Барабанщиков Юрий Германович ограждающие конструкции и материалы методические указания

Вид материала

Методические указания

Содержание 2. Требования к ограждающим конструкциям R0 должно быть не ниже нормируемого значения R 2.3. Требования по теплоустойчивости ограждающих конструкций 2.3.1. Требования в теплый период года. 2.3.2. Требования в холодный период года. 2.4. Требования к влажностному режиму ограждающих конструкций 3. Расчет тепло-влажностного режима ограждающих конструкций R=δ/λ, (3.2) где δ — толщина слоя, м; λ— расчетный коэффициент теплопроводности материала данного слоя ; R 3.2. Определение тепловой инерции ограждающих конструкций W (Вт) тепловой поток q 3.2.2. Коэффициент теплоусвоения материала. 3.2.3. Слой резких колебаний. 3.2.4. Тепловая инерция. 3.2.5. Толщина слоя резких колебаний. 3.3. Определение коэффициентов теплоусвоения внутренней поверхности ограждения 3.4. Расчет теплоустойчивости помещений 3.5. Влажностный режим материалов в ограждающих конструкциях Абсолютная влажность E, соответствует полному насыщению воздуха f 3.6. Расчет конденсации влаги в ограждении ... Полное содержание

Подобный материал:

• Строительные нормы и правила несущие и ограждающие конструкции сниП 03. 01-87, 2681.26kb.
• Институт Менеджмента Информационных Систем Изучаемая программа, 375.9kb.
• Государственный стандарт Союза сср гост 25380-82 "Здания и сооружения. Метод измерения, 170.23kb.
• Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Основы конструкции автомобилей», 664.52kb.
• Юрий Викторович Максимов, > к т. н., доцент Александр Вячеславович Анкин методические, 147.81kb.
• Кузнецов Юрий Валентинович, канд филос наук., доцент кафедры социальной работы Мурманского, 499.52kb.
• Замураева Лариса Евгеньевна; Киселица Елена Петровна; Шумилова Юлия Александровна., 823.59kb.
• Методические указания №2001/98, 206.07kb.
• Методические указания Специальности: 110301 (311300) Механизация сельского хозяйства;, 710.36kb.
• Xxxii российскую конференцию по проблемам науки и технологий, 44.39kb.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


Барабанщиков Юрий Германович


ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ


Методические указания по выполнению курсовой работы

«Расчет тепло-влажностного режима ограждающих конструкций»


Санкт-Петербург

2005


1. ВВЕДЕНИЕ


К ограждающим конструкциям относятся элементы зданий и сооружений, ограничивающие некоторое пространство для создания на нем заданного режима службы. Такое определение наиболее полно охватывает различные типы ограждающих конструкций, к которым относятся стены, перекрытия, кровли, гидроизоляционные завесы, заборы и т. п. Стены и перекрытия зданий обеспечивают благоприятный тепловой и шумовой режим помещений, кровля и гидроизоляция – сухой режим службы конструкций, забор – контролируемый режим службы территории и т. д.

В соответствии с выполняемыми функциями к ограждающим конструкциям зданий должны предъявляться требования по:

1) термическому сопротивлению;

2) теплоустойчивости;

3) воздухопроницаемости;

4) паропроницаемости;

5) водопроницаемости;

6) звукопроницаемости;

7) несущей способности (прочности).

Первые четыре требования сформулированы в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», а по Санкт-Петербургу в ТСН 23-340-2003 «Нормативы по энергопотреблению и теплозащите». Способы теплотехнического расчета ограждающих конструкций даны в своде правил по проектированию и строительству СП 23-101-2000 "Проектирование тепловой защиты зданий".

Не существует материала, который был бы эффективен в отношении всех перечисленных требований. Так, если выполнить стены из плотного бетона, то несущая способность и теплоустойчивость будут обеспечены при достаточно небольшой толщине стен (10-15 см), при этом, однако, необходимое сопротивление теплопередаче не будет достигнуто. Для создания необходимой тепловой защиты здания потребуется увеличить толщину бетонных стен до 3-6 м. Вполне понятно, что такое решение не рационально. Если выполнить стену из очень легкого пористого материала, например, пенополистирола, то необходимую теплозащиту можно обеспечить при толщине 10-20 см, однако, требования по теплоустойчивости и прочности не будут удовлетворены. Стены из такого материала не могут быть несущими. Таким образом, ограждающие конструкции являются многослойными. Слои состоят из различных по природе и свойствам материалов. Каждый из них выполняет свои функции.

Мы видели, что если материал обладает высокой прочностью, то теплоизоляционные свойства его низкие (теплопроводность высокая). Наоборот, в случае высокого термического сопротивления прочность является слишком низкой. Почему это происходит? Дело в том, что снизить теплопроводность материала можно только путем заполнения части его объема равномерно распределенными порами (воздухом), но замена плотного вещества воздухом неизбежно приводит к снижению прочности.

Однако есть материалы, которые сочетают в себе невысокую, но достаточную прочность и немалую пористость, а, следовательно, вполне удовлетворительные теплоизоляционные свойства. Такие материалы используются для несущих стен и называются стеновыми материалами. К ним относятся кирпич и стеновые камни (керамические и силикатные, включая газосиликат), блоки и панели из легких бетонов (газобетона, пенобетона, бетонов на пористых заполнителях), природные камни (вулканический туф, известковый туф, известняк ракушечник) и др.

