Тепловая защита зданий Калихман Аркадий Давидович профессор кафедры

Тепловая защита зданий Калихман Аркадий Давидович, профессор кафедры архитектурного проектирования, доктор физико-математических наук

Тепловая защита зданий Лекция 1 -2. Принципы теплозащиты зданий Лекция 3 -4. Нормирование тепловой защиты зданий Лекция 5 -6. Проектирование и технологии тепловой защиты зданий

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий В анализе теплозащиты зданий важным является учет процессов переноса воздуха и влаги между наружной и внутренней средой через ограждающую конструкцию. Известно, что увеличение содержания влаги в материалах ограждения может приводить к снижению теплозащитных качеств ограждающих конструкций и даже к их разрушению. Нередко причиной повреждений при увлажнении конструкций, является не проникание дождевой воды или дефекты трубопроводов, а конденсация водяного пара. В рассматриваемом объеме воздуха содержится большее или меньшее количество молекул водяного пара. Весовое количество водяного пара в единице объема воздуха называют абсолютной влажностью воздуха. Создаваемое молекулами воды давление, как часть общего давления составляющих атмосферу газов, принято называть парциальным давлением водяного пара или упругостью водяного пара.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. При расчетах содержания и конденсации влаги в ограждениях используется величина парциального давления водяного пара или упругости водяного пара, обозначаемой буквой е и измеряемой в единицах давления паскалях, Па, соответствующих действию силы в один ньютон на метр квадратный, Н/м 2. При обычных температурах абсолютная влажность воздуха с достаточной точностью оказывается пропорциональной упругости водяного пара и использование на практике той или иной величины не приводит в итоге к заметному различию результатов. Важной особенностью водяного пара, отличающей его от идеального газа, можно считать наличие границы для максимально возможного его содержания в воздухе с данной температурой и барометрическим давлением. Выше этой границы концентрация молекул воды в воздухе быть не может, а достижение границы принято называть давлением насыщенного водяного пара или максимальной упругостью водяного пара, обозначаемой буквой Е и измеряемой в Па.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. В процессе снижения температуры воздуха при неизменной абсолютной влажности может отмечаться особое явление, связанное с конденсацией влаги, наблюдаемое при достижении воздухом температуры, соответствующей состоянию полного насыщения. Образующуюся в процессе конденсации воду называют росой, конденсатом, конденсационной влагой. Соответствующая температура, при которой достигается состояние полного насыщения, называется температурой точки росы или просто точкой росы. Подобная терминология появилась, вероятно, по ассоциации с наблюдаемым в природе явлением выпадения росы на траве в летнее время, когда с заходом солнца и в ночное время температура воздуха снижается, достигаются условия полного насыщения и конденсации влаги на охлажденных поверхностях.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Для определения влажности воздуха в любом его состоянии используется понятие относительной влажности. Относительная влажность воздуха выражается в процентах как отношение парциального давления или упругости водяного пара в рассматриваемой воздушной среде к значению максимальной упругости при данной температуре: Поскольку максимально возможное содержание или концентрация водяного пара в воздухе зависит от температуры, то и относительная влажность является величиной, зависящей от температуры. Очевидно, что при повышении температуры воздуха и сохранении неизменной абсолютной влажности воздуха его относительная влажность будет снижаться. Наоборот, при понижении температуры воздуха относительная влажность будет расти.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Проектирование ограждения должно обеспечивать температуру на его внутренней поверхности, превышающую температуру точки росы для данной влажности воздуха. Принимаемые в проектировании значения относительной влажности воздуха в помещениях берутся по максимальной величине допускаемой в них влажности. Обычно для жилых помещений = 55%, а для общественных зданий = 50%. Для промышленных зданий и помещений специального назначения относительная влажность воздуха берется на основании соответствующих данных. Для помещений с постоянным пребыванием человека нормальной считается относительная влажность воздуха в пределах 30 -60%.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. С физической точки зрения существует аналогия в описании явлений передачи тепла и диффузии водяного пара. Температуру среды можно ассоциировать с упругостью водяного пара, теплопроводность материала с его паропроницаемостью, теплоотдачу поверхностей с влагообменом поверхностей, термическое сопротивление с сопротивлением паропроницанию, сопротивление теплоотдаче поверхностей с сопротивлением влагообмену поверхностей, общее сопротивление теплопередаче с общим сопротивлением паропроницанию. Коэффициент паропроницания , численно характеризующий диффузию водяного пара через слой материала, показывает количество пара в миллиграммах, проходящего за один час через квадратный метр плоского слоя толщиной в один метр при разности парциальных давлений водяного пара на поверхностях слоя в один паскаль, мг/(м×ч×Па).

