферное), отрицательных (меньших атмосферного) и неустой­ чивых (изменяющих свой знак).

В зоне положительных давлений, располагающейся в самой верхней части здания, преобладает удаление воздуха через отвер­ стия и неплотности в ограждающих конструкциях; в зоне отрица­ тельных давлений, занимающей всю нижнюю и среднюю по высоте часть здания, характерна инфильтрация холодного воздуха.

Зона неустойчивых давлений близка к нейтральной поверхно­ сти. Такое распределение давлений характерно, например для мно­ гоэтажных, использующих естественный воздухообмен зданий, с недостаточно изолированными лестничными клетками.

Однако такая же закономерность в распределении давлений от­ мечается и в многоэтажных жилых домах, где проемы из лестнич­ ных клеток в жилые квартиры обычно закрыты. Это объясняется периодическим открыванием дверей, а также малой герметичностью и воздухопроницаемостью их притворов.

При такой недостаточной изоляции на эпюру давлений для зда­ ния в целом накладывается распределение давлений в каждом от­ дельном этаже.

Совмещенная эпюра от теплового напора с учетом поэтажного распределения давлений приобретает пилообразное очертание и от­ дельные ее зубцы в этажах, близких к нейтральной поверхности, выходят за пределы общей первоначальной эпюры, увеличивая чис­

щие конструкции любого этажа с высотой fi0 может быть опреде­ лено из выражения:

1Ü4

У наружной поверхности стен высоких зданий величина разно­

сти давлений внизу и вверху /?”акс—р ”ин достигает значительной величины; под влиянием этой разности возникают восходящие то-

Рнс. III.6. Схема фильтрации воздуха через неплотности проемов в отапли­ ваемом многоэтажном здании с естественным воздухообменом:

отсутствии ветра

ки наружного воздуха, в особенности ощутимые при гладкой по­ верхности фасадов (рис. III.7).

Такие восходящие потоки воздуха несколько изменяют и вы­ равнивают распределение давлений на поверхности фасада здания.

Основными путями фильтрации холодного воздуха внутрь зда­ ния становятся пути с наименьшим сопротивлением, т. е. любые не­ плотности ограждающих конструкций нижних этажей, особенно их сопряжения и примыкания одних ограждений к другим *.

У фасадов с балконами распределение давлений и направление

сопротивление последнего воздухопроницанию. При постоянной величине разно­ сти давлений фильтрующийся поток воздуха резко возрастает на тех участках ограждения, сопротивление которых близко к нулю.

105

Наличие ветра в состоянии коренным образом изменить как ве­ личины давлений, возникающих под влиянием теплового напора и пристенных токов воздуха, так и общую закономерность распреде­

ления давлений.

Разность общих давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждений, вызванная действием ветра, зависит от его скорости, температуры наружного воздуха и аэродинамической характеристики здания.

Для вычисления этой разности давлений Арв можно пользовать­ ся следующим выражением:

где кі и кг— величины аэродинамических коэффициентов на навет­ ренном и подветренном фасадах здания, выражающие ту часть ветрового напора, которая переходит в статическое давление на по­ верхности стен; при направлении ветра, нормальном к поверхности ограждений, на наветренном фасаде коэффициент положителен, а на подветренном — отрицателен (разрежение); ун — объемный вес наружного воздуха, зависящий от его температуры, кг/м3\ ѵ — рас­ четная скорость ветра, м/сек\ g — ускорение силы тяжести (9,81 м/сек2).

Первый член выражения представляет величину давления на наветренном фасаде рст, а второй — давление ризв внутри здания, недостаточное или избыточное по сравнению с атмосферным; при этом значение второго члена соответствует тем случаям, когда

106

ограждающие конструкции с наветренной и подветренной сторон здания обладают одинаковой воздухопроницаемостью.

Если внутри здания имеется продольная непроницаемая стена или перегородка, лишенная проемов, разность давлений на навет­ ренном фасаде уменьшается, так как давление в наветренной части здания становится избыточным против атмосферного (рис. III.9).

В суровых климатических районах с сильными ветрами, где сквозное проветривание здания не требуется, и нежелательна даже сквозная фильтрация через неплотности ограждений, такое плани­ ровочное решение улучшает эксплуатационные качества здания.

Воздухообмен происходит раздельно в наветренной и подвет­ ренной частях здания и охлаждающее влияние ветра уменьшается.