Внесенные в СНиП II-3-79 изменения во исполнение Закона Российской Федерации "Об энергосбережении" N 28-ФЗ от 3.04.96 г., постановления Правительства РФ от 2.11.95 N 1087 "О неотложных мерах по энергосбережению", Указа Президента РФ от 7.05.95 N 472 "Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года" ужесточили требования к теплозащите зданий настолько, что для их выполнения кирпичные стены необходимо делать толщиной, в зависимости от климатической зоны от 0,8 до 2 м. Это при условии, что используется наиболее эффективный пустотный кирпич с теплопроводностью не выше 0,35 Вт/(м·^оС). При использовании полнотелого кирпича толщина стен будет еще больше от 1 до 3 м. Повышение требований связано с необходимостью экономии энергозатрат на отопление зданий. Принятые в 2003 году новые нормы (СНиП 23-02-2003 и ТСН 23-340-2003) предусматривают еще большее снижение уровня энергопотребления – не менее, чем на 20 % по сравнению с требованиями СНиП II-3-79 до 2000 г.

В связи с этим понятно, что новое строительство, модернизация и капитальный ремонт зданий не могут осуществляться без применения эффективных теплоизоляционных материалов.


2. ТРЕБОВАНИЯ К ОГРАЖДАЮЩИМ КОНСТРУКЦИЯМ


2.2. Требования по тепловой защите здания


Тепловая защита здания оценивается по двум показателям:

а) приведенному сопротивлению теплопередаче R₀;

б) температурному перепаду Δt₀ между температурой внутреннего воздуха t_int и температурой внутренней поверхности ограждения τ_int.

При проектировании конструкции должны быть выполнены три условия.

1. Приведенное сопротивление теплопередаче R₀ должно быть не ниже нормируемого значения R_req, которое является наибольшим из двух значений R_req^* и R_req^**.

Нормативное значение R_req^* принимается из условий энергосбережения по табл. П.1 (см. приложение) в зависимости от, так называемых, градусо-суток района строительства G_d, определяемых по формуле

G_d =(t_int - t_ht)z_ht, (2.1)

где t_ht – средняя температура наружного воздуха за отопительный период;

z_ht – продолжительность отопительного периода, принимаемая равной периоду со средней суточной температурой воздуха не выше 8 ^оС. Ориентировочные данные для расчета G_d приведены в табл. П.2.

Нормативное значение R_req^** определяется исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий по формуле

R_req^**= n(t_int  – t_ext)/(Δt_nα_int), (2.2)

где n - коэффициент, учитывающий условия на наружной поверхности ограждения (принимается по табл. П.3);

t_int  - расчетная температура внутреннего воздуха,

t_ext - расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С;

Δt_n - нормируемый температурный перепад между воздухом в помещении и внутренней поверхностью ограждающей конструкции, принимаемый по табл. П.4.

α_int - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций принимаемый по табл. П.5.

2. Расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения Δt₀=t_int-τ_int не должен превышать нормируемых значений Δt_n, приведенных в табл. П.4.

3. Температура внутренней поверхности ограждения должна быть не ниже точки росы внутреннего воздуха при расчетной температуре наружного воздуха в зимний период.


2.3. Требования по теплоустойчивости ограждающих конструкций


Требования по теплоустойчивости в летний и зимний периоды года разные, что обусловлено различными причинами колебаний теплового потока через ограждение. В летний период колебания связаны главным образом с повышением температуры наружной поверхности ограждения днем (вследствие поглощения солнечной радиации) и охлаждением ее ночью. В зимний период колебания теплового потока вызваны неравномерным отоплением.

2.3.1. Требования в теплый период года. В районах со среднемесячной температурой июля 21 С и выше амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций A_τ^des не должна быть более нормируемой амплитуды A_τ^req, определяемой по формуле

A_τ^req = 2,5 - 0,1(t_ext - 21), (2.3)

где t_ext — среднемесячная температура наружного воздуха за июль, С, принимаемая согласно СНиП 23-01-99.

2.3.2. Требования в холодный период года. Расчетная амплитуда суточных колебаний результирующей температуры помещения A_t^des жилых и общественных зданий не должна превышать нормируемого значения A_τ^req, равного 1,5 ^оС при наличии центрального отопления, 2,5 ^оС при электроотоплении или 3 ^оС при печном отоплении.


2.4. Требования к влажностному режиму ограждающих конструкций


2.4.1. Сопротивление паропроницанию Ω_vp (м²·ч·Па/мг) ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее наибольшего из следующих нормируемых значений:

а) нормируемого сопротивления паропроницанию Ω_req^* (из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации), определяемого по формуле

; (2.4)

б) нормируемого сопротивления паропроницанию Ω_req^** (из условия ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха), определяемого по формуле

, (2.5)

где е_int — упругость водяного пара при расчетной температуре и влажности внутреннего воздуха, определяемая по формуле

е_int=(φ_int/100)E_int , (2.6)

где E_int – упругость насыщенного пара при расчетной температуре и влажности внутреннего воздуха;

φ_int – относительная влажность внутреннего воздуха;

Ω_e – сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции, расположенной между наружной поверхностью ограждающей конструкции и плоскостью возможной конденсации, определяемое в соответствии с п. 3.5.3;

e_ext - средняя за год упругость водяного пара наружного воздуха;

z₀ — продолжительность в сутках периода влагонакопления, принимаемая равной периоду с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха (ориентировочно можно принять z₀=0,35z_ht);

Е₀ — упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации, определяемая при средней температуре наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами (ориентировочно можно рассчитать при температуре t_ext);

 — плотность материала в зоне конденсации;

_W — толщина увлажняемого слоя ограждающей конструкции, принимаемая равной 2/3 толщины теплоизоляционного слоя многослойной ограждающей конструкции;

W_av — предельно допустимое приращение влажности материала (%) в зоне конденсации за период влагонакопления z_o. Для минераловатных плит W_av=3 %, для пенополистирола и пенополиуретана W_av=25 %.

