Куприянов В.Н. Проектирование теплозащиты ограждающих
реклама
Министерство образования и науки РФ Казанский государственный архитектурно-строительный университет В.Н. Куприянов ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» Казань, 2011 ББК Н 711 – 09 я 73 УДК 624.059.7 К 92 ГУП Татинвестгражданпроект, технических наук Рецензенты: зам.генерального директора по науке, доктор И.С.Абдрахманов Зав. кафедрой САПР Казанского государственного архитектурно-строительного университета, профессор, кандидат технических наук Е.М.Удлер Зав. кафедрой архитектуры Московского государственного университета, профессор, доктор технических наук строительного А.К.Соловьев Куприянов В.Н. К92 Проектирование теплозащиты ограждающих конструкций: Учебное пособие. – Казань: КГАСУ, 2011. – 161 с. ISBN Рассмотрены основные физические процессы в ограждениях зданий: теплопередача, паропроницаемость и воздухопроницаемость и их роль в проектировании теплозащиты зданий. Дано обоснование величины расчетных параметров климатических факторов для теплотехнических расчетов, оценки паропроницаемости и воздухопроницаемости. Сформулированы алгоритмы проектирования теплозащиты ограждений для холодного и теплого периодов года, позволяющие формировать конструкцию ограждений не только с позиции энергоэффективности, но и с позиции ненакопления в них парообразной и конденсированной влаги. Показано влияние взаимного расположения слоев в многослойных ограждениях на их эксплуатационные свойства. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 270800 «Строительство», может быть полезно для магистров, аспирантов и специалистов проектных организаций. Илл.59; табл. 45; библ. 67 наим. ББК Н 711 – 09 я 73 УДК 624.059.7 © Куприянов В.Н., 2011 ISBN © Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2011 2 Предисловие автора После перехода строительной отрасли на повышенный уровень теплозащиты зданий возник ряд неопределенностей как с проектированием теплозащиты ограждающих конструкций, так и с изучением этого раздела строительной физики в вузах страны. Без серьезных научных обоснований и широкой экспериментальной проверки распространение получают многослойные конструкции, проектирование которых основывается на методологии проектирования однослойных стен. Существующие учебники для вузов изданы в 80 х годах прошлого века и опираются на устаревшую научную и нормативную базу, которая была изменена в 1995 и 2003 годах. Исключение составляет учебник Соловьева А.К. «Физика среды» [30], изданный в 2008 году, но его тираж 1000 экземпляров не решает проблемы обеспечения вузов учебной литературой. К настоящему времени накоплен определенный опыт исследования, проектирования и эксплуатации многослойных ограждающих конструкций повышенной теплозащиты и появилось основание для обобщения этого опыта в учебных изданиях. Предлагаемое учебное пособие основано на лекционных курсах, которые автор читает для студентов специальности «Проектирование зданий» в Казанском ГАСУ более десяти лет. Автор выражает надежду, что данное учебное пособие поможет сформировать у студентов системное представление о физических процессах, проходящих в ограждающих конструкциях, и проектировании на этой основе теплозащиты зданий. Автор выражает благодарность ассистенту Халиковой Ф.Р. и студентке Вафиной И.А. кафедры «Проектирование зданий» КазГАСУ за помощь в подготовке рукописи. Особую благодарность автор выражает рецензентам учебного пособия профессорам Абдрахманову И.С., Удлеру Е.М. и Соловьеву А.К. 3 Введение Рациональная тепловая защита зданий является мощным социальным и экономическим фактором. Социальным – потому что обеспечивает комфортные условия в помещениях зданий, соответствующие санитарно-гигиеническим нормативам, а экономическим – потому что регулирует баланс между разовыми затратами при строительстве здания (квартиры, дома и т.д.) и эксплуатационными затратами на отопление, содержание и ремонт в течение всего жизненного цикла здания. Проблема стала весьма актуальной в современных экономических условиях, когда стоимость теплоносителей резко возросла (и продолжает расти) по сравнению с советскими временами. Строительная наука и практика отреагировали на изменившиеся обстоятельства путем переиздания нормативных документов, по которым сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций возрастает в несколько раз. Введение новых теплотехнических требований и норм послужило толчком к развитию производства и широкому использованию теплоизоляционных материалов. Стали разрабатываться и внедряться различные конструктивные решения многослойных наружных стен повышенного уровня теплозащиты. Появились первые успехи, первые ошибки и первые неудачи. Все это сопровождается широкой дискуссией в массовой печати и в специальных изданиях о лоббировании введения новых норм повышенной теплозащиты зданий со стороны производителей теплоизоляционных материалов. Раздаются призывы снизить нормы теплозащиты, вернуться к однослойным стенам из эффективных материалов взамен многослойных. Положение усугубилось принятием Федерального закона «О техническом регулировании», с введением которого СНиПы и СП стали носить рекомендательный характер, а различные организации и региональные структуры получили право разрабатывать и утверждать собственные нормативные документы. Хорошо, если эти документы разработаны на высокой научной базе, но встречаются очень слабые нормативные документы, не обоснованные ни с научной, ни с практической точек зрения. Ущерб от таких норм проявится не сразу, но проявится обязательно, снижением параметров комфортности жилья, малым сроком службы ограждающих конструкций, внеочередными ремонтами и авариями зданий. Описанные выше сложности следует иметь в виду при проектировании тепловой защиты зданий. 4 ГЛАВА 1 ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ КАК ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ Ограждающие конструкции являются важнейшей частью здания, от которой зависит создание требуемого санитарно-гигиенического режима и комфортных условий в помещениях. Около 50ти лет назад была утверждена глава СНиП II – В.4 -58 «Нормы проектирования ограждающих конструкций», которая в 1963 году была заменена главой СНиП II – В.6 – 62 «Ограждающие конструкции. Нормы проектирования» [51]. В этих главах СНиП приведен перечень ограждающих конструкций и сформулированы требования к ним с точки зрения экономики, индустриализации строительства, технологии их изготовления и монтажа. В СНиПах сформулированы эксплуатационные требования к ограждающим конструкциям и записано, что ограждающие конструкции зданий должны обладать необходимой прочностью, жесткостью, долговечностью и огнестойкостью, удовлетворять общим архитектурнохудожественным требованиям. Ограждающие конструкции должны соответствовать санитарно-гигиеническим, теплотехническим, светотехническим, звукоизоляционным и другим эксплуатационным требованиям. Эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций должны соответствовать как климатическим характеристикам места строительства, так и параметрам микроклимата помещений. Особо выделен пункт, касающийся ненакопления влаги в ограждающих конструкциях (п.1.5): «Взаимное расположение отдельных слоев ограждающих конструкций должно способствовать высыханию конструкций и исключать возможность накопления влаги в ограждении в процессе эксплуатации….». В главе СНиП II- В.6-62 сформулированы требования к ограждающим конструкциям по теплозащите, воздухопроницанию, звукоизоляции. Таким образом, эта глава давала цельное представление о роли и месте ограждающих конструкций в зданиях. В дальнейшем СНиП II – В.6-62 был отменен, а многие разделы этой главы были вынесены в самостоятельные главы СНиП по строительной теплотехнике, защите от шума и т.д. Создание специализированных глав СНиП, безусловно, способствовало более глубокой проработке вопросов при проектировании отдельных аспектов ограждающих конструкций, но, вместе с этим, утрачено цельное представление об ограждающих 5 конструкциях, где все эксплуатационные характеристики должны быть взаимосвязаны. Каждый вид ограждающих конструкций требует детального рассмотрения, что невозможно выполнить в одной работе из-за ограничения объема. В связи с этим, основное внимание в учебном пособии будет уделено наружным стенам зданий, которые составляют около четверти затрат от стоимости всего здания. 1.1. Конструктивные признаки и виды наружных стен В зависимости от конструктивной схемы здания, наружные стены подразделяются на три типа: 1. Несущие стены – воспринимают нагрузку от всего здания, имеют мощный фундамент заданной несущей способности. 2.Самонесущие стены – являются самостоятельным элементом здания, конструктивно соединены с несущими конструкциями здания, воспринимают нагрузку только от собственного веса, под эту нагрузку проектируется фундамент. 3.Навесные стены – это элементы фасада здания, закрепляемые к несущим конструкциям в пределах одного или нескольких этажей, могут выполняться из мелкоштучных изделий или в панельных вариантах. В несущих стенах прочность и теплозащита обеспечиваются, как правило, одним и тем же материалом. Причем толщина такой стены часто определяется не требованием прочности, а обеспечением теплозащиты. Толщина классических несущих стен из керамического или силикатного кирпича в 64см (до перехода на повышенную теплозащиту) определялась необходимой теплозащитой. Такие стены имели большой запас прочности. В навесных стенах прочность обеспечивается в пределах одного этажа и она менее выражена, чем в несущих стенах, то есть могут использоваться менее прочные материалы. Основное внимание в этом типе стен уделяется обеспечению теплозащиты и декоративной отделке фасадов. В навесных стенах появляется возможность значительно сократить толщину ограждения за счет использования высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Самонесущие стены занимают с этой точки зрения промежуточное положение. Краткий анализ трех типов стен показал, что наружное ограждение должно обеспечивать несколько функций одновременно: прочность, 6 теплозащиту и декоративные качества фасадов. В связи с этим, более детально рассмотрим функциональные слои наружных стен. 1.2. Функциональные слои наружных стен В наружных стенах основными являются четыре функциональных слоя: А. Конструкционный слой. Основное назначение слоя – обеспечить прочность стены. Выполняется из плотных, прочных материалов, имеющих, как правило, высокую теплопроводность и низкую паропроницаемость. Конструкционный слой выполняется из таких материалов, как кирпич, различные виды бетонов, железобетон, природные и искусственные камни, металл. Б. Теплоизоляционный слой. Основное назначение слоя – обеспечить теплозащитные характеристики стены. Выполняется из высокопористых материалов, которые имеют низкую прочность, низкую теплопроводность и высокую паропроницаемость. Теплоизоляционные слои выполняются из минераловолокнистых матов или плит, пенопластов, ячеистых бетонов и других аналогичных материалов. В. Паро-, ветро- , влагоизоляционные слои. Это листовые или обмазочные материалы с избирательными характеристиками по проницаемости к водяному пару, ветру и влаге. Г.Облицовочные слои. Основное назначение слоя – декоративное завершение фасада. Выполняется из лицевого кирпича, плит из природного камня, керамических материалов, асбестоцементных изделий, из листов стекла, металла, полимеров, из декоративных штукатурок. В зависимости от конструкции ограждения, различные слои или материалы могут выполнять несколько функций. Например, кирпич является конструктивно-теплоизоляционным материалом. На Российском строительном рынке используется огромное количество различных конструкций наружных стен и фасадных систем. Анализ этих конструкций и опыта их применения позволил систематизировать наружные стены и выделить их основные виды, сходные между собой в теплотехническом отношении. Выделенные виды сходны между собой теплофизическими процессами, которые проходят в ограждениях в условиях эксплуатации: - однослойные (сплошные) стены; - двухслойные стены с наружным утеплением; - трехслойные стены с внутренним теплоизоляционным слоем; - стены с невентилируемой воздушной прослойкой; - стены с вентилируемой воздушной прослойкой. 7 Каждый из видов наружных стен имеет свои особенности, достоинства и недостатки, имеет области наиболее эффективного использования. Задача проектировщика состоит в том, чтобы, исходя из требований к проекту, выбрать наиболее оптимальную конструкцию наружных стен. Однослойные, или сплошные, стены выполняются из конструкционно-теплоизоляционных материалов, таких как кирпич, керамические пустотелые блоки, легкобетонные блоки и другие подобные материалы (рис.1.1, а и б). Они могут иметь штукатурные слои с одной или двух сторон (рис.1.1, а) или наружный слой из лицевого кирпича, которые составляют сплошное сечение со стеной (рис.1.1,б). Двухслойные стены (рис.1.1, в) состоят из конструкционного слоя, который выполняется из кирпича, бетонных блоков, монолитного бетона или железобетона, а также других аналогичных материалов. Теплоизоляционный слой закрепляется на наружной стороне конструкционного слоя посредством клея или дюбелей. По теплоизоляционному слою по сетке устраивается лицевой штукатурный слой (рис.1.1,в). В качестве теплоизоляционного слоя используются плиты из минеральных или стеклянных волокон, пенопласты или теплоизоляционные бетоны (табл.1.1). Трехслойные стены аналогичны двухслойным, но в качестве лицевого слоя используется не штукатурка, а кирпич, природные или искусственные камни (рис.1.1,г). В качестве теплоизоляционного слоя используются аналогичные материалы, но их номенклатура и свойства будут отличаться (табл. 1.2). Стены с воздушной прослойкой (вентилируемой и невентилируемой) (рис.1.1, д и е), состоят из конструкционного слоя, теплоизоляционного слоя (см. табл. 1.3) и ветро-влагонепроницаемой пленки типа Тайвек, которая, в то же время, свободно выпускает водяные пары. Далее с зазором 50-150 мм по металлическому каркасу устанавливается лицевой слой из плит. Облицовочные плиты могут выполняться из природного камня, керамогранита, стекла, стали, полимеров и т.д. Отличие фасада с вентилируемой прослойкой состоит в том, что у цоколя здания и у карниза воздушная прослойка сообщается с атмосферным воздухом (рис.1.1,е), за счет чего в прослойке создается движение воздуха, побуждаемое гравитационными силами (тепловым напором). Движение воздуха в прослойке усиливает удаление водяных паров из теплоизоляционного материала. 8 1.3. Теплоизоляционные материалы наружных стен Выбор теплоизоляционных материалов для наружных стен является ответственным этапом проектирования теплозащиты. Универсальных теплоизоляционных материалов не существует. Различные конструктивные схемы наружных стен требуют различных теплоизоляционных материалов. В качестве первичных рекомендаций можно использовать теплоизоляционные материалы, сгруппированные в Рис.1.1.Основные схемы конструктивных решений наружных стен, как объектов теплозащиты: а, б – однослойные (сплошные) стены; в – двухслойные стены с наружным утеплением и штукатуркой по сетке; г – трехслойные стены с облицовочным слоем из кирпича или камня; д – стена с невентилируемой воздушной прослойкой; е – стена с вентилируемой воздушной прослойкой. 1-внутренняя штукатурка; 2– наружная штукатурка; 3-конструкционно- теплоизоляционный материал; 4 – лицевой кирпич или камни, составляющие сплошное сечение со стеной; 5 – конструкционный материал; 6 – теплоизоляционный слой; 7 – лицевой кирпич или камни, связанные с конструкционным слоем гибкими связями; 8 – пленка типа Тайвек; 9 – листовые или плитные облицовочные слои; 10 – приточное отверстие; 11- вытяжное отверстие три таблицы. Табл. штукатуркой; табл. теплоизоляционные таблиц получены теплоизоляционных Шелихова Н.С. [26]. 1.1 – материалы для двухслойных стен с наружной 1.2 – то же для трехслойных стен и табл. 1.3 – материалы для вентилируемых фасадов. Данные на основе анализа и обобщения современных материалов, описанных в работе Рахимова Р.З. и 9 Таблица 1.1 Теплоизоляционные материалы для двухслойных стен с лицевым слоем из штукатурки по сетке № п/п 1 1 2 3 4 5 10 Наименование и характеристика материалов. Производитель, цена 2 А. Материалы из минеральных волокон ISOVER Fasoterm PF, жесткая гидрофобизированная плита на основе волокон из базальтовых пород («Saint – Gobain Jsover», Франция), 164,56 EUR/м3. ISOVER Fasoterm NF то же, 151 EUR/м3 ISOVER Polterm 80 то же, 92,96 EUR/м3 НОБАСИЛ TF Плиты из базальтового волокна на синтетическом связующем («Jzomat», Словакия), 188,5 EUR/м3 Б. Материалы из стеклянных волокон ISOVER OL – A Жесткие плиты («Saint – Gobain Isover», Франция). 3,24 – 6,27 EUR за 1 м2 для толщ. 20-50 мм. Коэффициент Плотность, теплопроводкг/м3 ности Вт/(м·0С) Коэффициент паропроГорючесть ницаемости мг/(м· ч·Па) Размеры изделий (длина × ширина × толщина), мм 3 4 5 6 7 130 0,041 0,32 НГ 1000х500х40-150 80 0,042 0,38 НГ 1000х200х20-200 80 0,035 0,33 НГ 1000х500х40-120 150 0,037 0,32 НГ 1000х500(600) х 40-160 65 0,035 0,5 Г1 1200 х 600х 20 – 140 Продолжение табл. 1.1 1 6 7 8 9 10 2 ISOVER OL – P Жесткие плиты («SaintGobain Isover», Франция). 8,9418,13 EUR/м2 в зависимости от толщины URSA II – 75, II – 85 Плиты («URSA Evrazia», С.Петербург), 5571 руб/ м3. В. Материалы из ячеистого стекла ПЕНОСТЕКЛО Блоки (ОАО «Гомельстекло», г. Гомель, Респ. Беларусь), 4300 руб/м3 Г.Теплоизоляционные бетоны СИМПРОЛИТ СБ-25, СБ -30 Пустотелые блоки из полистиролбетона (ТОО «Симпро», г.Москва) 70-90 $/м3 СИМПРОЛИТ СОП, СУП Жесткие плиты из полистиролбетона (ТОО «Симпро», г.Москва) СОП от 6 до 19,8 $/м2 СУП от 7,2 до 14,3 $/м2 3 75-95 4 0,035 5 0,5 6 Г1 7 1380х1190х70-170 75; 85 0,035 0,5 Г1 1250х600х20х40 до 180 0,06-0,07 0,005 НГ 200-475х125-400х х80,100,120 200 0,085 0,1 Г1 600х300х190-225 200-250 0,065-0,075 0,11 Г1 1000х750х30-150 11 Окончание табл. 1.1 1 11 12 13 14 15 12 2 Д.Материалы из пенопластов ПЛИТЫ ПСБС – Ф Жесткие плиты из безпрес-сового пенополистирола (ООО «Мытищинский пластик»,Моск. обл. ПЕНОПЛЕКС 35 Жесткие плиты из экструзионного пенополистирола, ТУ 2244015-00283222-99 (ПО «Пеноплекс», г. Кириши, Ленинград. обл.), 5000 руб/м3 ИЗОБОРД Твердые плиты из вспененного полистирола, ТУ 2244-00211488074 - 0 (ЗАО «Изоборд», г. Москва) 84-101,5 $/м3 STYROFOAM –IB Твердая плита из экструдированного пенополистирола голубого цвета (DOW Chimical, США) 180-193 $/м3 ТИМПЛЕКС Жесткие плиты из экструдированного пенополистирола (ОАО «Химиический завод им. Л.Я. Карпова , г.Менделеевск, Татарстан) 3 4 5 6 7 100-150 0,041-0,052 0,05 Г2 2800х1000х50-200 35 0,028 0,018 Г1 1200х600х23-100 20-35 0,033 0,17 Г1 900х450х30-100 28-32 0,029 0,06 Г2 1250х600х20-80 32-39 0,029 0,018 Г1 1200х600х20-80 Таблица 1.2 Теплоизоляционные материалы для внутреннего слоя трехслойных стен № п/п 1 1 2 3 4 Наименование и характеристика материалов. Производитель, цена 2 А. Материалы из минеральных и стеклянных волокон. ISOVER VENTITERM Жесткие плиты из волокна на основе базальта, гидрофобизированные («Saint – GobainIsover», Франция), 94,25 EUR/м3 ISOVER VENTITERM Plus Жесткие плиты из волокон на основе базальта, гидрофобизированные. («Saint – Gobain Isover», Франция), 6-10 EUR/м2 ISOVER POLTERM 80 Тоже, 93EUR/м3 ISOVER KL Тоже, 74-236 EUR/м2 в зависимости от толщины 3 Коэффициент теплопроводности Вт/(м·0С) 4 100 0,035 0,33 НГ 1000 х 600 х 50- 100 80 0,035 0,32 Г1 1000 х 600х 50-100 80 0,035 0,33 НГ 1000х500х40-120 15-20 0,034 0,5 НГ 1320,1170,870х565, 600х50150 Плотность, кг/м3 Коэффициент ПаропроГорючесть ницаемости мг/(м·ч·Па) 5 6 Размеры изделий (длина × ширина × толщина, мм) 7 13 Окончание таблицы 1.2 1 2 3 4 5 6 7 250-350 0, 075 0,085 Г1 600х300, 400х200 30 0,029 0,006 Г2 1200х450х40-90 30 0,029 0,006 Г2 2400х450,600х25-75 10-30 0,039 0,014 Г2 1000х500х20-100 Б. Материалы из теплоизоляционных бетонов. 5 6 7 8 14 ПОЛИСТИРОЛ БЕТОН Блоки по ТУ 5767-03200280488-00 (ОАО «Завод дефибрерных камней».г. Екатеринбург), 1750 руб/м3. В. Материалы из пенопластов WALLMATE CW Твердые плиты экструдтрованного пенополистирола (DOW Chemical, США) 196 $/м3 из CAVITYMATE Тоже, 193 $/м3 IZOPORBOARDS Твердые плиты из вспененного бисерного полистирола. (Фирма «Jzocam», Турция) 127 EUR/м3. Таблица 1.3 Теплоизоляционные материалы для вентилируемых фасадов 1 2 3 Коэффициент теплопроводности Вт/(м·0С) 4 6 7 1 НОБАСИЛ LF, LFK Плиты из базальтового волокна на синтетическом связуюшем, повышенной гидрофобизации («IZOMAT», Словакия), 66-78 EUR/м2 ISOVERVKL Жесткие ветрозащитные плиты из стекловолокна без облицовки («Saint – Gobain Isover», Франция), 2,92 EUR/м2 50,75,90 0,035-0,038 0,036 НГ 1000 х 500,600х40-180 130 0,035 0,5 Г1 2700х1200х13 3 ISOVEROL –E Жесткие плиты из стекловолокна («Saint – Gobain Isover», Франция), 5-18 EUR/м2 в зависимости от толщины 50 0,035 0,32 Г1 1500х600х50-180 4 ISOVERKT Мягкий необлицованный мат свернутый в рулон («Saint – Gobain Isover», Франция), 56-169руб/м2 в зависимости от толщины 11-18 0,039 0,5 НГ 11100-4200х1200, 575х50150 № п/п 2 Наименование и характеристика материалов. Производитель, цена Плотность, кг/м3 Коэффициент паропроницаемости мг /(м·ч·Па) 5 Горючесть Размеры изделий (длина× ширина × толщина, мм) 15 Окончание таблицы 1.3 1 5 6 7 8 16 2 ПЛИТЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ URSA Плиты из стекловолокна, гидрофобизированные с покрытием из стеклохолста, («URSAEvrazia», С.Петербург), от 983 до 5570 руб/м3 в зависимости от марки ISOVERVENTITERM Жесткие плиты из базальтовых волокон, гидрофобизированные(«Saint – Gobain Isover», Франция), 94,25 EUR/м3 ISOVERVENTITERMPlus Тоже, 6-10 EUR/м2 в зависимости от толщины ISOVER POLTERM 80 Тоже, 93 EUR/м3 3 4 5 6 7 15 17 20 30 35 45 0,042 0,040 0,039 0,037 0,036 0,035 0,55 0,54 0,53 0,52 0,52 0,51 НГ НГ НГ НГ Г1 Г1 1250х600х х50,60,70,80, 100,110,120 1250х600х х40,50,60, 70,80,100 60 75 85 0,035 0,035 0,035 0,51 0,5 0,5 Г1 Г1 Г1 1250х600х20, 25,30,35,40 1250х600х40 100 0,035 0,33 НГ 1000х600х50-100 80 0,035 0,32 Г1 1000х600х50-100 80 0,035 0,33 НГ 1000х500х40-120 ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОГРАЖДЕНИЯХ ЗДАНИЙ Общая схема физико-климатических воздействий на стены зданий приведена на рис.2.1. К воздействиям наружного климата относятся солнечная радиация, температура и влажность воздуха, дожди и ветер. Внутренние воздействия на ограждения зданий складываются из температуры и влажности внутреннего воздуха и парциального давления водяного пара. Рис.2.1.Основные физико-климатические воздействия на стены зданий В результате физико-климатических воздействий, в наружных стенах зданий возникают три основных физических процесса, которые следует учитывать при проектировании теплозащиты зданий: теплопередача, паропроницаемость и воздухопроницаемость. 2.1. Теплопередача через ограждающие конструкции Тепловой поток (теплопередача) от одной поверхности ограждающей конструкции к другой возникает при разности температур ∆t на противоположных поверхностях ограждений. Направление потока тепла – от поверхности с высокой температурой к поверхности с более низкой температурой. Зимой – из помещения на улицу, летом возможен обратный поток тепла, особенно при облучении фасадов зданий солнечной радиацией. Тепловой поток Qк, то есть количество тепла, проходящего через 1 м2 площади ограждения за 1 час, прямо пропорционален разности температур 17 на противоположных сторонах ограждения ∆t в 0С и обратно пропорционален сопротивлению теплопередаче конструкции ограждения Rтк, (м2·0С)/Вт: Qk где τв и τн – t H , Вт/м2, B RТК RTK (2.1) температуры внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции, 0С. 2.1.1. Особенности теплопередачи в холодный период года При теплотехнических расчетах холодного периода года удобнее пользоваться не температурами поверхностей ограждения τв и τн, а температурами внутреннего и наружного воздуха tB и tH, которые широко представлены в нормативной и справочной литературе. В этом случае тепловой поток через ограждение определится выражением: Q tB tH , Вт/м2, RTO (2.2) где Rто – общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2·0С)/Вт, (от температуры tB до температуры tH). Графическое представление о теплопередаче через ограждающие конструкции приведено на рис.2.2. Рис.2.2. Распределение температур в однослойном (а) и многослойном (б) ограждениях: δ, δ1, δ2 – толщины слоев; λ, λ1, λ2 – коэффициенты теплопроводности материалов слоя, причем λ1» λ2, Q- тепловой поток Из рис. 2.2 видно, что общее сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Rто (от температуры tB до температуры tH) 18 состоит из трех слагаемых: сопротивлению теплоперехода у внутренней поверхности Rтв*) (перепад температур tB–τВ), сопротивлению теплопередаче конструкции ограждения Rтк (перепад температур τВ - τН) и сопротивлению теплоперехода у наружной поверхности ограждения Rтн*) (перепад температур τН- tH): Rто = Rтв+ Rтк + Rтн ,(м2·0С)/Вт. (2.3) Сопротивления теплопередаче у внутренней и наружной поверхностей ограждения Rтв и Rтн определяются особенностями лучистого и конвективного теплообмена у этих поверхностей, что хорошо показано в работах Фокина К.Ф. [33]. Сопротивления теплопередачи у внутренней Rтв и наружной Rтн поверхностей ограждения являются обратными величинами коэффициентов теплоотдачи у внутренней α В и наружной αН поверхностей, то есть: RTB 1 1 , м2·0С)/Вт; (2.4) 1 1 и H , Вт/(м2·0С). RTH RTB (2.5) H и RTH H или B Значения коэффициентов αВ и αН широко представлены в нормативной литературе [62,63] и успешно используются в расчетах многие десятилетия. Сопротивление теплопередаче конструкции ограждения Rк зависит от толщины ограждения – δ, м и коэффициента теплопроводности материала ограждения – λ, Вт/(м2·0С) и определяется по формуле (2.6): RТК , Вт/(м2·0С). (2.6) Для многослойных ограждений сопротивление теплопередаче Rтк определяется как сумма сопротивлений теплопередаче отдельных слоев: (рис.2.2,б): n i (2.7) R . ТК 1 i Из формул (2.6 и 2.7) следует, что величина сопротивления теплопередаче конструкции Rтк возрастает с увеличением толщины ограждения или отдельного слоя δ и уменьшением теплопроводности материала, то есть коэффициента λ. Это обстоятельство используется при проектировании необходимого уровня теплозащиты ограждения, при котором величина сопротивления *) В литературе по строительной теплотехнике прошлых лет изданий Rтв и Rтн называют также сопротивлениями тепловосприятию и теплоотдаче. 19 ТР *) теплопередаче всего ограждения Rто будет больше требуемого RТО , определенного исходя из «суровости» климата. На рис. 2.2 графики распределения температур по сечению ограждения справедливы для так называемых стационарных условий теплопередачи, когда tB и tH не изменяются во времени. Температура внутреннего воздуха tB практически не изменяется во времени, в то время как температура наружного воздуха tH постоянно изменяется, иногда в широких пределах. Однако, многочисленными исследованиями Фокина К.Ф., Ильинского В.М., Богословского В.Н. и других [2,11,33] показано, что стационарные условия теплопередачи могут быть с успехом использованы для теплотехнических расчетов холодного периода года, если в качестве tH принят так называемый расчетный параметр температуры наружного воздуха (см. разд. 3.2.1). Расчетный параметр климатического фактора, в данном случае расчетная температура наружного воздуха, представляет собой такую постоянную величину климатического фактора, которая наиболее полно моделирует физические процессы в ограждениях, адекватно заменяя множество переменных величин этого фактора. ТР Таким образом, обеспечение неравенства Rто ≥ RТО является завершением теплотехнического расчета, но лишь условным завершением. Условным, потому что Rто является сопротивлением теплопередаче не всего ограждения, а лишь «по глади» стены, оно не учитывает теплопотери через теплотехнические неоднородности, которые всегда выше, чем «по глади» и, в силу этого, Rто не характеризует общих тепловых потерь здания. В реальных ограждающих конструкциях, наряду с «гладью стены», имеется большое количество участков, содержащих теплопроводные включения и различные теплотехнические неоднородности. Это углы наружных стен, оконные и дверные откосы, сопряжения элементов каркаса (колонны, балки, перемычки, плиты перекрытий) с ограждениями, ребра и связи жесткости в наружных стеновых панелях, металлические кронштейны системы утепляемых и вентилируемых фасадов и т.п. Элементы каркаса или связи выполняются из железобетона или стали и имеют большую теплопроводность, поэтому в подобных участках ограждения возрастает тепловой поток и, следовательно, утечки тепла. Таким образом, ограждение зданий представляет собой сложную конструкцию, отдельные участки которой имеют различное сопротивление теплопередаче, следовательно, различную величину тепловых потерь. На рис. 2.3 (по данным [12]) приведена структура теплопотерь 17ти этажного жилого дома. Каркас дома – железобетонный монолитный, стены *) Методика определения требуемого (нормируемого) сопротивления теплопередаче разделе 5.1.4. 20 ТР изложена в RТО - трехслойные с эффективным утеплителем с поэтажным опиранием на перекрытия. Окна и балконные двери выполнены в пластиковых переплетах с двухкамерными стеклопакетами. Рис. 2.3.Структура теплопотерь через наружную стену за отопительный период: 1 – основные («по глади»); 2 – через углы; 3 – через сопряжения наружной стены с внутренними стенами; 4 – через сопряжения наружной стены с междуэтажными перекрытиями; 5 – через оконные откосы; 6- через прочие теплопроводные включения Из данных рис.2.3 можно видеть, что почти половина (47%) теплопотерь здания определяется участками с теплотехнической неоднородностью. На тепловизионных съемках участки фасадов с утечками тепла «светятся» красным, причем по интенсивности свечения можно судить о величине утечки тепла. Температура внутренних поверхностей ограждений в зоне теплопроводных включений - 1B будет ниже, чем эта же температура «по глади» - τВ и возникает опасность «точки росы» и конденсации влаги на поверхности ограждения. На рис. 2.4 – 2.8 в качестве иллюстрации приведены некоторые узлы ограждающих конструкций с теплотехническими неоднородностями, приведены температурные поля и температуры внутренних поверхностей. Изменение конструктивных размеров фризового блока в карнизном узле (рис.2.4) [33] могут понизить температуру внутренней поверхности стены у потолка с 7 0С до 5,7 0С, что повышает вероятность выпадения конденсата в этом углу. На рис.2.5 [33] приведен классический горизонтальный стык трехслойных железобетонных панелей. Можно видеть, что в зоне ребер жесткости по периметру панелей температура внутренних поверхностей ниже аналогичной температуры «по глади» на 3,30С – 9,10С против 12,3 0С. 21 Для температурно-влажностных условий помещения с tB = 20 0С и φ = 50%, то есть нормативных, температура «точки росы» будет равна 9,3 0С, следовательно, при расчетных температурах наружного воздуха минус 290С и ниже по периметру панели будет выпадать конденсат. Рис.2.4.Карнизный узел: а – при толщине фризового блока 55 см; б- при толщине фризового блока 32см; 1 – стена из керамзитобетонных блоков; 2 – фризовый блок из шлакобетона;3 – многопустотный настил чердачного перекрытия; 4 – минеральная вата;5 – шлаковая засыпка Рис.2.5.Температуры внутренней поверхности железобетонных панелей наружных стен: горизонтального стыка 1 – гернит; 2 – цементный раствор; 3 – фибролит; 4 – железобетонная плита междуэтажного перекрытия; 5 – пенополистирол Углы наружных стен являются традиционно неблагополучными участками стены с точки зрения теплопотерь. Из рис. 2.6 [14] можно видеть, что температура внутренних поверхностей «по глади» составляет 11,90С, а в углу – 6,20С. Температура «точки росы»для данных 22 температурно-влажностных условий (tB = 180С и φВ= 55%) составляет 8,80С, следовательно, в этом углу будет выпадать конденсат. Традиционное «лечение» наружных углов заключается в размещении в этих местах стояков водяного отопления или устройства дополнительного утепления в углах (см. рис. 5.5 [14]). Рис.2.6.Температурное поле в наружном углу стены из силикатного кирпича Оконные откосы также являются традиционным местом утечки тепла со всеми возможными последствиями: понижением температур поверхностей откосов, конденсат, постоянное увлажнение и плесень, рис.2.7. Рис.2.7.Плесень на оконных откосах в жилом доме (Казань, ул.Глушко, д.9) Причиной образования плесени является понижение температуры внутренних поверхностей откосов ниже «точки росы». На рис. 2.8 [33] представлены температурные поля у оконных проемов. Из рис.2.8 видно, что оконные рамы со спаренными переплетами без специальных 23 мероприятий по утеплению оконных коробок в проеме оказываются непригодными. (Примеры монтажных швов повышенной теплозащиты приведены в ГОСТ Р 52749- 2007 [43] и ГОСТ 24700-99 [38]). Теплопроводные включения и теплотехнические неоднородности могут иметь самые разнообразные конфигурации, что отражается как на величине утечки тепла в этих участках ограждения, так и на температуре внутренней поверхности 1B в этой зоне. При анализе влияния теплотехнических неоднородностей на теплозащитные свойства ограждающих конструкций перед проектировщиками стоят две задачи. Рис.2.8.Температурные поля у оконного проема в стене 2 1 кирпича: 2 а – при двойных раздельных оконных переплетах; б – при спаренных оконных переплетах Первая– обеспечение санитарно-гигиенического показателя тепловой защиты. В этот показатель входит обеспечение нормируемого перепада ∆t между температурами внутреннего воздуха tВ и внутренней поверхности ограничения τВ. При этом расчетный температурный перепад ∆t0 не должен превышать нормируемых величин ∆tН, т.е. : ∆t0< ∆tН. 24 (2.8) В этот показатель входит также обеспечение температуры внутренней поверхности ограждения в зоне теплопроводных включений 1B не ниже температуры «точки росы» tp для температурно-влажностных условий данного помещения, т.