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

Т а б л и ц а 1.4

Характерные значения коэффициентов теплопроводности для керамзитобетонов в воздушно-сухом состоянии

Однако величину теплопроводности сухого материала нельзя точно установить только на основании объемного веса.

Она зависит также от аморфной или кристаллической структу­ ры материала и даже от формы и крупности кристаллов.

Теплопроводность кристаллических материалов неоднородна: в направлении, перпендикулярном оси кристалла, она меньше, а вдоль кристалла в 2—3 раза больше.

Такая же неоднородность характерна для слоистых и волокни­ стых материалов; например теплопроводность сосновой дре­

тепловыми колебаниями групп атомов в структурной решетке ма­ териала; 2) К2 зависящая от диффузии электронов внутри мате­ риала, т. е. от электропроводности последнего. Общая теплопро­ водность равна сумме этих двух отдельных проводимостей, т. е.

Второй вид теплопроводности имеет для многих неметалличе­ ских строительных материалов гораздо меньшее значение, посколь­ ку их электропроводность мала. Основное влияние на теплопровод­ ность каменных материалов оказывают тепловые колебания ато­ мов.

Чем тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристал­ лы материала (т. е. чем больше атомный вес химических компо­ нентов, входящих в его состав) и чем слабее они между собой свя­ заны, тем меньше теплопроводность материала.

Экспериментальными исследованиями установлена, например, меньшая теплопроводность шлакобетонов на металлургических шлаках, по сравнению со шлакобетонами такого же объемного ве­ са, но на топливных (котельных) шлаках. Например, при у =

30

= 1600 кг/л*3 для первого вида шлакобетона (в сухом состоянии) Я = 0,40, а для второго Я=.0,50 ккал/м-ч-град.

Это может быть объяснено тем, что в составе металлургических шлаков находятся кальций (Са), марганец (Мп), железо (Fe), атомный вес которых более значителен по сравнению с атомным

. весом углерода (С) и серы (S), входящих в состав топливных шлаков.

Примерно также можно характеризовать и силикатные бетоны на карбонатных песках по сравнению с силикатными бетонами на кварцевом песке. В состав карбонатного песка входит кальций (Са), атомный вес которого больше, чем у кремния (Si), содержа­ щегося в кварцевом песке. Более значительная количественная разница теплопроводности в этом случае объясняется превалирую­ щим количеством песка в бетоне, по сравнению с крупными за­ полнителями (шлаками), рассмотренными в предыдущем при­ мере *.

Большое значение для теплопроводности материалов имеет их влажностное состояние. Для определения коэффициента теплопро­ водности влажного материала L по величине теплопроводности материала, сопоставимого, но сухого Яо часто используют прибли­ женную формулу:

где со — весовая влажность материала, %; ß — коэффициент прира­ щения теплопроводности на 1 % влажности (например, по данным НИИСФ, для керамзитобетона ß~ 0,005; для пенобетона ß~ 0,011; для газобетона с преобладанием закрытой пористости ß ~ 0,007).

Этой формулой зависимость теплопроводности от влажности предполагается линейной, что не отвечает действительности, по крайней мере, на первых стадиях сорбционного увлажнения сухого материала.

Количественную значимость изменений теплопроводности мате­ риала от его влажности часто объясняют тем, что теплопровод­ ность воды, вытесняющей воздух из пор при увлажнении материа­ ла, существенно высока (0,5 ккал/м-ч-град). Однако увеличение теплопроводности материала при его последовательном увлажне­ нии превосходит величину, ожидаемую на основе разницы в тепло­ проводности воды и вытесняемого ей воздуха. Для многих мате­ риалов наибольшее увеличение теплопроводности на каждый процент повышения влажности отмечается на первых стадиях ув­ лажнения материала. Такое более высокое увеличение теплопровод-

* Влияние химического состава каменных материалов, а также отсутствие атмосферы весьма заметным образом сказалось при исследованиях теплопровод­ ности базальтовых пород лунных морей, содержащих минералы с значительным количеством химических веществ, обладающих большим атомным весом (напри­ мер, ильменит РеТіОз). Теплопроводность этих пород при довольно большом объемном весе (1000—2000 кг/мъ) характеризуется чрезвычайно низкими значе­ ниями.