Е — упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемая по формуле

E=(E₁z₁+Е₂ z₂+Е₃ z₃)/12, (2.7)

где E₁, Е₂, Е₃ — упругости водяного пара принимаемые по температуре в плоскости возможной конденсации, определяемой при средней температуре наружного воздуха соответственно в зимний (t_ext^зим), весенне-осенний (t_ext^в-о) и летний (t_ext^лет) период. Ориентировочно можно принять t_ext^в-о =(t_ext^зим + t_ext^лет)/2;

z₁, z₂, z₃ — продолжительность в месяцах зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов (ориентировочно можно принять z₁= z₃=3; z₂=6 мес.);

 — определяется по формуле

=0,0024(Е₀ -e₀^ext) z₀/Ω_e, (2.8)

где e₀^ext — средняя упругость водяного пара наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами (ориентировочно можно принять e₀^ext = e_ext^зим);

2.4.2. Сопротивление паропроницанию Ω_vp чердачного перекрытия или части вентилируемого покрытия, расположенной между внутренней поверхностью и воздушной прослойкой должно быть не менее нормируемого сопротивления паропроницанию Ω_req^***, определяемого по формуле.

Ω_req^***= 0,0012 (е_int -e₀^ext). (2.9)


3. РАСЧЕТ ТЕПЛО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ


3.1. Расчет сопротивления теплопередаче


3.1.1. Полное сопротивление теплопередаче R₀ (м²С/Вт) ограждающей конструкции следует определять по формуле

R₀ = 1/α_int+R₁ + R₂ + ... + R_n + R_вп+1/α_ext, (3.1)

где R₀ — термическое сопротивление всех слоев конструкции. Значение R₀ зависит от конструкции ограждения.

α_ext — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, принимаемый для зимних условий по табл. П.6.

R₁, R₂, ..., R_n — термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, определяемые по формуле

R=δ/λ, (3.2)

где δ — толщина слоя, м; λ— расчетный коэффициент теплопроводности материала данного слоя ;

R_вп — термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, принимаемое по табл. П.7 с учетом примечания.


Если воздушная прослойка вентилируется наружным воздухом, то при определении R₀ слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой, и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитываются.

3.1.2. Расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения Δt₀ определяется по формуле

. (3.3)

3.1.3. Температура внутренней поверхности ограждающей конструкции τ_int должна быть не ниже точки росы t_р внутреннего воздуха при расчетной зимней температуре наружного воздуха:

τ_int  t_р

Температуру внутренней поверхности τ_int, С, ограждающей конструкции (без теплопроводного включения) следует определять по формуле

τ_int= t_int –Δt₀. (3.4)

Точку росы t_р можно определить следующим образом. Действительная упругость водяного пара в помещении е_int определяется по формуле

е_int = φ_intЕ/100, (3.5)

где φ_int – относительная влажность воздуха в помещении; Е – парциальное давление насыщенного водяного пара, определяемое в зависимости от температуры воздуха по графику зависимости Е=f(t). Данные для построения графика приведены в табл. П.8. Далее, по тому же графику, находим температуру t_р, при которой пар, имеющий найденное значение упругости е_int, является насыщенным.


3.2. Определение тепловой инерции ограждающих конструкций


3.2.1. Коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения. Свойство поверхности ограждения в большей или меньшей степени воспринимать тепло при периодических колебаниях теплового потока называется теплоусвоением.

Пусть в результате колебаний тепловой мощности отопителя W (Вт) тепловой поток q изменяется во времени по синусоидальному закону с периодом Z, и амплитудой A_q (в пределах от максимального значения q_max=q+A_q, до минимального значения q_min= q–A_q). Колебания теплового потока вызывают в свою очередь колебания температуры (также синусоидальные) с амплитудой А_τ и с тем же периодом Z на внутренней поверхности ограждения (рис. 3.1). Отношение амплитуды колебания теплового потока q через ограждение A_q к амплитуде колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения А_τ, вызванных колебаниями q, носит название коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_int:

Y_int= A_q/А_τ. (3.6)

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения имеет размерность Вт/(м²°С) и представляет собой амплитуду колебаний теплового потока, вызывающего колебания температуры внутренней поверхности ограждения с амплитудой в 1°С.

3.2.2. Коэффициент теплоусвоения материала. Если ограждение выполнено из одного материала и имеет очень большую толщину, то теплоусвоение его внутренней поверхности при заданном периоде колебания температуры будет зависеть только от свойств этого материала. В этом случае теплоусвоение представляет физи­ческую характеристику материала ограждения и носит название коэф­фициента теплоусвоения материала s, значение которого можно найти по формуле:

, (3.7)

где λ – коэффициент внутренней теплопроводности; с – удельная теплоемкость; γ – объемная масса материала.

