CC BY
60
КАК УЧИТЬ СТУДЕНТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ
(В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ)
HOW TO TEACH STUDENTS TO DESIGN THERMAL PROTECTION FOR BUILDINGS
(FOR DISCUSSION)
B.H. Куприянов V.N. Kupriyanov
КазанскийГАСУ
Предлагается организовать дискуссию по содержанию учебных разделов курса строительной физики для вузов. Для обсуждения предложено содержание раздела по теплозащите ограждающих конструкций.
It is proposed to organize a discussion on the content of the training section of the course of building physics for high schools. To discuss the proposed content of the section for thermal protection walling.
Развитие строительной физики, как науки, и реализация ее научных достижений в проектной практике невозможны без притока подготовленной молодежи из вузов в аспирантуру и проектные организации. В связи с этим, содержание отдельных разделов строительной физики, методы преподавания, учебная литература для вузов и другие компоненты образовательного процесса должны стать объектом пристального внимания со стороны вузовских работников и научного сообщества. Настоящей статьей предлагается открыть дискуссию по данному вопросу на страницах журнала ACADEMIA РААСН.
Анализ преподавания различных разделов строительной физики в вузах страны показал, что их содержание во многом определяется научными предпочтениями преподавателей ведущих дисциплину. Отчасти это можно считать положительными, поскольку студенты знакомятся с результатами современных научных исследований. Однако при этом к окончанию вуза у выпускников не формируется системное представление о проектировании теплозащиты зданий, а проектные организации пополняются специалистами, которые не в состоянии обеспечить грамотное проектирование ограждающих конструкций.
Государственные образовательные стандарты (ГОСы) третьего поколения предусматривают специальные дисциплины призванные сформировать у студентов системное представление о проектировании зданий в свете задач строительной и архитектурной физики. Так в ГОСе по направлению «Строительство» в профиле № 1(промышленное и гражданское строительство) предусмотрена дисциплина «Физика среды и ограждающих конструкций» (108 часов). В профиле №10 «Проектирование зданий» предусмотрены две дисциплины: «Физика среды и ограждающих конструк-
ций» (216 часов) и «Методы приближенных расчетов конструкций на стадии выбора проектного решения (теплотехнические, акустические и др.)» (144 часа). В ГОСе по направлению «Архитектура» для всех профилей предусмотрена дисциплина «Архитектурная физика» (108 часов), а для профиля «Градостроительство» дополнительно предусмотрена дисциплина «Градостроительная климатология» (70 часов).
Таким образом, в отличие от существующих образовательных стандартов, в ГО-Сах третьего поколения, по которым вузы начинают работать с сентября 2011 года, вопросам строительной физики уделено повышенное внимание. В связи с этим, специалисты и преподаватели, ведущие указанные дисциплины, должны сформулировать научно-обоснованный подход к содержанию и преподаванию каждого раздела строительной физики.
Для Российской Федерации, основная территория которой находится в умеренном и холодном климате, проектирование теплозащиты зданий для холодного периода года является основным. В связи с этим, в качестве варианта для обсуждения, излагается точка зрения автора данной статьи по содержанию и последовательности изложения раздела «Проектирование и расчет ограждающих конструкций для холодного периода года». Более подробно материал изложен в учебном пособии [1].
В основу проектирования и расчета ограждающих конструкций положены четыре условия:
1. Уровень теплозащиты ограждений должен соответствовать климатическим воздействиям места строительства, обеспечивать экономию энергоресурсов на отопление зданий, а также обеспечивать санитарно-гигиенические и комфортные условия в помещения зданий.
2. В основу конструирования и расчета ограждений положены основные физические процессы, проходящие в ограждающих конструкциях в эксплуатации: теплопередача, паропроницаемость и воздухопроницание.
3. Конструкции ограждения и используемые материалы должны сохранять параметры теплозащиты в эксплуатации, то есть обеспечивать долговечность ограждающих конструкций.