31

ности по сравнению с происходящим на последующих стадиях ув­ лажнения может быть объяснено различной проводимостью влаги, связанной с материалом (адсорбированной) и свободной воды; за­ полнением водой прежде всего мелких пор, а также сосредоточени­ ем влаги в местах контакта отдельных частиц материала, через которые преимущественно происходит передача тепла.

Кривые зависимости теплопроводности от влажности для тех материалов, в которых в соответствии с характером их природы, структуры и пористости перечисленные особенности проводимости и распределения влаги имеют наибольший эффект, отличаются бо­

районах СССР, и более влажных — западных.

В соответствии с особенностями климатических воздействий, влияющих на естественную сушку ограждающих конструкций, тер­ ритория районов строительства может быть подразделена (как это принято в нормах строительной теплотехники СНиП) на три зоны: сухую, с умеренным климатом (нормальную) и влажную (см. кар­ ту на стр. 000) *.

В сухой зоне средняя многолетняя равновесная влажность пра­ вильно спроектированных ограждающих конструкций зданий с нор­ мальной влажностью близка к максимальной гигроскопической, а

вустойчиво-сухих районах этой зоны еще более низка.

Взоне с умеренным климатом средняя равновесная влажность ограждающих конструкций даже при их ограниченной толщине мо­

жет превышать максимальную гигроскопическую; коэффициенты

* При нормировании изменений коэффициентов теплопроводности строитель­ ных материалов, в зависимости от их влагосодержания использованы зоны, при­ веденные на карте, без подразделения на соответствующие районы.

32

щ их материалов, являю тся, например, стены сплошной кладки из силикатного кирпича или блоков, ш лакобетона, гипсобетона, золобетона, газозолобетона, газосиликата, перлитобетона, керамзитобетона с объемны м весом более 1200 кг(м3 и т. д.

Однако образование зародышей кристаллов замерзающей влаги происходит в первую очередь на поверхности полостей, трещин и крупных пор *, а при дальнейшей кристаллизации влага переме­ щается в зоны возникающих кристаллов. Результатом таких про­ цессов является заполнение инеем или рыхлым льдом участков, ма­ териала, имеющего различные дефекты. Перемещение влаги из мелких пор и зон контакта зерен материала в состоянии умень­ шить его общую теплопроводность.

Заметное снижение теплопроводности легких бетонов при их замерзании отмечено экспериментальными работами отечественных и зарубежных исследователей**. Однако практическое использова­ ние этого обстоятельства, по-видимому, возможно только в отдель­ ных случаях.

Правильно запроектированные конструкции зданий с нормаль­ ным влажностным режимом могут отличаться повышенной влаж­ ностью только в первые годы эксплуатации, приобретая затем низ­ кую равновесную влажность, при которой изменения теплопровод-

* В термодинамическом отношении работа, необходимая для возникновения кристаллического зародыша на поверхности полостей, трещин и крупных пор ма­ териала, является минимальной, в связи с чем рост кристаллов на этих поверхно­

водности влажных пористых строительных материалов с особым учетом влияния температуры и влажности. Стокгольм, 1962.

34

Для конструкции, состоящей из нескольких слоев (1,2, 3... п)

Общее сопротивление конструкции R0 теплопередаче, с учетом сопротивлений теплообмену на ее внутренней и внешней поверхно­ стях, составит:

Если температуры внутреннего и наружного воздуха не изме­ няются во времени и известны их значения /в и tn,

Xа также термические сопротивления отдельных сло­ ев конструкции, легко определить температуры на

поверхностях ограждающей конструкции и на гра­ ницах отдельных слоев.

Из равенства потоков тепла, проходящих через любое сечение х конструкции и через все огражде­ ние в целом (рис. 1.9), т. е.

где ~LRX — сумма термических сопротивлений от внутренней поверх­ ности конструкции до сечения х; RB— сопротивление теплообмену на внутренней поверхности.

При графическом построении линии распределения температу­ ры в слоистой ограждающей конструкции, вычерченной в масшта­ бе реальных толщин отдельных слоев, уклон этой линии в пределах каждого слоя составит:

_ Q _

Т — х

Чем больше коэффициент теплопроводности Я, тем круче паде­ ние линии распределения температур в пределах рассматриваемо­ го слоя.

