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

сообразно наибольшее раскрытие внутреннего объема проектиру­ емых кварталов и зданий, в целях активизации аэрации и лучшего использования ветра при его возникновении.

После выделения подобных видов погоды, наиболее существен­ но влияющих на планировку, застройку, типы зданий и их гермети­ зацию, классификация других видов погоды может быть построена на основе учета степени теплового воздействия на человека.

В любом климате основной характеристикой изменений или стабильности теплового состояния приземного слоя воздуха являет­ ся повторяемость и продолжительность видов погоды наиболее распространенных по длительности и уровню температуры.

Установленные по соответствующим градациям температуры виды погоды определяют в значительной мере эксплуатационные требования к проектируемому зданию и являются показателями для выбора его типа, планировочного решения и особенностей ог­ раждающих конструкций.

Для климатической типизации зданий характерными по особен­ ностям воздействия на человека видами погоды можно считать требующую отопления помещений холодную (ниже +8°), прохлад­ ную (8—15°), теплую (16—28°) и жаркую (выше +28°).

В более неблагоприятных климатических условиях возникает необходимость дополнительного выделения очень холодной (напри­ мер, ниже —12°) и очень жаркой (выше +32°) погоды.

Основное значение для полезной деятельности человека имеет характеристика погоды в дневное время суток; поэтому при рас­ смотрении имеющихся в справочных таблицах среднемесячных значений температуры уместно вводить поправки на повышение температуры днем.

Такие поправки приближенно могут быть определены по вели­ чинам средних амплитуд * колебаний температур для каждого пе­ риода. Ориентировочно эти величины составляют для весенних и осенних периодов в европейской части СССР и других зонах с уме­ ренно-влажным климатом 3—4°, в Средней Азии 5°, в Восточной Сибири и Забайкалье весной 6—8°, осенью 5—6°.

Для летнего периода значения амплитуд увеличиваются до 5— 6° в Европейской части СССР, до 6—8° в Средней Азии, а для Си­ бири равны 6—7°.

Если принять, что в течение суток температура наружного воз­ духа закономерно отклоняется от среднемесячных значений днем в

* Здесь под амплитудой понимается отклонение экстремальных (в течение осредненных за соответствующий месяц суток) значений температуры от ее сред­ немесячных значений. В метеорологических таблицах обычно указывается двойная амплитуда, представляющая разность между максимальными и минимальными значениями температуры.

50

Суммарная продолжительность холодной и очень холодной погоды в рассматриваемом климатическом пункте ориентировочно соответствует длительности отопительного периода года.

Верхний температурный предел прохладной погоды (15°) опре­ деляется обеспечением требуемого теплового уровня (18°) внутри жилого здания за счет внутренних выделений тепла, а верхний предел теплой погоды (+ 28°) примерно соответствует границе теп­ лового состояния внешней среды, при котором длительное обеспе­ чение температурного комфорта для человека, находящегося в зда­ нии (с ограниченной тепловой инерцией и отсутствием охлаждаю­ щих устройств), становится уже затруднительным.

Продолжительность прохладной и теплой погоды может быть приближенно определена путем рассмотрения указанных в табл. 1

Рис. 11.1. Отклонения температуры наружного воздуха в течение суток от средних значений:

1 , 2 — характерны е значения температуры в дневное и ночное время суток

норм строительной климатологии среднемесячных значений темпе­ ратуры в заданном пункте и внесения поправок на ее повышение в дневное время суток.

Так, например, для Ташкента среднемесячная температура июля равна 26,9°, а амплитуда колебаний температуры будет со­ ставлять около 8,5°.

Прибавляя в соответствии с формулой (П-1) 0,7 • 8,5° к средне­ месячной температуре июня (24,7°), июля (26,9°) и августа(д4,9°), убеждаемся, что эти месяцы характеризуются жаркой погодой, тогда как в мае (среднемесячная температура 20,0°) и сентябре (19,4°) преобладает уже теплая погода.

Состав и продолжительность погоды того или другого вида, характеризующие тепловое состояние атмосферы в рассматривае­ мом пункте, могут служить основой для целесообразных мероприя­ тий при проектировании.