4. Обеспечение теплозащиты зданий и комфортных условий в помещениях должны рассматриваться совместно, поскольку здание представляет собой единую систему, где все функции должны быть взаимосвязаны.
В методологии действующих нормативных документов по строительной теплотехнике или теплозащите зданий основное внимание обращено на формирование ограждающих конструкций только с позиции энергосбережения, то есть обеспечение такой величины сопротивления теплопередаче ограждения, которая будет не меньше требуемого значения для данных климатических условий. Остальные параметры теплозащиты этого ограждения не проектируются, а лишь проверяются по принципу «соответствует» или «не соответствует» требованиям СНиП. Причем, если разработанная конструкция оказывалась не соответствующей требованиям СНиП (например, по накоплению парообразной влаги), то нормативные документы не дают внятных рекомендаций об устранении выявленного несоответствия.
Действующая методология проектирования теплозащиты зданий сформировалась в те годы, когда основные объемы наружных стен выполнялись из кирпича и камня, т.е. были массивными и однородными. С переходом на повышенную теплозащиту зданий появляются многослойные ограждающие конструкции и сложные фасадные системы, для которых действующая методология проектирования теплозащиты становится малоэффективной и требует совершенствования.
В свете высказанных условий и замечаний предлагается следующий алгоритм содержания курса «Проектирование теплозащиты ограждающих конструкций для холодного периода года».
Содержание курса состоит из четырех основных разделов:
1. Основные физические процессы в ограждениях, которые определяют теплозащиту зданий (теплопередача, паропроницаемость и воздухопроницаемость).
2. Характеристика наружных климатических условий и определение величины расчетных параметров климатических факторов для основных физических процессов.
3. Характеристика параметров микроклимата помещений и возможность их обеспечения проектными средствами.
4. Разработка конструктивного решения ограждений и обеспечение основных параметров теплозащиты (необходимого сопротивления теплопередаче, ненакопления парообразной и конденсированной влаги, санитарно-гигиенического перепада (% - хв) и отсутствие конденсата на внутренней поверхности в местах теплопроводных включений, приведенного сопротивления теплопередаче).
Для специалистов ведущих эти курсы нет необходимости подробно описывать каждый из разделов, поэтому остановимся на основных и наиболее значимых моментах в каждом разделе.
1. Основные физические процессы в ограждениях
Тепловой поток Цк (теплопередача) через наружное ограждение прямо пропорционален разности температур по обеим сторонам ограждения (тв - Хн) и обратно пропорционален сопротивлению теплопередаче конструкции Ктк,
Qk = (Jв )/RтK (1). ® проектной практике удобнее пользоваться расчетными
значениями температур внутреннего 1в и наружного 1Н воздуха. При этом сопротивление теплопередаче ограждения Ято включает в себя не только Ктк, но также сопротивление теплопереходу у внутренней Ктв и наружной Ятн поверхностях,
Qo - & - ^)/Rто (2).
Важной характеристикой теплопередачи является распределение температур по сечению ограждения X; , включая температуры внутренних поверхностей ограждений по глади стены хв и по теплопроводному включению Тд . Разность температур (1в - тв) определяет комфортные условия в помещении, чем меньше эта разность, тем выше комфорт, а т'-в определяет образование или необразование конденсата в местах теплопроводных включений. Для конкретных температурно-влажностных условий необразование конденсата определяется неравенством т'Б (температуры точки росы).
Температура хв, X;, хн могут быть определены по известной формуле, основанной на равенстве тепловых потоков по сечению ограждения от температуры 1в до температуры
^ = ь^ (3)
RTO
где: Ят; - сопротивление теплопередаче части ограждения от внутренней поверхности до сечения 1, включая Ищ.
Эти же температуры могут быть определены графическим способом, если сечение ограждения представить не в масштабе физических толщин слоев, а в масштабе сопротивления теплопередаче этих слоев. В этом случае зависимость 1 - Ят имеет вид
ВЕСТНИК _МГСУ
прямой линии, рис. 1, а тепловой поток О определяется тангенсом угла наклона температурной прямой к оси абсцисс tga.
