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

Для однородной ограждающей конструкции толщина слоя рез­ ких колебаний определится из (V.6) так:

Теория теплоустойчивости уже около полувека является основой для разработки и применения удобных в практике и достаточно обоснованных методов расчета изменений теплового состояния ограждений и помещений зданий при периодических воздействиях тепла. Эти периодические воздействия температуры типичны почти для любых, а в особенности для континентальных климатических условий, поскольку последние характеризуются наиболее резкими колебаниями температуры в течение суток, периодов года и всего

годового цикла. Со слоем резких температурных колебаний д = —

у строителей связано понятие об активной теплоемкости конструк­ ций, т. е. об аккумуляции ими тепла; из этого понятия закономерно вытекает обоснованное представление о практически одинаковой теплоустойчивости толстой конструкции, выполненной из материала с определенными свойствами, и конструкции, у которой из такого материала выполнена лишь внутренняя часть на толщину слоя рез­ ких колебаний *. При этих допущениях теплофизические процессы, происходящие в действительности, отображаются теорией тепло­ устойчивости достаточно полно, а практические методы расчетов, вытекающие из нее, по-прежнему оказываются наиболее удобными для установления изменений во времени теплового состояния ограждающих конструкций зданий и ограждаемых ими помещений.

X

190

Тогда толщина слоя резких колебаний, определяемая по формуле (Ѵ.ба), равна:

При уменьшении длительности периода колебаний потока тепла один и тот же конструктивный слой материала может превратиться

втолстый, в связи с уменьшением толщины слоя резких колебаний

иколичества тепла, аккумулируемого им.

Слой резких колебаний занимает сравнительно небольшую часть общей толщины ограждающей конструкции. Поэтому даже отде­ лочный слой, выполненный из плотного материала, влияет на коле­ бания температуры на поверхности конструкции и изменение ее активной теплоемкости. Стена, имеющая на поверхности, обращен­ ной в помещение, плотный фактурный слой или штукатурку, ока­ жется более теплоустойчивой (обладающей большей активной теп­ лоемкостью), чем такая же стена, но лишенная этого слоя.

При наличии плотной фактуры граница слоя резких колебаний обычно располагается в материале стены, находящемся под фак­ турой, поскольку характеристика тепловой инерции фактурного слоя, принятой в строительной практике толщины, меньше единицы.

Коэффициент теплоусвоения поверхности конструкции опреде­ ляется в этом случае по формуле (Ѵ.З).

При т=24 ч (например, при топке печи один раз в сутки) коэффициент теп­ лоусвоения внутренней поверхности стены, определенный по формуле (Ѵ.З), составит:

Нанесение фактурного слоя привело к увеличению значений ко­ эффициентов теплоусвоения поверхности стены на 60—80%.

Если штукатурка отделена от основного материала стены воз­ душной прослойкой или под штукатуркой имеется слой какой-либо дополнительной термоизоляции, имеющий малую величину D, зна-

191

чения коэффициентов теплоусвоения внутренней поверхности ограждения изменяются, поскольку слой резких колебаний распо­ лагается уже в трех слоях, состоящих из разнородных материалов.

В этом случае определение коэффициента теплоусвоения по фор­ муле (Ѵ.З) производится сначала для второго слоя, а затем уже для первого, т. е. для внутренней поверхности ограждения. Коэф­ фициент теплоусвоения воздушных прослоек принимается равным нулю при любом периоде колебаний теплового потока, а следова­ тельно, принимается равной нулю и характеристика тепловой инер­ ции воздушной прослойки (поскольку D=Rs = R-0~0) .

Пример Ѵ.З. Определить коэффициент теплоусвоения внутренней поверхно­ сти стены из пенобетона, имеющей внутреннюю отделку из гипсовых плиток толщиной 0,02 м , отделенную от стены воздушной прослойкой.

Термические сопротивления трех слоев стены, в которых располагается слой резких колебаний, величины коэффициентов теплоусвоения материалов этих слоев и их характеристики тепловой инерции приведены ниже. Поместим резуль­

При т=24 ч (т. е., например, при одной топке в сутки) коэффициент тепло­ усвоения предпоследнего (второго) конструктивного слоя, входящего в слой резких колебаний (т. е. воздушной прослойки), определяется по формуле (Ѵ.З) с соответствующим изменением индексов входящих в нее величин, а именно:

Тогда коэффициент теплоусвоения первого слоя, равный коэффициенту теп­ лоусвоения внутренней поверхности стены:

При т=12 ч (например, две топки печи в сутки):

