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

время это тепло будет поступать в помещение, усиливая дискомфортность его теплового состояния. Поэтому в районах с значитель­ ными колебаниями температур наружного воздуха в течение суток (и особенно при использовании конструкций, вентилируемых в ноч­ ное время этим воздухом) целесообразнее выполнять из более плот­ ных материалов наружную часть конструкции, учитывая ее вероят­ ное охлаждение при отсутствии прямого солнечного облучения и

ности. вычисляемые по формуле (Ѵ.З).

Величины arctg берутся в градусах, а не в радианах.

При предварительной оценке запаздывания наружных темпера­ турных колебаний на внутренней поверхности рассматриваемой ограждающей конструкции может быть использовано следующее простое выражение [5]:

где ZD—суммарная характеристика тепловой инерции конструкции.

20Ü

возможность устройства полов из ксилолита, паркета ограниченной толщины, покрытого защитным слоем, и других материалов.

Однако в строительстве зданий любого назначения большое рас­ пространение могут получить полы из однослойного линолеума и других синтетических покрытий, толщина которых настолько мала, что измеряется миллиметрами. Особенности теплообмена ноги че­ ловека с поверхностью такого пола, состоящего из очень тонкого покрытия, зависят уже и от свойств материала, из которого выпол­

тери тепла превышают его количество, продуцируемое человече­ ским организмом, то температура в месте соприкосновения быстро начинает падать, что свидетельствует об охлаждении ноги, а сле­ довательно, о неудовлетворительных качествах пола в гигиениче­ ском отношении [60]. Такое охлаждение ноги человека наблюдает­ ся, например, при ее контакте с полом из тонкого однослойного линолеума, уложенного по основанию из плотного бетона или же­ лезобетона. Для того, чтобы такие полы стали удовлетворительны­ ми в гигиеническом отношении, необходимо укладывать тонкие синтетические покрытия по основанию из дерева, теплоизоляцион­ ных плит или легких бетонов, а при укладке синтетических изделий непосредственно по поверхности бетонного или железобетонного

202

основания увеличивать толщину этих изделий, применяя двухслой­ ный линолеум и другие покрытия с повышенными теплоизоляцион­ ными свойствами.

В помещениях с температурой 23° и выше разность температур подошвы ноги без обуви (принимаемой около 32°) и пола настоль­ ко уменьшается, что теплофизические свойства пола становятся безразличными в гигиеническом отношении. Это позволяет выпол­ нять полы из керамических плиток в банных и ванных помещениях.

Учитывая гигиенические требования, полы в помещениях с дли­ тельным пребыванием людей и нормальной температурой необхо­ димо конструировать таким образом, чтобы количество тепла, по­ глощаемого поверхностью пола, было меньше количества тепла, продуцируемого организмом (и притекающего к ступням ног) или, по крайней мере, не превышало этого количества. Однако это ги­ гиеническое условие осложняется неопределенностью в отношении длительности соприкосновения ноги человека с полом и теплоза­ щитных свойств используемой при этом обуви.

Чем длительнее период соприкосновения ног человека с полом, тем больше глубина активного слоя конструкции, от теплофизпческих свойств которого зависит поглощение тепла поверхностью по­ ла. Аналогичная зависимость толщины слоя активной теплоемкости (слоя резких колебаний температуры) от длительности периода внешних тепловых воздействий отмечалась ранее при изложении основных понятий теории теплоустойчивости.

Пределы колебаний длительности контакта ног человека с по­ лом известны. Они могут изменяться от 1—2 мин при соприкосно- > вении ног без обуви с полом спален и других жилых помещений и до 6—7 ч при контакте с полом рабочих помещений хорошо обу­ тых ног.

Последняя наибольшая длительность является самой невыгод­ ной для расчета, поскольку в этом случае в процесс охлаждения ног человека вовлекается наибольшая активная толщина конструк­ ции; естественно, что при меньшей длительности контакта к конст­ рукции пола предъявляются более ограниченные теплофизические требования, поскольку в процесс теплообмена вовлекаются только слои пола, непосредственно граничащие с его поверхностью.

