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

ккалІм2-ч\ ctH— коэффициент теплообмена между наружной по­ верхностью ограждения и наружным воздухом, ккал/м2- ч-град.

В формуле (11.16) результат нагрева поверхности конструкций лучистым теплом выражается так называемой эквивалентной тем­ пературой, значение которой прямо пропорционально интенсивно­ сти солнечной радиации, поглощаемой поверхностью.

Эквивалентная температура зависит от положения ограждаю­ щей конструкции относительно солнца, а также от цвета и фактуры ее поверхности. Интенсивность суммарной солнечной радиации, воспринимаемой поверхностью различно ориентированных ограж­ дений при безоблачном небе в июле и коэффициенте прозрачности 0,75, показывающем количество радиации, прошедшей через атмос­ феру приземного слоя, приведена для различных географических широт в табл. II.2. Здесь указано наибольшее количество солнеч­ ной радиации, среднее за сутки и разность между этими количе­ ствами (амплитуда солнечной радиации).

Кроме того, указано время дня, соответствующее наибольшему количеству солнечной радиации, падающему на поверхность кон­

Суммарные температуры используются в теплофизических рас­ четах при определении затухания колебаний внешних тепловых воздействий внутри ограждающих конструкций.

Для этих расчетов необходимо знать значение амплитуды коле­ баний суммарных температур в течение суток, зависящее от изме­

нений интенсивности и коэффициентов поглощения солнечной ра­ диации.

Величины коэффициентов поглощения солнечной радиации, р указаны в табл. II.3.

70

Таблица II.3

Как было указано ранее, максимальные значения температуры на­ ружного воздуха не всегда совпадают во времени с максимумами

и колебаний температуры наружного воздуха А / необходимо ум­ ножить на некоторый коэффициент ф, т. е.:

/макс /ср

-Лрасч— Р- At (11.17)

Этот коэффициент ф зависит от длительности времени между часом наибольшего облучения конструкции и максимумом температуры наружного воздуха, наступающим в 15 н.

Величины коэффициента ф для наиболее характерного в рас­ четной практике соотношения амплитуд —^ = 2 ,0 , приведены в

\

табл. 11.4.*

* Иногда в целях упрощения величину А расч определяют по приближенной формуле, дающей наибольшие значения из всех возможных:

-Арасч — Ррм ан /ср) + А,

где At — максимальная амплитуда колебании температуры наружного воздуха в июле, устанавливаемая в соответствии с нормами строительной климатологии.

71

Та блица II.4

Величины коэффициента ф

Величины коэффициента ф при различии времени максимумов / и <н, ч

ческая широта 40°, коэффициент теплообмена на наружной поверхности ограж­

где р — коэффициент поглощения тепла солнечной радиации поверхностью бетон­ ных панелей, равный 0,65; ф=0,73; установлен по табл.' ІІ.4 для различия време­ ни тепловых максимумов, равного 7 ч.

где ф = 0,99, установлен по табл. ІІ.4 для различия времени между максимумами, равного 1 ч (16 ч — 15 ч).

(15 ч — 12ч).*

* Устанавливается по нормам гл. СНиП ІІІ-А.6—72. «Строительная климато­ логия и геофизика» как максимальная суточная амплитуда температуры воздуха в июле. При этом табличное значение уменьшается вдвое, так как в метеорологи­ ческих таблицах указывается двойная амплитуда, представляющая разность между максимальными и минимальными значениями температуры,

72

§ 5. ВЛАЖНОСТНО-КЛИМАТИЧЕСКОЕ ЗОНИРОВАНИЕ РАЙОНОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

Впервые годы эксплуатации вновь выстроенных зданий обычно отмечается повышенное влагосодержание большинства ограждаю­ щих конструкций. В особенности это относится к конструкциям вы­ полненным из бетонов, кирпичной кладки, древесины.

Для зданий с нормальным температурно-влажностным режимом помещений (жилые, общественные, значительная часть промышлен­ ных), это повышенное влагосодержание является избыточным, по­ скольку оно превышает равновесное влагосодержание, устанавли­ вающееся через несколько лет под влиянием влагообмена с внут­ ренней и внешней воздушной средой.