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Для установившегося потока диффундирующего через однослойное ограждение толщиной , м, водяного пара сопротивление этому потоку материалом ограждения называется сопротивлением паропроницания , м 2×ч×Па/мг, выражается в виде отношения: Общее сопротивление паропроницанию многослойного ограждения может быть записано как сумма сопротивлений отдельных слоев и сопротивлений влагообмену:

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Внутренняя и наружная среды, разделенные ограждением, имеют значения упругости водяного пара соответственно и. Они определяют границы, между которыми меняются величины упругости водяного пара, диффундирующего через ограждение, в зависимости от сопротивления паропроницанию. Распределение упругости водяного пара в толще ограждения может быть получено с использованием выражения, представленного по аналогии с выражением для расчета температуры в произвольной точке в толще ограждения. Для многослойной ограждающей конструкции значение упругости водяного пара на границе между слоями имеет вид: где – упругость водяного пара на внутренней поверхности n – го слоя ограждения

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Конденсация влаги на внутренней поверхности ограждений. Опыт эксплуатации зданий показывает, что конденсация влаги на внутренней поверхности ограждений, особенно для зимних условий, является одной из основных причин увлажнения ограждений. Планирование мер устранения конденсации основано на обеспечении значения температуры на внутренней поверхности и в толще ограждения, превышающей температуру точки росы. Отсутствие конденсации является следствием выполнения условия , а величина превышения температуры точки росы обычно принимается 2 -3˚С. Поэтому, чем больше значение , тем меньше разность или перепад температур между внутренним воздухом и внутренней поверхностью:

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Процесс конденсации влаги на внутренней поверхности ограждений в случае плоской стены отличается для других геометрических в плане форм, например, наружных углов. Из простых физических представлений следует, что для стены с наружным углом площадь теплоотдачи внутренней поверхности заметно меньше площади теплоотдачи наружной поверхности. В практических расчетах для обеспечения защиты проектируемых ограждений от отсыревания и промерзания может приниматься в три раза меньшая величина коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности, и, соответственно, сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности в три раза больше. Тогда для расчета температуры на внутренней поверхности угла можно использовать выражение:

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Графическое представление результатов расчета температурного поля для стены с наружным углом при задании удвоенной в сравнении с плоской стеной величины сопротивления теплоотдаче внутренней поверхности дано на рисунке. Приведено распределение температуры в наружном углу панельного ограждения из керамзитобетона для зимних условий в городе Иркутске

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. а) стеновое ограждение из кирпича: оценку свойств стенового ограждения из кирпича по условиям конденсации влаги дают значения относительной влажности в углу и на поверхности стены, свидетельствующие о низких качествах ограждения при эксплуатации в зимних условиях, поскольку конденсация в углу наступает при величинах, соответствующих сухому влажностному режиму помещения, а на поверхности появление влаги происходит при относительной влажности в интервале влажного режима помещения. б) панельное стеновое ограждение из керамзитобетона: оценку свойств панельного стенового ограждения по условиям конденсации влаги дают значения относительной влажности в углу и на поверхности стены, свидетельствующие о низких качествах ограждения при эксплуатации в зимних условиях, поскольку конденсация в углу наступает уже при величинах, соответствующих сухому влажностному режиму помещения, а на поверхности появление влаги происходит при относительной влажности в интервале, соответствующем влажному режиму помещения.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. Конденсация влаги в толще ограждения. В холодный период фактическая упругость водяного пара внутри помещения обычно выше наружной упругости и в таких условиях водяной пар диффундирует из теплого помещения через ограждение наружу. При этом в процессе диффузии в толще ограждения водяной пар может достигать сечений с температурой, соответствующей максимальной упругости, где вероятна конденсация влаги. Поэтому для надежного проектирования необходимо знать расположения зоны или зон возможной конденсации, для чего требуются расчеты и оценки распределений температуры, максимальной упругости и упругости водяного пара. На первом этапе определяются значения температур на внутренней и наружной поверхностях ограждения, а в случае многослойного ограждения и в местах сопряжения слоев. По этим данным находятся соответствующие значения максимальной упругости водяного пара Е , и затем значения упругости водяного пара е.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. На рисунках приведены схематически два варианта с графиками изменения рассматриваемых величин в толще однородного ограждения при постоянной величине коэффициента паропроницания.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. а) трехслойное стеновое ограждение из кирпича и пенопласта: Результаты анализа условий конденсации влаги в толще утепленного трехслойного ограждения, приведенные на рисунке, показывают, что рассматриваемое ограждение, обладающее достаточно высокими теплозащитными качествами, допускает в холодное время конденсацию влаги в зоне сопряжения утеплителя из пенопласта и наружного слоя кирпича, причем оценка накопление влаги в объеме 119 г/м 2 указывает на возможность отрицательного воздействия как на утеплитель, так и на кирпич в зоне конденсации влаги.

