Cтроительная теплофизика (часть 2)

3. Защитные свойства наружных ограждений

 

3.1. Расчетные параметры наружной среды для теплотехнических расчетов

 

3.1.1. Холодный период года и отопительный период

Уровень теплозащиты ограждающих конструкций в различных местностях должен быть различным. Наружная среда на различных территориях воздействует на ограждающие конструкции по-разному. Параметры наружной среды постоянно меняются. Совокупность непрерывно меняющихся значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в данный момент времени в определенном месте, называется погодой. Понятие «погода» относится к текущему состоянию атмосферы. Статистический многолетний режим погоды на определенной территории называется климатом. Зная, в каком климате находится местность, можно с уверенностью сказать, какой погоды в этой местности принципиально быть не может. Для выбора информации о наружной среде опираются на климатические данные.

Проектные показатели теплозащиты здания должны отвечать нормируемым уровням наружных климатических параметров в холодный период года, которым в соответствии с [9] считается отрезок времени со среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 8^оС и ниже. По [1] для основной массы зданий понятие отопительного периода совпадает с понятием холодного периода года и только для лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых считается периодом со средней суточной температурой наружного воздуха не менее 10 ^оС.

Параметрами наружного климата, учитываемыми в теплотехнических расчетах, являются: температура наружного воздуха, скорость ветра, зона влажности района строительства. Одни значения параметров климата описывают наиболее холодный расчетный период и называются расчетными, определяющими обычно установленные мощности оборудования. Другие – средние уровни в пределах какого-либо периода, как правило, используются в расчетах эксплуатационных характеристик за весь этот период. При выборе теплозащиты периодом эксплуатации считается отопительный период, эксплуатационной характеристикой, интересующей специалистов за этот период, являются, например, энергозатраты на возмещение теплопотерь через наружные ограждения за отопительный период. Значения климатических параметров холодного периода года принимаются по табл. 1* СНиП "Строительная климатология" [9], где в алфавитном порядке расположены областные и краевые центры, все ос­тальные пункты даны внутри области или края.

3.1.2. Расчетная температура наружного воздуха

Самые холодные погодные условия в пределах отопительного периода года описываются расчетными значениями климатических параметров. Они не являются абсолютными экстремумами для района строительства. Дело в том, что экстремальные, наиболее суровые условия, бывают очень редко – раз в сотни лет. Ориентация на эти значения приводит к значительному удорожанию строительства. Поэтому расчетные уровни принимаются с некоторой обеспеченностью, под которой понимается суммарная вероятность того, что данный параметр не превзойдет (в холодный период года по суровости) расчетного значения.

Наиболее значимым параметром холодного периода года для выбора теплозащитных качеств наружных ограждений считается температура. Так как ограждения и помещения обладают тепловой инерцией, иначе говоря, требуют времени для охлаждения или нагрева до изменившейся температуры окружающего воздуха, принято в качестве расчетной t_н принимать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки – среднюю температуру пяти последовательных суток с самой низкой средней температурой за год.

До 1994 года расчетная температура наружного воздуха для проектирования ограждения увязывалась с его тепловой инерцией. Для «легких» ограждений, быстро остывающих при понижении температуры наружного воздуха, за расчетную температуру принималась средняя температура наиболее холодных суток, а для «массивных» - средняя температура наиболее холодной пятидневки. Пятидневка, как расчетный период усреднения температуры наружного воздуха, в 1946 году была предложена К.Ф.Фокиным [10]. К.Ф.Фокин, во-первых, сделал анализ многолетних данных об изменении температуры наружного воздуха в период похолодания и дал предложения по «нормализации» расчетных кривых изменения температуры наружного воздухи. Во-вторых, он экспериментально установил, что стена из полнотелого кирпича толщиной 64 см, какие в то время были наиболее распространены, имеет теплопотери за 5 суток при переменной температуре наружного воздуха такие же, как если бы температура наружного воздуха держалась постоянной и равной средней за эти 5 суток.

После 1994 года, когда теплозащита зданий была значительно усилена, посчитали, что все ограждения можно отнести к числу «массивных» и расчетной температурой для теплотехнического расчета ограждающих конструкций была принята средняя температура наиболее холодной пятидневки.

Но за расчетную температуру наружного воздуха t_н принимается не самая низкая средняя температура наиболее холодной пятидневки, а с обеспеченностью 0,92.

Для получения этого значения выбиралась наиболее холодная пятидневка в каждый год рассматриваемого отрезка n лет (в [11] период с 1925 по 1980 годы). Выделенные значения температуры наиболее холодной пятидневки t₅ ранжировались в порядке убывания. Каждому значению присваивался номер m. Обеспеченность каждого m-го члена ряда из n компонентов К_об в общем случае вычисляется по формуле:

К_об =(1-m/n). (3.1)

3.1.3. Средние температура и продолжительность отопительного периода

Для характеристики отопительного периода служат средняя температура t_о.п., ^оС, и продолжительность z_о.п., сут., этого периода. Причем они относятся к отрезку времени с устойчивыми значениями граничной температуры отопительного периода. Отдельные дни со средней суточной температурой, равной или ниже соответственно 8^оС или 10^оС, не учитываются. Эти данные приведены в СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» [9].

Средняя температура t_о.п. и продолжительность z_о.п. отопительного периода рассчитаны по следующей методике. Сначала строилась гистограмма годового хода температуры воздуха: наносился прямоугольник, у которого основание равно числу дней месяца, а высота – средней температуре воздуха за данный месяц (рис 10). Кривая годового хода проводилась так, чтобы участок, отсекаемый от прямоугольника, был равен по площади участку, который эта кривая прибавляет к нему с другой стороны. Затем, с графика снимались даты устойчивого перехода средних суточных температур воздуха через соответственно 8^оС или 10^оС. По разнице между этими датами определяется продолжительность отопительного периода.

Рис. 10. Расчет продолжительности и средней температуры ворздуха периода со среднесуточной температурой воздуха +8 ^оС: цифра в кружке – средняя темпера-тура воздуха за неполный месяц; 30.IX, 23.IV – даты начала и конца периода со среднесуточной температурой воздуха, равной и ниже +8 ^оС (отопительный период)

3.1.4. Расчетный и среднесезонный ветер 

За расчетную скорость ветра v принимается максимальная из средних скоростей ветра в январе по румбам (направлениям) ветра. Но учитывается только ветер, повторяемость румба которого составляет 16% и более. В случае, когда средняя скорость ветра по румбу повторяемостью 12-15% превышает на 1 м/с и более наибольшую из средних скоростей ветра по румбу повторяемостью 16%, максимальная скорость ветра принимается по румбу повторяемостью 12-15%.

Ветровой режим отопительного периода характеризуется средней скоростью v_о.п., м/с, за этот период.

3.1.5. Влажностные условия района строительства

Для описания влажностных условий района строительства СНиП «Тепловая защита зданий» [1] выделяет три климатических зоны влажности: 1 – влажная, 2 – нормальная, 3 – сухая, которые обозначены на географической карте России. Она составлена В.М.Ильинским [12] на основе значений комплексного показателя, который рассчитан по соотношению среднего за месяц для безморозного периода количества осадков на горизонтальную поверхность, относительной влажности воздуха в 15 ч самого теплого месяца, среднегодовой суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, годового размаха среднемесячных значений (января и июля) температуры воздуха.

3.2. Расчетные значения параметров внутреннего микроклимата

В ГОСТ 30494-96 [13] приведены расчетные значения параметров внутреннего микроклимата жилых и общественных зданий в оптимальных для пребывания человека и в допустимых диапазонах. Причем для жилых зданий и зданий детских дошкольных учреждений эти данные выделены в самостоятельные таблицы. Помещения общественных зданий разделены на 6 категорий. При определении теплозащиты общественных зданий следует определить категорию основных функциональных помещений здания. Например, в административном здании основными являются кабинеты и рабочие комнаты, в школе – классы. Иногда одно здание делится на отдельные функциональные зоны, для которых принимаются свои расчетные параметры.

В теплотехнических расчетах сопротивления теплопередаче ограждений жилых и общественных зданий за расчетную температуру внутреннего воздуха t_в принимается [1] минимальное значение оптимальной температуры.