В умеренном и неотличающемся сильными ветрами климате повторяемость и длительность холодной и прохладной погоды поз­ воляет установить целесообразные объемно-планировочные харак­ теристики проектируемого здания.

51

Можно считать, что при продолжительности отопительного пе­ риода года (холодной и очень холодной погоды) более 9 месяцев, уместно увеличение ширины жилых и гражданских многоэтажных зданий против общепринятой в умеренном климате. Имеется в ви­ ду необходимость сокращения теплопотерь и ненужность сквозного проветривания, а также целесообразность увеличения площади вспомогательных и назначенных для зимнего пребывания помеще­ ний (гардеробов, кладовых, холлов, рекреаций и т. д.).

Кроме того, при указанной длительности отопительного перио­ да, в ряде северных (и, особенно, в заполярных) районах уменьша­ ется целесообразность использования дневного света для лестнич­ ных клеток, санитарных узлов, служебных помещений. Поэтому разумно располагать их в глубине зданий, без непосредственного естественного освещения.

Увеличенная ширина застройки в рассматриваемых климатиче­ ских условиях представляет экономические и эксплуатационные преимущества также и для многоэтажных промышленных зданий.

В одноэтажном промышленном строительстве для заполярных районов становятся экономически целесообразными и оправданны­ ми бесфонарные промышленные здания.

При наличии длительной очень холодной погоды и сильных зим­ них ветров возникает необходимость улучшения аэродинамических характеристик проектируемых зданий.

Вгражданских и жилых зданиях становится недопустимым проектирование лоджий, а иногда даже балконов и эркеров; в про­ мышленных зданиях следует избегать перепадов высот между от­ дельными пролетами и всемерно ограничивать применение фонарей верхнего света.

Вхолодных районах, в условиях многолетнемерзлых грунтов, помимо увеличения ширины зданий, становится необходимым устройство проветриваемого холодного подполья или даже цо­ кольного технического этажа, препятствующего потерям тепла из отапливаемых помещений в грунт и обеспечивающего уменьше­ ние вероятности неравномерных осадок и деформаций здания в результате самопроизвольного оттаивания и незакономерного уп­ лотнения основания.

При тепловой изоляции поверхности многолетнемерзлого грун­ та, особо сильных ветрах и большой интенсивности переноса снега, возможны решения с отсутствием первого этажа (рис. 11.2) позво­ ляющие повысить эксплуатационные качества помещений в выше­ расположенной части здания и уменьшить ежегодные расходы на очистку от снега прилегающей территории.

Обычно сочетание большой продолжительности (например, более 3-х месяцев) очень холодной погоды с значительной средней скоростью зимних ветров (например, выше 6—7 м/сек) свидетель­ ствует о том, что при проектировании зданий целесообразно стре­ миться к их достаточно приемлемой в смысле обтекания ветром ге­ ометрической форме, учитывая вероятность возникновения снежных заносов у зданий (а для одноэтажных и на их кровле) и особенно

52

в аэродинамически неблагоприятных зонах, какими могут являть­ ся перепады высот, лоджии, фонари верхнего света и другие эле­ менты зданий, трудно обтекаемые снеговетровым потоком.

В южных и юго-восточных районах СССР с большой продолжи­ тельностью жаркой погоды (например, более 2—3 месяцев) целе­ сообразны типы зданий, отличающиеся наибольшей эффективно­ стью в смысле естественного проветривания и защиты от перегрева помещений. Многоэтажные здания нуждаются в таких условиях не только в применении солнцезащитных устройств для светопроемов, но и в экранировании наружных стен, особенно обращенных на юг

и запад, а также в активном вентилировании совмещенных покры­ тий и чердачных пространств.

Совместная естественная вентиляция экранированных стен и покрытий (рис. II.3) может быть активизирована за счет разности температур в зонах притока (нижний этаж) и удаления воздуха (кровля и чердак), а также в вертикальных прослойках на солнеч­ ном и теневом фасадах. Дополнительным средством активизации являются вентиляционные шахты и лестничные клетки, располага­ емые в центральной части здания.

