Раздел 1 – Теплофизика зданий

ТЕМЫ ЛЕКЦИЙ

1. Предмет строительной теплофизики, ее роль и значение дисциплины.

2. Виды теплообмена. Теплообмен в помещении.

3. Стационарная передача теплоты через наружные ограждения.

4. Нестационарная теплопередача через ограждения. Теплоустойчивость помещения при нестационарном тепловом режиме.

5. Влажностное состояние ограждающих конструкций. Влажностный режим помещения.

6. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций.

ЛЕКЦИЯ 1. Предмет строительной теплофизики, ее роль и значение дисциплины.

В последние годы в нашей стране были существенно повышены требования к уровню тепловой защиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии. Эти требования связаны не только со стремлением к экономии топливно-энергетических ресурсов, но и с задачами охраны окружающей среды, необходимостью уменьшить влияние «парникового» эффекта и сократить выделения двуокиси углерода и других вредных веществ атмосферу.

Современные нормы по тепловой защите зданий установлены с целью проектирования зданий с рациональным использованием энергии. На это направлен комплекс архитектурных, строительных и инженерных решений. Предмет строительной теплофизики - обоснование и выбор наружных ограждающих конструкций зданий, которые обеспечивают заданный температурно-влажностный режим помещений, экономию энергоресурсов и долговечность самих конструкций ограждения на основании изучения теплофизических основ проектирования ограждающих конструкций.

Цель изучения дисциплины – дать представление о связи комфортной тепловой среды в зданиях с использованием конструктивных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов; научить на основании расчетов выбирать ограждающие конструкции зданий, обеспечивающие необходимый уровень тепловой защиты архитектурных объектов, требуемые экологические качества искусственной среды.

Для достижения цели поставлены следующие задачи: дать знания об основных понятиях и законах процессов теплопередачи, паро- и воздухопроницаемости, о теплофизических свойствах строительных материалов; научиться определять нормативные и расчетные теплотехнические показатели ограждающих конструкций, проводить анализ полученных результатов.

Микроклимат помещения - состояние внутренней среды помещения, оказывающее воздействие на человека, характеризуемое показателями температуры воздуха и ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха. Значения этих параметров должны соответствовать назначению помещения и санитарно-гигиеническим требованиям, предъявляемым к нему. Рекомендуемые характеристики внутренней воздушной среды, прежде всего, соответствуют состоянию теплового комфорта человека.

В организме человека протекают биологические процессы, которые ведут к образованию тепла. Эти процессы называются метаболическими. Общее количество энергии, вырабатываемое организмом, зависит от степени тяжести выполняемой работы, которую можно условно оценить как незначительную, легкую, среднюю или тяжелую. Интенсивность выделяемого организмом взрослого мужчины тепла меняется от 70 Вт в состоянии глубокого сна до 350 Вт и выше при выполнении тяжелой работы.

Тепловой баланс существует в том случае, если выделяемое тепло полностью рассеивается в окружающую среду. При нарушении баланса «включается» механизм терморегуляции человека, который – до известных пределов – может защитить его от перегрева и переохлаждения. Состояние теплового комфорта человек испытывает тогда, когда механизм терморегуляции работает с наименьшим напряжением. Это возможно лишь при оптимальных параметрах микроклимата.

Оптимальные параметры микроклимата - сочетание значений показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают нормальное тепловое состояние организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и ощущение комфорта не менее чем у 80 % людей, находящихся в помещении.

Допустимыми считаются такие метеорологические условия, при длительном и систематическом воздействии которых возникает некоторая напряженность процесса терморегуляции, возможно ощущение дискомфорта; при этом состояние здоровья не ухудшается.

Нормируемые параметры микроклимата устанавливаются для холодного и теплого периодов года. Холодный период характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 8˚С и ниже (при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых в качестве граничной принята температура 10˚С); в этот период работают системы отопления здания. Теплый период – период года со среднесуточной температурой наружного воздуха выше 8˚С (10˚С – для зданий, отмеченных ранее).

Воздействие тепловой среды на состояние человека является комплексным, то есть вызванным совместным действием нескольких метеорологических факторов. Условия теплового комфорта включают не только определенный интервал температур, но и соответствующие значения относительной влажности, подвижности воздуха. При комфортных или близких к ним температурах на тепловое состояние человека заметно влияют низкие и высокие значения относительной влажности. Так, при влажности менее 20 % пересыхает слизистая оболочка дыхательного тракта и возрастает восприимчивость к инфекции. При большой относительной влажности затруднен процесс испарения влаги из легких и дыхательных путей и с потоотделением. Снижается теплоотдача во внешнюю среду, что приводит к ощущению дискомфорта.

