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

толщина прослойки, м; X — коэффициент теплопроводности возду­ ха в прослойке, ккал-м-ч/град; ал — коэффициент теплообмена за счет излучения.

На основании экспериментальных исследований обычно трак­ туют величину коэффициента теплопередачи воздушной прослойки как вызванную теплообменом, происходящим путем конвекции и теплопроводности:

(Хк = 0,5ак -ф-— = -^экв-, но зависящую преимущественно от кон­

векции (здесь ХЭКв — условная эквивалентная теплопроводность воздуха в прослойке); тогда при постоянном значении At термиче­ ское сопротивление воздушной прослойки RB.n будет:

Явления конвективного теплообмена в воздушных прослойках зави­ сят от их геометрической формы, размеров и направления потока тепла; особенности этого теплообмена могут быть выражены вели­ чиной безразмерного коэффициента конвекции е, представляющего отношение эквивалентной теплопроводности к теплопроводности

Путем обобщения с помощью теории подобия большого количе­ ства экспериментальных данных М. А. Михеевым установлена за­ висимость коэффициента конвекции от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, т. е.:

40

Относительно небольшие величины коэффициентов передачи тепла через горизонтальные прослойки при потоке тепла сверху вниз (например, в цокольных перекрытиях отапливаемых зданий) объясняются малой подвижностью воздуха в таких прослойках; наиболее теплый воздух сосредоточивается у более нагретой верх­ ней поверхности прослойки, затрудняя конвективный теплообмен.

Величина передачи тепла излучением ал, определяемая на ос­ нове формулы (1.12), зависит от коэффициентов излучения и тем­ пературы; для получения ал в плоских протяженных прослойках достаточно умножить приведенный коэффициент взаимооблучения С' на соответствующий температурный коэффициент принятый по табл. 1.7.

Т а б л и ц а 1.7

сопротивление прослоек уменьшается. Зимой, для прослоек, распо­ ложенных в наружной части конструкций, отмечается обратное яв­ ление.

Для применения в практических расчетах нормы строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиП приводят значения термических сопротивлений замкнутых воздушных прослоек

/?в-пр= —р-і---- 5 указанные в табл. 1.8 (см. стр. 42) .

« К + а.1

Величины Дв.пр, приведенные в таблице, соответствуют разности температур на поверхностях прослоек, равной 10°. При разности температур 8°, величина Дв.пр умножается на коэффициент 1,05, а при разности 6° — на 1,10.

Приведенные данные о термическом сопротивлении относятся к замкнутым плоским воздушным прослойкам. Под замкнутыми понимаются воздушные прослойки, ограниченные непроницаемыми материалами, изолированные от проницания воздуха извне.

41

Поскольку пористые строительные материалы воздухопроница­ емы, к замкнутым могут быть отнесены, например, воздушные про­ слойки в конструктивных элементах из плотного бетона или дру­ гих плотных материалов, практически не пропускающих воздуха при тех величинах разности давлений, которые типичны для эксплу­ атируемых зданий.

Экспериментальные исследования показывают, что термическое сопротивление воздушных прослоек в кирпичной кладке снижает­ ся примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8. При недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором (например, при выполнении работ в зимних условиях) воздухопроницаемость кладки может возрасти, а термическое со­ противление воздушных прослоек приблизиться к нулю. Достаточ­ ная защита конструкций с воздушными прослойками от воздухопроницания является совершенно необходимой для обеспечения требуемых теплофизических свойств ограждающих конструкций.

Иногда в бетонных или керамических блоках предусматривают прямоугольные пустоты небольшой длины, часто приближающиеся к квадратной форме. В таких пустотах передача лучистого тепла возрастает за счет дополнительного излучения боковых стенок. Прирост величины <хл незначителен при отношении длины про­ слойки к ее толщине, равной 3 : 1 или более; в пустотах квадратной или круглой формы этот прирост достигает 20%. Эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий передачу тепла кон­ векцией и излучением в квадратных и круглых пустотах значитель­ ных размеров (70—100 мм) существенно возрастает, в связи с чем использование таких пустот в материалах с ограниченной тепло­ проводностью (0,50 ккал/м ■ч • град и менее) не имеет смысла с точ­ ки зрения теплофизики. Применение квадратных или круглых пус­ тот указанного размера в изделиях из тяжелых бетонов имеет главным образом экономическое значение (уменьшение веса); это значение утрачивается для изделий из легких и ячеистых бетонов, поскольку использование таких пустот может привести к пониже­ нию термического сопротивления ограждающих конструкций.