Формула (3.7) показывает, что наибольшее теплоусвоение имеют тяжелые материалы с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, такие как сталь, гранит, мрамор, железобетон, а наименьшее – легкие теплоизоляционные материалы: стекловолокнистые плиты, пенополистирол и др.

3.2.3. Слой резких колебаний. Колебания температуры на поверхности ограждения вызывают в свою очередь затухающие и запаздывающие во времени колебания температуры в толще ограждения. На рис. 3.2 линия τ_int–τ_ext изображает падение температуры в толще ограждения при стационарном тепловом потоке, пунктирные линии выше и ниже этой прямой – огибающие температурных колебаний в толще ограждения. По мере удаления от внутренней поверхности амплитуда колебаний постепенно уменьшается и на расстоянии d составляет половину максимального значения А_τ. Слой ограждения, толщиной d, в котором амплитуда колебаний температуры составляет величину не ниже А_τ/2 называется слоем резких колебаний.

3.2.4. Тепловая инерция. Запаздывание температурных колебаний во времени приводит к тому, что с изменением расстояния от внутренней поверхности изменяется их фаза. На рис. 3.2 сплошная жирная линия показывает распределение температуры по толщине ограждения в момент времени, соответствующий максимальной температуре внутренней поверхности τ_int+А_τ. В этот момент, например, температура в точке 1 минимальна, а в точке 2 наоборот максимальна. В точке 2 отставание равно целому периоду колебаний Z или длине волны L. Чем выше отношение δ/L, то есть чем большеe число волн укладывается по толщине ограждения, тем выше его тепловая инерция.

Показатель тепловой инерции ограждения D пропорционален числу длин волн с коэффициентом пропорциональности около 8,5, то есть D=8,5δ/L. При D<8.5 в ограждении располагается меньше одной длины волны, при D>8.5 – более одной длины волны.

Для однородного однослойного ограждения D=Rs.

Для многослойной ограждающей конструкции

D = R₁s₁ + R₂s₂ +...+ R_ns_n, (3.8)

где R₁ , R₂ ,..., R_n - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции.

s₁, s₂,..., s_n - расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, определяемые по формуле (3.7).

Примечания: 1. Расчетный коэффициент теплоусвоения воздушной прослойки принимается равным нулю

2. Слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитываются.

Показатель тепловой инерции зависит от периода колебаний теп­лового потока, так как значение s , входящее в формулу (3.8) зависит от Z . С уменьшением периода колебания теплового потока увеличивается показатель тепловой инерции ограждения (уменьшается длина темпера­турной волны, соответственно растет число волн, располагающихся в ограждении) и температурные колебания затухают быстрее.

Для слоя резких колебаний D=1 и, следовательно в нем располагается 1/8,5 длины волны, то есть d=0,118L.

3.2.5. Толщина слоя резких колебаний. На величину коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности

ограждения Y_int влияют только теплотехнические свойства материалов ограждения, расположенных в слое резких колебаний, толщину которого d для однослойного ограждения можно найти, если в выражение D=Rs=1 подставить значение термического сопротивления слоя резких колебаний R=d/λ и решить его относительно d. Получим

d=λ/s, (3.9)

где λ и s – коэффициенты теплопроводности и теплоусвоения материала в слое резких колебаний.

Толщина слоя резких колебаний d уменьшается при уменьшении периода колебаний теплового потока Z и увеличивается с увеличением Z.


3.3. Определение коэффициентов теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_int

В зависимости от расположения границы слоя резких колебаний в ограждении при определении Y_int могут встретиться следующие случаи.

3.3.1. Показатель тепловой инерции первого слоя D₁1. Следовательно, слой резких колебаний полностью расположен в первом слое ограждения, толщиной δ₁ (dδ₁). На теплоусвоение внутренней поверхности ограждения материалы остальных слоев влияния не оказывают, и теплоусвоение внутренней поверхности ограждения Y_int будет равно коэффициенту теплоусвоения материала первого слоя s₁, т.е. Y_int =s₁.

3.3.2. D₁<1, a D₁+ D₂ 1. Слой резких колебаний расположен в двух первых слоях ограждения (δ₁< d  δ₁+ δ₂). При этом на Y_int оказывает влияние также и второй слой ограждения. Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения определяется по формуле

. (3.10)

3.3.3. D₁+ D₂+…+ D_n-1<1, a D₁+ D₂+…+ D_n 1. Слой резких колебаний захватывает несколько слоев огражде­ния, т.е. граница его находится в некотором n-ном слое ограждения (δ₁+ δ₂+…+ δ_n-1< d  δ₁+ δ₂+…+ δ_n).

Определение теплоусвоения начинается с внутрен­ней поверхности n-1 слоя по формуле

. (3.11)

Затем находят теплоусвоение внутренней поверхности n-2 слоя по формуле

. (3.12)

Аналогично определяют коэффициент теплоусвоения n-3 слоя Y_n-3 и т.д. до первого слоя, теплоусвоение ко­торого Y₁ и будет равно теплоусвоению внутренней поверхности ограждения Y_int.

. (3.13)

3.3.4. D<1.Слой резких колебаний выходит за пределы ограждения, т.е. граница его находится вне ограждения (d>δ). Тогда сначала определяют теплоусвоение внутренней поверхности последнего слоя ограждения (наружного слоя) по формуле

, (3.14)

где _Н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения.

3.3.5. D_i=0. Если отдельный слой ограждения или часть ограждения практи­чески не обладает тепловой инерцией (окно, воздушная прослойка и т.п.), то коэффициент теплоусвоения материала (воздуха) такого слоя s принимается в расчетах равным 0.