е.: 1B > tp. (2.9) Вторая задача – энергетическая. Она касается обеспечения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания qр не более нормируемого значения этого показателя qН то есть: qр ≤ qН. (2.10) Удельный расход тепловой энергии относят к 1м2 площади помещений или 1м3 отапливаемого объема. В соответствии с этим, его измеряют в кДж/(м2·0С·сут) или кДж/(м3·0С·сут). В связи с тем, что наружная оболочка здания состоит из участков с различными сопротивлениями теплопередаче, задача сводится к определению такой величины сопротивления теплопередаче, при которой тепловые потери фрагмента ограждения, отдельного этажа или всего здания будут соответствовать реальным теплопотерям. Эта величина получила наименование приведенного сопротивления теплопередаче ПР . RТО Определение величины приведенного сопротивления теплопередаче ПР RТО представляет собой большую теплотехническую задачу, особенно в связи с широким использованием разнообразных фасадных систем. Известны глубокие исследования этой проблемы [6,7, 28], однако они еще не адаптированы к проектной практике и нормативным документам, где продолжают использовать простейшие рекомендации, связанные с коэффициентом теплотехнической однородности – r, а приведенное сопротивление теплопередаче определяется по формуле*): ПР ПР усл = RТО · r или RТО = RTO RТО r. (2.11) Значения коэффициентов r приведены в ряде нормативных изданий [44, 55, 62], выборка из которых приведена в табл. 2.1. *) Определение приведенного сопротивления теплопередаче см. также раздел 5.1.6. 25 Таблица 2.1 Коэффициенты теплотехнической однородности (r) для различных конструкций наружных ограждений Конструкция наружного ограждения 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Сплошная кладка из крупноформатных пустотелых пористых керамических камней. Сплошная кладка из полнотелого и пустотелого керамического, силикатного и утолщенного кирпича. Облегченная кладка из полнотелого, пустотелого керамического, силикатного кирпича или камня с внутренним слоем из плитного эффективного утеплителя с гибкими стальными связями или сетками. То же с поперечными связями. Однослойные легкобетонные панели. Трехслойные железобетонные панели с эффективным утеплителем и гибкими стальными связями. То же с железобетонными шпонками или поперечными ребрами из керамзитобетона. То же с поперечными железобетонными ребрами Коэффициент r 0,98 0,95 0,75 0,50 0,90 0,70 0,6 0,5 Работами В.Г. Гагарина [7,8] показано, что величины коэффициентов теплотехнической однородности r, представленных в нормативных документах, недостаточно обоснованы, завышены и требуют глубоких самостоятельных исследований. В зависимости от конструкции ограждения, завышение r, представленных в таблице, от реальных составляет 10-40%. В работе [19] показано, что коэффициент теплотехнической однородности снижается с увеличением сопротивления теплопередаче RОусл , рис.2.9. Рис.2.9.Зависимость коэффициента теплотехнической однородности в трехслойной железобетонной панели от условного сопротивления теплопередаче RОусл : 1 – с пенополистирольными плитами λ = 0,04 Вт/(м·0С); 2 – с минераловатными плитами λ = 0,08 Вт/(м·0С) 26 Из рис.2.9 видно, что увеличение сопротивления теплопередаче RTOусл от уровня санитарно-гигиенической безопасности 1,2 – 1,5 (м2·0С)/Вт до уровня энергосбережений 3,2–4,2(м2·0С)/Вт снижает коэффициент теплотехнической однородности на 10-15%. Причем интенсивность изменения r от RTOусл зависит от вида утеплителя (кривые 1 и 2). 2.1.2. Особенность теплопередачи в теплый период года В летний период года тепловой поток направлен, как правило, от наружной поверхности ограждения к внутренней, особенно при действии солнечной радиации на фасады зданий. В этом случае конструкция ограждения должна максимально поглощать тепловой поток и не повышать температуру внутренней поверхности на величину, предусмотренную в нормативных документах. Температура наружной поверхности ограждения при действии солнечной радиации зависит от температуры наружного воздуха tН (0С), интенсивности (плотности теплового потока) солнечной радиации S (Вт/м2), скорости ветра υ (м/с) и может быть определена по формуле Шкловера А.М.: t НП t H где S , H (2.12) ρ– коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждения; αН=1,16(5+10 ) – коэффициент теплопередачи у наружной поверхности ограждения, Вт/(м2·0С). В определенное время суток слагаемое ρS/αН может составлять десятки градусов. Температура наружного воздуха в суточном ходе достигает своего максимума в 15-17 часов. В это время суток солнце находится на западе и максимальная интенсивность солнечной радиации приходится на западные фасады зданий. Эти два фактора и обусловливают проверку ограждающих конструкций, обращенных на запад, на «теплоустойчивость»*) в летнее время. *) Именно этот термин используется в литературе по строительной теплофизике и нормативных документах при оценке перегрева помещений в летнее время. 27 Рис.2.10.Схема передачи тепловой волны через однородную однослойную конструкцию: 1 – ограждающая конструкция; 2 – зона затухания тепловой волны в ограждении; δS – слой резких колебаний Поскольку изменения температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации имеют суточный ход, то тепловое воздействие на наружную поверхность ограждения будет волнообразным: максимальным – в 15 часов дня и минимальным – в 3 часа ночи. В связи с этим, в ограждении с периодом один раз в сутки (24 часа) возникают тепловые волны, которые, перемещаясь от наружной поверхности ограждения к внутренней, затухают на определенную величину в зависимости от конструкции ограждения и теплотехнических характеристик материалов. Схематическое представление о тепловых волнах в ограждении приведено на рис.2.10. Амплитуда колебаний температуры наружной поверхности ограждения АτН определится из формулы: АτН = 0,5 АtH + ρ(Smax-Sср)/αН, где (2.13) АtH – максимальная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха в июле, 0С; Smax и Sср – соответственно, максимальное и среднее значения интенсивности солнечной радиации, Вт/м2; ρ и αн – то же, что и в формуле (2.12). Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения Аτв будет меньше амплитуды АτН на величину затухания тепловой волны в ограждающей конструкции ν, то есть: Аτв= АτН/ν. 28 (2.14) Интенсивность затухания тепловой волны в однослойном ограждении ν определяется величиной тепловой инерции этого ограждения D, которая представляет собой безразмерную характеристику ограждения и определяется произведением его сопротивления теплопередаче R, (м2·0С)/Вт на коэффициент теплоусвоения материала S, Вт/(м2·0С): D = R·S. (2.15) Таблица 2.2 Значения коэффициентов теплоусвоения S характерных групп материалов (сравнительная таблица) № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Наименование материалов Пенополистирол, γ0=20-40 кг/м3 Плиты из стеклянного штапельного волокна, γ0-30-80 кг/м3. Маты минераловатные, γ0=100-150 кг/м3 Газо- и пенобетон, γ0=400-800 кг/м3 Строительные растворы, γ0=1200-1400 кг/м3 Кирпичная кладка из керамического и силикатного кирпича, γ0=1600-1800 кг/м3 Керамзитобетон, γ0=1400-1800 кг/м3 Бетон на гравии или природных заполнениях, железобетон, γ0=2400-2500 кг/м3 Гранит, гнейс, базальт, γ0=2800 кг/м3 Сталь, γ=7850 кг/м3 Алюминий, γ=2600 кг/м3 S, Вт/(м2· 0С) 0,3 ÷ 0,5 0,3 ÷ 0,5 0,6 ÷ 0,8 2÷6 7÷8 8 ÷ 10 8÷ 12 16 ÷ 19 25 126 188 Влияние коэффициента теплоусвоения материала на величину тепловой инерции отдельного слоя или ограждения в целом прослеживается на основе анализа сравнительных данных величины этого коэффициента для характерных групп материалов (табл. 2.2). Из табл. 2.2 следует, что, чем выше плотность материала, тем выше его коэффициент теплоусвоения и тем выше будет тепловая инерция слоя или ограждения. Чем больше тепловая инерция ограждения D, тем медленнее оно нагревается и медленнее остывает, то есть для распространения тепловой волны от одной поверхности до другой требуется время, прямо пропорциональное величине D. Величина тепловой инерции D положена в основу классификации ограждающих конструкций по показателю тепловой массивности: Особо легкие ограждения D < 1,5 Легкие ограждения 1,5 < D < 4,0 Ограждения средней массивности 4,0 < D < 7,0 Массивные ограждения D > 7,0 29 Тепловая массивность ограждений принята за основу при выборе расчетных температур наружного воздуха для холодного периода года: для легких ограждений требуется не более суток для прохождения тепловой волны от одной поверхности ограждения до другой, поэтому в качестве расчетной температуры принята температура наиболее холодных суток; для массивных ограждений требуется гораздо большее время для прохождения тепловой волны от одной поверхности ограждения до другой, поэтому в качестве расчетной температуры принята температура наиболее холодной пятидневки. В летних условиях, как было показано ранее, продолжительность воздействия тепловой волны связана с суточным ходом как температуры наружного воздуха, так и интенсивности солнечной радиации. В этих условиях на распространение тепловой волны от наружной поверхности ограждения к внутренней играет роль слой ограждения, непосредственно примыкающий к наружной поверхности. Этот слой называют слоем резких колебаний. Его особенность состоит в том, что величину тепловой инерции этого слоя приравнивают к единице DS = 1. DS=RSS = S S 1. (2.16) Из этого выражения можно получить формулу для определения толщины слоя резких колебаний δS: S S , м. (2.17) Слой меньшей толщины называют «тонким», у которого тепловая инерция D<1, а большей толщины – «толстым», у которого D>1. Особенность слоя резких колебаний состоит еще и в том, что амплитуда температуры наружной поверхности ограждения АτН уменьшается в два раза, когда тепловая волна достигает границы слоя резких колебаний (см. рис. 2.10). Для многослойных ограждений величина тепловой инерции D определяется как сумма тепловой инерции всех слоев: n D R1 S1 R2 S 2 R3 S 3 ... Rn S n Ri S i . (2.18) 1 Однако, эта формула пригодна лишь для приближенной оценки тепловой инерции многослойного ограждения, поскольку не учитывает порядка расположения его слоев. При прохождении тепловой волны через многослойную конструкцию ее затухание зависит как от параметров отдельного слоя, так и от соседних с ним слоев. Характеристика отдельных слоев: «толстого» (D≥1) или «тонкого» (D<1) приводит к понятию 30 «коэффициент теплоусвоения поверхности слоя» - Y, в формировании которого участвуют параметры как конкретного слоя, так и соседнего с ним. Это происходит в том случае, когда слой резких колебаний толщиной δS захватывает второй или даже последующие слои. Для «толстых» конструктивных слоев ограждения, когда D≥1, коэффициент теплоусвоения поверхности слоя численно равен коэффициенту теплоусвоения материала слоя, т.е. Y=S. Если наружный или какой-либо другой слой ограждения является «тонким» и D<1, то на теплоусвоение этого слоя влияет соседний слой, следующий за ним по ходу тепловой волны. В этом случае коэффициент теплоусвоения поверхности слоя Yi вычисляется по формуле: Ri S i2 Yi 1 Yi , 1 Ri Yi 1 (2.19) где индекс (i-1) обозначает соседний слой, следующий за слоем (i) по направлению тепловой волны. В связи с тем, что в начале расчета не всегда ясно, как отдельные слои ограждения будут «усваивать» тепловую волну, нумерация слоев в многослойном ограждении начинается от внутренней поверхности к наружной, т.е. против движения тепловой волны. После анализа процесса затухания тепловой волны в многослойном ограждении стало возможным записать общую формулу для определения величины затухания ν: 0,9e где D 2 S1 B S 2 Y1 S 3 Y2 S n Yn1 H Yn ... , S1 Y1 S 2 Y2 S 3 Y3 S n Yn H (2.20) е = 2, 718 – ΣD – S– Y– αВ и αН – основания натуральных логарифмов; показатель тепловой инерции всего ограждения; коэффициенты теплоусвоения материалов слоя; коэффициенты теплоусвоения поверхности слоя; коэффициенты теплоотдачи у внутренней и наружной поверхности. В связи с тем, что формулы для расчетов ν и Yi достаточно трудоемки, для предварительных расчетов можно воспользоваться предложениями Богословского В.Н. [2] по упрощенным формулам определения затухания тепловой волны ν и времени ее прохождения до внутренней поверхности ограждения (время запаздывания) – ε. В i-том слое многослойного ограждения величина затухания тепловой волны может быть определена по формуле: (2.21) i 2 Di , 31 тогда затухание в многослойном ограждении определится по формуле: 2 D1 2 D 2 2 D3 ... 2 Dn 2 . (2.22) Di Для определения времени запаздывания применима формула: ε= 2, 7D – 0, 4, часы. (2.23) 2.1.3. Влияние взаимного расположения слоев на теплозащитные свойства ограждений Сопротивление теплопередаче многослойного ограждения - Rтк складывается из сопротивлений теплопередаче отдельных слоев Ri. В соответствии с формулой (2.7), на величину Rтк не влияет последовательность расположения слоев и для расчета теплопотерь ограждения или здания в целом этого оказывается достаточно. Однако, эксплуатационные свойства ограждающих конструкций, температура материалов слоев внутри ограждения зависят как от величины Rтк, так и от взаимного расположения отдельных слоев. Рассмотрим «модельное» ограждение, состоящее из двух слоев: конструктивного (1) и теплоизоляционного (2) с расположением последнего с наружной стороны (рис.2.11, а), как рекомендуется нормативной литературой по проектированию теплозащиты [62], и с внутренней стороны (рис.2.11, б), как рекомендуют некоторые авторы [9,10]. Сопротивления теплопередаче Rто для случая (а) и случая (б) будут одинаковыми, поскольку неизменными остаются λ1 и λ2, δ1 и δ2: RТО RTB RTK RTH RTB 1 2 RTH . 2 2 Однако, эксплуатационные качества двух вариантов этого ограждения будут различными. На рис.2.11 приведены кривые распределения температур по сечению стены для летних и зимних условий. В случае (а) перепад температур в несущей конструкции Δta между летом и зимой будет небольшим. Несущая конструкция в этом случае работает почти в постоянном температурном режиме и имеет низкие температурные деформации. В случае (б) перепад температур в несущей конструкции «зима – лето» - Δtб будет значительно больше, следовательно, больше будут температурные деформации несущих конструкций и выше – вероятность появления трещин в зданиях. 32 Рис.2.11. Распределение температур в двухслойной наружной стене с различным расположением несущих (1) и теплоизоляционных (2) слоев, летом (3) и зимой (4): а) теплоизоляционный слой расположен снаружи стены; б)–внутри; δ1 и δ2 – толщины, а λ1 и λ2 – коэффициенты теплопроводности слоев; Δta и Δtб – перепад температур в несущем слое стены от зимы к лету Таким образом, с точки зрения снижения температурных деформаций в несущих конструкциях и снижения вероятности появления трещин в зданиях, теплоизоляционный слой следует располагать с наружной стороны ограждающей конструкции. Конструкционный слой выполняется, как правило, из плотных материалов, обладающих высокой тепловой инерцией D. Эти слои медленно нагреваются при воздействии тепловой волны и медленно остывают. С точки зрения теплозащиты зданий, это свойство ограждений называют теплонакопительной способностью [31]. В зимний период внутренний слой с высокой тепловой инерцией поддерживает стабильную температуру в помещении как при кратковременном падении температуры наружного воздуха, так и при временном отключении отопления. Некоторую аналогию можно провести с так называемой русской печью, которую в избах топили один раз в сутки, а тепло в доме поддерживалось за счет медленного остывания большой массы кирпича русской печи. В летних условиях основная энергия теплового потока от солнечной радиации будет поглощена наружным теплоизоляционным слоем, а внутренний слой с высокой тепловой инерцией не будет успевать прогреваться при суточном цикле колебаний тепловой волны. В случае размещения конструктивного слоя с высокой тепловой инерцией с наружной стороны (по схеме рис.2.11,б), высокая летняя температура и солнечная радиация прогреют этот слой в дневное время. За короткие летние ночи массивный слой не «остынет» и будет накапливать тепло, которое постоянно будет передаваться в помещение. 33 Таким образом, для обеспечения постоянства температур внутреннего воздуха в помещениях внутренний слой ограждающих конструкций должен выполняться из плотных материалов с высокой тепловой инерцией. Влияние взаиморасположения слоев на теплозащитные свойства ограждений не исчерпывается двумя рассмотренными примерами. Большое влияние взаиморасположение слоев оказывает на процесс диффузии водяного пара через ограждение и его конденсацию. Эти процессы подробно рассмотрены в разделе 2.2.7. 2.1.4. Влияние величины сопротивления теплопередаче ограждений на их эксплуатационные свойства и долговечность В связи с переходом на повышенные теплозащитные качества ограждающих конструкций, их требуемое сопротивление теплопередаче TP увеличилось в несколько раз. Так, например, для Казани RTO увеличилось с 2 0 2 0 1,1 (м · С)/Вт до 3,2 (м · С)/Вт и стены из кирпича толщиной 64см перестали соответствовать новым нормам. Сопротивление теплопередаче ограждений Rто>3 (м2·0С)/Вт может быть достигнуто только в многослойных конструкциях с использованием эффективных утеплителей (пенопластов, утеплителей из минеральных волокон и др.). Использование многослойных ограждений значительно усложнило их конструкцию, что внесло дополнительные сложности как в теплозащитные характеристики ограждений за счет появления большого количества теплотехнических неоднородностей, так и в эксплуатационные свойства за счет возникновения таких температурно-влажностных условий в ограждении, которые требуют более тщательного подбора материалов ограждений, особенно их наружных слоев. Основной задачей при введении новых норм повышенной теплозащиты ограждающих конструкций является экономия энергоресурсов на отопление зданий, однако многие аспекты теплопотерь в зданиях учтены недостаточно полно. В работе Самарина О.Д. [28] приведен анализ теплопотерь в жилых и общественных зданиях. В работе показано, что теплопотери через стены жилых зданий, в среднем, составляют 8-20 % в зависимости от их сопротивления теплопередаче. Таким образом, вводя повышенную теплозащиту стен, новые нормы предполагают экономию теплопотерь лишь в некоторой части, внутри 8-20 %. Гагарин В.Г. [5] показал, что теплопотери через стены могут составлять 4,5 % от потребления энергии в стране. То есть увеличением сопротивления теплопередаче стен экономия энергии по стране составит лишь некоторую часть от 4,5 % и кардинальной экономии энергоресурсов 34 по стране не будет достигнуто. Рассматривая многослойные стены с облицовкой из кирпича, Гагарин В.Г. [8] показывает, что эти стены обладают малой чувствительностью удельных теплопотерь здания к TP изменению их сопротивления теплопередаче при значениях RTO >1,5 2 0 (м · С)/Вт, рис.2.12. Рис.2.12.Зависимость теплопотерь через 1м2 ограждающей конструкции от TP приведенного сопротивления теплопередаче (расчет по формуле Q=0, 024 (ГСОП/ RTO , 0 где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, С·сут/год; Q – теплопотери за отопительный период через 1 м2 конструкции, кВт·ч/(м2·год) Из рис. 2.12 можно видеть, что увеличение приведенного сопротивления теплопередаче больше 1,5–2,0(м2·0С)/Вт приводит к незначительной экономии теплопотерь за годовой период эксплуатации. Аналогичные результаты исследований энергетического баланса 9ти этажного жилого дома с естественной вентиляцией приведены в работе [19] (рис.2.13). На рис.2.13 приведенные сопротивления теплопередаче R0ПР определены по требованиям СНиП II-3.79*: из условий санитарногигиенической безопасности и из условий энергосбережения. Из кривой 1 (г.Тверь) видно, что при увеличении R0ПР от 1,2 (сан.-гиг. безоп.) до 3,2 (энергосб.), то есть в 2,7 раза, теплопотери снижаются только на 23, 8%. Для Якутска снижение теплопотерь еще меньше – 20,5 %. Приведенные данные убедительно показывают, что многократное увеличение приведенного сопротивления теплопередаче не компенсируется адекватным энергосбережением. Вместе с тем, повышение ПP RTO значения усложняет конструкцию ограждения, изменяет температурно-влажностные условия в ограждениях, особенно в их наружных слоях, что приводит к деградации материалов и снижению долговечности ограждений. 35 Рис.2.13.Снижение теплопотерь жилого 9и этажного дома при увеличении теплозащитных качеств наружных стен: ○–значение R0ПР наружных стен из условий обеспечения санитарно - гигиенической безопасности; - значение R0ПР наружных стен из условий энергосбережения; 1 – г.Тверь (ГСОП=5014); 3 – г.Ханты-Мансийск (ГСЛП=7200); 2- г. Якутск (ГСОП=10394); 4- г.Ленск, г. Уренгой (ГСОП=9000) Исследования зданий после 5-10 лет эксплуатации, стены которых имеют повышенное сопротивление теплопередаче [8,17,18], выявили образование трещин наружных слоев штукатурки, нанесенной по сетке на теплоизоляционные материалы, уже на 2-3 году эксплуатации. Причем, горизонтальные трещины образуются в результате сдвига фасадной штукатурки по высоте здания. Трещины, расходящиеся в стороны от углов оконных проемов, являются следствием некачественного армирования этих зон. Большую роль в образовании трещин фасадных штукатурок по теплоизоляционному слою играет замена жестких минераловатных плит на полужесткие или даже мягкие и низкое качество работ. Большое распространение получили многослойные фасадные системы с наружным слоем из лицевого керамического кирпича. Дефекты таких облицовочных слоев стали проявляться на 5-7 году эксплуатации. Это трещины на фасадах, разрушение лицевого керамического кирпича в зоне перекрытий от механических нагрузок в узлах сопряжения облицовочного слоя с конструктивными элементами здания. Отсутствие армирования горизонтальных рядов кладки в облицовочном слое, а также 36 некачественная установка гибких металлических связей, соединяющих облицовочный слой с конструктивными элементами стены или их недостаточное количество, являются причиной вертикальных трещин, а иногда – отслоения и выпадения лицевого кирпича и полного обрушения участков облицовочного слоя. Большие разрушения облицовочного кирпича происходят в слоях, установленных на металлические уголки, прикрепленные к железобетонным перекрытиям. Конденсат, образующийся на металлическом уголке, повышает влажность кирпича и приводит к морозному разрушению. Основной причиной появления преждевременных дефектов в наружных штукатурных слоях и кирпичных облицовочных слоях является неучет при проектировании стен с повышенной теплозащитой новых температурно-влажностных условий в наружных слоях стены. Новых по отношению к традиционным сплошным конструкциям стен. Условия работы облицовки из лицевого керамического кирпича в сплошной кирпичной стене, когда она тычковыми рядами соединяется со всей массой стены, будут отличаться от условий работы облицовочного слоя, установленного после эффективной теплоизоляции. Прежде всего, облицовка по кирпичной стене имеет высокую тепловую инерцию, т.к. работает со стеной как единая конструкция. Конструкция с высокой тепловой инерцией менее подвержена колебаниям наружных температур малых периодов. Отдельно стоящая облицовка из кирпича после слоя теплоизоляции и скрепленная с конструктивом стены гибкими связями имеет небольшую тепловую инерцию и, следовательно, даже суточные колебания температур будут изменять ее температурно-влажностный режим. Рис.2.14.Распределение температур в наружной стене с различным уровнем теплоизоляции. (tH=-250C, tB=200C), 1-R0=1,2 (м2·0С)/Вт,2-R0=3,2 (м2·0С)/Вт 37 В работе [17] показано, что увеличение сопротивления теплопередаче наружных стен с 1,2 до 3,2 (м2·0С)/Вт приводит к более глубокому промерзанию облицовочного слоя (с -15,60С до -21,50С) (рис. 2.14). Количество циклов замораживания – оттаивания в кирпичной облицовке толщиной 120мм будет больше, чем в той же облицовке в сплошной кирпичной стене. В работе [18] показано, что ежегодно за осенне-зимний и зимне-весенний периоды такая облицовка из кирпича 120 мм толщиной в климате Москвы 6 раз подвержена замораживанию и оттаиванию. В условиях более континентального климата количество циклов будет возрастать: в Новосибирске – до 10, в Сургуте – до 11. При этих циклах облицовочный слой будет промерзать до -2,70С при R0=1,2, до -6,80С при R0=2,2 и до -7,5 0С при R0=3,2 (м2·0С)/Вт. Таким образом, с увеличением уровня теплоизоляции стены, наружный слой подвержен более глубокому промерзанию, следовательно, будет быстрее разрушаться. Обобщая проведенные исследования, в работе [19] сделана попытка получить зависимость между увеличением нормируемой величины сопротивления теплопередаче фасадных систем R0TP и снижением продолжительности их эксплуатации до первого капитального ремонта. Выборка из полной таблицы в [19] представлена в табл.2.3. Согласно данным табл. 2.3, действительно снижается срок до первого капитального ремонта с ростом сопротивления теплопередаче ограждений. Одной из причин этого является тот факт, что малую величину сопротивления теплопередаче можно получить в сплошных кирпичных или каменных стенах, которые не имеют дефектов многослойных стен с повышенным сопротивлением теплопередаче. Таблица 2.3 Продолжительность эксплуатации фасадных систем до первого капитального ремонта в зависимости от величины их сопротивления теплопередаче Продолжительность эксплуатации фасадных систем до первого капитального ремонта, года >70 65 60 55 50 45 40 <35 38 Температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 0С -20 -30 -40 Сопротивление теплопередаче фасадных систем R0TP (м2·0С)/Вт 0,99 1,24 1,48 1,18 1,48 1,75 1,27 1,60 1,89 1,33 1,73 2,00 1,40 1,79 2,10 1,53 1,93 2,30 1,60 2,00 2,40 1,80 2,20 2,60 Проведенный анализ причин образования дефектов в наружных слоях стен с повышенной теплозащитой позволяет сделать некоторые выводы: 1. Проектирование многослойных фасадных систем с эффективными теплоизоляционными слоями ведется по старым принципам проектирования стен из сплошной кирпичной кладки. 2. Подбор материалов для наружной облицовки проводится без учета того факта, что в стенах повышенной теплозащиты наружный слой находится в других температурновлажностных условиях (большей влажности, более низких температур, большего количества циклов замораживания и оттаивания). Следовательно, требуются другие, более стойкие материалы, чем для стен из сплошной кирпичной кладки. 3. Для реального проектирования фасадных систем в проектных организациях требуется более детальное исследование температурно-влажностных условий многослойных ограждений и особенно их наружных слоев с учетом различных конструкций фасадных систем, выполненных из различных материалов. 2.2. Паропроницаемость ограждающих конструкций В зависимости от условий эксплуатации зданий, материалы ограждающих конструкций содержат определенное количество влаги. По характеру увлажнения ограждающих конструкций всю влагу можно разделить на два типа: так называемую конструктивную, что связано с недостатками конструктивного решения (капиллярная от грунтовых оснований, атмосферная от косых дождей и т.п.) и эксплуатационную, что связано с сорбционным поглощением влаги строительными материалами из влажного воздуха и с диффузией парообразной влаги через ограждающую конструкцию за счет разности парциальных давлений влажного воздуха внутри и снаружи здания. Капиллярное и дождевое увлажнение ограждающих конструкций может быть устранено различными конструктивными решениями и здесь не рассматривается. Эксплуатационная влага (сорбционное и диффузионное увлажнение) является постоянной весь срок жизни здания и требует детального рассмотрения. С точки зрения теплозащиты здания это особенно важно, потому что с ростом влажности материалов ограждений резко снижаются 39 его теплозащитные свойства, т.к. теплопроводность воды в 20 раз выше теплопроводности воздуха. Сорбционное увлажнение материалов ограждающих конструкций зависит от влажностного режима помещений и климатических «Зон влажности» места строительства. Снижение сопротивления теплопередаче за счет сорбционного увлажнения учтено в нормативной литературе (СНиП 23-02-2003) путем выбора соответствующего значения коэффициента теплопроводности материалов: по графе А – для сухих и нормальных условий, по графе Б – для влажных условий (λБ > λА). Диффузное увлажнение материалов ограждающих конструкций связано с перемещением парообразной влаги в ограждении за счет разности парциальных давлений водяного пара в воздухе помещения и в наружном воздухе. 2.2.1.Общие закономерности диффузии водяного пара через ограждение Процесс паропереноса во многом аналогичен процессу теплопереноса, поэтому количество проходящей через ограждение парообразной влаги может быть определено по формуле: G 2 eB eH , мг/м ·ч, R ПО (2.24) G – количество водяного пара в мг, проходящего через 1м2 в течение 1 часа; ев и ен– парциальное давление водяного пара внутри и снаружи здания соответственно, Па; Rпо – сопротивление паропроницанию ограждающей 2 конструкции, (м ·ч·Па)/мг. Из формулы (2.24) следует, что количество водяного пара, проходящего через ограждение, тем выше, чем больше разность (еВ – еН). Парциальное давление водяного пара е, в свою очередь, зависит от температуры воздуха и его относительной влажности. Величина (е В – еН) для средней климатической зоны России может превышать 1000 Па. Например, для нормальных температурно-влажностных условий в помещениях с tВ=200С и φВ=50%, значение максимальной упругости водяного пара при tВ=200С, определенное по справочной таблице составит ЕВ=2338 Па. По величине относительной влажности воздуха φ В=50% с использованием формулы φ=(е/Е)·100, получим величину действительной упругости водяного пара в помещении: где 40 eB B EB 100 50 2338 1169 Па. 100 Для наружного воздуха получим аналогично: - для зимних условий с tН=-200С и φН=85%; ЕН=103 Па и еН=88 Па и разность (еВ – еН)=1169-88 =1081 Па; - для весенне-осеннего периода с tН=50С и φН=70%; ЕН=872 Па и еН=610 Па и разность (еВ – еН)=1169-610=559 Па. Из приведенных примеров становится очевидно, что наибольшие потоки парообразной влаги проходят в ограждение в зимний период из-за большей разности (еВ – еН). В соответствии с формулой (2.24), количество парообразной влаги G, проходящей через ограждение, обратно пропорционально сопротивлению паропроницанию RПО, которое определяется по формуле: R ПК , (м2·ч·Па)/ мг, (2.25) где δ – толщина однослойного ограждения или отдельного слоя в многослойном ограждении, м; μ – коэффициент паропроницаемости материала слоя, мг/(м·ч·Па). Из формулы (2.25) следует, что сопротивление паропроницанию растет с увеличением толщины слоя δ или выбора материала с меньшим коэффициентом паропроницаемости μ. Графическое представление о переносе парообразной влаги через ограждение представлено на рис. 2.15. Рис. 2.15.Перенос парообразной влаги через однослойную ограждающую конструкцию Из рис. 2.15 следует, что общее сопротивление паропроницанию ограждения складывается из трех составляющих: 41 RПО= RПВ + RПК + RПН , где (2.26) RПВ и RПН – сопротивления влагообмену у внутренней наружной поверхностей ограждения. и В силу небольших значений RПВ и RПН по сравнению с RПК, отечественные [33] и зарубежные [1,31,35] ученые пренебрегают значениями RПВ и RПН, а сопротивление паропроницанию ограждения RПО представляется только величиной RПК. При этом значения еВП и еНП заменяются при расчетах на еВ и еН (см. рис.2.15). Сопротивление паропроницанию различных типов ограждающих конструкций RПО обычно находится в пределах от 3 до 20 (м2·ч·Па)/мг. Если использовать разность еВ - еН, полученную нами ранее для зимнего периода, равную 1081 Па, то можно оценить величину потоков парообразной влаги для ограждений с различными RПО: - Для RПО=3 (м2·ч·Па)/мг будем иметь: G e B e H 1081 2 360,3 мг/(м ·ч·Па). R ПО 3 - Для RПО=20 (м2·ч·Па)/мг будем иметь: G 1081 2 54,1 мг/(м ·ч·Па). 20 Из этого примера следует, что количество диффундирующей парообразной влаги в ограждениях может различаться в 6 и более раз. Повидимому, и влияние влаги на свойства ограждений будет также различаться в разы. Для анализа процесса паропроницания через ограждения требуется информация о температурах наружного (tН) и внутреннего (tВ) воздуха, а также температур по сечению ограждения (τВП, τх, τНП). Требуется информация о величине давления водяного пара (максимального Е и действительного е) в наружном и внутреннем воздухе (EВ, ЕН, еВ, еН), а также по сечению ограждения (Ех,ех), относительной влажности наружного воздуха (φН) и воздуха в помещении (φВ). Параметры климата места строительства (tH и φН) определяются по нормативным документам или данным местных метеостанций. Параметры микроклимата помещений (tВ и φВ) определяются назначением помещения по нормативным документам. Значения Е определяются по величине температуры по справочным таблицам. Значения е определяются по величинам Е и φ с использованием формулы относительной влажности воздуха e E 100 , Па. (2.27) Значения еХ в различных сечениях ограждающей конструкции определяются по формуле: 42 ex eB где eB eH R ПХ , R ПО (2.28) RПО и RПХ - общее сопротивление паропроницания ограждающей конструкции и сопротивление паропроницанию части конструкции от внутренней поверхности до сечения х. Значения температур в различных сечениях конструкции (τх) определяются по аналогичной формуле: x tB ограждающей tB tH RTX , RTO (2.29) где RТО и RТХ – общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции и сопротивление теплопередаче части конструкции от внутренней поверхности до сечения x, включая сопротивление теплопередаче RТВ. Полученные значения t, τ, e и Е наносят на сечение ограждающей конструкции и проводят анализ увлажнения. Следует заметить, что с достаточной точностью многие из перечисленных параметров могут быть получены не только расчетным путем по формулам (2.28) и (2.29), но и графически, если сечение ограждающей конструкции представлять в масштабе сопротивления теплопередачи–Rт и сопротивления паропроницанию–RП. В этом случае все зависимости (t-Rт) и (е, Е - RП) оказываются линейными, за исключением зависимости (Е - RП) для однослойной ограждающей конструкции, потому что зависимость Е от t имеет вид параболы (см. след. раздел). 