Расчетную относительную влажность внутреннего воздуха в теплотехнических расчетах принимают для исключения выпадения конденсата в местах теплопроводных включений ограждающих конструкций, в углах и оконных откосах, откосах зенитных фонарей. Эта относительная влажность несколько завышена по отношению к поддерживаемой для комфортного пребывания людей, так как выбирается максимально возможной в расчетном помещении. Для теплотехнических расчетов следует принимать: для помещений жилых зданий, больничных учреждений, диспансеров, амбулаторно-поликлинических учреждений, родильных домов, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, общеобразовательных детских школ, детских садов, яслей, яслей-садов (комбинатов) и детских домов – 55%, для помещений кухонь – 60%, для ванных комнат – 65%, для подвалов и подполий с коммуникациями – 75%; для теплых чердаков жилых зданий – 55%; для помещений общественных зданий (кроме вышеуказанных) – 50% [1].

В зависимости от сочетания расчетной температуры и расчетной относительной влажности внутреннего воздуха, принимаемых для теплотехнических расчетов, внутренний режим по влажностным условиям делят [1] на сухой, нормальный, влажный и мокрый. Например, при температуре внутреннего воздуха от 12 ^оС до 24 ^оС, то есть для диапазона температур, охватывающего большинство жилых и общественных помещений, влажностный режим считается сухим при относительной влажности 50% и ниже, то есть сюда попадают административные помещения и другие без скопления людей. При относительной влажности свыше 50% и до 60% – нормальным, к этой категории относятся

все помещения, перечисленные в предыдущем абзаце, для которых нормируется влажность 55% и 60%. Помещения с относительной влажностью свыше 60% и до 75% считаются влажными, а свыше 75% – мокрыми. К последним относят, как правило, производственные помещения с мокрым режимом. Ванные залы бассейнов считаются помещениями с мокрым режимом, так как при расчетной влажности для теплотехнических расчетов 67% в них поддерживается температура воздуха выше 24 ^оС.

3.3. Требуемое сопротивление теплопередаче наружного ограждения

 

3.3.1 Показатели теплозащиты здания

СНиП [1] устанавливает три показателя тепловой защиты здания:

а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций;

б) перепад между значениями температуры внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и сама температура на внутренней поверхности ограждения, которая должна быть выше температуры точки росы (санитарно-гигиенический показатель);

в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величины теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций здания с учетом объемно-планировочных решений здания и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.

Выбор теплозащитных показателей здания осуществляют по одному из двух альтернативных подходов [1]:

- предписывающему, когда нормативные требования предъявляются к отдельным элементам теплозащиты здания – наружным стенам, полам над неотапливаемыми пространствами, покрытиям и чердачным перекрытиям, окнам, входным дверям и т.д.;

- потребительскому, когда сопротивления теплопередаче ограждений могут быть снижены по отношению к предписывающему уровню, при условии, что проектный удельный расход тепловой энергии на отопление здания ниже нормативного.

Санитарно-гигиенические требования должны выполняться всегда.

3.3.2. Предписывающий подход к выбору сопротивления теплопередаче наружных ограждений 

Требуемое (нормируемое) сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции – это минимально допустимое сопротивление теплопередаче для рассматриваемого ограждения. Для ограждающих конструкций помещений с температурой внутреннего воздуха выше 12^оС приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждений следует принимать не менее нормируемого значения исходя из нормы энергосбережения, определяемой по табл. 4 [1].

Сопротивления теплопередаче наружных ограждений, в соответствии с действующими нормами выбираются по условиям необходимости энергосбережения за отопительный период. Эти нормы, представленные в табл. 4 [1], отражают уровень второго этапа повышения требований к теплозащите, введенного с 2000 года Госстроем России. В таблице величины требуемых сопротивлений теплопередаче , м^2.оС/Вт, приводятся в зависимости от назначения здания, назначения ограждения и числа градусо-суток отопительного периода D_d, ^оС^.сут. Градусо-сутки отопительного периода D_d, ^оС^.сут, определяют по формуле:

D_d=(t_в-t_о.п.)^.z_о.п., (3.2)

где t_в- расчетная температура внутреннего воздуха для основных помещений здания, ^оС, по п. 3.2;

t_о.п, z_о.п – средняя температура, ^оС, и продолжительность, сут, отопительного периода в районе строительства, принимаемые по [9] в соответствии с п. 3.1.3.

Тот факт, что в качестве расчетных параметров для выбора требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций принимается средняя за отопительный период температура и его продолжительность, а не температура наиболее холодной пятидневки, объясняется тем, что основным требованием, обосновывающим этот выбор, является минимизация энергопотребления на отопление за отопительный период.

До 1994 года ограждающие конструкции имели сопротивление теплопередаче, обеспечивающее минимально возможную границу по санитарно-гигиеническим условиям. При расчете требуемого сопротивления теплопередаче ограждений , м^2.оС/Вт, исходили из поддержания в заданных пределах разности ∆t_н,^оС, между температурой внутренней поверхности ограждения и внутреннего воздуха в расчетный зимний период:

, (3.3)

где n – коэффициент положения ограждения относительно наружного воздуха, уменьшающий разность температуры для ограждений, не соприкасающихся с наружным воздухом. Значения коэффициента принимаются по [1];

t_в- расчетная температура внутреннего воздуха для теплотехнического расчета наружных ограждений для основных помещений зданий, ^оС,

t_н- расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, ^оС, равная средней температуры наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92;

∆t_н- нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха t_н и температурой внутренней поверхности τ_в ограждения. Значения нормируемого перепада ∆t_n приведены в [1] в зависимости от функционального назначения здания и назначения ограждения;

α_в- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м^2.оС). Для стен полов, гладких потолков, потолков с выступающими ребрами при отношении высоты ребер к расстоянию между гранями соседних ребер не более 0,3 α_в=8,7 Вт/(м^2.оС), для окон α_в=8 Вт/(м^2.оС), для зенитных фонарей α_int=9,9 Вт/(м^2.оС).

В настоящее время формула (3.3) применяется для определения требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждений (кроме окон) производственных зданий с большими избытками теплоты, для зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации (весной или осенью), а также для зданий с расчетной температурой внутреннего воздуха 12^оС и ниже. Формула (3.2) определяет норму сопротивления теплопередаче внутренних ограждений здания, если разность температуры разделяемых помещений равна 6^оС и более. При этом за температуру наружного t_н и внутреннего воздуха t_в принимаются расчетные значения температуры помещений, разделенных ограждением, а коэффициент n приравнивается к 1. Формула (3.2) определяет минимально допустимое сопротивление теплопередаче для ограждающих конструкций реконструируемых зданий, являющихся памятниками архитектуры, так как для сохранения архитектурного облика в таких зданиях нельзя делать утепление фасадов снаружи.

3.3.3. Понятие об экономически целесообразном сопротивлении теплопередаче ограждения

Постоянный рост цен на тепловую энергию, в последние годы происходящий наиболее быстро, делает весьма актуальной задачу по определению экономически целесообразной толщине утеплителя в наружных ограждениях здания. Наиболее простая модель, дающая упрощенное представление об экономическом анализе, направленном на решение этой задачи, называется методом минимума приведенных затрат. Она состоит в следующем. Инвестор осуществляет единовременные вложения (капитальные затраты) К на строительство 1 м² ограждающей конструкции. Годовые затраты на компенсацию теплопотерь через 1 м² этой конструкции зависят от ее сопротивления теплопередаче и составляют величину Э (эксплуатационные затраты). Суммарные затраты на строительство и эксплуатацию конструкции в течение Т лет (приведенные затраты) составляют:

П=К+Т^.Э (3.4.)

Задача заключается в минимизации величины П. 1 м² конструкции. Упрощенно можно считать, что капитальные затраты линейно зависят от толщины утеплителя, а следовательно, от сопротивления теплопередаче ограждения. В то же время эксплуатационные затраты обратно пропорциональны сопротивлению теплопередаче, потому что, чем оно больше, тем меньше теплопотери, и тем меньше затраты на отопление. Чтобы найти минимум приведенных затрат и соответствующее ему экономически целесообразное приведенное сопротивление теплопередаче, надо продифференцировать выражение (3.4) и, приравняв нулю производную, найти искомую величину сопротивления теплопередаче.

