Ильинский - Строительная теплофизика. Ограждающие конструкции и микроклимат зданий (1974)

Ильинский В. М.

Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и  микроклимат зданий). Уч. пособие для инж.-строит. вузов. М., «Высш. школа», 1974

320 с. с ил.

В книге изложены теплофизические основы проектирования  зданий и ограждающих конструкций, удовлетворяющих требованиям нормального теплового состояния помещений в различных  климатических условиях СССР.

Рассмотрены инженерные методы теплофизических расчетов ограждающих конструкций в целях определения требуемого  сопротивления теплопередаче и воздухопроницанию, а также необходимых свойств теплоустойчивости и влажностного состояния.

В книге содержатся примеры расчета и приложены таблицы,  карты и другие справочные данные, необходимые в процессе  проектирования или самостоятельной работы студентов.

Издательство «Высшая школа», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Строительство, развивающееся на индустриальной основе, все большее распространение получает в восточных, северных и юго-восточных районах Советского Союза. Опыт эксплуатации вновь выстроенных в этих районах зданий свидетельствует о том, что многие виды внешних воздействий на них (в зависимости от  различия климатических условий) существенно отличаются от  природных влияний, характерных для умеренного климата  центральных районов европейской части СССР. Методы проектирования и строительства, обогащенные этим опытом, весьма необходимы для разработки наиболее целесообразных объемно-планировочных  решений зданий и выбора типов ограждающих конструкций.

Одна из актуальных задач строительства связана с разработкой и применением жилых и общественных зданий, наиболее  отвечающих условиям нормальной эксплуатации и требованиям защиты  человека от неблагоприятных влияний внешней среды, что является первой ступенью необходимых мероприятий по обеспечению нормальных условий пребывания в здании.

В промышленном строительстве разработка более совершенных типов зданий осложняется, кроме того, требованиями  технологического процесса и необходимостью устранения или ограничения вредных влияний некоторых видов производства на человека.

Инженерные решения зданий и ограждающих конструкций  непрерывно совершенствуются. В последние годы наметилось  сближение между научно обоснованными гигиеническими  требованиями к тепловому состоянию жилых и других зданий и степенью  выполнения этих требований в практике строительства. Об этом, в частности, свидетельствует более широкое применение  конструктивных решений, обеспечивающих повышение эксплуатационных  качеств зданий.

Все реже находят применение совмещенные невентилируемые крыши в жилищном строительстве, приводящие к перегреву  помещений верхних этажей летом и переохлаждению зимой. Расширено внедрение в строительство ограждающих конструкций с  отсутствием теплопроводных включений, что наиболее необходимо в суровых климатических условиях. Применение сдвоенных оконных  переплетов используется в относительно мягких климатических  условиях, в холодных районах (с продолжительностью отопительного периода более 8—9 месяцев) практическое применение начинает получать тройное остекление, позволяющее уменьшить теплопотери через окна на 30—35% по сравнению с теплопотерями при сдвоенных оконных переплетах.

Реализуются дифференцированные нормы теплового состояния жилых помещений в зависимости от суровости зимних условий. Расчетная температура воздуха помещений принимается более  высокой в условиях суровых зим, вызывающих длительное  охлаждение наружных ограждений зданий, близкое к предельному.

Научно-технический прогресс в области строительства и  повышение гигиенических требований к новым зданиям, обусловили большой интерес к изучению проблем строительной теплофизики, развивающейся на основе всестороннего изучения климатических данных отдельных районов СССР и совершенствования имеющихся расчетных методов.

Эта прикладная область знания является особенно важной для совершенствования проектирования и выполнения ограждающих конструкций зданий, назначенных для эксплуатации в  специфических климатических условиях. В данной книге излагаются сведения, относящиеся к  теплофизике зданий и их отдельным конструктивным элементам.

В первой главе рассматриваются основные закономерности и необходимые константы процессов теплообмена и массообмена в зданиях и их конструкциях. Изложение особенностей формирования и изменений температурного поля в элементах зданий, а также основных измерителей теплозащитных свойств материалов и  конструкций составляет преимущественное содержание этой главы.