д = Ъ^ = ^ (4)
кт0
Линейная зависимость t - Ят позволяет легко строить кривую максимальных уп-ругостей водяного пара Б; по сечению ограждения, что является необходимым условием при оценке вероятности конденсации парообразной влаги в ограждении. На рис. 1 показано также сопротивление используемое в формуле (3).
Паропроницаемость или диффузия водяного пара через ограждение во многом аналогична закономерностям теплопередачи. В связи с этим, количество парообразной влаги, проходящей через ограждение прямо пропорционально разности действительных давлений водяного пара на внутренней ев и наружной ен поверхностях ограждения и обратно пропорционально общему сопротивлению паропроницанию ограждения ЯПо, ^ = (ев — ен)/ ЯП0, мг/(м2- час) (5). Общее сопротивление паропроницанию Япо состоит из сопротивления паропроницанию всех слоев конструкции ограждения ^пк = ^ ^пк и сопротивлений переходу давления от внутреннего воздуха ев к давлению на внутренней поверхности ограждения евп, а также сопротивлению перехода давления от наружной поверхности енп к давлению наружного воздуха ен, т.е. Япв и Япн. Однако, в отечественной и зарубежной практике величинами ЯПв и Япн пренебрегают в силу их малости по сравнению с Япк, что не всегда обосновано.
Изменение действительных давлений по сечению ограждения от ев до ен будет линейным, если сечение ограждения представить в масштабе Яп, по аналогии с распределением температур, которое представлено на рис. 1.
о
а ■я
К
Кт*
К
ТИ
Ятдм СИЛ
Рис.1. Диаграмма t - Ят в ограждающей конструкции
Накопление парообразной влаги в ограждении и ее конденсация определяются соотношением максимальной Б; и действительной е; упругостей по сечению ограждения. Конденсация влаги начинается в том сечении ограждения, где Б; будет равно е;, то есть относительная влажность составит 100 %.
Распределение значений Е; по сечению ограждения, как было сказано, зависит от распределения температуры в тех же сечениях т;, которые, в свою очередь, определяются сопротивлением теплопередаче отдельных слоев Ят; и их взаимным расположением в конструкции. Распределение значений е; по сечению конструкции зависит от сопротивления паропроницанию отдельных слоев Яп; и их взаимному расположению в конструкции ограждения. Таким образом, изменением соотношения - Яп; в отдельных слоях и ограждении в целом возникает возможность регулировать соотношение Е; - е; в различных сечениях ограждения, перемещая плоскость конденсации в то или иное сечение. Однако, образование плоскости конденсации определяется не только характеристиками отдельных слоев ограждения (Ят; и Яп;), но также значением температуры наружного воздуха точнее расчетным значением этой температуры.
Конденсированная в ограждении парообразная влага изменяет эксплуатационные свойства ограждения в связи с чем, необходимо дать представление об определении объемов влаги конденсированной в ограждении. После уточнения расположения в ограждении плоскости или зоны конденсации и оценки расчетных параметров Е; в этих зонах, количество конденсата ОКОНд, образующегося в единицу времени определяется простой разностью потоков парообразной влаги до 01 и после 02 зоны конденсации: ОКОНд = 01 - 02 (6). Помножив эту величину на продолжительность конденсации можно оценить абсолютное значение влаги за определенный период времени.
При рассмотрении воздухопроницаемости ограждений анализируются закономерности формирования разности давления по обеим сторонам ограждения АР за счет гравитационного давления Pt и ветрового напора Рто показывается зависимость АР от ^ и ин. Обосновываются абсолютные значения АР для конкретной климатической зоны, так, например, для зданий высотой до 14 этажей в климатических условиях Среднего Поволжья эта величина не превышает 70 Па, что предопределяет величину требуемого сопротивления воздухопроницанию, например, для стен зданий.