Для расчета по наиболее невыгодным условиям максимальной длительности контакта ног человека с полом оказывается возмож­ ным использовать технику расчетов, основанных на теории тепло­ устойчивости.

В самом деле, если условно принять период тепловых воздейст­ вий в 6,28 ч (что примерно соответствует продолжительности рабо­ чего дня), коэффициент теплоусвоения становится по своей абсо­ лютной величине равным коэффициенту тепловой активности, т. е. основному теплофизическому показателю, характеризующему теп­ лопоглощающую способность пола:

s6,28= j / k y 2i L = j / \ c y ^ = Y ü ^ = ~ S ^ 2 s 2A, (У-15}

203

где т= 2л = 6,28 — длительность периода тепловых воздействий. Это позволяет определять активную глубину слоистой конструк­

ции пола точно таким же образом, как ранее определялась толщи­ на слоя резких колебаний температуры в любых слоистых конст­ рукциях (см. примеры Ѵ-1 и Ѵ-5), т. е. с использованием формулы

(Ѵ.З).

Поскольку коэффициент теплоусвоения при периоде тепловых

воздействий в 24 ч s24 = 0,51 Г А,су«0,5 | ley, для определения ко­ эффициента тепловой активности достаточно принять удвоенную величину S24 , имеющуюся в таблице приложения.

В зарубежной строительной практике, где теория теплоустойчи­ вости не используется для теплофизических расчетов, принята оцен-

Рис. V.6. Конструктивная схема пола

ка гигиенических свойств пола и допустимой величины коэффици­ ента тепловой активности его поверхности (5^10,0) по значениям отношения 6і2/аі, где б — толщина в м верхнего покрытия пола (например, линолеума), а{— коэффициент температуропроводно­ сти этого покрытия в м21ч. При значении этого отношения бі2/ а ^ 1^:0,4 ч величина тепловой активности поверхности слоистой конс­ трукции пола принимается равной тепловой активности материала покрытия, т. е. S = S\. Если верхнее покрытие настолько тонко и температуропроводно, что принятая длительность контакта ноги человека с поверхностью пола до утраты требуемого гигиенистами теплового равновесия достигается только при вовлечении в процесс

коэффициент, устанавливаемый по специальным таблицам или графшкам.

Порядок теплофизического расчета слоистой конструкции пола виден из следующего примера.

Пример Ѵ.5. Определить показатель теплопоглощения и допустимость при­ менения в жилых квартирах пола из линолеума толщиной 3 мм, с объемным весом 1100 кг/м3, уложенного по слою керамзитобетона толщиной 0,04 м, с объ­ емным весом 1200 кг/м3 (рис. Ѵ.6).

Теплофизпческие свойства: 1) линолеума:

Яі =0,16 ккал/м ■ч ■град-,

Сі =0,35 ккал/кг ■град;

S 1= 2^24 —2 • 4,0=8,0 ккал/м2 • ч ■град;

204

2) керамзитобетона:

Лг =0,35 ккал/м ■ч ■град;

с2 =0,20 ккал/кг ■град;

S =2^24 = 2 • 4,68 = 9,36 ккал/м2 • ч • град.

Характеристика тепловой инерции двух верхних слоев конструкции:

Следовательно, конструкция пола удовлетверяет теплофизическим требованиям, предъявляемым к полам жилых помещений, и может быть применена в жилых квартирах.

При использовании методики теплофизического расчета, распространенной за рубежом, получим для линолеума:

\0,16

Каждое помещение в здании имеет несколько видов ограждаю­ щих конструкций.

Кроме наружных ограждений, например, внешних стен, окон или других остекленных поверхностей, бесчердачных покрытий, чер­ дачных перекрытий и полов, основанных на грунте, имеются внут­ ренние конструкции, т. е. перегородки и внутренние несущие стены, полы, основанные на междуэтажных перекрытиях и т. д. Каждое из этих ограждений оказывает свое влияние на распределение и коле­ бания температур в отапливаемых помещениях. Резкие колебания температуры помещений в течение суток нежелательны в гигиениче­ ском отношении; при проектировании здания такие колебания мо­ гут быть ограничены путем улучшения теплофизических свойств ограждений, в целях придания помещениям необходимой тепло­ устойчивости.

