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

промежутка времени, в течение которого завершается процесс ох­ лаждения этой конструкции; такое завершение выражается в пре­ дельном понижении температуры на поверхности ограждения, об­ ращенной в помещение. Продолжительность времени, необходимого для предельного охлаждения рассматриваемой ограждающей кон­ струкции, зависит от ее массивности; чем массивнее конструкция, тем длительнее это время.

Расчеты нестационарного охлаждения конструкций, вызванного понижением температуры в соответствии с рис. II.6, показывают, что для полного охлаждения легких конструкций, утепленных эф­ фективными теплоизоляционными материалами, требуется около одних суток, тогда как для тяжелых массивных конструкций, вы­ полненных из кирпича или конструктивных бетонов, процесс охлаж­ дения завершается только в течение периода от трех до пяти суток. Предельно низкие температуры на внутренней поверхности конструкции, полученные сложным нестационарным методом рас­ чета, хорошо учитывающим действительные условия охлаждения, могут быть установлены более простым расчетом по установив­ шимся условиям теплопередачи, если в качестве расчетной будет принята средняя температура наружного воздуха за период охлаж­ дения конструкции.

Всоответствии с этим для расчета легких ограждающих конст­ рукций принимается средняя температура наиболее холодных суток; для массивных — средняя температура наиболее холодной пятидневки; для конструкций средней массивности — полусумма этих температур. Расчетная температура может совпадать с абсо­ лютно минимальной только для одинарного остекления п других особо легких ограждений с ничтожной тепловой инерцией.

Чем массивнее ограждающая конструкция или чем больше ее тепловая инерция, тем более умеренная температура наружного воздуха принимается при теплотехническом расчете.

Вкачестве характеристики тепловой инерции конструкции нор­ мами строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиПа принята так называемая «условная толщина» конструкции, предложенная проф. О. Е. Власовым. Условная толщина представ­ ляет безразмерный критерий (произведение или в слоистых конст­ рукциях сумму произведений термических сопротивлений отдель­ ных слоев на коэффициент теплоусвоения s соответствующего материала, т. е. D = Rs или D — 'ERs), характеризующий число тем­ пературных волн, затухающих внутри конструкции при периодиче­

ском действии таких волн на одну из внешних ее поверхностей *. К легким ограждающим конструкциям с характеристикой теп­ ловой инерции менее 4,0 относятся все наиболее распространенные

* Этот безразмерный критерий достаточно точно характеризует процесс затухания температурных волн только в однослойных конструкциях, в слои­ стых — затухание зависит от толщины и порядка расположения отдельных слоев, а поэтому критерий является приближенным. Однако для применяемых в строи­

тельстве конструкций приближение обычно не превышает практически необходи­ мой точности расчетов.

60

виды бесчердачных покрытий промышленных зданий, крупнопа­ нельные и щитовые конструкции стен, утепленные эффективными теплоизоляционными материалами, слоистые конструкции стен, вы­ полняемые в виде облицовок из бетона, керамики, пластмасс и лег­ ких утеплителей и т. д. *

Кмассивным конструкциям с характеристикой тепловой инерции более 7,0 следует относить однородные стены с толщиной более 0,6 м, выполненные из полнотелого глиняного или силикатного кир­ пича, а также из сплошных бетонных камней или блоков (при объ­ емном весе бетона 1600 кг/м3и более).

Кограждающим конструкциям средней массивности с характе­ ристикой тепловой инерции в пределах от 4,1 до 7,0 принадлежат

стены из легковесного и многодырчатого кирпича, пустотной кера­ мики, ячеистых бетонов, пустотных шлакобетонных камней и дру­ гих подобных изделий.

Чем больше тепловая инерция (массивность) ограждающей конструкции, преодолеваемая в процессе охлаждения, тем более осредняется расчетная температура. Если на рис. II.6 обозначить разность между абсолютно минимальной и средней температурой

Здесь величины корреляционного коэффициента ф изменяются в зависимости от тепловой инерции конструкции, в пределах от 1,08 D для легких конструкций до 0,083 D — для предельно мас­ сивных.

Закономерное соотношение между среднемесячными и более низкими температурами позволило Е. С. Рубинштейн предложить метод определения средних температур наиболее холодных пяти­ дневок и суток по средним температурам наиболее холодного ме­ сяца. Приближенная эмпирическая формула для вычисления рас­ четной температуры имеет вид:

где а — коэффициент, равный 1,125, для вычисления температуры пятидневки и 1,146 — для температуры суток; Ь — некоторая вели­ чина в градусах, определяемая в соответствии с закономерностью колебаний зимних температур в рассматриваемом географическом районе.

