Расчет теплоустойчивости ограждающей конструкции

 

      Теплоустойчивость – это свойство ограждения сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности τ_В, ⁰С, при колебаниях внешних тепловых воздействий A_tн, ⁰С, и обеспечить комфортные условия в помещении.

В реальных условиях процесс теплопередачи через ограждения нестационарный. Температура наружного воздуха изменяется не только по периодам года, но и по часам суток, что особенно резко происходит летом. Поэтому при проектировании наружных ограждений возникает необходимость рассчитать теплофизические свойства (теплоустойчивость ограждений) для летнего режима, чтобы ограничить перегрев помещения при периодическом повышении температуры наружного воздуха в течение суток и действии солнечной радиации. Эти расчеты базируются на теории теплоустойчивости, разработанной О. Е. Власовым и развитой Л. А. Семеновым и А. М. Шкловером [3].

           В основу этой теории положено предположение, что при нестационарном режиме теплообмена (летний период года) тепловой поток через ограждение изменяется по закону гармонических колебаний, т.е. через определенный период времени z тепловой поток изменяется от

q_max = q_z + A_q   (9)

до

q_min = q_z – A_q,   (10)

где q_z – среднее значение величины теплового потока;

A_q – амплитуда колебаний теплового потока.

Рассмотрим инженерный метод расчета теплоустойчивости многослойного ограждения, состоящего из нескольких однородных слоев (рис.1), выполняемый в соответствии со СНиП II-3-79^* [1].

Температура наружного воздуха изменяется по закону косинусоиды от некоторого среднего значения t_но с амплитудой колебаний A_tн с тем же периодом колебаний z, что и тепловой поток.

В расчетах теплоустойчивости используется расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха , ⁰С:

, (11)

где – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха, ⁰С, в июле, принимаемая по [2]; – коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по [1, прил. 7]; I_max, I_ср – соответственно максимальное и среднее значения суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м², принимаемые по [СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика –[2]; – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям.

           Величина , , определяется по формуле

,     (12)

           где – минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, принимаемая по [2], но не менее 1 м/с.

 

 

 

Рис. 1. Затухание температурных колебаний в ограждении

 

           Колебания температуры наружного воздуха вызывают изменения температуры и тепловых потоков в толще и на внутренней поверхности наружного ограждения. По мере удаления от наружной поверхности колебания температуры в толще ограждения уменьшаются по величине и запаздывают по времени (по фазе).

           Одним из основных параметров, характеризующих свойство теплоустойчивости наружного ограждения сквозному прониканию температурных колебаний, является показатель затухания . Этот показатель определяет, во сколько раз амплитуда изменения температуры на внутренней поверхности ограждения  меньше амплитуды колебаний температуры наружного воздуха .

           Показатель сквозного затухания колебаний температуры  определяют по формуле

,     (13)

где D_ог – тепловая инерция ограждения; s₁, s₂,…, s_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²∙⁰С), принимаемые по [1, прил. 3^*]; Y₁, Y₂,…, Y_n-1, Y_n – коэффициенты теплоусвоения наружных поверхностей отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²∙⁰С); – то же, что в формуле (5); – то же, что в формуле (12).

           Тепловая инерция ограждения

,            (14)

где R_i и s_i – термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения материальных слоев ограждения.

Коэффициенты теплоусвоениянаружной поверхности слоев ограждения Y _i, входящие в уравнение (13), характеризуют отношение амплитуд колебаний теплового потока A_q и температуры на поверхности A_tп ограждения (Y = A_q/A_tn) и зависят от тепловой инерции отдельных слоев D_i.

При тепловой инерции слоя  коэффициент теплоусвоения его наружной поверхности численно равен расчетному коэффициенту теплоусвоения s _i материала этого слоя, т.е.

