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

душной среды и установившемся потоке воздуха, фильтрующегося сквозь конструкцию.

По аналогии с коэффициентом теплопроводности материалов предложен коэффициент воздухопроницаемости і с размерностью кг/м- ч-мм вод. ст. Эта величина должна представлять количество воздуха в кг, фильтрующееся при установившемся потоке воздуха через слой материала толщиной 1 м и сечением 1 м2 в течение 1 ч при разности давлений 1 мм вод. ст.

Зная толщину однородной конструкции или отделочного кон­ структивного слоя и пользуясь величиной коэффициента воздухо­ проницаемости, можно (по аналогии с расчетами термического со­ противления) вычислить сопротивление воздухопроницанию по та­

где ö — толщина конструктивного слоя, м.

Сопротивление воздухопроницанию имеет размерность мм вод. ст.-м2-ч/кг и представляет разность общих давлений, при ко­ торой поток воздуха через 1 м2 ограждающей конструкции равен 1 кг/ч. Однако коэффиицент воздухопроницаемости, а следователь­ но, и вычисляемое на его основе сопротивление воздухопроница­ нию, являются гораздо менее строгими понятиями, чем коэффи­ циент теплопроводности и термическое сопротивление.

Как было указано ранее, физический механизм переноса веще­ ства в капиллярно-пористых материалах существенно отличен от механизма переноса тепловой энергии.

При переносе воздуха фильтрационного потока внутри конст­ рукции может и не возникнуть, если разность давлений на ее про­ тивоположных поверхностях имеет ограниченные значения.

Фильтрационный поток возникает лишь в том случае, если раз­ ность давлений превысит (по своему энергетическому уровню) со­ противления этому потоку, возникающие на поверхности и в толще конструкции.

Некоторые плотные материалы с очень мелкими порами, одно­ родной структурой, без трещин практически не пропускают моле­ кул воздуха при умеренной разности давлений. Поэтому для плот­ ной керамики, пластифицированных растворов, бетонов и других плотных материалов, не имеющих трещин и проницаемых сопряже­ ний, коэффициент воздухопроницаемости в пределах разности дав­ лений до 5 мм вод. ст. практически равен нулю. Такие же данные получают и при экспериментальных исследованиях влажных мате­ риалов, поры которых заполнены влагой, удерживаемой силами адгезии и капиллярного давления.

Совершенно естественно, что коэффициент воздухопроницаемо­ сти равен нулю и для таких предельно плотных материалов как стекло, плотные пластмассы, листовой алюминий, плотные прослой­ ки битума, не имеющие трещин, многослойные рулонные кровли и т. д. Плотность и структура материала внешних поверхностных

170

слоев однородной ограждающей конструкции имеют решающее значение для общей величины ее воздухопроницаемости.

При хорошем качестве кладки кирпичные и другие каменные стены со сплошной, бесшовной, тщательно выполненной штукатур­ кой на наружной поверхности достаточно воздухонепроницаемы и при скорости ветров до 5—6 місек не требуют расчета на фильтра­ цию воздуха. В то же время, если в плотном материале имеются мельчайшие трещины, иногда неразличимые глазом, его воздухо­ проницаемость возрастает во много раз.

Неоднородные материалы (например, бетоны), в которых легко образуются микротрещины на границах инородных включений (особенно при различных величинах коэффициентов термического расширения отдельных компонентов материала), обычно обладают высокой воздухопроницаемостью. Таковы крупнопористые бетоны, состоящие из двух компонентов: цементного раствора и гравия с гладко окатанной поверхностью, цементные шлакобетоны с запол­ нителями из топливных шлаков и т. д. *.

При выполнении ограждающих конструкций (например, панель­ ных) из ячеистых или других однородных легких бетонов наблю­ дается общее уплотнение поверхностных слоев конструкций в ре­ зультате особенностей бетонирования и структурообразования бе­ тона в этих слоях.

Поверхностные слои, даже неофактуренной конструкции, часто

толщине конструкции (в частности, из-за явлений притока цемент­ ного раствора при бетонировании конструкции в зону опалубки, а также из-за процесса седиментации раствора, рис. IV. 15), также неравномерно и сопротивление воздухопроницанию Rw, имеющее наибольшие величины в поверхностных слоях.

Отсюда следует, что сопротивление воздухопроницанию не яв­ ляется величиной, пропорциональной общей толщине б однородной конструкции, как это отмечалось ранее для термического сопротив­

ления, т. е -у- , поскольку фильтрационному потоку оказыва­

ют большее сопротивление внешние поверхностные уплотненные слои, реальная толщина которых измеряется миллиметрами.

