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

Требуется определить, можно ли вести заполнение блоками в одной плоско­ сти с каркасом с тем, чтобы элементы последнего пересекали всю толщину сте­ ны (рис. IV .10).

а0,15

Фактическое сопротивление теплопередаче элемента бетонного каркаса (бе­ тон с кирпичным щебнем в сухих условиях эксплуатации Х=0,80 ккал/м-ч-град):

0,25

R'o= 0,133 + 0,80 + 0,05 = 0,49 град-м2-я]ккал.

что практически равно необходимому.

Таким образом, при высоких теплозащитных свойствах стен су­ хих помещений сквозные элементы бетонного каркаса с ограничен­ ным поперечным сечением не всегда являются причиной появления конденсата на внутренней поверхности стены *.

В отапливаемых зданиях с более теплопроводными элементами каркаса из железобетона или стали необходимо располагать такие элементы у внутренней поверхности стен, не заглубляя их в кон­ струкцию даже в сухих помещениях.

При облегченнных ограждающих конструкциях, малая толщина которых достигается за счет применения эффективных утеплителей, расположение ограждения с внешней стороны каркаса является обязательным правилом.

• Теплопроводные включения в стенах из легкобетонных камней или блоков могут быть образованы за счет большей теплопровод­ ности строительного раствора, примененного для'заполнения швов.

* Это подтверждается практикой эксплуатации термических, кузнечных и других сухих и хорошо вентилируемых цехов. Однако и в таких цехах следует избегать расположения элементов каркаса вблизи наружных углов, где величина коэффициентов тепловосприятия а в меньше чем на поверхности плоских участков стены, что связано с возможностью понижения температуры в зоне углов.

Сквозное пересечение стен указанных выше помещений элементами каркаса возможно преимущественно в том случае, если эти элементы выполнены из бето­ на с небольшой теплопроводностью (с легкими заполнителями и небольшим про­ центом армирования) и имеют небольшое поперечное сечение.

160

Теплофизический расчет сопряжений между блоками и камнями с заполнением стыков тяжелым раствором может быть выполнен при использовании выражения (IV.11).

Здесь величина 0= 0,49 определена интерполяцией по табл. ІѴ.З для Ro

Rотр

1,24 = -!— = 1,07.

1,16

Разница между необходимым и имеющимся сопротивлениями теплопереда­ че по шву незначительна (0,49—0,44=0,05) и появление конденсата на внутрен­ ней поверхности швов в большой мере будет зависеть от колебаний влажности воздуха в помещении, а также от степени увлажнения цементного камня в шве и от действительной величины его коэффициента теплопроводности. При уменьшении коэффициента теплопроводности цементно-песчаного раствора, например, до 0,65 ккал/м ■ч • град, что соответствует сухому состоянию мелко­ пористого цементного камня, вероятность конденсации в местах расположения швов полностью устраняется, даже при кратковременных повышениях влажно­ сти воздуха в помещении.

Вероятность конденсации влаги на внутренней поверхности стен из легко­ бетонных камней и блоков в местах расположения швов особенно велика во влажных климатических районах, где раствор, заполняющий шов, может быть увлажнен атмосферной влагой. В этом случае выполнение швов с пустотой внутри препятствует капиллярным перемещениям влаги по всей толщине стены, обеспечивает быстрое высыхание затвердевшего раствора после возможных эпи­ зодических увлажнений и одновременно увеличивает сопротивление теплопере­ даче конструкции в месте шва.

стью удовлетворяет теплофизическим требованиям даже при повышении влажно­ сти помещения до 60% в том случае, если швы будут выполнены пустотными.

В самом деле, сопротивление теплопередаче пустотного шва

величина сопротивления теплопередаче пустотного шва превышает требуемое значение при влажности <р=60%:

В действительности сопротивление теплопередаче пустотного шва будет еще выше за счет сухого состояния и меньшего значения коэффициента теплопровод­ ности цементного камня.

Пользуясь формулой IV. 12, легко вычислить значения температуры на по­ верхности теплопроводных включений, обращенной в помещение.

Пример 1Ѵ.4. Вычислить температуру на внутренней поверхности стены из пенобетонных блоков (см. пример ІѴ.2) и на поверхности бетонного каркаса, пересекающего эту стену, при расчетной температуре наружного воздуха —30°.

Такой же результат может быть получен расчетом по формуле (IV. 13).

Приведенные выше приближенные способы теплофизических расчетов теплопроводных включений относятся к однородным ог­

162

раждающим конструкциям с теплопроводными включениями про­ стейшей геометрической формы и при этом расположенными на значительном удалении друг от друга, что исключает влияние со­ седних включений на процессы перетекания тепла.

Для других видов ограждающих конструкций и более сложной формы или более близкого расположения теплопроводных включе­ ний, что часто встречается в практике проектирования, простых рас­ четных формул не существует.

