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
Температура замерзания воды в порах зависит от их диаметра.
С уменьшением диаметра пор понижается и температура замерзания
воды в них, т.е. с понижением температуры замёрзшей кладки теплопроводность её постоянно растёт.
Появление и накопление влаги в кладке стен зависит от климата
местности, характеристик микроклимата помещений, материалов
кладки, конструкции стен и других со
путствующих этому факторов.
По условиям влияния климата на влажность ограждений вся территория страны делится по влажности на три зоны: сухую, нормальную и
влажную. Карта зон влажности приведена в СП 50.13330.2012 [19].
Наиболее высокие коэффициенты теплопроводности имеют кладки стен зданий, находящихся в условиях влажной зоны, а наименьшие
в сухой зоне.
Как по
казано ранее, сочетание влажности климата с температурно-влажностными характеристиками помещений определяют условия
эксплуатации наружных ограждений исходя из условия накопления в
них влаги. По условиям эксплуатации А или Б принимаются расчётные
коэффициенты теплопроводности кладки. Они всегда выше коэффициентов теплопроводности для материалов кладки, находящихся в сухом состоянии.
Расчётные коэффициенты теп
лопроводности используются при
всех теплотехнических расчётах. Их значения для строительных материалов, в том числе и для материалов кладки, даны в СП 50.13330.2012
[19]. Коэффициенты λ для материалов кладки даны также в табл. П3
пособия.
Значения коэффициентов λ для кладки даны в табл.П3 как для
композитной конструкции из кирпичей и раствора. По
этому в зависимости от составляющих кладки расчётные коэффициенты теплопроводности разных кладок могут различаться даже при одинаковой объёмной плотности.
Например, по данным табл. П3 кладка объёмной плотностью ρ
= 1800 кг/м
3
из керамического кирпича на цементно-песчаном раство-
=
0
ре имеет коэффициенты теплопроводности для условий эксплуатации
А и Б, соответственно, λ
= 0,70 Вт/(м⋅°С) и λБ = 0,81 Вт/(м⋅°С). Клад-
А
ка, сложенная из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе, и имеющая объёмную плотность также ρ
условиях эксплуатации, имеет коэффициенты λ
=1800 кг/м3 при таких же
0
= 0,76 Вт/(м⋅°С) и λБ =
А
= 0,87 Вт/(м⋅°С), что составляет существенную разницу.
Пример 2.2. Определить расчётную величину коэффициента теп-
лопроводности кладки с объёмной плотностью ρ
= 1800 кг/м3, со-
0
стоящей из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе,
51
для наружных стен жилых зданий, эксплуатируемых в условиях Тамбова и Архангельска при температуре воздуха в помещении t
при относительной влажности ϕ
= 50%.
в
= 20 °С и
в
Решение. Результаты определения даны в табл. 2.6. Как видно, во
влажном климате Архангельска стены накапливают влаги больше, чем
в сухом климате Тамбова. Поэтому для них следует принимать более
высокий расчётный коэффициент теплопроводности. В данном случае
увеличение составляет 15,7%. По сравнению с коэффициентом теплопроводности кладки для сухого состояния λ
эксплуатируемые стены в
0
обоих случаях имеют большие величины расчётных коэффициентов λ.
Увеличения λ по сравнению с λ
составляют 25% и 45% (см. табл. 2.6).
0
Способность материала поглощать и накапливать тепловую энергию также при повышении температуры является важной характеристикой строительных материалов. Эта способность называется тепло-
ёмкостью. Количественно теплоёмкость характеризуется удельной
теплоёмкостью c, равной количеству тепла в Дж, необходимому для
повышения температуры 1кг материала на 1 °С, и имеющей размерность Дж/(кг·°С).
Теплоёмкость зависит от влажности материала.
Удельная теплоёмкость возрастает с повышением влажности. Это связано с ростом в количества воды в материале. Вода практически всегда
имеет более высокую теплоёмкость, чем строительные материалы.
Значения удельной теплоёмкости для материалов в сухом состоянии с
приведены в СП 50.13330.2012 [19]. Для кладок стен они также приведены в табл. П3 пособия.