Рис. III.9. Особенности распределения аэроди­ намических давлений в здании с продольной непроницаемой стеной или перегородкой и в здании без нее:

давлений

В зданиях с обычной планировкой помещений часто пренебре­ гают учетом внутреннего давления, принимая во внимание лишь значения аэродинамических коэффициентов для наветренного и подветренного фасадов.

В постройках прямоугольной формы, при направлении ветра нормальном к поверхности фасада и достаточной длине последне­ го, эти коэффициенты приближенно равны: для''наветренной сторо­ ны К\ —+0,8; для подветренной к2 = —0,4. Тогда

Условия городской застройки могут существенно изменить рас­ пределение ветровых давлений на фасадах многоэтажных зданий. Типичным в этих случаях является уменьшение ветрового давления у поверхности земли и существенное увеличение для верхних эта­ жей *.

107

Пример lll .l . Определить разность давлений для расчета наружных ограж­ дающих конструкций девятиэтажного здания на воздухопроницаемость в кли­

мо в помещениях поддерживать более высокую температуру воздуха, поскольку поверхности наружных ограждений, ограничивающих помещение, предельно и длительно охлаждены).

Высота здания (между центрами оконных проемов первого и девятого эта­ жей) 27 м.

Величину теплового напора, под влиянием которой происходит инфильтра­ ция, определяем по формуле (III.8).

Для Москвы Apt =0,7 ■ 27(1,43— 1,21) =4,16 мм вод. ст., для Дудинки Арі = =0,7-27(1,55—1,20) = 6,61 мм вод. ст., где 1,43 и 1,21; 1,55 и 1,20 — удельный вес воздуха, кг/м3 при температуре —26 и +18°; при —45 и +22°*.

Из этих значений Apt видно, что в суровых климатических условиях тепло­ вой напор примерно в 1,5 раза больше, чем для климата средних широт Европей­

для Дудинки Д'ррасч = 6,61+3,11 =9,72 мм вод. ст., что почти в два раза пре­ вышает расчетную разность давлений для Москвы.

Естественно, что в последнем случае как сами ограждающие конструкции, так и особенно их сопряжения, стыки и притворы проемов должны обладать повышенной плотностью и непроницаемостью.

В жилых и общественных зданиях необходимость в использо­ вании естественного воздухообмена для удаления выделяющихся вредностей и тепла сравнительно невелика.

Однако в таких зданиях с уменьшенной высотой этажей и поме­ щений кратность воздухообмена должна быть повышена для обес­ печения хороших гигиенических условий; кроме того, при наличии в таких помещениях эпизодических влаговыделений (связанных с сравнительно кратковременным присутствием большого числа лю­ дей) и внутренней отделке из материалов, не сорбирующих паро­ образную влагу, появляется необходимость в эффективной венти­ ляции, в целях устранения эпизодической возможности возникно­ вения капельной влаги на поверхности ограждений.

При отсутствии справочных таблиц удельный вес сухого воздуха при раз-

273

личных температурах f С вычисляется по формуле ун=1,29 273+ 1 кг/м3, где 1,29 — удельный вес воздуха при 0°С.

108

В промышленных зданиях необходимость в использовании есте­ ственного воздухообмена гораздо больше, чем в жилых и общест­ венных.

Избыточные давления в вытяжных проемах одноэтажных отап­ ливаемых производственных зданий весьма невелики в холодный период года; в связи с этим через т.акие проемы может происходить как удаление, так и приток холодного воздуха (рис. ШЛО, а). Преобладающая часть высоты здания и его ограждающих конст­ рукций, находится в зоне притока. В связи с этим ограничение

Рис. ШЛО. Схема фильтрации воздуха через ограждающие конструкции отапливаемых производственных зданий в холодный период года:

а — в однопролетном; б — в многопролетном с высоким крайним пролетом

инфильтрации холодного воздуха через ограждения отапливаемых производственных зданий (главным образом через заполнение светопроемов и стыки панелей) является весьма необходимым в целях обеспечения достаточно высоких эксплуатационных качеств произ­ водственных помещений, особенно назначенных для точных произ­ водственных процессов. При расположении рабочих мест вблизи наружных ограждений любые неплотности, щели и недостаточная герметизация соединений между отдельными конструктивными эле­ ментами столь же недопустимы, как в жилых и общественных зда­ ниях.

Более устойчивое удаление внутреннего воздуха через проемы и эксфильтрация его через неплотности ограждающих конструкций

109