Исключение представляет инженерный метод расчета темпера­ туры на поверхности вертикальных стыков трехслойных панелей, предложенный Ф. В. Ушковым на основе исследования большого количества температурных полей подобных стыков.

Обычно к вертикальному стыку панелей жилых зданий примы­ кает поперечная перегородка, влияющая на распределение темпе-

Рис. IV .12. Схема горизонтального стыка трехслойных панелей с примы­

городкой и ребром панели; б р — толщина ребра, обрамляющего панель

ратур (рис. IV. 12), поскольку по перегородке передается в зону стыка некоторое количество тёпла, пропорциональное эквивалент­ ному коэффициенту теплопередачи перегородки, равному:

где ав — коэффициент теплообмена на внутренней поверхности пе­ регородки; Ві — критерий Био для перегородки, характеризующий отношение тепла, поступающего из помещения через ее поверх­ ность, к количеству тепла, распространяющемуся внутри конструк­ ции, а именно:

Делением эквивалентного коэффициента теплоотдачи перегород­ ки на коэффициент теплообмена ее внутренней поверхности, полу­

турный перепад между температурой внутреннего воздуха и более низкой темпе­ ратурой в углу у стыка.

ссотн между перегородкой и стыком (иначе называемый коэффици­ ентом оребрения):

предварительно вычислить приведенное сопротивление теплопере­ даче стыка, определяемое по формуле:

между перегородкой и ребром панели; бр — толщина обрамляюще­ го ребра; R0.п; R0 .3 ',Ro.-p— сопротивления теплопередаче панели в сечениях по оси перегородки, зазору и обрамляющему ребру.

При вычислении R0.uтермическое сопротивление перегородки и

сопротивление тепловосприятию принимаются:/?в>п = —-— . После Gв^отн

этих предварительных вычислений, для приближенного расчета минимальной температуры в углу стыка (ув.п можно пользоваться формулой:

Результат, получаемый по этой приближенной формуле, обычно от­ клоняется не более чем на 1° от значений температуры в углу, уста­ новленных точным расчетом двумерного температурного поля.

7,5 = ~ 0,06 = 0,321, где 7,5 и 1,4 — коэффициент тепловосприятия поверхности и

коэффициент теплопроводности бетона; относительный коэффициент интенсифи­

кации теплообмена между перегородкой и стыком: аотн = Ѵт = 1,765. Сопро­ тивление теплопередаче панели по оси стыка и перегородки:

164

Сопротивление теплопередаче стыка по ребру панели:

0,25

R0 р = 0,05 + — — + 0,133 = 0,39 град-м2-ч\ккал.

1,2

Среднее приведенное сопротивление стыка теплопередаче (IV. 16):

0,12

0,167 = 0,72 град-м2-чІккал.

Тогда наинизшая температура в углу составит:

Точный расчет температурного поля мог бы установить значение для

*1п= 12,1*.

165

§5. ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Впредыдущих разделах рассматривалось распределение темпе­ ратур, устанавливающееся внутри ограждающих конструкций ввиду наличия разности температур внутреннего и наружного воз­ духа и возникающих под влиянием этой разности процессов тепло­ передачи.

Температурное поле и теплотехнические качества конструкций могут существенно измениться при совместном действии процессов передачи тепла и фильтрации воздуха через ограждения зданий.

Фильтрация холодного наружного воздуха, возникающая под влиянием ветра и теплового напора, вызывает увеличение потерь тепла через ограждающую конструкцию и смещение температурно­ го поля по сравнению с тепловым состоянием конструкции при от­ сутствии фильтрации. Такое смещение в распределении температур объясняется тем, что часть тепла, проходящего через ограждаю­ щую конструкцию, затрачивается на нагревание. фильтрующегося холодного воздуха.

Дифференциальное уравнение теплопроводности при фильтра­ ции воздуха выводится в предположении, что температура филь­ трующегося воздуха и материала равны между собой в любом се­ чении конструкции, а физические параметры воздуха остаются по­ стоянными при изменении температуры в пределах этого сечения *. Предполагая, что поток тепла одномерен, а фильтрационный поток совпадает с ним по направлению, или является встречным (т. е. отличается на 180° от направления потока тепла), можно выделить бесконечно тонкий слой конструкции dx и рассмотреть условия его теплового баланса.

При отсутствии фильтрации через этот слой проходит количе­ ство тепла

Q= —X dt dx

Изменение количества тепла, проходящего через слой dx со­ ставит:

Если считать, что это изменение происходит только из-за затра­ ты части тепла на согревание фильтрующегося воздуха на величи­ ну dt, то можно записать:

* Температура фильтрующегося воздуха практически не отличается от тем­ пературы материала слоя при малых скоростях фильтрации.