Графической интерпретацией этого расчета может служить рис. 11.

Рис. 11. К расчету приведенных затрат 

3.4. Влияние влажности на теплозащитные качества наружного ограждения

 

3.4.1. Конструирование ограждающей конструкции с теплотехнической точки зрения

В общем случае ограждение состоит из конструктивного слоя, теплоизоляционного слоя и внутреннего и наружного фактурных слоев. Фактурные слои несут защитную функцию от непосредственного воздействия на внутренние слои ограждающей конструкции. Основную нагрузку в формировании тепловлажностного режима ограждения несут теплоизоляционный и конструктивный слои. Важным является вопрос: в какой очередности от наружной поверхности надо располагать теплоизоляционный и конструктивный слои.

Конструктивным слоем является, как правило, материал с высокой плотностью ρ_к, обладающий высокой теплопроводностью λ_к и с малой паропроницаемостью μ_к. Теплоизоляционный слой, наоборот, имеет малую плотность ρ_т.и, малую теплопроводность λ_т.и и высокую паропроницаемость μ_т.и. То есть можно утверждать: ρ_к> ρ_т.и; λ_к> λ_т.и; μ_к < μ_т.и.

Для ответа на поставленный выше вопрос рассмотрим два двухслойных ограждения, состоящих из одинаковых конструктивного и теплоизоляционного слоев. Толщина конструктивного слоя в обоих ограждениях одинакова, также как и толщина теплоизоляционных слоев. Отличаются стены только перестановкой слоев. Оба ограждения находятся в равных условиях: температура t_н и парциальное давление водяных паров е_н наружного воздуха, а также температура t_в и и парциальное давление водяных паров е_в внутреннего воздуха одинаковы для обоих ограждений.

Построим распределения температуры по сечению каждой стены (рис.12) , и по полученным значениям температур определим давления насыщения Е. Построим также линию изменения парциального давления водяных паров е по сечению стен. Из рис. 12 видно, что значения потенциала переноса влаги – парциального давления водяных паров – выше внутри помещения, чем снаружи, что говорит о потенциальном движении влаги изнутри наружу. Следовательно, при необходимости устройства пароизоляции, она должна размещаться ближе к внутренней поверхности ограждения. Кроме того, для уменьшения потока влаги в ограждение без устройства пароизоляции следует внутренние фактурные слои делать плотными, а наружные паропроницаемыми, чтобы не мешать пару выходить в наружный воздух.

Если линии Е и е пересекаются, это говорит о том, что в месте где парциальное давление е оказалось выше давления насыщенных водяных паров Е (чего физически быть не может),происходит конденсация водяного пара.

Из рисунка видно, что в случае расположения теплоизоляционного слоя с внутренней стороны, риск выпадения конденсата выше. Следовательно, слой утеплителя необходимо располагать ближе к наружной поверхности ограждающей конструкции.

Рис.12. Кривые распределения температуры t (1), парциального давления водяных паров е (2) и давления насыщения Е (3) по толщине двухслойного ограждения с наружной (а) и внутренней (б) теплоизоляцией (вертикальными линиями заштрихована область, где из построения Е оказалось меньше е, что говорит о зоне возможной конденсации в толще заштрихованной области

Такое расположение приводит к следующим преимуществам:

1. Снижается возможность выпадения конденсата внутри ограждающей конструкции, отпадает необходимость ставить пароизоляцию с внутренней стороны ограждения.

2. Стык конструктивного и теплоизоляционного слоев находится всегда в зоне положительных температур, что исключает образование и оттаивание льда и, как следствие, отслаивание утеплителя от конструктивного слоя.

3. Несущие конструкции здания или сооружения находятся при стабильных температурах и подвергаются незначительным температурным деформациям.

4. Ограждения более теплоустойчивы как к воздействию суточных колебаний параметров наружной среды, так и к колебаниям теплопоступлений от внутренних тепловых источников.

3.4.2. Плоскость возможной конденсации.

Требуемые сопротивления паропроницанию ограждения

 

Требуемые сопротивления паропроницанию ограждения между внутренней средой и плоскостью возможной конденсации, , выполняется в соответс­твии с [1]. Плоскость возможной конденсации в однородной (однослойной) ограждающей конструкции располагается на расстоянии, равном 2/3 толщины конструкции от ее внутренней поверхности, а в многослойной конструкции совпадает с наружной поверхностью утеплителя. Требуемые сопротивления паропроницанию нормируются исходя из:

- из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации по формуле:

Па, (3.5.)

где: е_в – парциальное давление водяных паров в воздухе помещения, Па, по п. 5.1.3;

Е – парциальное давление водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемое по формулде

Е = (Е₁^.z₁ + E₂^.z₂ + E₃^.z₃)/12; (3.6.)

E₁, E₂, E₃ - парциальное давление водяного пара, Па, принимаемое по температуре в плоскости возможной конденсации, устанавливаемой при средней температуре наружного воздуха соответственно зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов (при расчете Е₃ для летнего периода температура внутреннего воздуха должна приниматься не ниже средней температуры наружного воздуха для этого периода.

z₁, z₂, z₃ – продолжительность, мес, зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов года, определяемая по табл. 1 с учетом следующих условий:

а) к зимнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха ниже минус 5 ^оС;

б) к весенне-осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха от минус 5 ^оС до плюс 5 ^оС;

в) к летнему периоду относятся месяцы со средними температурами воздуха выше плюс 5 ^оС;

R_п,нар – сопротивление паропроницанию, м^2.чПа/мг, части ограждающей конструкции, расположенной между наружной средой и плоскостью возможной конденсации.

- из условия ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха по формуле:

, (3.7.)

где: Ео – парциальное давление водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации, определяемое при средней температуре наружного воздуха периода месяцев с отрицательными средними месячными температурами;

z_o – продолжительность, сут, периода влагонакопления, принимаемая равной периоду с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха по [9] (19)аружной стены Roтружное ограждени. упрощенно ьная панель. то-конвективного теплообмен;

ρ_ув – плотность материала увлажняемого слоя, кг/м3;

δ_ув – толщина увлажняемого слоя ограждающей конструкции, м, принимаемая равной 2/3 толщины однородной (однослойной) стены или толщине теплоизоляционного слоя (утеплителя) многослойной ограждающей конструкции;

Δw _ув – предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя, %, за период влагонакопления , принимаемое по [1]: е_н1 – среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха, Па, периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, определяемое по [9].

3.4.3. Тепловлажностные условия эксплуатации ограждающих конструкций здания

Влажностное состояние материалов в ограждающих конструкциях зданий зависит от климата района строительства и от влажностного режима помещений. Различные сочетания наружных и внутренних влажностных режимов формируют условия эксплуатации ограждающих конструкций. Принято выделять две градации условий: А и Б. Условиям эксплуатации А соответствуют сочетания сухого или нормального влажностного режима помещения (по п. 3.2) с сухой зоной района строительства (по п. 3.1.5), а так же сухого режима помещения с нормальной климатической зоной влажности. Все остальные сочетания влажностного режима помещения и климатических зон влажности формируют условия эксплуатации Б, что отражено в [4].

Рекомендуемые [CП] значения λ приняты при температуре, равной 25 ^оС. Для различных строительных материалов с указанием их плотности нормативные значения λ, соответствующие условиям эксплуатации А и Б, приведены в ряде документов [9]. При этом в таблице указана весовая влажность материала, соответствующая условиям эксплуатации. 

3.5. Воздухопроницаемость наружных ограждений

 

3.5.1. Основные положения 

Воздухопроницаемостью называется свойство строительных материалов и ограждающизх конструкций пропускать сквозь себя поток воздуха, воздухопроницаемостью считают также расход воздуха в кг, который проходит через 1м² ограждения за час G, кг/(м^2.ч).

Воздухопронием через ограждения называют процесс проникновения воздуха сквозь их неплотности. Проникновение воздуха снаружи внутрь помещений называется инфильтрацией, а из помещения наружу – эксфильтрацией.