2.2.2. Увлажнение однослойных ограждений На рис. 2.16 представлено распределение температур (а) и максимальных упругостей водяного пара (б) по сечению конструкции. Следует обратить внимание на то, что зависимость t-Rт линейная, а зависимость Е - RП имеет вид параболы и для более точного построения указанной параболы необходимо иметь значения температур в 2-3 точках по сечению конструкции, как и показано на рис. 2.16, б. 43 Рис. 2.16. Зависимости конструкций t – RТ (а) и Е – RП (б) для однослойных ограждающих Как было установлено ранее, RПВ и RПН весьма малы и в дальнейших расчетах не учитываются, поэтому в дальнейших расчетах общее сопротивление паропроницанию конструкции RПО будет представлено только величиной RПК (сопротивлением паропроницанию конструкции стены), а значения ЕВ, еВ, ЕН, еН, относящиеся к внутреннему и наружному воздуху, будут отнесены к внутренней и наружной поверхности ограждения. Рис. 2.17. Максимальная (Е) и действительная (е) упругости водяного пара в однослойной конструкции При определении зоны конденсации парообразной влаги исходим из правила, что внутри конструкции е не может быть больше Е, поскольку это обстоятельство и вызывает выпадение конденсата. Если судить по рис.2.17, то зона конденсации должна лежать между точками пересечения 44 кривой ЕВ-ЕН с прямой еВ – еН (на рис.2.17 обозначены буквами А и Б). Однако, по общепринятой практике, и отечественными, и зарубежными исследователями принято зону конденсации выделять по точкам пересечения касательных из точек ев и ен к кривой ЕВ – ЕН. На рис.2.17 это точки Е1 и Е2 и заштрихованная область. Количество конденсата, выпадающего за 1 час, (в заштрихованной зоне) определяется как разность плотностей диффузионных потоков (G1) и (G2), то есть как разность плотностей диффузионных потоков до и после конденсации: Gконд G1 G2 eB E1 E2 eH , мг/(м2·ч) . RП1 RП 2 (2.30) Пока климатические условия не изменятся, количество конденсата, выпадающего за 1 час, остается постоянным, а за время Т (ч) выпадает qК конденсата: qк = Gк∙Т, мг/м2 . (2.31) Пример расчета с пояснениями. Рассмотрим наружную стену из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе толщиной δ=0,77 см (в три кирпича), λ=0,7 Вт/(м·0С); μ = 0,11 мг/(м· ·ч·Па). Для определения кривой Е по сечению стены разделим ограждение на условные слои толщиной по 0,154 м. Для упрощения расчетов примем, что ограждение не имеет штукатурки. Сопротивление паропроницанию: 2 RПО 0,77 0,11 7,0 (м · ч·Па)/мг. Сопротивление теплопередаче: RТО 1 B 1 1 0,77 1 2 0 0,11 1,1 0,04 1,25 (м · С)/Вт. H 8,7 0,7 23 Климатические условия эксплуатации (Москва): tH=-10,20С (температура наиболее холодного месяца); ЕН= 260 Па; φН=84%; еН=260·0,84 =218 Па. tB=200С; φВ=55%; ЕВ=2338 Па; еВ= 2338·0,55=1286 Па. Расчетная схема к определению паропроницаемости ограждения представлена на рис.2.18. 45 Рис.2.18.Расчетная схема к определению паропроницаемости ограждения Расчет температур τВ, τХ и τН ведется по формуле (2.29). По значениям температур в сечении ограждения τХ с использованием справочных таблиц определяются ЕХ. Действительные упругости водяного пара определяют по формуле (2.28). tB tH 20 10,2 0 RTX 20 0,11 17,3 С RТО 1,25 20 10,2 0 H 20 1,21 9,23 С 1,25 e eH 1286 218 e1 2 e B B R ПХ 1286 1,4 1072 Па R ПО 7,0 t t 20 10,2 0 1 2 t B B H RTX 20 0,33 12 С RТО 1,25 1286 218 e2 3 1286 2,8 857,7 Па 7,0 20 10,2 0 2 3 20 0,55 6,7 С 1,25 0 e3 4 645 Па, 3 4 1,3 С B tB Слой 1/2 Слой 2/3 Слой 3/4 Слой 4/5 e4 5 431 Па, 4 5 3,9 С 0 По значениям τХ определим значения ЕХ: 46 E1 2 1403 Па, E 2 3 981 Па, E3 4 671 Па, E 4 5 441 Па Все рассчитанные значения τ, е и Е наносим на поперечное сечение ограждения (рис.2.19) и проанализируем полученный результат. Рис.2.19.Распределение температур (t и τ), действительных (е) и максимальных (Е) давлений водяного пара по сечению ограждения при tH=-10,20C. 1,2,3,..- условные слои ограждающей конструкции Из рис. 2.19 видно, что кривая Е располагается выше кривой е, следовательно, в ограждении не наступает точка росы, и парообразная влага не будет конденсироваться. Рис. 2.19 построен по результатам расчета при температуре наружного воздуха tH = -10,20С, что является средней температурой самого холодного месяца. Если нет конденсации влаги при температуре – 10,20С, то, естественно, ее не будет и при более высоких температурах. Однако, в Москве в январе месяце наблюдаются температуры воздуха значительно ниже среднемесячной -10,20С. Для исследования процессов паропроницания в ограждениях при более низких температурах наружного воздуха продолжим анализ того же ограждения при температуре наружного воздуха tН=-150С. При этой температуре ЕН=165 Па, еН = 165·0,84=139 Па. Расчетные параметры ограждения τХ, ЕХ и еХ при температуре наружного воздуха tН= - 150С представлены на рис.2.20. Из рис.2.20 видно, что в сечениях 3/4 и 4/5 величины максимальной упругости водяного пара Е оказались меньше величины действительной упругости е, что невозможно с физической точки зрения, следовательно, в сечениях 3/4 и 4/5 будет конденсироваться водяной пар. Для оценки количества конденсированной влаги используем метод, описанный в начале раздела, и проведем касательные к кривой Е из точек еН и еВ. Касательные коснутся кривой Е в точках Е3/4 и Е4/5 (на рис. 2.20 эти касательные не показаны, чтобы не перегружать чертеж). 47 Рис.2.20.Распределение температур (t и τ), действительных (е) и максимальных (Е) давлений водяного пара по сечению ограждения при tН=-150С. 1,2,3,..- условные слои ограждающей конструкции Количество конденсированной влаги определится по формуле (2.30). В нашем случае плотность диффузионного потока до зоны конденсации G1 будет равна: G1 где RП1 – e B E3 4 R П1 1286 539 2 177,86 мг/м ·ч, 4,2 сопротивление паропроницанию от внутренней поверхности до сечения 3/4. В нашем случае в соответствии со схемой рис.2.18 RП1=4,2 (м2· ч·Па)/мг. По аналогии G2 будет равна: G2 где 2· E4 5 eH RП 2 318 139 2 127,86 мг/(м · ч), 1,4 RП2=1,4 (м ч·Па)/мг В итоге в ограждении на 1 м2 в течение 1 часа будет конденсироваться Gкон= G1 – G2 = 177,86 – 127,86 = 50 мг парообразной влаги. В реальных условиях эксплуатации использование формулы (2.31) будет затруднено, потому что температура наружного воздуха постоянно изменяется, вслед за которой будут изменяться условия паропроницания и количество конденсированной влаги. 48 Так, например, если температуру наружного воздуха принять t =20 С (ЕН=103 Па, еН = 103· 0,84 = 86 Па), то конденсация водяного пара в рассматриваемом ограждении будет не только в сечениях 3/4 и 4/5, но и в сечении 2/3, в котором е2/3 будет больше Е2/3: 0 e2 3 e B eB eH 1286 86 R ПХ 1286 2,8 806 Па; R ПО 7,0 2 3 tB tB tH 20 20 0 RTX 20 0,55 2,4 С; RТО 1,25 и Е2/3 при τ2/3=2,40С будет равна 727 Па, т.е. 806 > 727 Па. Таким образом, процесс конденсации водяного пара в ограждении определяется не только параметрами ограждения, но также величиной расчетного параметра наружного воздуха tН. Из этого следует, что расчетный параметр tН для оценки процессов конденсации водяного пара требует более глубокого исследования. 2.2.3. Увлажнение многослойных ограждений Двухслойное ограждение состоит, как правило, из конструкционного слоя, материал которого имеет высокие плотность, прочность и низкий коэффициент паропроницаемости и теплоизоляционного слоя, материал которого имеет низкие плотность, прочность и высокий коэффициент паропроницаемости. С появлением в ограждении двух слоев с различными характеристиками материалов, возникают проблемы, которые требуют анализа. С формальной точки зрения величина сопротивлений теплопередаче и паропроницанию двухслойного ограждения (а также и многослойного) не зависит от взаимного расположения слоев: 1 2 RT 1 RT 2 RT 2 RT 1 RTK ; 1 2 (2.32) 1 2 R П1 R П 2 R П 2 R П1 R ПК . 1 2 (2.33) RTK R ПК Однако, температура τх, а следовательно и максимальная упругость водяного пара внутри ограждения Ех, зависят от взаимного расположения слоев. Аналогично, действительная упругость водяного пара внутри ограждения ех будет зависеть от того, какой слой расположен со стороны помещения – RП1 или RП2. 49 Таким образом, температура, максимальная и действительная упругости водяного пара (τХ, ЕХ, еХ) внутри ограждения зависит от взаимного расположения слоев, следовательно, условия паропроницания и конденсации водяных паров в ограждении также зависят от взаимного расположения слоев. Рассмотрим конкретный пример двухслойного ограждения, состоящего из монолитного железобетона и волокнистого теплоизоляционного материала. Для упрощения расчета и наглядности в ограждении отсутствуют штукатурные слои. Данные для расчета: Климатические условия tН=-300С; φН=84%; tВ=+200С; φВ=50%. 1 – теплоизоляционный слой – минераловатные плиты УРСА ρ0=45 кг/м3; δ=200 мм; μ=0,5 мг/(м·ч·Па); λ=0,047 Вт/(м·0С); 2 – несущий слой – монолитный железобетон ρ0=2500 кг/м3; δ=100 мм; μ=0,03 мг/(м·ч·Па); λ=2,04 Вт/(м·0С). Рассмотрены два варианта ограждающей конструкции: теплоизоляционный слой размещен со стороны помещения (рис.2.21,а) и с наружной стороны (рис.2.21,б). Определим параметры, необходимые для расчетов: 1.Сопротивление теплопередаче: RTO RTB RT 1 RT 2 RTH 1 0,2 0,1 1 0,11 4,25 0,05 0,04 4,45 8,7 0,047 2,04 23 (м2·0С)/Вт. 2.Сопротивление паропроницанию: R ПО R П1 R П 2 0,2 0,1 2 0,4 3,33 3,73 (м · ч · Па)/мг. 0,5 0,03 3.Температура в сечениях ограждения определяется по формуле (2.29): 20 (30) 0 0,11 18,8 С 4,45 20 (30) 0 1 2 20 4,36 28,9 С (по рис.5.11,а) 4,45 20 (30) 0 2|1 20 0,16 18,2 С (по рис. 5.11, б) 4,45 20 (30) 0 H 20 4,41 29,5 С 4,45 B 20 4. Максимальные упругости водяного пара Е в наружном и внутреннем воздухе, а также в сечениях ограждения определяются по справочным таблицам по значениям температур в этих сечениях: - внутренний воздух tВ=200С, ЕВ = 2338 Па - сечение 1/2 (рис.5.11, а) τ1/2= - 28,90С, Е1/2 =42 Па - сечение 2/1 (рис.5.11, б) τ2/1 = 18,20С, Е2/1 = 2089 Па - наружный воздух tН=-300С, ЕН=38 Па. 50 5. Действительная упругость водяного пара е в наружном и внутреннем воздухе определяется по значениям относительной влажности воздуха φ и упругости Е по формуле (2.27): - внутренний воздух eB B EB - наружный воздух eH 100 H EH 100 50 2338 1169 Па; 100 84 38 32 Па. 100 Действительная упругость водяного пара внутри ограждения е х определяется по формуле (2.28) - сечение 1/2 (рис.2.21, а) e1|2 1169 - сечение 2/1 (рис.2.21, б) e2|1 1169 Результаты расчетов конструкций (рис.2.21 а и б). 1169 32 0,4 1047 Па; 3,73 1169 32 3,33 154 Па. 3,73 нанесены на сечения ограждающих Рис.2.21. Распределение температур (t и τ), действительных (е) и максимальных (Е) давлений водяного пара по сечению наружной стены: 1- теплоизоляционный слой; 2 – несущий слой. Заштрихованная треугольная область на рис.(а) - зона конденсации водяного пара Из рис.2.21 видно, что разницы в температурах на контакте железобетон-теплоизоляционный материал по схемам а) и б) различаются на 47, 10С (Δt = +18,2 – (-28,9)=47,10С), что и определило большие различия в значениях Е и е в рассматриваемых вариантах и процессах паропереноса в этих ограждающих конструкциях. 51 Из рис. 2.21 видно также, что в слое 1/2 (рис.2.21, а) е 1/2 оказалась выше Е1/2. Это невозможно физически, т.к. при е1/2=Е1/2 в сечение начинает выпадать конденсат. Расположение слоев по рис. 2.21, б исключает конденсацию водяного пара внутри стены, потому что по всему сечению Е> е. Таким образом, в ограждающих конструкциях, состоящих из двух (или нескольких) слоев, взаимное расположение слоев является определяющим с точки зрения образования конденсата и увлажнения ограждающих конструкций. На рис.2.22 представлен фрагмент рис.2.21,а, где толщина ограждения представлена в масштабе сопротивления паропроницаемости RП, в связи с чем изменение действительной упругости водяного пара (е) по сечению ограждения будет линейным (штриховая линия еВ – еН). На рис.2.22 стрелками G1 и G2 показано количество водяного пара, приходящего к зоне конденсации (G1) и выходящего из ограждения (G2). Рис.2.22.Параметры для расчета количества конденсата в ограждении: G1 –количество водяного пара, идущего до сечения 1/2 из помещения; G2 – количество водяного пара, выходящего из ограждения в наружный воздух В рассмотренном примере количество парообразной влаги, которое конденсируется в ограждении, можно определить по формуле, аналогичной (2.30): Gконд G1 G2 e B E1|2 R П1 E1 / 2 e H 1169 42 42 38 2817,5 1,2 2816,3 RП 2 0,4 3,33 мг/(м2·ч). За сутки это количество составит 6, 76 г/м2, а за месяц превысит 2 литра воды на 1 м2 ограждения. В работе немецких исследователей [31, с.53] показано, что за зимний период в стенах зданий количество конденсированной влаги не должно 52 превышать 500 г/м2, а в кровлях между слоем теплоизоляционного материала и нижней стороной кровельного ковра это количество в течение зимы не должно превышать 10 г/м2. Трехслойное ограждение имеет большую неопределенность в процессах паропереноса, чем двухслойное, за счет появления наружного облицовочного слоя. В подавляющем большинстве известных конструкций ограждений наружный облицовочный слой имеет меньшую паропроницаемость, чем теплоизоляционный, в связи с чем такая конструкция заведомо предполагает конденсацию водяного пара в ограждении. Распределение температур в трехслойных ограждающих конструкциях определяется по графику (рис.2.23,а) или расчетным путем по формуле (2.29). По полученным значениям температур строится распределение максимальных упругостей водяного пара по сечениям конструкции (рис.2.23, б). Распределение температур по сечению конструкции будет линейным, если ее сечение построено в масштабе RT. Зависимость Е от t будет параболической (как в однослойной конструкции) только в слоях с высоким RП и одновременно с высоким RT. В остальных случаях эта зависимость будет линейной (как и показано на рис.2.23, б). Рис. 2.23. Распределения температур (а) и максимальных парциальных давлений водяного пара (б) в трехслойной ограждающей конструкции Изменение действительной упругости водяного пара внутри стены будет линейным, если толщина ограждающей конструкции выражена в масштабе сопротивления паропроницанию RП, как и показано на рис.2.24 (штриховая линия еВ – еН). Действительная упругость водяного пара (е) внутри стены не может быть выше максимальной (Е), т.к. в этом случае выпадает конденсат. Сопоставляя штриховую линию еВ – еН в сечении 2/3 с величиной Е2/3, 53 можно сделать вывод о том, что в этом сечении находится плоскость конденсации и будет выпадать конденсат, т.е. Е2/3 = ЕК, (рис.2.24). Распределения давлений еВ–ЕК и ЕК–еН будут линейными, т.к. дополнительный приток или удаление влаги в конструкции отсутствует. Рис. 2.24. Распределение действительных (е) и максимальных (Е) упругостей водяного пара в трехслойной ограждающей конструкции. Ек – давление конденсации водяных паров Количество выпадающего за 1 час конденсата Gк определяется как разность плотностей диффузионных потоков перед (G′) и после (G″) зоны конденсации: GK G G eB E K E K eH , RП RП (2.34) мг/(м2·ч). При неизменных климатических условиях, в течение времени Т (ч) в зоне конденсации выпадает qк конденсата: qк = Gк · Т, мг/м2. (2.35) 2.2.4. Конденсированная влага и теплопроводность переувлажненного слоя В результате конденсации парообразной влаги, в ограждении возрастает влажность материалов тех слоев, которые оказались в зоне или плоскости конденсации. В силу гидрофильных свойств материалов и капиллярных сил, увлажняется весь объем материала, в сечение которого происходит конденсация. Как было показано, количество конденсированной влаги Gк и qк поддается расчету (формулы 2.30 и 2.31, 54 2.34 и 2.35), что позволяет оценить прирост влажности материалов в ограждении. В общепринятой практике содержание влаги в материалах выражают в процентах от массы (утеплители, органические материалы) или в процентах от объема (неорганические конструкционные материалы). Масса конденсированной влаги (Gк), отнесенная к массе единицы площади поверхности переувлажненного слоя (М), даст прирост влажности Wм (% по массе): Wм = (Gк / M) 100%. (2.36) Объем конденсированной влаги (Vк), отнесенный к единице объема переувлажненного слоя (V), даст прирост влажности Wоб (% по объему): Wоб = (Vк / V) 100%. (2.37) С точки зрения теплозащиты, переувлажнение слоев приводит к увеличению теплопроводности материалов (λ), а следовательно, к снижению общего сопротивления теплопередаче (RТ) ограждающей конструкции в целом. Прирост влажности материалов ограждений Wм и Wоб позволяет ввести коррективы в коэффициенты теплопроводности материалов: - по массе: λвл = λ (1+ Wм·z/100),% ; (2.38) - по объему: λвл = λ (1+ Wоб·z/100),% , (2.39) где λ - коэффициент теплопроводности материалов, принятый при расчетах по нормативным документам; z- процент увеличения коэффициента теплопроводности переувлажненного слоя при увеличении влажности на 1 процент по массе или объему. В таблице 2.4 представлены количественные характеристики влажности материалов (столбцы 2 и 3) и прироста коэффициента теплопроводности материалов (z) (столбец 4), взятые из работы [31]. В этой же таблице (столбец 5) приведены данные таблицы 12 СНиП [63] о предельно допустимом приращении увлажнении материалов в ограждениях - ∆ Wa ν. Столбец 6 получен расчетом по формулам (2.38 и 2.39). 55 Таблица 2.4 Повышение теплопроводности материалов при увеличении их влажности Материалы 1 Кирпич: полнотелый пустотелый Кирпич силикатный Тяжелый бетон Легкие бетоны на пористых заполнителях (керамзитобетон, перлитобетон, шлакопемзобетон) Ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон) Фибролит, арболит цементный, деревобетон Минераловатные плиты и маты Пенополистирол и пенополиуретан Содержание влаги в воздушно-сухом состоянии, % по по массе объему 2 - 3 1 2 5 3 Прирост z, на каждый % по массе или объему, % 4 20 12,5 12 12 - 5 - Wa ν, % Увеличение λвл, % 5 1,5 1,5 2,0 2,0 6 30 18,75 24 24 12 5 60 5 12 6 72 5 - 5 7,5 37,5 5 - 2 7,5 15 5 - 2 25 50 Данным столбца 4 табл.2.4 вполне соответствуют результаты, приводимые Фокиным К.Ф. [33], по изменению коэффициента теплопроводности кладки из обыкновенного глиняного кирпича при изменении его влажности, рис. 2.25. Рис.2.25.Зависимость теплопроводности кирпичной кладки от влажности кирпича 56 Анализ зависимости, приведенной на рис.2.25, показывает, что коэффициент z в интервале влажности 1-2,5 % составляет 35% на 1% влажности, а при влажности кирпича свыше 2,5 % коэффициент z плавно снижается до 15% на 1% влажности материала. Франчук А.У. [34] приводит данные по изменению теплопроводности от влажности для большой группы материалов. Анализ его данных для глиняного обыкновенного кирпича показывает, что коэффициент z оказывается значительно ниже: в интервале 1-2, 5% составляет 4-7% на 1% влажности, а при влажности свыше 2,5 % - 2-4% на 1 % влажности в зависимости от величины плотности кирпича. Очевидно, что изменение теплопроводности материалов при изменении их влажности требует дальнейших исследований и систематизаций. Из табл.2.4 (столбец 6) видно также, что допустимое (по СНиПу) увлажнение материалов (столбец 5) приводит к увеличению их коэффициентов теплопроводности на 15-72%, что весьма существенно. Резонно встает вопрос о научной обоснованности величины «предельно допустимого приращения влажности материалов» - Wav. Эта норма вошла в СНиП более 40 лет назад и с тех пор переносилась в каждое переиздание СниПа. Если величину Wav признать обоснованной, то обоснованным следует признать и рост теплопроводности материалов до 72% и, следовательно, снижение теплозащитных качеств ограждения. Но этот факт не учитывается в нормативной литературе. 2.2.5. Высыхание однослойных ограждений В теплый период года, когда температуры наружного и внутреннего воздуха близки друг к другу, а разность парциальных упругостей водяного пара (ев – еН) близка к нулю, ограждение начинает терять влагу. Этому процессу способствует повышение максимальной упругости водяных паров в зоне конденсации (Ек) в силу повышения температуры в этой зоне в теплый период года. На рис.2.26 приведено распределение температур и максимальных упругостей водяного пара в однослойной конструкции в летнее время, а на рис. 2.27 – распределение давлений водяного пара в однослойной конструкции при высыхании. Высыхание влаги в однослойной конструкции идет в обе стороны: внутрь помещений (G1) и наружу (G2) в силу разности давлений пара (Ек – ев) и (Ек-ен). Количество высыхающей за 1 час влаги (Gв) определится как сумма плотностей диффузных потоков G1 и G2: 57 Рис.2.26.Температуры (а) и максимальные упругости водяного пара (б) в однослойной конструкции в летнее время. По температуре в зоне конденсации определяется максимальная упругость водяных паров в зоне конденсации – ЕК Рис.2.27.Давление водяного пара в однослойной конструкции при высыхании в летнее время G B G1 G2 Ek eB Ek eH , мг/(м2·ч). R П R П (2.40) Если климатические условия в течение времени Т (ч) остаются неизменными, то количество высыхающей влаги за отрезок времени Т составит: qB = GB · T, мг/м2. (2.41) 58 2.2.6. Высыхание многослойных ограждений Высыхание ограждающих конструкций происходит в летнее время, когда температуры наружного воздуха (tH) и, соответственно, максимальные упругости водяного пара (ЕН) оказываются сопоставимы или даже превышают аналогичные параметры для внутреннего воздуха (tB и ЕВ). По описанным ранее методикам находятся температуры по характерным сечениям многослойной ограждающей конструкции, и по этим температурам через справочные таблицы находят максимальные упругости водяного пара (Е) в тех же сечениях (рис. 2.28, а и б). Рис. 2.28.Распределение температур (t) – а) и максимальных упругостей водяного пара (Е) – б) в трехслойной ограждающей конструкции в летнее время При расчетах исходят из того, что вся конденсированная влага находится в границах слоя выпадения конденсата, а текущее давление водяных паров в границах слоя выпадения (е) оказывается, таким образом, равным давлению конденсации (Ек). В процессе высыхания влаги в ограждениях в летнее время возможны два случая: первый – когда температуры наружного воздуха (t) и, соответственно, максимальные упругости (Е) близки к таковым во внутреннем воздухе; и второй – когда температуры (t) и упругости (Е) наружного воздуха значительно выше таковых во внутреннем воздухе (tH » tB). Процесс высыхания ограждающих конструкций в этих случаях идет по различным механизмам. На рис. 2.29 представлены распределения давлений водяного пара (Е и е) для первого (а) и второго (б) случаев. 59 Рис.2.29.Распределение давлений водяного пара (Е и е) в трехслойной ограждающей конструкции: а) – первый случай – высыхание из плоскости конденсации (сечение 2/3); б) – второй случай – высыхание из зоны конденсации (слой между сечениями 1/2 и 2/3) В первом случае исходим из того, что вся конденсированная влага остается в границах слоя выпадения (сечение 2/3), и эта влага подвергается испарению. Текущее давление водяного пара (е) в этом сечении оказывается, таким образом, равным Ек (Е2/3=Ек) (рис. 2.29, а). Сумма плотностей диффузионных потоков G' и G" даёт количество влаги, высыхающей за 1 час – GB: G B G G Ek eB Ek eH ,мг/(м2·ч). R П R П (2.42) Во втором случае, вследствие того, что tH намного выше tВ и поэтому ЕН значительно больше, чем еВ, создается препятствие для прямого высыхания от E K до еВ. При плотности диффузионного потока G создается зона быстрого удаления конденсата от E K до давления E k и происходит образование нового конденсата на границе слоев 1/2 - Е1/2= E k . Следует обратить внимание на то, что влага от границы слоя 2/3 большей частью удаляется к границе 1/2 до конца периода высыхания и тем быстрее, чем больше плотность диффузионного потока G между Е2/3 и Е1/2. В этом случае целесообразно рассматривать давление Е1/2= E k как исходную точку высыхания наружу и внутрь (рис. 2.29, б), а распределением текущих давлений пара является и ( E k - еВ) и ( E k - еН). 60 Количество влаги, высыхающей в ограждении за 1 час, в этом случае, составит Gк: G B G G E K e B Е К е Н . R П R П (2.43) При неизменных климатических условиях за период времени Т (ч) количество высыхающей влаги составит – qB: qB = GB· T, мг/м2. (2.44) 2.2.7. Учет процессов паропереноса при проектировании ограждающих конструкций Анализ закономерностей диффузии водяного пара, увлажнения и высушивания ограждающих конструкций, описанных в предыдущих разделах, позволил установить четыре основных параметра, которые определяют количественные характеристики процесса конденсации водяного пара и увлажнения ограждений. Это расчетная температура наружного воздуха, при которой процесс паропереноса, конденсации и высыхания ограждений адекватно моделирует эксплуатационный процесс. Это продолжительность периода увлажнения (конденсации) и высыхания, которая позволяет оценить количественную характеристику увлажнения. Это количество парообразной влаги, проходящей через ограждение. Это требование к взаимному расположению слоев в многослойном ограждении. Отечественные нормативные документы не рассматривают перечисленные параметры в виде ключевых и не содержат рекомендаций по их определению и использованию при проектировании теплозащиты ограждающих конструкций. Расчетная температура наружного воздуха tH. Изменение величины этого параметра изменяет весь процесс паропроницания: изменяются значения температур по сечению ограждения и, как следствие, изменяются значения упругостей водяного пара ЕН, еН, Ех, ех (см., например, рис. 2.19 и 2.20). Произойдет изменение потоков влаги до зоны конденсации G1 и после зоны конденсации G2 и, как следствие, изменится количество конденсированной влаги GК. Таким образом, температура наружного воздуха при расчетах паропроницаемости, как расчетный параметр, требует специального исследования и обоснования (см. раздел 3.2.2). Продолжительность периода увлажнения (конденсации) и высыхания. Начало конденсации водяного пара в ограждении связано с параметрами климата, но это всего лишь некоторая точка во времени. 61 Количество конденсата зависит от продолжительности конденсации, то есть от продолжительности климатических условий, приводящих к конденсации водяного пара в ограждении. Это параметр Т в формулах (2.31 и 2.35). Отечественные нормы не определяют ни продолжительности увлажнения, ни продолжительности высыхания, в то время как в зарубежных нормах эти параметры определены. Так, в немецких нормах DJN 4108 [1,31] определено, что период водонакопления продолжается с середины ноября до середины января –60 суток, или 1440 часов, период высыхания (испарения) – с середины июня по середину сентября – 90 суток, или 2160 часов. Этот параметр требует специальных исследований и введения в нормативные документы. В настоящем пособии в разд. 3.2.2 приводятся методические основы по определению продолжительности периода конденсации парообразной влаги в ограждениях. Количество парообразной влаги в ограждении. С увеличением количества парообразной влаги, проходящей через ограждение, растет объем конденсированной влаги, что снижает эксплуатационные свойства ограждений: повышается теплопроводность увлажненных слоев, усиливаются процессы замораживания и оттаивания облицовочных слоев и снижается их долговечность. В связи с этим, напрашивается вывод о необходимости ограничения количества парообразной влаги, поступающей из помещения в ограждающую конструкцию. Идею о полной изоляции внутренней поверхности ограждения от проникновения через нее парообразной влаги следует считать неприемлемой, так как высыхание ограждения в летнее время идет в обе стороны, как через наружную, так и через внутреннюю поверхность в помещение (см. разд. 2.2.5; 2.2.6; рис. 2.27 и 2.29). Ограничить поступление парообразной влаги в ограждение можно оптимальным подбором материалов и параметров внутреннего слоя в многослойном ограждении. Из формулы (2.24) G=(eB–eH)/Rпо следует, что количество парообразной влаги в ограждении G растет с увеличением разности действительной упругости водяного пара по обеим сторонам ограждения (еВ–еН) и с уменьшением общего сопротивления паропроницанию ограждения Rпо. Разность (еВ–еН) определяется требованиями к микроклимату помещений (еВ), климатом места строительства (еН) и мало зависит от проектировщика, в то время как сопротивление паропроницанию ограждения Rпо и отдельных его слоев RПi зависят только от проектировщика и его квалификации. 62 Величина RПi определяется по формуле (2.25) RПi = δi/μi и может регулироваться изменением толщины слоя δi или выбора материалов с другим коэффициентом паропроницаемости μi. В разделе 2.2.1 на небольшом примере было показано, что при изменении Rпо с 3 до 20 (м2·ч·Па)/мг количество парообразной влаги, проходящей через ограждение, снижается с 360,3 до 54,1 мг на 1 м2 в час, то есть больше, чем в 6 раз. Из этого можно сделать вывод, что отрицательное влияние влаги на эксплуатационные свойства ограждений изменится также в разы. Поэтому первой задачей проектирования ограждений является ограничение парообразной влаги, поступающей в ограждение. Это обеспечивается относительно высоким сопротивлением паропроницанию слоя ограждения, примыкающего к внутреннему воздуху помещения. Отечественные нормативные документы не содержат рекомендаций о величине сопротивления паропроницанию внутреннего слоя ограждения, что затрудняет процесс проектирования. Этот вопрос требует специального исследования. В настоящее время, в качестве первого приближения, можно рекомендовать предложение Роджерса [27], который со ссылкой на стандарт США для жилых зданий определил величину паропроницаемости первого слоя, которая должна быть меньше 0,03 г/(м2·ч·мм. рт. ст.). В пересчете на принятую в наших нормах размерность это составит 0,225 мг/(м2·ч·Па). Величина паропроницаемости слоя является обратной величиной сопротивления паропроницаемости слоя, отсюда RП внутреннего слоя равно 1/0,225 = 4,44 (м2·ч·Па)/мг. Таким образом, сопротивление паропроницания слоя, примыкающего к внутренней поверхности, должно быть не меньше 4,44 (м2·ч·Па)/мг. Например, для конструкционного слоя из железобетона (табл. 5.4, строчка 2) сопротивление паропроницанию не меньше 4,44 будет при толщине слоя δ= Rп ·μ=4,44 · 0,03=0,133 м и более. Влияние взаимного расположения слоев в ограждении. Если первой задачей проектирования ограждений является ограничение доступа парообразной влаги в ограждение, то второй задачей проектирования будет обеспечение беспрепятственного прохода парообразной влаги через ограждение и выход ее наружу. То есть свойства материалов, характеристика слоев ограждения и их взаимное расположение должны обеспечить возрастающую легкость диффузии парообразной влаги через отдельные слои и удаление ее из ограждения. Процесс паропроницания в многослойных конструкциях выявляется более наглядно, если анализировать не сопротивления паропроницанию отдельных слоев RПi, а их обратные величины – величины паропроницаемости слоя Gi=1/RПi, мг/(м2·ч·Па). В этом случае наглядно 63 выявляется «правильность» или «неправильность» взаимного расположения слоев. Для двухслойного ограждения, пример которого рассмотрен в разделе 2.2.3, сопротивление паропроницанию теплоизоляционного слоя RП1=0,4, а слоя железобетона RП2=3,33(м2·ч·Па)/мг. Паропроницаемость этих слоев составит, соответственно, G1=1/RП1=1/0,4=2,5мг/(м2·ч·Па) и G2=1/RП2=1/3,33=0,3 мг/(м2·ч·Па). Эти расчеты показывают, что через слой теплоизоляционного материала проходит 2,5 мг влаги в час, а через слой железобетона – 0,3 мг влаги в час. Для ограждения по схеме рис. 2.21,а будем иметь следующую последовательность передачи парообразной влаги: 2,5 > 0,3, то есть через слой теплоизоляции к поверхности слоя железобетона будет подходить в час 2,5 мг влаги, а удаляться через слой железобетона – только 0,3 мг. Таким образом, перед слоем железобетона будет накапливаться 2,5-0,3=2,2 мг влаги в час и увеличивать влажность ограждения. Для ограждения по схеме рис. 2.21,б будем иметь: 0,3 < 2,5, то есть через слой железобетона к поверхности слоя теплоизоляционного материала будет подходить 0,3 мг влаги в час, а удаляться через слой теплоизоляции может 2,5 мг влаги в час. То есть, вся влага будет свободно выходить из ограждения, не увеличивая его влажность. Таким образом, анализ паропроницания двухслойного ограждения через величины паропроницания слоев G1 и G2 позволил выявить проблемное сечение, где будет накапливаться влага при «неправильном» взаимном расположении слоев без сложных графоаналитических расчетов и построений. Рассмотренный пример еще раз подтвердил высокую значимость взаимного расположения слоев в многослойном ограждении, которое должно определяться процессами диффузии водяного пара. Этот подход не является абсолютно новым. Фокин К.Ф. [33], анализируя «рациональное расположение в ограждении слоев различных материалов», писал, что «материалы ограждения должны располагаться в следующем порядке: к внутренней поверхности – материалы плотные, теплопроводные и малопроницаемые, а к наружной поверхности, наоборот, – пористые, малотеплопроводные и более паропроницаемые». В те годы, когда были сформулированы эти рекомендации, конструкции ограждений были простейшими, и эти рекомендации были 64 достаточными. В современных ограждающих конструкциях количество материальных слоев может достигать пяти и более, в связи с чем средние слои ограждений остаются «неохваченными» рекомендациями. Наиболее полные рекомендации к современным ограждениям изложены в работе [27] – отдельные слои в многослойных ограждениях следует располагать в такой последовательности, чтобы паропроницаемость каждого слоя нарастала от внутренней поверхности к наружной. То есть должно выполняться неравенство: GB < G1 < G2 < … < GH, (2.45) где GB и GH – паропроницаемость внутреннего и наружного слоев ограждения, соответственно; G1; G2…– паропроницаемость отдельных слоев. По мнению [27], ограждение не будет накапливать влагу, если паропроницаемость наружного слоя GH будет, как минимум, в пять раз выше паропроницаемости внутреннего слоя GB: GH=5 GB. (2.46) При конструировании ограждения могут возникнуть технические сложности с облицовочным слоем, который должен быть достаточно плотным и водостойким. Величина GH такого слоя может оказаться достаточно малой и неравенство (2.45) не будет выполняться. Следствием этого будет накопление влаги перед облицовочным слоем со всеми негативными последствиями. В этом случае конструкция ограждения должна предусматривать вентилируемую воздушную прослойку перед облицовочным слоем. Эти логичные и понятные рекомендации по проектированию ограждающих конструкций с позиции ненакопления в них парообразной влаги не учитываются в подавляющем числе случаев. В настоящее время при проектировании ограждающих конструкций основное внимание направлено на энергосбережение, на получение расчетной энергоэффективности в проектной документации. Изменение влажностных и теплотехнических характеристик, а также долговечности материалов ограждений при эксплуатационных воздействиях остается на втором плане. «Защита от переувлажнения ограждающих конструкций» в СНиПе 23-02-2003 ограничивается лишь контролем накопления или ненакопления влаги в ограждении, которое запроектировано только с позиции энергосбережения. Рекомендаций о том, как проектировать ограждение, чтобы исключить накопление в нем парообразной влаги, не содержится ни в СНиП 23-02-2003 ни в СП 23-101-2004. 