Закономерности (II.2) и (II.3) имеют главным образом методи-

* Из числа легких конструкций целесообразно выделить особо легкие с ха­ рактеристикой тепловой инерции менее 2,5. Поскольку продолжительность охлаждения таких конструкций предельно мала, в качестве расчетной темпера­ туры при их теплофизическом расчете уместно принимать осредненную из абсо­ лютно минимальных температур.

61

ческни интерес и могут быть использованы при составлении норм и справочных таблиц.

При проектировании используются расчетные температуры на­ ружного воздуха для легких и массивных конструкций, включен­ ные в справочные таблицы норм строительной климатологии и геофизики СНиПа.

Для того чтобы судить о теплофизической целесообразности при­ менения типовых конструкций в отдельных климатических райо­ нах, а также для определения расчетных температур во вновь воз­ никающих населенных пунктах, важно знать общий характер из­ менений расчетных параметров по территории СССР.

На прилагаемой карте, составленной при консультации Е. С. Рубинштейн, указаны изолинии средних температур наиболее холодных пятидневок, т. е. расчетных температур для массивных конструкций (см. карту в конце книги).

Изолинии проведены через 5°; в равнинных местностях СССР

ориентировочные значения расчетных температур для пунктов, рас­ положенных между изотермами, могут быть определены линейной интерполяцией с точностью до 1°.

Методы определения расчетных температур наружного воздуха, применяемые в СССР, отличаются большей физической обоснован­ ностью по сравнению с практикой, установившейся в этом отноше­ нии во многих зарубежных странах.

Разработка физически обоснованных методов определения рас­ четных температур определялась большим разнообразием и суро­ востью климатических условий СССР. При этих условиях необхо­ димые теплофизические свойства ограждающих конструкций часто являются решающими для обеспечения их долговечности. Кроме того, такая разработка вызывается общей необходимостью разви­ тия больших объемов строительства на научной основе.

Вдругих, в частности Западно-Европейских, странах с более мягким и однородным климатом, уточнение значений зимних рас­ четных температур наружного воздуха теряет свою актуальность по крайней мере для тех типов ограждающих конструкций, толщи­ на которых определяется конструктивными соображениями и ус­ ловиями прочности, доминирующими по сравнению с влиянием более слабо выраженных климатических воздействий.

Втаких странах в качестве расчетных температур часто исполь­ зуют значения последних, близкие к многолетним абсолютно мини­ мальным, что ведет к повышению скрытых запасов теплофизичес­ кой надежности, но не приводит к необходимости менее экономич­ ного решения ограждений, поскольку их конструктивная толщина определяется другими факторами.

§ 3. СОЧЕТАНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР С ВЕТРОМ

Предельное охлаждение ограждающих конструкций отапливае­ мых зданий может иметь место или при низкой расчетной темпера­ туре наружного воздуха в условиях относительного безветрия, как

62

ром — ограждений более проницаемых, через которые может про­ никать значительное количество этого воздуха и тем самым охлаж­ дать конструкцию и помещение.

При низкой расчетной температуре и относительном безветрии потери тепла Q через конструкцию, выполненную из достаточно

Qo=—- ккал\м2-ч-град,

R o

где Ro — сопротивление конструкции теплопередаче, град -м2-ч/ккал; Qo — потери при разности температур в 1°

При отрицательной температуре и разности давлений, вызван­ ной, например, сильным ветром, потери тепла будут происходить и путем теплопроводности, и за счет охлаждающей сквозной фильт­ рации холодного воздуха через ограждение. Сумма потерь тепла QcysiM будет:

Эта сумма потерь тепла вызывается и разностью температур, и разностью давлений воздуха Ар на противоположных поверхностях конструкции, т. е. происходит за счет двух; физических процессов (теплопроводности и возухопроницания), обусловленных различ­ ными потенциалами переноса.

Обычно полагают, что потери тепла из-за фильтрации холодно­ го воздуха через ограждающие конструкции зданий составляют не­ которую долю фо от потерь тепла, в результате теплопроводности.

где последний член выражает дополнительные потери тепла из-за фильтрации холодного воздуха.

Очевидно, что при расчетной температуре наружного воздуха потери тепла не должны превышать следующей величины:

Отсюда следует, что

Произведение QcyMnRo имеет размерность в градусах и являет­ ся суммарной температурой, при которой в условиях воздействия фильтрации потери тепла наибольшие.

Эти потери тепла будут происходить при суммарной расчетной температуре

Из уравнений (11.5) и (11.6) следует, что

или, поскольку (как это более подробно изложено на стр. 106 и 173) поток фильтрующегося через конструкцию воздуха при ветре

где Rn — сопротивление конструкции воздухопроницанию,

ДЯ - 0 , 0 4 ^ ,

2g

где к — аэродинамический коэффициент, выражающий часть вет­ рового напора, переходящего в статическое давление на поверхно­

Очевидно, что для совершенно непроницаемых ограждающих конструкций фо= 0, поскольку Rn~+оо; для этих ограждений (Ру'чм—

= (Расч5 т. е. предельное охлаждение наступит при наинизшей рас­

четной температуре наружного воздуха, независимо от скорости ветра.

