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

ограждающих конструкциях не возникает конденсата на их поверх­ ности и отделочный слой в таких помещениях может быть любым.

В помещениях с естественными изменениями, температуры и влажности, преимущественно в годичном цикле, градиенты этих физических параметров в течение суток или других коротких интер­ валов времени невелики, а условия эксплуатации ограждающих кон­ струкций отличаются неизменными физическими условиями и по­ тому благоприятны в отношении их сохранности.

Наоборот, в помещениях с резкими колебаниями температуры и влажности в течение суток или более коротких периодов можно ожидать возникновения физических процессов, вызывающих посте­ пенное разрушение отделочных слоев и даже ограждающих конст­ рукций в целом (конденсация, температурные деформации, набу­ хание, усушка и т. п.). Неблагоприятные в смысле сохранности конструкции колебания температуры и влажности могут быть выз­ ваны также циклическими изменениями внешних климатических условий в короткие периоды времени, однако в умеренном климате наиболее разрушительными обычно оказываются колебания, выз­ ванные функциональными или технологическими процессами.

Период таких колебаний связан с особенностями функциональ­ ного процесса; для производственных помещений —это длитель­ ность рабочих смен или продолжительность основных рабочих опе­ раций, например, плавки металла, загрузки и разгрузки нагрева­ тельных колодцев, травильных ванн и других технологических агрегатов.

Естественно, что такие колебания температуры и влажности наиболее характерны для производственных помещений; однако менее интенсивные циклические повышения температуры и влаж­ ности могут наблюдаться также и в помещениях гражданских зданий.

В производственных помещениях с большой тепловой напря­ женностью (например, мартеновские или другие металлургические цехи) под покрытием образуется нагретый слой воздуха, толщина и температура которого периодически увеличиваются при законо­ мерных циклах выпуска, разливки, остывания, обработки или транспорта нагретого металла.

Для таких помещений температура воздуха под покрытием мо­

Например, для мартеновских цехов (с печами емкостью от 150 до 600 т) At изменяется от 15 до 30° в зависимости от характера про­

В металлургических цехах, где преобладающая часть тепла (до г/з и более) выделяется в виде лучистой составляющей, температу­

130

ра поверхности верхней части стен и особенно покрытий значитель­ но превышает температуру воздуха.

При неизменной тепловой напряженности в помещении, значе­ ния максимальной температуры внутренней поверхности стен и по­ крытий определяются путем специального теплофизического расче­ та [3].

При периодическом действии источников тепла поверхность ограждений подвергается циклическому нагреву и остыванию, что более опасно, чем постоянный высокий нагрев, так как приводит к постепенному разрушению конструкций.

В качестве расчетных изменений температурных импульсов на поверхности ограждений принимаются периодические колебания с

железобетонные ребристые плиты, производимые по обычной, при­ меняемой в настоящее время технологии, относительно быстро раз­ рушаются, а рубероидные кровли подвергаются сухой перегонке и постепенному обугливанию (медленному сгоранию).

Различная влажность воздуха в объеме помещений связана не только с характером распространения конвекционного тепла, но также и с изменениями кратности воздухообмена в отдельных

зонах.

В зданиях с незначительными выделениями влаги, нормальной влажностью воздуха и естественным воздухообменом (жилых, про­ изводственных с холодной обработкой металла и т. д.), наивысшие значения относительной влажности (около 55—60%) характерны для верхней зоны помещений и обычно отмечаются в периоды ослабления действия отопительных систем при температуре наруж­ ного воздуха близкой к 0° (т. е. в условиях мягкой зимы или в пе­

реходные периоды года, когда влагосодержание наружного воздуха достаточно высоко).

При более высокой наружной температуре относительная влаж­ ность в помещении уменьшается за счет увеличения кратности есте­ ственного воздухообмена, а при очень низкой — за счет интенсифи­ кации отопления и осушающего действия активно фильтрующегося наружного воздуха.

Между абсолютным влагосодержанием /п {г/м3) внутреннего воздуха, влаговыделениями в помещении g (г/м3-ч), кратностью естественного воздухообмена и (1/ч) и абсолютным влагосодержа­ нием наружного воздуха fu (г/м3) существует следующая зависи­ мость:

где ß — отношение объемных весов внутреннего и наружного воз­ духа.

Этой зависимостью можно пользоваться для определения крат­ ности естественного воздухообмена, необходимой для возможного понижения влажности воздуха, особенно в помещениях с ограни­ ченными и равномерно распределенными выделениями влаги.

Помещения с интенсивными влаговыделениями обычно харак­ теризуются определенной их периодичностью, продолжительность периодов связана с рабочим и технологическим режимом (напри­ мер, продолжительность и сменность работы и т. д.). Интенсивное удаление средствами аэрации больших количеств периодически выделяющейся влаги возможно в ограниченных пределах и в срав­ нительно мягких климатических условиях; для удаления больших количеств избыточной влаги средствами недостаточно производи­ тельной механической вытяжной вентиляции требуется определен­ ное время.