65 В связи с изложенным, при проектировании ограждающих конструкций должны одновременно учитываться как требования по достижению необходимого уровня теплозащиты, так и требования по ненакоплению в ограждении парообразной или конденсированной влаги. 2.3.Воздухопроницаемость ограждающих конструкций Строительные материалы являются, как правило, материалами пористыми, следовательно, при определенных условиях обладают воздухопроницаемостью. Величина воздухопроницаемости зависит от характера пор (замкнутые, сообщающиеся, сквозные или их сочетания) и разности давлений воздуха по обеим сторонам ограждающей конструкции. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций зависит не только от пористости материалов ограждений, но в значительной степени – от конструктивных особенностей ограждений: стыков, швов, неплотностей примыканий и заделки элементов, трещин и т.п. Если фильтрация воздуха через ограждение идет в направлении от наружного воздуха в помещение, ее называют инфильтрацией, если наоборот – эксфильтрацией. В зимних условиях, когда холодный воздух фильтруется через ограждение, увеличиваются теплопотери здания и снижается температура внутренних поверхностей ограждений. Величина теплопотерь от инфильтрации холодного воздуха может составлять 5 – 50%, в зависимости от климатических условий, направления зимних ветров и конструкции ограждений. 2.3.1.Естественные побудители воздухопроницаемости ограждений Разность давлений воздуха с противоположных сторон ограждения Δр возникает в результате воздействия гравитационного pt и ветрового pυ давления: Δp = pt + pυ. (2.47) Гравитационное давление pt определяется разностью давлений наружного и внутреннего воздуха, которая, в свою очередь, зависит от температур наружного tH и внутреннего tB воздуха. С понижением температуры наружного воздуха tH возрастает его плотность ρН, а следовательно, и давление на ограждение зданий. В силу зависимости гравитационного давления от температуры воздуха, его называют также тепловым напором. В зимний период разность (tB - tH) будет наибольшая, следовательно, наибольшим будет и гравитационное давление. 66 На рис.2.30 приведена схема распределения гравитационного давления в здании, состоящем из одного помещения. Для упрощения примем, что пол и потолок этого помещения абсолютно герметичные. Рис.2.30.Распределение гравитационного давления в здании, помещения состоящем из одного Плоскость нейтральной зоны показывает, что на этой высоте (по рис.2.30 Н/2 от пола или потолка), в соответствии с законом сохранения энергии, среднее давление внутри здания будут равно наружному. В помещении теплый внутренний воздух поднимается вверх, в результате чего вверху помещения давление становится выше среднего, следовательно, и выше давления наружного воздуха. В результате произойдет эксфильтрация теплого внутреннего воздуха через ограждение. В нижней части помещения давление внутреннего воздуха окажется ниже среднего и, следовательно, ниже давления наружного воздуха. В результате произойдет инфильтрация наружного холодного воздуха в нижнюю часть помещения через ограждение. Величина гидростатического давления инфильтрации, или тепловой напор, определяется по формуле (см. рис.2.30): Pt где H g ( H B ) , 2 Н – высота здания или помещения, м; g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2; ρH и ρВ – плотность наружного и внутреннего 3 соответственно, кг/м . (2.48) воздуха, 67 Величина теплового напора Рt в формуле (2.48) выражена через плотность воздуха ρ, кг/м3. В литературе величина теплового напора Рt часто определяется через удельный вес воздуха γ, Н/м3. Pt где H ( H B ) , 2 (2.49) γН и γВ – удельные веса наружного и внутреннего воздуха, Н/м3. Соотношение между плотностью и удельным весом воздуха определяется формулой: (2.50) g или g . Удельный вес воздуха зависит от его температуры t и может быть определен по формуле: 3463 . 273 t (2.51) Аналогично может быть определена плотность воздуха по формуле: где 0 t 1 273 , (2.52) ρ0 = 1,293 кг/м3 – плотность воздуха при 00С. После преобразования и подстановки в формулу значения ρ0 получим: 353 (2.53) . 273 t Распределение гравитационного давления в многоэтажных зданиях будет аналогично рис. 2.30, если перекрытия и внутренние стены этого здания имеют такую величину воздухопроницаемости, которая не препятствует свободному перетеканию воздуха с этажа на этаж (рис. 2.31,а). Если перекрытия между этажами достаточно герметичны и перетекания воздуха с этажа на этаж не происходит, то распределение гравитационного давления будет соответствовать схеме рис. 2.31,б. В реальных условиях наиболее вероятной оказывается схема рис. 2.31,в, когда междуэтажные перекрытия оказываются почти воздухонепроницаемыми, а перетекание воздуха между этажами происходит через входные двери в квартиры и лестничную клетку. 68 Рис.2.31.Распределение гравитационного давления в многоэтажных зданиях: а – при свободном перекрытии воздуха с этажа на этаж; б – при изолированных друг от друга этажах; в – в реальных условиях Из рис. 2.31,в видно, что лестничная клетка представляет собой единый объем по всей высоте здания, следовательно, распределение давления воздуха по высоте лестничной клетки аналогично рис. 2.30 и 2.31,а, то есть в зоне верхних этажей давление воздуха будет выше среднего (соответственно, выше наружного), и этот воздух через входные двери будет поступать в квартиры верхних этажей. В нижней зоне лестничной клетки воздух будет разрежен (давление ниже среднего) и из квартир нижних этажей через входные двери воздух будет поступать на лестничную клетку. Происходит частичное перетекание воздуха из квартир нижних этажей через лестничную клетку в квартиры верхних этажей. Периодическое открывание квартирных дверей усиливает этот процесс [15]. Из приведенных данных следует, что определение реальных величин теплового напора Рt представляет собой довольно сложную задачу, которая связана не только с процессами воздухопроницаемости ограждений, но также с процессами воздухообмена в помещениях и системой каналов вытяжной вентиляции в зданиях. В связи с тем, что проектировщику необходим простой механизм расчета воздухопроницаемости, который в определенной степени соответствовал бы физическим процессам в ограждениях, в последних изданиях СНиП величину теплового напора предложено определять из выражения: Рt = 0,55 Н(γН – γВ), Па, где (2.54) Н – высота здания (от уровня пола первого этажа до устья вытяжной шахты вентиляции), м; γН и γВ – удельные веса наружного и внутреннего воздуха, Н/м3. 69 Ветровое давление Рυ на здание зависит от величины скорости ветра υ, а также от условий обтекания здания воздушным потоком: формы здания, наличия близкорасположенных зданий, угла между направлением ветрового потока и плоскостью фасада. В общем случае условия обтекания здания заложены в аэродинамических коэффициентах с наветренной k1 и заветренной k2 сторон зданий. Для свободно стоящих зданий в виде параллелепипеда, когда ветер направлен под углом 900 к плоскости фасада, эти коэффициенты имеют значения k1=+0,8, k2= - 0,4 [30,33]. Формула для расчета Рυ имеет вид: P где k1 k 2 H2 2 2 H , (2.55) υН – скорость ветра, м/с; ρН – плотность наружного воздуха, кг/м3. Эта же формула, записанная не через плотность ρН, а через удельный вес наружного воздуха γН, будет иметь вид: P где k1 k 2 2 H2 2g H, (2.56) g – ускорение свободного падения, м/с2. Рис.2.32.Распределение давлений от ветра (а) и от совместного действия ветра и гидростатического давления (б) Если принять, что гидростатическое давление отсутствует (это возможно, когда tН = tВ), то разность давлений Δ Р будет определяться только ветровым давлением Рυ. По закону сохранения энергии давление внутри здания будет равно среднему между повышенным – с наветренной стороны и пониженным – с заветренной. Подобная схема избыточного ветрового давления показана на рис.2.32,а. 70 На рис.2.32,а показано, что скорость ветра не изменяется по высоте здания, в то время как в реальных условиях скорость ветра изменяется по высоте и с температурой в зимний период (см. разд. 3.2.3). Однако, в настоящее время отсутствуют простые методики учета этих изменений в практике проектирования ограждающих конструкций и оценке их воздухопроницаемости. В связи с этим, в последних изданиях СНиП [63] ветровое давление на здание определяется по формуле: 2 1 k1 k 2 H H 0,8 (0,4) P H2 H 0,03 H H2 , 2g 2 2 9,81 2 где (2.57) υН – скорость ветра, м/с. Распределение давлений при совместном действии гидростатического давления и ветрового напора приведено на рис. 2.32,б. Можно видеть, что при совместном действии теплового и ветрового напоров возрастает давление инфильтрации (Pt+Pυ) и увеличивается зона инфильтрации. Плоскость нейтральной зоны изменяет свое положение. В итоге разность давлений на наружной и внутренней сторонах ограждения при тепловом и ветровом напоре определится по формуле СНиП [63]: P 0,55H H B 0,03 H H2 . (2.58) Для расчетов ветрового давления в зимний период СНиП [63] рекомендует за величину скорости ветра υН принимать максимальную из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет от 16% и более. 2.3.2.Требуемое сопротивление воздухопроницанию В оценке разности давлений на разных сторонах ограждения ΔР использованы два климатических параметра места строительства: температура наружного воздуха tН и скорость ветра υН. Из этого следует, что ΔР является количественной мерой «суровости» климата с точки зрения инфильтрации холодного воздуха через ограждение. С другой стороны, все ограждающие конструкции имеют нормируемую воздухопроницаемость GB, кг/(м2·ч), что является параметром проектируемого здания наряду с высотой здания Н, м. В табл. 2.5 приведена выборка из таблицы 11 СНиП 23-02-2003 по нормируемой воздухопроницаемости ограждающих конструкций. 71 Таким образом, требуемое (или нормируемое) сопротивление воздухопроницанию R ИTP , (м2 ·ч· Па)/кг формируется на основе «суровости» климата Δр с одной стороны и параметров ограждающих конструкций GB и Н – с другой. (2.59) RИTP p / G B . Задача проектирования сводится к тому, чтобы общее сопротивление воздухопроницанию проектируемой ограждающей конструкции Rи было не меньше требуемого R ИTP . В этом случае процесс инфильтрации холодного воздуха в помещение вызовет незначительные теплопотери и незначительное снижение температур внутренних поверхностей ограждений. В другом случае, когда Rи окажется меньше R ИTP , потребуется корректировка ограждения в направлении увеличения общего сопротивления воздухопроницанию ограждений. Таблица 2.5 Нормируемая воздухопроницаемость ограждающих конструкций № п/п 1 2 Ограждающие конструкции Наружные стены, перекрытия и покрытия жилых, общественных и административных зданий. Входные двери в квартиры. Воздухопроницаемость GB, кг/(м2·ч) не более 0,5 1,5 3 Входные двери в жилые общественные здания. и 7,0 4 Окна и балконные двери деревянных переплетах. в 6,0 5 Окна и балконные двери в пластмассовых или алюминиевых переплетах. 5,0 2.3.3.Сопротивление воздухопроницанию материалов и конструкций Сопротивление воздухопроницанию материалов Rи по аналогии с сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию прямо пропорционально толщине слоя δ, м и обратно пропорционально коэффициенту воздухопроницаемости материала i, кг/(м·ч·Па): RИ 72 i , (м2·ч·Па)/кг. (2.60) Коэффициент воздухопроницаемости показывает, какое количество воздуха в килограммах пройдет через 1 м2 слоя материала толщиной в 1 м за время 1 час при разности давлений воздуха 10 Па. Этот коэффициент в значительной степени зависит от структуры материала, степени и характера пористости, наличия микротрещин и т.п. В табл.2.6 приведена выборка значений коэффициентов воздухопроницаемости некоторых материалов, взятых из работы Брилинга Р.Е. [4], переведенных в размерность СИ. Из табл. 2.6 можно видеть, что для различных материалов коэффициенты воздухопроницаемости различаются более чем на четыре порядка. Этот факт предъявляет повышенную ответственность при подборе материалов для отдельных слоев в многослойных ограждениях. Таблица 2.6 Коэффициенты воздухопроницаемости некоторых материалов при Δр=10 Па Материал Плотность кг/м Цементный раствор, 1:3 Бетон, 1:2,5:3,5 Гипсовые плиты Кирпич силикатный Кирпич глиняный обыкновенный Автоклавный пенобетон Известковый раствор, 1:3 Неавтоклавный пенобетон Пеногипс Шлакобетон Минеральная вата Шлак котельный 2150 1300 2100 1900 Коэффициент воздухопроницаемости i х10-4 кг/(м·ч·Па) 0,034 0,044 0,052 0,48 0,499 670 600 430 1300 - 0,526 0,61 5,26 28,5 74,9 442 6504 3 Экспериментальные и натурные исследования воздухопроницаемости ограждающих конструкций показывают, что воздухопроницаемость материалов не всегда характеризует воздухопроницаемость конструкций из этих материалов. Значительную неопределенность вносят швы, стыки и различные неплотности, образующиеся при производстве работ. Сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции (Rи) определяется как сумма сопротивлений воздухопроницанию отдельных слоев - R Иi . (2.61) RИ RИ1 RИ2 ... RИn 73 Сопротивления воздухопроницанию отдельных слоев ( R Иi ) принимаются по таблице из Свода правил СП - 23-101-2004, с коррективой на толщину слоя. В качестве примера в табл. 2.7 приведены сравнительные значения сопротивлений воздухопроницаемости некоторых материалов и конструкций. Из данных табл.2.7 можно сделать вывод о том, что сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции можно регулировать в очень широких пределах, подбирая толщину слоя или тип материала. Расчеты воздухопроницаемости различных ограждающих конструкций в зданиях высотой 5-14 этажей в Европейской части России показывают, что разность давлений ΔР находится в пределах 20-70 Па. В связи с этим, требуемое сопротивление воздухопроницанию для стен будет составлять: RИTP P 20 70 2 40 140 (м ·ч· Па)/кг. Gu 0,5 Таблица 2.7 Сопротивление воздухопроницанию некоторых материалов и конструкций (в пересчете на толщину 100мм). № п/п Наименование материала или конструкции 1 2 3 4 5 Тяжелый бетон, монолитный Пенобетон автоклавный (без швов) Пенобетон не автоклавный Пенополистирол Кирпичная кладка из сплошного кирпича на цементно-песчаном растворе, толщина 120 мм Плиты минераловатные жесткие Кирпичная кладка из сплошного кирпича на цементно-шлаковом растворе, толщина 120 мм Кладка из легкобетонных камней на цементношлаковом растворе 6 7 Сопротивление воздухопроницанию Rи (м2·ч·Па)/кг 12620 1960 196 79 9 4 1 8 9 10 11 12 13 3 Керамзитобетон, γ0= 900 кг/м Керамзитобетон, γ0= 1000 кг/м3 Керамзитобетон, γ0= 1200 кг/м3 Штукатурка цементно-песчаным раствором по кладке, толщина 15 мм. Штукатурка известковая по кладке, толщина 15 мм. 0,25 5 23 166 373 142 Величина сопротивления воздухопроницанию тех же конструкций находится в пределах Rи=70-200(м2·ч·Па)/кг. Таким образом, наиболее распространенные ограждающие конструкции, как правило, 74 удовлетворяют данному требованию норм R И > R ИTP . По-видимому, основная причина этого состоит в том, что слой штукатурки (см.строчки 12 и 13 табл. 2.7) имеют Rи = 142 или 373 (м2·ч·Па)/кг, то есть воздухопроницаемость одного слоя штукатурки сопоставима с сопротивлением воздухопроницанию всего ограждения. Рис.2.33.Кривые граничных значений воздухопроницания через отдельные элементы здания: 1-2-диапазон воздухопроницаемости для стыков панелей; 2-4- то же,для массива ограждений; 3-5-то же, для окон; 4-6-то же, для дверей; 5-7- то же, для воздуховодов Более того, анализ воздухопроницания различных элементов ограждающих конструкций (стыки панелей, массив стены, окна и двери) показывает, что доля воздуха, поступающего в помещения через стены, весьма мала по сравнению с объемом воздуха, поступающего через другие элементы ограждений. На рис. 2.33 приводятся кривые граничных значений воздухопроницания через отдельные элементы здания по данным Богословского В.Н. [2]. 2.3.4. Расчет температуры внутренних поверхностей ограждений при инфильтрации холодного воздуха Воздухопроницаемость ограждений в момент сильных ветров может понижать температуру внутренних поверхностей. Если эта температура находится вблизи точки росы, то в моменты сильных ветров возможно выпадение конденсата. Величина температуры внутренней поверхности (а также температуры по границам отдельных слоев в многослойных ограждениях) зависит от сопротивления теплопередаче ограждения и количества фильтрующегося через ограждение холодного воздуха и может быть определена по формуле: 75 x t H (t B t H ) e cGR XH 1 , e cGR0 1 (2.62) температуры внутреннего и наружного воздуха, 0С; основания натуральных логарифмов; удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг·0С); сопротивление теплопередаче части ограждения от уровня tН до сечения x, то есть от наружной поверхности до рассматриваемого сечения с прибавлением RТН, (м2·0С)/Вт; R0 – общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2·0С)/Вт; G – количество воздуха, фильтрующегося через ограждения, кг/(м2· ч). На рис. 2.34 приведена принципиальная схема изменения температур по сечению ограждения при фильтрации через него холодного воздуха. Сечение ограждения представлено в масштабе сопротивления теплопередаче RТ, поэтому распределение температур по сечению ограждения без воздухопроницания представляет собой прямую линию (кривая 1), (см. раздел 2.2.2). В заключение раздела приведем анализ примера 6 из работы Соловьева А.К. [30] по расчету воздухопроницания и температур по сечению ограждения при инфильтрации холодного воздуха в зимний период. В примере рассмотрено 5ти этажное здание в климатических условиях Москвы (tB=200C, tH=-250C, υ =4,9 м/с) и три варианта ограждающей конструкции, состоящей из слоя штукатурки, двух слоев кирпичной кладки и слоя утеплителя между слоями кирпичной кладки. Схемы вариантов ограждений приведены на рис.2.35. где tВ и tН – е– с– RХН – Рис.2.34.Принципиальная схема изменения температур по сечению ограждения при фильтрации через него холодного воздуха: 1-распределение температур без фильтрации воздуха; 2,3 – то же с фильтрацией воздуха, причем количество фильтрующегося воздуха у кривой 3 больше, чем у кривой 2, т.е. G3>G2 76 Рис.2.35.Варианты ограждающих воздухопроницаемости: конструкций в примере расчета а – штукатурка с внутренней стороны; б – без штукатурки; в – штукатурка с наружной стороны; τВ, τ1/2, τ2/3… температуры по границам слоев; 1,2,3,4 – номера слоев ограждения Характеристика материалов. 1 – штукатурка из известковопесчаного раствора (δ1 =15мм; λ1=0,87Вт/(м·0С); R И1 =142(м2·ч·Па)/кг); 2 – кирпичная кладка на цементно-песчаном растворе (δ2=380мм; λ2=0,81Вт/(м·0С); R И2 =27(м2·ч·Па)/кг); 3 – плиты минераловатные жесткие (δ3=170 мм; λ3=0,07Вт/(м·0С); RИ3 =6,8(м2·ч·Па)/кг); 4 – кирпичная кладка на цементно-песчаном растворе (δ4=120мм; λ4=0,81Вт/(м·0С); 2 RИ4 =2(м ·ч·Па)/кг). Расчет параметров 1.Требуемое сопротивление воздухопроницанию для данных климатических условий и высоты здания. а) Разность давлений по сторонам ограждений p 0,55H ( H B ) 0,03 H 2 , (2.58) где Н – высота 5и этажного здания при высоте этажа 3 м, 5х3=15 м. γн и γВ – удельные веса воздуха при температурах – 250С и +200С: H 3463 3463 3 3 13,96 Н/м ; H 11,82 Н/м ; 273 (25) 273 20 υ – скорость ветра – 4,9 м/с Δр = 0,55·15(13,96 – 11,82) + 0,03·13,96 ·4,92=27,71 Па. б) Нормируемая воздухопроницаемость для стен GH =0,5 кг/(м2· ч), по табл. 2.5 строчка 1. 77 в) Величина требуемого сопротивления воздухопроницаемости: R ИTP p 27,71 2 55,42 (м · ч · Па)/кг. GH 0,5 2. Расчетные параметры для схемы а, рис. 2.35. а) Сопротивление воздухопроницанию: Rи = RИ1 + RИ2 + RИ3 + RИ4 = 142 +27+6,8 + 2 = 177,8 (м2 · ч · Па)/кг Ограждение соответствует требованиям СНиП по воздухопроницанию, т.к. Rи > RИТР , то есть 177,8 > 55,42 б) Сопротивление теплопередаче R0 1 B 1 2 3 4 1 1 0,015 0,38 0,17 0,12 1 1 2 3 4 H 8,7 0,87 0,81 0,07 0,81 23 2 0 0,11 0,02 0,47 2,4 0,15 0,04 3,19 (м · С)/Вт. в) Температура по границам слоев без учета воздухопроницания определяется по формуле (5.13): x tB tB tH R XB , R0 где RXB – сопротивление теплопередаче от уровня tB до сечения х (то есть от внутренней поверхности ограждения до сечения х с прибавлением RB). tB tH 20 (25) 0 R B 20 0,11 18,45 С; R0 3 19 20 (25) 0 20 0,13 18,17 С, и далее получено 3,19 0 0 0 2 / 3 11,45 С; 3 / 4 22,6 С; H 24,71 С. B tB 1/ 2 г) Количество воздуха, которое фильтруется через ограждение: Gu p 27,71 2 0,16 кг/(м ·ч); Ru 177,8 д) Температура по границам слоев с учетом воздухопроницания определяется по формуле (2.62): x t H (t B t H ) 78 e cGu RxH 1 , e cGu R0 1 где RXН – сопротивление теплопередачи от уровня tH до сечения х (то есть от наружной поверхности ограждения до сечения х с прибавлением RТH). e11,63,08 1 0,64 0 B 25 20 (25) 10,163,19 25 45 17,98 С; 0,67 e 1 10,163, 06 e 1 0 1 / 2 25 45 10,163,19 17,42 С и далее; e 1 0 0 0 2 / 3 9,49 С, 2 / 3 22,93 С, H 24,71 С. 3.Расчетные параметры для схемы б, рис.2.35. а) Сопротивление воздухопроницанию: 2 RИ RИ2 RИ3 RИ4 27 6,8 2 35,8 (м ·ч·Па)/кг Ограждение не соответствует требованиям СНиП по воздухопроницанию, т.к. RИ< R ИТР , т.е. 35,8<55,42 б) Сопротивление теплопередаче R0 1 B 2 3 4 1 1 0,38 0,17 0,12 1 2 3 4 H 8,7 0,81 0,07 0,81 23 2·0 0,11 0,47 2,4 0,15 0,04 3,17 (м С)/Вт в) Количество воздуха, которое фильтруется через ограждение: GИ p 27,71 2 0,77 кг/(м ·ч) RИ 35,8 г) Температура по границам слоев с учетом воздухопроницания определяется по формуле (2.62): e10,773,06 1 9,55 0 25 45 16,0 С 10, 773,17 10,48 e 1 10, 772, 59 e 1 0 25 20 (25) 10,773,17 2,25 С и далее e 1 0 0 3 / 4 24,32 С, H 24,87 С B 25 20 (25) 2/3 4. Расчетные параметры для схемы в, рис. 2.35 а) Сопротивление воздухопроницанию: 2 RИ RИ2 RИ3 RИ4 RИ1 27 6,8 2 142 177,8 (м ·ч·Па)/кг б)Сопротивление теплопередаче: R0 1 B 2 3 4 1 1 2 0 0,11 0,47 2,4 0,15 0,04 0,02 3,19 (м · С)/В 2 3 4 1 H т в) Количество воздуха, которое фильтруется через ограждение 79 GИ p 27,71 2 0,16 кг/(м ·ч) R И 177,8 г)Температура по границам слоев с учетом воздухопроницания: e10,163,08 1 0 17,98 С 10,163,19 e 1 10,162, 61 e 1 0 2 / 3 25 20 (25) 10,163,19 9,81 С и далее e 1 0 0 0 3 / 4 22,7 С, 4 / 1 24,35 С, H 24,57 С B 25 20 (25) Результаты расчета представлены в табл. 2.8 Таблица 2.8 Свободная таблица температур по сечениям ограждений № п/п 1 Температура по сечениям ограждения, 0С Конструкция ограждения по схемам рис.2.35 tB Схема а, штукатурка с внутренней стороны 20 tН τВ τ1/2 τ2/3 τ3/4 τ4/1 τН - -24,71 -25 без воздухопроницания 18,45 18,17 11,45 -22,6 с воздухопроницанием 2 3 4 2Схема а, штукатурка с внутренней стороны 3Схема б, без штукатурки 4Схема в, штукатурка с наружной стороны 20 17,98 17,42 9,49 -22,93 - -24,71 -25 20 16 - 2,25 -24,32 - -24,87 -25 20 17,98 - 9,81 -22,7 -24,35 -24,57 -25 Из таблицы видно, что наличие воздухопроницаемости в рассматриваемой конструкции по схеме рис.2.35,а незначительно снижает температуру внутренней поверхности стены (строчки 1 и 2 τ В=18,450С и 17,980С). Если эту стену выполнить без внутренней штукатурки, которая выполняет роль основного воздухонепроницаемого слоя ( R И1 =142 из 177,8 (м2·ч·Па)/кг для всей стены), то температура внутренней поверхности снижается значительно (τВ=16,10С, строчка 3). При перемещении внутренней штукатурки на наружную сторону стены температура внутренней поверхности возрастает до исходной τВ=17, 980С (строчка 2 и строчка 4). 80 На основании анализа вышеприведенных расчетов можно сделать вывод о том, что распределение температур по сечению ограждающей конструкции не зависит от местоположения основного воздухонепроницаемого слоя (сравнение температур в строчках 2 и 4). Однако, при проектировании ограждающих конструкций следует учитывать величину паропроницаемости воздухонепроницаемого слоя и в случае устройства наружной штукатурки ее паропроницаемость должна быть не ниже предыдущих слоев (если слои считать от внутренней поверхности). 81 ГЛАВА 3 КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И ИХ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ С древнейших времен человек пытается использовать положительные воздействия климатических факторов и защититься или свести к минимуму отрицательное воздействие климата. Итогом этих попыток стали народные типы жилища для различных климатических условий и рекомендации по планированию и устройству городов. Климатология как наука стала развиваться одновременно с развитием науки, техники, сельского хозяйства и других отраслей экономики только в XX веке. В «Урочном положении» 1912 года издания [47], где подробно описаны строительные материалы, работы и приведены нормы проектирования зданий различного назначения, вопросы учета климата не затронуты. Единственное предписание, найденное в цитируемой работе, касается толщины стен для жилых зданий – «наименьшая толщина наружных стен из кирпича узаконена у нас, вследствие климатических условий, для северной и средней полосы в 2,5 кирпича (64см, или 15 вершков, или 0,30 сажени)». Первые нормативные документы по обоснованию расчетных величин климатических факторов в нашей стране появились в 30ые годы прошлого века [48÷ 50 и др.]. В настоящее время существует ряд нормативных документов [62,63] и учебной литературы [11,30,33], где представлены некоторые обоснования выбора расчетных величин климатических факторов. Однако, этот вопрос требует дальнейшего исследования. В настоящем разделе рассмотрены климатические факторы, которые используются при решении задач теплозащиты зданий. Вводится понятие расчетный параметр климатического фактора. Величина расчетного параметра даже для одного климатического фактора (например, температуры воздуха) будет различной для различных физических процессов в ограждениях (теплопередача, паропроницаемость, воздухопроницаемость). Единым будет методологический подход к определению величины расчетного параметра климатического фактора: расчетный параметр – это такая величина климатического фактора, при которой адекватно моделируются эксплуатационные процессы в ограждениях. 82 3.1.Общие сведения о климатических факторах К основным климатическим факторам, которые требуют учета при проектировании теплозащиты зданий, относятся: солнечная радиация, температура и влажность воздуха, ветер. Такие климатические факторы, как температура и влажность воздуха, имеют свойство скалярной характеристики, в то время как солнечная радиация и ветер являются векторными, что предопределяет требования к ориентации зданий и сооружений по странам света. Основой для изучения климатических факторов являются результаты наблюдений за элементами климата, полученные на метеорологических станциях. В России эти наблюдения регулярно ведутся с XIX века на небольшом количестве метеостанций 3 раза в сутки. С развитием промышленности, транспорта, сельского хозяйства неуклонно развивалась сеть метеостанций и количество наблюдений в сутки. С 1966 года наблюдения ведутся уже 8 раз в сутки и действует более 10000 метеостанций. В настоящее время на ряде станций наблюдения ведутся каждый час. На основе обработки первичных данных метеостанций об элементах климата получают различные статистические характеристики климата: - средние значения; - экстремальные (наибольшие и наименьшие); -амплитуды; -повторяемости; -непрерывные продолжительности. Средние значения. Среднее суточное определяется из всех значений данного метеорологического элемента, измеренных в течение суток. Среднее месячное получается из всех средних суточных значений за данный месяц. Среднее годовое – из всех средних месячных значений. Экстремальные значения. Средние значения факторов позволяют сравнивать климаты разных районов, но их недостаточно для полной характеристики климатических условий конкретной местности. В климатических справочниках приводятся данные по: - абсолютным экстремумам (максимальным и минимальным) метеорологического фактора, который наблюдался один раз за весь период наблюдений; - средним из годовых экстремальных величин; - средним экстремумам за месяц (средние значения из максимумов за каждые сутки). Абсолютные экстремумы весьма редки, поскольку определяются редко наблюдаемыми атмосферными процессами, в то время как средние 83 из экстремальных величин более устойчивы в силу большей повторяемости для определенных территорий. Амплитуды. В метеорологии и климатологии амплитудой называют разность между максимальным и минимальным значениями фактора за определенный отрезок времени (час, сутки, месяц, год и т.д.). Этим определяется нагрев и охлаждение материалов строительных конструкций, увлажнение и высушивание, замораживание и оттаивание и т.д. Годовая амплитуда средних месячных температур воздуха наиболее жаркого и наиболее холодного месяца характеризует степень континентальности климата, что, в свою очередь, диктует требования к генеральным планам застройки города, объемно-планировочным решениям зданий, выбору конструкций ограждений зданий. Повторяемости. Этот показатель определяет частоту наблюдения определенной величины климатического фактора в данной местности. Например, повторяемость ветра больше определенной величины (для расчета ветровых нагрузок) или повторяемость ветра по румбам (для оценки господствующих ветров), повторяемость отрицательных температур наружного воздуха ниже заданной величины (для теплотехнических расчетов ограждений зданий) и т.д. В климатологии понятия «повторяемость» и «вероятность» нередко отождествляют и используют эту характеристику для вероятностного прогноза. Непрерывная продолжительность действия климатического фактора является важной характеристикой климата. Непрерывная продолжительность дождей предопределяет степень увлажнения конструкций, то же – интенсивных дождей диктует требования к техническим решениям ливневого водоотвода и водоотвода с кровель зданий. Непрерывная продолжительность отрицательных температур воздуха ниже определенной величины диктует требования к массивности или тепловой инерции ограждений зданий. Описанные выше первичные данные метеостанций являются основой для последующих расчетов климатических факторов. Многие из перечисленных выше статистических характеристик климатических факторов вошли в нормативные документы по строительной климатологии [54,57,60], изучение которых позволяет получить первичное представление о климате местности. Прежде всего, это анализ суточного и годового хода основных климатических факторов. В качестве примера рассмотрим основные климатические факторы для условий Казани. На рис. 3.1 представлен годовой ход температуры наружного воздуха в Казани (по СНиП 23-01-99*). На рис. 3.1 выделены наиболее холодный месяц – (январь, 1) и наиболее теплый – (июль, 2). Разность между среднемесячными температурами июля и января указывает на континентальность климата. 84 Рис. 3.1.Годовой ход температуры наружного воздуха в Казани (среднемесячные значения) Чем она больше, тем континентальнее климат. Среднегодовая температура (поз. 3 на рис.3.1) является обобщенной характеристикой «суровости» климата и косвенной характеристикой глубины промерзания грунтов. Характеристика влажности воздуха по данным СНиП [54] представлена на рис. 3.2 в виде ежемесячных характеристик относительной и абсолютной влажности воздуха. Рис. 3.2.Относительная (а) и абсолютная (б) влажность воздуха в Казани Анализ данных рис. 3.2 показывает, что в зимние месяцы в Казани высокая относительная влажность воздуха (более 80%), что указывает на возможную вероятность точки росы (туманы, иней, изморозь). Вместе с тем, в зимние месяцы воздух содержит небольшое количество влаги – около 2 г/м3. Этот факт говорит о том, что зимний воздух в Казани сухой, а при нормативном естественном воздухообмене сухой наружный воздух, 85 перемешиваясь с влажным воздухом помещений, устанавливает относительную влажность воздуха в помещения в соответствии с ГОСТ 30494 – 96, т.