Всвязи с этим, в большинстве вновь выстроенных зданий зна­ чительная часть ограждающих конструкций обладает излишней влажностью и в первый период эксплуатации отдает содержащую­ ся в них химически не связанную влагу наружному или внутренне­ му воздуху.

Внешний климат непосредственным, а иногда и наиболее суще­ ственным образом влияет на равновесное влажностное состояние наружных конструкций зданий с нормальным температурно­ влажностным режимом помещений, поскольку увлажняющее дей­ ствие воздушной среды этих помещений не может быть значи­ тельным.

Равновесная влажность сравнимых по толщине материалу и порядку расположения отдельных слоев ограждающих конструкций таких зданий зависит от количества тепла, расходующегося в при­ родно-климатических условиях на естественную сушку ограждаю­ щих конструкций, а также от эффективности использования этого тепла для целей естественной сушки, что связано с особенностями тепловых воздействий и режима тепло- и влагообмена между по­ верхностью конструкций и окружающей воздушной средой.

Для природных климатических условий характерна периодиче­ ская (в течение года) смена температур и влажности внешней воз­ душной среды.

Во многих климатических районах (особенно континентальных) такая периодичность внешних воздействий явно выражена и в су­ точном периоде, особенно в теплое и переходное время года, когда температура поверхности конструкций может резко колебаться из-за облучения солнцем в течение дня и холодного излучения ночью.

Из опыта естественной сушки ограждений зданий известно, что

конструкции, периодически нагреваемые (обычно за счет солнечных лучей) и охлаждаемые, высыхают полнее и быстрее, чем подвер­ гающиеся непрерывному и длительному нагреву при таком же рас­ ходе тепла.

Этот иссушающий эффект периодического прогрева находит объяснение в теории сушки капиллярно-пористых тел; подобный эффект тем более заметен, чем медленнее происходят в высыхаю­

73

щей конструкции перемещения влаги по сравнению с перераспре­ делением тепла (т. е., чем меньше критерий Lu).

Наибольшая практическая ценность иссушающего эффекта пе­ риодического прогрева имеет место в завершающий, наиболее дли­ тельный период естественной сушки, когда поверхностные слои конструкции уже приобрели воздушно-сухое состояние и лишь по мере удаления от поверхности влагосодержание конструкции воз­ растет до сверхгигроскопических значений (рис. II.9).

Для этого наиболее характерного и длительного периода есте­ ственной сушки критерий Лыкова, выражающий сравнительную интенсивность распространения поля потенциала переноса влаги

относительно поля температур, Lu = <С 1,0 (см. стр. 47—48),

т. е. имеет значение, при котором периодические колебания темпе­

(потенциалопроводность), а — интенсивность распространения тем­ пературы (температуропроводность).

При понижении температуры наружной поверхности, возникают перемещения влаги из внутренних увлажненных слоев конструкции, направленные к этой поверхности; при повышении температуры переместившаяся влага испаряется.

Практика эксплуатации зданий в районах с континентальным климатом, где характерны резкие колебания температур в течение суток и года, подтверждает иссушающий эффект таких циклических воздействий и связанное с ним сухое состояние ограждений зданий.

В климатических районах с меньшими колебаниями температу­ ры влажность материалов ограждающих конструкций, при прочих равных условиях обычно более высока.

При наличии воздушно-сухого (пересохшего) поверхностного слоя испарение с поверхности конструкции ограничивается количе­ ством влаги, диффундирующей сквозь этот пересохший слой.

74

Выражение для количества е испаряющейся в этих условиях влаги при циклических колебаниях температуры наружного возду­ ха может быть написано в следующем виде *:

где D — коэффициент диффузии, ж2/ч; т — время, ч\ б5 — толщина высохшего слоя, м\ и-— среднее количество влаги, содержащееся в материале за пределами высохшего слоя, кг/ж3; АѲ — разность по­ тенциалов переноса влаги в толще материала на глубине распро­ странения резких колебаний температуры и на наружной поверх­ ности конструкции; Ats — амплитуда колебаний температуры внут­

ри конструкции на границе высохшего слоя, °С.