Теплоусвоение внутренней поверхности ограждения будет зави­сеть от порядка расположения слоев в нем. При расположении у внутренней поверхности ограждения материалов с большим коэффициентом теплоусвоения s повышается теплоусвоение внутренней поверхности ограждения Y_int , и, наоборот, при расположении у внутренней поверхности ограждения материалов с малым s снижается и величина Y_int.

3.4. Расчет теплоустойчивости помещений

3.4.1. Различают теплоустойчивость ограждения и теплоустойчивость помещения.

Теплоустойчивостью ограждения называют его способность гасить колебания температуры внутренней поверхности τ_int, а теплоустойчивостью помещения – способность гасить колебания температуры внутреннего воздуха t_int при периодически изменяющихся тепловых потоках.

3.4.2. Для обеспечения комфортных условий амплитуда колебаний температуры в помещении A_t не должна превышать допустимого предела, в качестве которого можно принять для суточного колебания (Z=24 ч) A_τ^req=1,5 ^оС при центральном отоплении и A_τ^req=3 ^оС при печном отоплении.

3.4.3. Колебания теплоотдачи нагревательного прибора оценивается его коэффициентом неравномерности m:

, (3.15)

где W_max, W_min и W – соответственно максимальная, минимальная и средняя мощность (количество теплоты, отдаваемое в единицу времени) нагревательного прибора в Вт.

Значения m принимается равным:

- при центральном отоп­лении – 0,1;

- при печном отоп­лении – 0,5.

3.4.4. Линия τ -τ на рис. 3.1 показывает среднее значение температуры внут­ренней поверхности ограждения за период времени Z. Эта темпера­тура соответствует стационарному тепловому потоку q при данных темпе­ратурах внутреннего t_int и наружного t_ext воздуха. Поэтому среднее значение теплового потока q, проходящего через ограждение, можно найти по формуле:

q = (t_int – t_ext)/R₀ , (3.16)

где t_int и t_ext - средние значения температуры внутреннего и наружного воздуха за период Z.

3.4.5. Теплота, выделяемая отопительным прибором, проходит через поверхности всех конструкций, ограждающих помещение, каждая из которых обладает своими теплофизическими характеристиками. Количество теплоты W распределится между ними в виде тепловых потоков q_i, пропорционально их площадям F_i и разностям температур на внутренней и наружной поверхностях и обратно пропорционально их термическим сопротивлениям. Можно записать для теплового потока через ограждение

W = Σq_i F_i.

Пусть через наше ограждение проходит часть теплоты nW=qF, где n – число меньше 1; q – тепловой поток через ограждение; F – площадь ограждения.

Для коэффициента неравномерности отдачи тепла отопительным прибором m можем записать

.

Откуда

A_q=mq (3.17)

Поскольку A_q=(q_max-q_min)/2, а q_max=_int(t_int ^max - τ_int ^max), q_min=_int (t_int ^min- τ_int ^min), то

A_q=[_int (t_int ^max- τ_int ^max)– _int (t_int ^min- τ_int ^min)]/2=_int [(t_int ^max- t_int ^min)–( τ_int ^max - τ_int ^min)]/2

A_q=_int (A_t – A_τ). (3.18)


Из формулы (3.6) имеем:

A_τ = A_q/Y_int.

Подставляя значение A_τ в уравнение (3.18) получим

A_q=_intA_t – _intA_q/Y_int).

Решая полученное уравнение относительно A_t, будем иметь

A_t= A_q(1/_int +1/Y_int)= A_q/В. (3.19)

Величина В=1/(1/_int +1/Y_int) носит название коэффициента теплопоглощения поверхности ограждения.

Подставим в (3.19) выражение для A_q, заменив в нем q согласно уравнению (3.16) и окончательно получим

A_t= m (t_int – t_ext)/ВR₀. (3.20)

Результат, получаемый по формуле (3.20) является приближенным, так как при выводе уравнения (3.20) был принят ряд упрощающих допущений. Так, например, теплообмен рассматривался без разделения на конвективную и лучистую составляющие. Не принимался во внимание сдвиг фаз между колебаниями теплового потока и температуры воздуха, не учитывалось наличие в помещении оборудования, мебели, влияние воздухообмена и др.

3.4.6. Для повышения теплоустойчивости помещений применяют следующие меры:

1) повышают теплоустойчивость ограждений (Y_int);

2) снижают коэффициент теплопоглощения солнечной радиации на­ружной поверхности ограждения (применением светлых окрасок);

3) защищают наружные ограждения от солнечных лучей (устройством навесов, зеленых насаждений и пр.);

4) применяют чердачные конструкции или конструкции с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом.

3.5. Влажностный режим материалов в ограждающих конструкциях

При проектировании зданий и сооружений следует предусматривать гидроизоляционную защиту внутренней и наружной поверхности стен от воздействия влаги с учетом применяемых материалов, и условий эксплуатации.

В многослойных наружных стенах производст­венных зданий с влажным или мокрым режимом помещений допускается предусматривать устрой­ство вентилируемых воздушных прослоек, а при непосредственном периодическом увлажнении стен помещений — устройство вентилируемой прослойки с защитой внутренней поверхности от воздействия влаги.