В таблице 1.1 приведены интервалы оптимальных температур и значения допустимой относительной влажности воздуха в некоторых помещениях жилых и общественных зданий согласно СП 23-101-2004. Расчетная температура воздуха жилых и общественных зданий t_int для холодного периода года должна быть не ниже минимальных значений оптимальных температур. Так, для жилых помещений расчетная температура для холодного периода года составляет: t_int= 20˚С; для поликлиник и лечебных учреждений t_int= 21˚С; для дошкольных учреждений t_int= 22˚С; расчетное значение относительной влажности в этих случаях - φ_int= 55 %.

Таблица 1.1 - Оптимальные температуры и допустимая относительная влажность воздуха внутри здания для холодного периода года

№ п.п.	Тип здания	tint, ˚С	φint, % не более
	Жилые	20-22
	Поликлиники и лечебные учреждения	21-22
	Дошкольные учреждения	22-23

Для остальных зданий, не указанных в таблице, параметры воздуха следует принимать по минимальным значениям оптимальной температуры по ГОСТ 30494-96 и нормам проектирования соответствующих зданий.

ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» устанавливает общие требования к оптимальным и допустимым показателям микроклимата и методы контроля. Значения нормативных параметров внутренней тепловой среды зависят от вида деятельности человека, что нашло свое отражение в классификации помещений.

Подвижность воздуха участвует в создании теплового комфорта в помещении. Неподвижный воздух в помещении даже зимой отрицательно влияет на общее состояние человека, вызывает чувство утомления, создает впечатление затхлости. В этом случае вокруг тела человека образуется тонкая воздушная оболочка, имеющая высокую температуру и насыщенная водяным паром. Затрудняется тепло- и влагообмен с окружающим воздухом. Минимальная подвижность воздуха, разрушающая этот слой, по исследованиям разных авторов составляет 0,05 – 0,15 м/с. В летний период года движение воздуха оказывает благоприятное действие, усиливая теплоотдачу с поверхности кожи и ускоряя испарение. Слишком большая подвижность воздуха раздражает, вызывает ощущение сквозняка, способствует чрезмерному охлаждению.

Температуры поверхностей в помещении (стены, пол и др.) играют существенную роль в формировании микроклимата. Значительная часть потерь тепла организмом человека происходит путем излучения, что обусловлено более низкими температурами поверхностей в помещении.

Лучистый теплообмен возникает при разности температур несоприкасающихся тел; его интенсивность значительно возрастает с ростом этой разности. Для учета потерь тепла путем излучения вводится радиационная температура t_r – осредненная по площади температура внутренних поверхностей ограждений помещения и отопительных приборов. При понижении t_r для поддержания комфортных условий для человека температуру внутреннего воздуха t_int следует увеличить, и наоборот. одним из нормируемых показателей микроклимата является результирующая температура. Результирующая температура помещения t_su - комплексный показатель радиационной температуры помещения и температуры воздуха помещения. Если считать, что потери тепла человеческим организмом в помещениях происходят в равной степени путем излучения и путем конвекции, т.е. при соприкосновении поверхности одежды или кожи с подвижным воздухом, то эту температуру можно принять равной полусумме температур t_int и t_r:

.

Расчетные параметры микроклимата в производственных зданиях определяются как санитарно-гигиеническими нормами, так и технологическими требованиями. В таблице 1.4 представлены оптимальные и допустимые значения температур и скоростей движения воздуха в помещениях производственных зданий. Данные нормы зависят от характера работы, выполняемой человеком, и периода года (ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ). Категория работы определяется по затратам энергии на ее выполнение. Тяжелая физическая работа соответствует расходу энергии более 290 Вт (кузнечные цеха с ручной ковкой, литейные – с ручной набивкой и т.п.); работа средней тяжести – это вид деятельности с расходом энергии 175 – 290 Вт. Работа с незначительным или некоторым физическим напряжением и затратой энергии до 175 Вт классифицируется как легкая.

