алыпсыз шарттарда қоршаулар арқылы жылу берілісі. Передача тепла через ограждения в нестандартных условиях

Сыртқы ауаның температуралар тербелістері ішкі температуралар тербелістерді туғызады. Температура өзгерістері қоршауларға тұрақты түрде әсер етеді. Ішкі және сыртқы температура периодты тербелістерге түсу себепті қоршауға қосымша талаптарты қоюға қажет: бөлмеде адамдарға жағымды шарттарды қамтамасыз ету мақсатымен қоршаулардың ішкі бетте температуралар ең төменгі тербелістері қамтамасыз етуды және конструкцияның беттеріңде конденсат болуына жол бермеу. Колебания температуры наружного воздуха вызывают колебания внутренней температуры. Изменения температуры постоянно действуют на ограждения. Вследствие периодических колебаний внутренней и наружной температуры необходимы дополнительные требования к ограждению: обеспечение минимального колебания температуры на внутренней поверхности ограждения в целях обеспечения комфортных условий в помещении, а также во избежание образования конденсата на поверхности конструкции.

Ғимараттың жылу тұрақтылығы – қоршау құрылымдары арқылы өтетін жылу ағыны мен сыртқы ауа температураның өзгерістері кезінде ғимараттың бөлмелердегі ауа температурасының тұрақтылығын белгіленген шектеуде сақтау қабілеті.

Сыртқы беттің температурасының периодты тербелістерде қоршайтын конструкциялардың ішкі беттерінде температураның салыстырмалы тұрақтылығын сақтау қасиеті қоршаудың жылу тұрақтылығы деп аталады. Свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности при периодических колебаниях температуры наружной поверхности называется теплоустойчивостью ограждения.

Қоршаудың жылу тұрақтылығына оның бетінің жылу сіңіру қасиеті ықпал ететді, яғни бұл беттің жылу ағындының немесе ауа температураларының периодты тербелістерде жылу сіңіру қасиеті. Қоршаудың жылу сіңіру қасиеті құрылыс материалдың жылу сіңіру S, м²°С/Вт коэффициентімен сипатталады. На теплоустойчивость ограждения влияет теплоусвоение его поверхности, т.е. свойство этой поверхности воспринимать тепло при периодических колебаниях теплового потока или температуры воздуха, которое характеризуется коэффициентом теплоусвоения материала.

Материалдың жылу сіңіру S, м²°С/Вт коэффициенті – бұл жылу ағынның тербелістер амплитудалары мен қоршау бетіндегі температура тербелістер амплитудалармен өзара қатынасы. Коэффициент теплоусвоения S материала – это отношение амплитуды колебаний потока тепла к амплитуде колебаний температуры на поверхности ограждения.

Қалындығы едәуір біркелкі материалдан жасалған қоршаудың ішкі беттің жылу сіңіру S коэффициентінің мәні жылу өткізгіш коэффициентіне l, салыстырмалы жылу сыйымдылығына с, материал тығыздығына g, жылу ағынның тербеліс периодтарына z тәуелді. Значение коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения из однородного материала значительной толщины зависит от коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости с, плотности материала, а так же от периода колебания теплового потока.

(21)

9 кестеде кейбір материалдардың жылу қабылдау S, м²°С/Вт коэффициенттерінің мәндері келтірілген. В таблице 9 приведены коэффициенты теплоусвоения некоторых материалов.

9 кесте - Жылу сіңіру коэффициенттері

Қоршау ішіндегі тербелістер қоршау бетіндегі температура өзгерістерімен байланысты. Қоршау ішіндегі температура тербелистердің амплитудасы уақыт бойынша сыртқы бетіндегі тербелістерден қалып тұрады да және одан алыстаған сон өшеді. Әр уақыт кезеңіне өзіне сай температура таралуының толқын тәріздес қисықтығы болады. Сондай қисықтардың, коршаудың қалындығына қарай, қажетті саның шығаруға болады.