В наружных стенах зданий и сооружений с сухим или нормальным режимом помещений допус­кается предусматривать невентилируемые (замкну­тые) воздушные прослойки и каналы высотой не более высоты этажа и не более 5 м.

3.5.1. Влияние влаги на ограждения и причины ее появления. С увеличением влажности строительных материалов снижаются их теплозащитные свойства, возрастает вероятность развития в них грибков и плесеней, снижается долговечность ограждения. Сырость в жилых помещениях служит причиной ряда заболеваний. Влага в ограждения может попадать либо при непосредственном контакте с водой, либо в результате сорбции влаги из воздуха (гигроскопическая влага). Влага, попадающая в материал в виде жидкой фазы, может иметь следующее происхождение:

1. быть внесенной при возведении здания (строительная влага);
   
2. проникать из грунта вследствие капиллярного подсоса (грунтовая влага);
   

3) проникать за счет осадков (атмосферная влага);

4) быть внесенной при технологическом процессе в цехах промышленных предприятий, предприятий бытового обслуживания и т. п. (эксплуатационная влага);

5) проникать в результате при­готовления пищи, мытья полов, стирки белья и т. д. (бытовая влага).

Главной причиной многочисленных повреждений, связанных с увлажнением конструкций, является не проникание дождевой воды или дефекты трубопроводов, а конденсация водяного пара.


3.5.2. Конденсация водяного пара. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара, которое характеризуют следующими параметрами: абсолютной и относительной влажностью и упругостью водяных паров.

Абсолютная влажность (влагосодержание) воздуха f (г/м³) - это количество граммов водяного пара, содержащегося в I м³ влажного воздуха. Согласно закону Дальтона, объем каждого компонента в газовой смеси равен объему всей смеси; следовательно, f численно равна плотности водяного пара в г/м³.

При данной температуре существует предел влагосодержания f_max, при достижении которого воздух оказывается насыщеным водяными парами, а пар в этом случае называется «насыщенным паром». Давление Е и плотность f_max насыщенного пара не изменяются при сжатии (часть пара переходит в жидкое состояние) и определяется только температурой.

Относительная влажность воздуха φ выражает степень насыщения воздуха паром и представляет собой отно­шение абсолютной влажности f к макси­мально возможному насыщению f_max, при данной температуре:

φ=(f /f_max) ·100 % (3.21)

или, с известным приближением,

φ=(е/Е) ·100 %, (3.22)

где e – упругость водяного пара.

Упругость водяного пара - это парциальное давление водяных паров e (мм рт.ст. или Па), которое приблизительно прямо пропорционально плотности водяных паров в воздухе (абсолютной влажности воздуха) и абсолютной температуре Т. Как известно, атмосферное давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара.

Максимально возможное значение упругости водяного пара E, соответствует полному насыщению воздуха f_max при данной температуре. Величина E (или f_max) зависит только от температуры. С повышением температуры на 10 ^оС значение Е уве­личивается примерно вдвое (рис. 3.3). Если при данной абсолютной влажности f (или данной упругости e ) температура воздуха повысится, то его относительная влажность φ понизится, так как возрастет величина f_max (или E ). При отрицательных температурах вода может находиться либо в жидкой (переохлажденная вода), либо в твердой фазе (лед). Давление насыщенного водяного пара над переохлажденной водой больше, чем надо льдом. Парообразная влага в замороженных влажных материалах мигрирует в области более низкого давления, то есть – из мелких пор в крупные, где образование льда происходит при более высоких температурах. В мелких порах вода, благодаря особым ее свойствам в тонких адсорбционных слоях, может оставаться в переохлажденном состоянии при очень низких (отрицательных) температурах. В области температур и парциальных давлений (упругостей водяного пара) выше кривой (см. рис. 3.3) влага не может существовать в форме пара. При достижении этой области, например, в результате охлаждения влага начнет выделяться из воздуха в жидком состоянии (конденсироваться), что приведет к снижению упругости водяного пара до значения E. При этом воздух будет сохранять насыщенное состояние, при котором абсолютная влажность равна f_max, а относительная – 100 %. Та температура, до которой нужно охлаждать влажный ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным, называется точкой росы. Таким образом кривая на рис. 3.3 дает значения точек росы при различных температурах и упругостях водяного пара.

От относительной влажности воздуха зависит интенсивность испа­рения влаги телом человека. Нормальной для постоянного пребывания че­ловека считается относительная влажность воздуха в пределах 30-60 %. При охлаждении воздуха увеличивается его относительная влажность вследствие уменьшения величины Е, и когда Е станет равно е относительная влажность воздуха будет φ=100 %, т.е. воздух дос­тигнет полного насыщения водяным паром. Эта температура носит назва­ние точки росы и обозначается t_p . Если продолжать охлаждение воз­духа ниже точки росы, то упругость водяного пара, содержащегося в нем, будет понижаться соответственно значениям Е для данной температуры и излишнее количество влаги будет конденсироваться, т.е. превращаться в капельножидкое состояние. Такое явление наблюдается в природе в виде туманов. Относительная влажность воздуха неодинакова по высоте помещения, а уменьшается в его верхних слоях вследствие повышения температуры воздуха по высоте помещения по мере приближения к потол­ку.

При расчете ограждения необходимо обеспечить его внутренней по­верхности такую температуру, которая была бы не ниже точки росы для данной влажности воздуха. Значения относительной влажности воздуха в помещении для этих расчетов берутся по максимальной величине допускаемой в них влажности. Для жилых помещений принимается φ=55 %, для общественных зданий φ=50 %. Для промышленных зданий и по­мещений специального назначения относительная влажность воздуха бе­рется на основании соответствующих данных.

