книги из ГПНТБ / Суханов И.С. Лучистая энергия солнца и архитектура (на примере Средней Азии)

на жилых комнат и кухонь можно ориентировать только при обязатель­ ном применении наружной эффективной солнцезащиты.

Ориентация летних помещений недопустима на западную часть го­ ризонта в пределах от юго-запада до запада — северо-запада. Это огра­ ничение не распространяется на квартиры с балконами или двумя лет­ ними помещениями, ориентированными на разные стороны горизонта. Для летних помещений, расположенных по фронту всей жилой части квартиры и имеющих глубину более 3 /J высоты летнего помещения, не­ допустима также ориентация на южную часть горизонта в пределах от юга — юго-востока до юга — юго-запада.

Конкретизированные требования к ориентации восьми характерных типов жилых домов в соответствии с особенностями их планировочной структуры графически отображены на рис. 82.

Изложенные требования к ориентации зданий в условиях Средней Азии нашли отражение в нормативных республиканских документах (УзССР и ТаджССР), составленных автором или при его участии в пе­ риод с 1958 по 1969 гг. [16—19].

§ 4. Исследование теплоустойчивости наружных ограждений при воздействии инсоляции

К теплотехническим качествам наружных ограждающих кон­ струкций зданий, возводимых в южных районах с континентальным кли­ матом, и в частности в Средней Азии, предъявляются особые требования. Они должны обладать не только требуемым сопротивлением теплопереда­ че, определяющем теплозащитные свойства ограждений в зимних услови­ ях, но и иметь достаточную теплоустойчивость, которая характеризует способность конструкций противостоять летнему перегреву, обусловлен­ ному интенсивной инсоляцией и высокой температурой наружного воз­

т. е. отношением амплитуд колебаний температур: суммарной и на внут­ ренней поверхности. На микроклимат помещений влияют средняя темпе­ ратура внутренних поверхностей ограждений и амплитуда ее колебаний. Однако теплотехнические качества применяемых в массовом строитель­ стве однослойных и многослойных конструкций, в том числе с замкну­ тыми воздушными прослойками, не сказываются на средней температуре внутренней поверхности, а только на амплитуде ее колебаний. С умень­ шением амплитуды в какой-то степени улучшается микроклимат. В зда-

133

ниях с теплоустойчивыми конструкциями температура в течение суток почти неизменна.

Ограждения на теплоустойчивость рассчитываются по формулам [112], представляющими собой упрощенный вариант зависимостей, уста­ новленных А. М. Шкловером математическим путем [131]. В специальной литературе отмечалось, что при разработке метода инженерных расче­ тов были приняты допущения, не отражающие действительную картину теплопередачи при нестационарных условиях [63]. Расчетные и экспери­ ментальные данные нередко расходятся. Теплотехнические качества не всегда можно достаточно точно установить расчетным путем и потому, что они зависят не только от типа конструкции и тепло'физических по­ казателей материалов (теплопроводности, теплоемкости, теплоусвоения

идр.), которые, в свою очередь, изменяются в зависимости от объем­ ной массы, влажности, структуры и т. д., но также от качества произ­ водства изделий и монтажа зданий. В связи с этим для проверки тепло­ защитных свойств конструкций в определенных климатических условиях

иособенно при разработке новых решений приходится прибегать к экс­ периментальным измерениям. Методика натурных наблюдений подробно разработана Б. Ф. Васильевым [9, 43 и др.]. Им, а также его сотрудни­ ками и учениками определена теплоустойчивость большого числа конст­

ловиях Средней Азии.

Нами в 1961 г. впервые в Средней Азии путем натурных измерений оценена теплоустойчивость трехслойных панелей домов современной конструкции Ташкентского домостроительного комбината (ТДСК) [95, 96]. По проекту панели должны иметь внутреннюю бетонную плиту тол­ щиной 10 см (у =2400 кгім3), наружную защитную плиту толщиной 5 см из того же материала и минераловатное заполнение между ними толщиной 10 см при объемной массе утеплителя 300—350 кгім3.

Натурные наблюдения показали, что вследствие завышения толщин бетонных слоев, низкого качества утеплителя и его уплотнения в про­ цессе изготовления панелей теплоустойчивость стен оказалась значи­ тельно ниже проектной. Это вызвало необходимость дополнительной теплоизоляции панелей в ряде эксплуатируемых зданий. Рекомендации, сделанные на основе анализа результатов натурных наблюдений, были приняты комбинатом и, как показали повторные измерения, в домах, построенных после этого, теплотехнические качества панелей стали от­ вечать требованиям нормативов.

