Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технические принципы проектирования и эксплуатации ограждающих конструкций гражданских зданий. Часть 1. Наружные стены. Учебное пособие.pdf
Тепловой напор возникает при разности удельных весов тёплого
γ−γ=Δ
воздуха помещения и холодного воздуха снаружи здания.
Величина максимального теплового напора в зимнее время ΔP
Па, определяется как
)(55,0
, (2.44)
вн
где Н – высота здания, м; γ
него воздуха, Н/м
Величины γ
3
.
и γв определяются по формуле (1.15).
н
t
НP
, γв – удельные веса наружного и внутрен-
н
Ветровой напор создается за счёт действия на стены ветра. Вели-
чина ветрового напора ΔP
, Па, определяется по формуле
ν
2
03,0 νP
γ=Δ , (2.45)
ν
н
где ν – максимальная из скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более, принимается по СП
131.13330.2012 [21].
По принципу протекания и воздействия на теплотехнические качества стен различаются несколько видов фильтрации воздуха, например, сквозная и внутренняя фильтрации. Наиболее распространена
сквозная или поперечная фильтрация (инфильтрация и эксфильтрация), во
зникающая в том случае, когда воздух проходит через всю
конструкцию. При внутренней фильтрации движение воздуха происходит, как правило, внутри конструкции.
Следствием сквозной фильтрации является изменение распределения температур в толще стены и на ее поверхностях. На рисунке 2.25
приведена схема распределения температур в стене при инфильтрации,
эксфильтрации и отсутствии фильтрации воздуха чере
з стену. Видно,
что инфильтрация понижает температуры внутри стены и на её поверхностях, а эксфильтрация, наоборот, повышает.
,
t
t
в
3
1
2
Рис. 2.25. Схема распределения температур
в ограждении при отсутствии воздухопро-
ницаемости (1), при инфильтрации (2) и
эксфильтрации (3)
t
н
101
Температура в любом сечении стены при наличии инфильтрации
воздуха согласно [24] может быть найдена по формуле
GRc
x
0
−
e
−+=τ
ttt
x
где t
, tн – температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; с0 =1
в
)(
нвн
e
кДж/(кг·°С) – удельная теплоёмкость воздуха; R
тивление стены на участке от наружной поверхности до рассматриваемого сечения, м
2
·°С/Вт; R0 – сопротивление теплопередаче стены
при отсутствии в ней фильтрации воздуха, м
ницаемость конструкции, равная количеству воздуха, проходящего
через 1 м
2
стены за 1 час, кг/(м2·ч).
1
, (2.46)
GRc
00
1
−
– термическое сопро-
x
2
·°С/Вт; G – воздухопро-
Сопротивление теплопередаче стены при наличии инфильтрации
уменьшается и может быть определено по формуле
GRc
00
R−=
инф0
e
1
. (2.47)
cGR
0
Gec
0
При эксфильтрации воздуха через стену температура в любом се-
чении стены определяется по формуле
GRc
−
x
0
1
e
)(
−+=τ
x
ttt
нвн
e
−
−
. (2.48)
GRc
00
1
−
Сопротивление теплопередаче стены при наличие эксфильтрации
может быть найдено как
GRc
−
e
=
R
экс0
100−
. (2.49)
Gc
0
2.5.2. Расчёты сопротивления воздухопроницанию кирпичных стен
Воздухопроницаемость ограждений оценивается сопротивлением
воздухопроницанию R
, м2·ч·Па/кг, при разности давлений ΔP = 10 Па.
и
Для однослойной конструкции или одного слоя многослойной
конструкции величина R
где δ – толщина конструкции или её слоя, м; i
определяется как
и
Rδ=
и
i
м
, (2.50)
– коэффициент возду-
м
хопроницаемости материала ограждающей конструкции или её слоя,
кг/(м·ч·Па).
Для конструкций, состоящих из разнородных материалов, к которым относятся в том числе и стены с кладкой из кирпичей и раствора,
имеющей внутри горизонтальные и вертикальные полосы, каверны,
102
трещины и т.д., величина сопротивления воздухопроницанию определяется как
1
R
= , (2.51)
и
i
k
– коэффициент воздухопроницаемости однослойного ограждения
где i
k
или его отдельного слоя, кг/(м
2
·ч·Па).
Сопротивление воздухопроницанию многослойных стен определяется как
n
=
RR
, (2.52)
ии
∑
j
j
=
1
R
где
– сопротивление воздухопроницанию j-го слоя конструкции.
и
j
Сопротивление воздухопроницанию материалов и конструкций
кирпичных стен по данным [19] приведено в приложении в табл. П7.
Принципы нормирования воздухопроницаемости ограждающих
конструкций рассмотрены в п. 1.3.