Значительная разность ночных и дневных температур способст­ вует повышенному охлаждающему эффекту ночного проветрива­ ния помещений и экранированных ограждений, что отмечается опы­ том эксплуатации зданий в Таджикской и Узбекской ССР. Натур­ ные исследования и теоретический анализ условий лучистого и кон­ вективного теплообмена в жилых и других помещениях помогли установить, что в южных районах нецелесообразно снижать высо­

53

ту этих помещении до минимума. В низких помещениях с высотой менее 3 м активизируется перегрев человека лучистым теплом и затрудняется организация конвективных токов воздуха, способст­ вующих ограничению такого перегрева (см. стр. 96).

При проектировании малоэтажных (в частности, двухэтажных) зданий для поселкового строительства и отдельных районов горо­ дов в отмеченных климатических условиях целесообразно располо­ жение каждой квартиры в двух уровнях, имея в виду увеличение теплового напора при естественном проветривании каждой инди­ видуальной квартиры, а также поглощение некоторого количества тепла полом нижнего этажа, расположенным непосредственно на грунте (рис. II.4). Эффективность естественного проветривания воз-

Рис. II.4. Схема естественного проветривания и за­ щиты от перегрева квартиры блочного двухэтажного

растает при целесообразном озеленении прилегающего участка, несколько понижающем температуру приточного воздуха.

Целесообразное озеленение прилегающей территории, а также защита вертикальных ограждений здания вьющейся зеленью спо­ собствует, кроме того, и повышению эффективности мероприятий, предохраняющих от перегрева.

Высокая влажность южного климата далеко не всегда влияет на появление существенных отличий в планировке и типе зданий: однако в большинстве случаев интенсивные увлажняющие воздей­ ствия, зависящие от климатических условий, приходится учитывать при проектировании ограждающих конструкций и выборе материа­ лов для них.

Для влажного южного климата обычно характерно меньшее понижение температуры в ночное время; увеличение эффективности естественного проветривания достигается в этих условиях благо­ приятной’ ориентацией здания относительно преобладающих ноч­ ных ветров.

54

При грунте, сильно увлажняемом большим количеством атмос­ ферных осадков, может возникнуть необходимость в наличии под зданием хорошо проветриваемого подполья; лишь в низких забо­ лоченных местах сильно увлажняемых территорий целесообразно превращение такого подполья в специальный цокольный этаж или даже решение здания с отсутствием первого этажа.

Гораздо чаще для любого приемлемого типа зданий в районах с регулярно повторяющимися дождями, сопровождаемыми доста­ точно сильным ветром (прибрежные территории и вообще районы, находящиеся в зоне интенсивных океанических влияний), приходит­ ся проектировать ограждающие конструкции с достаточной защи­

или путем придания наружной части конструкции водоотталкива­ ющих (гидрофобных) свойств при ее производстве в заводских условиях (обработка кремнийорганическими соединениями, спе­ циальными эмульсиями и т. д.).

При ограниченной интенсивности увлажнения вертикальных поверхностей жилых зданий оказывается достаточным утолщение защитнофактурного слоя до 3—4 см и выполнение его из плотного вибрированного мелкозернистого бетона или строительного раствора.

В приморских местностях Англии широко применяют конструк­ ции кирпичных стен с воздушной вентилируемой прослойкой в их наружной части.

Эта же конструктивная схема решения ограждений здания в состоянии обеспечить благополучное влажностное состояние и не­ обходимые теплозащитные свойства других проектируемых конст­ рукций в любых условиях атмосферного увлажнения, а при устрой­ стве влагоизоляции изнутри даже и при сочетании атмосферного

55

увлажнения с перемещением влаги из помещений, например, в банях, прачечных, влажных производственных цехах, рис. 11-5, б.

Районирование территории СССР по длительности и повторяе­ мости характерных видов погоды, влияющих па тепловое состояние человека, пребывающего в здании, представляет весьма трудоем­ кую задачу.

Первым целесообразным приближением к решению этой задачи является деление территории СССР на климатические районы и под­

(для большинства пунктов) к длительным экстремальным тепло­ вым состояниям наружного воздуха в течение зимнего и летнего периодов, а потому могут (в первом приближении) использоваться для оценки температурных границ всего комплекса характерных типов погоды в течение года.