В последующие годы исследования теплоустойчивости крупнопа­ нельных зданий в Самарканде, Бухаре, Голодной степи, Нукусе, Таш­ кенте были выполнены ТашЗНИИЭП. Результаты этих наблюдений по-

134

пока только начинается. Натурные исследования, которые были единст­ венным способом экспериментального определения теплоустойчивости ограждений, имеют свои недостатки. Они связаны со значительными за­ тратами времени и средств на строительство экспериментальных объек­ тов. На результаты теплотехнических измерений в эксплуатируемых зданиях существенно влияют такие трудно поддающиеся строгому учету факторы, как режим проветривания, инфильтрация, характер окружаю­ щей застройки и озеленения, от которых зависят степень затенения кон­ струкций, интенсивность рассеянной и отраженной радиации и т. д. В связи с этим трудно сопоставить данные измерений на разных объ­ ектах.

135

Общую величину сквозного затухания ѵ можно представить как произведение значений затухания по слоям Ѵ Ѵ Ѵ - - 1 1 У наружной поверхности ѵн пли как затухание в конструкции в целом ѵ' , умно­ женное на затухание у наружной поверхности:

По данным непосредственных измерений можно получить затухание по отдельным слоям или в целом для конструкции. В процессе павиль­ онных наблюдений измерялись температура на поверхностях и в толще экспериментальных ограждений и величины, определяющие суммарную температуру-—потоки тепловой радиации, альбедо поверхности и ско­ рость движения воздуха. По этим данным рассчитывалось затухание у наружной поверхности. Чтобы проверить надежность данных, получае­ мых путем павильонных наблюдений, одновременно измерена тепло­ устойчивость одинаковых конструкций (кирпичных стен и керамзнтобетонных панелей) павильонным методом и в натурных условиях. Сопо­ ставление результатов измерений показало, что на величину сквозного затухания влияют теплотехнические характеристики сооружения. Основ­ ная причина этого в отличие коэффициента теплообмена у внутренних

тах. Коэффициент передачи тепла излучением зависит от разности тем­ ператур внутренних поверхностей, коэффициента излучения материалов и формы помещения. Для павильона он оказался выше, чем для обыч­ ных помещений. Анализ экспериментальных и расчетных данных пока­

Характеристики теплоустойчивости, полученные путем павильонных измерений и скорректированные с учетом коэффициента тепловосприятия, хорошо совпали с результатами натурных наблюдений. Накоплен­ ный опыт позволяет заключить, что метод павильонных исследований теплоустойчивости относится к числу прогрессивных. С каждым годом увеличивается количество новых типов ограждающих конструкций, тре­ бующих экспериментальной проверки, и в Средней Азии одного испыта­ тельного павильона оказалось уже недостаточно. В 1967 г. аналогичный павильон сооружен на ТашЗНИИЭП. В последнее время метод павильон­ ных исследований теплоустойчивости применен на Украине и в Армении.

За время эксплуатации павильона нами изучены теплозащитные свойства в летних и в зимних условиях однослойных панелей из керамзитобетона и керамзитопенобетона [116], ячеистого бетона [48, 117], стен из пильных известняков [86], а также ряда вариантов облегченных мно­ гослойных ограждающих конструкций [103]. При обработке данных

136

наблюдений по каждому типу экспериментальных конструкций вычер­ чивались кривые изменения во времени всех измерявшихся величин, а также суммарной температуры. По кривым путем графического интег­ рирования, с помощью геодезического планиметра определялись средние значения температур на поверхностях слоев, суммарной температуры и потоков солнечной радиации. На их основе вычислялись амплитуды температурных колебаний и строились графики изменения по толщине ограждения максимальных, средних и минимальных температур. Такие графики (рис. 84) дают наглядное представление о характере затухания температурных колебаний в толще ограждений.

137

Павильонные исследования позволили уточнить толщины однослой­ ных наружных ограждений из упомянутых материалов (выполненных на базе местного сырья), при которых теплотехнические качества удов­ летворяют требованиям действующих норм. Хорошее совпадение экспе­ риментальных и расчетных величин сквозного затухания в целом для однослойных конструкций из ячеистого бетона без учета затухания у на­ ружной поверхности показано в табл. 13. На рис. 85 построены кривые

Т а б л и ц а 13

Экспериментальные и расчетные величины сквозного затухания (без учета затухания

унаружной поверхности) в толще панелей из ячеистого бетона

рис. 85. получены для условий павильона. Те же конструкции в реальных

павильона отличаются небольшими амплитудами колебаний температу­

такого графика для выбора толщин стен из известняка и керамзитобетона. По оси абсцисс отложен коэффициент Ѳ, определяемый в зависи­ мости от зимних расчетных температур внутреннего tB и наружного tl t воздуха и температурного перепада у внутренней поверхности At":

138

образом: сначала находится расчетная скорость ветра, затем по точке пе­ ресечения одной из кривых, характеризующих требуемую величину зату­ хания при определенной скорости ветра, с линией, соответствующей за­ данной объемной массе материала, находится требуемая толщина.