Этому изложению предпосланы понятия об основных физических различиях процессов переноса тепла и вещества в материальных средах. В конце главы даны элементарные сведения о  закономерностях процессов влагообмена.

Вторая глава рассматривает влияние внешних  физико-климатических воздействий на особенности проектирования зданий. В  специфических климатических условиях большое значение имеют метелевые, штормовые и другие виды погоды с интенсивным  переносом воздуха и содержащихся в нем взвешенных частиц.

В любых условиях климатическими характеристиками,  необходимыми для выяснения особенностей эксплуатации зданий и  целесообразных направлений их типизации, являются характерные и достаточно длительные (в течение года) погодные условия,  устанавливаемые по среднемесячным температурам с учетом их  повышения в дневное время суток. Деление видов погоды на «очень  холодную», «холодную», «прохладную», «теплую», «жаркую» и «очень жаркую» производится по температурным градациям, характерным для соответствующих тепловых ощущений человека, пребывающего в здании.

Для оценки совместного охлаждающего действия на  ограждающие конструкции зданий мороза и ветра вводится понятие о зимней суммарной расчетной температуре.

Дифференциация видов погоды по влажностному состоянию  воздушной среды становится менее актуальной при использовании описываемого в главе деления территории СССР на влажные,  умеренные и сухие зоны. Продолжительность характерных видов погоды предопределяет естественные направления типизации зданий; в районах, где отопительный период (суммарная длительность очень холодной и холодной погоды) продолжается более девяти месяцев, целесообразно увеличивать ширину зданий, что особенно важно при необходимости развития площади и расширения номенклатуры подсобных помещений. Кроме того, необходим комплекс  мероприятий по повышению теплозащитных свойств и герметичности  наружных ограждений. При многолетнемерзлых грунтах нежелательно использование цокольного этажа под жилье.

В районах, где длительность периодов теплой и жаркой погоды превышает пять месяцев, целесообразно возводить здания таких типов, которые наиболее надежно защищают человека от  перегрева. Из многоэтажных наиболее приемлемыми являются здания с экранированными и интенсивно вентилируемыми стенами и  покрытием, с нормальной высотой этажей (h>3 м), с лоджиями, верандами и другими летними помещениями и обязательной солнцезащитой проемов.

В небольших южных населенных пунктах, а также в отдельных районах крупных городов уместно шире использовать  строительство малоэтажных зданий, для которых характерны теплоотдача в грунт из помещений первого этажа и возможность защиты от  перегрева озеленением и обводнением прилегающей территории, что при активном сквозном проветривании квартир и хороших  теплотехнических свойствах вентилируемой крыши создает достаточные предпосылки для обеспечения теплового состояния жилых  помещений, близкого к комфортному.

В третьей главе излагаются особенности микроклимата  помещений. Распределение тепла и влаги в объеме помещений связано с разностью внешних давлений на оболочку здания и особенностями естественного воздухообмена в нем, что и нашло отражение в  последовательности рассмотрения этих физических процессов. 

Наиболее существенно влияет эта взаимосвязь на микроклимат  многоэтажных зданий, а также производственных комплексов с  выделениями тепла и влаги. Целесообразное использование естественного воздухообмена и органическое сочетание его особенностей с механической  вентиляцией является одним из эффективных средств обеспечения  необходимых микроклиматических условий в помещениях.

Четвертая глава рассматривает основные теплофизические  свойства ограждающих конструкций, определяемые расчетом по  установившемуся потоку тепла для условий холодного периода года.

Объем излагаемых сведений в отношении процессов  теплопередачи через однородные и неоднородные конструкции, расчета  двумерных температурных полей, теплопроводных включений и  воздухопроницаемости ограждений соответствует учебным программам факультета промышленного и гражданского строительства в  технических вузах.