е. в диапазоне 30-45%. Ветровой режим местности влияет на теплопотери здания через процессы воздухопроницания ограждающих конструкций и изменения условий теплообмена у наружных поверхностей ограждений. Особенно это проявляется в зимние месяцы, в нормах по отоплению зданий предусматривается увеличение теплопотерь на 5-10% в зависимости от защищенности ограждений от ветра. На рис. 3.3 приведена роза ветров для января в условиях Казани по данным СНиП 2.01.01-82 [57]. Рис.3.3. Роза ветров в январе месяце в условиях Казани Из рис.3.3 видно, что зимой в Казани преобладающими ветрами являются южные и юго-восточные. Скорость ветра в этих направлениях также максимальная. В связи с этим, фасады зданий, ориентированные на юг и юго-восток, будут иметь повышенные теплопотери, но также и больший естественный воздухообмен помещений за счет увеличения ветрового напора. Данные о ветровом режиме, содержащиеся в нормативных документах [54,57,66], весьма ограниченные. Для целей теплозащиты зданий определенный интерес представляет повторяемость ветра по румбам за каждый месяц и помесячная вероятность ветра различных скоростей (табл.3.1 и 3.2 [29]). Из табл. 3.1 видно, что для Казани в каждый месяц имеется преобладающий ветер с вероятностью от 16 до 25%, а для «смежных» направлений эта вероятность может достигать 40% и более (например, в феврале вероятность суммы «смежных» направлений составляет 44%). Из табл.3.1 видно также, что ежемесячное преобладающее направление ветров имеет четко выраженный годовой ход: от юго86 восточного и южного в январе, через западное и северо-западное в июнеиюле и обратно к юго-восточному и южному в декабре (выделено жирным курсивом в табл.3.1). Как следует из табл.3.2, для условий Казани вероятность ветра различных скоростей по месяцам не имеет больших различий, в связи с чем без большой ошибки в расчетах можно использовать среднегодовые вероятности различных скоростей ветра. Таблица 3.1 Вероятность направление ветра (%) Месяцы Румбы ЮВ Ю С СВ В Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль 9 12 7 7 14 11 13 5 8 4 6 12 7 12 9 2 4 10 12 10 10 18 22 Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь 8 11 5 10 9 10 5 3 3 6 13 6 2 3 7 14 14 13 14 25 24 18 18 Год 9 7 8 14 17 17 15 11 10 10 ЮЗ З СЗ 15 14 14 10 16 13 10 10 6 9 12 15 20 22 24 18 22 22 11 9 11 12 15 11 12 15 12 16 23 17 15 17 21 16 16 16 15 8 14 9 12 11 18 15 12 18 23 25 Таблица 3.2 Вероятность ветра различной скорости (%). Скорость м/с ол 0-2 Месяцы I 30 II 32 III 26 IV 28 V 31 VI 34 VII 38 VIII 40 IX 31 X 35 XI 24 XII 24 Год 30 3-4 5-6 7-8 9-10 11-14 >15 20 22 13 11 3 1 29 20 11 7 1 0 25 22 15 8 3 1 27 20 12 10 3 0 22 24 13 7 3 0 26 23 12 4 1 0 28 21 8 3 2 0 28 22 5 3 2 0 23 25 12 6 2 1 27 24 12 9 3 0 31 24 12 6 3 0 25 30 12 7 2 0 26 23 12 7 2 0 На рис. 3.4 приведены кривые интенсивности солнечного облучения (теплового потока) горизонтальной поверхности при безоблачном небе для широты Казани (560 с.ш.). Из графика видна мощность теплового потока солнечного облучения в любой час суток и за каждый месяц (для упрощения чертежа кривые за июль – декабрь не показаны). График построен по данным [56]. 87 Ежемесячные суммы тепла солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе для широты местности 560 (широта Казани) приведены на рис.3.5. Солнечная радиация за счет мощного теплового потока вызывает перегрев поверхностей ограждающих конструкций, а также покрытий тротуаров, магистралей и городских площадей. Суммы тепла, приходящие к этим поверхностям, накапливаются в ограждениях и дорожных покрытиях и в целом поднимают радиационный фон городских территорий и помещений зданий в летние периоды года. Рис.3.4.Интенсивность суммарной солнечной радиации (тепловой поток) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе для широты местности 56 0 (широта Казани) 1,2,3…соответственно январь, февраль, март, апрель, май, июнь. Июль-декабрь на графике не показаны для упрощения чертежа Первичный анализ климата Казани проведен по данным СНиП различных лет изданий [54,56,57]. Параметры климата, приведенные в СНиПах по строительной климатологии, имеют две существенные характеристики. Во – первых, параметры климатических факторов, приведенные в СНиПах по климатологии, носят общий характер. За редким исключением они «не привязаны» к свойствам ограждающих конструкций и зданий в целом. Во-вторых, параметры климатических факторов, приведенные в СНиПах по климатологии и климатических справочниках, представляют собой средние значения (среднемесячные, среднегодовые и т.д.) по многолетним рядам наблюдений. Эти данные имеют коэффициент обеспеченности, равный 0,5. Коэффициент обеспеченности kоб представляет собой отношение числа случаев появления величины фактора 88 Рис.3.5. Суммы тепла, приходящего к горизонтальной поверхности за каждый месяц года (при безоблачном небе, широта 560) ко всему числу случаев наблюдений. Величина kоб = 0,5 показывает, что только в 50% случаев климатический фактор будет соответствовать величине, записанной в СНиПах. В отдельные периоды или годы отклонения от средних многолетних значений могут быть значительными. Так, в СНиП 2.01.01-82 приведены данные по амплитудам температуры наружного воздуха, которые представлены в табл. 3.3 в сравнении со среднемесячными температурами воздуха. Таблица 3.3 Среднемесячные температуры наружного воздуха и их амплитуды для Казани Месяцы года Среднемесячные температуры, 0С Средние амплитуды, 0С Отклонение от средних температур, % Максимальные амплитуды, 0С Отклонение от средних температур, % Я Ф М А М И И А С О Н Д -13,5 -13,1 -6,5 3,7 12,4 17,0 19,1 17,5 11,2 3,4 -3,8 -10,4 6,5 7,6 8 8,1 10,7 11,9 11,1 10,8 9,2 6,1 5,2 6,2 48 58 123 219 86 70 58 62 82 179 137 60 20,4 19,7 19,5 18,7 20,7 21,9 19,1 19,8 21,3 17,3 22,3 26,7 151 150 300 505 167 129 100 113 190 508 587 257 Из табл. 3.3 видно, что средние отклонения от среднемесячных температур составляют от 48 до 219%, а максимальные отклонения от среднемесячных температур составляют от 100 до 587%. Аналогичные данные по разбросу температур наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации для кривых годового хода представлены на рис. 3.6 и 3.7 [2]. Штриховая линия на этих графиках 89 имеет обеспеченность 0,5. В экстремальных точках графиков различие в температурах от обеспеченности 0,5 к обеспеченности 0,99 или 0,01 может достигать 100С и более градусов. Рис.3.6. Годовой ход среднемесячных температур различной обеспеченности в Москве (выше и ниже указанной) Рис.3.7. Годовой ход интенсивности суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в Москве различной обеспеченности (выше и ниже указанной) Проведенное описание климата отдельного географического пункта (города Казани) по данным СНиП позволило выявить как общую структуру климата местности, так и особенности климата, присущие только этому пункту. Общая характеристика климата получается достаточно информативной. Однако, для задач строительной теплофизики описанные выше климатические параметры имеют ограниченное использование в силу их усредненности (kоб = 0,5). Основной принцип при теплозащите зданий заключается в ориентации на экстремальные значения климатических факторов определенной обеспеченности, которые не должны изменять внутренних условий в помещениях (например, температуры воздуха и внутренней поверхности ограждений, как «по глади», так и в зоне теплопроводных включений и т.д.). Высказанный принцип предполагает, что экстремальная величина фактора и его обеспеченность должны определяться с учетом «реакции» ограждения на климатические воздействия и зависеть от требований обеспечения надежности поддержания внутренних условий для зданий различного назначения. Под понятием «внутренние условия» следует понимать требования к санитарно-гигиеническим, комфортным и технологическим условиям в помещениях зданий. 90 Такие здания, как больницы, родильные дома, детские учреждения, а также цеха со строгим технологическим режимом требуют высокой надежности в поддержании внутренних микроклиматических условий. Заданные внутренние условия в этих зданиях должны выдерживаться при любых возможных климатических условиях. Жилые дома, общежития, административные и общественные здания относятся к зданиям общего назначения, в которых возможны небольшие кратковременные отклонения от расчетных условий. Торговые помещения, залы ожидания для пассажиров и другие с кратковременным пребыванием людей могут иметь более низкую обеспеченность расчетных внутренних условий. Предложения Богословского В.Н. [2] по определению уровня требований и коэффициентов обеспеченности для помещений различного назначения приведены в табл. 3.4. Таблица 3.4 Коэффициент обеспеченности расчетных условий для холодного периода года Характеристика основных помещений Особо высокие требования к санитарно-гигиеническим условиям Круглосуточное пребывание людей или постоянный технологический режим Ограниченное во времени пребывание людей Кратковременное пребывание людей Уровень требований Коэффициент обеспеченности kоб Повышенный ≈ 1,0 Высокий 0,9 Средний 0,7 Низкий 0,5 Таким образом, величина фактора, его научно-обоснованная обеспеченность и характеристика физических процессов в ограждениях составляют основу при определении расчетных параметров климатических факторов. 3.2.Определение расчетных параметров климатических факторов В предыдущем разделе было установлено, что определение расчетных параметров климатических факторов для теплотехнических расчетов основано на трех показателях: величине фактора, обеспеченности и характеристике физических процессов в ограждениях. Все три показателя взаимосвязаны и должны определяться совместно исходя из 91 требований к внутренней среде помещений: санитарно-гигиенических, микроклиматических и технологических. 3.2.1. Температура наружного воздуха для теплотехнических расчетов Расчетные температуры наружного воздуха как понятие впервые появились в нормативном документе «Основные строительные нормы. Температуры расчетные» в 1933 году [48]. Расчетные температуры использовались для определения требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен и определялись по формуле В.М. Чаплина: t H 0,4t cx 0,6t aм , где (3.1) tcx – средняя температура воздуха за самый холодный месяц, 0С; tам – абсолютный минимум температуры воздуха для данного географического пункта, 0С. Формула (3.1) была сформирована из климатических параметров общего назначения, которые в тот период были в распоряжении проектировщиков, и она долгие годы оставалась основной при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций. С развитием строительной климатологии и научных исследований о физических процессах в ограждениях зданий, стали формулироваться требования к расчетным параметрам климатических факторов для целей теплозащиты зданий. Климатические факторы характеризуются непрерывной изменчивостью во времени. Однако, в видимой хаотичности значений климатических факторов обнаруживаются определенные повторения и закономерности. Например, в годовом и суточном ходе температур воздуха выделяются периоды максимальных и минимальных значений, которые устойчиво приходятся на определенные месяцы года или часы суток. Наиболее холодный период года – последняя декада января, в этот период зимние ветры имеют направление, ежегодно повторяющееся в данной местности. Суточный максимум температур воздуха постоянно приходится на 15 часов и т.д. Если проанализировать ряд наблюдений за климатическими факторами длительностью 25-50 лет, то путем статистической обработки можно получить изменение величины фактора различной обеспеченности. В работе [2] описана методика получения обобщенной температурной кривой наиболее холодного периода года (конца января). Наиболее холодный период характеризуется периодом резкого похолодания. Каждые сутки этого периода обозначаются условным 92 номером. В каждую зиму встречаются сутки с минимальной температурой, их обозначают нулем. Предшествующие сутки обозначают номерами -1, 2, -3 и т.д., а последующие,– соответственно, +1, +2, +3 и т.д. Для каждого номера суток берут значения среднесуточных температур и располагают их в убывающий по величине ряд. Для отрицательных температур этот ряд будет возрастающий, поскольку первая цифра в каждом ряду для каждых условных суток соответствует наинизшей температуре, которая наблюдалась за все годы исследуемого периода. Обеспеченность появления наинизшей температуры за все годы наблюдений будет наивысшая, она равна отношению: числа лет в периоде наблюдений минус единица ко всему количеству лет наблюдения. Появление температуры, соответствующей второй цифре в этом ряду, имеет меньшую обеспеченность, которая будет равна отношению числа лет наблюдений минус два ко всему количеству лет наблюдений и т.д. Каждой температуре в этом ряду соответствует своя обеспеченность ее появления. Методика позволяет также выделить температурные кривые заданного уровня обеспеченности, например: 0,98; 0,9; 0,7; 0,5 или других, что и представлено на рис.3.8 для условий Москвы за 50ти летний период наблюдений [2]. Температурные кривые разной обеспеченности сами по себе еще не являются расчетными параметрами, поскольку они «не привязаны» к назначению здания и свойствам ограждающих конструкций. Влияние свойств ограждающих конструкций на обоснование величины расчетной температуры наружного воздуха для холодного периода года исследовано в работах Фокина К.Ф. [37]. На основании анализа 16% наиболее холодных зим из 40 летнего ряда наблюдений в этой работе выявлен характер понижения температуры от среднемесячных значений до предельно низких. Выявлена связь средней температуры на определенном временном интервале с процессом охлаждения ограждающей конструкции и понижения температуры ее внутренней поверхности. Получено, что для охлаждения массивных конструкций требуется больший интервал времени, средняя температура воздуха в котором будет выше (например, средняя температура пятидневки с tH=-280С, стрелка Б, рис.3.9). Для охлаждения легких конструкций требуется небольшой интервал времени, и средняя температура воздуха в этом интервале будет ниже (например, средняя температура суток с tH=-340С, стрелка В, рис.3.9). Важнейшее достижение проведенных исследований состоит в том, что величина расчетной зимней температуры находится в зависимости от периода охлаждения ограждающей конструкции, который, в свою очередь, зависит от массивности ограждения. То есть чем массивнее ограждающая конструкция, тем более умеренная величина температуры наружного воздуха принимается в качестве расчетной. 93 Рис.3.8.Температуры наружного воздуха в наиболее холодный период года: а - кривые изменения среднесуточных температур в период резкого похолодания при коэффициентах обеспеченности 0,98 (1), 0,90 (2), 0,70 (3); 0,50 (4). Пунктиром отмечен ход температуры в наиболее холодные сутки – понижение до минимальной температуры; б – расчетные кривые изменения температуры в период резкого похолодания для Москвы при тех же коэффициентах обеспеченности, ΔzРП –продолжительность периода резкого похолодания, сут Как следует из рис.3.9, Фокин К.Ф. предложил в качестве расчетных значений зимних температур принимать: - среднюю температуру наиболее холодной пятидневки t5 для массивных ограждений; - среднюю температуру наиболее холодных суток t1 для легких ограждающих конструкций. Для ограждений средней массивности расчетное значение температуры определяется как полусумма (t5 + t1)/2. Понятие массивность конструкции имеет количественное выражение через величину тепловой инерции D=R·S и величина расчетных температур наружного воздуха для холодного периода года определяется следующим образом: Для массивных ограждений при D > 7 – температура наиболее холодной пятидневки t5. Для легких ограждений при D < 4 – температура наиболее холодных суток, t1. Для ограждений средней массивности при 4 < D < 7 – средняя температура из двух значений (t5 + t1)/2. 94 Рис.3.9.Изменение температуры наружного воздуха для Москвы в наиболее холодный период зимы: 1 – средние многолетние температуры за сутки; 2- средние за сутки температуры в наиболее холодные зимы; 3- расчетные изменения температуры; А – средняя температура наиболее холодного месяца; Б – то же, наиболее холодной пятидневки; В – температура наиболее холодных суток; Г – средняя минимальная температура Это правило определения расчетных температур наружного воздуха при расчетах теплозащиты ограждений в холодный период года вошло в несколько изданий СНиП по строительной теплотехнике [52,53]. В дальнейшем этот порядок был уточнен и детализирован и, в соответствии со СНиПами по климатологии [57,66], представлен в табл. 3.5. Проведенный анализ определения расчетных температур наружного воздуха холодного периода года для процессов теплопередачи позволил сформулировать общие требования к понятию расчетный параметр климатического фактора для других задач строительной теплофизики. Расчетный параметр - это научно обоснованная величина климатического фактора, имеющая определенную статистическую обеспеченность, которая на заданном отрезке времени адекватно моделирует физические процессы в ограждающих конструкциях в реальных условиях эксплуатации. Величина климатического фактора и ее статистическая обеспеченность должны определяться с условием сохранения работоспособности ограждающих конструкций и ненарушения микроклимата в помещениях зданий. 95 Таблица 3.5 Расчетные температуры холодного периода года для процессов теплопередачи Характеристика ограждающих конструкций Массивность тепловая инерция D=R· S Особо легкие < 1,5 Легкие 1,5 ÷ 4,0 Средней массивности 4,0 ÷ 7,0 Массивные > 7.0 Расчетные температуры наименование температуры обеспеченность пример для Казани, 0С средняя наиболее холодных суток средняя наиболее холодных суток средняя наиболее холодной пятидневки средняя наиболее холодной пятидневки 0,98 -40 0,92 -36 0,98 -36 0,92 -32 3.2.2. Температура наружного воздуха при оценке конденсации парообразной влаги в ограждениях Основные идеи по защите наружных стен от переувлажнения парообразной влагой были сформулированы около 50 ти лет назад (СНиП II-В.3 – 54) и с тех пор практически не изменились [63]. Принцип оценки заключается в сопоставлении расчетной величины сопротивления паропроницаемости ограждающих конструкций RПО с ТР нормируемой (или требуемой) величиной R ПО , при этом RПО должна быть ТР ТР больше R ПО : RПО ≥ R ПО . В определении нормируемого (требуемого) сопротивления паропроницанию действующая методика имеет два решения. В одном случае за критерий принята недопустимость накопления влаги в ТР ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации - R ПО 1 , то есть влага, накопившаяся в наружной стене за зимний период, должна полностью испариться в летний период. В этом случае учитываются внешние климатические условия полного года эксплуатации здания. ТР В другом случае - R ПО 2 , за критерий принимают ограничения дополнительного приращения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха. В этом случае в расчет берется не полный год, а его часть, за которую в наружной стене не должно накопиться влаги более определенного количества. Предельно-допустимое приращение ΔWav не 96 должно превышать определенной величины, установленной в нормативных документах. ТР ТР В связи с этим, расчету подлежат и R ПО R ПО 2 , и сравнение 1, и сопротивления паропроницанию конкретной стены - RПО делается с наибольшим из этих значений. Причем, в СП [62] п.13.8 вводится ТР ТР ограничение на величины R ПО 1 и R ПО 2 , которые независимо от результатов расчетов «во всех случаях принимаются не более 5 (м2·ч·Па)/мг». Отмеченные неопределенности привели к тому, что в научных работах и нормативных документах используются различные значения расчетных температур. В расчетах используют: -среднегодовую температуру; -среднесезонную [п.13.6, 62]; -среднюю за период влагонакопления [п.13.6, 62,30]; -среднюю холодного периода [п.13.2, 62]; -среднюю наиболее холодного месяца [прилож. Э, 62,30,22]; -среднюю температуру периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами [п.9.1, СНиП 23-02-2003, 22]; -среднюю температуру периода увлажнения [30,11]; -среднюю температуру холодного периода обеспеченностью 0,94 [24,33,53]; -среднюю температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92. Различие в этих температурах может превышать десятки градусов. В связи с этим, расчет паропроницания для одного и того же ограждения при различных температурах даст различные результаты: от отсутствия конденсации парообразной влаги в ограждении до образования зоны конденсации на большой толщине ограждения. (см. раздел 2.2.2, примеры расчета). В те годы, когда сформировались основные идеи о защите ограждений от переувлажнения их парообразной влагой, ограждающие конструкции были, в основном, однослойные из кирпича и каменных материалов. В современных условиях, в связи с переходом на повышенную теплозащиту, появилась большая гамма многослойных ограждений и возникла необходимость в теоретических и экспериментальных обоснованиях проектирования ограждающих конструкций с учетом процессов паропроницания и конденсации в них парообразной влаги. Причем, основная идея о ненакоплении парообразной влаги в ограждении за годовой период эксплуатации должна выполняться. Оптимальным случаем будет отсутствие конденсации парообразной влаги в ограждении, если конструкция ограждения не позволяет избежать конденсации в зимнее время, то конструкция должна обеспечить удаление конденсированной влаги за летний период. 97 Исследования в этом направлении [13] позволили установить два важных аспекта в определении расчетной температуры наружного воздуха при оценке паропроницаемости ограждений: 1.Для каждой конструкции ограждения существует свое значение расчетной температуры наружного воздуха tнк , при которой в ограждении начинается конденсация парообразной влаги в определенном сечении плоскости конденсации. 2. Для каждой конструкции ограждения существует интервал температур от tнк до минимальной температуры в данном регионе, определенной обеспеченности, tм, в котором идет процесс конденсации и накопления влаги в ограждении. В интервале (tнк - tм) в ограждении образуется не только плоскость, но и зона конденсации, которая занимает некоторое расстояние по толщине ограждения. В плоскости конденсации разность (Е – е), то есть разность между максимальной (Е) и действительной (е) упругостями водяных паров, равна нулю, в зоне конденсации разность (Е–е) меньше нуля. Сформулированные представления о конденсации парообразной влаги в ограждающих конструкциях приведены на рис.3.10. Рис.3.10. Зависимость разности давлений водяного пара (Е-е) в ограждении с конкретными RТО и RПО от расчетных температур наружного воздуха tН. (Зависимость процесса конденсации водяного пара от температуры наружного воздуха tН) Из рис.3.10 следует, что при высоких значениях tН разность давлений (Е – е) будет больше нуля и конденсации влаги не происходит. По мере снижения наружных температур воздуха, будет уменьшаться разность (Е – е). Значение tН, при котором разность давлений (Е – е) в каком-либо сечении ограждения будет равна нулю, указывает на начало конденсации водяного пара и образование плоскости конденсации. Это значение температуры наружного воздуха tН обозначим tНК – температура начала 98 конденсации. При дальнейшем понижении tН возрастает отрицательная разность (Е – е) и конденсация идет по толщине ограждения, образуя зону конденсации. Высказанные предположения подтверждаются результатами расчета двух ограждающих конструкций (рис.3.11). Кривая 1 относится к многослойному ограждению с утеплителем из экструдированного пенополистирола с облицовкой из сплошного глиняного кирпича и поризованной штукатурки. Ограждение описано в приложении Э СП 23101-2004 (RПО= 21, 15 (м2 · ч · Па)/мг и RТО=3,64 (м2·0С)/Вт). Кривые 2 и 3 относятся к однослойному ограждению из глиняного кирпича со штукатуркой с двух сторон, толщиной 2+64+2=68 см (RПО= 6,42 (м2 · ч · ·Па)/мг и RТО=1,0 (м2·0С)/Вт). В первом ограждении (кривая 1) в качестве расчетного сечения принята наружная поверхность утеплителя, как это рекомендовано в СНиП 23-02-2003 в примечании к п.9.1. Во втором ограждении приняты два расчетных сечения: на расстоянии 15см от наружной поверхности (кривая 2) и 31см – от наружной поверхности (кривая 3). Анализ данных рис.3.11 подтверждает предположение о том, что каждое ограждение и даже отдельное сечение, в зависимости от параметров RПО и RТО, имеют собственную температуру начала конденсации tНК (-9, -11 и -15,50С). При снижении tН плоскость конденсации продвигается внутрь однослойного ограждения, образуя зону конденсации (кривые 2 и 3, tНК= -9 и -110С). Процесс образования зоны конденсации в однослойном ограждении нагляднее представлен в табл. 3.6, где приведены значения (Е – е) по различным условным сечениям ограждения при понижении температуры наружного воздуха. Параметры ограждения описаны в разделе 2.2.2 и на рис.2.18. Из табл.3.6 видно, что сечение 4/5 (ближайшее к наружному воздуху) при температуре -110С близко к конденсации (Е – е=3). При понижении tН на 10С (до -120С) в этом сечении выпадает конденсат (Е – е= -13). При понижении tН до -200С уже в трех сечениях рассматриваемого ограждения (2/3, 3/4 и 4/5) выпадает конденсат. В этих сечениях разность (Е – е) имеет отрицательные значения и в табл.3.6 выделена жирным курсивом. Таким образом, расчетной температурой начала конденсации парообразной влаги в конкретном ограждении tНК является такая температура наружного воздуха tН, при которой в сечении ограждения, ближайшем к наружной поверхности, разница максимального (Е) и действительного (е) давлений водяного пара (Е – е) равна нулю. В настоящее время не разработана математическая модель определения tНК в зависимости от параметров ограждения Rп и Rт, поэтому предлагается последовательное определение Ex и ех в различных сечениях 99 Рис.3.11.Зависимость разности давлений водяного пара (Е – е) в различных сечениях ограждений от расчетных температур наружного воздуха tН: 1 – наружная поверхность утеплителя в многослойном ограждении; 2 и 3 – на расстоянии 15 и 31см от наружной поверхности в однослойном ограждении Таблица 3.6 Образование зоны конденсации по сечениям ограждения при понижении температуры наружного воздуха (номера сечений по рис.2.18) Температура наружного воздуха, 0 С -10,2 -11 -12 -13 -15 -20 (Е – е) по сечениям ограждения, Па 1/2 2/3 3/4 4/5 376 316 290 277 230 116 123 110 85 66 21 -79 26 18 0 -17 -51 -151 13 3 -13 -24 -50 -103 ограждения, начиная с ближайших к наружной поверхности, на основе известного графо-аналитического метода Власова – Фокина. Предлагается следующая последовательность расчетов: 1.Определяются Rтi и Rпi по характерным сечениям ограждения. 2.Определяются еi и τi в этих сечениях при различных температурах наружного воздуха tН. 100 3.По температуре в сечениях ограждения τi на основании справочных таблиц определяется максимальная упругость водяного пара в этих сечениях Еi. 4.Определяется разность (Еi – еi) по характерным сечениям. 5.Строится зависимость (Е – е) от tН аналогично рис.3.10 и по графику определяется температура начала конденсации в данном ограждении - tНК. Для определения температурных границ зоны конденсации (tНК – tм) требуется определение максимальной температуры наружного воздуха в данном регионе соответствующей обеспеченности - tм. В связи с недостаточными исследованиями паропроницаемости, оценки объемов конденсированной влаги в ограждениях и влияния этой влаги на эксплуатационные свойства, затруднительно дать обоснованные рекомендации как по величине tм, так и по её обеспеченности – величине коэффициента kоб. Таблица 3.7 Повторяемость температур наружного воздуха в часах № интервала Интервал температур Москва 1 2 3 4 5 6 7 8 -38 ÷ -35,1 -35 ÷ -30,1 -30 ÷ -25,1 -25 ÷ 20,1 -20 ÷ -15,1 -15 ÷ -10,1 -10 ÷ -5,1 -5 ÷ -0,1 всего часов за год 3 12 32 125 246 487 829 1299 Мурманск нарастающий итог часов всего часов за год нарастающий итог часов 3 15 47 172 418 905 1734 3033 6 32 97 317 665 1159 1726 6 38 135 452 1117 2276 4002 В первом приближении можно рекомендовать данные СНиП II – А.6 -72, [54] табл. 3 «Повторяемость температур наружного воздуха в часах». Фрагмент этой таблицы СНиП для некоторых городов в области температур ниже нуля градусов приведен в табл.3.7. После определения температуры начала конденсации для данного ограждения tнк по табл. 3.7 можно найти продолжительность периода конденсации в часах в интервале температур (tнк – tм). 101 3.2.3. Температура наружного воздуха и скорость ветра при оценке воздухопроницаемости ограждений Дополнительные теплопотери зданий в зимний период за счет инфильтрации наружного воздуха через ограждение определяются двумя климатическими факторами: температурой наружного воздуха tН и скоростью ветра υН (см. формулу 2.51). От того, насколько обоснованно приняты расчетные значения tН и υН, зависит точность учета теплопотерь зданий и проектирование уровня сопротивления воздухопроницанию ограждающих конструкций. Понятно, что эти параметры должны принимать экстремальные значения определенного уровня. СНиП 23-02-2003 предписывает в качестве tН принимать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92. В качестве скорости ветра υН – принимать максимальную из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более на высоте 10м от поверхности земли. Оба параметра приведены в СНиП 23-01-99* в табл. 1* и, например, для Москвы составляют tН=-280С, υН = 4,9 м/с, направление ЮЗ. Рекомендации СНиП 23-02-2003 по определению υН и tН имеют ряд важных неопределенностей. Во–первых, учет изменения скорости ветра с высотой. Так, в СНиП 23-02-2003 есть запись «для зданий высотой свыше 60м υН следует принимать с учетом коэффициента изменения скорости ветра по высоте» по своду правил СП 23-101-2004. Однако в СП [62] табл.18 этот коэффициент приведен для зданий высотой от 100 до 500 м, табл.3.8. Какой коэффициент принимать для зданий высотой от 60 до 100м, т.е. для 20-30 этажных зданий, остается неясным. В табл. 18 [62] коэффициент изменяется не только от высоты, но также и от абсолютной величины скорости ветра на высоте 10 м. В пособии по проектированию [56] изменение скорости ветра с высотой рекомендуется определять по степенной зависимости. n H H 10 , 10 где 102 (3.2) υн – скорость ветра, м/с на высоте Н, м; υ10 – скорость ветра, м/с на высоте 10 м; n – коэффициент, зависящий от географического района (рис.3.12) и скорости υ10 (изменяется от 0,1 до 0,65), табл. 3.9. Таблица 3.8 Изменение скорости ветра по высоте по отношению к стандартной высоте 10 м Высота, м 10 100 150 Коэффициент kB при расчетной скорости ветра, м/с 2 1,0 2,8 3,2 2,5 1,0 2,4 2,8 3 1,0 2,2 2,5 4 1,0 1,9 2,1 5 1,0 1,8 2,0 6 1,0 1,7 1,8 7 1,0 1,5 1,7 8 1,0 1,4 1,6 10 1,0 1,2 1,4 200 3,5 3,0 2,7 2,4 2,1 2,0 1,8 1,7 1,4 250 3,8 3,2 2,8 2,5 2,3 2,1 1,9 1,8 1,5 300 3,8 3,4 3,0 2,6 2,4 2,2 2,0 1,9 1,6 350 4,0 3,4 3,0 2,6 2,4 2,3 2,1 2,0 1,7 400 4,0 3,4 3,2 2,8 2,5 2,3 2,1 2,1 1,8 450 4,0 3,6 3,2 2,9 2,6 2,4 2,2 2,2 1,8 500 4,0 3,6 3,2 2,9 2,6 2,5 2,3 2,2 1,9 Примечание: Коэффициенты kB действительны для центрального региона РФ. Для других регионов РФ коэффициенты kB могут использоваться условно. Рис.3.12.Схематическая степени n в формуле (3.2) карта районов для определения показателя Рекомендации СП [62] и пособия по проектированию [56] не учитывают влияния городской застройки на изменение скорости ветра с высотой. Наиболее приемлемыми для городских условий следует считать рекомендации СНиП 2.01.07 – 85 «Нагрузки и воздействия», [58]в котором 103 Таблица 3.9 Показатель степени n для различных районов СССР в зависимости от скорости ветра υ10 м/с Районы (по Скорость ветра, м/с карте рис. 1 3.12) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 и более I 0,65 0,5 0,4 0,35 0,25 0,2 0,2 0,15 0,1 II 0,6 0,4 0,35 0,25 0,2 0,2 0,15 0,15 0,1 III 0,45 0,35 0,25 0,2 0,15 0,15 0,1 0,1 0,1 IV 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Примечание: В городских кварталах, отличающихся большой застройкой, при определении зимней скорости ветра (и соответствующего показателя степени n) необходимо использовать данные местных управлений Гидрометеослужбы, принимая во внимание, что в условиях такой застройки скорость ветра подвержена большим изменениям. закономерности изменения скорости ветра с высотой рассматриваются в зависимости от типа местности (табл.3.10). В этой таблице принята следующая классификация типов местности: А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, тундра; В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; С – городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м. Таблица 3.10 Поправочный коэффициент kB для расчетной скорости ветра Высота, м ≤5 10 20 40 60 80 100 150 200 А 0,75 1,0 1,25 1,5 1,7 1,85 2,0 2,25 2,45 Коэффициент kB для типов местности В С 0,5 0,4 0,65 0,4 0,85 0,55 1,1 0,8 1,3 1,0 1,45 1,15 1,6 1,25 1,9 1,55 2,1 1,8 При этом следует иметь в виду, что типы местности могут быть различными для данного города или района в зависимости от преобладающего направления ветра. С учетом данных табл.3.10, изменение скорости ветра с высотой определится по формуле: 104 υН = kB · υ10. (3.3) Известны предложения Богословского В.Н. [2,с.289], который полагает, что в городских условиях скорость ветра возрастает на 0, 03 м/с с каждым метром высоты. Рассмотренные варианты определения скорости ветра с высотой дают различные результаты для здания одной и той же высоты. Так, например, для здания высотой 100м в Москве, в зависимости от используемых методик, скорость ветра изменяется от 6,12 до 8,82 м/с, табл.3.11. Таблица 3.11 Расчетная скорость ветра для здания высотой 100 м в Москве № п/п 1 2 3 4 Нормативный документ или методика Величина скорости ветра, м/с СНиП 23-02-2003 с корректировкой по СП 23-101-2004, табл.18. Множитель – 1,8. Формула υН = υ10(Н/10)n. Для I климатического района n=0,25 [56 ]. СНиП 2.01.07 -85. Тип местности С, множитель 1,25. Богословский В.Н.[2] 4,9 · 1,8 = 8,82 υН =4,9(100/10)0,25=8,71 4,9·1,25=6,12 4,9 + 90·0,03 = 7,6 Во-вторых, методика СНиП 23-02-2003 не учитывает, что климатические факторы tH и υН являются зависимыми, то есть изменение одного связано с изменением другого. Например, для континентальных районов похолодание обычно сопровождается понижением скорости ветра. Расчетное сочетание tH и υН с учетом заданного коэффициента обеспеченности kоб остается в СНиП 23-02-2003 не раскрытым. Богословский В.