Во многих производственных помещениях с большими выделе­ ниями влаги (например, красильные цехи текстильных фабрик) пе­ риодичность изменений температуры и влажности внутреннего воз­ духа связана с числом смен работы.

Наибольшие повышения влажности отмечаются в середине или конце сменного времени и в холодный период года соответствует максимальной конденсации влаги на поверхности наружных ограж­ дающих конструкций.

При трехсменной работе в таких помещениях продолжитель­ ность выпадения конденсата на поверхности ограждений может составлять более половины всей длительности холодного периода года, что связано с увлажнением и разрушением конструкций от влаги и мороза (рис. II 1.29). Для предупреждения этого следует увеличивать производительность средств удаления влаги из поме­ щения и одновременно защищать ограждения от увлажнения, вы­ полняя их внутреннюю часть из плотных невлагоемких материалов, повышая теплозащитные свойства конструкций и предусматривая средства для отвода стекающей конденсирующейся влаги.

132

В помещениях с малым воздухообменом, периодическим при­ сутствием большого числа людей и ограниченной кубатурой, отно­ сительная влажность из-за увеличившихся выделений влаги может периодически повышаться до величин, соответствующих точке росы на поверхности ограждений.

Если количества конденсирующейся влаги невелики, а периоды времени между повышениями влажности достаточно длительны, целесообразно использование для отделки потолка и стен пористых материалов, обладающих сорбционной влагоемкостью, достаточной для поглощения конденсирующейся влаги. При этом поглощенная и вызвавшая некоторое увлажнение пористой отделки влага будет

Рис. ІІІ.29. Периодическая конденсация влаги на стенах красильных отделений с трехсменной рабо­ той (неполное удаление выделяющейся влаги про­ изводится местными агрегатами механической вентиляции):

1— штриховкой отмечены периоды конденсации влаги на поверхности стен; ^р0СЫ“^ изменения температуры точки

росы;/ —изменения температуры поверхности стен

испаряться в течение длительных периодов между повышенными влаговыделениями. Подобная отделка уместна, например, для по­ мещений театров и концертных залов, плотно населенных жилых помещений ограниченной высоты, а также для верхней части стен и потолка ванных комнат в жилых квартирах. Целесообразность использования такой отделки для других помещений с периодиче­ скими выделениями небольших количеств влаги может быть опреде­ лена расчетом, учитывающим количество выделений и влагоем­ кость отделки, а также интенсивность и полноту испарения влаги, поглощенной отделочным слоем в периоды между влаговыделе­ ниями.

Клеевая окраска, побелка или бумажные обои, выполненные по поверхности плотного бетона или другого материала, медленно по­ глощающего влагу, быстро портятся.

Отделка поверхностей ограждений рассматриваемых помеще­ ний влагозащитными материалами или составами обычно не приме­ няется по экономическим соображениям. Однако такая отделка

133

становится единственно возможной и необходимой при непрерыв­ ной или периодической, но интенсивной конденсации влаги на по­ верхности конструкций.

Непрерывная конденсация на поверхности наружных ограждаю­ щих конструкций отмечается обычно в тех случаях, когда устойчи­ вое значение относительной влажности воздуха при любых изме­ нениях положительной температуры в помещении, превышает 75%; периодическая, но интенсивная — при нормальной или повышенной температуре и прерывистых влаговыделениях, сопровождаемых резкими колебаниями относительной влажности.

Первый вид конденсации характерен, например, для наружных ограждений помещений фруктохранилищ (/„ = 4°; ф = 90%) или

Рис. ІІІ.ЗО. Характер конденсации влаги на поверхности наружных ограж­ дающих конструкций травильных отделений (по материалам В. К. Городец­ кого) :

а — в отделениях с непрерывным травлением; б —в отделениях с периодическим трав­ лением; 1— относительная влажность воздуха помещения; 2 — относительная влажность, соответствующая точке росы на поверхности ограждающих конструкций (заштрихованы эпюры непрерывной или периодической конденсации); 3 —конденсация с периодом 2— 2,5 ч\ 4 — конденсация с периодом 4—8 ч

травильных отделений с непрерывным травлением металлических деталей (рис. ІІІ.ЗО, а); второй —для душевых, бань, прачечных, а в промышленных зданиях для красильных и травильных отде­ лений с периодическим технологическим процесом (рис. ІІІ.ЗО, б). При этом периодическая обильная конденсация более разрушитель­ на для ограждающих конструкций, чем непрерывная, но менее ин­ тенсивная. Циклическое увлажнение, чередующееся с процессами частичного высыхания, вызывает быстрое разрушение многих видов влагоизоляционных слоев и наибольшие нарушения структуры по­ ристых материалов, расположенных под этими слоями. Разруши­ тельные процессы во много раз ускоряются в присутствии агрессив­ ных химических примесей, растворяемых влагой.