Различают два типа неплотностей, через которые осуществляется фильтрация воздуха: поры строительных материалов и сквозные щели. Щели образуют стыки стеновых панелей, щели в переплетах окон и в местах прилегания окна к оконной коробке и т. д. Кроме сквозной поперечной фильтрации, при которой воздух проходит через ограждение насквозь в направлении. перпендикулярном поверхности ограждения, существует, по терминологии Р.Е.Брилинга [14], еще два вида фильтрации – продольная и внутренняя.

Вообще говоря, воздухопроницаемостью обладают все наружные ограждения, но в расчете теплопотерь обычно учитывается только инфильтрация через окна, балконные двери и витражи. Нормы плотности остальных ограждений исключают возможность сквозной воздухопроницаемости, ощутимо влияющей на тепловой баланс помещения.

Однако, у современных наружных стен в слоях из минеральной ваты, пенополистирола или других вспененных материалов может наблюдаться продольная фильтрация [15], которая местно снижает приведенное сопротивление этих конструкций за счет выноса фильтрующимся воздухом теплоты в атмосферу.

Инфильтрация и эксфильтрация и, вообще, любая фильтрация воздуха возникают под воздействием перепадов полных давлений воздуха ∆P, Па, с разных сторон ограждения. Разность давлений воздуха изнутри здания и снаружи объясняется, во-первых, различной плотностью холодного наружного воздуха и теплого внутреннего – гравитационной составляющей и, во-вторых, действием ветра, создающего положительное дополнительное давление в набегающем потоке с наветренной стороны и разрежение с подветренной – ветровой составляющей.

3.5.2. Разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждений

Известно, что в столбе газа статическое гравитационное давление переменно по высоте. Гравитационное давление Р_грав, Па, в любой точке наружного воздуха на высоте h от поверхности земли, равно:

(3.9.)

где Р_атм – атмосферное давление на уровне условного ноля отсчета, Па;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

ρ_н – плотность наружного воздуха, кг/м³.

Ветровое давление P_ветр, Па, в зависимости от направления ветра на разных поверхностях здания будет различным, что в расчетах учитывается аэродинамическим коэффициентом С, показывающим какую долю от динамического давления ветра составляет статическое давление на наветренном, боковых и подветренном фасадах. Избыточное ветровое статическое давление на здание пропорционально динамическому давлению ветра ρ_н^.v²/2 при его скорости v, м/с.

Скорости ветра измеряются на метеостанциях на высоте 10 м от земли на открытой местности. В застройке и по высоте скорость ветра изменяется. Для учета изменения скорости ветра в различных типах местности и на разной высоте применяется коэффициент k_дин, значения которого регламентированы СНиП 2.01.07-85* [16]. Коэффициент k_дин, учитывающий изменение ветрового давления по высоте h, там представлен в зависимости от типа местности. Принимаются следующие типы местности:

А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, 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.

Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h – при высоте сооружения h до 60 м и 2 км – при большей высоте.

В соответствии с вышесказанным ветровое давление на каждом фасаде равно

(3.10)

где r_н - плотность наружного воздуха, кг/м³;

v - скорость ветра, м/с;

c- аэродинамический коэффициент на расчётном фасаде;

k_дин- коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, принимаемый по [16].

В соответствии со СНиП 2.01.07-85* [16] для большинства зданий величина аэродинамического коэффициента на наветренной стороне равна c_н=0,8, а на подветренной – c_з= -0,6.

Так как гравитационное и ветровое давления независимы друг от друга, для нахождения полного давления наружного воздуха Р_нар на здание, их складывают:

. (3.11)

За условный ноль давления Р_усл, Па, по предложению В.П.Титова [17] принимается абсолютное давление на подветренной стороне здания на уровне наиболее удаленного от поверхности земли элемента здания, через который возможно движение воздуха (верхнее окно подветренного фасада, вытяжную шахту на кровле).

, (3.12)

где c_з - аэродинамический коэффициент, соответствующий подветренной стороне здания;

Н - высота здания или высота над землей верхнего элемента, через который возможно движение воздуха, м.

Тогда полное избыточное давление Р_н, Па, формирующееся в наружном воздухе в точке на высоте h здания, определяется по формуле:

(3.13)

В каждом помещении создается свое полное избыточное внутреннее давление, которое складывается из давления, сформированного различным давлением на фасадах здания Р_в, Па, и гравитационного давления Р_грав,в, Па. Так как в здании температура воздуха всех помещений приблизительно одинакова, внутреннее гравитационное давление зависит только от высоты центра помещения h:

(3.14)

где r_в – плотность внутреннего воздуха, кг/м³.

Для простоты расчетов внутреннее гравитационное давление принято относить к наружному давлению со знаком минус

(3.15)

Этим за пределы здания выносится переменная гравитационная составляющая, и поэтому полное давление в каждом помещении становится постоянным по его высоте.

Плотность воздуха ρ, кг/м³, может быть определена по эмпирической формуле:

, (3.16)

где t – температура воздуха.

Величина внутреннего давления P_в может быть различной для одинаково ориентированных помещений одного этажа в силу того, что для каждого помещения формируется свое значение внутреннего давления. Определение внутренних давлений в помещениях является задачей полного расчета воздушного режима здания, который довольно трудоемок. Но для упрощения расчета внутреннее давление P_в принято приравнивать к давлению в лестничной клетке.

Существуют упрощенные методы расчета внутреннего давления в здании. Наиболее распространен расчет, справедливый для зданий с равномерно распределенными окнами на фасадах, когда за условно постоянное внутреннее давление в здании принимается полусумма ветрового и гравитационного давления по выражению

(3.17)

Второй, более громоздкий способ расчета величины P_в, Па, предложенный в [36], отличается от первого тем, что ветровое давление усредняется по площадям фасадов. Выражение для внутреннего давления при рассмотрении одного из фасадов в качестве наветренного принимает вид:

, (3.18)

где c_н, c_б, c_з - аэродинамические коэффициенты на наветренном, боковом и подветренном фасадах;

A_н, A_б, A_з - площади окон и витражей на наветренном, боковых и подветренном фасадах, м².

Рис. 13. Формирование воздушных потоков в многоэтажном здании со сбалансированной механической вентиляцией

В расчетах теплопотерь учитывается, что каждый фасад может быть наветренным. Следует обратить внимание на то, что величина внутреннего давления P_в, принимаемая по (10), получается различной для каждого фасада. Эта разница тем заметнее, чем больше отличается плотность окон и витражей на различных фасадах. Для зданий с равномерным распределением окон по фасадам величина P_в, приближается к получаемой по (9). Таким образом, использование формулы (10) для расчета внутреннего давления оправдано в случаях, когда распределение световых проемов по фасадам явно неравномерно или когда рассматриваемое здание примыкает к соседнему, или один фасад или его часть не имеют окон совсем.

Разность наружного и внутреннего давлений по разные стороны ограждения на наветренном фасаде на любой высоте h с учетом формулы (3.15) равна:

(3.19)

Разность давлений ∆P для окон одного фасада разных этажей будет отличаться только величиной гравитационного давления (первое слагаемое), зависящего от разности Н-h отметок верхней точки здания, принятой за ноль отсчета, и центра рассматриваемого окна. На рис. 13 показана картина распределения потоков в здании со сбалансированной вентиляцией

3.5.3. Воздухопроницаемость строительных материалов

Строительные материалы в основной своей массе являются пористыми телами. Размеры и структура пор у различных материалов неодинакова, поэтому воздухопроницаемость материалов в зависимости от разности давлений проявляется по-разному.

На рис. 14 показана качественная картина зависимости воздухопроницаемости G от разности давлений ΔР для строительных материалов, приведенная К.Ф.Фокиным [2].

Рис.14: Влияние пористости материала на его воздухопроницаемость 1 – материалы с равномерной пористостью (типа пенобетона); 2 – материалы с порами различных размеров (типа засыпок); 3 – маловоздухопроницаемые материалы ( типа древесины, цементных растворов), 4 – влажные материалы.