42

размещении воздушных прослоек более эффективно их располо­ жение в наружной части конструкции (если обеспечена ее воздухо­ непроницаемость), поскольку термическое сопротивление таких прослоек в холодный период года возрастает.

Применение воздушных прослоек в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями более рационально, чем в наружных стенах, поскольку передача тепла конвекцией в горизон­ тальных прослойках этих конструкций существенно уменьшается.

Теплофизическая эффективность воздушных прослоек в летних условиях (защита от перегрева помещений) снижается по срав­ нению с холодным периодом года; однако эта эффективность воз­ растает за счет использования прослоек, вентилируемых в ночное время наружным воздухом.

При проектировании полезно иметь в виду, что ограждающие конструкции с воздушными прослойками обладают меньшей влаж­ ностной инерцией по сравнению со сплошными. В сухих условиях конструкции с воздушными прослойками (вентилируемыми и зам­ кнутыми) быстро подвергаются естественной сушке и приобретают дополнительные теплозащитные свойства за счет малой влажно­

связано с потерей теплофизических качеств и вероятностью преж­ девременного их разрушения.

Из предыдущего изложения было видно, что передача тепла

В каменных и бетонных конструкциях с большой начальной влажностью (а также во влажных помещениях) использование алю­

43

миниевой фольги, утрачивает смысл, так как ее отражательные свойства могут быть быстро нарушены из-за коррозии алюминия во влажной щелочной среде. Применение отражательной изоляции наиболее эффективно в горизонтальных замкнутых воздушных про­ слойках при направлении потока тепла сверху вниз (цокольные перекрытия и т. д.), т. е. в том случае, когда конвекция почти отсутствует и передача тепла происходит в основном путем излу­ чения.

Отражательной изоляцией достаточно покрыть только одну из поверхностей воздушной прослойки (более теплую, сравнительно гарантированную от эпизодического появления конденсата, быст­ ро ухудшающего отражательные свойства изоляции).

Возникающие иногда предложения о теплофизической целесо­ образности разделения воздушных прослоек по толщине экранами из тонкой алюминиевой фольги в целях резкого уменьшения пото­ ка лучистого тепла не могут быть использованы для ограждающих конструкций капитальных зданий, поскольку малая эксплуатаци­ онная надежность такой теплозащиты не соответствует необходи­ мой долговечности конструкций указанных зданий.

Расчетное значение термического сопротивления воздушной прослойки с отражательной изоляцией на более теплой поверхно­ сти повышается примерно вдвое по сравнению с величинами, ука­ занными в табл. 1.8.

В южных районах конструкции с воздушными прослойками обладают достаточной эффективностью в отношении защиты по­ мещений от перегрева; применение отражательной изоляции приоб­ ретает в этих условиях особенно большой смысл, поскольку прева­ лирующая часть тепла передается в жаркое время года излучением. Целесообразно в целях повышения теплозащитных свойств ограж­ дений и снижения их веса, экранировать наружные стены много­ этажных зданий лучеотражающими долговечными отделками (на­ пример, полированными алюминиевыми листами) с тем, чтобы под экранами была расположена воздушная прослойка, другая поверх­ ность которой покрыта окрасочной или иной экономичной отража­ тельной изоляцией.

Усиление конвекции в воздушных прослойках (например, за счет активного вентилирования их наружным воздухом, поступающим с затененных, озелененных и обводненных участков прилегающей территории) превращается для летнего периода в положительный теплофизический процесс, в противоположность зимним условиям, когда этот вид переноса тепла, в большинстве случаев, совершен­ но нежелателен.