Во избежание конденсации влаги на внутренней поверхности ограж­дения достаточно повысить температуру поверхности выше точки росы, что может быть достигнуто увеличением сопротивления теплопередаче ограждения R₀ или уменьшением сопротивления тепловосприятию R_int пу­тем усиления интенсивности движения воздуха около поверхности ограж­дения. На этом основано применение вентиляторов около наружных сте­кол витрин в магазинах для устранения конденсации влаги на их поверх­ности. Наоборот, повышение R_int может стать причиной появления кон­денсата на внутренней поверхности ограждения, что обычно наблюдается в местах, где наружные стены оказываются закрытыми мебелью и ковра­ми.

Если влажность воздуха в помещении оказывается очень высокой, например бани, бассейны, оранжереи и т.д., где она может достигать 90 - 95 %, температура точки росы оказывается близкой к температуре внутреннего воздуха. В этом случае приходится мириться с тем, что влага будет конденсироваться на поверхности ограждения, однако, что­бы влага не впитывалась в штукатурку и не накапливалась в толще ограждения, внутреннюю поверхность де­лают водонепроницаемой.

Если условия конденсации наступают редко и действуют непродолжительно, то влага, впитанная верхним слоем ограждения, успевает испариться, когда условия конденсации исчезнут. Таким образом, пористая штукатурка является как бы автоматическим регулятором влажностного режима внутренней поверхности ограждения. Однако, если конденсация влаги продолжается долго, пористая штукатурка становится сырой и для высыхании ее требуется много времени.


3.5.3. Паропроницаемость. Количество пара Р, проникающего через слой материала, толщиной δ, площадью F, за время z определяется по формуле

P=(е_int - е_ext)Fz/δ, (3.23)

где  – коэффициент паропроницаемости, (е_int - е_ext) – разность упругостей водяного пара с внутренней и наружной стороны ограждения.

Коэффициент паропроницаемости  для различных материалов приведен в Приложении в мг/(мчПа). В этих единицах  есть количество водяного пара в миллиграммах, проходящее через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м², в течение 1 ч, при разности упругостей водяного пара 1 Па.

Сопротивление слоя материала паропроницанию Ω (Пачм²/ г) определяет­ся по формуле

Ω = δ/, (3.24)

где δ - толщина слоя, м.

Сопротивление паропроницанию показывает, какую необходимо соз­дать разность упругостей водяного пара (Па) на поверхностях слоя, чтобы через I м ² его диффундировал поток пара, равный I г в 1 ч. Полное сопротивление ограждения потоку диффундирующего через него во­дяного пара будет равно сумме сопротивлений отдельных слоев:

Ω ₀ = Ω_int+ Ω ₁+ Ω ₂+…+ Ω _n+ Ω _ext = Ω _ВП+ δ₁/₁ + δ₂/₂ +…+ δ_n/_n + Ω _ext. (3.25)

Здесь Ω ₁, Ω ₂,… - сопротивление паропроницанию отдельных слоев ограждения,

n - число всех слоев ограждения;

Ω_int и Ω_ext - сопротивление влагообмену соответственно внутренней и наружной поверхности ограждения.

Для практических расчетов можно принимать Ω _int = 26,6, а Ω _ext = 13,3 Пачм²/ г.

Вследствие сопротивления материала паропроницанию упругость водяного пара, по мере его проникания в толщу материала будет понижаться от е_int до е_ext. В пределах одного однородного слоя ограждения это падение происходит по линейному закону. При многослойном ограждении график падения е будет ломаной линией, для построения которой определяют значения упругости водяного пара на границах слоев по формуле

е_n = е_int – (е_int – е_ext)Σ Ω _n-1/Ω ₀, (3.26)

где е_n - упругость водяного пара на внутренней поверхности любого n-ного слоя;

Σ Ω _n-1 - сумма сопротивлений паропроницанию n-1 первых слоев ограждения, считая от его внутрен­ней поверхности, включая и сопротивление влагообмену у внутренней поверхности Ω _int.

Все приведенные выше формулы справедливы только при отсутствии конденсации пара внутри материала.


3.6. Расчет конденсации влаги в ограждении

Расчет конденсации влаги в ограждении делается обычно графоаналитическим способом. Рассмотрим этот способ сначала на примере однослойного ограждения. В ограждении строится линия падения температуры t, линия изменения максимальной упругости водяного пара Е и линия падения упругости водяного пара е (рис. 3.4). Если линия падения упругости водяного пара е лежит ниже линии максимальной упругости Е и не пересекается с ней, то конденсация пара исключена.

Если линии е и Е пересекаются, то возможна конденсация водяного пара в толще ограждения, в тех местах, где линия е лежит выше линии Е (рис. 3.5).

Прямая пунктирная линия е_р, соединяющая точки е_int и е_ext, соответствующие упругостям водяного пара на поверхностях стены, необходима для предварительной оценки возможности конденсации. Эта линия является прямой в соответствии с формулой (3.23), однако, как уже было отмечено, эта формула справедлива только при отсутствии конденсации. В действительности невозможно чтобы линия е располагалась выше линии Е, так как происходящая конденсация понижает упругость пара е до значения Е. Если линию е провести через точки е_int acdbе_ext, то в точках a и b наблюдается перелом линии, что также противоречит физическому смыслу. Согласно формуле (3.23) Р пропорционально тангенсу угла наклона линии е к горизонтали и, следовательно, к точке а будет слева притекать меньшее количество пара, чем уходить вправо.