В основу районирования принято давно существовавшее, но яв­ но недостаточное деление территории СССР на четыре района: I — с очень холодной, длительной и суровой зимой и коротким про­ хладным или теплым летом (преимущественно крайние северные

исеверо-восточные районы СССР); II — с холодной зимней пого­ дой, но теплым или умеренно жарким летом (центральные и севе­ ро-западные районы европейской части СССР, а также прибреж­ ные дальневосточные); III — с отрицательной (иногда низкой) зим­ ней температурой, но обычно жарким летом (преимущественно районы с континентальным климатом в средней полосе и отчасти на юге и юго-востоке); IV — с короткой и неустойчивой зимой, но дли­ тельным жарким летом (крайние южные и юго-восточные районы).

Каждый из этих четырех районов подразделен на 3—5 подрай­ онов обозначенных на карте первыми заглавными буквами русско­ го алфавита (см. карту в конце книги).

Дальнейшее уточнение рассматриваемого климатического рай­ онирования наиболее возможно на основе изучения повторяемости

идлительности характерных видов погоды в течение года и должно привести к удовлетворительному решению поставленной задачи.

Выше отмечены только основные климатические характеристи­ ки, влияющие на выбор типа здания или его основных ограждаю­ щих конструкций. Климатические же параметры, используемые в качестве расчетных величин, характеризующих наиболее неблаго­

приятные внешние воздействия при теплофизических расчетах про­ ектируемых конструкций, необходимы во всех случаях проектиро­ вания.

Большинство неблагоприятных внешних воздействий и влияний микроклимата, воспринимаемых ограждающими конструкциями* являются комплексными, т. е. вызванными совместным действием нескольких физических факторов, например, низкой температуры и

56

ветра, совместным эффектом высокой температуры и солнечной радиации. Такое совместное действие может привести к недопусти­ мому охлаждению или прогреву конструкции. Однако при опреде­ лении необходимых физических свойств конструкции, например, ее сопротивления теплопередаче или свойства ограничивать про­ грев, приходится учитывать расчетные величины отдельных наибо­ лее важных физико-климатических факторов из числа входящих в комплекс воздействий, поскольку закономерности их влияния на ограждающие конструкции могут быть существенно различными по своему физическому действию.

Взимний период конструкции с относительно проницаемой на­ ружной частью и недостаточно герметизированными стыками бу­ дут наиболее охлаждаться при сильном ветре, сопровождающемся во многих районах относительно умеренной температурой; наобо­ рот, для конструкций с непроницаемым наружным слоем (напри­ мер, из листового алюминия) и плотными сопряжениями отдель­ ных элементов расчетное состояние охлаждения наступит при пре­ дельно низкой температуре наружного воздуха, что для многих местностей совпадает со штилевым состоянием атмосферы.

Вобщем случае необходим расчет конструкции по двум состоя­ ниям климатических воздействий, а именно: по наиболее неблаго­ приятным условиям воздухопроницания (при сильном ветре и со­ провождающей его относительно умеренной температуре) и по

наибольшему возможному охлаждению при низкой расчетной тем­ пературе, но сравнительном безветрии.

При этом расчетная скорость ветра и расчетная температура при его отсутствии должны назначаться таким образом, чтобы ве­ роятность их повторений (обеспеченность) в рассматриваемой местности была одинаковой.

Вотдельных климатических районах отмечаются совпадения во времени большой скорости ветра и предельно-низкой температуры наружного воздуха. Это происходит по той причине, что именно ветер определенного направления сопровождается понижением тем­ пературы. Такие климатические условия характерны, например, для многих прибрежных районов Дальнего Востока, полуострова Ман­ гышлак, Новороссийска и других местностей.

Вэтих случаях два расчетных состояния климатических воз­ действий совмещаются, и расчет производится при большой скоро­ сти ветра и низкой расчетной температуре, что конечно представля­ ет наибольшую опасность для чрезмерного переохлаждения конст­ рукции.

Аналогичная необходимость расчета по двум состояниям внеш­

них воздействий возникает при проектировании ограждающих кон­ струкций в относительно южных районах.