Лекция 2. Влажностное состояние ограждения. б) монолитное стеновое ограждение с утеплителем из минераловатных плит: Результаты анализа условий конденсации влаги в толще монолитного стенового ограждения с утеплителем, приведенные на рисунке, показывают, что рассматриваемое ограждение, обладающее высокими теплозащитными качествами, исключает конденсацию влаги в ограждении.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Физические представления о тепловой эффективности Полного и однозначного определения зданий, относящихся к категории энергоэффективных, повидимому, не существует. Тепловая эффективность обычно оценивается по уровню потребления энергии, используемой на отопление горячее водоснабжение, кондиционирование воздуха. Кроме относительных характеристик уровня энергопотребления, необходимо включение абсолютных показателей, связанных с пространственными параметрами здания. Энергоэффективное здание включает в себя совокупность архитектурных и инженерных решений, наилучшим образом отвечающих целям минимизации расходования энергии на обеспечение комфортных условий в помещениях здания. Энергоэкономичное здание включает в себя отдельные решения или систему решений, направленных на снижение расхода энергии для обеспечения комфортных условий в помещениях здания.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Количественные характеристики здания, позволяющие отнести его к энергоэффективному, можно определить по значениям тепловых потерь на единицу площади ограждения или удельным теплопотерям. Этот параметр считается наиболее важным, поскольку считается, что на ограждающие конструкции проходится примерно половина всех теплопотерь, а вторая половина приходится на перенос тепла вентилируемого воздуха и на использованную горячую воду. Поскольку удельные теплопотери или удельный тепловой поток через ограждающие конструкции пропорциональны разности температур наружного и внутреннего воздуха в помещении по обеим сторонам ограждения и обратно пропорциональны общему сопротивлению теплопередаче, очень наглядным является графическое представление указанной зависимости.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий На рисунке показаны кривые, отображающие гиперболическую или обратную зависимость теплового потока от общего сопротивления теплопередаче ограждения для разности температур наружного и внутреннего воздуха помещения 40, 50, 60˚С. На графике отмечена граница , соответствующая общему сопротивлению теплопередаче наружных стен жилых многоквартирных домов массовой застройки в кирпичном и панельном исполнении, возведенных до 1990 года в городе Иркутске (задача 1. 1).

