Основы строительной теплотехники

Введение

Строительная физика, совокупность научных дисциплин (разделов прикладной физики), рассматривающих физические явления и процессы, связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, и разрабатывающих методы соответствующих инженерных расчётов. Основными и наиболее развитыми разделами строительной физики являются строительная теплотехника, строительная акустика, строительная светотехника, изучающие закономерности переноса тепла, передачи звука и света с целью обеспечения в зданиях (сооружениях) необходимых температурно-влажностных, акустических и светотехнических условий.

Строительная теплотехника – наука, изучающая процессы, происходящие в ограждающих конструкциях при передаче теплоты.

Задачи строительной теплотехники:

-достаточные теплоизоляционные  параметры наружного ограждения, обеспечивающие комфортную температуру  внутри помещения. Для этого определяют  сопротивление теплопередаче Rтр для конструкции в зависимости от климатического района и назначения

-нормативный перепад между температурой  внутреннего воздуха и температурой  внутренней поверхности ограждения (в пределах 6-12оС)

-исключение появления конденсата  на внутренней поверхности ограждения.

-достаточное сопротивление воздуха  к паропроницанию.

 

 

Основы строительной теплотехники  

Строительная теплотехника включают в себя следующее:

• Инсоляция – естественное освещение солнечными лучами.

Инсоляция оказывает воздействие на микроклимат, степень освещенности, гигиенические качества помещений и имеет важное значение для архитектурной выразительности здания

При проектирования зданий не желательные явления:

- резкая  контрастность освещенности; для  зрительной работы прямые солнечные лучи, падающие под углом 30о и отраженные под углом 45-60о считаются вредными

-перегрев  помещения.

В связи с этим регламентируется продолжительность инсоляции в зависимости от климатического района, назначения помещения.

В жилых помещениях инсоляция должна быть не менее 2.5ч.

В соответствии со СНиПом территория нашей страны поделена на 4 климатических района: холодный, умеренный, теплый, жаркий. В каждом районе подрайоны: в холодном-5, в умеренном-4, в теплом-3, в жарком-4.

Рекомендуемые формы зданий: на севере- прямоугольные, замкнутые, на юге - более сложные формы с выступающими лоджиями и т.д.

Ориентация в зоне А (320-40) не благоприятная для всех климатических районов, т.к. отсутствует инсоляция.

Зона Б 200-290- оптимальна, но не для южных районов из-за возможности перегрева, и 40-200; 290-320

Если квартира выходит на одну сторону здания ее нельзя ориентировать на сектор А во всех климатических районах, а на сектор Б для 3 и 4 районах.

При двусторонней ориентации квартиры на сектора А и Б должно быть обращено не более 1 жилой комнаты в 2х комнатной квартире, 2х комнат в 4х комнатной квартире, 3х в 5-ти комнатной. В общежитиях для всех районов на сектор А д.б. не более 40% площади комнат.

На продолжительность инсоляции размеры окон не оказывают влияние, а количество лучистой энергии зависит от размеров окон. 

 

• Светотехника. Для освещения помещений дневным светом применяют: боковое освещение через окна, верхнее с помощью фонарей, комбинированное. Существует два способа нормирования освещения – геометрическое, светотехническое.

Геометрический метод заключается в том, что площадь окон зависит от площади пола

Sок=1/5.5*1/8 Sп

Светотехнический заключается в определении коэффициента естественного освещения (КЕО). Это выраженное в процентах отношение освещенности в данной точке к освещенности условной наружной точки, находящейся на горизонтальной плоскости, освещенной равномерно отраженным светом небосвода

Значения требуемого КЕО с разным характером работы регламентируются нормативными данными.

В соответствии с теплотехническими требованиями ограждающие конструкции должны обладать теплозащитными свойствами:

• температура на внутренней поверхности не должна значительно отличаться от температуры внутреннего воздуха помещения (чтобы вблизи ограждения не ощущалось холода, а на поверхности его не образовывался конденсат);
• обладать достаточной тепловой инерцией (теплоустойчивостью), чтобы колебания наружной температуры возможно меньше отражались на температуре внутри помещений;
• быть стойкими к увлажнению и сохранять нормальную влажность, так как избыточное увлажнение ухудшает теплозащитные свойства и уменьшает долговечность конструкции;
• воздухопроницаемость ограждения не должна превышать допустимого предела.

Теплозащитные свойства ограждения зависят от теплопроводности материала. Коэффициентом теплопроводности называется то количество тепла, которое проходит через слой материала площадью 1 м2, толщиной 1 м за 1 ч при разности температур его поверхности в 1°. Количество тепла, проходящее при тех же условиях через слой материала называется коэффициентом теплопередача слоя. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, характеризующая сопротивляемость слоя прохождению через него тепла, называется термическим сопротивлением слоя.