Возможность эффективной и длительной защиты ограждающих конструкций от разрушительного действия конденсационных про­ цессов осложняется тем обстоятельством, что в строительстве до самого последнего времени применялись весьма несовершенные

434

средства влагозащиты (например, цементная штукатурка, окрасоч­ ные пленки, наносимые в один-два слоя, а в нижней части стен — глазурованные керамические плитки, примораживаемые на обыч­ ном цементном растворе и т. д.).

Эти виды влагозащиты не в состоянии полностью предохранить ограждающие конструкции в течение длительного времени от про­ никания влаги, конденсирующейся на их поверхностях, обращен­ ных в помещение.

При интенсивной периодической конденсации влаги непроницае­ мость таких влагозащитных слоев сохраняется лишь в течение сро­ ка, измеряемого месяцами или ограниченным числом лет; далее в результате возникновения мпкротрещин она нарушается, а ограж­ дающие конструкции с предполагаемым сроком службы в десятки (и даже сотни лет) увлажняются и подвергаются преждевременно­ му разрушению. Возобновление влагозащитных слоев, производи­ мое по влажной поверхности пористых материалов, малоэффектив­ но II обычно не обеспечивает надежной и длительной защиты.

Более совершенными являются непроницаемые отделочные слои из рулонных пластикатов с герметизируемыми швами или много­ слойная (в 6—8 слоев) изоляция из высокомолекулярных смол с большой адгезионной способностью (эпоксидных и аналогичных им). Однако такие отделочные средства дороги и пока мало рас­ пространены в строительстве.

Необходимость применения стойких (против постепенного раз­ рушения) изолирующих материалов для помещений с явно выра­ женными процессами конденсации влаги на ограждающих поверх­ ностях продолжает оставаться весьма актуальным вопросом, свя­ занным с проблемой повышения долговечности конструкций.

В производственных зданиях с незначительными выделениями влаги, на изменения относительной влажности внутреннего воздуха в течение года закономерно влияют колебания кратности естествен­ ного воздухообмена и влагосодержания наружного воздуха.

Экспериментальные исследования внутреннего температурно­ влажностного режима таких промышленных зданий, как отапливае­ мые цехи станочной обработки металла, показали, что наивысшие значения относительной влажности (около 60%) характерные пе­ реходные периоды года при температуре наружного воздуха, близ­ кой к 0°.

Наименее благоприятные эксплуатационные условия для ограж­ дающих конструкций (с точки зрения их влажностного режима) создаются при температуре от 0 до —10°. При этих значениях на­ ружной температуры влажность воздуха помещений, сообщающих­ ся с внешней средой, наиболее высока, диффузия водяного пара в ограждающих конструкциях наиболее интенсивна, * а конденсация влаги на остеклении фонарей при наружной температуре выше

* Из-за высоких значений разности парциальных давлений н повышенных величии коэффициентов переноса влаги для более влажных материалов и кон­ струкций.

135

—10° наиболее вероятна, но как раз особенно нежелательна, таккак влага конденсируется в жидкой фазе и капли могут отрывать­ ся и падать в рабочую зону. При более низкой температуре процесс конденсации на одинарном остеклении проявляется в выпадении инея, который при. достаточном воздухообмене в цехе не тает, а ис­ паряется (сублимируется), переходя непосредственно в парообраз­ ную фазу.

Изучение изменений температуры и влажности воздуха в про­ изводственных помещениях с фонарями верхнего света показывает, что при расчетах конденсации влаги на поверхности ограждающих конструкций, которая могла бы происходить при низкой экстре­ мальной температуре наружного воздуха, расчетное значение срв следует принимать с понижающим коэффициентом (например, 0,75) от максимальной величины, возможной в данном помещении.

Понижение влажности внутреннего воздуха в периоды устойчи­ вых и сильных морозов характерно для любых помещений с есте­ ственным воздухообменом.

Взданиях с ограниченной герметизацией ограждающих конст­ рукций такое понижение влажности при низкой температуре на­ ружного воздуха является неизбежным следствием увеличения теп­ лового напора и усиления инфильтрации.

Вжилых домах герметизация ограждающих конструкций выше, чем в производственных зданиях с использованием аэрации. Одна­ ко и в этих домах с менее проницаемыми ограждающими конструк­

циями и более стабильным режимом отопления отмечается повы­ шение влажности внутреннего воздуха (при наружной температуре близкой к 0°) по сравнению с влажностью в более холодные перио­ ды зимы. В особенности существенно такое повышение к концу хо­ лодного периода года, когда влажность материалов наружных стен достигает наибольшего значения. Исследованиями температурно­ влажностного состояния жилых помещений в Москве, проведенны­ ми Б. Ф. Васильевым, установлено, что в марте средняя относи­ тельная влажность воздуха этих помещений выше, чем в январе на 12—15%.