Прямолинейный участок от 0 до точки а на кривой 1 свидетельствует о ламинарном движении воздуха по порам материала с равномерной пористостью при малых значениях разности давлений. Выше этой точки на криволинейном участке происходит турбулентное движение. В материалах с разными размерами пор движение воздуха турбулентно даже при малой разности давлений, что видно из кривизны линии 2. В маловоздухороницаемых материалах, напротив, движение воздуха по порам ламинарно и при довольно больших разностях давлений, поэтому зависимость G от ΔР линейна при любой разности давлений (линия 3). Во влажных материалах (кривая 4) при малых ΔР, меньших определенной минимальной разности давлений ΔР_мин, воздухопроницаемость отсутствует, и лишь при превышении этой величины, когда разность давлений окажется достаточной для преодоления сил поверхностного натяжения воды, содержащейся в порах материала, возникает движение воздуха. Чем выше влажность материала, тем больше величина ΔР_мин.

При ламинарном движении воздуха в порах материала справедлива зависимость

, (3.20)

где i – коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м^.Па^.ч);

δ – толщина слоя материала, м.

Коэффициент воздухопроницаемости материала аналогичен коэффициенту теплопроводности и показывает степень воздухопроницаемости материала, численно равную потоку воздуха в кг, проходящему сквозь 1 м² площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте давления, равном 1 Па/м.

Величины коэффициента воздухопроницаемости для различных строительных материалов отличаются друг от друга значительно. Например, для минеральной ваты i ≈ 0,044 кг/(м^.Па^.ч), для неавтоклавного пенобетона i ≈ 5,3^.10^-4 кг/(м^.Па^.ч), для сплошного бетона i ≈ 5,1^.10^-6 кг/(м^.Па^.ч),

При турбулентном движении воздуха в формуле (12) следует заменить ΔР на ΔРⁿ. При этом показатель степени n изменяется в пределах 0,5 – 1. Однако на практике формула (3.20) применяется и для турбулентного режима течения воздуха в порах материала.

3.5.4. Фильтрация воздуха через ограждения

Следует иметь в виду влияние на воздухопроницаемость конструкции, имеющиеся в ней какие-либо включения. Например, в кладке из кирпича или ячеистобетонных блоков необходимо оценивать воздухопроницаемость швов, а в дощатой обшивке, воздухопроницаемость щелей между отдельными досками. Кроме того экспериментально доказано

В [4] приведены значения сопротивления воздухопроницанию для слоев некоторых материалов и конструкций.

Фильтрация холодного наружного воздуха в ограждение вызывает увеличение потерь теплоты и снижение температуры в толще ограждения за счет того, что часть тепла, проходящего через ограждающую конструкцию, затрачивается на нагревание фильтрующегося воздуха.

Дифференциальное уравнение одномерного температурного поля многослойной стенки при наличии в ней фильтрации с расходом G, кг/(м^2.ч) и при отсутствии сопротивлений фильтрационному потоку на границах материальных слоев, имеет вид:

, (3.21)

где t – температура, изменяющаяся по толщине стенки, ^оС;

с – удельная теплоемкость воздуха, с=1006 Дж/(кг^.оС);

R – термическое сопротивление

3.5.5. Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон, балконных дверей, витражей и световых фонарей жилых, общественных и производственных зданий в соответствии с [2] должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию R_инф^тр, м^2.ч/кг:

(3.22)

где

G_n – нормируемая воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м^2.ч);

∆P_o- разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачных ограждений, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию, ∆P_o= 10 Па;

∆P- разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачных ограждений, которая формируется по разные стороны рассматриваемого окна.

Нормируемая воздухопроницаемость – это максимальная разрешенная воздухопроницаемость конструкции при любых погодных условиях, в которых может находиться здание, принимаемая в соответствии со СНиП [1]. Например, для жилых и общественных зданий допускается проникновение через окно не более 5 кг/(ч^.м²) при деревянных переплетах и 6 5 кг/(ч^.м²) при металлических или пластиковых.

Для определения расчетной разности давлений при нахождении требуемого сопротивления воздухопроницанию окна в [1] заложена преобразованная формула (3.19). Наибольшая разность давлений наблюдается в холодный расчетный период на окнах первого этажа, расположенных на наветренном фасаде. Для них расчетная разность давлений может быть получена подстановкой (3.17) в (3.19) при условии, что h, расчетная высота, м, от уровня земли до центра рассматриваемого окна, близа к 0. Тогда:

∆P=(Н-h)^.(ρ_н -ρ_в)^.g +(ρ_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)- P_в≈

≈Н^.(ρ_н -ρ_в )^.g +( ρ_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)-0,5 ^. H^. (ρ_н -ρ_в)^.g – 0,5^.( ρ_н^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з) =

=0,5 ^. H^. (ρ_н -ρ_в)^.g +0,25^.(ρ_в ^.v²)^.К_дин^.(с_н-с_з)

В [2], во-первых, принято, что расстояние от центра окна первого этажа до верха здания Н равно высоте здания от земли до верха здания (с запасом), во-вторых, что для большинства зданий произведение (c_н-c_з)^.K_дин приближается к 1, в-третьих, величину ρ_ext заменили на γ_ext/g, и, в-четвертых, для некоторого запаса коэффициенты увеличили, и формула для расчета разности давлений при определении требуемого сопротивления воздухопроницанию приняла вид:

∆P=0,55^.Н^.(γ_н -γ_в ) +0,03 γ_н ^.v²_, (3.23)

где

v – расчетная скорость ветра – максимальная из средних скоростей ветра в январе по румбам v;

γ_н, γ_в – объемный вес наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, γ_н = ρ_н^.g; γ_в = ρ_в^.g.

Объемный вес воздуха γ можно определить по эмпирической формуле

γ=(3463)/(273+t), (3.24)

где

t – температура, при которой рассчитывается γ. Для определения γ_н температура наружного воздуха принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, а при расчете γ_в – равной расчетной температуре внутреннего воздуха t_в.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон в своей размерности не содержит размерности потенциала переноса воздуха – давления. Такое положение возникло из-за того, что в формуле (3.22) делением фактической разности давлений ∆P на нормативное значение давлений ∆P_o=10 Па, требуемое сопротивление воздухопроницанию приводится к разности давлений ∆P_o= 10 Па. 

3.5.6. Приведенное сопротивление воздухопроницанию окон, балконных дверей, витражей и световых фонарей жилых, общественных и производственных зданий

Величина приведенного сопротивления воздухопроницанию окон жилых, общественных и производственных зданий R_инф, м^2.ч/кг при ∆P= 10 Па, должна по сертификату на заполнение проема быть больше R_инф^тр .

По показателям воздухопроницаемости ГОСТ 23166-99 [18] подразделяет оконные и балконные дверные блоки в деревянных, пластиковых и металлических переплетах на 5 классов. Основным признаком классификации является объемная воздухопроницаемость при ∆P=100 Па. В табл. 25 максимально допустимые воздухопроницаемости для выделенных классов по [18] пересчитаны в массовые воздухопроницаемости при ∆P=10 Па по СНиП [2], а также в соответствующие им сопротивления воздухопроницанию при разности давлений ∆P=10 Па.

3.5.7. Потребность в теплоте на нагревание инфильтрационного воздуха

Расход наружного воздуха, поступающего в помещения в результате инфильтрации в расчетных условиях, зависит от объемно-планировочного решения здания, плотности окон, балконных дверей, витражей. Задача инженерного расчета для каждого помещения сводится к определению расхода инфильтрационного воздуха G, кг/ч, через отдельные ограждения помещения. Так как проникновение воздуха в помещения через стены и покрытия невелики, ими обычно пренебрегают и рассчитывают только инфильтрацию через заполнения световых проемов, а также через закрытые двери и ворота, которые в обычном эксплуатационном режиме не открываются. В расчетах энергопотребления за отопительный период теплозатраты на нагревание инфильтрационного воздуха выполняется через все имеющиеся в здании входные двери и ворота в закрытом состоянии. Затраты теплоты на врывание воздуха через открывающиеся двери и ворота в расчетном режиме учитываются добавками к основным теплопотерям через входные двери и ворота.

Расчет должен выявить максимально возможную в расчетных условиях инфильтрацию, поэтому считается, что каждое окно или дверь находится на наветренной стороне здания.