В пятой главе излагаются теплофизические данные,  необходимые для расчета ограждающих конструкций по неустановившимся условиям теплообмена, главным образом при периодических  тепловых воздействиях (солнечном нагреве ограждений, колебаниях  температуры наружного воздуха в течение суток и т. д.). Основой  таких расчетов остается теория теплоустойчивости, разработанная в СССР еще в двадцатых годах, основательно развитая в конце  сороковых и обеспечившая достаточно достоверные и удобные для строительной практики методы расчета, несмотря на некоторую их приближенность.

Практические методы расчета, основанные на этой теории,  применимы, в частности, к летнему прогреву ограждающих  конструкций и изменениям теплового состояния помещений в холодный и жаркий периоды года.

Шестая глава рассматривает влажностное состояние  ограждающих конструкций и его изменения. Влажностное состояние ограждающих конструкций измеряется влагосодержанием капиллярно-пористых материалов, входящих в состав этих конструкций. Чем меньше влагосодержание материала, тем выше теплозащитные свойства конструкции. Для многих ограждающих конструкций, выполненных из  легких бетонов и других материалов с избыточным содержанием  влаги, характерно повышенное влагосодержание в первый период  времени после выполнения конструкции.

Наибольшая возможность сокращения этого периода возникает в том случае, если в первые месяцы после монтажа конструкций они подвергаются летней естественной сушке, которая в  большинстве районов строительства связана с частым солнечным облучением, имеющим высокую иссушающую эффективность, объясняемую  особенностями периодических воздействий лучистого тепла на  продолжительно высыхающие конструкции.

Если во время дальнейшей службы здания не происходит  увлажнения наружных ограждений конденсирующейся влагой, а также не отмечается смачивания наружной поверхности стен косыми  дождями, единственной причиной эксплуатационного увлажнения  наружных ограждающих конструкций здания может явиться влага внутреннего воздуха, стремящаяся диффундировать из  отапливаемых помещений наружу сквозь толщу ограждений. Через  ограждающие конструкции, отличающиеся сухим состоянием  капиллярно-пористых материалов (бетонов, кирпича, фактурных слоев и т. д.) внутренней части ограждения, интенсивность диффузии водяного пара замедляется, так как сухой материал  гигроскопически поглощает диффундирующую влагу, не давая ей достигнуть охлажденной наружной части конструкции.

Помимо соответствующего уменьшения коэффициентов  переноса влаги внутри таких материалов, на поверхности конструкции, ограждающей сухое помещение, возникает сопротивление влагообмену, ограничивающее в некоторых случаях процесс диффузии. 

Сухой конструкции, находящейся в воздушной среде, свойственно  оставаться в сухом состоянии; влажной (при возникновении увлажняющих процессов) — свойственно увлажняться еще более и хронически засыревать.

С влажностным состоянием и его изменениями непосредственно связаны сохранность эксплуатационных качеств ограждающих  конструкций и предельные сроки их полноценной службы, т. е. их  долговечность.

Об этом свойстве ограждающих конструкций в книге даны лишь самые краткие сведения. Если исключить влияние стихийных бедствий и других  аварийных ситуаций, вызывающих немедленное разрушение, предельный срок полноценной службы конструкции определится длительностью ее сопротивления постепенному износу от периодических  воздействий внешней и внутренней среды.

Такая длительность сокращается при повышении интенсивности этих воздействий, вызывающих резкие колебания температуры и влагосодержания отдельных слоев ограждающей конструкции. Почти все наиболее хорошо изученные в настоящее время виды стойкости материалов против внешних разрушающих воздействий (т. е. морозостойкость, влагостойкость, биостойкость, стойкость  против коррозии) прямо или косвенно связаны с величиной и  изменениями влагосодержания капиллярно-пористых строительных  материалов, входящих в состав ограждающих конструкций.

Постепенное изменение структуры материалов под воздействием внешних природных факторов является следствием длительных  физико-химических и механических процессов. Скорость этого  изменения, а также вероятность возникновения разрывов и трещин в  материале могут быть выражены математическими соотношениями, аналогичными устанавливающим скорость химических реакций или закономерность возникновения зародышей новой фазы в  материальной среде.