Из выражения (11.18) следует, что интенсивность испарения влаги с воздушно-сухой поверхности ограждающей конструкции, подвергающейся циклическим колебаниям температуры, опреде­ ляется двумя слагаемыми, одно из которых зависит от разности по­ тенциалов переноса влаги в пределах пересохшего слоя, а второе — пропорционально квадрату амплитуды колебаний температуры внутри конструкции на границе этого слоя.

Опыт изучения влажностного состояния ограждающих конст­ рукций в климатических районах с достаточно выраженными коле­ баниями температуры в течение суток и года показывает, что тол­ щина наружного пересохшего слоя очень близка к толщине слоя, известного в строительной теплофизике под названием слоя резких температурных колебаний.

Этот последний слой составляет сравнительно небольшую часть общей толщины однородных ограждающих конструкций (в легко­ бетонных и кирпичных конструкциях 7—8 см, в конструкциях из тяжелого бетона — до 10 см); отличительным свойством слоя рез­ ких колебаний является то, что в его толщине внешние колебания температур затухают примерно в два раза **.

Приняв толщину пересохшего слоя равной толщине слоя рез­

* Выражение (11.18) получено путем совместного решения двух дифферен­ циальных уравнений, одно из которых выражает перемещения влаги в конструк-

т. е.

X

—, м .

S

75

туда колебаний температуры на наружной поверхности конструк­ ции.

Известно, что в большинстве климатических районов естествен­ ная сушка ограждающих конструкций происходит наиболее эффек­ тивно в летний период года: климатологические данные о величине возможного испарения влаги показывают, что даже во влажном климате Англии величина испарения за один летний день примерно равна величине испарения за целый зимний месяц [32].

Поэтому при рассмотрении колебаний температуры следует при­ нимать ее величины, характерные для летнего периода года. Сред­ няя величина полной разности температур наружного воздуха за сутки в летний период года составляет для удаленных от океанов районов СССР 12,5—12,7°, что соответствует амплитуде (т. е. наи­ большему отклонению температуры от среднего значения) At =

= 6,35°.

Эта же величина .амплитуды может быть принята и для наи­ меньших (без учета нагрева солнцем) суточных изменений темпе­ ратуры на наружной поверхности конструкции.

Тогда получим входящее в 11.18 выражение для амплитуды ко­ лебаний температуры внутри конструкции на границе пересохшего слоя в виде

Имея в виду, что интересующие проектировщиков и строителей процессы влагообмена происходят в годовом цикле величину At

уместно также отнести к этому циклу, поскольку между суточными в теплый период и годовыми (между средними температурами ян­ варя и июля) колебаниями температуры может иметь место пря­ мая зависимость, т. е.

At —ФнА/

сут тн год

Коэффициент корреляции фн всегда меньше единицы; конкрет­ ные его значения изменяются для отдельных районов. Величину

у/Код можно рассматривать как иссушающую характеристику климата, возрастающую в континентальных условиях с резкими ко­ лебаниями температур в течение суток и года. Чем больше величина этой характеристики, тем более резко отличаются температуры лет­ него и зимнего периодов: теплее лето, холоднее и устойчивее зима, не перемежающаяся дождями и оттепелями, больше солнечных дней в течение года — ниже влажность наружного воздуха и со­ прикасающихся с ним наружных стен и других ограждающих кон­ струкций зданий.

Обобщение данных натурных исследований влажностного со­ стояния конструкций в зданиях с нормальной влажностью подтвер­ ждает, что иссушающее действие отмеченных климатических фак­ торов возрастает в зависимости от величины указанной характе­ ристики. Чем больше ее величина, тем суше материалы в

76

сравниваемых конструкциях. Это имеет большое значение в клима­ тических условиях СССР, где годовая разность температур возрас­ тает по мере перемещения от западных районов европейской части к центральным районам Восточной Сибири.

Следует отметить, что средняя годовая температура при таком перемещении не подвергается существенным изменениям для гео­ графических пунктов, расположенных на одной широте.

Для преобладающей части территории СССР (исключая край­ ние северные и южные районы) средняя годовая температура ко­

леблется при перемещении с запада на восток в среднем от +5 до —4°.