§ 10. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛАГООБМЕНА

Между закономерностями переноса энергии (в частности, теп­ ла) и перемещениями массы вещества (в частности, влаги) широ­

44

ко известна математическая аналогия, предложенная еще Н. Е. Жуковским.

Эта аналогия не свободна от физических условностей, связан­ ных с отмеченными выше коренными различиями в механизме пере­ носа энергии и массы (стр. 8—12). Однако, если в дополнение к математическим обобщениям использовать установленные экспе­ риментально константы переноса массы как внутри конструкции, так и на ее поверхностях, возможно изучение закономерностей переноса вещества на основе уравнений, аналогичных применяемым для описания процессов переноса энергии.

Если рассматривать перемещение влаги в капиллярно-пористых материальных средах с низким влагосодержанием, соответствую­ щим воздушно-сухому состоянию материала, при котором перенос влаги в порах и капиллярах происходит преимущественно в паро­ образной фазе и в виде поверхностных пленок, за потенциал диф­ фузии уместно принять парциальное давление водяного пара е

{мм рт. ст.).

При этом в качестве, константы диффузионного перемещения влаги принимается так называемый коэффициент паропроницае­ мости (ц г/м-ч-мм рт. ст.). При постоянной величине этого коэффи­ циента математическая аналогия между нестационарной теплопро­ водностью и диффузией влаги через плоскую стенку, выполненную из капиллярно-пористого материала, может быть выражена следу­ ющим дифференциальным уравнением:

г/кгмм рт. ст. (при изменении влагосодержания в пределах сорб­ ционного увлажнения); у ■— объемный вес материала, кг/м3.

Методы определения коэффициента паропроницаемости и влаго­ емкости для целей расчета изменений влажностного состояния кон­ струкций. рассмотрены в гл. VI. Поскольку влагоемкость материа­ ла зависит от изменений температуры и с последними связана также и величина насыщающего парциального давления водяного

насыщенному состоянию (100%-ной гигроскопической влажности) материала при рассматриваемой температуре. Тогда уравнение (1.28) примет вид:

45

К. Ф. Фокиным и практические методы расчета этих изменений раз­ работаны им же.

При рассмотрении изменений влажностного состояния конст­ рукций с более высоким влагосодержанием в воздушной среде с постоянной неизменной температурой, за потенциал переноса вла­ ги может быть принято влагосодержание материала со (кг/кг).

Ранее было приведено уравнение влагопроводности (при одно­ мерном переносе влаги) внутри конструкции, аналогичное уравне­ нию Фурье для неустановившегося переноса тепла путем тепло­ проводности.

В этом уравнении

перемещение влаги однозначно определяется градиентом влагосодержания, что может быть справедливым только в изотермических условиях, т. е. когда grad£=0.

Эти ограничения достаточно соответствуют, например, услови­ ям естественной сушки конструкции с повышенным влагосодержа­ нием в теплое время года, когда среднесуточные значения темпера­ тур помещения и наружного воздуха почти не отличаются друг от друга.

Использование в этих целях уравнения влагопроводности для приближенных сравнительных расчетов сроков естественной сушки конструкций стен приведено в гл. VI. При этом в таких расчетах имеется существенное допущение, состоящее в том, что показатели перемещений влаги в капиллярно-пористом материале принимают­ ся за постоянную вличину.

В действительности интенсивность перемещений влаги умень­ шается по мере уменьшения влагосодержания материала, и это до­ пущение может быть оправдано только в том случае, если для целей расчета будет принято среднее значение константы переме­ щений влаги за весь период естественной сушки конструкции, а также осредненные условия влагообмена на ее поверхностях.

Множитель пропорциональности ат= ~ перед правой частью

£7

уравнения может быть назван коэффициентом нестационарной вла­ гопроводности и по своей структуре и физической размерности м2/ч или см2/сут аналогичен коэффициенту температуропроводно­ сти в уравнении Фурье. Здесь величина х, г/м-ч%, представляет коэффициент влагопроводности в установившихся условиях, явля­ ющийся аналогом коэффициента теплопроводности; £ — выражает

46

удельное водопоглощение капиллярно-пористого материала, г/кг%\ а у, кг/м3— его объемный вес.

