Теплоустойчивость помещения при нестационарном тепловом режиме.

Проведенные расчеты показали, что суммарная температура у наружной поверхности кровли (ρ = 0,9), определяемая по формуле (4.1) может превышать 70°С, а вблизи кирпичных стеновых ограждений (ρ = 0,7) достигает 55°С. Возникает значительный нагрев поверхности, тепло передается через толщу ограждения, что может привести к перегреву помещения.

Расчетную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха (с учетом солнечной радиации) определяют по формуле

. (4.4)

На рис.4.1 показана многослойная конструкция, температура наружного воздуха у поверхности которой меняется в течение суток с амплитудой . Можно представить, что у поверхности существует источник температурных волн. Колебания температуры передаются вглубь ограждающей конструкции, их амплитуды уменьшаются, т.е. колебания постепенно затухают.

Амплитуда изменения температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции - .

На рис.4.1 пунктиром показано мгновенное распределение температуры внутри конструкции, а сплошными линиями – границы возможных изменений температуры в каждом сечении.

Количественной мерой теплоустойчивости ограждающих конструкций является затухание температурных колебаний ν:

. (4.5)

Согласно СНиП 23-02-2003 амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности не должна превышать нормируемую амплитуду колебаний , определяемую по формуле

= 2,5 – 0,1(t_ext – 21) , (4.6)

где t_ext – средняя месячная температура наружного воздуха за июль, принимается по СНиП 23-01.

Следует отметить, что расчет ограждающих конструкций на теплоустойчивость

проводится для районов строительства со среднемесячной температурой июля t_ext ≥ +21°С.

При введении ограничений на амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности можно ввести требуемую величину затухания температурных колебаний ν^req как

. (4.7)

Теория теплоустойчивости была разработана в СССР О.Е.Власовым, Л.А.Семеновым, А.М.Шкловером. На основе этой теории были созданы методы расчетов колебаний температур в ограждающих конструкциях, подвергающихся периодическим тепловым воздействиям, и получены формулы, которые применяются в Своде правил и приводятся ниже.

Расчетная величина затухания температурных колебаний в ограждении зависит различных теплофизических свойств материалов конструкции. Эти свойства, в частности, определяют толщину слоя резких колебаний, непосредственно прилегающего к поверхности, воспринимающей периодические тепловые воздействия. Внутри слоя резких колебаний однородной конструкции амплитуда температуры затухает примерно вдвое.

Допустим, что однородная конструкция или внешний конструктивный слой имеет толщину больше, чем толщина слоя резких колебаний. При периодическом изменении теплового потока, поступающего на поверхность, температура этой поверхности также периодически изменяется. Отношение амплитуды колебаний плотности теплового потока к амплитуде колебаний температуры поверхности, периодически воспринимающей это тепло, представляет собой коэффициент теплоусвоения материала S. По своему физическому смыслу этот коэффициент является коэффициентом теплообмена при передаче через ограждения периодических тепловых воздействий путем теплопроводности. S измеряется в Вт/(м²∙°С).

Величина коэффициента теплоусвоения зависит от периода тепловых воздействий, коэффициента теплопроводности, плотности и теплоемкости материала. при периоде в 24 часа, который характерен для летнего режима, значения S приведены в Приложении Б. Наибольшее теплоусвоение имеют тяжелые теплопроводные материалы: для стали S = 126,5 Вт/(м²∙°С), для гранита S = 25,04 Вт/(м²∙°С), для мрамора S = 22,86 Вт/(м²∙°С). Наименьшее теплоусвоение у легких теплоизоляционных материалов, например: у пенополистирола S = 0,25 – 0,89 Вт/(м²∙°С) (в зависимости от плотности).