Расчетная разность давлений ∆P, Па, для окна или двери каждого этажа рассчитывается по формуле (3.19) при расчетных температурах наружного и внутреннего воздуха (определяющих плотность наружного и внутреннего воздуха ρ_н и ρ_в) и скорости ветра.

Внутреннее давление Р_в в таких расчетах обычно приближенно принимается по (3.17). Тогда разность давлений по разные стороны воздухопроницаемого элемента здания принимает вид:

∆P=(Н-h)^.(ρ_н -ρ_в)^.g +(ρ_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)- P_в≈

=(Н-h)^.( ρ_н -ρ_в)^.g +(ρ_ext ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)-0,5 ^. H^. (ρ_н -ρ_в)^.g–0,5^.(ρ_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)=

=0,5H^.(ρ_н -ρ_в)^.g – h^. (ρ_н -ρ_в)^.g + 0,25(ρ_н^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з), (3.25)

где

Н – высота здания от земли до верха вытяжной шахты, м;

h – расстояние от земли до центра рассматриваемого воздухопроницаемого элемента в здании (окна, балконной двери, входной двери в здание, ворот, витража), м;

ρ_ext, ρ_в – плотности, кг/м³, наружного и внутреннего воздуха, определяемые по формуле (3.16);

g – ускорение свободного падения g = 9,81 м/с²;

К_дин – коэффициент, с помощью которого учитывают изменение динамических свойств ветра в застройке в зависимости от высоты h, принимается по [16].;

с_н, с_з – аэродинамические коэффициенты на наветренном и подветренном фасадах, принимаемые в соответствии с п. 3.5.2.

Из формулы (3.25) видно, что при определенных соотношениях значений слагаемых формулы на верхних этажах может сформироваться отрицательная разность давлений ∆P=Р_н - P_в, что означает возможность инфильтрации.

Расход инфильтрационного воздуха G_инф, кг/(ч^.м²), при этой разности давлений составит:

- через окна

G_инф=(1/R_инф,ок^тр) ^.( ∆P/∆P_o)^2/3, (3.26)

- через двери и ворота

G_инф=(1/R_инф,дв^тр) ^.( ∆P/∆P_o)^1/2, (3.27)

где

R_инф,ок^тр – фактическое сопротивление воздухопроницанию окна, м^2.ч/кг, при ∆P= 10 Па;

R_инф,дв^тр – фактическое сопротивление воздухопроницанию двери и ли ворот, м^2.ч/кг, при ∆P= 10 Па.

∆P_o- разность давлений, принятая для определения требуемого сопротивления воздухопроницанию, ∆P_o=10 Па.

Расход теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха Q_инф, Вт, определяется по формуле:

Q_инф=0,28^.G_инф^.c^.A^.( t_в - t_н)^.k, (3.28)

где

с – теплоемкость воздуха, с=1,006 кДж/(кг^.оС);

k – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в воздухопроницаемых конструкциях, равный 0,7 – для окон и балконных дверей с тройными раздельными переплетами, 0,8 – для окон и балконных дверей с двойными раздельными переплетами, 0,9 – для окон и балконных дверей со спаренными переплетами, и 1 – для окон и балконных дверей с одинарными переплетами.

Расчеты показали, что через плотные окна в многоэтажных зданиях существует инфильтрация, которая доходит до 20% от трансмиссионных теплопотерь и должна быть учтена в тепловой нагрузке на отопление здания.

4. Стационарная теплопередача через сложное наружное ограждение

 

4.1. Основное дифференциальное уравнение и методы его решения

Процесс передачи теплоты через ограждение, все параметры которого остаются неизменными во времени, называется стационарным и является наиболее простым случаем теплопередачи. К стационарной теплопередаче обычно стремятся привести расчетные условия. Когда это удается, решение сводится к рассмотрению сравнительно простых стационарных температурных полей и режимов теплопередачи конструкций.

Тепловые и влажностные процессы, рассмотренные выше, также относятся к стационарным. Но это были одномерные температурные и влажностные поля с распространением температуры и парциального давления водяного пара в одном направлении (вдоль одной оси).

В этом разделе будут рассмотрены методы решения задач, связанных с двухмерным распределением температуры в конструкции. Двумерные и трехмерные температурные поля в ограждениях возникают по многим причинам. Во-первых, из-за примыкания ограждений друг к другу и неодномерной геометрии самого ограждения (рис.16). То есть, наличие углов, которые образуют наружные стены, примыкание перекрытий и перегородок к ним, нарушение глади стены различными проемами, заполненными окнами, витражами, дверями и т. д. приводит к искривлению температурного поля. Кроме того сами современные наружные ограждения отличаются сложностью своей конструкции. В них нередко имеются теплопроводные включения в виде регулярно уложенных связей, кронштейнов, обрамляющих контуров и других конструктивных элементов.

Рис. 16. Элементы формирования двумерных (1, 2, 3, 4) и трехмерных (5, 6, 7) температурных полей в наружных ограждениях здания

При рассмотрении конструкции с двумерным температурным полем инженера интересует два вопроса: какая наинисшая температура сформируется в какой-либо точке на внутренней поверхности наружного ограждения, и какие теплопотери двумерной зоны следует учесть в нагрузке на отопление.

Двумерное температурное поле описывается дифференциальным уравнением

(4.1)

где - заданное значение теплопроводности в каждой точке поля, Вт/(м.оС).

Решение этого уравнения для различных условий может выполняться различными методами. Аналитические методы применимы только для простейших случаев, но они бывают полезны, так как позволяют приближенно рассчитать температурное поле и определить наиболее значимые факторы, влияющие на процесс теплопередачи. Численные сеточные методы, обычно реализуемые на ЭВМ. К таким методам относятся метод конечных разностей, метод конечного элемента и др. Эти методы могут достигать практически любой требуемой точности, но весьма трудоемки, и, как правило, требуют хорошей математической подготовки. Приближенные инженерные методы, связанные во-первых, с экспертной оценкой процесса, а во-вторых, основанные на обобщении результатов подробных и трудоемких расчетов. Методы физической аналогии. Наиболее реально в настоящее время применить метод электротепловой аналогии.

4.2. Приближенные инженерные методы

 

4.2.1. Коэффициент теплотехнической однородности

Уже упоминавшийся в п. 2.1.7 коэффициент теплотехнической однородности r является оценкой влияния различных случаев нарушения одномерности теплового потока сквозь наружное ограждение. Это могут быть регулярные внутренние связи, притягивающие слой утеплителя и фасадный слой к внутреннему конструктивному слою; кронштейны, удерживающие навесные фасадные системы, а также примыкающие друг к другу ограждающие конструкции. Для теплотехнических расчетов r очень удобная характеристика, так как сразу показывает долю, которую составляет сопротивление теплопередаче реальной конструкции по отношению к условному сопротивлению теплопередаче конструкции без теплопроводных включений и примыканий.

Значения коэффициента теплотехнической однородности получают из подробного прямого расчета сложной трехмерной конструкции одним из численных методов, например, методом конечных разностей. Поэтому понятно, что точность применения коэффициента теплотехнической однородности зависит от того, на сколько близко выполненный расчет отражает расчетный случай.

Диапазон значений коэффициента теплотехнической однородности лежит в очень широких пределах: 1 – 0,5 и даже ниже. Разумеется архитекторы и конструкторы стремятся к проектированию ограждающих конструкций с высоким r, однако в ряде случаев это практически невозможно. Столь значительный диапазон r свидетельствует о том, что при расчете теплопотерь инженер-теплотехник должен очень ответственно подходить к оценке сопротивлений теплопередаче ограждений, так как завышение значения коэффициента теплотехнической однородности может привести к занижению фактических теплопотерь, а занижение – к лишним затратам на утепление здания.