Пример 2.12. Рассчитать воздухопроницаемость кирпичной стены
здания для климатических условий Тамбова. Дом запроектирован высотой 16 этажей. Высота этажа 3,3 м. Стена запроектирована с кладк
ой
из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе
= 1800 кг/м3. Толщина стены 0,64 м (2,5 кирпича). Стена оштука-
0
турена с внутренней стороны известково-песчаным раствором толщиной 0,02 м с ρ
= 1600 кг/м3. С наружной стороны стена выполнена не-
0
оштукатуренной с расшивкой швов. Температура внутреннего воздуха
в зимний период t
воздуха φ
= 55%. Определить также снижение сопротивления тепло-
в
= 20 °С. Относительная влажность внутреннего
в
передаче стены и температуру внутренней поверхности стены при наличии в ней инфильтрации воздуха.
Решение. Определяются данные для расчёта. Так как t
=55 %, по табл. 2.3 устанавливается, что влажностный режим поме-
φ
в
= 20 °С,
в
щений нормальный. По прилож. В СП 50.13330.2012 [19] район строительства здания относится к сухой зоне. Следовательно, условия эксплуатации стены А (см. табл. 2.4). Тогда по табл. П3 принимаются для
материалов стены коэффициенты теплопроводности равными: для
кладки из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном
растворе с ρ
песчаной штукатурки с ρ
= 1800 кг/м3 – λкл = 0,70 Вт/(м·°С); для известково-
0
= 1600 кг/м3 – λшт = 0,70 Вт/(м·°С). Темпера-
0
тура наружного воздуха за наиболее холодную пятидневку согласно
СП 131.13330.2012 [21] составляет t
= 28 °С, а расчётная скорость
н
ветра в январе равна ν = 5 м/с.
103
Определяется требуемое сопротивление воздухопроницанию
=
+=γ
=−+=γ
стены.
Для этого по формуле (1.16) вычисляются значения γ
82,11)20273(3463
в
Н/м3; 13,14))28(273(3463
н
и γв:
н
Н/м3.
Высота здания составляет H = 3,3⋅16 = 52,8 м. Тогда по формуле
(1.15) ΔP равно
2
70,7660,1010,67513,1403,0)82,1113,14(8,5255,0
=+=⋅⋅+−⋅=ΔP Па.
Требуемое сопротивление по формуле (1.14) с учётом того,
что для наружных стен нормативная воздухопроницаемость равна
= 0,5кг/(м2⋅ч), составляет
G
н
тр
и
71,15350,070,76
==R
м2⋅ч⋅Па/кг.
По формуле (2.52) на основании данных табл. П7 находится фактическое сопротивление воздухопроницанию стены
2
16014218
Так как
шт икл ии
0,160
=R
и
м2⋅ч⋅Па/кг >
=+=+= RRR м
тр
и
=R
⋅ч⋅Па/кг.
4,153
м2⋅ч⋅Па/кг, проекти-
руемая кирпичная стена отвечает требованиям по защите от воздухопроницания.
Определяется снижение сопротивления теплопередаче стены при
инфильтрации через неё воздуха.
Для этого по формуле (2.20) производится расчёт сопротивления
теплопередаче стены при отсутствии фильтрации
δ
0
λ
α
в
δ
+
=R
шт
шт
кл
+
+
α
λ
нкл
02,0
111
7,0
7,8
1
64,0
7,0
23
=+++=
10,1
м2⋅°С/Вт
и определяется количество воздуха, проходящего через конструкцию
и
Подставляя полученные значения R
42,016010,67
==Δ= RPG кг/(м
и G в формулу (2.47), нахо-
0
2
⋅ч).
дится сопротивление теплопередаче стены при наличии инфильтрации
воздуха через нее
⋅⋅
10,142,01
−
=
R м
ин0
⋅⋅
718,242,01
1718,2
10,142,01
⋅⋅
−
159,1
=
=
67,0
88,0
2
⋅°С/Вт.
Таким образом, сопротивление теплопередаче снизилось при инфильтрации на (1,10 – 0,88)⋅100/1,10 = 20,0%.
Определяется по формуле (2.46) температура внутренней поверхности стены при инфильтрации воздуха.
104
Вначале вычисляется
−
−
+=−
=
x
α
i
1
−=
RR м
0
1
10,1
=−=
7,8
2
98,0
⋅°С/Вт.
Тогда
⋅⋅
98,042,01
−
−−+−=τ
в
и
))28(20(28
1718,2
10,142,01
⋅⋅
1718,2
−
20,14
+=
°С.
Температура на внутренней поверхности стены без фильтрации
воздуха по формуле (2.29) составляет
−=τ °С.
20
в
))28(20(1
⋅
7,810,1
98,14
+=
В соответствии с нормативными требованиями температура на
внутренней поверхности наружной стены τ
=Δ−=τ tt °С. Значение 4
нвв
16420
должна быть не ниже
в
Δt °С принято по табл. 5
н
СП 50.13330.2012 [19].