. (15)

           Если величина тепловой инерции слоя , коэффициент теплоусвоения его наружной поверхности определяют расчетом:

для первого слоя (считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции):

;         (16)

           для i -го слоя

.     (17)

           Цель расчета – определение амплитуды колебания температуры на внутренней поверхности ограждения , ⁰С:

(18)

и сравнение ее с требуемой амплитудой колебаний  по условию

. (19)

           Требуемая амплитуда колебания температуры внутренней поверхности ограждения , ⁰С,

           для районов со среднемесячной температурой июля ⁰C

;        (20)

           для районов с среднемесячной температурой ⁰С

.       (21)

           Если наружное ограждение удовлетворяет условию (19), значит оно соответствует требованиям теплоустойчивости. В случае нарушения этого условия, можно, изменяя толщину и материал какого-либо слоя, обеспечить требуемые показатели теплоустойчивости ограждающей конструкции для климатических условий района строительства.

 

8. Воздухозащитные свойства ограждающих конструкций (влияние воздухопроницаемости на теплопередачу, расчет требуемого сопротивления ограждений на воздухопроницаемость в соответствии со СНиП II-3-79^*)

 

           При разности давлений воздуха с одной и другой стороны ограждения через него может проникать воздух в направлении от большего давления к меньшему. Это явление называется фильтрацией. Если фильтрация происходит в направлении от наружного воздуха в помещение, то она называется инфильтрацией, при обратном направлении – эксфильтрацией.

           Свойство ограждения или материала пропускать воздух называется воздухопроницаемостью.

           В зимнее время воздух в отапливаемых помещениях имеет существенно более высокую температуру, чем наружный воздух. При этом наружный воздух имеет большую плотность, чем воздух в помещении, вследствие чего на наружной и внутренней поверхностях ограждения возникает разность давлений воздуха (гравитационное давление). Этот эффект усиливается влиянием ветра, под действием которого на наветренных поверхностях ограждений возникает избыточное давление, а на заветренных поверхностях – разрежение. Это приводит к возникновению избыточного статического (ветрового) давления, также способствующего фильтрации воздуха через ограждения.

           Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций, Па, возникающая при совместном действии гравитационного и ветрового давлений, определяют по формуле

, (43)

где H – высота здания от поверхности земли до верха карниза, м;

γ_н, γ_в – удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, определяемый по формуле

;   (44)

           t – температура воздуха: внутреннего (для определения γ_в) и наружного (для определения γ_н) – согласно указаниям [1, п. 2.2^*];  – максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и больше, принимаемая согласно [СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика –[2].

           Воздухопроницаемость ограждающей конструкции оценивается по величине сопротивления воздухопроницанию R _и, Па, которое для многослойного ограждения определяют по формуле

R _и = R _и1 + R _и2 + …+ R _иn, (45)

           где R _и1, R _и2,…, R _иn – сопротивления воздухопроницанию отдельных слоев ограждения.

           Фильтрация наружного воздуха через ограждения в холодный период года вызывает дополнительные потери теплоты помещениями, а также охлаждение внутренних поверхностей ограждения, особенно в современных многоэтажных зданиях. Поэтому СНиП II–3–79^* [1] ограничивает воздухопроницаемость ограждающих конструкций.

           Сопротивление воздухопроницанию R _и должно быть не менее требуемого по СНиП II–3–79^* [1, п. 5.1] , м²∙ч∙Па/кг (за исключением заполнений световых проемов, окон, балконных дверей и фонарей), т.е. должно выдерживаться условие

, (46)

где Δ p – то же, что в формуле (43); G^н = 0,5 кг/(м²∙ч) – нормативная воздухопроницаемость для наружных стен, перекрытий и покрытий жилых, общественных и вспомогательных зданий по СНиП [1].

В случае неудовлетворения требованиям воздухопроницаемости потребуется предусмотреть меры по повышению воздухопроницаемости ограждений. Для этого рекомендуется выбрать строительные материалы и конструкции с большим  и более плотные слои ограждения располагать у наружной поверхности. В качестве таких слоев целесообразно принимать цементно-песчаную штукатурку, керамическую плитку, естественный облицовочный камень и т.п.