С изменением температуры на поверхности ограждения связаны ее колебания внутри ограждения. Амплитуда колебаний температуры в толще ограждения отстает во времени от колебаний на поверхности и затухает по мере удаления от нее. Каждому моменту времени соответствует своя волнообразная кривая распределения температуры в слоях ограждения, смещенная по отношению к предыдущей кривой.

Температуралар өзгерісі 2 шамасында болған кезде, қоршаудың ішінде температуралардың қатты тербелістердің қабаты d_t пайда болады. При этом в ограждении есть слой резких колебаний температур d_t, где происходит изменение температуры примерно в 2 раза.

(22)

Мысал. Кірпіштің қатты тербелістердің қабаты: Например. Слои резких колебаний для кирпича:

24 сағат периодта – 0,084 м;

12 сағат периодта – 0,06 м.

Толқынның екі максимумы немесе минимумы аралығы толқынның ұзындығы деп аталады. Расстояние между двумя максимумами или минимумами волны называется длиной волны.

Қоршаудың ішінде орналассатын температуралық толқындардың саны жылу инерцияның көрсеткішке D пропорционалды болып келеді. жылу инерцияның көрсеткіші D температуралық тербелістердің басылу дәрежесін бағалау өлшемі болып табылады да және қоршаудың шартты қалындығы деп аталады. (18 сурет). Количество температурных волн l, размещающихся в толще ограждения, пропорционально показателю тепловой инерции D, который служит критерием оценки степени затухания температурных колебаний и называется условной толщиной ограждения (рисунок 18).

Рисунок 18 – К определению показателя тепловой инерции D

18-сурет – Жылу инерция көрсеткішін D анықтау

Қоршаудың қасиеті құрылымның ішінде температура таратылуын баяу өзгерту немесе сақтау – жылу инерциясы деп ататлады. Свойство ограждения сохранять или медленно изменять распределение температуры внутри конструкции называется тепловой инерцией.

Неғұрлым инерция жоғары болса, соғұрлым қоршаудың алғашқы күйін өзгерту қиын. Мысалға, қалын кірпіш қабырғалар ұзақ мерзімде «жазғы» температураны сақтайды және күзгі кезде сыртқы ауаның өзгерістерін аса сезбейді. Ал көктем кезінде қыста суықтан қатып калған кірпіш қабырғаларды ұзақ уақыт бойы жылыту керек. Сондықтан кірпіш үйлер жаздын ыстық кезінде салқын болып тұрады. Чем больше инерция, тем труднее изменить первоначальное состояние ограждения. Например, кирпичные массивные стены долго сохраняют свою «летнюю» температуру и не чувствительны к резким и кратковременным перепадам температур наружного воздуха в осенний период. Чтобы получить нормальные условия после отключения системы отопления в весенний период, промерзшие кирпичные стены надо очень долго прогревать. Поэтому летом в кирпичных домах бывает прохладно.

Шілденің орташа айлық температурасы 21°С және жоғары аудандарда жылу инерциясы 4 төмен сыртқы қабырғалар жылдың жазғы мезгілінде тәулік бойы тек ғана сыртқы ауаның өзгерістеріне шалынбай, күндізгі уақытта күн сәулелері әсерінен қатты қызады. Сондықтан қоршау конструкциялардың жылуға тұрақтылыгын есептеу керек.

Рұқсат етілетін (қажетті) қоршаудың ішкі бетіндегі температура тербелістердің амплитудасы келесі формуламен анықталады:

(23)

Мұндағы t_{н –} шілде айындағы сыртқы ауаның орташа температурасы, °С.

Наружные стены с тепловой инерцией менее 4 в районах со среднемесячной температурой июля 21°С и выше в летний период года подвергаются не только колебаниям температуры наружного воздуха в течение суток, но и активно нагреваются солнечными лучами в дневное время. Поэтому требуется расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций [2]. Допустимая (требуемая) амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения определяется по формуле:

(23)

где t_н – среднемесячная температура наружного воздуха за июль, °С [1].