Кроме санитарно-гигиенических и технологических требований, определяющих границы нормативных показателей микроклимата, важными также являются требования к их обеспеченности, которые определяют надежность поддержания заданных условий внутренней среды. В ряде случаев параметры микроклимата в здании могут заметно отклоняться от расчетных значений. В производственных помещениях это прежде всего связано с технологическими процессами, сопровождающимися выделениями тепла и влаги. Значительное влияние на микроклимат жилых, общественных и производственных зданий оказывают природно-климатические условия. Изменения параметров наружной тепловой среды (резкое похолодание или усиление жары, сильный ветер, проливные дожди) могут привести к нарушению комфортного режима, к переохлаждению или перегреву.

В таких зданиях как больницы, родильные дома, ясли, а также в производственных зданиях со строгим технологическим режимом (точное приборостроение, производство интегральных схем) степень обеспеченности расчетных условий должна быть очень высокой. Заданные параметры микроклимата в них должны выдерживаться при любых погодных условиях, возможных в районе строительства.

В жилых зданиях, общежитиях возможны небольшие кратковременные отклонения от норм. В помещениях, которые функционируют периодически, с ограниченным по времени пребыванием людей (торговые залы, залы ожидания на вокзалах) степень обеспеченности расчетных внутренних условий может быть еще ниже.

Для определения требований обеспеченности заданных параметров внутреннего воздуха вводится коэффициент обеспеченности K_об. Можно ввести коэффициент обеспеченности по продолжительности отклонений

,

где ΔZ – общая продолжительность рассматриваемого периода (сезон, год и т.д.), Δz – продолжительность поддержания расчетных внутренних условий в течение этого периода.

Вводится также коэффициент обеспеченности по числу случаев отклонений

,

где N – общее число рассматриваемых случаев, n - число случаев, не допускающих отклонение от расчетных условий. Для холодного периода года за случай отклонения принимается разовое похолодание. Значения коэффициентов обеспеченности приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Значения коэффициентов обеспеченности K_{ОБ Δz} и K_{ОБ n}

Характеристики помещения	KОБ n	KОБ Δz	Уровень требований к микроклимату
Особо высокие санитарно-гигиенические и технологические требования			Повышенный
Круглосуточное пребывание людей или постоянный технологический режим	0,9	0,98	Высокий
Ограниченное по времени пребывание людей	0,7	0,92	Средний
Кратковременное пребывание людей	0,5	0,8	Низкий

Для создания и поддержания в помещениях здания определенного теплового режима, для выполнения требований обеспеченности нормативных условий большое значение имеют архитектурно-планировочные, конструктивные решения и средства регулирования теплового режима – системы климатизации: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, требующие подвода энергии. В современных условиях проблема сокращения энергопотребления этими системами является крайне актуальной. Энергосберегающие меры направлены и на выбор конструкций и архитектурно-планировочных решений зданий.

Наружные ограждающие конструкции защищают помещения от непосредственных атмосферных воздействий. Разность температур наружного и внутреннего воздуха, солнечная радиация приводят к теплопотерям через ограждения в холодное время и теплопоступлениям летом. Гравитационные силы и действие ветра создают перепады давлений, приводящие зимой к фильтрации холодного воздуха через поры материалов и неплотности ограждающих конструкций. Атмосферные осадки, выделения влаги в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха вызывают влагоперенос через ограждения. При этом возможно увлажнение материалов, ухудшение их теплозащитных свойств и снижение долговечности наружных стен и покрытий.

Для обеспечения комфортных условий в помещениях зданий, нормального протекания производственных процессов, оптимизации потерь тепла зимой и теплопоступлений летом, выполнения норм по ограничению энергозатрат запроектированные ограждающие конструкции должны удовлетворять нормативным требованиям к сопротивлению теплопередаче, теплоустойчивости, влажностному режиму, воздухопроницаемости.

ЛЕКЦИЯ 2. Виды теплообмена

Одним из основных процессов, рассматриваемых в строительной теплофизике, является теплообмен, происходящий в конструкциях зданий. Теплообмен возникает, если существует разность температур в отдельных зонах помещения или участках строительной конструкции. При этом тепловая энергия распространяется от зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой.

Различают три вида (или способа) переноса тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность – это теплоперенос при непосредственном соприкосновении тел или частей одного тела с разной температурой. Механизм теплопроводности можно объяснить на основе молекулярно-кинетических представлений; перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения микрочастиц (молекул, атомов, электронов), составляющих тело, и взаимодействия между ними.

Конвекцией называется перенос теплоты при движении жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) - это теплообмен между телами с разной температурой через лучепрозрачную среду (например, воздух, вакуум) с помощью электромагнитных волн. Он состоит из превращения внутренней энергии тела в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения другим телом.