Сопротивление теплопередачи является основным теплотехническим показателем ограждения. Есть материалы, которые со временем изменяют свой коэффициент теплопроводности из-за усадки и уплотнения (например, войлок, минераловатные плиты и др.). Для таких материалов вводят повышающий коэффициент.

Существует еще один вид термического сопротивления ограждения. Внутренняя поверхность ограждения всегда немного холоднее, чем воздух в помещении, а наружная - всегда немного теплее, чем воздух на улице. Этот вид сопротивления теплопередачи получил название поверхностного. Падение температуры внутри отдельного слоя происходит равномерно по закону прямой линии, поэтому распределение температуры в ограждении можно легко изобразить графически (рис. 1).

 

Рис. 1. Распределение температуры внутри двухслойного ограждения 

Воздушная прослойка в ограждении является эффективным средством теплозащиты. Именно поэтому проектируют двойное остекление и даже тройное для суровых северных условий. Но воздушная прослойка эффективна лишь в том случае, если в ней не будет движения частиц воздуха. Для этого необходимо пространство прослойки изолировать от наружного и внутреннего воздуха, т. е. сделать герметичным. Расстояние между стеклами обычно не более 100 мм. При большей толщине прослойки значительно усиливается циркуляция воздуха (у поверхности внутреннего стекла возникают токи частиц воздуха вверх, у поверхности наружного - вниз), и эффект теплозащиты сводится к нулю.

При проектировании ограждающих конструкций необходимо помнить о так называемых «мостиках холода». Мостики холода, или температурные мостики, получаются, когда в ограждение вкрапливается элемент из другого материала с большей теплопроводностью. Железобетон и металл имеют большую теплопроводность, чем кирпич. Втапливание железобетонной или металлической колонны в толщину кирпичной стены создает условия для интенсивного прохода в этом месте тепла или холода. Чтобы зимой не было промерзания, необходимо мостик холода ликвидировать, проложив слой эффективного утеплителя. Подвержены промерзанию и углы здания, так как в этом месте охлаждающаяся наружная поверхность стены значительно больше внутренней, которая воспринимает тепло. Конструктивные приемы, предупреждающие местное промерзание стен, показаны на рис. 2.

Температурный перепад между температурами воздуха в помещении и внутренней поверхностью ограждения имеет большое санитарно-гигиеническое значение. Этот перепад (Д/) нормируется в зависимости от назначения помещений. Особенно большое значение этот перепад имеет для жилых комнат, для помещений, где рабочие места находятся вблизи наружных стен, для детских учреждений и т. д. Для стен Д/ допускается большим, чем для потолков и полов. При холодном потолке возникают токи холодного воздуха вниз. Большие перепады температур вызывают простудные заболевания и понижают комфортность помещения.

Теплоустойчивость конструкций имеет большое значение при изменениях температуры наружного воздуха. Колебания наружной температуры вызывают колебания температуры внутреннего воздуха. Эти колебания внутренних температур зависят от теплоустойчивости или от тепловой инерции ограждения. Само слово «инерция» говорит о стремлении тела сохранить свое первоначальное состояние, в данном случае температуру. Чем больше инерция, тем труднее изменить это первоначальное состояние.

Так, кирпичные массивные стены долго сохраняют свою «летнюю» температуру и не чувствительны к резким и кратковременным перепадам температуры наружного воздуха в осенний период. Но зато промерзшие кирпичные стены очень долго надо прогревать, чтобы получить нормальные условия для проживания. Стены из легкобетонных панелей не обладают такой тепловой инерцией. Вот почему летом, при выключенных системах отопления, в панельных домах душно, а в кирпичных - прохладно. 

Рис. 2. Конструктивные решения по предупреждению промерзания стен: 1 - местное утолщение стены; 2 - слой эффективного утеплителя

Влажностный режим ограждения также одно из условий его долговечности и нормальной эксплуатации. В толщу ограждения влага может попадать различными путями. Во время кладки стен влага заносится с влажными материалами, в основном с растворами; дожди увлажняют поверхность стен; грунтовая сырость, поднимаясь по капиллярам стенового материала, увлажняет его. Перед эксплуатацией кирпичный дом просушивают; чтобы не допустить грунтовую влагу в толщу стены, устраивают гидроизоляцию. Существуют два вида увлажнения, которые происходят постоянно при эксплуатации здания. Это гигроскопическая и конденсационная влага.

Воздух всегда содержит некоторое количество водяных паров. Количество влаги называется абсолютной (фактической) влажностью воздуха. Абсолютная влажность при неизменной температуре не может превышать некоторого предела насыщения, который тем больше, чем выше температура воздуха. Это значит, что теплый воздух может быть более насыщен парами влаги, чем холодный. 
Процентное отношение фактической (абсолютной) влажности к насыщающему количеству при той же температуре называют относительной влажностью воздуха.