Қоршаудың ішкі бетіндегі температура тербелістердің амплитудасы келесі формуламен анықталады:

Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения определяется по формуле:

(24)

мұндағы А_tв^расч. – сыртқы ауа температура тербелістердің есептік амплитудасы, °С,

n - күн радиациясы есептеумен сыртқы ауа температура тербелістердің есептік амплитуданың басылу шамасы.

где А_tв^расч. – расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, °С, n – величина затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха с учетом солнечной радиации:

(25)

мұндағы А_tn – шілде айында сыртқы ауаның температура тербелістердің максималды амплитудасы, °С;

r - қоршау конструкцияның сыртқы бетінің күн радиациясы сінудың коэффициенті;

I_max и I_ср. –батыс бағыттағы тік беттерге (қабырғалар есептерінде) және көлденен беттерге (жабындар есептерінде) түсетін максималды және орташа тәулік мәнінде қосынды күн радиациясы (тікелей және шашырынды);

a_н – жазғы шарт үшін қоршаудың сырт бетінің жылу беріліс коэффециенті, Вт/(м²°С):

(26)

мұндағы u - шілде айы үшін желдің орташа шапшандығының минималды мәні,

(27)

мұндағы е = 2,718 –шын логарифмнің негізі ; D –қоршаудың жылу инерциясы; S₁…S_n – қоршау қабаттарының материал жылу сіңіру есептік коэфффициенттері; Y₁…Y_n – қоршаудың кейбір қабаттарынын сыртқы беттерінің жылу қабылдау коэффициентері, Вт/(м²°С).

(28)

мұндағы a_в – қоршаудың ішкі бетінің жылу берілістің коэффициенті;

Жылу инерцияның көрсеткіштеріі: бірқабатты қоршаулар үшін

(29)

көпқабатты қоршаулар үшін

(30)

где А_tn – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле, °С [1]; r – коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции [2, приложение 7]; I_max и I_ср. – максимальное и среднее суточное значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м², падающей на вертикальные поверхности западной ориентации (при расчете стен) и на горизонтальные поверхности (для покрытий); a_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения по летним условиям, Вт/(м²°С):

(26)

где u – минимальная из средних скоростей ветра за июль, повторяемость.

(27)

где е = 2,718 – основание натурального логарифма; Д – тепловая инерция ограждения; S₁…S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала слоев ограждения [2, приложение 3*]; Y₁…Y_n – коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности отдельных слоев ограждения, Вт/(м²°С).

(28)

где a_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения [2, таблица 2].

Показатель тепловой инерции: для однородного ограждения

(29)

для многослойных ограждений

(30)

4.2 Қоршаудың ауа өтімділігі Воздухопроницаемость ограждений

Конструкцияда қарама-қарсы беттерде ауа қысымдардын айырымашылығынан пайда болатын суық ауаның бөлменің ішіне фильтрлеуді сыртқы қоршайтын конструкциялардың ауа өтімділігі деп түсінуге болады. Под воздухопроницаемостью наружных ограждающих конструкций понимают фильтрацию сквозь них внутрь помещения холодного воздуха, возникающую при разности давлений на противоположных поверхностях конструкции.

Қоршау конструкциялардың сыртқы мен ішкі беттеріндегі ауа қысымдардын айырымашылығы Dр келесі формуламен анықталады: Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхности ограждающих конструкций Dр определяется по формуле

(31)

мундағы Н – жер бетінен шатырға дейін ғимараттың биіктігі, м;

g_н, g_в – сыртқы және ішкі ауаның салыстырмалы салмағы, Н/м³;

u – қаңтар айындағы румбалар бойынша желдің орташа жылдамдықтарының ең үлкені, олардың ҚР ҚНжЕ 2.04-1-2001-ге сәйкес алынатын қайталануы 16% және одан үлкен, м/с.