В слоистой конструкции, выполненной из материалов с различ­ ной теплопроводностью, распределение температур выражается ло­ маной линией (рис. 1.10, а). Эта линия превращается в прямую, соединяющую значения tB и tH, если слоистая ограждающая кон­ струкция вычерчена в масштабе термических сопротивлений R

36

(рис. 1.10, б); в этом случае уклоны AtIR в пределах каждого слоя равны потоку тепла Q и, следовательно, в установившихся услови­ ях теплопередачи равны друг другу.

Рис. 1.10. Схема распределения температур внутри слоистой ограждающей конструкции, при установившемся потоке тепла:

Пример 1.2. Определить сопротивление теплопередаче R0 наружной стены жилого дома для климата умеренной влажности (нормальной) и вычислить рас­ пределение температур при установившемся потоке тепла через эту стену. Кон-

Рис. 1.11. Панель наружной стены из керамзитобетона:

1 — керамзитобетон; 2 — внутренний ф а к ­ турны й слой; 3 — н ар у ж н ы й фактурны й слой

струкция стены выполнена в виде крупной панели из керамзитобетона толщиной 0,3 м, покрытий с внутренней и наружной сторон фактурными слоями толщиной по 0,015 м (рис. 1.11). Объемный вес керамзитобетона 800 кг/м3, а фактурных слоев — 1600 кг/м3.

Толщины конструктивных слоев при теплофизических расчетах принимаются в метрах, поскольку в физическую размерность (град-мг-ч/ккал) входит эта величина.

37

ного слоя больше, чем внутреннего, поскольку в холодный период года он более влажен и теплопроводен.

Рассматриваемая панельная конструкция обладает относительно высоким сопротивлением теплопередаче и при удовлетворительном решении сопряжений (между отдельными панелями), не понижающем теплозащитных свойств конст­ рукции, отвечает теплофизическим требованиям для многих климатических райо­ нов С СС Р . Однако при повышении объемного веса керамзитобетона, например, до 1200 кг/м3, значение R0 резко снижается до недопустимых пределов

(Яо=0,98).

При расчетной температуре внутреннего воздуха +18° и наружного —29° температура на поверхности стены, обращенной в помещение, будет по формуле (І.24а):

Температура в стене под внутренним фактурным слоем (1.24):

Здесь #i = 0,027 — термическое сопротивление внутреннего фактурного слоя. Температура внутри стены под наружным фактурным слоем:

Вычисленное распределение температур соответствует устано­ вившейся одномерной передаче тепла через конструкцию и доста­ точно близко может совпасть с изменениями температур в натур­ ных условиях лишь для участков панельной стены, удаленных от оконных проемов и стыков (например, для панелей глухих торцо­ вых стен), и при этом в периоды времени, характеризующиеся устойчивыми значениями температуры наружного и внутреннего воздуха, близкими к расчетным и не изменяющимися в течение не­ скольких суток.

В других случаях между значениями вычисленных и измерен­ ных температур могут быть существенные различия, объясняемые

38

двумерной передачей тепла или тепловым состоянием конструкции, сохранившимся от предыдущих погодных условий.

§ 9. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ ПРОСЛОЕК

Передача тепла через воздушную прослойку при разности тем­ ператур на ее противоположных поверхностях происходит путем конвекции, излучения и теплопроводности (рис. 1.12).

Теплопроводность неподвижного воздуха очень мала и если бы в воздушных прослойках воздух находился в состоянии покоя, их термическое сопротивление было бы очень высоким. В действитель­ ности, в воздушных прослойках ограждающих конструкций воздух всегда движется, например, у более теплой поверхности вертикаль­

ных слоев воздуха, прилегающих к этим поверхностям, поэтому значение коэффициента, который можно было бы принять для свободной конвекции у какой-либо поверхности, уменьшается вдвое.

Количество лучистого тепла, передаваемого от более теплой поверхности к более холодной, не зависит от толщины воздушной прослойки; как говорилось ранее, оно определяется коэффициен­ том излучения поверхностей и разностью, пропорциональной чет­

где ак — коэффициент теплообмена при свободной конвекции; б —

39