Н. [2] на основании одной из теорем теории вероятностей предложил решение этого вопроса. Этой теоремой устанавливается, что обеспеченность появления двух зависимых событий равна произведению обеспеченности появления одного из событий на условную обеспеченность появления другого события при условии существования первого события. Для рассматриваемого случая это означает, что обеспеченность kоб(tH , υН) появления одновременно определенной температуры и определенной скорости ветра равна: kоб(tH, υН) = kоб(tH)· kоб(υН/ tH), где (3.4) kоб(tH) – обеспеченность появления заданной температуры наружного воздуха; kоб(υН/ tH) – условная обеспеченность появления скорости ветра υН при заданной температуре tH. 105 Если условную обеспеченность появления второго события kоб(υН/ tH) принять равной единице, то обеспеченность двух событий kоб(υН/ tH) будет равна обеспеченности первого kоб(tH), то есть: kоб(tH, υН) = kоб(tH) при kоб(υН /tH) ≈1. (3.5) Для получения расчетной скорости ветра с учетом условия (3.5) необходимо получить зависимость υН от tH, соответствующую обеспеченности kоб(υН/ tH) = 1, то есть зависимость наиболее невыгодных сочетаний υН и tH, которая определяет наибольшие υН при различных tH. Такая зависимость для Москвы представлена на рис.3.13 (кривая 1) [2]. Кривая 2 отражает общую закономерность и описывается уравнением: υН = 8,72 – 0, 143 tH. Из графика рис.3.13 просматривается четкая закономерность – с понижением температуры воздуха снижается и скорость ветра. В работе [23,с.17] приводится зависимость υН от tH (кривая 3, рис.3.13). Характер изменения соответствует кривым 1 и 2, но абсолютные значения ниже почти на 3 м/с при одинаковых температурах. В-третьих, СНиП 23-02-2003 определяет скорость ветра υН «как мак- Рис.3.13.Зависимость скорости ветра от наружных температур для Москвы: 1 – наибольшие осредненные значения скорости ветра при разных температурах, полученные для наиболее суровых периодов зимы; 2 – зависимость расчетной скорости ветра от температуры при значении условной обеспеченности kоб(υН/ tH) = 1; 3 – изменение средней скорости ветра в зависимости от температуры [23] симальную из средних по румбам за январь», повторяемость которых составляет 16% и более. В СНиПе по климатологии 1982 года [57] это направление определено как южное (Ю, υН = 4,9 м/с), в СНиПе по климатологии 2004 года [66] это направление определено как юго- 106 западное (ЮЗ, υ = 4,9 м/с). Очевидно, что в нормативных документах федерального уровня такие «описки» недопустимы. Обзор и анализ методов определения расчетных значений температур наружного воздуха и скорости ветра для оценки воздухопроницаемости ограждений показал, что нормативные документы не имеют единого мнения в этом вопросе. Эта неопределенность требует дальнейших исследований и обоснований. 107 ГЛАВА 4 ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЙ И ИХ УЧЕТ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕПЛОЗАЩИТЫ Внутренняя среда помещений зависит от назначения помещений и определяется санитарно-гигиеническими требованиями и технологическими процессами в них. Для различных типов зданий это очень большой перечень требований, рассмотреть которые в данной работе не представляется возможным, в связи с этим, ограничимся рассмотрением микроклимата жилых помещений как объектов наиболее массового строительства. 4.1.Теплообмен человека с окружающей средой как основа определения перечня контролируемых параметров микроклимата Температура тела человека (35 – 370С) всегда выше температуры окружающей среды (16 – 220С), в связи с чем человек постоянно отдает тепло. Теплообмен человека с окружающей средой идет четырьмя путями: конвекцией, кондукцией, излучением (радиацией) и испарением. В зависимости от условий, изменяется теплоотдача человека с преобладанием того или иного механизма, однако в условиях, близких к оптимальным, человек отдает тепло: - конвекцией и кондукцией – 15-33 %; - радиацией (излучением) – 45-60%; - испарением – 20 -30 %. Механизм теплоотдачи человека предопределяет требования к параметрам микроклимата, к его оптимальным (или комфортным) значениям. Конвекция – это передача тепла от тела человека воздуху за счет разности температур. Поэтому температура воздуха помещения считается первым критерием среды. Кондукция – это способ передачи тепла при контакте двух тел. Чаще всего человек ощущает это при нахождении на «теплом» или «холодном» полу. Полы из каменных материалов, керамических и даже линолеума считаются холодными, так как, в силу высокого коэффициента теплоусвоения этих материалов, усиливается передача тепла от человека к полу кондукцией. В южных странах эти свойства материалов (и вид теплопередачи) используют для снижения перегрева и повышения комфортности. Для северных широт ряд исследователей рекомендуют вводить дополнительный показатель микроклимата помещений – температуру пола (см. рис.4.1). 108 Рис. 4.1.График распределения комфортных температур пола в зависимости от времени пребывания человека в помещении Излучение или радиация – это лучистая передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому. В умеренном и холодном климате идет передача тепла от человека к ограждениям, и тем интенсивнее, чем ниже температура поверхности ограждений. Человек начинает ощущать дискомфорт через 15-30 мин., если находится вблизи окна, хотя через окно и «не дует», а температура воздуха в помещении в пределах нормы. Низкая температура стекла интенсивно «отбирает» тепло у человека за счет излучения. В южном климате, в силу перегрева ограждений за счет солнечной радиации, направление тепла может оказаться обратным – от ограждения к человеку, что также отрицательно действует на человека. Требуются проектные решения для защиты от перегрева. Таким образом, данный вид теплообмена, а это около половины теплопотерь человека, выдвигает требования к контролю температуры внутренних поверхностей ограждений. Лицкевич В.К. [16] утверждает, что «изменение температуры всех поверхностей помещения на 1 0С равноценно изменению температуры воздуха в этом помещении на 4-50С, то есть воспринимается как очень значительное». Испарение - это процесс отдачи тепла человеком за счет испарения влаги с поверхности кожи и при дыхании (скрытая форма теплоотдачи). Интенсивность теплоотдачи этим способом зависит от сочетания температуры воздуха в помещении и его относительной влажности. При высокой температуре и сухом воздухе испарение влаги протекает спокойно, и человек чувствует себя комфортно. При увеличении влажности воздуха потоотделение затрудняется, возникает ощущение дискомфорта (духоты). По этой причине относительная влажность воздуха входит в параметры микроклимата. 109 При конвективном теплообмене и испарении большую роль играет подвижность воздуха. Низкая подвижность воздуха (или застойный воздух) затормаживает сосудистые реакции организма и затрудняет теплообмен человека с окружающей средой. Высокая подвижность воздуха способствует быстрому охлаждению, возникает эффект «сквозняков», то есть дискомфорта. Создание оптимальных (комфортных) скоростей воздуха в помещениях является важной задачей проектирования, поэтому скорость движения воздуха в помещении является важным параметром микроклимата. Следует заметить, что движение воздуха в помещении находится во власти архитектора в большей степени, чем специалиста по вентиляции. Именно архитектор обеспечивает движение воздуха по всему помещению, направляя потоки воздуха к человеку или от него по всей рабочей зоне. Таким образом, анализ механизма теплообмена человека с окружающей средой позволил выявить перечень основных микроклиматических параметров в помещениях: 1. Температура воздуха, tB. 2. Температура внутренних поверхностей, τВ. 3. Влажность воздуха, φВ. 4. Скорость движения воздуха, υ. 4.2.Обоснование величины параметров микроклимата Санитарно-гигиенические и комфортные условия в помещениях определяются величиной параметров микроклимата, что, в свою очередь, тесно связано с сосудистыми реакциями и терморегуляторными функциями человека. У разных людей эти реакции и функции различны, что, в первую очередь, связано с климатическими условиями, в которых исторически проживал человек и его предки. Естественно ожидать, что сосудистые реакции и терморегуляторные функции у людей, проживающих в северных и южных регионах, будут различны. Различными для «северян» и «южан» должны быть и параметры микроклимата, которые определяют гигиенические и комфортные условия. Это подтверждается результатами исследований Киевского НИИ общей и коммунальной гигиены, результаты которых для жилых зданий представлены в табл.4.1. Следует заметить, что разница в температурах воздуха помещений для различных климатических районов составляет: для зимы – 50С, для лета – 30С. А разница в температурах воздуха помещений между сезонами составляет для климатических районов: I – 30С; II – 60С; III – 80С и IV – 90С. Оказалось, что гигиенический норматив имеет гораздо большее расхождение между сезонами, чем между климатическими районами. 110 Существуют гигиенические обоснования параметров микроклимата в жилье для различных возрастных групп населения и для разного времени суток. В табл. 4.2 приведены рекомендации Киевского НИИ общей и коммунальной гигиены по гигиеническим требованиям к параметрам микроклимата. Таблица 4.1 Гигиенические нормы микроклимата жилищ в различных климатических районах Параметры Температура воздуха, 0С Влажность воздуха, % Подвижность воздуха, м/с Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций,0С Сезон Зима Лето Зима Лето Зима Лето Зима Лето I 21-22 23-24 30-45 35-50 0,08-0,1 0,08-0,1 21 26 Климатический район II III 18-20 18-19 23-24 25-26 30-45 35-50 35-50 30-60 0,08-0,1 0,08-0,1 0,08-0,1 0,1-0,15 18 26-27 18 28 IV 17-19 25-26 35-50 30-60 0,08-0,1 0,1-0,15 18 28 Можно видеть значительную разницу в температурах воздуха между жилыми комнатами и спальнями. Медиками установлено, что сон в прохладных условиях более глубокий. Это значит, что в разных помещениях одной квартиры разница в температурах воздуха может составлять 80С. Из вышесказанного следует, что гигиенические требования к параметрам микроклимата в жилых помещениях имеют некоторые интервалы по каждому из параметров. В этих интервалах условия будут оставаться комфортными. На рис. 4.2 приведены зоны комфорта для различных сочетаний температуры воздуха с температурой поверхностей стен (а) и с относительной влажностью воздуха (б). Данные этих рисунков подтверждают, что ощущение комфорта сохраняется на некотором интервале значений по каждому параметру микроклимата. То есть ощущение комфорта у человека связано не столько с величиной того или иного параметра микроклимата, сколько с сочетаниями их значений. 111 Таблица 4.2 Гигиенические требования к параметрам микроклимата жилища для различных возрастных групп Возрастные группы 12-13 лет 20-30 лет 55-60 лет Помещения Температура воздуха, 0 С Влажность воздуха, % Скорость воздуха, м/с 20-22 16-17 18-20 14-15 20-22 16-17 45-50 38-50 45-50 38-50 45-50 38-50 0,1-0,15 0,08-0,1 0,1-0,15 0,08-0,1 0,1-0,15 0,08-0,1 Жилые Спальни Жилые Спальни Жилые Спальни Рис.4.2.Ощущение микроклимата: комфорта в зависимости от Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций, 0С 18 15 18 14 18 15 сочетаний параметров а) температуры воздуха в помещении и температуры поверхностей стен; б) температуры воздуха в помещении и относительной влажности воздуха в помещении На основании этого стало возможным оценить степень комфорта в помещении через индекс комфортности, который представляет собой некую условную безразмерную величину [22]. В эмпирической формуле индекс комфортности (Н) связан с температурой воздуха в помещении (tB), температурой поверхностей стен в помещении (τВ), абсолютной влажностью воздуха (е) и скоростью движения воздуха (υ): H 0,24(t B B ) 0,1e 0,99(37,8 t B ) . (5.1) В таблице 4.3 приведены данные по оценке индекса комфортности для различных климатических районов. Следует обратить внимание на 112 первый и второй столбец таблицы: среда остается комфортной при некотором отклонении в сторону «прохладно» и «тепло». Можно оценить и значительные отклонения от комфорта: дискомфорт первой и второй степени. Таблица 4.3 Индекс комфортности (ощущения человеком условий среды жилых помещений) 9,0 9,5 10,0 8,0 11,0 11,0 12,0 13,0 10,0 14,0 7,8 8,8 9,8 6,8 10,8 11,9 12,9 13,9 10,9 14,9 8,1 8,7 9,1 7,1 10,1 12,7 13,7 14,7 11,7 15,7 7,6 13,6 9,0 15,0 7,0 12,0 9,0 15,0 5,8 11,8 9,9 15,9 6,1 11,1 10,7 16,7 летний зимний 11,0 12,0 13,0 10,0 14,0 летний 9,6 10,6 11,6 8,6 12,6 летний летний Прохладно Нормально Тепло Дискомфорт- Холодно ные первой Жарко степени Дискомфорт- Очень ные второй холодно степени Очень жарко IV зимний Комфортные Климатические районы II III Сезоны I зимний Характеристика микроклима та зимний Условия среды Строчки «комфортно» в этой таблице получены по гигиеническим нормам микроклимата жилища, приведенным в табл. 4.1. Анализ табл.4.3 показывает, что значения индекса комфортности имеют более выраженную сезонную зависимость, чем зависимость от климатического района. В проектной практике для создания комфортных условий в жилых помещениях руководствуются действующими нормативными документами по жилым зданиям [60,64] или специальными нормативными документами, касающимися параметров микроклимата в помещении (ГОСТ 30494-96 [42], СанПиН 2.1.2.1002 -00 [46]). В табл. 4.4 приведены параметры микроклимата жилых помещений по [42]. Следует заметить, что в [46] приведены те же параметры микроклимата. В таблице 4.4 нормативы параметров микроклимата жилых помещений записаны через оптимальные и допустимые значения. Интервалы изменений параметров микроклимата, указанные в табл. 4.4, очень близки к таковым табл. 4.1, следовательно, параметры микроклимата табл.4.4 пригодны и гигиенически обоснованы для всех климатических районов, а достижение комфорта в жилых помещениях будет определяться искусством проектировщика. 113 Теплый Холодный оптимальная оптимальная допустимая допустимая Период года Наименование помещений Скорость движения воздуха, м/с допустимая, не более Относительная влажность, % оптимальная Результирующая температура, 0С допустимая, не более Температура воздуха, 0С оптимальная Таблица 4.4 Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий и общежитий Жилая комната 20-22 18-24 (20 -24) 19-20 17-23 (19-23) 45-30 60 0,15 0,2 То же, в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 310С и ниже 21-23 20-24 (22-24) 20-22 19-23 (21-23) 45-30 60 0,15 0,2 Кухня Туалет Ванная, совмещенный санузел Помещения для отдыха и учебных занятий 19-21 19-21 24-26 18-26 18-26 18-26 18-20 18-20 23-27 17-25 17-25 17-26 НН* НН* НН НН НН НН 0,15 0,15 0,15 0,2 0,2 0,2 20-22 18-24 19-21 17-23 45-30 60 0,15 0,2 Жилая комната 22-25 20-28 18-27 60-30 65 0,2 0,3 22-24 НН* -не нормируется Примечание: Значения в скобках относятся к домам для престарелых и инвалидов Сформулированный в разделе 4.1 перечень параметров микроклимата, определяющий комфортные условия (см. так же табл. 4.1 и 4.2), не совпадает с перечнем параметров микроклимата в официальных нормативных документах (табл. 4.4). В последних температура внутренних поверхностей помещения заменена на так называемую результирующую температуру помещения, которая представляет собой комплексный показатель радиационной температуры помещения и температуры воздуха 114 помещения. В [42] (приложение А) приведена методика расчета результирующей температуры. Необходимым элементом расчета является измерение температуры в помещении по шаровому термометру. А это, в свою очередь, означает, что, прежде чем провести измерение температуры в помещении по шаровому термометру, необходимо построить и сдать в эксплуатацию это помещение. То есть, при проектировании жилых зданий нет возможности проектными средствами задавать то или иное значение результирующей температуры в будущем помещении. С этой точки зрения параметр «результирующая температура» становится неопределенным при проектировании жилых зданий. 4.3.Обеспечение величины параметров микроклимата проектными средствами В предыдущем разделе были установлены значения параметров микроклимата, которые обеспечивают гигиенические, комфортные или допустимые условия в помещениях. В настоящем разделе рассмотрим возможность обеспечения величины этих показателей в помещениях зданий проектными средствами. Температура внутреннего воздуха (tB) является основным параметром микроклимата, и поддержание ее величины обеспечивается двумя проектными решениями: -проектированием ограждающих конструкций необходимого сопротивления теплопередаче Rто; -проектированием и расчетом системы отопления зданий. При расчете расхода тепловой энергии на отопление зданий используют значение приведенного сопротивления теплопередаче ПР ограждения RТО , то есть усредненной, в некотором смысле, величины сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, которая учитывает различные сопротивления теплопередаче стен, окон, балконных дверей, теплотехнических неоднородностей, «мостиков холода» и т.п. На балансе прихода тепла в здание от системы отопления и теплопотерь через ограждающие конструкции обеспечивается заданная величина температуры внутреннего воздуха tВ. Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций (τВ) формирует комфортный теплообмен человека с окружающей средой за счет разности (tВ - τВ) и определяет возможность (или невозможность) конденсации влаги на внутренних поверхностях в местах теплопроводных включений. Чем меньше разность (tВ - τВ), тем более комфортные условия формируются в помещении. Зарубежные источники [1,27] указывают на оптимальную разность (tВ - τВ) в 1-20С. В отечественной нормативной литературе эта разность в 2-3 раза больше 115 (табл. 4.5), следовательно, на нормативном уровне устанавливаются менее комфортные условия. Температура внутренней поверхности τВ может быть установлена на стадии проектирования ограждения. Наиболее полная методика определения τВ изложена в СНиП II – 3 – 79*: - по глади стены по формуле: B tB n(t B t H ) ; RTO B (4.1) -по теплопроводным включениям 1B - на основании расчетов температурных полей или по формулам (5.7 и 5.8) (подробнее см. раздел 5.1.5.3). Таблица 4.5 Разность (tВ - τВ) по нормативным документам Нормативный документ СНиП II А.7 -62 СНиП II –3 – 79* СНиП 23-02-2003 СТО 17532043-001-2005 СТО 00044807-001 - 2006 Разность (tВ - τВ) для стен зданий жилых общественных 6 4 4 6 6 7 4,5 4,5 7 6 Температурно-влажностные условия помещения определяют температуру точки росы tP. Для невыпадения конденсата на внутренних поверхностях ограждений проектируется такая величина его сопротивления теплопередаче как по глади, так и по теплопроводным включениям, при которой выполняются неравенства τВ > tР и 1B > tР. Если эти неравенства не выполняются, то необходимо внести изменения в конструкцию ограждения и повторить расчет. Влажность воздуха в помещении определяется, как правило, через относительную влажность φВ, в %. Относительная влажность воздуха является самым неопределенным параметром микроклимата как по величине, так и по восприятию этого параметра человеком. Блази [1] дает развернутую характеристику влажности воздуха в помещении (табл. 4.6). Можно видеть, что термином «особенно приемлемо» определен интервал относительной влажности от 45 до 55%. В отечественной нормативной литературе всех лет изданий нет однозначного подхода к оптимальной (нормальной, гигиеничной, комфортной) величине относительной влажности воздуха. Так, СНиП II – А.7 -62, СНиП II–3-79*, СНиП 23-02-2003 определяют относительную влажность воздуха для холодного периода года как 116 Таблица 4.6 Характеристика влажности помещений по Блази [1] Относительная влажность воздуха, % 30 35-40 Состояние помещений Приемлемость Слишком сухо Сухо Неприемлемо Еще приемлемо 45-55 60-70 75-80 Нормально влажно Влажно Слишком влажно Особенно приемлемо Еще приемлемо 85-100 Слишком мокро Неприемлемо нормальную в интервале 50-60 %. ГОСТ 30494-96 и СанПиН 2.1.2.1002-00 оптимальной влажностью для холодного периода года определяют интервал 30-45%. Расхождение почти в два раза. Гигиеническая наука [20] и табл. 4.1 полагают оптимальной для человека влажность 30-50%. Краткий анализ вскрыл расхождения в оптимальных величинах φ В не только между отечественными и зарубежными нормами, но также и внутри отечественных норм (30 и 60% для холодного периода года). Все это указывает на недостаточную исследованность данного показателя. Следует отметить также, что регулирование относительной влажности воздуха в зданиях высоких технологий достигается проектированием систем кондиционирования. В жилых зданиях массовых серий этот параметр не только не регулируется, но даже не контролируется. Таблица 4.7 Количество влаги, выделяемой одним человеком Характер выполняемой работы Количество влаги, г/час при 100С Состояние покоя 30 Физическая работа: -легкая, 40 -средней тяжести, 70 -тяжелая 135 Открытое горение газа в кухонной плите 1100 г с 1 м3 газа. при 350С 115 200 280 415 Причиной такой «бесконтрольности» является случайный характер поступления влаги в помещения от людей и бытовых процессов. В табл. 4.7 приведено поступление влаги, выделяемой одним человеком при разных температурах. 117 Наряду с выделениями влаги человеком, большой объем влаги поступает в помещение от бытовых процессов: приготовления пищи, стирки и т.п. Блази [1] приводит данные о поступлении влаги от бытовых источников: - воздух, выдыхаемый людьми – от 20 до 70 г/час; - приготовление пищи – от 50 до 500 г/час в зависимости от числа варочных мест; - в ванных и душевых комнатах – 800 г/час; - сушка белья – от 50 до 500 г/час в зависимости от количества и степени влажности белья; - комнатные растения – от 5 до 20 г/час. Накопление влаги в помещении повышает относительную влажность воздуха, вследствие чего увеличивается вероятность точки росы и появления конденсата на внутренних поверхностях ограждений. Наряду с этим, возрастает абсолютная влажность воздуха (г/м3) и упругость водяного пара в помещении (еВ, Па). Увеличение еВ изменяет наклон прямой (ев – еН) (см., например, рис.2.19) и возрастает вероятность соприкосновения прямой (ев – еН) с кривой (ЕВ – ЕН) и образования плоскости или зоны конденсации. Таким образом, при проектировании здания решается задача удаления излишней влаги из помещения. Это происходит двумя путями: часть влаги вместе с воздухом удаляется из помещения средствами вентиляции (для жилых зданий массовых серий - средствами естественной вентиляции), часть влаги в виде водяного пара удаляется из помещения путем диффузии через наружные ограждения. Описанное накопление и пути удаления влаги из помещений еще раз подтверждают основной принцип проектирования – здание является единой системой, где все процессы должны быть сбалансированы. Натурные наблюдения и расчеты показывают, что в холодный период года величина φВ в помещении очень сильно зависит от функционирования системы естественного воздухообмена. Известно, что в зимние месяцы наружный воздух имеет высокое значение относительной влажности 80 – 90%, в то время как величина абсолютной влажности самая низкая в году – 1,0 – 2,0 г/м3, то есть зимний воздух является сухим. Приток сухого зимнего воздуха в помещение в процессе естественного воздухообмена усредняет абсолютную влажность воздуха в помещении и снижает его относительную влажность. Пример. При tH = -200С в наружном воздухе содержится 0,9 г/м3 влаги (абсолютная влажность). В помещении при tВ = 200С и φВ = 50% в воздухе содержится 8,65 г/м3 влаги. При поступлении 1 м3 наружного воздуха с влажностью 0,9 г/м3, он смешивается с внутренним воздухом влажностью 8,65 г/м3. Получается 2м3 118 воздуха с влажностью 0,9 +8,65 = 9,55 г/м3, что в пересчете на 1 м3 дает 9,55/2 = 4,77 г/м3. Максимальное значение абсолютной влажности при 200С составляет 17,3 г/м3. Таким образом, относительная влажность смеси наружного и внутреннего воздуха составит φВ = (4,77/17,3) · 100=27,5%. Натурные измерения φВ в жилых зданиях в зимний период, проведенные Хабибуллиной А.Г., выявили интервал φВ в жилых зданиях массовых серий в пределах 25-35%. Этот пример показывает, что величина относительной влажности воздуха в помещении в значительной степени зависит от функционирования системы естественного воздухообмена. Если воздухообмен в жилье не соответствует санитарно-гигиеническим нормам по объемам приточного и удаляемого воздуха, то относительная влажность воздуха в квартирах будет нарастать за счет влаги, поступающей в воздух квартиры от бытовых процессов (приготовление пищи, стирка и т.п.). Скорость движения воздуха в помещении так же связана с процессами воздухообмена. Нормативная кратность воздухообмена обеспечивает замену «грязного» и влажного воздуха помещений чистым и сухим. При этом скорость движения воздуха по рабочей зоне от приемных отверстий до вытяжных не должна превышать нормативных значений. Чем больше кратность воздухообмена (то есть больший объем воздуха, проходящий через помещение), тем выше будет скорость движения воздуха в рабочей зоне помещений. В настоящее время отсутствуют проектные средства, которыми можно задавать и регулировать скорость движения воздуха в рабочей зоне. Эти вопросы ждут своего решения. Существующие нормативные документы по проектированию вентиляции квартир [59,61,65,67] позволяют получить только объемы воздуха, удаляемые из «грязных» помещений – кухонь, санузлов. Эти нормативные документы не позволяют получить ответы на размещение приточных отверстий, траектории воздушных потоков от притока до вытяжки и скорости воздушных потоков по рабочей зоне. В заключение раздела отметим, что на стадии проектирования объекта в настоящее время можно обеспечить необходимые температуры воздуха в помещении tВ и внутренней поверхности ограждения τВ и 1B . Два других параметра микроклимата: относительная влажность воздуха φ В и скорость движения воздуха в помещении υ не могут быть обеспечены проектными средствами в силу недостаточной обоснованности величины параметров и их зависимости от системы воздухообмена в помещении, которая, в свою очередь, сама недостаточно обоснована и разработана. Эти вопросы требуют дополнительных исследований. 119 ГЛАВА 5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ Уровень теплозащиты ограждающих конструкций должен соответствовать климатическим воздействиям места строительства и обеспечивать санитарно-гигиенические и комфортные условия в помещениях зданий как в холодный период года (защита от переохлаждения), так и в теплый период года (защита от перегрева). Ограждающие конструкции должны сохранять теплозащитные качества в процессе эксплуатации. Это может быть достигнуто рациональным проектированием и конструированием ограждения с учетом процессов теплопередачи (исключение конденсации влаги на внутренних поверхностях ограждений), паропроницаемости (исключение накопления конденсированной влаги в ограждении за годовой период эксплуатации) и воздухопроницаемости (исключение сверхнормативной инфильтрации через ограждение холодного наружного воздуха). Учет и контроль этих процессов при конструировании ограждений обеспечит сохранение теплозащитных свойств в эксплуатации, исключит деградацию материалов и увеличит долговечность ограждений. Существующая методология проектирования теплозащиты зданий, заложенная в нормативных документах [52,53,55,62,63], основное внимание уделяет формированию повышенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Остальные составляющие тепловой защиты, такие как сопротивление паропроницанию, сопротивление воздухопроницанию и другие, определяются по принципу соответствия или несоответствия нормам СНиП той конструкции ограждения, которая сформирована с позиции энергосбережения. В случае «несоответствия» нормативные документы не дают внятных рекомендаций. Эта методология сформировалась в те годы, когда подавляющее количество типов наружных стен выполнялось однослойными из кирпича или каменных материалов, и в течение многих десятилетий зарекомендовала себя вполне успешной. В связи с переходом на стены повышенной теплозащиты, появилось большое количество конструкций многослойных стен. Эксплуатационные характеристики многослойных стен зависят не только от свойств материалов слоев, но и от взаимного расположения слоев. Физические процессы в многослойных ограждениях имеют свои особенности, что требует новых подходов в проектировании теплозащиты зданий. Под новым подходом будем понимать одновременный учет теплопередачи и паропроницания при конструировании ограждений. 120 5.1. Проектирование и расчет ограждений для холодного периода года Для Российской Федерации, основная территория которой находится в умеренном и холодном климате, проектирование теплозащиты зданий для холодного периода года является основным. Проектирование теплозащиты для холодного периода года состоит из следующих этапов: 1.Определение расчетных климатических параметров географического места строительства. 2.Выбор параметров микроклимата помещений в зависимости от назначения помещений. 3.Определение влажностных условий эксплуатации ограждающих конструкций (А и Б) для выбора коэффициентов теплопроводности материалов λА и λБ и других расчетных параметров. 4.Определение требуемого (нормируемого) сопротивления ТР теплопередаче ограждающих конструкций - RТО . 5.Разработка конструктивного решения наружных ограждений и определение основных теплозащитных параметров: - обеспечение необходимого сопротивления теплопередаче; - обеспечение ненакопления парообразной влаги в ограждении; -обеспечение санитарно-гигиенического показателя тепловой защиты. ПР 6.Определение приведенного сопротивления теплопередаче RТО , ТР сравнение его с требуемым сопротивлением RТО и обеспечение ПР ТР неравенства RТО > RТО . 7.Фиксация общей толщины ограждающей конструкции для проектирования других разделов проекта (естественного освещения и инсоляции помещений). В соответствии с алгоритмом расчета, рассмотрим процесс проектирования и расчета ограждающих конструкций для холодного периода года. 5.1.1.Наружные климатические условия В СНиП 23-01-99* приведены четыре значения расчетных температур наружного воздуха. Два значения – для наиболее холодных суток, а два – для наиболее холодной пятидневки. Расчетным параметром оказывается то значение температуры, которое соответствует величине тепловой инерции ограждения D (см. раздел 3.2.1, табл.3.5). В начале проектирования и расчета величина тепловой инерции ограждения неизвестна. В этом случае следует воспользоваться рекомендациями СП 121 23-101-2004 и принять в качестве расчетного параметра tН температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92. В дальнейшем, когда будет определена тепловая инерция проектируемого ограждения, величина tН должна быть скорректирована и проведен перерасчет ограждения. Итак, расчетными климатическими параметрами для холодного периода года являются: а) расчетная температура наружного воздуха tН, 0С; б) средняя температура наружного воздуха за отопительный период 0 tоп, С; в) продолжительность отопительного периода zоп, сут. г) зона влажности места строительства (влажная, нормальная, сухая), определяемая по «Карте зон влажности» в СНиП 23-02-2003. 5.1.2. Параметры внутренней среды помещений Расчетные параметры внутренней среды помещений устанавливаются в зависимости от типа здания и назначения помещений. В одном здании могут оказаться помещения различного назначения, для которых устанавливаются различные по величине расчетные параметры. Перечень параметров внутренней среды помещений и их расчетные значения устанавливаются нормативными документами, например [42,46,52,55,60,63,64 ]. Для жилых и общественных зданий это: а) температура внутреннего воздуха tВ, 0С; б) относительная влажность внутреннего воздуха φВ. 5.1.3.Определение влажностных условий эксплуатации ограждающих конструкций Температура внутреннего воздуха tВ и его относительная влажность φВ характеризуют влажностный режим помещений (табл. 5.1), который, рассмотренный одновременно с зонами влажности места строительства, определяет условия эксплуатации ограждающих конструкций (табл. 5.2) и выбор коэффициентов теплопроводности материалов ограждений (по графе А или Б). При установлении параметров микроклимата следует указать на ряд несоответствий в нормативных документах. Так, например, в ГОСТ 30494 – 96 для жилых комнат установлена оптимальная относительная влажность воздуха в пределах 30-45% при оптимальной температуре воздуха 20-220С, влажностный режим помещения при этих параметрах в соответствии с 122 Таблица 5.1 Влажностный режим помещений зданий Влажность внутреннего воздуха, φВ, % при температуре, tВ, 0С до 12 от 12 до 24 свыше 24 Режим помещений Сухой Нормальный Влажный Мокрый до 60 от 60 до 75 свыше 75 - до 50 от 50 до 60 от 60 до 75 свыше 75 до 40 от 40 до 50 от 50 до 60 свыше 60 Таблица 5.2 Условия эксплуатации ограждающих конструкций Влажностный режим помещений зданий (по табл…) Сухой Нормальный Влажный Условия эксплуатации А и Б в зоне влажности (по «Карте зон влажности») Сухой Нормальный Влажный А А Б А Б Б Б Б Б табл. 5.1 характеризуется как «сухой». В СП 23-101-2004 для жилых зданий установлены следующие параметры: tВ = 20-220 С и φВ не более 55%. Этот режим, в соответствии с табл.5.1, характеризуется как «нормальный». При оценке условий эксплуатации ограждающих конструкций по табл. 5.2, в нормальной зоне влажности в первом случае (по ГОСТ 30494-96) условия эксплуатации определяются как «А», во втором (по СП 23-101-2004) – как «Б». Различными будут и коэффициенты теплопроводности материалов λА и λБ. 5.1.4.Требуемое (нормируемое) сопротивление теплопередаче Величина требуемого (нормируемого, по терминологии СНиП 23-02ТР 2003) сопротивления теплопередаче RТО определяется климатическими условиями места строительства, но зависит также от назначения здания (жилое, общественное, производственное) и вида ограждающей конструкции (стены, покрытия, перекрытия, окна и т.д.). Климатические условия места строительства определяются градусосутками отопительного периода ГСОП по формуле: ГСОП = (tВ – tоп) · zоп, (5.1) 123 tоп и zоп – средняя температура наружного воздуха, 0С и продолжительность отопительного периода, сутки со среднесуточной температурой < 100С для лечебных зданий и детских учреждений и < 80С – в остальных случаях. По значению ГСОП из нормативной таблицы 4 СНиП 23-02-2003 ТР выбирается величина RТО в зависимости от назначения здания и вида ограждения. Фрагмент из нормативной таблицы СНиП приведен в табл.5.3. где Таблица 5.3 Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Здания и помещения Градусо-сутки отопительного периода, 0С· сут 1 1. Жилые, лечебнопрфилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и общежития 2. Общественные, кроме указанных выше, административные и бытовые производственные и другие здания и помещения с влажным или мокрым режимом. 