2.6. Расчётные коэффициенты теплопроводности
Температура воздуха
помещения, °С
для кладки стен в Тамбове и Архангельске
Наименование
показателя
район строительства
Тамбов Архангельск
Обоснование
показателя
20 20 по ГОСТ 30494–2011
Относительная
влажность воздуха
50 50 по ГОСТ 30494–2011
помещения, %
Влажностный режим
помещения
сухой сухой
Зона влажности сухая влажная
СП 50.13330.2012,
табл. 1 (см. также
табл. 2.3 пособия)
СП 50.13330.2012,
прил. В
0
52
Продолжение табл. 2.6
+
ρ
=
Наименование
показателя
Условия
эксплуатации стены
Коэффициент теплопроводности кладки
в сухом состоянии,
Вт/(м·°С)
Расчётный коэффициент теплопроводности
кладки в условиях
эксплуатации
район строительства
Тамбов Архангельск
А Б
0,56 0,56
0,70 0,81
Обоснование
показателя
СП 50.13330.2012,
табл. 2 (см. также
табл. 2.4 пособия)
СП 50.13330.2012,
прил. Т, табл. Т. 1
(см. также табл. П3
пособия)
СП 50.13330.2012,
прил. Т, табл. Т. 1
(см. также табл. П3
пособия)
Для влажных материалов удельная теплоёмкость может быть вы-
числена по формуле
=
w
+
,
(2.13)
01,01
w
01,0
wс
+
0
с
где сw – удельная теплоёмкость материала при влажности по массе
равной w, %; с
– то же в сухом состоянии.
0
Для кладки из нескольких материалов удельная теплоёмкость оп-
ределяется с учётом весовых частей её материалов
pcpс
с
= , (2.14)
кл
ppкк
pp
+
pк
где скл, ск, ср – удельные теплоёмкости, соответственно, кладки, кирпичей и раствора; p
, рр – весовые части кирпичей и кладочного раствора
к
в кладке.
Значения удельной теплоёмкости для кладок стен приведены в
СП 50.13330.2012 [19] и табл. П3, получены в соответствии с формулой (2.14).
В практике оценки теплотехнических качеств ограждений может
использоваться также и объёмная теплоёмкость материала, определяемая как произведение удельной теплоёмкости с
на его объёмную
0
плотность
сс
. (2.15)
00
53
Объёмная плотность с
оv
имеет размерность Дж/(м3·°С).
оv
2.3.3. Расчёты сопротивления теплопередаче кирпичных стен
Процесс теплопередачи в наружных стенах при низких наружных
температурах включает три этапа: поступление тепловой энергии на
внутреннюю поверхность стены от воздуха помещения, передача её в
толще ограждения к наружной поверхности, отдача тепловой энергии
наружной поверхностью и последующей отдачи наружной поверхностью наружному воздуху.
При стационарных условиях теплопередачи потоки тепловой
энергии, поступающие на огр
аждение, проходящие через стену и уходящие наружу, равны между собой. Следовательно, сложив формулы
(2.1) – (2.3) и выполнив необходимые преобразования, можно получить формулу теплового потока, проходящего через стену, в виде
tttt
q
=
о
−
δ
+
λ
α
в
В формуле (2.16) величина R
=
R
о
α
нв
к
+
α
, равная
0
δ
+
λ
в
11
к
−
нв
=
нк
+
α
. (2.16)
R
0
11
, (2.17)
нк
носит название сопротивления теплопередаче ограждения, в данном
случае наружной стены.
Видно, что с ростом величины R
(см. формулу 2.16) поток тепло-
0
вой энергии, уходящей через стену наружу, уменьшается. Поэтому,
сопротивление теплопередаче R
является мерой теплозащитных
0
свойств стены.
Как видно из выражения (2.17), тепловая защита стены определя-
ется коэффициентами теплоотдачи α
и αн, толщиной стены δ и коэф-
в
фициентом теплопроводности кладки стены λ.
Величины
1
=R
,
в
α
в
1
=R
н
(2.18)
α
н
называются, соответственно, сопротивлениями тепловосприятия и
теплоотдачи ограждения.
Величина
δ
R (2.19)
=
к
λ
носит название термического сопротивления ограждения.
54
Расчёты величин R0 следует выполнять по формуле
11
. (2.20)
= RR
о
α
Формулы для расчёта величин R
++
к
α
в
н
зависят от конструктивного ре-
к
шения стен.
Как показано ранее, наружные кирпичные стены могут быть однослойными и многослойными. В них могут быть разные включения с
разной теплопроводностью, а также замкнутые и вентилируемые воздушные полости. Кирпичи в кладке могут быть сплошными и пустотными. Поэтому расчёт термического сопротивления R
в каждом кон-
к
кретном случае имеет свои особенности.