Полагая среднегодовую температуру для этой части СССР рав­ ной + 1°С и отбросив знаки дифференцирования получим из 11.18 выражение для испарения влаги с поверхности конструкции при периодических колебаниях температуры наружного воздуха:

величина коэффициента диффузии D (падающая по мере высыха­ ния материала), и произведение Dr, входящее в числитель, близко к постоянному значению. Толщина слоя резких колебаний ös также имеет постоянное значение, поскольку она может изменяться толь­ ко в зависимости от периода температурных колебаний, а этот пе­ риод остается постоянным (суточным или годичным) в любом климате.

За потенциал молекулярного переноса пара, при наличии испа­ рения влаги с поверхности конструкции и при постоянной темпера­ туре, может быть принята относительная влажность воздуха ср. При указанных условиях потенциал переноса влаги является одно­ значной функцией от этой климатической величины и зависящей от нее влагосодержания материала [17].

Величину относительной влажности уместно принять для тепло­ го периода года, когда интенсивность испарения наибольшая.

Для выявления других климатических параметров, влияющих на влажностное состояние конструкции, напишем выражение для среднего многолетнего баланса тепла между поверхностью конст­ рукции и окружающей атмосферой в таком виде:

где Qs — количество тепла, поступающего к поверхности конструк­ ции (главным образом лучистого, т. е. солнечной радиации, посколь­ ку конвекционное обычно теряется конструкцией, а не сообщается ей), <7 — сумма количеств тепла, расходуемого в соответствии с

77

климатом, на преодоление энергии связи влаги с поверхностью пор

(11.21), получим при единичной разности потенциалов переноса (ДѲ=1) в самом общем виде функциональную зависимость, харак­

Возможно группирование этих величин в виде безразмерного соотношения, величина которого будет характерной для оценки влажностного состояния ограждающих конструкций, зависящего от климата, т. е.

на повышение влажности ограждающих конструкций; осадки и от­ носительная влажность воздуха имеют общеклиматическое значе­ ние, а энергия связи влаги с материалом и вес конструкции отно­ сятся к конкретным видам проектируемых ограждений.

При этом, если рассматривать осадки как общеклиматический фактор, уместно учитывать их количество, падающее на горизон­ тальную поверхность; для стен, ориентированных различным об­ разом, количество осадков, увлажняющих конструкцию, зависит от направления и силы ветра, а также крупности дождевых капель и может быть только пропорциональным интенсивности осадков на горизонтальную поверхность.

В знаменатель входят величины, влияющие на интенсивность ис­ парения влаги из ограждающих конструкций, а именно: солнечная

78

радиация и характеристика колебаний температуры наружного воздуха.

Радиация, падающая на горизонтальную поверхность, является общеклиматическим параметром; очевидно, количества солнечных лучей, падающих на различным образом ориентированные стены, будут пропорциональны этому параметру.

Таким образом, соотношение (11.23) может быть использовано как общеклиматический критерий, но возможна и конкретизация этого критерия применительно к особенностям геометрического расположения внешней поверхности отдельных ограждающих кон­ струкций.

Общеклиматическое значение соотношения (11.23), может быть установлено путем использования имеющихся справочных метеоро­ логических данных.

При вычислении величин соотношения (11.23) для конкретных географических пунктов, количество осадков (на горизонтальную, поверхность) было принято по данным климатических справочни­ ков средним за месяц для безморозного периода года, а относи­ тельная влажность взята в дневное время (в 13 ч дня) самого теп­ лого месяца.

Поскольку для изучения общих закономерностей влажностного состояния ограждающих конструкций не представлялось целесо­ образным иметь в виду какие-либо конкретные конструкции и ма­

ритории строительства на три зоны с подразделением каждой из

них на две категории районов.

Эта влажностно-климатическая классификация включает сле­ дующие характеристики.

1.Сухая зона (к<5), подразделяется на районы устойчиво-су­

хие (к< 3) и сухие (к = 3—5); 2. Умеренная зона (к = 5—9) под­ разделяется на районы умеренно-сухие (к = 5—7) и умеренно-влаж­ ные (к —7—9); 3. Влажная зона (/с>9) подразделяется на районы влажные (к = 9—11) и устойчиво-влажные (к>11).

Общее распределение зон и районов с различной степенью влаж­ ности по территории СССР указано на прилагаемой карте (см.

карту в конце книги).

Естественно, что территория Средней Азии оказалась отнесен­ ной к устойчиво сухим районам; низкая равновесная влажность

79