Теплостійкість огороджувальних конструкцій та приміщень

При оцінці теплотехнічних якостей зовнішніх огороджень важлива ще одна характеристика – їх здатність зберігати у припустимих границях сталість температури на поверхні, зверненої у приміщення, при періодичних змінах температури зовнішнього повітря чи нерівномірній подачі тепла від опалювальних приладів. Ця характеристика має назву теплостійкість.

Для житлових та громадських будинків, навчальних та лікувальних установ обов'язкове виконання умов:

- теплостійкості в літній період року зовнішніх огороджувальних конструкцій:

£ 2,5; (11.25)

- теплостійкості в зимовий період року приміщень:

за наявності центрального опалення:

£ 1,5; (11.26)

за наявності теплоакумуляційного опалення:

£2,5. (11.27)

У формулах (11.25)-(11.27):

- амплітуда коливань температури внутрішньої поверхні непрозорих огороджувальних конструкцій, °С;

- амплітуда коливань температури внутрішнього повітря, ⁰С.

За наявності в будинку центрального опалення з автоматичним регулюванням температури внутрішнього повітря теплостійкість приміщень в холодний період року не нормується.

У літній час тепловий вплив зовнішнього середовища на огороджувальні конструкції будинків і споруд, що складається з двох основних факторів: впливу температури зовнішнього повітря та впливу сонячної радіації, може мати велику добову амплітуду (особливо у жаркому сухому кліматі). Це може привести до досить значного періодичного підвищення температури внутрішніх поверхонь огороджень з подальшою віддачею тепла всередину будинку та перегрівом його приміщень. З віддаленням від зовнішньої поверхні усередину огородження амплітуда коливань температури зменшується (рис. 11.15). Найбільш різко вона зменшується у шарі, що безпосередньо стикується з зовнішнім повітрям. Площина, де амплітуда коливань температури зменшується вдвічі по відношенню до амплітуди коливань температури зовнішньої поверхні огородження, визначає товщину шару різких коливань. Цей шар має велике значення при проектуванні теплостійких огороджень.

Ціль розрахунку огороджувальних конструкцій на теплостійкість в літній період – надання їм необхідних теплозахисних якостей, що гарантують підтримання у приміщенні практично сталої комфортної температури повітря при періодичній зміні параметрів зовнішнього середовища.

Розрахунок теплостійкості зовнішнього огородження починається з визначення розрахункової амплітуди коливання температури зовнішнього повітря , °С, яка знаходиться за формулою

(11.28)

де - максимальна амплітуда добових коливань температури зовнішнього повітря найбільш жаркого місяця, °С, (дод. 3);

χ – коефіцієнт поглинання сонячної радіації матеріалом зовнішньої поверхні огороджувальної конструкції (дод. 4);

І_max, I_cер – відповідно максимальне та середнє значення сумарної сонячної радіації, що надходить на зовнішню поверхню огороджувальної конструкції, прийняти для зовнішніх стін як для вертикальних поверхонь західної орієнтації, а для покриттів – як для горизонтальної поверхні, Вт/м² (дод. 3);

α_{з л} – коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої поверхні огороджуючої конструкції для літніх умов, Вт/(м²·К), що дорівнює

де y – мінімальна з середніх швидкостей вітру по румбам у самий жаркий місяць, повторюваність яких складає 16 % і більше, м/с, (дод. 3), але не менше 1 м/с.

Розрахункове значення амплітуди коливання температури внутрішньої поверхні огороджувальної конструкції , °С, знаходять за формулою

, (11.30)

де n - коефіцієнт затухання розрахункової температури зовнішнього повітря в огороджувальній конструкції.

Коефіцієнт затухання n залежить від фізичних властивостей матеріалів шарів, з яких складена огороджуювальна конструкція та від порядку їх розташування по товщині огородження. Він визначається за формулою

11.31)

де е – основа натурального логарифму (е ≈ 2,718);

D – теплова інерція огороджувальної конструкції;

s₁, s₂, … , s_n – коефіцієнти теплозасвоєння матеріалів окремих шарів огородження, Вт/(м²·К), що визначаються за відповідною таблицею [13];

Y₁, Y₂, … , Y_n – коефіцієнти теплозасвоєння зовнішніх поверхонь окремих шарів огородження, Вт/(м²·К);

α_в – коефіцієнт теплосприйняття внутрішньої поверхні огороджувальної конструкції, Вт/(м²·К), такий же самий, що і у формулі (11.5);

α_зл – коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої поверхні огороджувальної конструкції за літніми умовами,Вт/(м²·К), такий же самий, що і у формулі (11.29).