Относительная влажность воздуха в помещении от 50 до 60% называется нормальной. При повышении температуры воздуха его относительная влажность уменьшается, при понижении возрастает и может достигать 100%. В этот момент фактическая влажность станет равна насыщающему количеству.

Температура, при которой относительная влажность достигнет предела насыщения, называется точкой росы. При дальнейшем понижении температуры избыток влаги будет выделяться в виде конденсата. Конденсат выпадает в первую очередь на более охлажденных поверхностях, например в углах помещений. Конденсат выпадает и на более холодных стеклах окон в виде запотевания или наледи. Запотевание может быть столь интенсивным, что вызывает капель, которая становится причиной загнивания деревянных переплетов. Чтобы ликвидировать запотевание внутренних стекол окон, достаточно увеличить воздухообмен, т, е. проветрить комнату, и этим снизить влажность воздуха в помещении. Если конденсат выпал на внутренней поверхности наружного стекла в виде изморози, то надо тщательно заделать все щели внутреннего переплета, чтобы ликвидировать доступ теплого и влажного комнатного воздуха в межстекольное пространство, где он соприкасается с наружным холодным стеклом, охлаждается и достигает точки росы. Но конденсат может выпадать не только на внутренней поверхности ограждения, но и внутри его толщи. Это происходит, когда температура и влажность внутреннего воздуха очень высокие, например в банях. В результате диффузии влажность из помещения проникает внутрь ограждения, достигает охлажденной его части и образует конденсат. В этом случае необходимо с внутренней стороны ограждения предусмотреть пароизоляционный слой.

Гигроскопическая влага попадает в ограждение в результате способности некоторых материалов впитывать в себя пары влаги из воздуха. Например, гигроскопичен силикатный кирпич. Можно наблюдать, как стены, выложенные из силикатного кирпича, при большой влажности воздуха темнеют, пропитываясь влагой. Чтобы защитить стены, выложенные из гигроскопического материала, необходимо их поверхность облицовывать влаго-устойчивыми материалами.

Влага является активным ускорителем процессов, нарушающих г структуру материала и его прочность. Находящаяся в конструкции влага при замерзании увеличивается в объеме и создает внутренние напряжения в материале, в результате чего материал начинает крошиться и теряет свою прочность. В воздушно-сухой древесине (при влажности до 25%) грибки и плесень не размножаются. При влажности 25-30% грибки-разрушители развиваются медленно. Насыщение древесины влагой в пределах 35-60% значительно ускоряет развитие грибков и плесени, которые могут полностью и в короткий срок разрушить деревянные конструкции.

Агрессивные вещества, растворенные во влаге, проникающей в конструкцию, вызывают коррозию. Коррозии подвергаются не только металлические конструкции и арматура железобетона, но и кирпич, бетон и др. Например, на содовых заводах под действием щелочной среды кирпичная облицовка после многолетней службы не теряет своего внешнего вида, но полностью теряет свои прочностные качества. Воздух в замкнутых пространствах является хорошим теплоизолятором, но влажный воздух становится более плотным и более теплопроводным. Насыщенный влагой утеплитель теряет свои теплозащитные качества. Таким образом, избыток влаги ухудшает физико-механические и теплотехнические качества ограждения.

Нарушения температурно-влажностного режима помещений действует на самочувствие людей. Большая влажность при высокой температуре снижает возможность испарения. Очень низкая влажность и высокая температура ухудшают фнльтрационную способность слизистых оболочек. Оптимальными условиями для жизнедеятельности человека являются относительная влажность воздуха 45-50% и температура воздуха 18-20°С.

Воздухопроницаемость ограждений - один из важных факторов в обеспечении оптимального температурно-влажностного режима в помещениях. Воздухопроницаемость, или фильтрация, воздуха через ограждения может быть и ' полезна и вредна.

Инфильтрация, т. е. фильтрация холодного воздуха в помещении через ограждения, происходит, как правило, постоянно. Воздух проходит через открытые поры в пористых стеновых материалах, через неплотности стыков между панелями и в основном через неплотности оконных и дверных проемов. Таким образом, в помещении создается некоторый воздухообмен, который ощущается близ неплотностей в виде токов холодного воздуха. Этот воздухообмен образуется вследствие разности температур, а отсюда и разности давления наружного и внутреннего воздуха. Особенно сильна инфильтрация зимой, при больших перепадах наружной и внутренней температур. Но и летом при ничтожной разнице температур инфильтрация происходит, особенно при большом ветре.