139

Материал и его объемную массу молено выбирать и так, чтобы теплофнзические качества ограждений наиболее полно использовались с точ­ ки зрения обеспечения требуемого сопротивления теплопередаче зимой и должной теплоустойчивости в летний период. В связи с этим представ­ ляет интерес зависимость требуемых толщин по летнему и зимнему режимам от объемной массы материала. Графики, характеризующие та­ кую взаимосвязь для стен жилых зданий в условиях южных районов Узбекистана, приведены на рис. 87. При построении кривых использо­ ваны данные, полученные при павильонных исследованиях стен из керамзитобетона и керамзитопенобетона с объемной массой от 800 до1200 кг/м* и из известняков Пулизпданского месторождения с объемной

46

42\

Объемный вес, кг/м3

Рис. 87. Зависимость требуемой толщины одно­ слойных стен по летним и зимним условиям от объемной массы материала.

140

массой от 1500 до 2000 кг/м3. Недостающие участки кривых в середине графика дополнены пунктиром.

Толщины наружных ограждений жилых домов в условиях Ташкента по летнему и зимнему режимам, найденные в соответствии с действую­ щими нормативами, совпадают при объемной массе материала пример­ но от 1600 до 1750 кг/м3, о чем свидетельствует пересечение кривых на графике. Примерно такой объемной массой обладает кирпичная кладка. При легких материалах стеновые конструкции имеют минимально допу­ стимую теплоустойчивость, но очень большой запас сопротивления теп­ лопередаче, и теплотехнические качества ограждений используются не полностью. Например, панели, состоящие из тонких покровных листов, между которыми расположена термоизоляция из пенопласта, стиропора,

ний, их облегчение и удешевление возможны лишь при условии перехо­ да на конструирование многослойных панелей.

В течение нескольких лет мы изучали возможность создания особо легких ограждений, обладающих высокой теплоустойчивостью [104,109]. Наиболее легкими могут быть конструкции, в которых теплоизоляцией служат замкнутые воздушные прослойки. Расчеты и зимние павиль­ онные измерения показали, что панель с четырьмя прослойками, тол­ щиной по 0,5—2 см каждая, расположенными между легкими защитны­ ми скорлупами, обладает таким же сопротивлением теплопередаче, как кирпичная стена толщиной 38 см. Тепло через воздушные прослойки передается преимущественно излучением (до 80%). Применяя для от­ делки одной из поверхностей, ограничивающих прослойку, материал с низким коэффициентом излучения, можно существенно уменьшить теп­ лопередачу. Так, с помощью алюминиевой фольги, коэффициент излуче­ ния которой колеблется в зависимости от химического состава и качест-

тивлеиие воздушной прослойки можно повысить в 2—2,5 раза. Коэффициент излучения обычных строительных материалов значительно

Опыт эксплуатации в нашей стране зданий со стенами, конструк­ ции которых включают замкнутые воздушные прослойки с отражатель­ ной теплоизоляцией, а также натурные и лабораторные исследования

141

Б. Ф. Васильева, П. Н. Умнякова и других показали высокую эффек­ тивность, долговечность и экономичность таких ограждении. Отража­

ных широтах. Естественно, что этот опыт нельзя механически перено­ сить в Среднюю Азию.

В формулу для расчета сквозного затухания в качестве сомножите­ ле^

ля входит показательная функция е ~ . Таким образом, затухание в большой степени зависит от тепловой инерции £ Д которая в свою оче­ редь определяется толщиной слоев 8, объемной массой т, теплоем­ костью с и теплопроводностью X материалов, входящих в состав кон­ струкции:

Коэффициент теплоусвоения воздуха практически равен нулю и по­ этому из формулы можно сделать вывод, что затухание температурных колебаний здесь не происходит. В связи с этим конструкции с воздуш­ ными прослойками рассматривались как неперспективные для условий юга и им не уделялось внимания. Однако, как показывает анализ тепло­ передачи через воздушную прослойку, затухание температурных колеба­ ний здесь происходит в пределах пограничных слоев воздуха непосред­ ственно у поверхностей прослойки. Теоретически этот вопрос рассмотрен А. М. Шкловером [131], но прежде чем говорить о внедрении таких кон­ струкций в строительную практику, необходима была экспериментальная проверка.

Первые натурные исследования теплоустойчивости панелей с отра­ жательной теплоизоляцией мы проводили в 1962 г. [118]. Опытные конст­

плит устраивалось по 2—4 воздушные прослойки, разделенные алюми­ ниевой фольгой. После установки панелей в доме были выполнены на­ турные исследования, показавшие, что теплоустойчивость панелей с четырьмя воздушными прослойками хоть и оказалась ниже расчетной, но лишь ненамного уступала соответствующей характеристике огражде­ ний массового производства с минераловатным утеплителем. При вскры­ тии экспериментальных панелей выявилось снижение теплозащитных качеств в сравнении с расчетными данными. Это произошло вследствие частичных разрывов фольги при изготовлении панелей и ее коррозии в процессе пропаривания. Натурные наблюдения свидетельствуют о прин­ ципиальной возможности создать конструкции с отражательной тепло­ изоляцией, обладающие достаточно высокой теплоустойчивостью.

142