Наличие уплотненных наружных слоев характерно не только для бетонных, но и для кирпичных конструкций, поскольку внешние слои кирпича и швов раствора могут обладать повышенной плот­ ностью.

Воздухопроницаемость сопряжений между отдельными элемен­ тами ограждающих конструкций обычно во много раз больше воз-

171

духопроницаемости материалов, из которых выполнены эти эле­ менты.

При проектировании ограждающих конструкций с наличием стыков и неплотностей необходимо учитывать общее увеличение воздухопроницаемости таких ограждений.

Наибольший эффект для уменьшения воздухопроницаемости стыков и других сопряжений дает их плотное заполнение упругими прокладками и пластичными составами. Форма и очертания самого сопряжения также имеют существенное значение. Наличие воздухопроницаемых сопряжений наиболее ха­ рактерно для конструкций, выполняемых из крупных элементов. Температурные деформации таких элементов особенно значитель-

а)

Рис. IV.Г5. Неравномерное распределение плотности легкого бетона в однородной конструкции панели:

бетона; Уф — фактические изменения значений объемного веса

ны в подвергающейся резким температурным влияниям наружной части панелей и достаточное сопротивление сопряжений воздухопроницанию может быть обеспечено применением в этой части уп­ ругих прокладок и шнуров или эластичных непроницаемых запол­ нений мастиками, компенсирующих термические изменения разме­ ров панелей. При большой амплитуде колебаний температур наружного воздуха в течение года (например в климатических усло­ виях Сибири) упругие и эластичные свойства применяемых прокла­ док и покрытий должны быть особенно высокими и долговремен­ ными *.

Наличие воздухопроницаемых сопряжений и швов характерно также для каменных стен и облицовок, где более воздухопроницае­ мыми участками часто оказываются швы кладки, недостаточно плотно заполняемые раствором. Наибольшая воздухопроницае­ мость швов отмечается для зимних кладок, производство которых ведется при отрицательной температуре, а также при использова­

* Значительный интерес в этом отношении представляют, например, упругие прокладки и эластичные пленки на основе пористых фторосодержащих полиме­ ров (фторопластов).

172

нии пористых и недостаточно пластичных растворов (особенно при слабом их сцеплении с поверхностью камней).

В связи с наличием неплотностей и недостаточно герметичных сопряжений в ограждениях для расчета их проницаемости надеж­ нее пользоваться не величинами их толщины и коэффициентов воз­ духопроницаемости материалов, а результатами непосредственных исследований сопротивления фильтрации конструкции в целом.

Величины экспериментально установленных сопротивлений воздухопроницанию включают физические сопротивления на поверх­ ности, а также активизацию фильтрации через мельчайшие трещи­ ны и неплотности.

Если величины разности давлений, использванные при экспери­ менте и рассматриваемые в дальнейших расчетных соображениях, совпадают по порядку величины, то фильтрационный поток W че­ рез конструкцию может быть определен, как

где Ra — сопротивление конструкции воздухопроницанию, установ­ ленное экспериментом.

В том случае, если ограждающая конструкция состоит из не­ скольких слоев, нормами строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиПа предлагается устанавливать их общее сопро­ тивление воздухопроницанию Roa по очень приближенной следую­ щей формуле:

^ 0и=:'^иі+ ^и2 + • • • +#ия мм вод■ст.-м2-я!кг, (ІѴ.26)

где Яиі, R VL2 , Rim — сопротивления воздухопроницанию отдельных конструктивных слоев ограждения.

Расчетной формулой (26) предполагается одномерное направле­ ние потока воздуха сквозь ограждающую конструкцию (сквозная фильтрация). Однако такое допущение достаточно справедливо лишь для конструкций, выполненных из очень пористых материа­ лов, не имеющих структурной неоднородности.

Это допущение не соответствует особенностям распределения потоков воздуха внутри тех многослойных конструкций, отдельные слои которых существенно отличаются друг от друга по величинам сопротивления фильтрации, а контакты в плоскостях сопряжения слоев обладают значительными неплотностями. В этом случае, на­ правленный сквозь ограждение поток воздуха, как только достигает поверхности более плотного слоя, распространяется параллельно этой поверхности, т. е. в направлении наименьшего сопротивления (так называемая «продольная фильтрация»).

Иначе говоря, поток воздуха W распределяется по двум направ­ лениям Wx, Wy; при этом величины распределяющихся потоков прямо пропорциональны градиентам давлений Ар по соответствую­

173

щим направлениям х, у и обратно пропорциональны сопротивле­

ниям Rn>x; Яи,у*-

Количественное выражение потока воздуха Wx, продолжающего проникать сквозь ограждение, после того как часть общего началь­ ного потока №Нач распространилась вдоль плотного слоя, составит:

слои многослойного ограждения, равна алгебраической сумме по­ токов сквозной и продольной инфильтрации.