В устойчиво влажных районах, где повышенное влажностное со­ стояние стен к весеннему периоду является не только результатом диффузионного увлажнения в течение холодного периода года, но в большой мере связано с высокой влажностью наружного воздуха и непосредственным увлажнением стен дождями, относительная влажность в помещениях возрастает до предельно высоких значе­ ний— 80—85%. Подобное положение характерно, например, для жилых зданий во Владивостоке, * где наступление весны сопровож­ дается устойчивыми ветрами, несущими влагу с Тихого океана.

Такая же предельно высокая влажность отмечается в жилых помещениях с длительно засыревшими стенами, независимо от при­ чин этого нежелательного явления.

* По данным Н. С. Рябова.

136

ГЛАВА IV

НЕОБХОДИМЫЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

§1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ КОНСТРУКЦИЙ ОДНОРОДНЫХ

ВТЕПЛОФИЗИЧЕСКОМ ОТНОШЕНИИ

Наиболее распространенными видами конструкций однородных в теплофизическом отношении, т. е. обладающих равными теплофизнческими свойствами в любом поперечном сечении, являются ограждения с параллельными, ограничивающими их поверхностями и размерами по длине и высоте во много раз превышающими тол­ щину.

из нескольких конструктивных слоев, осуществленных из различ­ ных материалов, но расположенных параллельно внешним поверхностям, ограничивающим конструкцию (рис. IV. 1, б).

В любом сечении однородных конструкций их теплозащитные качества, выражаемые величиной сопротивления теплопередаче, равны; отличительным свойством распределения температур при установившейся теплопередаче через такую конструкцию является параллельность изотерм друг другу п ограничивающим поверхно­ стям.

Распространение тепла, которое происходит в направлении, нор­ мальном к изотермам, возможно только в одном направлении, или, иначе говоря, всегда является одномерным. Изменения температур являются функцией только одной координаты, т. е. t — f(x).

Расчет необходимых теплозащитных свойств однородных ограж-

138

дающих конструкций при установившемся потоке тепла сводится к определению необходимого сопротивления одномерной теплопере­ даче в любом произвольном сечении.

Это необходимое сопротивление теплопередаче должно превы­ шать требуемую нормами величину сопротивления, устанавливае­ мую при равенстве потоков тепла в любой плоскости поперечного сечения, из выражения (1.24а). Из этого выражения следует, что

Это равенство используется для нормирования теплозащитных свойств ограждающих конструкций, однородных в теплофизическом отношении.

Требуемое минимальное сопротивление ограждающих конструк­ ций теплопередаче /?0тр принимается на основе ограничения физи­ ческих факторов, влияющих неблагоприятным образом на условия пребывания людей в помещении.

Основной нормируемый гигиенический параметр в равенстве (IV. 1) —это перепад температур внутреннего воздуха и поверхно­ сти конструкции, обращенной в помещение, т. е. величина tB— /БП, влияющая на особенности теплообмена.

Эта величина устанавливается в зависимости от назначения по­ мещения и вида ограждающей конструкции. Чем меньше нормируе­ мая величина перепада tB— tB.n, тем более значительным сопротив­ лением теплопередаче обладает ограждающая конструкция, но обычно тем выше ее стоимость.

В помещениях жилых и общественных зданий на поверхности наружных стен нормами не допускается перепад более 6°, а на по­ верхности чердачных перекрытий — более 4,5°. Такие величины тем­ пературных перепадов обеспечивают некоторое ограничение резко­ го ощущения холода (холодной радиации) от поверхности ограж­ дений в наиболее суровые периоды зимы.

Эти наибольшие допустимые величины температурных перепа­ дов целесообразно уменьшать (т. е. повышать требуемое сопротив­ ление теплопередаче) во всех тех случаях, когда длительность су­ ровых периодов зимы велика, предельно допустимая холодная ра­ диация в помещении продолжительна, а эксплуатационные расходы на отопление здания становятся повышенными из-за чрезмерной стоимости отопительных систем и топлива.

В отапливаемых производственных помещениях, где люди заня­ ты физической работой, что связано с выделением большого коли­ чества тепла человеческим организмом, температурные перепады на поверхности ограждений допускаются до 7—8 и даже 10°.

При высокой влажности воздуха в помещении температура на поверхности конструкций ниже точки росы * не может быть допу­ щена, во избежание конденсации влаги.

* Точка росы ^росы — температура, при которой содержащийся в воздухе во­ дяной пар достигает насыщения (относительная влажность 100%).

139