Видно, что стена не обеспечивает санитарно-гигиенических требований по теплозащите.
98,14
+=τ °С < 16
ин в
тр
+=τ °С. Условия
в
ещё более ухудшаются за счёт инфильтрации воздуха через стену
20,14
+=τ °С < 98,14в+=τ °С.
ин в
Для уменьшения вредного влияния инфильтрации воздуха необходимо повысить сопротивление воздухопроницанию стены за счёт
устройства более плотной цементно-песчаной штукатурки. Необходимо также на нижних этажах оштукатурить наружную поверхность
стен.
Важно отметить, что для обеспечения нормативных требований
необходимо не только повысить сопротивление воздухопроницанию,
но и обеспечить требуемое сопротивление теплопередаче. Выбор констр
уктивного решения требуемой теплозащиты должен учитывать не-
обходимость повышения уровня воздухонепроницаемости стен.
2.5.3. Мероприятия по ограничению фильтрации воздуха
Из предыдущего примера видно, что инфильтрация воздуха снижает температуру внутренней поверхности стены и, следовательно,
ухудшает санитарно-гигиенический режим ограждения. Как указывалось выше, в случае эксфильтрации в стенах за счёт большего прохождения тёплого воздуха с повышенным содержанием влаги будет накапливаться большее количество влаги, чем при отсутствии фильтрации.
в кирпичных стенах
105
Для уменьшения инфильтрации и эксфильтрации необходимо повышать сопротивление воздухопроницанию стены за счёт устройства
на внутренних и наружных поверхностях более плотных штукатурок.
Штукатурка должна быть воздухонепроницаемой, но в то же время
быть с наружной стороны стены и микропористой, обеспечивая удаление водяного пара из конструкции при сушке стены в летних условиях
(см. п. 2.
4 учебного пособия).
Кроме поперечной (сквозной) фильтрации в кирпичных стенах
при недостаточной воздухозащите может происходить также «продольная» фильтрация.
Явление продольной фильтрации состоит в том, что при воздействии ветра холодный наружный воздух может проникать через поверхность ограждения в его толщу и этим вызвать дополнительные
потери тепла стеной и охла
ждение помещений.
При обследовании кирпичных зданий в Тамбове было установлено, что явление «продольной» фильтрации часто проявляется в при
отсутствии штукатурки на наружной стороне стен. В процессе
эксплуатации в таких стенах со временем происходит разрушение расшивки швов. В результате этого холодный воздух беспрепятственно попадает внутрь стены. Кирпичные стены, как пр
авило, сложены «впустошовку» и имеют внутри вертикальные полости, соединённые через определённое расстояние горизонтальными полостями.
В результате проникновения вглубь конструкции под давлением ветра
4
t
н
t
в
1
3
2
τ
в ин
4
τ
в
Рис. 2.26. Схема «продольной» фильтрации в стенах с кладкой
«впустошовку»: разрушенный участок наружной штукатурки (1);
холодный воздух, проникающий в стену (2); зона понижения температуры
на внутренней поверхности τ
и горизонтальный швы кладки «впустошовку» (4)
106
< τв (3); незаполненные вертикальный
в ин
и теплового напора холодный воздух нагревается и, поднимаясь вверх,
уходит из конструкции наружу. В местах, где проходит холодный воздух, на внутренних поверхностях стен резко понижается температура
и может выпадать конденсат. Такое явление «продольной» фильтрации
может возникать и сразу же после строительства. Как правило, это
связано с плохо выполненной расшивкой наружных шво
в, и как показывают обследования, особенно, вертикальных.
При эксплуатации для исключения явления продольной фильтрации необходимо восстанавливать расшивку швов путём их затирки
или полного оштукатуривания поверхности стены.
Продольная фильтрация возникает также и в оштукатуренных
стенах при разрушении штукатурки с наружной стороны стены (см.
рис. 2.26). При отслоении штукатурки швы оголяются и воздух легко
пр
оникает внутрь стены, понижая температуру внутренней поверхности. Конструкции стен с повышенной фильтрацией имеют, как правило, повышенную влажность, что резко снижает их теплозащитные качества и долговечность.
В процессе эксплуатации необходимо своевременно восстанавли-
вать поврежденные слои штукатурки.
У наружных стен, состоящих из воздухопроницаемых крупнопо-
ристых или пустотелых ки
рпичей, «продольная» фильтрация может
возникать даже при отсутствии ветра только под влиянием теплового
напора. При этом через наружную поверхность в нижней части стены
холодный наружный воздух будет проникать в стену, а в верхней
части нагретый воздух будет уходить из неё. Для исключения этого
процесса наружные крупнопористые материалы должны быть оштукатурены.