192

Штукатурки, отделенные воздушной прослойкой, значительно понижают коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждений по сравнению со штукатурками, нанесенными непо­ средственно на поверхность основного материала ограждения. При отсутствии воздушной прослойки под отделочным слоем коэффи­ циент теплоусвоения при периоде 24 ч был бы:

в1 + 0 ,0 5 -2 ,3 7

Из предыдущих примеров видно, что при уменьшении длитель­

ности периода т колебаний потока тепла (т. е. при увеличении час-

2л тоты этих колебаний о>= — ) величина коэффициента теплоусвое-

нпя поверхности конструкции возрастает, а толщина слоя резких колебаний уменьшается. При более частых колебаниях потока теп­ ла поверхностными слоями ограждений поглощается большее коли­ чество тепла, а конструкции оказываются более теплоустойчивыми. В практике эксплуатации зданий с местным отоплением указанная закономерность используется путем проведения более частых топок в большие морозы, что может дать при приблизительно одинаковом расходе топлива лучший теплотехнический эффект по сравнению с топкой один раз в сутки.

Летние изменения температуры и солнечного облучения имеют период колебаний, равный 24 ч, и длительность этого периода не может быть уменьшена; в связи с этим обеспечение теплоустойчи­ вости ограждений в южных районах представляет серьезную ин­ женерно-экономическую задачу, некоторые направления в решении которой рассмотрены в последующем параграфе.

§3. ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

ВЛЕТНИЙ ПЕРИОД

Тепловые воздействия на наружную поверхность ограждающих конструкций в жаркое время года имеют явно выраженный перио­ дический характер; необходимые теплофизические качества ограж­ дений при нестационарном прогреве могут быть установлены пу­ тем применения описанных выше основных положений теории теп­ лоустойчивости. Колебания температур на наружной поверхности ограждений постепенно затухают по мере распространения в глубь конструкций; наибольшее затухание (примерно вдвое) происходит в слое резких колебаний (см. рис. II.7). Общая величина затухания по толщине конструкции выражается отношением амплитуд коле­ баний на наружной и внутренней поверхностях ограждения в соот­ ветствии с формулой (V.4).

Распространение тепловой волны в толще конструкции требует определенного времени, в связи с чем максимальная температура на поверхности, обращенной в помещение, отмечается лишь через несколько часов после наибольшего нагрева наружной поверхности. Основные характеристики теплофизических процессов, подлежащие

расчету, —это степень затухания температурных колебаний внутри конструкции, а иногда и время, необходимое для полного прогрева последней.

Поскольку современные конструкции зданий обычно состоят из нескольких слоев, теплофизические расчеты указанных выше вели­ чин должны быть отнесены также и к слоистым конструкциям.

Затухание температурных колебаний в каком-либо произвольно выбранном слое слоистой ограждающей конструкции не может быть определено независимо от особенностей расположения этого слоя в конструкции, так как оно

сти конструкции, непосредственно воспринимающей периодические тепловые воздействия. Это значит, что при расчете теплоустойчи­ вости в летних условиях, когда периодическому нагреву подвер­ гается наружная поверхность ограждения, расчет начинается с конструктивного слоя, граничащего с воздухом помещения.

Соответственно этому назначается нумерация слоев при расчете затухания колебаний температуры внутри конструкции (рис. V.2).

Метод расчета затухания [54] основан на решении дифферен­ циального уравнения (1.7) нестационарного потока тепла для слу­ чая гармонических колебаний температуры с помощью гиперболи­ ческих функций комплексного переменного и использования поня­ тий о коэффициенте теплоусвоения и условной толщине.

Формулы для приближенного расчета, приведенные далее, по­ лучены путем исключения из точных формул комплексных чисел, что приводит к некоторому искажению закономерностей затухания температур, происходящему, однако, для распространенных конст­ рукций зданий в допустимых для практики пределах.

Основная часть расчета затухания колебаний температур в ограждающей конструкции сводится к описанному выше последо­

194

вательному вычислению коэффициентов теплоусвоения У поверх­ ностей конструктивных слоев, в порядке их нумерации, указанной на рис. V.2. Для толстых слоев принимается, что Y—s.

Затухание амплитуд температурных колебаний в однородной ограждающей конструкции следует определять по формуле:

Ч а с ы с ^ т о к

Рис. Ѵ.З. Изменения в течение суток температуры воздуха в меж­ стекольном пространстве жилых зданий в сухом жарком климате (по данным Б. Ф. Васильева и К. Ширдатова):

1 — окно ІО-З ориентации без солнцезащиты (Бухара, 1954 г.); 2 — окно ю-ю-з ориентации с солнцезащитой (наружные ставни-жалюзи); Ашхабад, 1965 г.

коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхно­ стях ограждения; s — коэффициент теплоусвоения материала. Затухание амплитуд колебаний температур в слоистой ограждаю­ щей конструкции определяется по формуле:

SP

эффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждающей конструкции.

Индексы при буквенных обозначениях соответствуют порядку номеров слоев, причем нумерация последних принимается, как бы­ ло сказано ранее, в направлении, обратном движению тепловой волны.

Если в конструкции имеется воздушная прослойка, ее коэффи­ циент теплоусвоения Увз.пр определяется по формуле (Ѵ.З), пола­ гая, что для воздуха s = 0, и тогда

где « 2 — коэффициент теплоусвоения материала, ограничивающего прослойку; Увз.пр— термическое сопротивление воздушной прослой­

Например, если воздушная прослойка (DB3.np=0,2 град-м2-ч/ккал) имеется в конструкции из пенобетона, т. е. Хг —2,37 ккал/м2-ч-град,

лебаний в ней: ѵвз.пр= 1 +1,61-0,2= 1,32. Это значит, что в конструк­ ции с воздушной прослойкой затухание температурных колебаний возрастает в 1,32 раза, поскольку в формуле (Ѵ.8а), дающей вели­ чину полного затухания в ограждающей конструкции, значения за­ тухания в отдельных ее слоях перемножаются, т. е.

При предварительных ориентировочных вычислениях теплофизиче­ ских свойств ограждающих конструкций, формулы (Ѵ.8) и (Ѵ.8а) могут быть заменены следующим упрощенным выражением [5], не требующим предварительного вычисления коэффициентов тепло­ усвоения поверхностей слоев Y:

где 2D — характеристика тепловой инерции ограждающей конст­ рукции; 2 R — термическое сопротивление ограждающей конструк­

ции Рсл—0,85 + 0,15 —— множитель, учитывающий соотноше-

ние коэффициентов теплоусвоения — материалов двух основных

Sl

конструктивных слоев ограждения, расположенных по направлению

2D

тепловой волны; |+ п = 1+0,5/+,.+ —------ множитель, вводи- 2R

* Формулы этого вида неприменимы для особо легких ограждающих конст­ рукций с тепловой инерцией £><2,5.

196

мый при наличии воздушной прослойки в ограждающей конст­ рукции.

Для наиболее распространенных в строительстве конструкций формула (V. 11), основанная на замене многослойной конструкции однородной, приближенно эквивалентной ей по теплофизическим свойствам, дает результаты, достаточно удовлетворительно совпа­ дающие с расчетами по (V.8) и (Ѵ.8а).

эффициенты теплопроводности пенобетона и плотной фактуры. Характеристика

скольку толщина пенобетона превышает толщину слоя резких ко­ лебаний. Зная эти физические величины, производим расчет зату­ хания колебаний температуры по формуле (8а):

По формуле (V. 11) имеем:

ѵобщ= е °’7’3'9з ^о,83+ 3 b |j 0,9 = 28,58,

что отклоняется от предыдущего результата примерно на 12%. Если стена обращена на запад, то расчетная амплитуда коле­

баний температуры на ее наружной поверхности (см. пример 11.1) может быть принята Аt= 24,9°.

Амплитуда на поверхности, обращенной в помещение (затух­ шая в 32,3 раза): А / = 24,9/32,3 = 0,77°*.

* Допустимое значение амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций может быть определено по формуле;

At < 2,5 — 0,1 (%— 20) град,

где ta— среднемесячная температура наружного воздуха за июль месяц.

197

Панельная степа, рассмотренная в примере, удовлетворяет тре­ бованиям норм для самых южных районов СССР. В отношении аб­ солютной величины колебаний температуры на поверхности, обра­ щенной в помещение, можно считать, что амплитуда, равная или меньшая, чем 1°, допустима во всех тех случаях, когда ограждае­ мые помещения не имеют систем радиационного охлаждения или кондиционирования воздуха.

Значения затухания ѵ колебаний температур в наружных стенах и бесчердачных покрытиях проверяются расчетом при среднемесяч­ ных значениях дневных летних температур более 25°. При проек­ тировании покрытий для зданий в южных районах целесообразно применять защиту водоизоляционного ковра светлым гравием, а покрытия жилых и общественных зданий осуществлять с вентили­ руемыми продухами достаточной высоты (не менее 0,25 ж; однако из условий эксплуатации и производства ремонтов желательно уве­ личивать эту высоту до 0,5 ж и более).