Однослойные конструкции стен. Для однослойных стен (см. рис.
2.1, а) сопротивление R
определяется как
к
δ
к
=R
к
. (2.21)
λ
к
Многослойные конструкции стен. Для многослойных стен, в которых слои материала располагаются параллельно друг другу (см. рис.
2.2, б), расчёт R
R λδ= – термическое сопротивление i-го слоя стены толщиной
где
с коэффициентом теплопроводности материала λi.
δ
i
Пример 2.3. Выполнить расчёт сопротивления теплопередаче R
производится по формуле
к
iii
n
RR
к
i
i
n
δ
i
==
, (2.22)
∑∑
λ
i
==
11
i
0
наружной кирпичной стены жилого здания для условий г. Тамбова,
выполненной из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе и оштукатуренной с внутренней стороны цементно-песчаной, а с
наружной стороны известково-цементной штукатурками. Кладка имеет объёмную плотность ρ
= 1800 кг/м3, толщина кладки равна 0,51 м.
0
Толщина каждого штукатурного слоя составляет 0,02 м. Объёмная
плотность известково-цементной штукатурки ρ
ментно-песчаной штукатурки ρ
= 1800 кг/м3. При стационарной теп-
0
лопередаче и температуре воздуха помещения, равной t
пература поверхности стены должна составлять τ
= 1700 кг/м3, а це-
0
= 20 °С, тем-
в
= 13 °С. Средняя
в
температура наружного воздуха за пять суток в Тамбове составляет
t
= -28 °С. Относительная влажность воздуха помещения равна φв =
н
= 45%. Условия теплообмена на наружной поверхности стены такие
же, как в примере 2.1.
Решение. Вначале определяется коэффициент теплообмена α
внутренней поверхности стены. В п. 2.1 показано, что α
= αвк + αвл.
в
на
в
55
Для определения величин αвк и αвл находится температурный перепад
[
=−=
−
Δt = t
– τв = 20 – 13 = 7 °С и среднее арифметическое значение темпе-
в
ратур t
рис. 2.2 α
α
и τв как: (tв + τв) / 2 = (20 + 13) / 2 = 16,5 °С. Согласно графикам
в
= 3,14 Вт/(м2·°С), α
вк
= 3,14 + 4,94 = 8,08 Вт/(м2·°С).
в
= 4,94 Вт/(м2·°С) и, соответственно
вл
Теплообмен на наружной поверхности стены соответствует условиям для конструкции стены в примере 2.1, и, следовательно, коэффициент теплообмена α
равен αн = 24,37 Вт / (м2·°С).
н
Определяются коэффициенты теплопроводности материалов стены. Для этого устанавливаются условия эксплуатации стены. При
влажности и температуре воздуха помещения φ
= 45% и tв = 20 °C,
в
влажностный режим помещения сухой (см. табл. 2.3). Зона влажности
района строительства в соответствии с прил. В [19] – сухая. Условия
эксплуатации стены по табл. 2.4 – А. По данным табл. Т.1 прил. Т СП
50.13330.2012 [19] и табл. П2 пособия коэффициенты теплопроводности составляют: для кладки – λ
песчаной штукатурки λ
штукатурки λ
= 0,70 Вт/(м·°С).
ицр
= 0,76 Вт/(м·°С); для известково-цементной
цр
= 0,70 Вт/(м·°С); для цементно-
кл
Вычисляются термические сопротивления слоёв стены: цементнопесчаной штукатурки R
= 0,51/0,70 = 0,729 м
= 0,02/0,70 = 0,029 м
Общее термическое сопротивление стены равно
Rк = 0,026 + 0,729 + 0,029 = 0,784 м2·°С/Вт.
Тогда сопротивление теплопередаче стены в целом составляет
R0 = 1/αв + Rк + 1/αн = 1/8,08 + 0,784 + 1/24,37 =
= 0,124 + 0,784 + 0,041 = 0,949 м2·°С/Вт.
= 0,02/0,76 = 0,026 м2·°С/Вт; кладки R
цр
2
·°С/Вт; известково-цементной штукатурки R
2
·°С/Вт.
кл
ицр
=
=
Так как сопротивление R0 является мерой теплозащитных свойств
стены, то можно вычислить плотность потока тепловой энергии, уходящей через стену. Она составляет величину
= Rttq Вт/м
0нв0
]
60,50949,0/)28(20/)(
2
.
