Архитектурно-строительня акустика и теплотехника

Как уже было сказано в гл.2, для пароизоляции ограждающих конструкций с их внутренней стороны делается плотный слой. Этот слой обычно достаточно воздухонепроницаем для поперечной фильтрации. Однако, если с наружной стороны фасадный слой не плотный, может происходить продольная фильтрация, заключающаяся в том, что под воздействием ветра холодный наружный воздух проходит внутрь ограждающей конструкции и в другом месте выходит из нее. Этим вызываются дополнительные теплопотери.

У современных наружных стен с вентилируемым  фасадом в слоях из минеральной  ваты, пенополистирола или других вспененных материалов может наблюдаться  продольная фильтрация [10], которая местно снижает приведенное сопротивление этих конструкций за счет выноса фильтрующимся воздухом теплоты в атмосферу.

Даже, если с обеих сторон ограждающей  конструкции обеспечена хорошая  защита от проникновения воздуха, а  внутренние слои выполнены из воздухопроницаемых материалов, движение воздуха внутри конструкции может возникнуть из-за разности температур в толще ограждения по типу движения воздуха в замкнутых воздушных прослойках. Однако, внутренняя фильтрция, как правило, не увеличивает заметно коэффициент теплопередаче ограждения.

Инфильтрация и эксфильтрация  и, вообще, любая фильтрация воздуха  возникают под воздействием перепадов полных давлений воздуха ∆P, Па, с разных сторон ограждения.

То есть, потенциалом переноса воздуха через материалы и ограждающие конструкции является разность давлений воздуха изнутри здания и снаружи. Она объясняется, во-первых, различной плотностью холодного наружного воздуха и теплого внутреннего - гравитационной составляющей и, во-вторых, действием ветра, создающего положительное дополнительное давление в набегающем потоке с наветренной стороны и разрежение с подветренной - ветровой составляющей.

_{Разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждений}

Известно, что в столбе газа статическое гравитационное давление переменно по высоте.

Гравитационное давление Р_гр, Па, в любой точке наружного воздуха на высоте h от поверхности земли, равно

 

(2.49)

 

где Р_атм -атмосферное давление на уровне условного ноля отсчета, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

ρ_н - плотность наружного воздуха, кг/м³.

Ветровое давление P_ветр, Па, в зависимости от направления ветра на разных поверхностях здания будет различным, что в расчетах учитывается аэродинамическим коэффициентом С, показывающим какую долю от динамического давления ветра составляет статическое давление на наветренном, боковых и подветренном фасадах.

Избыточное ветровое статическое  давление на здание пропорционально  динамическому давлению ветра ρ_н^. v²/2 при его скорости v, м/с.

Скорости ветра измеряются на метеостанциях на высоте 10 м от земли на открытой местности.

В застройке и по высоте скорость ветра изменяется. Для учета изменения  скорости ветра в различных типах  местности и на разной высоте применяется  коэффициент k_дин, значения которого регламентированы СНиП 2.01.07-85* [31]. Коэффициент k_дин, учитывающий изменение ветрового давления по высоте h, там представлен в зависимости от типа местности. Принимаются следующие типы местности:

А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;

В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;

С - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Сооружение считается расположенным  в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h - при высоте сооружения h до 60 м и 2 км - при большей высоте.

В соответствии с вышесказанным  ветровое давление на каждом фасаде равно

 

(2.50)

 

где r_н - плотность наружного воздуха, кг/м³;

v - скорость ветра, м/с;

c - аэродинамический коэффициент на расчётном фасаде;

k_дин - коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, принимаемый по [31].

По СНиП 2.01.07-85* [31] для большинства зданий величина аэродинамического коэффициента на наветренной стороне равна c_н=0,8, а на подветренной - c_з= - 0,6.

Так как гравитационное и ветровое давления независимы друг от друга, для  нахождения полного давления наружного  воздуха Р_нар на здание, их складывают:

 

(2.51)

 

За условный ноль давления Р_усл, Па, по предложению В.П. Титова [35] принимается абсолютное давление на подветренной стороне здания на уровне наиболее удаленного от поверхности земли элемента здания, через который возможно движение воздуха (верхнее окно подветренного фасада, вытяжную шахту на кровле).