где Н – высота здания от поверхности земли до верха карниза, м; g_н, g_в – удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м³; u – расчетная скорость ветра, м/с.

Ауаның салыстырмалы салмағы келесі формула арқылы анықталады:

Удельный вес воздуха определяется по формуле

(32)

мундағы t – ауаның температурасы: g_в - ішкі ауаның температурасы; g_н - сыртқы ауаның температурасы (Қамтамасыз дәрежедегі 0,92 ең суық бес күндіктің ауаның орташа температурасы, 0 С [1]).

где t – температура воздуха: внутреннего для определения g_в; наружного для определения g_н (равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [1]).

Қоршаулар арқылы бөлмеге суық ауаның фильтрлеу тұрақты түрде материалдардағы ашық кеуектер арқылы, конструкциялардағы жіктер мен түйістердің, терезелік және есік ойықтардың тығыз емес жерлер арқылы жүреді. Бөлмеде (18 сурет) сыртқы және ішкі ауаның қысымдардың айырымнан ауа алмасу пайда болады.

Фильтрация холодного воздуха в помещение через ограждения происходит постоянно через открытые поры в материалах, через неплотности швов и стыков конструкций, через неплотности оконных и дверных проемов. В помещении образуется воздухообмен за счет разности давлений наружного и внутреннего воздуха (рисунок 18).

Ішкі және сыртқы температуралар айырымашылығынан пайда болатын ауа қысымы айырымашылығын жылу арыны деп атайды. При этом тепловым напором называют разность давлений воздуха, возникающую из-за разности температур наружного и внутреннего воздуха, ветровым напором – под действием ветра.

19-сурет – Қоршаудан ауа өтімділігінің сұлбасы.

Рисунок 19 – Схема воздухопроницания через ограждение

Бөлменің төменгі жағынан (немесе төменгі қабаттарда) сырттан ішке қарай суық ауа кіреді – бұны инфильтрация деп атайды, ал жоғары жағында (немесе жоғары қабаттарда) жылы ауа сыртқа қарай тартылып кетеді – бұны эксфильтрация деп атайды.

При этом в нижней части помещения (или нижних этажах здания) происходит приток наружного холодного воздуха внутрь помещения – инфильтрация, а в верхней части (или верхних этажах) – вытяжка теплого воздуха из помещений наружу – эксфильтрация.

Қыс мезгілде ішкі және сыртқы температуралардың ауысуы едәуір болғанда, ал жаз мезгілде қатты желден инфильтрация жоғары болады. Бөлмелерде ауа ауысуы ұйымдастырылмаған күйде болып тұрады, оны суық ауаның ағымдары ретінде сезуге болады. Көлемі шағын болған кезде қоршаудағы артық ылғал жойылады және ішкі ауаның ылғалдылығы төмендейді. Жоғары инфильтрация адамдарда жағымсыз сезімдерді туудырады және бөлмелерді салқындатады.

Зимой инфильтрация сильна при больших перепадах внутренней и наружной температур, летом инфильтрация возрастает при большом ветре. В помещении создается неорганизованный воздухообмен, который ощущается в виде потоков холодного воздуха. При незначительных объемах он удаляет излишнюю влагу из ограждения и уменьшает влажность внутреннего воздуха. Повышенная инфильтрация вызывает дискомфортные ощущения у людей и сильно охлаждает помещение.

Ауа өтімділігінің кедергісі Ru –1 м² қоршаушы құрылым ауданынан 1 сағ. ішінде 1 кг ауа өтетін ауа қысымының айырымы.

Сопротивление воздухопроницаемости R_u – это разность давлений воздуха, при которой через ограждающие конструкции площадью 1 м² за 1 час проникает 1 кг воздуха.

Сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции R_u определяется по формуле

(33)

где R_u1, R_u2,…, R_un, – сопротивление воздухопроницанию отдельных слоев ограждающей конструкции, м²чПа/кг. Эти значения принимаются по прил. 9* [2].

Сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций за исключением окон, балконных дверей и фонарей R_u, определяемого по формуле

(34)

где Dр – разность давлений на наружной и внутренней поверхностях ограждения, Па; G^н – нормативная воздухопроницаемость ограждения, принимаемая по табл. 12* [2].

Воздухопроницаемость ограждения зависит от наличия в материале крупных пор, сообщающихся между собой, а так же влагосодержания. При наличии жидкой влаги в капиллярах воздухопроницаемость при умеренной разности давлений уменьшается. В многокомпонентных материалах, например, шлакобетоне, из-за наличия микроскопических трещин в местах контакта компонентов воздухопроницаемость выше.

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций существенно зависит от качества работ (например, заполнения швов кладки раствором), от плотности поверхностных слоев.

Для уменьшения воздухопроницаемости слоистых стен применяют прокладки (картон, строительная бумага) под наружным слоем ограждения, производят наружную штукатурку или облицовку, выполняют расшивку швов кладки.

4.3 Аэрация

Аэрацией называют организованный и управляемый (регулируемый) воздухообмен.

Воздухообмен при проветривании помещений через форточки и фрамуги в окнах является управляемым, но не организованным, поскольку нельзя регулировать объем поступающего и выходящего воздуха, зависящий от ветра, разности температур и других случайных факторов.

Замедлить воздухообмен можно, используя вместо форточек вентиляционные каналы.

Форточки и вентиляционные каналы применяют для воздухообмена в гражданских зданиях, где не происходит вредных выделений.

Для промышленных зданий со значительным тепловыделением, выделением дыма, газа или других вредных примесей воздухообмен имеет важное значение. В основном в промышленных зданиях предусматривают приточно-вытяжную вентиляцию с механическим побуждением. При этом система управляемых приточных и вытяжных отверстий допускает регулировку количества подаваемого и извлекаемого воздуха в зависимости от температуры, направления и скорости ветра.

Действие аэрации основывается на тепловом подпоре, возникающем в результате разности температур внутреннего и наружного воздуха, и на перепаде высот приточных отверстий, располагаемых в нижней зоне. Приточные отверстия предусматривают в окнах в виде фрамуг, открывающихся и закрывающихся механически. Вытяжные отверстия находятся в самой верхней зоне помещения и проектируют в виде аэрационных или светоаэрационных фонарей.

4.4 Влажностный режим ограждений

В толщу ограждения влага попадает во время кладки с растворами, а в дальнейшем происходит увлажнение атмосферной влагой, влагой внутреннего воздуха, грунтовой влагой. Для защиты стен от атмосферной влаги наружные поверхности штукатурят или облицовывают. Для защиты стен от грунтовой влаги устраивают в цокольной части гидроизоляцию.

При эксплуатации зданий существует два вида увлажнения: гигроскопическая влага, поглощаемая пористым материалом из окружающего воздуха, и конденсационная влага, образующаяся на внутренней поверхности стен и появляющаяся при конденсации в ограждениях водяных паров воздуха. Степень насыщения воздуха водяным паром определяет относительная влажность j.

Наблюдать действие гигроскопической влаги можно на примере стен, выполненных из силикатного кирпича. При большой влажности воздуха такие стены темнеют, так как кирпич впитывает влагу. Влага нарушает структуру материала и его прочность, поскольку при замерзании влага, находящаяся в конструкции, увеличивается в объеме, создавая внутреннее напряжение в материале (рисунок 19).

Растворенные во влаге агрессивные вещества, проникая в конструкцию, вызывают коррозию не только металлических конструкций и арматуры в железобетоне, но и кирпича, бетона.