Стены с неоднородными конструктивными решениями. В неоднородных конструкциях стен, когда слои параллельны друг другу,
имеются теплопроводные включения и т.д., при расчёте R
определя-
0
ется приведённое термическое сопротивление конструкции, вычисляемое как
56
пр
к
−= , (2.23)
qR )ττ(
нсрвср
где q – расчётная величина теплового потока, определяемая как
; (2.24)
)τ()τ(
ttq −α=−α=
τ
, τ
– средние температуры на внутренней и наружной поверхно-
вср
нср
ннсрнвсрвв
стях неоднородной стены, определяемые по результатам расчёта температурного поля.
Методика определения приведённого сопротивления теплопередаче стен на основе расчёта температурных полей дана в СП
50.13330.2012 [19].
Стены с регулярной системой неоднородностей. Как сказано ранее, имеются неоднородные кирпичные стены, имеющие конструкцию
с регулярной системой неодно
родностей. В этих стенах слои разных
материалов располагаются перпендикулярно и параллельно друг другу
(см. рис. 2.3, 2.4). Для оценки теплозащиты таких стен расчёт приведенного сопротивления теплопередаче можно производить, используя
методику, приведённую в [19].
Стены с наличием в них замкнутых воздушных прослоек. В кон-
струкциях стен иногда имеются замкнутые воздушные прослойки. Их
наличие оп
ределённым образом влияет на теплозащиту стен. Передача
тепловой энергии через них происходит за счёт конвекции и излучения.
Сопротивление прослойки R
зависит от её размеров, места рас-
вп
положения в стене и от направления теплового потока. Сопротивление
стены с воздушной прослойкой находится по формуле
n
RRR
+=
. (2.25)
i
к
∑
1
=
i
При выполнении практических расчётов R
вп
стен с воздушными
к
прослойками можно пользоваться значениями термических сопротивлений прослоек, приведёнными в справочной литературе, а также в
прил. Е, табл. Е1 СП 50.13330.2012 [19]. Сведения о сопротивлениях
воздушных прослоек R
при условиях передачи тепла, подобных ус-
вп
ловиям в замкнутых воздушных прослойках стен, даны в табл. 2.7.
2.7. Термическое сопротивление вертикальной замкнутой
Температура
воздуха
в прослойке
воздушной прослойки
Термическое сопротивление воздушной прослойки R
м
0,01 0,02 0,03 0,05 0,10 0,15 0,20 – 0,30
2
·°С/Вт при толщине прослойки, м
,
вп
Положительная 0,13 0,14 0,14 0,14 0,15 0,15 0,15
Отрицательная 0,15 0,15 0,16 0,17 0,18 0,18 0,19
57
2.3.4. Расчёты распределения температур на поверхностях
−−=
τ
и внутри стен
Сведения о температурах на поверхностях стены и внутри неё необходимы для определения её теплозащиты и гигиенических качеств.
При этом особое значение при оценке теплозащитных и гигиенических
качеств стен имеет температура на их внутренней поверхности. В частности, на основе сведений о ней производится оценка возможности
образования конденсата на стенах, а так
же оценивается потеря телом
человека тепловой энергии путём отдачи её излучением на наружные
стены. Сведения о распределении температур в стене необходимы
также при расчётах влажностного режима ограждения.
Расчёт температуры на внутренней поверхности стены выполня-
ется по формуле
)()(
Rttnt α
. (2.26)
0внввв
Температура наружной поверхности находится как
−
ttn
)(
1
⎛
−=τ
t
вн
– термическое сопротивление конструкции, м2·°С/Вт; tв, tн –
где R
к
нв
⎜
R
α
⎝
0
⎞
+
R
, (2.27)
⎟
к
⎠
i
температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; n – коэффициент,
учитывающий расположение ограждения по отношению к наружному
воздуху, для стен в соответствии с СП 50.13330.2012 n = 1; R
тивление теплопередаче стены, вычисляемое по формуле (2.20); α
– сопро-
0
в
–
коэффициент тепловосприятия стены.
Расчёт температуры в однородном ограждении производится как
−
ttn
)(
1
где
⎛
−=τ
t
в
R – термическое сопротивление части конструкции от внут-
x
∑
нв
R
+
⎜
α
⎝
в0
∑
⎞
R
, (2.28)
⎟
xx
⎠
ренней поверхности ограждения до сечения x.