Для визначення коефіцієнтів теплозасвоєння зовнішніх поверхонь окремих шарів огородження треба попередньо знайти теплову інерцію D_i кожного шару [1].

Коефіцієнт теплозасвоєння зовнішньої поверхні і-го шару Y_і, Вт/(м²·К), дорівнює

Y_і = s_і , при D_i / 1; (11.32)

при D_i < 1, (11.33)

де s_і – коефіцієнт теплозасвоєння матеріалу і-го шару, Вт/(м²·К);

R_i – термічний опір і-го шару, м²·К/Вт, що визначається за формулою (11.7);

Y_і-1 – коефіцієнт теплозасвоєння зовнішньої поверхні (і–1)-го шару, Вт/(м²·К).

Для першого шару формула (11.33) приймає вигляд

(11.34)

де α_в – теж саме, що у формулі (11.31).

Якщо умова (11.25) не виконується, то необхідно провести коригування огороджувальної конструкції для того, щоб підвищити її теплостійкість. Цьо­го можна досягти за рахунок підвищення значення коефіцієнта затухання розрахункової амплітуди коливання температури зовнішнього повітря в огородженні.

Більш інтенсивне затухання температурних коливань на внутрішній по­верхні огороджувальної конструкції забезпечується завдяки:

а) підвищенню її опору теплопередачі;

б) підвищенню її теплової інерції;

в) розташуванню в багатошаровій огороджувальній конструкції більш ма­сивних матеріалів ближче до її внутрішньої поверхні;

г) застосуванню вентильованих зовнішнім повітрям та замкнених повіт­ряних прошарків.

Додаткові заходи, що зменшують коливання температури внутрішньої поверхні огородження, пов'язані з захистом будинків від теплового впливу со­нячної радіації. Ці заходи наступні:

а) зниження коефіцієнта поглинання сонячної радіації зовнішніх поверх­онь огороджувальних конструкцій завдяки пофарбуванню їх у ясні тони;

б) екранування зовнішніх огороджень від сонячної радіації застосуванням сонцезахисних пристроїв, зелених насаджень тощо.

При комплексному вирішенні питання захисту приміщень від спеки тре­ба керуватися наступними рекомендаціями:

1. Наявність в огороджувальній конструкції вентильованого повітряного прошарку суттєво збільшує її теплостійкість. При цьому шари конструкції, що розташовані між повітряним прошарком та її зовнішньою поверхнею, повинні мати мінімально можливу товщину.

Найбільш раціонально викону­вати ці шари конструкції з тонких листових матеріалів (металевих, азбесто­цементних листів і т. ін.). Оптимальна товщина вентильованого повітряного прошарку в зовнішніх стінах знаходиться в межах 0,05-0,1 м, а оптималь­на висота – 5-6 м (рис. 11.16, а). Рекомендації по проектуванню вентильованих покриттів викладено нижче.

2. Рулонні покрівлі бажано покривати дрібним гравієм ясних тонів ша­ром товщиною не менше 10 мм.

3. Ефективним заходом підвищення теплостійкості покриттів є улашту­вання дахів-ванн (рис. 11.16, б). Теплонадходження від сонячної радіації через такі покриття зменшується на 65-80%, в порівнянні з сухими покриттями аналогічної конструкції.

4. У районах з середньомісячною температурою липня 21°С та вище для вікон та ліхтарів будинків, в яких необхідно додержуватися оптимальних норм температури та відносної вологості повітря, треба використовувати сонцезахисні пристрої та сонцезахисне скління.

Сонцезахисні пристрої слід розташовувати з зовнішнього боку світлопрорізу (рис. 11.16, в), чи у міжскляному просторі (рис. 11.16, г-д). При цьому для вилучення надлишкового тепла міжскляній простір бажано вентилювати. Внутрішні сонцезахисні пристрої (рис. 11.16, е) неефективні для захисту від перегріву внаслідок відомого з фізики “парникового ефекту”. Сонцезахисні стекла також необхідно розташовувати у вікнах з зовнішнього боку (рис. 11.16, є-ж), та, при можливості, забезпечувати вентиляцію міжскляного простору.