В связи с этим формула (IV.26), устанавливающая общее сопро­ тивление воздухопроницанию суммированием сопротивлений от­ дельных слоев, во многих случаях не является даже приблизитель­ но точной, поскольку основное значение для Roa имеет плотный на­ ружный слой, а значение последующих слоев все более и более падает.

Для приближенного решения проще определять общее сопро­ тивление конструкции воздухопроницанию по величине сопротив­ ления наиболее плотного слоя. В тех случаях, когда это не проти­ воречит другим требованиям, такой слой следует располагать бли-

{ же к наружной поверхности конструкции.

чета фильтрации наружного воздуха через стену устанавливается с учетом давления ветра и теплового напора и принята равной для нижней части стены

Др=2,21 мм вод. ст.

Без учета фильтрации сопротивление теплопередаче стены, ограждающей рассматриваемое сухое помещение, составит:

dW,

174

Количество воздуха, фильтрующегося сквозь стену, в соответствии с фор­ мулой (IV .25) составит:

пичной кладки и сопротивления теплоотдаче на наружной поверхности конст­ рукции.

Величина сопротивления теплопередаче стены при сквозной фильтрации холодного воздуха:

т. е. Ron снизилась примерно в три раза.

При расчетной температуре наружного воздуха —26° и отсутствии фильт­ рации температура на внутренней поверхности стены была бы +12,7°, т. е. зна­

В этом случае количество фильтрующегося воздуха составит:

2 21

W = у у = 1 кг\м2-ч,

т. е. уменьшиться в 11 раз. Температура на внутренней поверхности конструк­ ции повысится до следующей величины:

gO,24-1,0-98_ J

‘-и = - :26 + <18 + 2б) е0,2 4 ^ 1 , 1 1 1 , = + 12°’

т. е. до допустимых пределов.

Из приведенного примера видна необходимость обеспечения до­ статочного сопротивления воздухопроницанию наружных слоев стен, ограждающих помещения сухие и с нормальной влажностью *.

Т~ Степень охлаждения и снижения эксплуатационных качеств на­ ружных стен возрастает в многоэтажных зданиях, поскольку раз-

* Осуществление плотного наружного слоя стен влажных помещений воз­ можно не во всех случаях, так как такое конструктивное решение может ухуд­ шить влажностное состояние ограждений.

175

ность общих давлений воздуха, вызываемая тепловым напором, увеличивается с высотой здания.

Несущие кирпичные стены с недостаточно тщательно заполнен­ ными швами (например, зимняя кладка) утрачивают непроницае­ мость и при отсутствии уплотнения швов наружной облицовки, про­ пускают такое количество наружного воздуха, которое в состоянии охладить помещения нижних этажей многоэтажного здания до не­ допустимых пределов.

Рис. IV. 16. Фильтрация холодного воздуха через конструкции стен с недо­ статочно плотным наружным слоем:

стены

На рис. IV. 16, а приведена конструкция массивной несущей сте­ ны многоэтажного здания, отличающаяся повышенной воздухопро­ ницаемостью (из опыта эксплуатации многоэтажных жилых зда­ ний в Москве). Наружная керамическая облицовка, выполненная без расшивки (а часто и без плотного заполнения швов раствором), и такая же проницаемая зимняя кирпичная кладка обладают нич­ тожным сопротивлением воздухопроницанию (около 0,2—0,4 мм вод. ст.-м2-чІкг), примерно в десять раз меньшим, чем отделенные от стены воздушной прослойкой гипсовая сухая штукатурка и оклейка обоями. Фильтрующийся сквозь стену воздух с низкой тем­ пературой распространяется вверх по воздушной .прослойке, вдоль

176

плотного внутреннего отделочного слоя, резко понижая температу­ ру на поверхности конструкции, обращенной в помещение.

В неправильно выполненных слоистых стенах невысоких зданий (с большими размерами в плане) большое количество холодного воздуха, проникшего в наружные, недостаточно уплотненные слои, встречает высокое сопротивление воздухопроницанию последующих конструктивных слоев и распространяется под облицовкой или да­ же под внутренним отделочным слоем вдоль стены (рис. IV. 16, б). Это связано с различными величинами аэродинамических давлений на отдельных участках наружных стен здания.