Здесь необходим расчет распределения температур внутри конструкции при установившейся предельно низкой температуре наружного воздуха в холодный период года (с целью установить необходимое сопротивление конструкции теплопередаче) и расчет периодического прогрева ограждения в летних условиях, выража­

57

ющийся в определении допустимых колебаний температуры на по­ верхности, обращенной в помещение (т. е. расчет затухания коле­ баний температуры внутри конструкции).

Воздействия внешнего климата и микроклимата помещений влияют на периодические увлажнения и естественную сушку огра­ ждающих конструкций; в связи с Этим равновесное влажностное состояние материалов и их теплопроводность зависят от климата; допустимая величина влажности материалов в ограждающих кон­ струкциях иногда может быть обеспечена только при применении целесообразного конструктивного решения.

Перечисленными воздействиями климата далеко не исчерпыва­ ется его значение при конструировании ограждений и их теплофнзическом расчете. Важное значение имеет, например, возможность образования наледей на карнизах, инея и гололеда на поверхности наружных стен, что вызывает увлажнение конструкций и последу­ ющее разрушение их поверхностных и отделочных слоев.

Объем учебного пособия не позволяет рассмотреть многие кли­ матические воздействия, учет которых был бы полезен при проекти­ ровании. Ниже конкретизированы только некоторые из них, наиболее важные для наружных ограждающих конструкций.

§ 2. РАСЧЕТНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД ГОДА

Для проведения теплофизических расчетов ограждающих кон­ струкций зданий необходимо выделять периоды времени ограни­ ченной продолжительности наиболее холодных или жарких видов погоды с наиболее низкой или наиболее высокой температурой, Такие значения температуры называют экстремальными.

При этом расчетные низкие температуры устанавливают как средние для одних или нескольких наиболее холодных суток, наблю­ дающихся в данной местности с определенной ограниченной повто­ ряемостью. Принято считать, что такая повторяемость наиболее неблагоприятных для человека (находящегося в помещении) зна­ чений теплового состояния наружной среды может достаточно ха­ рактеризовать многолетнюю надежность ограждающих конструк­ ций здания в целях защиты людей от чрезмерного охлаждения. В некоторые очень холодные зимы допускается определенное пере­ охлаждение помещений или поддержание нормальной температу­ ры в них за счет усиленного действия отопительных систем.

Обычно применяемый в проектной практике простейший тепло­ технический расчет ограждающих конструкций для холодного периода года производится на основе закономерностей для устано­ вившихся условий теплопередачи (температура наружного и внут­ реннего воздуха принимается неизменной во времени), тогда как в действительных условиях имеют место более сложные процессы неустановившегося охлаждения конструкций. В связи с этим значе­ ние температуры наружного воздуха для такого простейшего рас­ чета теплозащитных свойств ограждающих конструкций устанавли­ вается и принимается с учетом времени, необходимого для пре­

58

дельно допустимого охлаждения рассматриваемых конструкций, возможного при крайних и наиболее длительных понижениях зим­ ней температуры в данном географическом пункте.

Отдельные зимы в одной и той же местности отличаются раз­ личной степенью суровости.

Значение расчетной температуры, устанавливаемое как среднее из метеорологических данных для восьми наиболее холодных зим за 50-летний период, обеспечивает 8%'-ную повторяемость тепловых состояний более неблагоприятных по сравнению с расчетными, поскольку температуры ниже средних будут иметь место лишь для половины холодных зим.

Можно принять, что по мере приближения к наиболее холодно­ му периоду зимы температура наружного воздуха постепенно по­ нижается от среднемесячной температуры наиболее холодного месяца (для большинства местностей — января) до предельно низ­ ких температур, возможных в рассматриваемом географическом пункте. Характер такого понижения температуры указан на рис. 11.6. Из рисунка видно, что предельно низкая температура на­ ружного воздуха имеет место в течение ограниченного времени; средняя температура наиболее холодных суток близка к средней минимальной, но средняя температура за несколько суток подряд (например, за пятидневку) оказывается уже гораздо выше.

При проектировании какой-либо ограждающей конструкции за расчетную принимается средняя температура наиболее холодного

59