Некоторое увеличение потерь тепла может произойти в этом случае только за счет изменения при ветре коэффициента теплооб­ мена на наружной поверхности конструкции.

Наоборот, для проницаемых ограждающих конструкций коэф­ фициент фо будет иметь существенную величину, пропорциональ­ ную отношению сопротивления теплопередаче к сопротивлению воздухопроницанию, и при большой скорости ветра значение сум­

марной температуры превысит расчетную температуру наружного воздуха.

64

Во всех тех случаях, когда отношение суммарной температуры ^расч

к наинизшей расчетной превышает единицу - сумм- >• 1, необходи-

^расч

мо увеличивать сопротивление воздухопроницанию проектируемых ограждающих конструкций путем применения соответствующих конструктивных мероприятий (утолщение или повышение непрони­ цаемости фактурных слоев, уплотнение стыков и сопряжений ограж­ дающих конструкций, в частности, переплетов окон и т. д.).

Например, для конструкций кирпичных неоштукатуренных стен с сопротивлением воздухопроницанию /?и=1,8 мм вод. ст. м2-.ч/кг и сопротивлением теплопередаче R0 = 1,2 град- м2-ч]ккал, величина

,0 1,8

Принимая в рассматриваемой местности повторяемость силь­ ных ветров равной повторяемости расчетных понижений температу­

=—28 (1 + 0,0067 • 122) = —54,88°> —45°.

Вэтом случае при суммарной температуре, учитывающей воз­ действие ветра, происходят большие потери тепла стенами, чем при расчетной температуре наружного воздуха и безветрии.

Правильной конструктивной мерой в данном случае будет при­ менение плотного (или утолщенного) наружного фактурного слоя, имея в виду повышение сопротивления стены воздухопроницанию до 35—40 мм вод. ст. м2-ч/кг.

Еще более полезной будет высокая степень уплотнения стыков

исопряжений конструктивных элементов наружных стен. Однако наибольшая необходимость возникает в отношении возможно высо­ кой герметизации оконных переплетов.

Более существенное увеличение суммарной температуры (по сравнению с расчетной при безветрии) отмечается в тех климатиче­ ских районах, где сильные и продолжительные ветры совпадают во времени с предельно низкими температурами наружного воздуха, поскольку именно эти ветры вызывают понижение температуры (полуостров Мангышлак, Владивосток, Новороссийск и др.).

Вэтих районах существенно возрастают требования к непрони­ цаемости наружных ограждающих конструкций даже в том случае,

если такие конструкции удовлетворяют требованиям эксплуатации для других довольно холодных районов.

Величина суммарной температуры не может являться постоян­ ной, так как она зависит от скорости ветра и наружной температу­ ры (ему сопутствующей), а также от аэродинамической обтекае­ мости здания, степени воздухопроницаемости ограждающих конст­ рукций и их теплозащитных свойств.

Тем не менее эта величина является полезной при проектирова­ нии ограждающих конструкций здания, поскольку позволяет пра­ вильно установить значение сопротивления воздухопроницанию

наружных ограждений и целесообразное его соотношение с сопро­ тивлением теплопередаче.

При проектировании ограждающих конструкций многоэтажных (высоких) зданий, необходимо иметь в виду, что разность давле­ ний для наружных ограждений нижнего этажа дополнительно воз­ растает за счет теплового напора (Apt).

Тогда

Применение формулы (11.9) при значении фо, полученном из (11.13), показывает, что ограждающие конструкции нижней части высоких зданий должны обладать в районах с суровой зимой и сильными ветрами весьма высоким сопротивлением воздухопроницанию. При этом, особое внимание должно уделяться герметиза­ ции стыков конструктивных элементов, оконных переплетов, а так­ же изоляции входных дверей, располагаемых не менее чем в трой­ ных тамбурах.

§ 4. РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕДЛЯ ТЕПЛОГО ПЕРИОДА ГОДА

При проектировании ограждающих конструкций жилых и об­ щественных зданий для крайних южных районов СССР, решающее значение имеет расчет теплофизических свойств по летним услови­ ям, ограничивающий перегрев помещений при периодическом по­ вышении температуры наружного воздуха в течение суток и дейст­ вии солнечной радиации.

В ряде случаев такой теплофизический расчет необходим и для тех промышленных зданий, в помещениях которых важно (в техно­ логических целях) соблюдение постоянной температуры.

Летом в помещениях, где отсутствует кондиционирование воз­ духа, устанавливается среднесуточная температура, близкая к среднему значению наружной.