Длительность эксплуатации конструкции, характерные изменения температуры и уровень напряжений, вызывающих постепенное разрушение наиболее слабых участков структуры материала, функционально связаны между собой.

В области изучения предельных сроков службы конструкций, т. е., иначе говоря, ее долговечности, строительная теплофизика наиболее тесно соприкасается с разделами строительной механики, изучающими проблемы прочности сооружений.

ГЛАВА I

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА И МАССООБМЕНА В ЗДАНИЯХ И ИХ КОНСТРУКЦИЯХ

§ 1. РАЗЛИЧИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И ВЕЩЕСТВА

Основными физическими процессами, рассматриваемыми в строительной теплофизике, являются процессы переноса тепла,  влаги и воздуха, происходящие в конструкциях и помещениях зданий. Тепло является одним из видов энергии, а влага и воздух — конкретными видами вещества. Физический механизм переноса энергии и вещества различен. Для количественного изучения  особенностей, вытекающих из этих различий, необходимо знать  константы переноса, а также внешние движущие силы или  термодинамические параметры, вызывающие перенос.

Эти параметры, определяющие направление и интенсивность процессов теплообмена и массообмена, называют потенциалами переноса.

Потенциалом переноса тепла является температура, а  потенциалом переноса вещества, в частности влаги и воздуха, уместно  считать энергию, отнесенную к единице массы; эту энергию часто  выражают в размерности соответствующего вида давления. Так,  например, при изучении молекулярных процессов переноса влаги, диффундирующей преимущественно в парообразной фазе,  рассматривается парциальное давление водяного пара, а при молярном переносе жидкой влаги или влажного воздуха — общее давление, вызываемое соответствующими причинами (например, силой ветра, тяжести и т. д.). Возникновение процессов переноса тепла и  вещества (например, влаги) в конструкциях или воздушной среде  помещений возможно только при разности температур или давлений в отдельных зонах или участках рассматриваемой материальной системы. Однако поскольку физический механизм переноса тепла в материальных средах и, в частности, в капиллярно-пористых  строительных материалах, существенно отличен от процесса переноса  вещества, конкретные условия возникновения, а также кинетика этих видов переноса также различны.

В металлах тепло переносится потоком электронов, и  теплопроводность является функцией электропроводности. Наиболее  электропроводные металлы в то же время и наиболее теплопроводны (медь, алюминий). В диэлектриках, где электропроводность отсутствует, перенос тепла осуществляется колебаниями атомов (или их групп) в структурной решетке материала.

Поскольку преобладающее большинство наиболее  распространенных капиллярно-пористых строительных материалов (бетон, кирпич и т. д.) обладает ограниченной электропроводностью,  основное значение для их теплопроводности имеют колебания  атомных групп, происходящие в структурной решетке. В связи с этим, перенос энергии происходит и в идеально плотных материалах, и в капиллярно-пористых. Этот процесс не связан с проницаемостью материалов для потоков вещества. Перенос тепла в твердых  материалах возникает при любой разности температур Δt, и количество переносимого тепла Q всегда пропорционально разности  потенциалов независимо от того, велика или мала эта разность (т. е. Q~Δt). Механизм переноса массы вещества и, в частности, влаги или воздуха связан с проницаемостью и особенностями пористой  структуры материала, внутри которого происходит процесс переноса; в материалах абсолютно плотных или отличающихся ультрамелкой пористостью в поверхностном слое, непосредственно  подвергающемся внешним воздействиям, возникают сопротивления,  ограничивающие перенос вещества. Эти сопротивления при малой разности  потенциалов переноса могут превышать энергетический уровень  последней и тогда оказываются непреодолимыми. При этих условиях перенос массы сквозь достаточно плотный материал не возникает, однако такой перенос может происходить в некотором другом  направлении, где сопротивления окажутся меньшими, чем энергия разности давлений. Так, например, поток холодного воздуха при ветре может обтекать здание, не проникая внутрь, поскольку сопротивление прониканию плотного отделочного слоя наружных стен весьма значительно. Лишь при наличии щелей и неплотностей этот поток проникает в помещение.