Под теплоустойчивостью помещения понимается его свойство сохранять относительное постоянство температуры при колебаниях внешних тепловых воздействий или теплоотдачи отопительных при­

205

боров. Чем меньше колебания температуры воздуха в помещении, тем более оно теплоустойчиво.

Меньшие колебания температуры воздуха отмечаются в поме­ щениях, где площадь внутренних ограждающих конструкций срав­ нительно велика, а площадь наружных относительно мала.

Наоборот, из практики эксплуатации зданий известно, что уг­ ловые помещения и вообще помещения с относительно большой площадью наружных ограждений отличаются значительными коле­ баниями температуры внутреннего воздуха как в летнее время года (при периодическом облучении солнцем), так и в зимнее (при ко­ лебаниях теплоотдачи отопительных приборов).

Колебания температуры внутреннего воздуха неблагоприятно отражаются на самочувствии человека. В качестве допустимых наибольших пределов таких колебаний в зимнее время года нормы устанавливают их амплитуду Л;=±1,5° при центральных отопи­ тельных системах и Лг = ±3° — при печном отоплении.

В летнее время года для помещений с отсутствием кондициони­ рования воздуха может быть принята А*=±2°.

Эти допустимые наибольшие величины амплитуд температурных колебаний в дальнейшем будут все более уменьшаться по мере при­ менения в массовом строительстве более совершенных конструкций, а также систем отопления и охлаждения воздуха в зданиях.

Величина амплитуды колебаний температуры зависит от изме­ нения потока тепла, поступающего в помещение. В холодный пе­ риод года этот поток выражается теплом, отдаваемым отопитель­ ными приборами, а в жаркий — теплом солнечных лучей и наруж­ ного воздуха, периодически проходящим через прозрачные и глу­ хие ограждающие конструкции.

Амплитуда колебаний потока тепла может быть выражена в зависимости от среднего количества тепла Qcp, поступающего в по­ мещение:

где ф представляет величину так называемого коэффициента не­ равномерности поступления тепла в помещение.

Среднее значение общего потока тепла через все наружные ограждения помещения может быть представлено в следующем виде:

где At — перепад температур между внутренним и наружным воз­ духом, град-, 2FH— сумма площадей наружных ограждений поме­ щения, м2; Яоср — средняя приведенная величина сопротивления теплопередаче наружных ограждений помещения, определяемая в соответствии с формулой (ІѴ.З), град-м2-чІккал.

Иначе говоря, стационарный тепловой поток, проходящий через все наружные ограждения помещения в холодный период года —

206

есть ни что иное, как средние часовые тепловые потери, а в теп­ лый— осредненный приток тепла в это помещение.

Подставляя формулу (V.17) в формулу (V.16), имеем:

(V.18)

к р

Из теории теплоустойчивости известно, что амплитуда колеба­ ний температур на внутренней поверхности наружного ограждения Лів.п равна отношению амплитуды колебаний теплового потока Ад

к коэффициенту теплоусвоения YB внутренней поверхности этого ограждения, т. е.

Таким образом, амплитуду колебаний теплового потока можно представить как разность двух тепловых потоков, один из которых идет на нагревание воздуха помещения, а другой вызывает повы­ шение температуры внутренней поверхности наружных ограждений.

Поскольку колебания температуры воздуха в помещении, а так­ же колебания скорости его движения — относительно незначитель­ ны, величины коэффициентов тепловосприятия ав могут быть при­ няты неизменными как в момент наибольшего нагрева помещения, так и в момент наличия в нем средних температур.

Подставляя в выражение (Ѵ.19) значение Л(влі из формулы (Ѵ.іа), имеем:

A Q= aRAt- a B-SL , *В

решая его относительно Ад, получим:

аY

В— 2—2-----так называемый коэффициент теплопоглощеав + Ув

ния внутренней поверхности ограждения, ккал/м2-ч-град. Этот коэффициент выражает общее количество тепла, воспринимаемого поверхностью ограждения при периодических колебаниях темпера­ туры, и устанавливает взаимосвязь изменений этого количества с колеблющейся температурой воздуха помещения.