4.2.2. Метод сложения проводимостей

Для плоских ограждающих конструкций с теплопроводными включениями толщиной больше 50% толщины ограждения теплопроводность которых не превышает теплопроводности основного материала более чем в 40 раз, эквивалентное термическое сопротивление определяется следующим образом:

1. Плоскостями, параллельными направлению теплового потока, ограждающая конструкция (или ее часть – регулярный элемент) условно разрезается на параллельные тепловому потоку участки. термическое сопротивление всей конструкции определяется по формуле:

(4.9)

где А_i,R_i – соответственно площадь, м², и термическое сопротивление, м^2.оС/Вт, i – го параллельного участка в выделенном регулярном элементе;

А – общая площадь регулярного элемента конструкции, равная сумме площадей всех параллельных участков, м²;

I – число параллельных участков, на которые разбит регулярный элемент.

При этом участки могут быть однородными (однослойными) или многослойными по ходу движения теплового потока. Для этих участков термическое сопротивление определяется по формуле (2.23), в которой термическое сопротивление каждого слоя рассчитывается по (2.4).

2. Плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку, ограждающая конструкция в пределах регулярного элемента условно разрезается на слои. При этом слои могут быть однородными (однослойными) или многослойными по ходу движения теплового потока. Для каждого из этих однородных слоев термическое сопротивление определяется по формуле (2.4). Другие слои могут состоять из двух или более параллельных участков. Эквивалентное термическое сопротивление таких слоев находится по формуле (4.9). Термическое сопротивление конструкции рассчитывается по формуле (2.23).

3. Эквивалентное термическое сопротивление всей конструкции с учетом полученного термического сопротивления при разбивке параллельными тепловому потоку плоскостями R_II и при разбивке перпендикулярными потоку плоскостями равно:

(4.10)

Если величина R_II превышает величину более чем на 25% или ограждение не является плоским (имеет выступы на поверхности), то эквивалентное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции следует определять подробным расчетом двумерного или трехмерного температурного поля.

5. Нестационарный тепловой режим ограждения и помещения

 

5.1. Теплоустойчивость ограждения 

Часто при определении нагрузок на системы кондиционирования воздуха возникают задачи, связанные с оценкой периодически изменяющихся теплопоступлений в помещение. Брать нагрузку по максимуму - значит завышать требуемую мощность охлаждения, так как максимальная нагрузка непродолжительна. Средняя за время работы кондиционера может оказаться заниженной. Для периодических задач в СССР была разработана теория теплоустойчивости, позволяющая найти решение этих задач. У истоков теории теплоустойчивости стояли О.Е.Власов [20], Г.А.Селиверстов [21], Е.Г.Швидковский [22], С.И Муромов [23], А.М.Шкловер [24, Л.А.Семенов [25].

Теплоустойчивость ограждения – это его свойство поддерживать относительное постоянство температуры при изменении тепловых воздействий.

Теория теплоустойчивости построена не решении задач при гармонических (изменяющихся по синусоиде) тепловых воздействиях. Любая другая периодическая кривая изменения воздействия может быть разложена в ряд Фурье и задача решена относительно каждой гармоники этого ряда. После этого все решения складываются.

В теории теплоустойчивости рассматриваются два аспекта периодических тепловых воздействий:

- по отношению к внутренним тепловым воздействиям;

- по отношению к наружным тепловым воздействиям. 

5.1.1. Коэффициент теплоусвоения материала

Если представить себе полуограниченный массив какого-либо однородного материала, на плоскую поверхность которого воздействует гармонический тепловой поток с амплитудой А_Q, то колебания температуры этой поверхности тоже будут гармоническими. Обозначим амплитуду этих колебаний А_τ. Чем более теплоустойчив материал, тем меньше амплитуда его колебаний.

Отношение амплитуд А_Q к А_τ служит характеристикой теплоустойчивости материала и называется коэффициентом теплоусвоения материала s:

(5.7)

Таким образом, коэффициент теплоусвоения материала характеризует способность материала более или менее интенсивно воспринимать теплоту при колебаниях температуры на его поверхности. Коэффициент теплоусвоения материала имеет размерность, Вт/(м^2.оС). Величина коэффициента теплоусвоения зависит от его теплофизических свойств и периода Т, с которым происходят колебания воздействующего теплового потока:

(5.8)

Значения большого числа строительных материалов приведено в [4] для суточного периода колебаний. При суточном периоде коэффициент теплоусвоения материала равен Вт/(м^2.оС).

Формула (5.8) показывает, что коэффициент теплоусвоения материала увеличивается с уменьшением периода Т .

В пределе, когда Т=0, т.е. колебания теплового потока отсутствуют, s→∞. В этом случае по формуле (5.7) получим, что А_τ=0, то есть колебания температуры на внутренней поверхности полуограниченного массива будут отсутствовать, что относится к стационарному режиму.

5.1.2. Слой резких колебаний. Показатель тепловой инерция слоя D

Колебания температуры на внутренней поверхности ограждения вызывают колебания температуры в толще ограждения. По мере удаления от внутренней поверхности амплитуды колебания температуры будут постепенно уменьшаться, т.е. затухать в толще ограждения. Кроме этого по мере удаления от внутренней поверхности ограждения происходит еще запаздывание этих колебаний. Т.е. максимум температуры в каждой точке сечения ограждения будет наблюдаться тем позже, чем дальше эта точка от внутренней поверхности. Расстояние между двумя точками, температура в которых колеблется одинаково, другими словами, если запаздывание колебаний в какой-то точке равно периоду Т, то расстояние между этими точками называется длиной волны l. Для условной и весьма приближенной характеристики числа волн, укладывающихся в толще ограждения, служит показатель тепловой инерции D, определяемый для однородного ограждения по формуле:

D=R^.s. (4.27)

Для многослойного ограждения c числом слоев I показатель тепловой инерции определяется как сумма показателей D для всех слоев:

. (5.9)

Показатель тепловой инерции D является безразмерной величиной. С уменьшением периода колебаний теплового потока увеличивается показатель тепловой инерции ограждения, т.е. в толще ограждения укладывается большее число волн. уменьшается длина температурной волны и быстрее затухают температурные колебания. При увеличении периода колебаний происходит обратное явление.

Большое значение для понимания затухания температурных колебаний в толще ограждения имеет так называемый слой резких колебаний. Это слой, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности ограждающей конструкции, в толще которого амплитуда колебаний температуры уменьшается в 2 раза. В слое резких колебаний располагается 1/8 длины температурной волны. Слой резких колебаний характеризуется тем, что для него показатель тепловой инерции равен 1, т.е. D_р.к.=R_р.к^.s=1, где R_р.к.- термическое сопротивление слоя резких колебаний. Толщина δ слоя резких колебаний равна:

(5.10)

Считается, что на величину колебаний температуры внутренней поверхности ограждения основное влияние оказывают теплофизические характеристики слоя резких колебаний.

5.1.3. Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения 

Отношение амплитуды колебания теплового потока А_Q, воздействующего на внутреннюю поверхность ограждения, к амплитуде колебаний температуры на этой поверхности А_τ называется коэффициентом теплоусвоения внутренней поверхности ограждения:

(5.11)

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения имеет размерность Вт/(м^2.оС). Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения возрастает с уменьшением периода Т колебаний теплового потока, и зависит главным образом от теплофизических характеристик материалов слоев, из которых состоит ограждение. Чем больше величина коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_в.п при одной и той же величине A_Q, тем меньше будет амплитуда колебаний температуры А_τ на этой поверхности.

Приближенный расчет коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения состоит в следующем. Если слой резких колебаний укладывается в прилегающий к внутренней поверхности слой, т. е. если

D₁≥1, то Y_в.п=s₁. (5.12)

Если слой резких колебаний захватывает следующий слой и для этого слоя D₂≥1, то сначала определяется Y₂ поверхности стыка первого и второго слоев, который принимается равным коэффициенту теплоусвоения материала второго от внутренней поверхности ограждения слоя Y₂=S₂, и тогда

(5.13)

Если D_i≥1 имеет только слой n от наружной поверхности, то Y_n-1=s_n.

(5.14)

Затем последовательно определяются по рекуррентной формуле (5.14) все Y_i до внутренней поверхности.