2 2000 4000 6000 8000 10000 12000 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Нормируемые значения сопротивления ТР теплопередаче RТО м2· 0С/Вт, ограждающих конструкций Покрытий и Окон и Стен перекрытий балконных над проездами дверей, витрин и витражей 3 4 5 2,1 3,2 0,3 2,8 4,2 0,45 3,5 5,2 0,6 4,2 6,2 0,7 4,9 7,2 0,75 5,6 8,2 0,8 1,8 2,4 3,0 3,6 4,2 4,8 2,4 3,2 4,0 4,8 5,6 6,4 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ТР Из табл. 5.3 видно, что величина RТО не одинакова для различных ограждающих конструкций при одной и той же величине ГСОП. Например, для района строительства с ГСОП=6000 требуемое ТР сопротивление теплопередаче RТО будет равно: для наружной стены – 2 0 3,5(м · С)/Вт, а для окна – только 0,6(м2·0С)/Вт. Для производственных зданий с избытком тепла больше 23 Вт/м 3, ТР для зданий сезонной эксплуатации и для зданий с tВ = 120С и ниже RТО определяется по формуле: 124 ТР RТО t B t H n (t B B ) B , (м2· 0С)/Вт, (5.2) где n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности по отношению к наружному воздуху (n = 0,4÷ 1,0); tB и tH – расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, 0С; (tB – τB) – гигиенический температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции (от 2 до 70С); αB – коэффициент теплопередачи от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения (8,7 ÷ 9,9 Вт/(м2·0С) В качестве исторической справки следует отметить, что формула (5.2) по определению требуемого сопротивления теплопередаче была основной на протяжении 40 лет. После перехода в 1995 году на повышенную теплозащиту ограждающих конструкций (СНиП II.3 – 79*), формула (5.2) сохранялась в СНиПе и характеризовала требуемое сопротивление теплопередаче для обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий в помещениях. В 2003 году (СНиП 23-02-2003) ТР формула (5.2) сохранена для определения RТО только для зданий и помещений с особым микроклиматом. 5.1.5. Разработка конструктивного решения наружных ограждений и определение основных теплозащитных параметров Современные ограждающие конструкции состоят из трех основных функциональных слоев: конструкционного, теплоизоляционного и облицовочного. В зависимости от используемых материалов, слои могут выполнять несколько функций. В некоторых конструктивных решениях используют специальные ветро-, влаго-, паронепроницаемые слои. Конструкционные слои выполняются из плотных и прочных материалов, которые имеют высокую теплопроводность и низкую паропроницаемость. Это кирпич, камень, бетон различных видов, железобетон и т.п. Теплоизоляционные слои выполняются из материалов, имеющих низкую плотность и прочность, высокую пористость, низкую теплопроводность и высокую паропроницаемость. Это плиты и маты из минеральных волокон, пенопласты, теплоизоляционные бетоны и т.п. 125 Облицовочные слои выполняются из декоративных материалов и изделий, имеющих различные свойства, основными из которых являются высокая стойкость к атмосферным воздействиям и долговечность. Свойства облицовочных материалов влияют на выбор конструктивного решения ограждения, основным при этом является учет физических процессов в ограждении. Облицовочные слои выполняются из штукатурки, лицевого кирпича, природного камня, керамических плитных изделий и т.п. Таблица 5.4 Уровни теплозащиты рекомендуемых ограждающих конструкций наружных стен № п/п 1 2 Материал стены конструкционный теплоизоляционный Кирпичная кладка Пенополистирол Минеральная вата Железобетон (гибкие связи, шпонки) Пенополистирол Минеральная вата Приведенное сопротивление теплопередаче (м 2·0С/Вт) и 0 область применения (ГСОП, С·сут) при конструктивном решении стены двухслойные трехслойные с невенти- с вентилис наружной с лируемой руемой теплоизолятеплоизолявоздушной воздушной цией цией прослойкой прослойкой посредине 5,2/10850 4,3/8300 4,5/8850 4,15/7850 4,7/9430 3,9/7150 4,1/7700 3,75/6700 5,0/10300 3,75/6850 4,0/7430 3,6/6300 4,5/8850 3,4/5700 3,6/6300 3,25/5300 Керамзитобе- Пенополистирол 5,2/10850 4,0/7300 4,2/8000 3,85/7000 тон (гибкие Минеральная связи, вата 4,7/9430 3,6/6300 3,8/6850 3,45/5850 шпонки) Блоки из 4 ячеистого Ячеистый бетон 2,4/2850 2,6/3430 2,25/2430 бетона с кирпичной об-лицовкой Примечание: В числителе (перед чертой) – ориентировочные значения приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены. В знаменателе (за чертой) – предельные значения градусо -суток отопительного периода, при которых может быть применена данная конструкция стены. 3 В каждом конкретном случае проектировщик принимает решение о разработке новых конструкций ограждения с использованием местных материалов или использует существующие рекомендации по типовым решениям ограждающих конструкций. Можно также воспользоваться рекомендациями СП п.8.4 [62], выборка из которых приведена в табл.5.4. Анализ табл.5.4 и множества проектных решений конструкций многослойных стен позволил установить, что все многообразие сводится к четырем основным типам: - двухслойные стены с наружной теплоизоляцией; - трехслойные стены с теплоизоляцией посредине; - стены с невентилируемой воздушной прослойкой; 126 - стены с вентилируемой воздушной прослойкой. 5.1.5.1. Обеспечение необходимого сопротивления теплопередаче Разработка конструкции ограждения сопровождается выполнением ряда условий. Первым условием является обеспечение необходимой величины сопротивления теплопередаче ограждения Rто, которая ТР ТР превышает требуемое сопротивление теплопередаче RТО , то есть RТО > RТО . Разработка ограждения начинается с выбора конструктивной схемы ограждения. Этот выбор определяется многими факторами, основными из которых являются: сопряжение с несущим каркасом здания, геометрическими параметрами и свойствами материалов функциональных слоев и учет физических процессов в ограждениях при эксплуатации зданий. Толщины функциональных слоев в ограждении определятся законами прочности, теплопередачи и паропроницаемости, толщины слоев должны быть привязаны к модульной системе (укрупненной или дробной), к толщинам используемых изделий с учетом монтажных швов. Так, например, толщина кирпичной кладки будет кратна ширине кирпича (120мм) с учетом толщины растворных швов: - толщина в 1 кирпич – 250мм (120+10+120) или 0,25м; - толщина в 1,5 кирпича – 380мм (250+10+120) или 0,38м; - толщина в 2 кирпича – 510мм (250+10+250) или 0,51м. Толщина теплоизоляционных слоев определяется необходимым уровнем теплозащиты и привязана к производственным размерам теплоизоляционных плит или изделий (см., например, табл.1.1; 1.2; 1.3). Выбор материала для функциональных слоев определяется его свойствами и расчетными параметрами, основными из которых являются коэффициент теплопроводности материала λi Вт/(м·0С) и коэффициент паропроницаемости μi, мг/(м·ч·Па). Толщина функционального слоя составляет еще один расчетный параметр – δi, м. Таким образом, получены все необходимые параметры для расчетов сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции: -отдельный слой Rтi = δi/ λi; (2.6) n -конструкция ограждения RТК i / i ; (2.7) 1 -общее сопротивление теплопередаче ограждения с учетом теплопереходов у внутренней (RТВ=1/αВ) и наружной (RТН=1/αН) поверхностей RTO RTB RTK RTH 1 B 1 2 1 ... n . 1 2 n H (2.3) 127 Первичные требования теплозащиты будут выполнены, если Rто ТР ТР будет больше RТО , то есть Rто > RТО . Это обеспечивается изменением толщины слоев в ограждении (δi) или использованием материалов с различными теплозащитными свойствами (λi). Толщина теплоизоляционного слоя может быть принята конструктивно с последующим определением Rто или может определиться ТР путем расчета по формуле (2.3), в которой Rто заменено на RТО . Пример. Определить толщину пенополистирола для двухслойного ограждения, представленного в первой строчке табл. 5.4 (кирпичная кладка и пенополистирол). Ограждение применимо для ГСОП = 10850, 0С · сут и ТР =5,2 (м2 · 0С)/Вт. RТО Принимаем кирпичную кладку из глиняного обыкновенного кирпича толщиной 1,5 кирпича; δкл=0,38м; λкл=0,7 Вт/(м·0С); μкл=0,11 мг/(м·ч·Па). В качестве утеплителя принимаем пенополистирольные плиты ПСБС–Ф λпп=0,041Вт/(м·0С) и μпп=0,05мг/(м·ч·Па). С использованием формулы (2.3) запишем TP RTO RTO RTB RTK RTH 5,2 1 B 0,38 ПП 1 ; 0,7 0,041 H 1 0,38 ПП 1 1 0,38 1 ; ПП 5,2 ; 8,7 0,7 0,041 23 0,041 8,7 0,7 23 δпп = 0,041(5,2 – 0,11 – 0, 54 – 0,04) = 0,18 м. С учетом строчки 11 и столбца 7 табл.1.1 следует принять толщину плиты пенополистирола – 200 мм или 0,2 м. Увеличение толщины теплоизоляционного слоя до 0,2 м, против 0, 18 м, приведет к увеличению Rто: RTO 1 0,38 0,2 1 2 0 5,57 (м · С)/Вт. 8,7 0,7 0,041 23 Причем, в рассмотренной конструкции не учтены облицовочные слои (например, внутренняя и наружная штукатурка), что еще более увеличит значение Rто. 5.1.5.2. Обеспечение ненакопления парообразной влаги в ограждении Обеспечение ненакопления парообразной влаги в ограждении является вторым условием проектирования теплозащиты зданий. Условие ненакопления влаги в многослойном ограждении сформулировано в разделе 2.27: «паропроницаемость каждого функционального слоя должна 128 нарастать от внутренней поверхности к наружной», то есть должно выполняться неравенство: GB < G1 < G2 < …< GH. (5.3) Ограждение будет «идеальным», если GH = 5 GB [27]. Здесь GB – паропроницаемость внутреннего слоя, а GH – наружного. Паропроницаемость слоя Gi – это величина, обратная сопротивлению паропроницанию Rпi, то есть : Gi 1 RПi 1 ( i / i ) i / i , мг/(м ·ч·Па), 2 (5.4) где μi – коэффициент паропроницаемости материала слоя, мг/(м·ч·Па); δi – толщина слоя, м. Для рассмотренного примера двухслойной стены получим: - кирпичная кладка Gкл = 0,11/0,38 = 0,29 мг/(м2 · ч · Па); - пенополистирол Gпп = 0,05/0,2 = 0,25 мг/(м2 · ч · Па). Здесь 0,11 и 0,05 – коэффициенты паропроницаемости кирпичной кладки и пенополистирола, соответственно. Через кирпичную кладку будет проходить 0,29 мг влаги в час, а через слой пенопласта – 0,25 мг, то есть перед пенопластом будет задерживаться 0,29 – 0,25 = 0,04 мг влаги в час. Величина небольшая, но конструкция стены неудовлетворительная с точки зрения накопления парообразной влаги в ограждениях. Если в рассмотренном примере увеличить толщину кирпичной кладки до 0,51м (два кирпича), то соотношение паропроницания слоев Gкл и Gпп изменится в лучшую сторону: - кирпичная кладка Gкл = 0,11/0,51 = 0,21 мг/(м2·ч·Па); - пенополистирол Gпп = 0,05/0,2 = 0,25 мг/(м2·ч·Па) и вся парообразная влага, прошедшая через кирпичную кладку (0,21), будет свободно удаляться из ограждения через пенополистирол (0,25). Задержки и накопления влаги перед слоем пенополистирола не произойдет, следовательно, в эксплуатации накопления влаги в данном ограждении также не будет. После установления оптимальных соотношений Gкл и Gпп требуется скорректировать Rто в связи с увеличением толщины кирпичной кладки. Таким образом, на данном этапе проектирования ограждающих конструкций, изменением толщины функциональных слоев (δi) или выбора материалов с другой величиной коэффициента паропроницаемости (μ i) устанавливается условие ненакопления в ограждении парообразной влаги. Это условие, как было показано, заключается в определенном сочетании величины паропроницаемости (Gi)отдельных слоев, а именно – 129 паропроницаемость слоев должна нарастать от внутренней поверхности к наружной. Проанализируем пример, приведенный в нормативном документе [44]. Рассмотрено ограждение в условиях г. Самары и показано, что оно соответствует требованиям по ненакоплению влаги. Климатические условия эксплуатации: tH =-12,2 0С; φН=83%; tВ=200С; φВ=55%, отсюда ЕН=213Па, еН=177Па; ЕВ=2338Па; еВ=1286Па. Характеристика слоев и теплотехнические параметры приведены в табл. 5.5 (нумерация слоев от внутренней поверхности). Таблица 5.5 Характеристика слоев ограждения и теплотехнические параметры № слоя Вид материала слоя Толщина слоя δ, м Коэф. теплопроводности λ Вт/(м·0С) Коэф. паропроницаемости μ мг/(м2·ч·Па) (м·0С)/Вт мг/(м2·ч·Па) мг/(м2·ч·Па) RTi RПi Gi 1 Известковопесчаный раствор 0,02 0,7 0,12 0,0286 0,167 6 2 Керамический эффективный кирпич 0,25 0,58 0,14 0,431 1,786 0,56 0,15 0,095 0,25 1,579 0,6 1,67 0,12 0,58 0,14 0,207 0,857 1,17 3 4 Монолитный пенобетон Керамический эффективный кирпич По данным табл. 5.5 выстроим паропроницаемость слоев от первого до четвертого: Gi = 6 > 0,56 < 1,67 > 1,17. Можно видеть, что нет нарастания паропроницаемости слоев от внутренней поверхности к наружной. В конструкции ограждения обнаруживаются два проблемных сечения: между первым и вторым слоем, сечение 1/2 и между третьим и четвертым, сечение 3/4. Перед вторым слоем будет задерживаться 6-0,56 = 5,44 мг влаги в час, однако это сечение (1/2) находится в теплой зоне ограждения, отделенной от внутреннего воздуха помещения слоем высокопроницаемой штукатурки и, в случае увеличения парциального давления в этом слое (е1/2) свыше парциального давления внутреннего воздуха (е В), излишки парообразной влаги будут возвращаться в помещение. 130 В сечении 3/4 будет задерживаться 1,67 – 1,17 = 0,5 мг влаги в час и будет образовываться конденсат, потому что это сечение находится в холодной зоне ограждения. Этот вывод иллюстрируется данными рис.5.1,а на котором графики Е и е построены по «классической» графоаналитической методике Власова О.Е. – Фокина К.Ф. и выделена область с вертикальной штриховкой – зона конденсации. Рис.5.1.Распределение действительных (е) и максимальных (Е) упругостей водяного пара по сечению ограждения: а – ограждение по СТО [44]; б – скорректированное ограждение. Область с вертикальной штриховкой – зона конденсации Для обеспечения принципа увеличения паропроницаемости слоев от внутренней поверхности к наружной, проведем корректировку конструкции рассматриваемого ограждения. Первый слой имеет очень высокую паропроницаемость и, чтобы она оказалась наименьшей в рассматриваемом ряду, материал внутреннего слоя должен иметь коэффициент паропроницаемости порядка 0,002 мг/(м·ч·Па), что близко к полимерному линолеуму. Технически эта задача выполнима, но ее можно исключить, обосновывая тем, что сечение 1/2 находится в теплой зоне ограждения. Второй слой в этом случае должен иметь минимальную паропроницаемость, поэтому заменим кирпичную кладку (δ2 = 0,25 м, λ = 0,58, μ=0,14, G2 = 0,14/0,25 = 0,56) на слой железобетона той же толщины (δ2 = 0,25 м, λ = 1,92, μ=0,03, G2 = 0,03/0,25 = 0,12). В целях компенсации снижения сопротивления теплопередаче ограждения за счет замены 131 кирпичной кладки на железобетон увеличим толщину слоя ячеистого бетона с 0,15м до 0,25м. Получим следующие параметры скорректированного ограждения: RTO 1 0,02 0,25 0,25 0,12 1 0,11+0,03+0,13+2,63+0,21+0,04= 8,7 0,7 1,92 0,095 0,58 23 =3,15 (м2·0С)/Вт; 0,02 0,25 0,25 0,12 0,167 8,3 1,0 0,857 10,3 (м·ч·Па)/мг; 0,12 0,03 0,25 0,14 1 GПi i 6 > 0,12 < 1,0 < 1,17. RПi i RПО Распределение действительных (е) и максимальных (Е) упругостей водяного пара в скорректированном ограждении приведено на рис. 5.1, б. Анализ рис.5.1,а и б показывает, что при температуре наружного воздуха tH=-12,2 0С в сечении 3/4 скорректированного ограждения возникает ситуация, близкая к началу конденсации и образованию плоскости конденсации (Е – е) = 268 – 267 = 1 Па, то есть tH близка к tHК. В первичном ограждении (по СТО [44]) в сечении 3/4 конденсация парообразной влаги протекает в зоне конденсации, что и показано на рис.5.1, а. Рис. 5.2.Зависимость (Е-е) в сечении 3/4 от температуры наружного воздуха tH: 1 – ограждение по СТО; 2 – скорректированное ограждение Из этого вытекает важный вывод о том, что в ограждении по СТО конденсация начинается при более высоких температурах наружного воздуха, следовательно, больший период года в ограждении существует зона конденсации и накапливается большее количество воды. Для подтверждения этого вывода приводим зависимости (Е-е) от tH для рассматриваемых ограждений (рис.5.2). 132 Из рис. 5.2 видно, что температура начала конденсации у ограждения по СТО близка к минус единица, tHК=-10С, в то время как в скорректированном ограждении конденсация влаги начнется при более низких температурах tHК=-12,50С. Это означает, что на значительной продолжительности холодного периода года в ограждении не образуется конденсата, и за зимний период накопится значительно меньшее количество влаги. 5.1.5.3. Обеспечение санитарно-гигиенического показателя тепловой защиты Обеспечение санитарно-гигиенического показателя тепловой защиты (показатель «б» по СНиП 23-02-2003) является третьим условием проектирования ограждающих конструкций. Обеспечение этого показателя условно подразделяется на решение двух задач: 1.Обеспечение нормируемого перепада температур между внутренним воздухом в помещении tВ и внутренней поверхности наружного ограждения τВ, ΔtН = (tВ – τВ). 2.Обеспечение перепада температур между температурой внутренней поверхности наружного ограждения в зоне теплопроводных включений 1B и температурой точки росы для данного помещения tр, при котором исключается конденсат на внутренней поверхности ограждения, то есть 1B > tр. Первая задача будет решена и ограждение будет соответствовать требованиям СНиП, если расчетная величина разности Δt0 = (tВ – τВ) будет меньше нормируемой ΔtН, то есть Δt0 ≤ Δ tН. (5.5) В соответствии со СНиП 23-02-2003, для стен жилых зданий ΔtН = 4 С. В ранних изданиях СНиП эта разность для жилых зданий была больше и составляла ΔtН = 60С (см. также табл. 4.5). Для определения расчетной величины Δt0 в нормативных документах приведена формула: n (t B t H ) (5.6) t 0 (t B B ) , 0 RTO B где tВ и tН – расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, 0С; n – коэффициент, зависящий от положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху; Rто – сопротивление теплопередаче ограждения (м2 · 0С) /Вт; αВ – коэффициент теплообмена у внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2 · 0С). 133 В СНиП 23-02-2003 в качестве Rто предписано использовать ПP приведенное сопротивление теплопередаче RTO , то есть в некотором смысле усредненное или «виртуальное» сопротивление теплопередаче по поверхности стены, которое используют для расчета теплопотерь здания и которое не существует на отдельных физических участках ограждений. В то время как комфортные условия в помещениях и выпадение конденсата на внутренних поверхностях связаны с сопротивлением теплопередаче на конкретных (физических, а не виртуальных) участках ограждений. В соответствии с рис. 2.3, более 50% площади фасадов зданий занимают участки с сопротивлением теплопередаче «по глади стены» или условное сопротивление, которое, в соответствии с разделом 2.1.1, Усл обозначается Rто или RTO . С этими участками ограждений связаны комфортные теплоощущения человека, находящегося в помещениях. Таким образом, в формуле (5.6) должно использоваться сопротивление теплопередаче «по глади стены», то есть Rто. Из формулы (5.6) следует, что с ростом Rто уменьшается разность (tВ-τВ), следовательно, повышается комфорт в помещениях. При постоянной температуре внутреннего воздуха tВ увеличение Rто повышает τВ. Если τВ недостаточно высокая (или просто низкая), изменяется характер теплоотдачи человека, находящегося вблизи холодной поверхности. Более значимым становится потеря тепла человеком за счет излучения в сторону холодной поверхности. Возникает ощущение «холодного дутья» от стены с низкой температурой τВ, хотя температура воздуха в помещении tВ соответствует требованиям норм. В табл. 5.6 приведен анализ формулы (5.6) для различных значений tH и Rто и получаемых значений расчетной величины Δt0. В расчетах tВ принята 200С. Таблица 5.6 Значения Δt0 при различных значениях температур наружного воздуха tН и Rто ограждения Расчетные температуры наружного воздуха, tH, 0С -20 -30 -40 Δt0,0С при различных значениях сопротивления теплопередаче, Rто (м2· 0С)/Вт 1 4,6 5,7 6,9 2 2,3 2,9 3,4 3 1,5 1,9 2,3 4 1,1 1,4 1,7 5 0,9 1,1 1,4 6 0,8 0,9 1,1 Из табл. 5.6 видно, что достаточно иметь сопротивление теплопередаче «по глади» Rто ≥ 2,0 (м2·0С)/Вт, и ограждающая конструкция будет соответствовать требованиям СНиП по данному показателю, Δt0 не превышает требуемых 40С для жилых помещений. 134 Для решения второй задачи – невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждений в зоне теплопроводных включений, то есть обеспечения неравенства 1B > tР, необходимо иметь конструктивные решения узлов ограждений с теплопроводными включениями. Далее на основании расчета температурных полей участков ограждений с теплопроводными включениями выявляются участки с низкими значениями 1B . Примеры температурных полей фрагментов ограждений рассмотрены в разделе 2.1.1 и приведены на рис. 2.4 ÷ 2.8. Для расчетов температурных полей используется множество компьютерных программ, в том числе имеющихся в Интернете. Температуры 1B могут также определяться экспериментально по ГОСТ 26254 для непрозрачных ограждений или по ГОСТ 26602.1 – для светопрозрачных ограждающих конструкций. Например, для внутренних условий в помещениях tВ = 180С и φВ = 55% температура точки росы tР = 8,80С. Для этих условий в карнизном узле, изображенном на рис.2.4, будет выпадать конденсат 1B = 5,70С < tР=8,80С; 1B =70С < tР=8,80С. Аналогичные условия выпадения конденсата возникли в углу на рис. 2.6, 1B = 6,20С < tР=8,80С. Для большого количества «типовых» видов теплотехнических неоднородностей температуру 1B можно определить путем расчета по формулам (5.7 и 5.8) с использованием рекомендаций нормативных документов [55,62] . Для этого используют схемы теплопроводных включений, изображенных на рис. 5.3. Рис. 5.3.Схемы теплопроводных включений в ограждающих конструкциях 135 На рис.5.3 схемы теплопроводных включений I, III, IV моделируют несущие каркасы, встроенные в ограждения. Схема II,а моделирует ребра жесткости в трехслойных панелях или жесткие связи в них. Схема II, б– трехслойные панели типа «сэндвич» с наружной металлической обшивкой, а схема V–гибкие металлические связи в трехслойных панелях. Для теплопроводных включений, показанных на схемах рис.5.3, температуру 1B в зоне теплопроводного включения определяют по формулам: - для неметаллических теплопроводных включений 1B = t B n(t B t H ) R 1 ( TO 1) ; 1 RTO B RTO (5.7) - для металлических теплопроводных включений 1B = t B n(t B t H ) (1 RTO B ) , RTO B (5.8) где n, tB, tH, αB – то же, что и в формуле (5.2); 1 теплопередаче по сечению и Rто – сопротивление RTO ограждающей конструкции, соответственно, в местах теплопроводных включений и «по глади», определяемых по формуле (2.3); η и ζ – коэффициенты, принимаемые по таблицам 5.7 и 5.8. Таблица 5.7 Коэффициент η для неметаллических теплопроводных включений Схема теплопроводного включения по рис.5.3 II a III IV 136 I При δВ/ δН 0,5 1,0 2,0 5,0 При с/δ 0,25 0,50 0,75 При с/δ 0,25 0,50 Коэффициент η при α/δ 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 0,52 0,65 0,79 0,86 090 0,93 0,95 0,98 0,30 0,24 0,19 0,16 0,46 0,38 0,31 0,28 0,68 0,56 0,48 0,42 0,79 0,69 0,59 0,51 0,86 0,77 0,67 0,58 0,91 0,83 0,73 0,64 0,97 0,93 0,85 0,76 1,00 1,00 0,94 0,84 3,60 2,34 1,28 3,26 2,26 1,52 2,72 1,97 1,40 2,30 1,76 1,28 1,97 1,62 1,21 1,71 1,48 1,17 1,47 1,31 1,11 1,38 1,22 1,09 0,16 0,23 0,28 0,39 0,45 0,57 0,57 0,60 0,66 0,77 0,74 0,83 0,87 0,91 0,95 0,95 0,75 0,29 0,47 0,67 0,78 0,84 0,88 0,93 0,95 Примечания: 1. Для промежуточных значений α/δ коэффициент η следует определять интерполяцией. 2. При α/δ > 2,0 следует принимать η = 1. Таблица 5.8 Коэффициент ζ для металлических теплопроводных включений Схема Коэффициент ζ при αλт/ δλ теплопроводного 0,25 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 50,0 150,0 включения по рис.5.3 I 0,105 0,160 0,227 0,304 0,387 0,430 0,456 0,485 0,503 II б 0,156 0,206 0,257 0,307 0,369 0,436 III При с/δ 0,25 0,061 0,075 0,085 0,091 0,096 0,100 0,101 0,101 0,102 0,50 0,084 0,112 0,140 0,160 0,178 0,184 0,186 0,187 0,188 0,75 0,106 0,142 0,189 0,227 0,267 0,278 0,291 0,292 0,293 При с/δ IV 0,25 0,002 0,002 0,003 0,003 0,003 0,004 0,004 0,005 0,005 0,50 0,006 0,008 0,011 0,012 0,014 0,017 0,019 0,021 0,022 0,75 0,013 0,022 0,033 0,045 0,058 0,063 0,066 0,071 0,073 При δВ/δН V 0,75 0,007 0,0212 0,055 0,147 1,00 0,006 0,017 0,047 0,127 2,00 0,003 0,011 0,032 0,098 Примечания: 1. Для промежуточных значений αλт/ δλ коэффициент ζ следует определять интерполяцией. При расчете 1B с использованием формул (5.7 и 5.8) следует иметь в виду, что в этом разделе нормативных документов имеются неточности, описки, опечатки, которые являются недопустимыми для нормативных документов. Таблица 5.9 Результаты расчета температуры внутренней поверхности ограждения в зоне теплопроводного включения 1B по схеме II а Схема теплопроводного включения и основные параметры Нормативный документ Температура 1B , 0С 137 а=100мм, δ=340мм, δВ=80мм, δН =70мм λт=1,74Вт/(м2·0С),λ=0,076Вт/(м2·0С) R0 =2,76(м2·0С)/Вт R01 =0,36 (м2·0С)/Вт СНиП II А.7–62 9 СНиП II–3–79* 22,1 СП 23-101-2004 11 СТО 17532043–001– 2005 12 СТО 00044807–0012006 21,8 Так, например, в СНиП II – 3 – 79* [55] и в СТО 00044807 – 001 – 2006 [44] в формуле для определения 1B неметаллических теплопроводных включений разность (tB – tH) записана как сумма ((tB + tH). В СТО 17532043 – 001 – 2005 [45] и СТО 00044807 – 001 – 2006 параметры n и η в формулах (5.7 и 5.8) заменены местами и т.д. В итоге прямой расчет 1B по схеме II а по отмеченным нормативным документам дает результаты, отличающиеся друг от друга более чем в два раза (см.табл.5.9). Пример. Определить температуру 1B в зоне железобетонной колонны. Фрагмент ограждения приведен на рис.5.4. Расчетные параметры материалов: железобетонная колонна λ=1,92 Вт/(м·0С), кладка стены из керамзитобетонных блоков с γ0 = 800 кг/м3, λ = 0,29 Вт/(м·0С), теплоизоляционный материал – минераловатная плита Роквул с γ0 = 100 кг/м3, λ = 0,045 Вт/(м· 0С). Расчетные параметры климата и микроклимата: tH = -300C, tB = 200С, φВ=50%. Температура точки росы для данных tB и φВ равна tр = 9,3 0С. Для упрощения расчета наружная и внутренняя штукатурка не показаны на схеме ограждения и не приняты в расчете. Рис.5.4.Фрагмент ограждения с теплопроводным включением по схеме III рис.5.3: 1 – железобетонная колонна 200х200мм; 2 – кладка из керамзитобетонных блоков толщиной 200 мм; 3 – минераловатная плита, толщиной 100мм. Сопротивление теплопередаче по глади стены: 138 RTO 1 B i 1 1 0,2 0,1 1 0,11 0,69 2,22 0,04 i H 8,7 0,29 0,045 23 2 0 3,06 (м · С)/Вт. Сопротивление теплопередаче по сечению железобетонной колонны: RTO 1 0,2 0,1 1 2 0 0,11 0,10 2,22 0,04 2,47 (м · С)/Вт. 8,7 0,92 0,045 23 Расчет температуры 1B производим по формуле (5.7): 1B = t B R n(t B t H ) 1 20 (30) 3,06 1 ( TO 1) 20 1 1 1,46 1 RTO B 3,06 8,7 RTO 2,47 = 20-1,88 (1+ 1,46 · 0,24) = 20 – 2,5 = 17,50С. Расчет показал, что 1B больше, чем tр для данного помещения 17,50С >9,30С и конденсация влаги в зоне теплопроводного включения исключена. Если в результате расчетов окажется, что 1B ниже температуры точки росы tр, то в этом сечении будет выпадать конденсат. Такое положение не соответствует требованиям норм и требует исправления. Исключить конденсацию водяных паров на внутренних поверхностях стен в зонах теплопроводных включений можно двумя путями: 1) введением термовкладышей в зонах высокотеплопроводных несущих конструкций; 2) устройством теплозащитных накладок со стороны помещения. Примеры подобной коррекции участков ограждений с теплопроводными включениями представлены на рис. 5.5 и 5.6, взятые нами из работы В.И. Леденева [14]. Рис.5.5.Способы повышения температуры внутренней поверхности наружных углов: 139 а) скашиванием внутренней поверхности; б) скруглением внутренней поверхности; в) установкой стояка отопления; 1- стена; 2 – отделочный слой; 3 – утепляющий бетон или раствор; 4 – стояк отопления На рис.5.5 приведены способы утепления углов зданий, в результате чего возрастает температура внутренних поверхностей. На рис. 5.6 [14] приведены температурные поля в узле опирания плит перекрытий на обвязочную балку (а) и тот же узел после установки термовкладыша из теплоизоляционного материала (б). Можно видеть, что в опасной зоне 1B увеличилась почти на 30С. Рис.5.6.Температурные поля в месте опирания плит перекрытия на обвязочную балку: а) без устройства утепления; б) при утеплении минеральной ватой Описанные в подразделе этапы конструирования наружных ограждений и определения их теплозащитных параметров позволяют установить: - конструктивную схему ограждения; - подобрать материалы слоев и определить сопротивление теплопередаче ограждения Rто; - произвести коррекцию конструкции ограждения с целью ненакопления влаги в ограждении за годовой период эксплуатации,GB < G1<G2 <… < GH; - обеспечить санитарно-гигиенический параметр по глади стены, Δt0≤ΔtH; - обеспечить невыпадение конденсата на внутренних поверхностях ограждений в зоне теплопроводных включений, 1B > tP, в том числе – путем изменения конструкций узлов за счет теплоизоляционной коррекции. Теперь, когда ограждающая конструкция сформирована конструктивно и теплотехнически, можно приступать к решению энергетической задачи, оценивать удельные расходы энергии на отопление зданий или теплопотери зданий. С позиции ограждающей конструкции это 140 означает определение ее теплотехнической однородности r и приведенного ПР сопротивления теплопередаче RTO . 5.1.6. Определение приведенного сопротивления теплопередаче ограждения ПР Определение приведенного сопротивления теплопередаче RTO и ПР ТР проверка завершающего неравенства RTO ≥ RTO являются заключительным этапом проектирования теплозащиты ограждений для холодного периода года. Анализ нормативных документов, проектной практики и последних исследований в этом вопросе позволил выявить несколько уровней в ПР определении RTO и коэффициента теплотехнической однородности r. Первый уровень используется для примерной оценки приведенного ПР сопротивления теплопередаче RTO через условное сопротивление теплопередаче (или сопротивление по глади стены) Rто и коэффициент теплотехнической однородности ограждений r, который, в свою очередь, зависит от конструкции ограждения: ПР = Rто · r. RTO (2.11) Значения коэффициентов r приведены в нормативной литературе [44,55,62]. Выборка значений r из нормативной литературы приведена в табл.2.1. ПР Второй уровень используется для оценки , если RTO теплотехнические неоднородности представлены типовыми схемами по рис.5.3, [55,62]. ПР В этом случае расчет RTO идет в два этапа с определением Rа, когда ограждающая конструкция условно разрезается на простейшие однослойные и многослойные участки плоскостями, параллельными направлению теплового потока q, и определением Rб, когда ограждающая конструкция условно разрезается на простейшие однородные участки из одного материала и неоднородные однослойные участки из разных материалов плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока q. ПР После оценки Rа и Rб приведенное сопротивление RTO следует определять по формуле: ПР RTO = R а 2 Rб . 3 (5.9) Эта формула применима для плоских ограждающих конструкций и для случаев, когда Rа не превышает величину Rб более чем на 25%. 141 На рис.5.7,а приведено сечение ограждения с теплопроводным включением по схеме III рис.5.3. На рис. 5.7,б показаны условные плоскости (1) параллельные направлению q, а на рис. 5.7,в – условные плоскости (2) перпендикулярные направлению теплового потока q. Сопротивление теплопередаче Rа определяют по формуле: Ra F1 F2 ... Fn , Fn F1 F2 ... R1 R2 Rn (5.10) где F1, F2, …Fn – площади отдельных участков конструкции, которые имеют сопротивление теплопередаче R1, R2,…Rn, соответственно, (Ri определяют по формуле (2.6) для однослойных участков и по формуле (2.7) для многослойных). Применительно к схеме рис. 5.7, б для участков стены с площадями F1; F2 и F3: R1 ; R2 1 2 ; R3 . T Площади F1, F2 и т.д. зависят от конкретных объектов, которые приняты в расчет: фрагмент стены, одна панель, комната или полный фасад здания. Сопротивление теплопередаче Rб (см. рис.5.7,в) складывается из двух составляющих: сопротивления однослойного участка ограждения толщиной δ2, то есть δ2/λ и сопротивления неоднородного участка ограждения толщиной δ1, которое состоит из различных Fi и Ri и определяется по формуле (5.10). 142 Рис.5.7.Сечение ограждения с теплопроводным включением по схеме III (а) с расположением условных плоскостей параллельных направлению теплового потока (1) б; и перпендикулярных направлению теплового потока (2), в Если величина Rа превышает величину Rб более чем на 25% или ограждающая конструкция не является плоской (имеет выступы на ПР поверхности), то приведенное сопротивление теплопередаче RTO определяют на основе расчета температурных полей, что и составляет ПР третий уровень в определении RTO . ПР Третий уровень определения RTO основан на расчетах двухмерных или трехмерных температурных полей ограждающих конструкций и ее узлов [7,8]. Эта методика позволяет, наряду с «типовыми» теплотехническими неоднородностями, учесть практически любые неоднородности: кладочные растворные швы, арматурные сетки, гибкие связи, стык стены с перекрытием, оконные откосы, балконные плиты, ограждения лоджий и т.