Поскольку в конкретных теплофизических расчетах значения ав принимаются постоянными, величины коэффициентов теплопоглощения В зависят только от тех конструктивных или утепляющих слоев ограждения, которые входят в слой резких температурных колебаний, имеющий сравнительно небольшую толщину. Например,

207

толщина слоя резких колебаний в кирпичной кладке составляет только 0,084 м и эта величина будет одинаковой как для сплош­ ных кирпичных стен, так и для стен с внутренней частью толщиной в Ѵг кирпича. Для конструкций с внутренней штукатуркой по кир­ пичу или фактурным слоем по легкому бетону величина В практи­ чески не зависит от толщины кирпичной кладки или бетона и остается неизменной как, например, для сплошных кирпичных стен, так и для стен, облицованных в 'Д кирпича. В связи с этим тепло­ устойчивость облегченных каменных стен с внутренней кирпичной облицовкой и применением пустот и теплоизоляционных вкладышей ничем не уступает сплошным каменным стенам. При небольшой толщине внутреннего отделочного слоя, отделенного воздушной про­ слойкой от стены, теплоустойчивость последней понижается.

Пример Ѵ.6. Определить коэффициент теплопоглощения при одной топке печи в сутки, т=24, для внутренней поверхности стены из пеносиликатных камней, имеющей внутренний отделочный слой из гипсовых плиток, отделенный воздуш­ ной прослойкой (см. пример Ѵ.З).

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности такой стены s24 = 2,69 Коэффициент теплопоглощения составит:

При отсутствии воздушной прослойки S 24=3,28 и коэффициент теплопогло­ щения

7,5-3,28

= 2,28 ккал м~-ч-град.

7 ,5 + 3 ,2 8

Для окон и остекленных наружных дверей величина коэффициента теплопо­ глощения приближенно равна коэффициенту теплопередачи и может быть при-

Величины коэффициентов теплопоглощения находят применение при расчете теплоустойчивости помещений.

Для всего комплекса наружных и внутренних ограждений по­

отдельных видов ограждений помещения на соответствующие этим ограждениям коэффициенты теплопоглощения.

Величина эта может быть названа теплопоглощающей способ­ ностью помещения.

Очевидно, что 'ZFBB = FiBl+F2B2+~- + FnBn.

П

Теплопоглощающая способность помещения равна амплитуде колебаний теплового потока, поглощаемого всеми ограждениями

208

помещения, при колебаниях температуры воздуха Л< = Г (посколь­

теплопередаче наружных ограждений помещения и величиной коле­ баний температуры воздуха в этом помещении в том случае, если поступление тепла в последнее имеет периодический характер.

При выводе предыдущих формул принято, что сдвиги фаз, т. е. несовпадения во времени между колебаниями теплового потока и колебаниями температуры внутреннего воздуха, а также между колебаниями теплового потока и колебаниями температур на внут­ ренней поверхности ограждения отсутствуют. Поскольку при сдви­ ге фаз увеличивается теплопоглощение поверхностей ограждений, практическое значение несовпадений последнего вида может быть учтено введением поправочного коэффициента большего единицы, например, 1,08 к величине теплопоглощающей способности поме­ щения, выражаемой формулой (Ѵ.20а).

Непосредственное влияние на колебания температуры воздуха оказывает только та часть поступающего в помещение тепла, кото­ рая передается воздуху путем конвекции. Поскольку в формулу (Ѵ.18), выражающую поток тепла через ограждения, входит и кон­ векционное и лучистое тепло, отсутствие непосредственного влия­ ния лучеиспускания на колебания температуры воздуха учитывает­ ся введением коэффициента, меньшего единицы, например, 0,8 к ве­ личине Qcp. Кроме того, вводится поправочный коэффициент, учитывающий негармоничность теплопоступлений.

Все эти уточнения влияют на общую величину коэффициента неравномерности ф поступления тепла к поверхности ограждающих конструкций помещения. Предыдущие формулы выведены для рас­ чета теплоустойчивости помещения в холодный период года. Одна­ ко теплоустойчивость помещений в любой период года зависит от перечисленных выше закономерностей и, в частности, от соотноше­

209