Величина усвоения тепла поверхностью относительно тонкого слоя будет отличаться от S, так как на нее влияет или степень усвоения тепла материалом, расположенным под тонким слоем – в многослойных конструкциях, или теплоотдача с противоположной поверхности ограждения – в однослойных. Коэффициент теплоусвоения поверхности тонкого слоя (с номером n в многослойной конструкции) определяется по формуле

, (4.9)

где R_n и S_n – соответственно термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения материала рассматриваемого слоя;

Y_n-1 – коэффициент теплоусвоения следующего (по направлению тепловой волны) слоя. В случае, если противоположная поверхность рассматриваемого слоя граничит с внутренним воздухом, этот коэффициент принимается равным коэффициенту теплоотдачи внутренней поверхности α_int.

Степень затухания температурных колебаний в однослойной конструкции связана с показателем тепловой инерции ограждения D, который представляет собой произведение термического сопротивления на коэффициент теплоусвоения материала:

D = R∙ S . (4.10)

Для многослойного ограждения показатель тепловой инерции определяют суммированием условных толщин отдельных слоев

D = R₁∙ S₁ + R₂∙ S₂ + …+ R_n∙ S_n . (4.11)

Показатель тепловой инерции для слоя резких колебаний D = 1.

Тепловая инерция – это свойство ограждения сохранять или медленно изменять существующее распределение температур внутри конструкции. Чем больше показатель D, тем большей тепловой инерцией обладает конструкция.

Расчет затухания внутри многослойной конструкции следует начинать с последнего слоя на пути тепловой волны и переходить от слоя к слою, приближаясь к поверхности, подвергающейся периодическим тепловым воздействиям. То есть в летних условиях, когда нагревается наружная поверхность, вычисления начинают со слоя, граничащего с воздухом помещения. Нумерация слоев показана на рис.4.1.

Расчетное значение затухания температурных колебаний ν вычисляется по формуле

ν = 0,9∙ ν₁∙ ν₂∙…∙ ν_N∙ ν_ext , (4.12)

где ν_n – затухание в n-ном слое определяемое по формуле

, (4.13)

где Y_n – коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя n.

Если показатель тепловой инерции этого слоя D_n ≥ 1, слой считается толстым; в этом случае Y_n = S_n. Если D_n < 1, слой тонкий и Y_n находят по формуле (4.9).

Таким образом, расчет затухания температурных колебаний ν сводится, в основном, к последовательному вычислению коэффициентов теплоусвоения поверхностей конструктивных слоев Y_n . Степень затухания в наружном пограничном слое воздуха

ν_ext = . (4.14)

ЛЕКЦИЯ 5. Влажностное состояние ограждающих конструкций

Возможными причинами увлажнения ограждения могут быть следующие:

1. Строительная влага, которая попадает в ограждения во время возведения здания. Ее количество зависит от начальной влажности применяемых материалов, сборных деталей, а также от увлажнения в связи с применением мокрых технологических процессов (кладка кирпича на растворах, штукатурка мокрым способом и т. д.).

2. Грунтовая влага, проникающая в ограждение из грунта, под действием капиллярных сил при отсутствии или плохом выполнении гидроизоляции между подземными и наземными конструкциями.

3. Метеорологическая влага, проникающая в ограждение в связи с выпадением косых дождей, мокрого снега или инея. Воздействие этой влаги в сухих или умеренных районах обычно бывает непродолжительным. Однако, в некоторых климатических районах с ветрами постоянного направления и сопровождающими их дождями (например, в приморских районах Дальнего Востока) этот вид влаги является основным источником увлажнения ограждений.

4. Гигроскопическая влага, проникающая в ограждения вследствие гигроскопичности его материала, т. е. его способности поглощать (сорбировать) влагу из воздуха.

5. Конденсационная влага, появляющаяся в ограждениях, вследствие конденсации проникающих из воздуха водяных паров. Конденсация водяных паров может происходить как на внутренней поверхности, так и в его толще.

Из перечисленных источников увлажнения конденсация водяных паров является основной причиной повышенного увлажнения ограждения в процессе его эксплуатации.