 

, (2.52)

 

где c_{з -} аэродинамический коэффициент, соответствующий подветренной стороне здания;

Н - высота здания или высота над землей верхнего элемента, через который возможно движение воздуха, м.

Тогда полное избыточное давление Р_н, Па, формирующееся в наружном воздухе в точке на высоте h здания, определяется по формуле:

 

(2.53)

На рис.10 показаны эпюры гравитационного Р_гр, и ветрового Р_ветр давлений и уровень, на котором принят условный ноль давления Р_усл.

В каждом помещении создается свое полное избыточное внутреннее давление, которое складывается из давления, сформированного различным давлением на фасадах здания Р_в, Па, и гравитационного давления Р_{гр, в}, Па.

Так как в здании температура  воздуха всех помещений приблизительно одинакова, внутреннее гравитационное давление зависит только от высоты центра помещения h:

 

(2.54)

 

где r_в - плотность внутреннего воздуха, кг/м³.

 

Рис.10. Формирование воздушных потоков в многоэтажном здании с естественной вентиляцией

 

Для простоты расчетов внутреннее гравитационное давление принято относить к наружному давлению со знаком минус

 

(2.55)

 

Этим за пределы здания выносится  переменная гравитационная составляющая, и поэтому полное давление в каждом помещении становится постоянным по его высоте.

Плотность воздуха ρ, кг/м³, может быть определена по вытекающей из (2.33) формуле:

 

, (2.56)

 

где t - температура воздуха.

Величины внутреннего полного  избыточного давления P_в для одинаково ориентированных помещений одного этажа могут различаться в силу того, что для каждого помещения формируется свое значение внутреннего давления. Определение внутренних давлений в помещениях является задачей полного расчета воздушного режима здания [6], который довольно трудоемок. Но для упрощения расчета внутреннее давление P_в принято приравнивать к давлению в лестничной клетке.

Существуют упрощенные методы расчета  внутреннего давления в здании. Наиболее распространен расчет, справедливый для зданий с равномерно распределенными  окнами на фасадах, когда за условно постоянное внутреннее давление в здании принимается полусумма ветрового и гравитационного давления по выражению

 

(2.57)

 

Второй, более громоздкий способ расчета  величины P_в, Па, предложенный в [36], отличается от первого тем, что ветровое давление усредняется по площадям фасадов. Выражение для внутреннего давления при рассмотрении одного из фасадов в качестве наветренного принимает вид:

 

, (2.58)

 

гдеc_н, c_б, c_з - аэродинамические коэффициенты на наветренном, боковом и подветренном фасадах;

A_н, A_б, A_з - площади окон и витражей на наветренном, боковых и подветренном фасадах, м².

В расчетах теплопотерь учитывается, что каждый фасад может быть наветренным. Следует обратить внимание на то, что  величина внутреннего давления P_в, принимаемая по (2.58), получается различной для каждого фасада. Эта разница тем заметнее, чем больше отличается плотность окон и витражей на различных фасадах. Для зданий с равномерным распределением окон по фасадам величина P_в, приближается к получаемой по (2.57). Таким образом, использование формулы (2.58) для расчета внутреннего давления оправдано в случаях, когда распределение световых проемов по фасадам явно неравномерно или когда рассматриваемое здание примыкает к соседнему, или один фасад либо его часть не имеют окон совсем.

Разность наружного и внутреннего  давлений по разные стороны ограждения на наветренном фасаде на любой высоте h с учетом формулы (2.55) равна:

 

(2.59)

 

Разность давлений ∆P для окон одного фасада разных этажей будет отличаться только величиной гравитационного давления (первое слагаемое), зависящего от разности Н-h отметок верхней точки здания, принятой за ноль отсчета, и центра рассматриваемого окна. На рис.13 показана картина распределения потоков в здании со сбалансированной вентиляцией

_{Воздухопроницаемость  строительных материалов}

Строительные материалы в основной своей массе являются пористыми  телами. Размеры и структура пор  у различных материалов неодинакова, поэтому воздухопроницаемость материалов в зависимости от разности давлений проявляется по-разному.