В настоящее вре
мя нет надёжной методики определения влияния
«продольной» фильтрации на теплотехнический режим ограждений.
Тем не менее это явление необходимо учитывать при проектировании
конструкций стен и соблюдать правила эксплуатации стен с возможной «продольной» фильтрацией воздуха.
Повышенную воздухопроницаемость имеют кирпичные стены,
выполненные с внутренними воздушными прослойками. Для уменьшения воздухопроницания в таки
х стенах необходимо устраивать
плотные штукатурные слои с внутренней и наружной стороны стен.
Повышенной воздухопроницаемостью обладают облегчённые
кирпичные стены, выполненные с засыпным утеплителем (см.,
например, рис. 2.3). В процессе эксплуатации при проникновении
воздуха внутрь засыпки в ней возникают внутренние токи воздуха,
резко снижающие теплозащитные качества насыпного утеплителя
(см. рис. 2.27).
107
t
н
t
в
4
3
2
τ
в ин
1
Рис. 2.27. Схема «продольной» фильтрации в стенах
с теплоизоляционными засыпками:
теплоизоляционная засыпка (1); холодный воздух (2); зона пониженной
температуры на внутренней поверхности стены (3); сквозные щели
в швах кладки (4)
τ
в
t
н
1
3
t
в
τ
в ин
2
1
τ
в
Рис. 2.28. Схема «внутренней» фильтрации в кирпичных стенах,
сложенных «впустошовку»:
плотные слои штукатурки (1); зона пониженной температуры на внутренней
поверхности стены (2); швы, незаполненные раствором (3)
Влияние такой фильтрации проявляется в ещё большей мере при
усадке утеплителя в процессе эксплуатации стен. Усадка утеплителя
возрастает при динамических воздействиях на стены (вибрации, ударов и т.п.). Для уменьшения влияния воздухопроницаемости на тепло-
108
защиту стен с утеплителем из засыпных материалов необходимо ограничивать свободную высоту засыпок устройством поперечных диафрагм через 0,5 м и менее, а также оштукатуривать стены плотными
штукатурками.
При большой воздухопроницаемости внутренних швов кирпичной кладки, сложенной «впустошовку», несмотря на наличие плотных
слоёв штукатурки с внутренней и наружной поверхностей стен, внутри
кладки стены по
д влиянием разности температур могут возникнуть
конвекционные токи воздуха, аналогичные токам воздуха в воздушных прослойках. Это явление носит название «внутренней» фильтрации. Схема «внутренней» фильтрации в кирпичных стенах приведена
на рис. 2.28. «Внутренняя» фильтрация существенно снижает теплозащитные качества стен и понижает температуру на внутренней поверхности стен. В этих мес
тах на стене при эксплуатации может выпадать конденсат. Для исключения процесса «внутренней» фильтрации
необходимо качественно заполнять раствором горизонтальные и вертикальные швы кладки.
Таким образом, повышенная воздухопроницаемость кирпичных
стен существенно ухудшает их эксплуатационные качества. Особенно это заметно в стенах, имеющих воздухопроницаемые прослойки
или воздушные полости. Поэтому при эксплуатации стен нео
бходимо
обеспечивать условия, исключающие повышенную воздухопроницаемость.
109
В данной части учебного пособия на примере кирпичных стен
достаточно подробно рассмотрены физико-технические процессы,
протекающие в ограждающих элементах оболочки здания под воздействием климатических факторов внешней и внутренней среды. Понимание сути этих процессов даёт возможность проектировщикам принимать конструктивные решения ограждений, в данном случае кирпичных стен, обеспечивающие защиту здания от негативных воз
вий и создающих условия для их надёжной и долговечной эксплуатации. В свою очередь, наличие знаний о физико-технических процессах, протекающих на границах и внутри ограждений, необходимо для
инженеров, занимающихся эксплуатацией зданий. Наличие таких знаний позволит принимать своевременные решения по ограничению или
полному исключению негативных возд
жающей их среды.
В этой связи авторы считают, что изложенные в учебном пособии
сведения о кирпичных стенах и физико-технических процессах, протекающих в них, являются полезным учебным материалом для подготовки инженеров-строителей в области эксплуатации, ремонта и реконструкции зданий. Пособие может также использоваться в каче
учебного материала на курсах повышения квалификации специалистов,
работающих в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Следует иметь в виду, что в силу ограниченности объёма пособия
в нём приведены лишь основные сведения о физико-технических
принципах проектирования и эксплуатации наружных стен и только на
примере одного их типа. Надеемся, что усвоение этих знаний д
возможность дальнейшего самосовершенствования будущих специалистов в этой важной для практики области прикладных научных дисциплин – строительной физике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
дейст-
ействий на ограждения окру-
стве
аст
110