5. Для приміщень з природним режимом експлуатації (без застосуван­ня установок кондиціювання) збільшення товщини теплоізоляції зовніш­ніх огороджень з метою захисту від перегріву викликає у випадку недостатньо ефективного сонцезахисту світлових прорізів навпаки підвищення темпера­тури внутрішнього повітря.

6. Значну ефективність по зниженню впливу сонячної радіації на пере­грів приміщень має безперервний сонцезахист усієї зовнішньої площини стіни, який робиться на відносі від основної конструкції стіни (рис. 11.16, з).

7. Для приміщень, що експлуатуються лише у нічний час, не рекомендується збільшувати товщину теплоізоляції зовнішніх огороджуючих конструкцій в порівнянні з тією, що необхідна за зимовими умовами.

При проектуванні та улаштуванні вентильованої покрівлі необхідно виконувати наступне:

1. Висота повітряного прошарку повинна бути не менше 15 см. Ще кра­ще, щоб вона досягла З0-60 см. Максимальна довжина прошарку повинна бути не більше 24 м. Якщо покрівля робиться з керамзитобетонних плит з каналами-продухами, що розташовані у підпокрівельній зоні, то розгорнута поверхня каналів повинна приблизно дорівнювати площі покрівлі;

2. Щоб забезпечити хоч невелике теплове тягнення, похил покрівлі по­винен бути не менше 6%;

3. На обох протилежних боках покрівлі повинні бути отвори для повітря з робочим перерізом площею, що ³ 1/500 площі поверхні покрівлі. Зв’язок між внутрішнім повітрям та прошарком неприпустимий:

4. В усіх випадках, коли достатня вентиляція не може бути гарантована, краще використовувати невентильовану покрівлю;

5. Шари теплоізоляції на нижньому боці несучої оболонки покрівлі роз­ташовувати не слід.

Оцінювання виконання теплостійкості в зимовий період здійснюється за результатами розрахунків амплітуди коливань температури повітря в приміщенні, ,°С, за формулою:

= . (11.35)

де q_буд – тепловтрати приміщення, Вт, що визначаються згідно з [13];

m – коефіцієнт нерівномірності тепловіддачі системи опалення, приймається згідно з табл.11.7;

F_j – площа внутрішньої поверхні j-й зовнішньої огороджувальної конструкції, м²;

K - кількість зовнішніх огороджувальних конструкцій у приміщенні;

B_j – коефіцієнт теплопоглинання, Вт/(м²К), внутрішньою поверхнею j-й зовнішньої огороджувальної конструкції приміщення, що визначається за формулою:

, (11.36)

де Y_в – коефіцієнт теплозасвоєння внутрішньої поверхні огородження, Вт/(м² К)

α_в – те саме, що в формулі (11.5).

Табл. 11.7. коефіцієнт нерівномірності тепловіддачі систем опалення(за[13])

Коефіцієнт теплозасвоєння внутрішньою поверхнею непрозорих огороджувальних конструкцій розраховується за формулами:

- якщо внутрішній шар огороджувальної конструкції має теплову інерцію D >1, то

Y_в = s₁, (11.37)

- якщо теплова інерція теплового шару огороджувальної конструкції D₁<1, а першого і другого шарів конструкції D₁+D₂/1, то коефіцієнт теплозасвоєння внутрішньої поверхні потрібно визначати за формулою:

, (11.38)

де R₁, s₁, s₂ – термічний опір та коефіцієнти теплозасвоєння відповідно, першого та другого шарів;

- якщо теплова інерція перших n шарів конструкції D₁+D₂+…+D_n<1, а теплова інерція n+1 шарів D₁+D₂+…+D_n+D_n+1/1, то коефіцієнт теплозасвоєння внутрішньої поверхні потрібно визначати з урахуванням коефіцієнтів теплозасвоєння n шарів за формулами:

для n-го шару

; (11.38)

для i-го шару (i = n-1, n-2, …, 1)

. (11.39)

2. Коефіцієнт теплозасвоєння внутрішньою поверхнею світлопрозорої огороджувальної конструкції розраховується за формулою:

, (11.40)

де R_{Σ пр} – опір теплопередачі світлопрозорої конструкції, м²·К/Вт, що визначається на підставі випробувань або розраховується за формулою (11.10).