При увлажнении материалов снижается коэффициент теплопроводности ограждения, возрастает теплопередача и нарушается температурно-влажностный режим внутри помещения, что отражается на самочувствии людей. При высокой влажности и высокой температуре снижается возможность испарения, в помещении душно, трудно дышать. При очень низкой влажности и высокой температуре не только ощущение жары, но и пересыхает слизистая оболочка, что так же ухудшает самочувствие. Нормативными для жизнедеятельности человека являются относительная влажность помещения от 50 до 60 % и температура воздуха 18–20°С.

Конденсат выпадает в первую очередь на более охлажденных поверхностях: в углах помещений, на более холодных стеклах окон.

Появление конденсата на внутренней поверхности стены можно предупредить увеличением сопротивления теплопередаче ограждения R₀ за счет утолщения стен, средствами вентиляции или повышением температуры внутреннего воздуха. Для ликвидации запотевания внутренних стекол окон достаточно увеличить воздухообмен, т.е. проветриванием снизить влажность воздуха в помещении. Если конденсат выпал на внутренней поверхности наружного стекла, следует ликвидировать доступ теплого и влажного воздуха в межстекольное пространство, заделав щели внутреннего переплета.

Если температура и влажность внутреннего воздуха очень высоки, конденсат может выпадать не только на внутренней поверхности ограждения, но и внутри его, происходит движение пара из помещения наружу – диффузия водяного пара (рисунок 20).

Рисунок 21 – Название

При проницании водяного пара через слой материала последний оказывает сопротивление.

Сопротивление паропроницанию R_n однослойной конструкции или отдельного слоя многослойного ограждения вычисляется по формуле

(35)

где d – толщина слоя ограждения, м; m – расчетный коэффициент паропроницаемости материала слоя ограждения, мг/(мчПа), принимаемый по прил. 3*.[2].

Общее сопротивление паропроницанию многослойного ограждения вычисляется по формуле

(36)

Сопротивление паропроницанию воздушных прослоек в ограждении принимают равным нулю независимо от расположения и толщины прослоек.

Сопротивление паропроницанию R_n конструкции определяют в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации.

Плоскость возможной конденсации однослойной конструкции распологается на расстоянии, равном 2/3 толщины конструкции, а в многослойной совпадает с наружной поверхностью утеплителя. На рисунке 21 показаны вероятные плоскости возможной конденсации.

Конденсация пара внутри ограждения снижает теплотехнические качества ограждения.

При образовании конденсата между наружной штукатуркой и кладкой из пористого кирпича при отрицательных температурах наружного воздуха образуются ледяные линзы и происходит отслаивание наружной отделки стен.

В покрытии плоскость возможной конденсации располагается под стяжкой или гидроизоляцией. Зимой замерзшая вода образует линзу льда, которая, увеличиваясь в объеме, отдирает гидроизоляцию или стяжку.

Требуемое сопротивление паропроницанию R_n^тр определяется из условия недопустимости накопления влаги в ограждении за годовой период отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха по формулам:

где е_в – упругость водяного пара внутреннего воздуха, Па, при расчетной температуре и влажности этого воздуха (прил. ); R_n.н. – сопротивление паропроницанию, м²чПа/мг (по формуле ); е_н – средняя упругость водяного пара наружного воздуха, Па, за годовой период [1]; z₀ - продолжительность, сут, периода влагонакопления, равного периоду c отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха [1]; Е₀ – упругость водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации при средней температуре наружного воздуха периода с отрицательными среднемесячными температурами [1]; g_w – плотность материала увлажняемого слоя кг/м³, принимаемая равной g₀ по прил. 3* [2]; d_w – толщина увлажняемого слоя ограждения, м; DW_ср – предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в материале, % табл. 14* [2]; Е – упругость водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации

(39)

где Е₁, Е₂, Е₃, – упругости водяного пара, Па, принимаемые по температуре в плоскости возможной конденсации, определяемой при средней температуре наружного воздуха соответственно зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов [2].

Таблица 10 – Название

(40)

где е_н.о. – средняя упругость водяного пара наружного воздуха, Па, периода месяцев с отрицательными температурами [1].