Для построения действительной линии падения упругости водяного пара е_д при конденсации влаги проводят из точек е_int и е_ext, прямые, касательные к линии максимальной упругости пара Е в точках c и d, Полученная линия е_intcdе_ext и будет линией действительного падения упругости водяного пара в стене. На прямолинейных участках этой линии е_intc и dе_ext падение упругости водяного пара происходит только вследствие сопротивления паропроницанию материала стены, а на криволинейном участке cd – в результате конденсации пара в жидкость. Плоскости, параллельные поверхностям стены и проходящие через точки c и d, выделяют зону конденсации, толщиной δ_К.

Количество сконденсировавшейся влаги определим следующим образом. Разделим толщину ограждения на три зоны: 1) внутренняя сухая зона, толщиной δ_В; 2) наружная сухая зона, толщиной δ_Н ; 3) зона конденсации, толщиной δ_К .

Обозначим буквой р поток пара через ограждение, т.е. количество пара, проходящее через единицу площади ограждения в единицу времени. Тогда потоки пара через зоны 1 и 2 равны:

p₁=(е_int - e_c)/δ_В; p₂=(e_d - е_ext)/δ_Н . (3.27)

Упругость e_c и e_d водяного пара в точках с и d равна соответствующим значениям Е.

Количество конденсирующейся влаги в единицу времени на 1 м² поверхности ограждения равно

p_ω= p₁ – p₂. (3.28)

Количество влаги, сконденсировавшейся за время конденсации z_к равно p_ωz_к.

Для определения количества высыхающей влаги в летний период в пределах зоны конденсации принимаем е=Е_К независимо от относительной влажности внутреннего и наружного воздуха, где Е_К – упругость насыщенного водяного пара, соответствующая максимальной температуре в зоне конденсации.

Определяем p₁ и p₂:

p₁=(е_int - Е_К)/δ_В; p₂=(Е_К - е_ext)/δ_Н. (3.29)

Если е_int>Е_К, но p₁₂, то высыхание будет идти только с наружной поверхности. Тогда

p_выс= p₂ – p₁. (3.30)

Если е_int<Е_К>е_ext, то высыхание будет идти в обоих направлениях. Тогда

p_выс= p₁+ p₂. (3.31)

Можно определить время, требуемое для удаления из ограждения влаги, сконденсировавшейся в нем в течение зимнего периода:

z_выс=p_ωz_к/p_выс. (3.32)

В случае многослойных ограждений линия е является ломаной. Чтобы этого избежать ограждение вычерчивают в масштабе сопротивлений паропроницанию его слоев и точки е_int и е_ext также соединяют прямой линией.

Расчет проводим в следующей последовательности:

1. Строим линию t (рис. 3.6), для чего находим температуры на границах слоев, пользуясь следующими уравнениями:

(τ_int–t₁₂)/R₁=(t₁₂–t₂₃)/R₂=(t₂₃–t₃₄)/R₃=

(t₃₄–τ_ext)/R₄= τ_int–τ_ext)/R₀. (3.33)

Полученные точки соединяем отрезками прямой.

2. Строим линию Е, пользуясь значениями температуры, снятыми с линии t.

3. Строим линию е, для чего из точек е_int и е_ext проводим касательные к линии Е в точках с и d.

4. Находим количество сконденсировавшейся влаги за наиболее холодный зимний месяц (январь), для чего вычисляем количество (поток) водяного пара, проходящего через внутреннюю су­хую зону р₁, и через наружную сухую зону р₂ по формулам:

p₁=(е_int -e_c)/Ω _пВ; p₂=(e_d- е_ext)/Ω _пН, (3.34)

где Ω_пВ - сумма сопротивлений паропроницанию слоев, начиная от внутренней поверхности ограждения до зоны конденсации; Ω_пН - сумма сопротивления паропроницанию слоев от зоны конденсации до наружной поверхности.

Разность этих количеств p_ω=p₁–p₂ даст количество влаги, конденсирующейся в ограждении за единицу времени. Умножив р_ω на продолжительность рассматриваемого периода получим количество влаги, конденсирующейся в I м² ограждения за весь период.

В многослойных ограждениях влажностный режим зависит от порядка расположения слоев. Поменяем местами слои 2 и 3, то есть теплоизоляционный слой разместим снаружи помещения. Как это видно из рис. 3.7, конденсация влаги в этом случае отсутствует. Следовательно, чтобы избежать конденсации влаги или снизить вероятность ее возникновения, слои ограждения следует располагать (если это возможно) в порядке возрастания их сопротивлений теплопередаче от внутренней поверхности к наружной (R₁<R₂<R₃…). Такое расположение слоев повышает и теплоустойчивость ограждения.

На рис. 3.8 показаны два варианта двухслойной конструкции ограждения, различающихся расположением гидроизоляционного паронепроницаемого слоя на внешней и внутренней поверхности ограждения. Расположение линий е и Е на рис. 3.8 показывает, что на влажностный режим ограждения ока­зывает влияние также порядок расположения слоев в зависимости от их паропроницаемости. Для защиты ограждения от конденсации в нем влаги необходимо паронепроницаемые слои располагать у внутренней поверхности ограждения, а паропроницаемые слои - у наружной его поверхности.