Наружную часть стен целесообразно выполнять из материалов светлых тонов с малым коэффициентом поглощения солнечной ра­ диации. В многоэтажных зданиях, эксплуатируемых в южных райо­ нах, которые отличаются большими колебаниями температуры . в течение суток, становится целесообразным устройство стен с наруж­ ными лучеотражающими экранами (например, из листового алю­ миния), отделенными от основной конструкции дополнительной изоляцией от лучистого тепла и воздушной прослойкой, вентилируе­ мой наружным воздухом [61]. У фасадов многоэтажных зданий токи восходящего воздуха могут иметь существенную скорость, а при озеленении и обводнении территории, прилегающей к зданию, достигается более низкая температура приточного воздуха, по срав­ нению с температурой поверхности стен вышерасположенных этажей.

В результате этого, температура конструкции под экраном мо­ жет быть значительно снижена по сравнению с температурой по­ верхности обычных неэкранированных стен, что является сущест­ венным в отношении возможности уменьшения температуры в ограждаемых помещениях. Особое значение имеет защита свето­ вых проемов солнцезащитными устройствами, без применения ко­ торых обеспечение приемлемого для людей теплового состояния помещений становится невозможным. Натурные исследования, про­ веденные на крайнем юге, показывают, что максимальная темпера­ тура межстекольного пространства окон при их солнцезащите мо­ жет быть снижена на 20—25° по сравнению с температурой этого пространства, характерной для незащищенных окон (рис. Ѵ.З).

Солнцезащита и применение вентилируемых ограждающих кон­ струкций являются наиболее эффективными мероприятиями в це­ лях улучшения теплового состояния жилых помещений естествен­ ными средствами. Однако известное влияние на ограничение прогрева слоистых ограждающих конструкций может оказать целесообразный выбор теплоизолирующих материалов и даже ра­

1S8

циональное размещение конструктивных слоев с различными теп­ лофизическими свойствами.

При прочих равных условиях, предпочтительно утепление из легких, но обладающих высокой удельной теплоемкостью материа­ лов (например, древесно-волокнистых плит и т. д.). Применения предельно пористых утеплителей (например, минеральной и стек­ лянной ваты, мипоры и других пенопластов с очень малым объем­ ным весом и т. д.) уместно избегать, имея в виду быстрый и интен­ сивный перенос тепла через такие материалы, происходящий в летних условиях не только путем теплопроводности, но также излу­ чением и даже конвекцией.

Анализируя формулу (Ѵ.8а), можно установить, что наиболь­ шее затухание температурных колебаний имеет место в тех много­ слойных ограждающих конструкциях, в которых чередуются конст­ руктивные слои с малым и большим теплоусвоением, так как зату­ хание в каком-либо слое ограждения характеризуется величиной

> зависящей от отношения коэффициентов теплоусвое-

ния смежных конструктивных слоев.

В соответствии с этим утепление из легких материалов будет наиболее эффективным в тех случаях, когда оно расположено меж­ ду двумя слоями из тяжелых конструктивных материалов с боль­ шим теплоусвоением. Из конструкций с воздушными прослойками наиболее теплоустойчивыми будут те конструкции, в которых воз­ душная прослойка расположена между слоями с большим тепло­ усвоением (из конструктивного бетона и т. д.).

В холодный период года, в целях повышения общей теплоустой­ чивости ограждающих конструкций отапливаемых помещений, це­ лесообразно выполнять их внутреннюю часть в пределах слоя рез­ ких колебаний из плотных материалов с большим теплоусвоением, а в наружной части применять более легкие пористые материалы

смалым теплоусвоением (рис. V.4).

Вэтом случае температурный режим внутренней части ограж­ дающей конструкции, обладающей большим теплоусвоением, будет близок к температурным условиям внутреннего воздуха и колеба­ ния температуры внутри помещения будут наименьшими.

Для южных районов в жаркий период года, когда чрезмерное и далеко выходящее за пределы комфортных условий повышение тем­ пературы воздуха жилых помещений становится вероятным, такое расположение конструктивных слоев будет целесообразным только при оборудовании помещений систематически действующими устройствами радиационного охлаждения; в этом случае выполне­ ние внутренней части конструкции из плотных материалов способ­ ствует ее равномерному охлаждению и более удобно для размеще­ ния трубопроводов.

Вограждающих конструкциях помещений без систематически действующих охлаждающих устройств выполнение внутренней час­ ти конструкции из плотных материалов может привести к большей аккумуляции тепла к концу дневного периода; в вечернее и ночное

199