Для случая, рассмотренного в предыдущем примере, разность аэродинамических давлений близ наружных углов и в середине зда­ ния составит около 0,44 мм вод. ст. Такой разности давлений доста­ точно для того, чтобы вызвать охлаждение стены на значительной части ее длины, если конструкция не обладает достаточным сопро­ тивлением воздухопроницанию в плоскости соприкосновения слоев (например, в плоскости примыкания наружной облицовки к внут­ ренним конструктивным слоям).

Если в стене, приведенной на рис. IV. 16, б, поверхность пенобе­ тонных плит примыкает к кирпичной облицовке насухо, т. е. в плос­ кости примыкания имеется воздушный зазор, или в том случае, если раствор неполностью заполняет шов, сопротивление воздухопрони­ цанию незначительно и его можно приближенно принять равным 0,1 мм-м2-ч!кг. Тогда количество воздуха, проникающего под кир­ пичную облицовку и фильтрующегося вдоль более плотных слоев, составит в соответствии с (IV.27):

Такое количество воздуха охлаждает стену и в морозные ветренные дни понижает температуру на поверхности, обращенной в помещение, до отрицательных значений, что обычно связано с по­ явлением инея.

Из практики эксплуатации зданий известно также охлаждение фильтрацией холодного воздуха неправильно спроектированных или неудовлетворительно выполненных бесчердачных покрытий с проницаемыми для ветра кровлями из штучных материалов (ас­ бестоцементных листов, шифера, черепицы и т. д.). В ветренные пе­ риоды зимы отмечается, например, промерзание глухих скатов шедов с шиферной кровлей в цехах текстильной промышленности, ограждений жилых мансард, расположенных под черепичной кров­ лей и т. д. Для устранения таких явлений следует прокладывать под кровлей из штучных изделий слой рулонного материала, непро­ ницаемого для холодного воздуха (например толя, плотной строи­ тельной бумаги и т. д.).Однако предусматриваемая в указанных ограждениях влагоизоляция (пароизоляция) вблизи поверхности, обращенной в помещение, должна превышать по сопротивлению проницанию изоляционный слой, уложенный под кровлей.

177

При проектировании ограждающих конструкции из крупных элементов основное значение имеет учет фильтрации в местах со­ пряжений, обладающих меньшим сопротивлением воздухопроницанию, по сравнению с основными участками конструкции, В связи с относительно высоким сопротивлением основных участков, поток холодного воздуха приобретает направленность вдоль поверхности ограждения и сквозная фильтрация происходит преимущественно

через стыки (рис. IV. 17).

Стыки с заполнением обычным цементным раствором (бетоном) без уплотнения упругими прокладками или без защиты специаль­ ными непроницаемыми покрытиями и ма­

лстиками обладают весьма непостоянным

чі/ (постоянно уменьшающимся с течением

времени) сопротивлением воздухопроницанию. Объясняется это процессами об­ разования трещин в затвердевшем це­ ментном камне, особенно легко возника­ ющих в наружной части стыка, наиболее подверженной влиянию наружного кли­ мата и температурным деформациям.

Изменения проницаемости стыков с уплотняющимися упругими прокладками и эластичными герметизирующими мас­ тиками менее выражены и происходят более медленно; кинетика утраты герме­ тичности и развития трещин зависит от сохранности упругих и эластичных свойств прокладок и мастик.

Через правильно запроектированный и тщательно уплотненный стык проника­ ет малое количество холодного воздуха; в этих условиях на рас­

пределение температур в зоне стыка может влиять теплопровод­ ность материала внутренней части панелей, поскольку с этим фи­ зическим свойством связано количество тепла, поступающего в охлаждаемую зону стыка от соседних участков конструкции с бо­ лее высокой температурой. Минимальная температура на поверх­ ности конструкций в зоне сопряжения может быть установлена в зависимости от отношения теплопроводности материала внутрен­ ней части панели к количеству тепла, необходимого для согревания

воздуха, проникающего через стык, т. е. —• . В зависимости от ве-

CW

личины этого отношения и имеющегося сопротивления теплопере­ даче панели, по графику рис. IV. 18 может быть определено значе­

ние безразмерной температуры —----— (tB и tn— соответственно

температуры внутреннего и наружного воздуха, f B.п — температу­ ра в зоне стыка с учетом его воздухопроницаемости), а затем и

178

Рис. IV. 18. График для определения безразмерной температуры при расчете воздухопроницаемости стыков

Если в зоне стыка имеется теплопроводное включение, то при­ ближенно можно полагать, что температура на поверхности стыка, понизившаяся в результате воздухопронидания и повышенной теп­ лопроводности включения, составит;

где — значение температуры на поверхности воздухопроницае­ мого стыка при отсутствии теплопроводного включения; ^в.п — зна­

179