На рис.11 показана качественная картина зависимости воздухопроницаемости G от разности давлений ΔР для строительных материалов, приведенная К.Ф. Фокиным [38].

 

Рис.11. Влияние пористости материала на его воздухопроницаемость.1 - материалы с равномерной пористостью (типа пенобетона); 2 - материалы с порами различных размеров (типа засыпок); 3 - маловоздухопроницаемые материалы (типа древесины, цементных растворов), 4 - влажные материалы.

 

Прямолинейный участок от 0 до точки а на кривой 1 свидетельствует о ламинарном движении воздуха по порам материала с равномерной пористостью при малых значениях разности давлений. Выше этой точки на криволинейном участке происходит турбулентное движение. В материалах с разными размерами пор движение воздуха турбулентно даже при малой разности давлений, что видно из кривизны линии 2. В маловоздухороницаемых материалах, напротив, движение воздуха по порам ламинарно и при довольно больших разностях давлений, поэтому зависимость G от ΔР линейна при любой разности давлений (линия 3). Во влажных материалах (кривая 4) при малых ΔР, меньших определенной минимальной разности давлений ΔР_мин, воздухопроницаемость отсутствует, и лишь при превышении этой величины, когда разность давлений окажется достаточной для преодоления сил поверхностного натяжения воды, содержащейся в порах материала, возникает движение воздуха. Чем выше влажность материала, тем больше величина ΔР_мин.

При ламинарном движении воздуха в  порах материала справедлива зависимость

 

, (2.60)

 

где G - воздухопроницаемость ограждения или слоя материала, кг/ (м^2. ч);

i - коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/ (м^. Па^. ч);

δ - толщина слоя материала, м.

Коэффициент воздухопроницаемости материала аналогичен коэффициенту теплопроводности и показывает степень воздухопроницаемости материала, численно равную потоку воздуха в кг, проходящему сквозь 1 м² площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте давления, равном 1 Па/м.

Величины коэффициента воздухопроницаемости для различных строительных материалов отличаются друг от друга значительно.

Например, для минеральной ваты i ≈ 0,044 кг/ (м^. Па^. ч), для неавтоклавного пенобетона i ≈ 5,3.10^-4 кг/ (м^. Па^. ч), для сплошного бетона i ≈ 5,1.10^-6 кг/ (м^. Па^. ч),

При турбулентном движении воздуха  в формуле (2.60) следует заменить ΔР на ΔРⁿ. При этом показатель степени n изменяется в пределах 0,5 - 1. Однако на практике формула (2.60) применяется и для турбулентного режима течения воздуха в порах материала.

В современной нормативной литературе не применяется понятия коэффициент  воздухопроницаемости. Материалы и  конструкции характеризуются сопротивлением воздухопроницанию R_и, кг/ (м. ч). при разности давлений по разные стороны ∆Р_о=10 Па, которое при ламинарном движении воздуха находится по формуле:

 

, (2.61)

 

где G - воздухопроницаемость слоя материала или конструкции, кг/ (м^2. ч).

Сопротивление воздухопроницанию  ограждений в своей размерности  не содержит размерности потенциала переноса воздуха - давления. Такое положение возникло из-за того, что в нормативных документах [30, 32] делением фактической разности давлений ∆P на нормативное значение давлений ∆P_o=10 Па, сопротивление воздухопроницанию приводится к разности давлений ∆P_o= 10 Па.

В [32] приведены значения сопротивления воздухопроницанию для слоев некоторых материалов и конструкций.

Для окон, в неплотностях которых  движение воздуха происходит при  смешанном режиме, сопротивление  воздухопроницанию, кг/ (м. ч), определяется из выражения:

 

, (2.62)