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Видно, что граница проходит по быстро изменяющейся стороне гиперболы и сравнительно большим величинам удельного теплового потока Q. Величины сопротивления теплопередаче порядка единицы для кирпичных и панельных стен зданий, построенных 20 -50 лет тому назад в Иркутске и попрежнему находящихся в эксплуатации, в наименьшей степени отвечают современным представлениям теплоизоляции и тепловой защите зданий. На участке R > 2 скорость изменения удельного теплового потока снижается, например, для кривой с разностью температур 50 ˚С величины потока составляют последовательно 25, 16. 6, 12. 5, 10 Вт/м 2 для значений сопротивления теплопередаче 2, 3, 4 и 5 соответственно. Анализ скорости изменения удельного теплового потока позволяет провести на графике еще одну границу, отделяющую быстрые изменения теплового потока от медленных, составляющих, например, менее 15 Вт/м 2. Эту пороговую величину удельного теплового потока можно считать верхней оценкой для зданий, отнесящихся к категории энергоэффективных.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Комплексная оценка уровня теплозащиты здания учитывает одновременно с сопротивлением теплопередаче отдельных конструкций их площади, а также теплопотери за счет инфильтрации и вентиляции воздуха. Для подобной оценки обычно используются значения общего коэффициента теплопередачи для каждого из ограждений. Расчет среднего коэффициента теплопередачи для здания в целом, обозначаемого (в ряде стран ), дает средневзвешенную величину по площади всех ограждений. Коэффициент представляет собой отношение средней плотности стационарного теплового потока через все ограждения отапливаемых помещений здания, к разности температур внутренней и наружной среды:

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий С учетом значений общего коэффициента теплопередачи для каждого ограждения и их площади А выражение для среднего коэффициента теплопередачи: где i – индекс соответствует ограждению: стена одного типа, пол, потолок или перекрытие, окна, двери и другие. Важным для оценки уровня теплозащиты, является соотношение между общей площадью внутренних поверхностей наружных ограждений и отапливаемым объемом. Минимизация теплового потока при неизменной величине отапливаемого объема прямо связана с минимизацией общей площади поверхности. Отношение общей площади поверхностей наружных ограждений к величине отапливаемого объема называется показателем компактности здания. Этот показатель включен в нормативные документы по тепловой защите зданий в качестве критерия энергоэффективности.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Отношение (где – площадь поверхности, а – объем здания) представляет обратную зависимость и позволяет получить оценки для простых форм, сравнимых с формами целых зданий или их частей. Очевидно, что для куба отношение равно , для сферы с диаметром D отношение равно. Тогда для рассматриваемого случая равных отапливаемых объемов, когда , отношение площадей поверхности этих фигур будет следующим: 1. 241 показывает, во столько раз площадь куба превышает площадь сферы при равных объемах фигур, и во столько раз большим будет и тепловой поток через поверхность. Если здания в форме полусферы или с элементами сферических и цилиндрических ограждений выглядят как наиболее предпочтительные, то кубические пространственные формы можно считать следующими по показателю компактности.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Реализация принципов энергоэффективности зданий, относящихся к архитектурно-планировочным решениям, достаточно хорошо иллюстрируется на примере зданий, относящихся к категории индивидуального жилья. Проектирование пространственной оболочки или выбор объемно-пространственного решения индивидуального жилья отличается разнообразием, особенно в ситуации свободного размещения дома на участке. Наиболее предпочтительной для холодных климатических условий является компактная схема объемно-планировочного решения энергоэффективного дома. Такая схема, используемая не только в холодном климате, отвечает условию наименьшей величины отношения общей площади поверхности дома к его объему.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий Другой принцип энергоэффективности индивидуального жилья связан с фактором единства отапливаемого объема, который обеспечивается конвективным теплообменом на внутренней поверхности ограждений при естественной и вынужденной конвекции. Наличие большого числа изолированных помещений, формирующих общее пространство жилья, заметно усложняют процесс конвекционного теплообмена и снижают его эффективность. Отсутствие перегородок в простых жилых пространствах (типа юрты, яранги, чума) заметно облегчает процесс конвекции теплого воздуха. Подобным образом использование так называемого полуоткрытого плана индивидуального жилья и редкое обращение к изолированному плану основывается на традициях формирования основного теплового ядра в отапливаемом объеме и рационального его распределения в условиях холодного климата.

Лекция 2. Энергоэффективность ограждающих конструкций и зданий В общем случае реализация энергоэффективной архитектуры индивидуального жилья предусматривает соблюдение следующих условий: 1. Создание пространственной оболочки жилища, соответствующей требованиям компактности и огражденности. 2. Организация планировок внутреннего пространства с учетом их наибольшей открытости или наименьшей изолированности, как по горизонтали, так и по вертикали. 3. Выполнение требований достаточности уровня теплоизоляции ограждающих конструкций и соответствия современным строительным технологиям.