166

где W — количество воздуха, фильтрующегося через ограждающую конструкцию, кг/м2-ч\ с — удельная теплоемкость воздуха при по­ стоянном давлении, равная 0,24 ккал/кг -град.

Приравнивая правые части уравнений (а) и (б) имеем:

температурного поля плоской однородной стенки в стационарных условиях теплопередачи при наличии установившейся фильтрации холодного воздуха [55].

В основу уравнения положена математическая аналогия тепло­ проводности и фильтрации; такая аналогия справедлива для уста­ новившихся процессов переноса в идеально пористых материальных

конструкций, выполненных из таких материалов, возникают сопро­ тивления фильтрационному потоку *, в результате чего он может изменить свое направление — на параллельное внешней поверхно­ сти конструкции. Сквозной фильтрации при ограниченной разности давлений не возникает, и уравнение (IV. 17) утрачивает свою фи­ зическую обоснованность.

Однако уравнение (IV. 17) обычно оказывается справедливым для однородных пористых конструкций при значительной разности давлений и использовании экспериментальных значений констант воздухопроницаемости.

Если изобразить многослойную пористую стенку в масштабе термических сопротивлений (R) и считать, что сопротивления филь­ трационному потоку на границах конструктивных слоев отсутству­ ют, уравнение (ІѴ.17) примет вид, позволяющий применить его к расчету стационарного температурного поля слоистой ограждающей

Решение дифференциального уравнения (IV. 18) было получено Ф. В. Ушковым [55] в следующем виде:

( I V . 19)

* Возникновение таких сопротивлений характерно при переносе любых видов вещества (массы); для газообразной фазы это будет, например, воздух, любые газы, парообразная влага и т. д.

167

где tx—температура в любой плоскости ограждающей конструк­ ции при установившейся фильтрации холодного воздуха, град\ tB и ta — соответственно температуры внутреннего и наружного возду­

ного воздуха выражается кривой линией, отклоняющейся в сторо­ ну более низких значений от прямолинейного распределения темпе­ ратур, отвечающего условиям теплопередачи при отсутствии филь­ трации (рис. IV.14),

Рис. IV. 14. Схема распределения температур и потоков тепла при одномерной установившейся фильтрации холодного воздуха через плоскую стенку из пористых материалов:

QH — поток тепла, выходящий из стены

При установившейся фильтрации холодного воздуха потоки теп­ ла, входящего в стену и выходящего из нее, не равны друг другу; разность между входящим и выходящим потоками тепла равна ко­ личеству тепла, затраченного на согревание холодного фильтрую­ щегося воздуха, т. е.:

Поток тепла, входящий в стену, составляет:

е0 — 1

Величина выходящего из ограждающей конструкции теплового по­ тока соответственно равна:

Показатель степени cWR в выражениях (19), (21) и (22) — безраз­ мерная величина, характеризующая относительную интенсивность фильтрации, и с точки зрения теории подобия представляет собой произведение критериев Рейнольдса и Прандтля (Re-Pr).

168

Вычисленная по входящему потоку тепла величина сопротивле­ ния теплопередаче ограждающей конструкции при установившей­ ся фильтрации холодного воздуха, определяется по формуле:

При очень большом количестве фильтрующегося воздуха, т. е.

еcWR0— 1 .

женная формула для определения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, с учетом интенсивного сквозного пото­ ка воздуха, фильтрующегося через нее:

теплофизические свойства определяются преимущественно высоки­ ми показателями проницаемости для холодного воздуха, и при ма­ лой степени герметизации эти свойства могут быть полностью утра­ чены.

При решении уравнения (18) и выводе формул (19), (21), (23) принимается, что сопротивления фильтрационному потоку (массообмену) на поверхности конструкций, а также на границах слоев в слоистых ограждениях — отсутствуют, что справедливо при уста­ новившейся фильтрации через идеально пористые материалы, но не всегда соответствует действительным условиям воздухопроницания через материалы относительно плотные. Поэтому при приме­ нении приведенных выше формул, необходимо использовать экспе­ риментальные характеристики воздухопроницаемости конструкций и их отдельных слоев, в которые по условиям проведения экспери­ мента входят и поверхностные сопротивления.

Фильтрация наружного воздуха особенно сильно влияет на по­ нижение эксплуатационных качеств стен, выполненных из пористых материалов и не защищенных плотными отделочными слоями, а также покрытий с кровлями из штучных изделий, сопряжения между которыми обычно обладают неплотностями.

Выяснению и систематизации расчетных величин, характеризую­ щих воздухопроницаемость строительных материалов и конструкций, способствовали многолетние экспериментальные исследования, про­ веденные в СССР Р. Е. Брилингом [52].

Расчет ограждающих конструкций на воздухопроницаемость обычно проводится при постоянной разности общих давлений воз-

169