Если изотермических условий для рассматриваемой конструк­ ции не существует и она подвергается воздействию перепада темпе­ ратур, закономерности перемещения влаги могут быть осложнены явлениями термодиффузии, связанными с переносом массы веще­ ства от участков с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой.

Воснове этого явления лежит разность температур и связанное

сней различие поверхностных натяжений и адсорбционных сил пленочной влаги, перемещающейся по поверхности капилляров по­ ристого материала * под влиянием этой разности.

Экспериментальные исследования перемещений влаги в ограж­ дающих конструкциях зданий показывают, что явления термодиф­ фузии могут иметь значительное количественное выражение и практическую значимость главным образом при сверхгигроскопи­ ческом влагосодержании капиллярно-пористой материальной сре­ ды и резко выявленном градиенте температуры.

Такие параметры температурно-влажностного состояния не всегда характерны для условий эксплуатации ограждающих кон­ струкций зданий, где влагосодержание сравнительно невелико, а перепады температур ограничены.

Математическое выражение условий переноса влаги при явле­ ниях термодиффузии существенно усложняется, поскольку меха­ низм переноса теряет однозначность, и влагосодержание материала уже не может являться потенциалом переноса, что было характер­ ным для уравнения влагопроводности.

Дифференциальное уравнение переноса влаги в материальной

где Ѳ— потенциал переноса, являющийся функцией влагосодержания материала и внешних параметров среды; размерность потен­ циала может быть установлена в градусах специальной шкалы °В;

т — время; ат = —-----коэффициент нестационарной влагопровод-

оß ности; 8'—^ — коэффициент термовлагопроводности, отнесенный к

разности потенциалов переноса влаги.

Первый член правой части уравнения выражает процесс вла­

туры.

При отсутствии перепада температур, второй член становится

* Точнее — по слоям молекул влаги, адсорбированным на этой поверхности.

47

ГЛ АВА II

ВНЕШНИЕ ФИЗИКО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗДАНИЯ

§ 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ

ИИХ ОГРАЖДЕНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТАХ СССР

Территория СССР простирается с севера на юг примерно на 4500 км, а с запада на восток — более чем на 9000 км. Этим, в основ­ ном, объясняется большое разнообразие климатических условий.

В Советском Союзе представлены четыре наиболее характерных типа климата: умеренный, субарктический, арктический, а на юге страны — субтропический.

Гигиенические требования к объемно-планировочному решению зданий и условия их эксплуатации в каждом климате различны. Такие различия могут быть конкретизированы по наиболее повто­ ряющимся и длительным периодам теплового состояния внешней географической среды, влияющим на тепловые ощущения человека.

Степень влияния влажности на особенности теплового состоя­ ния внешней среды может быть установлена на основании общей оценки влажности климата в рассматриваемой местности или по карте .влажностно-климатических характеристик районов строи­ тельства (стр. 000).

Сочетания рассматриваемого теплового состояния с ветрами определенной скорости, весьма важные, в частности, для характе­ ристики территорий, прилегающих к морям и океанам, устанавли­ ваются путем изучения повторяемости видов погоды с конкретной температурой и скоростью ветра. Из этих видов весьма важна по­ года с интенсивным переносом воздуха и содержащихся в нем взвешенных частиц (морозная с ветром, метелевая, штормовая, с пыльными и песчаными бурями).

Такая погода существенно влияет на рациональные приемы застройки, а также на типы зданий и ограждающих конструкций, ограничивая возможность применения инженерных решений, целесообразных в других условиях.

Внутренний объем проектируемых кварталов нуждается при за­ метной повторяемости таких погодных условий, в защитных меро­ приятиях (озеленение, снегозащита, контурные здания-барьеры и т.. п.), а здания — в повышенной герметизации ограждающих кон­ струкций.

К погоде, сильно влияющей на архитектурно-строительные ре­ шения в южных районах, относится также жаркая штилевая, прямо противоположная погодным условиям с интенсивным пере­ носом воздуха. При повторяемости жаркой штилевой погоды, целе-

49