Если ограждение представляет собой тонкую перегородку толщиной δ, разделяющую два помещения с одинаковым колебанием температуры, то на оси этой перегородки отсутствует тепловой поток А_Q=0. Если показатель тепловой инерции половины толщины перегородки D_δ/2≤1, то на оси Y₂=0. Тогда по формуле (5.14)

(5.15)

Для безынерционного ограждения, например, для окна Y₂=α_н и s₁=0. По формуле (5.13)

(5.16)

где R₁ – термическое сопротивление окна, м^2.оС/Вт;

K’_ок – неполный коэффициент теплопередачи окна, Вт/( м^2.оС), равный

(5.17)

R_ок – общее приведенное сопротивление теплопередаче окна, м^2.оС/Вт.

Как было сказано в предыдущем параграфе 5.3.2. на величину коэффициента теплоусвоения наибольшее влияние оказывают прилегающие к внутренней поверхности слои. Поэтому, если необходимо в помещении стабильно поддерживать постоянную температуру, стремясь к уменьшению амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждений, надо с внутренней стороны располагать теплоустойчивые слои. Если же требуется быстрое изменение температуры поверхности ограждения после смены режима отопления, то надо внутреннюю поверхность ограждений отделывать легкими материалами с малым коэффициентом теплоусвоения. Это относится к прерывистому отоплению, когда на ночь тепловой поток отопления снижается, температура поверхности ограждения падает, а к началу рабочего дня эту температуру следует повысить. Чем с меньшим коэффициентом теплоусвоения материал будет лежать на внутренней поверхности ограждения, тем быстрее и экономичнее будет прерывистое отопление.

5.2. Теплоустойчивость помещения

 

Теплоустойчивость помещения – это его свойство поддерживать относительное постоянство температуры при изменении тепловых воздействий. Теплоустойчивость помещения обеспечивается его ограждающими конструкциями, мебелью и оборудованием, объемом воздуха, воздухообменом помещения.

Теплоустойчивость помещения характеризуется двумя показателями: показателем теплоусвоения помещения Y_п и показателем теплопоглощения помещения – Р_п.

Основными характеристиками температурной обстановки в помещении при его нестационарном тепловом режиме служат амплитуды колебаний температуры внутреннего воздухаA_tв и радиационной температуры помещения A_tR. Если колебания температуры в помещения носят не гармонический характер, то амплитудой колебаний температуры считается максимальное отклонение от своей среднесуточной величины.

Наиболее распространенными видами изменения во времени тепловых воздействий являются гармонические и прерывистые колебания теплопоступлений в помещение.

Показателем теплоусвоения помещения Y_п, Вт/^оС, принимается сумма произведений коэффициентов теплоусвоения внутренних поверхностей каждого из I ограждения Y_i, обращенных в помещение, и площади A_i этой поверхности:

(5.25)

Физический смысл показателя теплоусвоения помещения – отношение амплитуды колебания теплового потока, изменяющегося в помещении А_Q к амплитуде колебаний радиационной температуры помещения А_tR:

(5.26)

Основной составляющей показателя теплопоглощения помещения Р_п, Вт/^оС, является показатель теплопоглощения ограждений Р_огр, который в свою очередь является суммой произведений коэффициентов теплопоглощения внутренних поверхностей каждого из I ограждения Р_i, обращенных в помещение, и площади A_i этой поверхности:

(5.27)

Кроме того, показатель теплопоглощения должен включать в себя теплопоглощение внутреннего объема воздуха и мебели помещения. Но эти показатели по сравнению с основным незначительны и поэтому их не учитывают. Значимой составляющей Р_п является показатель теплопоглощения вентиляционного воздухообмена Р_вент, Вт/^оС:

(5.28)

где: L – расход вентиляционного воздуха в помещение, м³/ч;

с – теплоемкость воздуха, с=1,005 кДж/(кг^.оС);

ρ – плотность воздуха, по формуле (3.16), кг/м³.

Таким образом, принимается, что показатель теплопоглощения помещения равен:

(5.29)

Физический смысл показателя теплопоглощения помещения – отношение амплитуды колебания теплового потока, изменяющегося в помещении А_Q к амплитуде колебаний температуры воздуха помещения А_tв:

(5.30)

Амплитуда колебаний температуры воздуха в случае гармонических колебаний тепловых воздействий равна:

(5.31)

где А_Q – амплитуда возмущающего теплового потока, Вт;

- средний коэффициент теплообмена на внутренних по­верхностях наружных и внутренних ограждений, принимается равным 6,25 Вт/(м^2.оС).

Коэффициент 0,9 учитывает несовпадение по фазе колебаний температуры воздуха и поверхности отдельных ограждений.

Прерывистыми теплопоступлениями считаются периодические теплопоступления (рис.22), которые постоянны и равны Q_п в течение части m, ч, периода T, ч, и отсутствуют в течение остального времени периода n, ч.

рис. 22. Прерывистые поступления теплоты

Показатель теплопоглощения помещения при прерывистых теплопоступлениях корректируется с учетом измененной формы кривой изменения во времени теплопоступлений:

(5.32)

где Ω – максимальный поправочный коэффициент на форму прерывистой кривой в зависимости от соотношения m/T=m/(m+n).

Амплитуда колебаний температуры воздуха в случае прерывистых тепловых воздействий равна:

(5.33)

5.3. Температура помещения

Для характеристики температурной обстановки в помещении наиболее общей является температура помещения :

. (6.28)

Применив температуру помещения можно сложный (лучисто-конвективный) теплообмен на поверхности в помещении описать с помощью общего коэффициента теплоотдачи на поверхности α_в:

, (6.29)

тогда коэффициент

(6.30)

Если , то

6. Комфортность тепловой обстановки в помещении

Внутренние тепловые условия в помещении (микроклимат) могут быть заданы с 3-х позиций:

· Комфортность для человека

· Оптимальность для технологического процесса

· Комфортно-технологические требования 

 

6.1. Тепловой баланс человека

В организме человека протекают метаболические процессы в ходе которых энергия освобождается в виде теплоты и полезной работы мышц. Теплопродукция человеческого тела в основном зависит от рода деятельности. в некоторой степени связана с возрастом и полом человека. Теплоотдача человеческого тела в большой степени зависит от одежды и тепловых факторов окружающей среды. Тепловой баланс организма [26] человека можно записать следующим образом:

,

где Q_ч – теплопродукция человека, Вт;

Q_ч^изл – теплоотдача излучением, Вт;

Q_ч^кон – теплоотдача конвекцией, Вт;

Q_ч^исп – теплоотдача испарением, Вт;

Q_ч^раб– тепловой эквивалент выполняемой человеком работы, Вт;

Q_ч^физ – теплота, идущая на физиологические процессы организма человека, Вт;

– дисбаланс теплоты (определяет адаптацию система терморегуляции человека к тепловой обстановке).

Система терморегуляции человека действует в результате 2-х факторов: потоотделения и изменения температуры поверхности кожи человека. Задача определения комфортности тепловой обстановки в помещении состоит в создании условий для теплоотдачи человеком в окружающую среду излучением, конвекцией и потоотделением необходимого количества энергии:

Обслуживаемая зона помещения [13] - та часть объема помещения, где система кондиционирования микроклимата должна обеспечить расчетные условия. Расчетные тепловые внутренние условия в помещении состоят в основном:

- из температурных условий – температуры воздуха t_в, радиационной температуры t_r и температур в помещения (результирующей температуры t_п;

- аэродинамических условия - подвижности воздуха υ_в;

- влажностные условия φ_в, d_в, е_в.

Сочетание параметров могут быть оптимальными, допустимыми.

Температурные условия определяются 2-мя условиями комфортности [19].

6.2. Условия комфортности температурной обстановки в помещении

 

I условие комфортности касается общей температурной обстановки в помещении. Оно устанавливает связь между температурой воздуха и радиационной температурой помещения, при которых человек в центре обслуживаемой зоны испытывает комфорт

Для зимы: (здесь Н - интенсивность работы).

Для лета: (- функция тяжести работы).

 

II условие комфортности Локальная составляющая на границе обслуживаемой зоны в непосредственной близости от нагретой и охлажденной поверхности. Баланс должен быть такой, чтобы тепловой поток с элементарной площадки на теле человека q_dF был направлен от человека. Из опытов: более жесткие условия состоят в том, чтобы 12dF2, менее жесткие 0< q_dF 2. В табл. 6 приведены уравнения для II условия комфортности.