Расчёты по формулам (2.26) – (2.28) дают достоверные результаты на плоских однородных участках стены при перпендикулярном
направлении теплового потока поверхности ограждения. В этом случае
изотермы температур располагаются параллельно поверхности стены.
Изменение температур происходит только в одном направлении и
температурное поле стены является одномер
ным.
На стенах, имеющих углы, выступы, ниши, проёмы, теплопроводные включения (например, опирание железобетонных балок или
плит на наружную стену) и т.п., температурные поля могут быть двухи трёхмерными (см. рис. 2.11).
58
а)
t
н
б)
t
н
t
н
Рис. 2.11. Схемы распределения температур двухмерных полей:
Характер распределения и величина температур устанавливаются
при расчёте температурных полей. Расчёты в этих случаях, как правило, производятся с использованием компьютерных программ.
Пример 2.4. Выполнить расчёт температур в кирпичной стене
толщиной 0,51 м, выполненной из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м
с внутренней штукатуркой толщиной 0,2 м из известково-цементного
раствора плотностью 1700 кг/м
расчёту приведена на рис. 2.12. Район строительства – Тамбов. Температура внутреннего воздуха t
t
= 18 °С
в
= 11,5 °С
τ
в
τ1 = 10,05 °С
t
уг
q
t
в
q
а – в углу стены; б – простенке
3
с λк = 0,81 Вт/(м·°С) и
3
с λ
= 0,87 Вт/(м·°С). Схема стены к
шт
= 18 °С, наружного воздуха tн = –28 °С.
в
Рис. 2.12. Распределение температур
в стене к примеру 2.4
t
в
0 °С
= –5,09 °С
τ
2
τ
= –25,7 °С tн= –28 °С
н
59
Необходимо также определить температуру в плоскости, расположен-
=
=
=
−
−
−
−
−
−
−
−
ной на расстоянии 0,25 м от внутренней грани стены.
Решение. Вычисляются термические сопротивления слоёв кладки
толщиной 0,51 м – R
ного слоя – R
шт
и слоя кладки толщиной 0,25 м – R
к
.
’
и отделоч-
к
Имеем
=R м
к
R м
шт
2
63,081,051,0
·°С/Вт; 308,081,025,0
′
R м
к
2
023,087,002,0
·°С/Вт.
==
2
·°С/Вт;
Определяется сопротивление теплопередаче стены
= RRR
0
α
в
+++
кшт
111
α
7,8
н
1
63,002,0
23
=+++=
м2·°С/Вт.
81,0
Вычисляется по формуле (2.29) температура на внутренней по-
верхности ограждения
18
−=τ °С.
в
)28(18
7,8
5,1181,0
=⋅
По формуле (2.31) вычисляются температуры стены:
– на границе между отделочным слоем и кирпичной кладкой
))28(18(1
1
⎛
18
−=τ °С;
1
81,0
+
⎜
7,8
⎝
⎞
05,10023,0
=
⎟
⎠
– на расстоянии 250 мм от внутренней поверхности стены
))28(18(1
1
18
−=τ °С;
2
⎛
⎜
81,0
7,8
⎝
++
⎞
09,5308,0023,0
−=
⎟
⎠
– на наружной поверхности стены
))28(18(1
1
18
−=τ °С.
н
⎛
⎜
81,0
7,8
⎝
++
⎞
⎟
⎠
73,25630,0023,0
−=
Пример 2.5. Выполнить построение температурного поля в стене
и на плите перекрытия в месте её опирания на наружную стену. Место
строительства – Иркутск. Стена запроектирована с кладкой из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью 1800
3
кг/м
. Стена оштукатурена с двух сторон цементно-песчаным раствором плотностью 1800 кг/м
3
. Кладка выполнена толщиной 0,51 м, тол-
щина штукатурных слоёв 0,02 м. Плита перекрытия железобетонная
сплошного сечения толщиной 0,16 м. Глубина опирания плиты на стены на глубину 0,2 м. Температура внутреннего воздуха t
носительная влажность воздуха ϕ
= 55%.
в
= 20 °C, от-
в
Решение. Участок стены с полученным распределением температур приведён на рис. 2.13. Обследуемый участок стены неоднородный.
Плита перекрытия является теплопроводным включением и температурное поле на этом месте двухмерное.
60