При незначительной разности среднесуточных температур у на­ ружной и внутренней поверхностей ограждающих конструкций, передача тепла внутрь помещений через стены и другие непрозрач­ ные конструкции происходит главным образом из-за периодиче­ ских повышений температуры на наружной поверхности огражде­

66

ний (вследствие колебаний температуры наружного воздуха в те­ чение суток и действия солнечной радиации).

Периодически изменяющееся температурное поле ограждаю­ щих конструкций и количественный эффект их нестационарного прогрева могут быть определены соответствующим расчетом (стр. 195—197), если известны среднесуточные значения темпера­ тур наружного и внутреннего воздуха и амплитуда колебаний тем­ пературы на наружной поверхности конструкций.

В таблицах норм строительной климатологии не приводится непосредствен­ ных данных о среднесуточной температуре наружного воздуха в летний период года. Эта температура tcр может быть приближенным образом вычислена из вы­ ражения:

_д'

где (макс— средняя максимальная температура в дневное время самого жаркого месяца (устанавливаемая по нормам строительной климатологии); At — средняя (двойная) суточная амплитуда температуры для самого жаркого месяца (обыч­ но июля), определяемая по табл. 2 этих норм.

Так, например, для Ташкента

17,4

^ср = Зэ,3 — PJ— = 2 7 ,6 ° , где величины 35,3° и 17,4° взяты из указанных норм.

В летних условиях среднесуточная температура не может ха­ рактеризовать изменений температурного поля, поскольку она соответствует лишь среднему уровню теплового состояния поверхно­ сти ограждающей конструкции, от которого происходят периодиче­ ские отклонения температур при прогреве конструкции и ее осты­ вании. На рис. II.7 показаны границы возможных изменений тем­ пературного поля внутри наружной стены и постепенное затухание колебаний температур в ее толще по мере удаления от наружной поверхности.

Необходимая для теплофизического расчета величина амплиту­ ды колебаний температуры на наружной поверхности конструкции определяется не только колебаниями температуры наружного воз­ духа, но и тепловым эффектом солнечного облучения.

Время дня, в которое происходит непосредственное облучение наружной поверхности конструкций, вызывающее их прогрев, за­ висит от ориентации этих конструкций относительно солнца и обыч­ но не совпадает с тем временем дня, когда температура наружно­ го воздуха имеет наибольшее значение.

Приближенное совпадение времени солнечного облучения с максимальной температурой наружного воздуха характерно для стен, обращенных на западную и особенно юго-западную сторону горизонта (рис. 11.8), в связи с чем при суммирующихся наиболь­ ших тепловых воздействиях прогрев подобных конструкций более интенсивен, чем для стен, ориентированных иным образом, в част­ ности, обращенных на восток.

Вычисление расчетной температуры наружного воздуха /н', из­ меняющейся в зависимости от ориентации наружной поверхности ограждения, производится по формуле

где /макс и /мин — соответственно максимальная и минимальная температуры наружного воздуха; ß — поправочный коэффициент.

Приближенные значения этого коэффициента могут быть при­ няты по табл. 11.1.

Рис. II.7. Изменения температурного поля однородной наружной стены при летнем про­ греве:

*ср ~ средняя температура за сутки; А^ — амплиту­

да колебаний теплового состояния наружной поверх­ ности стены; А *—амплитуда колебаний теплового

1в

состояния поверхности, обращенной в помещение;

— слой стены, в котором колебания температуры уменьшаются в два раза

Рис. И .8. Колебания температуры наружного возду­ ха и теплового эффекта солнечного облучения в те­ чение летних суток:

ращенных на запад

68

После вычисления расчетной температуры наружного воздуха, необходимо учесть дополнительное повышение температуры поверх­ ности конструкций за счет солнечного тепла, поглощаемого этой поверхностью.

Нагрев поверхностей ограждающих конструкций происходит за счет суммарного действия прямой и рассеянной солнечной ра­ диации *.

Прямая солнечная радиация измеряется количеством тепла, приносимым солнечными лучами, непосредственно падающими на поверхность конструкций.

Рассеянная радиация возникает за счет диффузного отражения солнечных лучей от облаков, капелек влаги и пылинок, содержа­ щихся в приземном слое атмосферы.

Прогрев конструкций вызывается суммой тепловых воздействий прямой и рассеянной радиации или так называемой суммарной ра­ диацией, выражающей общий тепловой эффект солнечного облу­ чения.

Для вычисления суммарной температуры на наружной поверх­ ности конструкции, возникающей под влиянием воздействий наруж­ ного воздуха и солнечной радиации, служит формула:

ляемая по формуле (II.15); р — коэффициент поглощения солнеч­

* В юго-восточных районах С С С Р , отличающихся сухим и жарким климатом, большое значение, кроме того, имеет радиация, отраженная от грунта и стен со­ седних строений. Значительная интенсивность отраженной радиации выравнивает условия прогрева стен с различной ориентацией и способствует нагреванию лучи­ стым теплом даже стен, обращенных на север.

69