д. Приведенное сопротивление теплопередаче определяется через плотности тепловых потоков по глади стены q и по теплопроводным включениям qi, сумма которых на определенной площади ограждения характеризует теплопотери с 1 м2 конструкции: ПР RTO tB tH , q qi (5.11) 143 где Σqi – характеризует дополнительные теплопотери ограждающей конструкции через участки, имеющие теплопроводные включения. По известным значениям q и qi можно вычислить коэффициент теплотехнической однородности r: r 1 q 1 i q . (5.12) В этой формуле величина qi/q является относительно дополнительными теплопотерями. Они характеризуют доли теплопотерь от теплопроводных включений относительно теплопотерь по глади конструкций. ПР Приведем пример расчета RTO и r взятый из той же работы [7,8]. Ограждение состоит из внутренней штукатурки (δ1=0,03м, 0 λ1=0,93Вт/(м· С)), кладки из ячеистобетонных блоков (δ2=0,5м, 0 λ2=0,14Вт/(м· С)) и кладки из лицевого кирпича (δ3=0,12м, λ3=0,81Вт/(м·0С)). Сопротивление теплопередаче по глади стены: RTO 1 B 1 2 3 1 1 0,03 0,5 0,12 1 1 2 3 H 8,7 0,93 0,14 0,81 23 =0,11 + 0,03 + 3,57 + 0,15 + 0,04 = 3,92 (м2·0С)/Вт. При определении Rто конструкция ограждения характеризуется тремя слоями различных материалов: штукатурки, блоков из ячеистых бетонов и лицевого кирпича, то есть представляет собой простое трехслойное ограждение. Однако, реальная конструкция этого ограждения намного сложнее, она содержит кладочные швы из цементно-песчаного раствора, армирующие металлические сетки, узлы сопряжения стены с перекрытием, с балконной плитой, с ограждением лоджии. Все перечисленные элементы конструкции ограждения представляют собой теплотехнические неоднородности и источники дополнительных теплопотерь. На рис.5.8 представлено конструктивное решение рассматриваемого ограждения и можно видеть множество теплопроводных включений требующих учета, которые приведены в табл.5.10. 144 Рис.5.8.Конструктивное решение стены ПР По данным табл. 5.10 определены RTO и r для данного ограждения в климатических условиях Москвы: Для торцевой стены (без окон, балконов и лоджий): ПР RTO tB tH 20 (28) 2 0 1,88 (м · С)/Вт. q q i 12,2 (0,57 7,4 5,3) Коэффициент теплотехнической однородности r, вычисленный по формуле (5.12): r = 0,48. Для стены со светопроемами ПР = RTO 20 (28) 2 0 1,56 (м · С)/Вт. 12,2 (0,57 7,4 5,3 3,5 1,6 0,25) Коэффициент теплотехнической однородности для этой стены: r = 0,40. ПР Результаты расчета RTO и r в этом примере убедительно показали, что реальные теплопотери здания в значительной степени связаны с теплотехническими неоднородностями. Этот раздел строительной теплофизики требует дальнейших исследований. Приведенный пример расчета определил принципиальное направление исследований, но, к сожалению, инженерные методы расчетов приведенного сопротивления теплопередаче в настоящее время отсутствуют в проектной практике и требуют разработки. 145 Таблица 5.10 Удельные теплопотери по глади стены и через теплопроводные включения Теплопроводные включения Дополнительные удельные теплопотери, qi, Вт/м2 Относительные дополнительные удельные теплопотери qi/ q, доли ед. 0,57 7,4 0,047 0,607 5,3 0,435 3,5 0,287 1,6 0,131 0,25 0,020 Вертикальные кладочные швы в стене из ячеистобетонных блоков Перевязка кладок, армирование и обычные растворные швы Узел сопряжения стены с перекрытием Оконные откосы Узел сопряжения балконной плитой Узел сопряжения ограждением лоджии стены с стены с По глади стены 12,2 Примечание: В работе [7,8] приведены параметры теплопроводных включений (площадь, длина и т.п.), которые в данной таблице опущены. Расчет ограждающей конструкции для холодного периода года ПР TР следует считать законченным, если выполняется неравенство RTO > RTO . 5.2. Расчет ограждений для теплого периода года Проектирование теплозащиты ограждающих конструкций для теплого периода года сводится к оценке теплоустойчивости ограждений при действии солнечной радиации. Расчет проводят на ограждающей конструкции, разработанной для холодного периода года. Суть расчета ограждающих конструкций на теплоустойчивость состоит в определении расчетной амплитуды колебаний температуры внутренней поверхности ограждений Aτв и сравнении ее с нормируемой амплитудой ATP . Ограждающая конструкция будет соответствовать требованиям СНиП, если A будет меньше ATP , то есть выполняется неравенство A < ATP . Оценка теплоустойчивости ограждений состоит из следующих этапов: 1.Принятие решения о необходимости проведения расчетов на теплоустойчивость. (Нормативные документы [55,63] предписывают проводить расчет на теплоустойчивость ограждающих конструкций при B B B 146 B B среднемесячной температуре наружного воздуха в июле 210С и выше. Однако, опыт эксплуатации зданий в летнее время года показывает, что при среднемесячных температурах наружного воздуха ниже 21 0С перегрев помещений также приводит к дискомфорту). 2.Определение расчетных климатических параметров места строительства. 3.Определение требуемой (нормируемой) амплитуды колебаний температуры внутренней поверхности ATP . 4.Определение расчетной амплитуды колебаний температуры наружной поверхности ограждения A . 5.Определение тепловой инерции отдельных слоев Di и ограждения в целом D. 6.Определение коэффициентов теплоусвоения поверхности отдельных слоев ограждения Yi. 7.Определение величины затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружной поверхности ограждения ν в ограждающей конструкции. 8.Определение расчетной амплитуды колебаний температуры внутренней поверхности ограждений A . 9.Сравнение расчетной амплитуды колебаний температуры внутренней поверхности A с требуемой амплитудой ATP и обеспечение неравенства A < ATP . Теоретические аспекты оценки теплоустойчивости ограждений изложены в разд. 2.1.2. В настоящем разделе рассмотрим пример расчета в соответствии с разд. 2.1.2, методикой СНиП и сформулированными этапами расчета. Пример. Определить теплоустойчивость наружных стен здания, расположенного в г. Самаре. Ограждающая конструкция состоит из четырех слоев. Свойства материалов ограждения и характеристика слоев приведены в табл. 5.11. B H B B B B Расчет. 1.Средняя температура наружного воздуха в июле месяце в Самаре tН= 25,90С, следовательно, расчет ограждений на теплоустойчивость является обязательным. 2.Расчет проводится для стены западной ориентации. Интенсивность солнечной радиации (тепловой поток) на фасады этой ориентации составляет: максимальный тепловой поток Smax= 788 Вт/м2, средний – Sср – 200 Вт/м2 (принято по Приложению Г СП [62] для широты 540, широты г. Самары). Амплитуда температуры воздуха в июле Atн=12,80С, скорость ветра в июле υ = 3,2 м/с. 147 3.Требуемая (нормируемая) амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения ATP определяется по формуле: 0 ATP = 2,5 – 0,1(tН – 21) = 2,5 – 0,1(25,9 – 21) = 2,01 С. 4.Расчетная амплитуда колебаний температуры наружной поверхности ограждения A определяется по формуле: 0 A = 0,5 At + ρ(Smax – Sср)/αН = 0,5· 12,8 + 0,7(788-200)/26,5 =21,9 С. Величина αН определена по формуле: αН= 1,16(5 10 ) 1,16(5 10 3,2 ) 26,5 Вт/(м2·0С), где υ – скорость ветра, в июле равна 3,2 м/с. Коэффициент поглощения солнечной радиации наружной штукатуркой принят ρ=0,7. 5.Тепловая инерция отдельных слоев Di определена по формуле Di=Ri·Si и представлена в табл.5.11. Тепловая инерция ограждения в целом представляет собой сумму тепловых инерций отдельных слоев: D= ΣDi =0,37 + 3,31 + 1,0 + 0,37 = 5,0. B B H H H Таблица 5.11 Характеристика ограждающей конструкции № п/п Наименование слоя (номера слоев от внутренней поверхности) Свойства материалов γ0 λi , Si, 3 Вт Вт кг/м 1 2 3 4 Кирпичная кладка из глиняного обыкновенного кирпича Пенополистирол (ГОСТ 15588) Штукатурка из цементноперлитового раствора м 2 0 С Вт м С м С 1000 0,26 4,64 0,02 0,08 0,37 1800 0,7 9,2 0,25 0,36 3,31 40 0,041 0,41 0,1 2,44 1,0 1000 0,26 0,02 0,08 0,37 0 Штукатурка из цементноперлитового раствора δi, м Характеристика слоев Ri=δi/ λi Di=Ri·Si 2 0 4,64 6.Коэффициенты теплоусвоения поверхности отдельных слоев Yi. В соответствии с [33], коэффициенты теплоусвоения отдельных слоев (Yi) определяются следующим образом: - для «массивного» слоя, когда Di=Ri·Si ≥ 1,0 , Yi = Si ; - для «тонкого» слоя, когда Di=Ri·Si < 1,0 , 148 (5.13) Y R Si2 Yi 1 , 1 Ri Yi 1 (2.19) где индекс (i-1) обозначает слой, следующий за слоем (i) по направлению тепловой волны (то есть от наружной поверхности к внутренней). Находим коэффициенты теплоусвоения отдельных слоев ограждения Yi в соответствии с их нумерацией по табл.5.11. Слой 1. Внутренняя штукатурка, D1 = 0,37< 1. В соответствии с формулой (2.19): R1S1 B 0,08 4,642 8,7 10,42 2 0 Yi 6,13 Вт/(м · С). 1 R1 B 1 0,08 8,7 1,7 Слой 2. Кирпичная кладка, D2 = 3,31> 1. В соответствии с формулой (5.13) Y2=S2=9,2 Вт/(м2·0С). Слой 3. Теплоизоляционный слой, D3 = 1,0. В соответствии с формулой (5.13) Y3=S3=0,41 Вт/(м2·0С). Слой 4. Наружная штукатурка, D4 = 0,37 < 1. В соответствии с формулой (2.19). Y4 R4 S 4 Y3 0,08 4,64 2 0,41 2,13 2,07 . 1 R4 Y3 1 0,08 0,41 1,03 7.Величина затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружной поверхности ограждения A в ограждающей конструкции ν определяется по формуле: H 0,9 e 5, 0 0,9 e 2 D 2 ( S1 B ) ( S2 Y1 ) ( S3 Y2 ) ( S4 Y3 ) ( H YH ) ( S1 Y1 ) ( S2 Y2 ) ( S3 Y3 ) ( S4 Y4 ) H (4,64 8,7) (9,2 6,13) (0,41 9,2) (4,64 0,41) 26,5 2,07 (4,64 6,13) (9,2 9,2) (0,41 0,41) (4,64 2,07) 26,5 = 0,9 · 34,81 · 1,24 · 0,83 · 11,82 · 0,75 · 1,08=309. Последний множитель этой формулы H Yn H характеризует величину затухания при переходе тепловой волны от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения. Величина αВ принята равной 8,7 Вт/(м2·0С). 8.Расчетная амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения A : 0 A = A /ν=21,9/309=0,07 С. B B H 149 ATP , 0,07<<2,01, 9.Расчет показал, что A намного меньше следовательно, ограждающая конструкция удовлетворяет требованиям СНиП 23-02-2003 по теплоустойчивости. B B 5.3. Проектирование теплозащиты светопрозрачных ограждающих конструкций Теплопотери через светопрозрачные ограждения (окна, балконные двери, витрины и т.п.) составляют от 20 до 30 % общих теплопотерь зданий. С целью сокращения теплопотерь, СНиП 23-02-2003 вводит ограничения по остекленности фасадов: не более 18% – для жилых зданий и не более 25% – для общественных зданий для определенных соотношений приведенного сопротивления теплопередаче и градусо-суток отопительного периода (п.5.11, СНиП 23-02-2003). При определении процента остекленности фасадов, в суммарную площадь фасадов следует включать все продольные и торцевые стены. Известны работы [3], где предприняты попытки детально рассмотреть теплозащиту оконных конструкций, но эти исследования не доведены до уровня инженерных расчетов. В связи с этим, СП 23-101-2004 рекомендует оценивать теплозащитные качества светопрозрачных конструкций в следующем порядке: 1. По величине градусо-суток отопительного периода (ГСОП) климатического района строительства определяется требуемое (нормируемое) сопротивление теплопередаче светопрозрачной ограждающей конструкции RcTP (Фрагмент нормативной таблицы с RcTP из СНиП 23-02-2003 приведен в табл. 5.3 столбец 5). 2. По найденной величине RcTP подбирается светопрозрачная конструкция с такой величиной приведенного ПP сопротивления теплопередаче Rc , которая будет больше RcTP , то есть должно выполняться неравенство RcПP > RcTP . Величина RcПP определяется в результате сертификационных испытаний по ГОСТ [41], а при их отсутствии можно воспользоваться рекомендациями СП 23-101-2004, [62] табл. 5.12. Таблица 5.12 Уровни теплозащиты рекомендуемых окон в деревянных и пластмассовых переплетах 150 Приведенное сопротивление теплопередаче № п/п Заполнение светопроемов RcПP , (м2·0С)/Вт и область применения (ГСОП, 0С·сут) по типам окон из обычного стекла с твердым селективным покрытием с мягким селективным покрытием Однокамерный стеклопакет в одинарном переплете 0,38/3067 0,51/4800 0,56/5467 Двойное остекление в 0,4/3333 0,55/5333 спаренных переплетах 3 Двойное остекление в 0,44/3867 0,57/5600 раздельных переплетах Двухкамерный стеклопакет в одинарном переплете с межстекольным расстоянием: 4 8 мм 0,51/4800 12мм 0,54/5200 0,58/5733 0,68/7600 Тройное остекление в 5 раздельно-спаренных 0,55/5333 0,60/6000 переплетах 6 Стекло и однокамерный стеклопакет в раздельных 0,56/5467 0,65/7000 0,72/8800 переплетах 7 Стекло и двухкамерный стеклопакет в раздельных 0,68/7600 0,74/9600 0,81/12400 переплетах 8 Два однокамерных стеклопакета в спаренных 0,7/8000 переплетах 9 Два однокамерных стеклопакета в раздельных 0,74/9600 переплетах 10 Четыре стекла в двух 0,8/12000 спаренных переплетах Примечание: В числителе (перед чертой) – значения приведенного сопротивления теплопередаче, в знаменателе (за чертой) – предельное значение градусо- суток отопительного периода, при котором применимо заполнение светопроема. 1 2 Как видно из табл. 5.12, подбор ведется по типам окон (обычное стекло или с покрытиями), по конструкции заполнения светопроемов (отдельное стекло или стеклопакет, раздельные или спаренные переплеты и т.д.) и по климатической характеристике места строительства (ГСОП). Окончательный выбор конструкции окна и его сопротивления теплопередаче RcПP должен соответствовать Техническим требованиям на окна, закрепленным в соответствующих ГОСТах [36-39 и др.]. Рекомендации по применению окон и их привязке к соответствующим ГОСТам приведены в табл. 5.13. Пример. Значению ГСОП = 7000 соответствует приведенное сопротивление теплопередачи окна с твердым селективным покрытием 2 0 RcПP =0,65 (м · С)/Вт. Конструкция окна при этом состоит из стекла и 151 однокамерного стеклопакета в раздельных переплетах (строчка 6 табл.5.12). Наиболее пригодной для этих условий оказывается конструкция окна по ГОСТ 24699 – 2002 [37] с RcПP =0,65 (м2·0С)/Вт. (Конструкция прозрачной части 4М1+(4М1+12Ar – К4) прочитывается следующим образом: 4х миллиметровое обычное оконное стекло плюс стеклопакет, состоящий из двух стекол толщиной по 4 мм, одно обычное, М, другое с твердым низкоэмиссионным покрытием, К, расположенных друг от друга на расстоянии 12мм, стеклопакет заполнен газом аргон, Ar). Таким образом, при RcПP > RcTP требование теплозащиты по показателю «а» (в соответствии со СНиП 23-02-2003) будет выполнено. Подбор конструкции окна, удовлетворяющий выражению RcПP > RcTP , – это лишь первый этап оценки теплозащитных свойств светопрозрачных конструкций. Вторым этапом является определение санитарногигиенического показателя теплозащиты (показатель «б» по СНиП 23-022003), который определяется температурой внутренней поверхности светопрозрачной конструкции: по стеклу ( Bc ) и по переплету ( Bn ). По СНиП 23-02-2003 температура внутренней поверхности стекла c ( B ) не должна быть меньше +30С, а непрозрачных элементов ( Bn ) – не ниже температуры точки росы при расчетной температуре наружного воздуха холодного периода года – tН. Температура внутренней поверхности определяется по известной формуле (4.1): B tB n(t B t H ) , Ri B (4.1) где Ri – представляет собой сопротивление теплопередаче того участка светопрозрачной конструкции, у которого определяется τВ. Для светопрозрачной части – набора стекол и стеклопакетов – Rc, для непрозрачной части – оконные профили – RП. Значения сопротивления теплопередаче некоторых типов оконных профилей (RП) приведены в табл. 5.14, а стеклопакетов (Rc) – в табл.5.15 [3]. 152 Таблица 5.13 Рекомендации по применению окон и балконных дверей для жилых и общественных зданий ГСОП 1 до 2500 Рекомендуемые значения RcПP Рекомендуемые конструкции окон и балконных дверей и их соответствие Техническим условиям по ГОСТ. Справочное значение RcПP 2 3 Деревян. по ГОСТ 24700 и ПВХ окна с однокамерным стеклопакетом (СПО) Деревянные спаренные по ГОСТ 11214 Деревянные раздельные по ГОСТ 11214 Деревян. по ГОСТ 24700 и ПВХ окна с двухкамерными стеклопакетами (СПД) Деревян. по ГОСТ 24700 и ПВХ окна с СПО и теплоотражающими покрытиями внутреннего стекла (ТОП) Деревянные с тройным остеклением по ГОСТ 16289 Деревянные со стеклом и СПО по ГОСТ 24699 Деревянные по ГОСТ 24700 и ПВХ окна с СПД и ТОП Деревян. по ГОСТ 24700 и ПВХ окна с СПО и ТОП, заполнение стеклопакета аргоном Деревян. по ГОСТ 24700 и ПВХ окна с СПД и ТОП, межстекольные расстояния 12 и 8 мм с усиленными сечениями профилей. Деревян. спаренные по ГОСТ 11214 с установкой теплового экрана между стекол. Деревян. с тройным остеклением по ГОСТ 16289 с ТОП Деревян. со стеклом и СПО с ТОП по ГОСТ 24699 Деревянные со стеклом и СПО с ТОП по ГОСТ 24699, заполн. – аргон, с усиленным сечением профилей Деревянные со стеклом и СПД с ТОП по ГОСТ 24699, межстекольные расстояния 12 и 8 мм, аргон, с усиленным профилем 4 0,38 0,40 0,43 0,50 0,53 Деревянные с тройным остеклением по ГОСТ 16289 с ТОП и установкой в спаренной части теплового экрана Деревянные со стеклом и СПО с ТОП по ГОСТ 24699 заполнение – криптон, с усиленным сечением профилей 0,85 0,38 до 4000 0,50 до 5000 0,55 до 6000 0,65 до 8000 свыше 8000 0,75 0,85 0,55 0,55 0,57 0,60 0,65 0,65 0,65 0,65 0,75 0,75 1,0 152 Таблица 5.14 Сопротивление теплопередаче некоторых типов оконных профилей Сопротивление теплопередаче RП, (м2·0С)/Вт Типы оконных профилей Поливинилхлоридные профили (в сборе, включая армирование): - Двухкамерные - Трехкамерные - Четырехкамерные Алюминиевый «теплый» профиль с термовставкой Деревянные профили: - коробка из сосны толщ. 80 мм - то же толщ. 120 мм - коробка из дуба толщ. 80 мм - то же толщ. 120 мм 0,52 0,59 0,71 0,40 0,44 0,67 0,35 0,52 Таблица 5.15 Сопротивление теплопередаче стеклопакетов различных конструкций Конструкции стеклопакетов Сопротивление теплопередаче Rc (м2·0С)/Вт Однокамерные, заполненные воздухом 4F – 12 – 4F 4F – 16 – 4F 4F – 16 – 4K 4K – 16 – 4K 0,35 0,36 0,58 0,65 Однокамерные, заполненные газом 4F – 12Ar – 4F 4F – 12Kr – 4F 4F – 16Ar – 4K 4K – 16Ar – 4K Двухкамерные, заполненные воздухом 0,37 0,39 0,66 0,78 4F – 10 – 4F – 10 – 4F 0,50 4F – 12 – 4F – 12 – 4F 0,53 Двухкамерные, заполненные газом 4F – 10Ar – 4F – 10Ar – 4F 0,55 4F – 12Kr – 4F – 12Kr – 4F 0,63 Примечание: Правило прочтения маркировки стеклопакетов см. табл.5.16 В силу того, что сопротивление теплопередаче оконных профилей и стеклопакетов близки по значениям, формула (4.1) для определения τВ стекла и переплета будет достаточно корректной. Пример. Рассмотрим жилое помещение с параметрами tВ=200С, φВ=50% в г.Самаре. Для условий г.Самары: tН=-200С, ГСОП=[20-(-5,2)]·203 = 5115,60С·сут. По табл. 5.3 столбец 5 находим RcTP =0,52(м2·0С)/Вт. 153 По табл. 5.12 принимаем двухкамерный стеклопакет в одинарном переплете с межстекольным расстоянием 12мм – Rск = 0,54 (при ГСОП – 5200). Для этой величины пригодны оконные профили из ПВХ с RП = 0,59 (м2·0С)/Вт (табл.5.14) и двухкамерные стеклопакеты из оконного стекла, полученного флоат –способом (F4 – 12 – F4 – 12 – F4) с Rс = 0,53 (м2·0С)/Вт, (табл.5.15). Определим температуру внутренней поверхности: - стеклопакета BC 20 2(20 20) 0 11,3 С; 0,53 8,7 BÏ 20 1(20 20) 0 12,2 С. 0,59 8,7 - оконного переплета Температура точки росы для tВ = 200С и φВ = 50% составляет 9,30С. Вывод: 1) Температура внутренней поверхности стекла 11,3 0С, что больше +30С. Это соответствует требованиям СНиП 23-02-2003. 2)Температура внутренней поверхности оконного переплета больше температуры точки росы для данных температурно-влажностных условий 0 0 BП =12,2 С > 9,3 С = tР, что также соответствует требованиям СНиП 23-022003. Однако, следует иметь в виду, что при достижении tН = -300С возможно выпадение конденсата на внутренней поверхности стекла. Для рассмотренных климатических условий могут использоваться и другие конструкции окон RcÏP >0,52(м2·0С)/Вт, например, по ГОСТ 2470 (0,53), ГОСТ 16289 (0,55) или ГОСТ 24699 (0,55), по табл. 5.13. Для сведения приводим табл. 5.16 по правилам прочтения маркировки стеклопакетов. Таблица 5.16 Правила прочтения маркировки стеклопакетов Условные обозначения для стекол: M – обычное оконное стекло, полученное методом вытяжки; F – оконное стекло, полученное флоат-способом; K – стекло с твердым низкоэмиссионным покрытием; I – стекло с мягким низкоэмиссионным покрытием; S – стекло окрашенное в массе; Pl – теплоотражающая пленка. Условные обозначения для газов, заполняющих стеклопакеты: Воздух – не указывается по умолчанию; Ar – аргон; Kr – криптон; SF6 – гексафторид серы 155 Пример. 4М – 12 – 4М – однокамерный стеклопакет из обычного оконного стекла толщ. 4 мм, расстояние между стеклами – 12 мм, заполненное осушенным воздухом. 4М – 12Ar – 4М – тот же стеклопакет, заполненный газом Аргон. Заключение С переходом на повышенный уровень теплозащиты зданий и появлением большого количества многослойных конструкций ограждений и фасадных систем возникли большие проблемы как на стадии проектирования теплозащиты ограждений, так и на стадии их эксплуатации (стабильность свойств ограждений во времени и их долговечность). Классическая методология строительной физики основное внимание уделяла формированию ограждения только с позиции энергосбережения, то есть получения такого сопротивления теплопередаче ограждения, которое было бы не менее требуемого. Остальные параметры теплозащиты (накопление конденсированной влаги в ограждении, оценка температурного перепада стена – воздух, условия точки росы и др.) считались вторичными, и их оценка проводилась на энергосберегающем ограждении по принципу: соответствия или несоответствия требованиям СНиП. В случае «несоответствия» нормативные документы не дают внятных рекомендаций. По мнению автора настоящего учебного пособия, такое положение сложилось по той причине, что до перехода на повышенную теплозащиту основными ограждениями в нашей стране были однослойные ограждающие конструкции, для которых классический подход строительной физики был оправдан и подтвержден многолетней эксплуатацией зданий. При проектировании многослойных ограждений классические методы не всегда эффективны. Потребовались новые подходы к проектированию теплозащиты многослойных фасадных систем, начала которым положены в настоящем учебном пособии. Основными в новом подходе являются учет основных физических процессов при конструировании многослойных ограждений, что повлияло на обоснование расчетных параметров климатических факторов для каждого процесса, обоснования взаимного расположения слоев. Все это позволило сформировать методику проектирования теплозащиты ограждающих конструкций на основе адекватного моделирования эксплуатационных процессов в ограждениях. 156 Библиографический список А. Научная и учебная литература 1. Блази В. Справочник проектировщика. Строительная физика. Пер. с нем. – М.: Техносфера, 2004 г. – 480 с. 2. Богословский В.Н. Строительная теплофизика: Учебн. для вузов – 2е издание дополн. и перераб. – М.:В.Ш., 1982 г. – 415 с. 3. Борискина И.В., Плотников А.А., Захаров А.В. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий: Учебное пособие. – М.: Издательство АСВ, 2000 г.–178 с. 4. Брилинг Р.Е. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и материалов. М.: СИ, 1948 г. – 102 с. 5. Гагарин В.Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий. //Строительные материалы, 2010, №3 – С.8-16. 6. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О нормировании теплопотерь через оболочку здания.//Журнал РААСН ACADEMIA. Архитектура и строительство. 2010, №3 – С.279-286. 7. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Крышов С.И., Пономарев О.И. Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки // АВОК, 2009, №5 – С.48-56. 8. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Крышов С.И., Пономарев О.И. Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки // АВОК, 2009, №6 – С.48-55. 9. Евсеев Л.Д. Современное бесконтрольное использование «термофасадов» - путь к ухудшению среды жизнедеятельности человека //Повышение энергоэффективности зданий и сооружений. Межвуз. сб. научн. трудов, вып. 3. – Самара: СамГАСУ, 2008. – С.37-49. 10.Евсеев Л.Д., Негода Л.Л., Суздальцева Т.В. Плесневый гриб – основной враг строительных конструкций // Повышение энергоэффективности зданий и сооружений. Межвуз. сб. научн. трудов, вып. 4. – Самара: СамГАСУ, 2009. – С.19-27. 11.Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий): Учебное пособие. – М.: В.Ш., 1974 г. – 320 с. 12.Корниенко С.В. Повышение эффективности зданий за счет снижения теплопотерь через краевые зоны ограждающих конструкций// Журнал РААСН ACADEMIA, Строительство и архитектура, 2010, №3 – С. 348-351. 13.Куприянов В.Н., Сафин И.Ш., Хабибуллина А.Г. К вопросу о паропроницаемости ограждающих конструкций. Журнал РААСН 157 ACADEMIA, Строительство и архитектура, - М.2009 г. №5 – С.504-507. 14.Леденев В.И., Матвеева И.В., Монастырев П.В. Физикотехнические основы эксплуатации кирпичных стен.: Учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2008 г. – 160 с. 15.Ливчак И.Ф., Наумов А.Л. Вентиляция многоэтажных зданий. – М.: АВОК – ПРЕСС, 2005 г. – 136 с. 16.Лицкевич В.К. Жилище и климат. – М.: СИ, 1984 г. – 136 с. 17.Лобов О.И. Ананьев А.И. Долговечность облицовочных слоев наружных стен многоэтажных зданий с повышенным уровнем теплоизоляции // Строительные материалы, 2008, №4 – С.56-59. 18. Лобов О.И. Ананьев А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий// Жилищное строительство, 2008, №8 – С.48-52. 19. Лобов О.И. Ананьев А.И., Абарыков В.П., Синютин А.Е. Физические основы проектирования фасадных систем// Технологии строительства, 2009, №1(63) – С.28-34. 20.Марзеев А.Н., Жаботинский В.М. Коммунальная гигиена. Учебн. для вузов. – М.: Медицина, 1968 г. – 519 с. 21.Михеев А.П., Береговой А.М., Петрянина Л.Н., Проектирование зданий и застройки населенных мест с учетом климата и энергосбережения: Учебное пособие, - М.: Изд. АСВ, 2002 г.–192с. 22.Михеев А.П., Мельников В.Б., Строительная климатология и теплотехника. – Пенза, ППИ, 1989 г. – 152 с. 23.Отопительно - вентиляционные системы зданий повышенной этажности/ М.М. Грудзинский, В.И. Ливчак, М.Я. Поз. – М.: СИ, 1982 г. – 256 с. 24.Перехоженцев А.Г. Теоретические основы и методы расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий. – Волгоград: ВолгГАСУ, 2008 г. – 212 с. 25.Петрянина Л.Н., Викторова О.Л., Карпова О.В. Ограждающие конструкции зданий. Стены и покрытия: Учебное пособие под ред. А.П. Михеева. – М.: Изд-во АСВ, 2008 г. – 200 с. 26.Рахимов Р.З., Шелихов Н.С. Современные теплоизоляционные материалы: Учебное пособие. – Казань: КГАСУ, 2006 г. – 392 с. 27.Роджерс Т.С. Проектирование тепловой защиты зданий. Пер. с англ. – М.: СИ, 1966 г. – 228 с. 28.Самарин О.Д. Теплофизические и технико-экономические основы теплотехнической безопасности и энергосбережения в здании. М.:МГСУ, 2007 г. – 160 с. 29.Смоляков П.Т. Климат Татарии. – Казань: Татгосиздат, 1947 г.– 108 с. 158 30.Соловьев А.К. Физика среды: Учебник: - М.: Изд-во АСВ, 2008 г. – 344 с. 31.Строительная физика/ Е. Шильд, Х. - Ф. Кассельман, Г.Дамен, Р.Поленц: Пер. с нем. – М.: СИ, 1982 г. – 296 с. 32.Фокин К.Ф. Расчетные температуры наружного воздуха. М.: Стандартгиз, 1946 г. 33.Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. Изд. 4-е перераб. и доп. М.: СИ, 1973г. – 287 с. 34.Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов. – М.: НИИСФ, 1965 г. – 96 с. 35.Шпайдель К. Диффузия и конденсация водяного пара в ограждающих конструкциях. Пер. с нем. В.Г. Бердигевского; под ред. А.Н. Мазалова. – М.: Стройиздат, 1985 г. – 48 с. Б. Нормативная литература 36. ГОСТ 23166 – 99. Блоки оконные. Общие технические условия. 37. ГОСТ 24699 – 2002. Блоки оконные деревянные со стеклами и стеклопакетами. Технические условия. 38. ГОСТ 24700-99. Блоки оконные деревянные со стеклопакетами. Технические условия. 39. ГОСТ 25097-2002. Блоки оконные деревоалюминиевые. Технические условия. 40. ГОСТ 26254. Здания и сооружения. Метод определения теплопередаче ограждающих конструкций. 41. ГОСТ 26602.1-99. Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче. 42. ГОСТ 30494 – 96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. 43. ГОСТ Р 52749-2007. Швы монтажные оконные с паропроницаемыми саморасширяющимися лентами. Технические условия. 44. Стандарт организации (РОИС) СТО 00044807-001-2006. «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций», М.: РОИС, 2006. 45. Стандарт организации (РНТО Строителей), СТО 17532043–0012005. «Нормы теплотехнического проектирования огражадющих конструкций и оценки энергоэффективности зданий». – М.: РНТО Строителей, 2005. 46. Санитарно- эпидемиологические правила и нормативы, СанПиН 2.1.2.1002 – 00, «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям», 2001 г. 47. Урочное положение, составитель инженер-архитектор Де – Рошефор Н.И., Санкт-Петербург, 1912 г., 694 с. 48. Основные строительные нормы. Температуры расчетные, ОСТ/ ВКС 6233, М., 1933 г. 159 49. Основные строительные нормы. – Жилые здания. Комитет стандартов ВСНХ при ЦИК СССР, 1934. 50. Нормы и данные для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций производственных и гражданских зданий текстильной промышленности, ч.I, Основные положения, М., 1937 г., 63 с. 51. СНиП II-В.6-62. Ограждающие конструкции. Нормы проектирования. 52. СНиП II-А.7-62. Строительная теплотехника. Нормы проектирования. 53. СНиП II-А.7-71. Строительная теплотехника. 54. СНиП II-А.6-72. Строительная климатология и геофизика. 55. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника, 1995 г. 56. Руководство по строительной климатологии (пособие по проектированию, - М.: СИ, 1977 г. – 328 с. (НИИСФ). 57. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. 58. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. 59. Справочное пособие к СНиП 2.08.01-89. Отопление и вентиляция жилых зданий. 60. СНиП 2.08.01-89*. Жилые здания, 1995 г. 61. СНиП 2.04.05-91*. Отопление и вентиляция жилых зданий. 62. Свод правил. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. 63. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. 64. СНиП 31-01-2003. Здания жилые многоквартирные. 65. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. 66. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология, 2004 г. 67. ТР АВОК – 4 – 2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. 160 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие автора……………………………………………............ Введение…………………………………………………………............ ГЛАВА 1. Ограждающие конструкции как объект проектирования теплозащиты зданий …………………………….. 1.1.Конструктивные признаки и виды наружных стен ……….......... 1.2.Функциональные слои наружных стен…………….…………….. 1.3.Теплоизоляционные материалы наружных стен………………... ГЛАВА 2. Основные физические процессы в ограждениях зданий …………………………………………………………………... 2.1 Теплопередача через ограждающие конструкции ……………… 2.1.1 Особенности теплопередачи в холодный период года……. 2.1.2 Особенности теплопередачи в теплый период года ………. 2.1.3 Влияние взаимного расположения слоев на теплозащитные свойства ограждений…………………………………. 2.1.4 Влияние величины сопротивления теплопередаче ограждений на их эксплуатационные свойства и долговечность…… 2.2 Паропроницаемость ограждающих конструкций ………………. 2.2.1 Общие закономерности диффузии водяного пара через ограждение………………………………………………………………. 2.2.2 Увлажнение однослойных ограждений…………………….. 2.2.3 Увлажнение многослойных ограждений…………………… 2.2.4 Конденсированная влага и теплопроводность переувлажненного слоя………………………………………………… 2.2.5 Высыхание однослойных ограждений ……………............... 2.2.6 Высыхание многослойных ограждений ……………………. 2.2.7 Учет процессов паропереноса при проектировании ограждающих конструкций……………………………………………. 2.3 Воздухопроницаемость ограждающих конструкций …………... 2.3.1 Естественные побудители воздухопроницаемости ограждений ……………………………………………………………... 2.3.2 Требуемое сопротивление воздухопроницанию…………… 2.3.3 Сопротивление воздухопроницанию материалов и конструкций …………………………………………………………….. 2.3.4 Расчет температуры внутренних поверхностей ограждений при инфильтрации холодного воздуха …………………. ГЛАВА 3. Климатические факторы и их расчетные параметры для оценки теплозащиты зданий …………………………………… 3.1 Общие сведения о климатических факторах …………................. 3.2 Определение расчетных параметров климатических факторов... 3.2.1 Температура наружного воздуха для теплотехнических расчетов …………………………………………………………………. 3 4 5 6 7 9 17 17 18 27 32 34 39 40 43 49 54 57 59 61 66 66 71 72 75 82 83 91 92 161 3.2.2 Температура наружного воздуха при оценке конденсации парообразной влаги в ограждениях …………….................................... 3.2.3 Температура наружного воздуха и скорость ветра при оценке воздухопроницаемости ограждений ………………………….. ГЛАВА 4. Параметры микроклимата помещений и их учет при проектировании теплозащиты…………………................................. 4.1 Теплообмен человека с окружающей средой как основа определения перечня контролируемых параметров микроклимата… 4.2 Обоснованные величины параметров микроклимата…………... 4.3 Обеспечение величины параметров микроклимата проектными средствами………………………………………………………………. ГЛАВА 5. Проектирование и расчет теплозащиты ограждающих конструкций………………………………………….. 5.1 Проектирование и расчет ограждений для холодного периода года………………………………………………………………………. 5.1.1 Наружные климатические условия………………………… 5.1.2 Параметры внутренней среды помещений………………… 5.1.3 Определение влажностных условий эксплуатации ограждающих конструкций……………………………………………. 5.1.4 Требуемое (нормируемое) сопротивление теплопередаче…………………………………………………………… 5.1.5 Разработка конструктивного решения наружных ограждений и определение основных теплозащитных параметров… 5.1.5.1 Обеспечение необходимого сопротивления теплопередаче…………………………………………………………… 5.1.5.2 Обеспечение ненакопления парообразной влаги в ограждении……........................................................................................ 5.1.5.3 Обеспечение санитарно-гигиенического показателя тепловой защиты………………………………………………………... 5.1.6 Определение приведенного сопротивления теплопередаче ограждения………………………………………………………………. 5.2 Расчет ограждений для теплого периода года………................... 5.3 Проектирование теплозащиты светопрозрачных ограждающих конструкций……………………………………………………………... Заключение……………………………………………………………... Библиографический список………………………………………….. Оглавление……………………………………………………………... 162 96 102 108 108 110 115 120 121 121 122 122 123 125 127 128 133 141 145 149 155 156 160 Куприянов Валерий Николаевич ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ Учебное пособие Редактор Попова В.В. Дизайн обложки Халикова Ф.Р. Подписано в печать Заказ № Тираж 200 Бумага тип.№1 Формат Усл.-печ.л. Уч.-изд.л. Редакционно-издательский отдел Казанского государственного архитектурно-строительного университета 420043, Казань, Зеленая,1 Печатно – множительный отдел Казанского государственного архитектурно-строительного университета 420043, Казань, Зеленая,1 163