Я™ = ЬР/вв = 70/0,5 = 140
Важно показать, что эта величина Я^ сопоставима с сопротивлением воздухопроницанию таких слоев материалов толщиной 100 мм как пенобетон, керамзитобе-тон, а также известковых и цементных штукатурок по каменной кладке толщиной 15 мм. Поясняется, что наличие подобных слоев в конструкции ограждения гарантирует требуемое сопротивление воздухопроницанию для наружных стен.
В то же время следует обратить внимание на то, что воздухопроницаемость ограждений во многом определяется не воздухопроницаемостью конструкции стены, а стыками, швами и неплотностями в окнах, дверях и воздухоприемных устройствах.
2. Наружные климатические условия места строительства предопределяют требования к уровню тепловой защиты зданий. Количественной мерой климатических условий является такая величина климатического фактора, которая обретает статус расчетного параметра. Величина расчетного параметра определяется в результате взаимодействия климатических факторов и «реакции» ограждения на эти воздействия, которая зависит от свойств материалов и конструкции ограждения. Таким образом, расчетный параметр зависит не только от «суровости» климата, но и от характеристик ограждения.
Так, работами Фокина К.Ф. показано, что расчетные температуры наружного воздуха при оценке сопротивления теплопередаче определяются параметрами волн холода и тепловой инерцией ограждения. В результате предложено для ограждений с низким значением тепловой инерции в качестве расчетного значения температуры при-
ВЕСТНИК _МГСУ
нимать температуру наиболее холодных суток. Для массивных ограждений, с высоким значением тепловой инерции, принимать температуру наиболее холодной пятидневки.
Расчетной температурой наружного воздуха при оценке паропроницаемости и конденсации парообразной влаги в ограждении (с конкретными характеристиками Яш, ЯТо и Япо) будет такое значение 1н, при котором в сечении ограждения, ближайшем к наружной поверхности разность (Е; - е;) будет равна нулю и, следовательно, в этом сечении начнется конденсация водяного пара. Это значение ^ получило наименование температуры начала конденсации - 1НК, рис. 2.
Зона конденсации по рис. 2 определяется интервалом температур от 1НК ДО минимальной температуры в данной местности определенной обеспеченности % Начавшись при 1Нк в слое ближайшем к наружной поверхности конденсация водяного пара распространяется в глубину ограждения (к внутренней поверхности) по мере понижения 1:| г и конденсат выпадает на некоторой зоне по толщине ограждения.
1ЯЯ ИННфСГИОИ* *и ри*. ШИI*
? ^
^ о
■р
I
1ИЧИ.7И
АНОдАСЙцЛн
с <> 1н "
¡'Ш 'Н ЛНШН Г/И'.ЧШ /'И'П 1/К1
Рис.2. К определению температуры начала конденсации для конкретного сечения ограждения (с и Яп;) и зоны конденсации для ограждения в целом (с Кто и Япо).
3. Расчетные параметры микроклимата помещений определяются его назначением и требованиями к санитарно-гигиеническим, комфортным и технологическим условиям. В известных нормативных документах закреплены конкретные значения параметров микроклимата: температура воздуха 1в, относительная влажность воздуха фв, температура внутренних поверхностей ограждений Тв, разность (1в - Тв) и скорость движения воздуха в помещении и, кратность воздухообмена и его обеспечение по всей рабочей зоне помещения.
Некоторые из перечисленных параметров микроклимата напрямую зависят от уровня теплозащиты ограждения, другие - от проектирования инженерных систем по жизнеобеспечению зданий. Из этого следует, что комфортные условия в помещениях должны обеспечиваться совместным проектированием, как уровня теплозащиты, так и инженерных систем жизнеобеспечения, поскольку здание представляет собой единую систему.
В зданиях высоких технологий параметры микроклимата обеспечиваются уровнем теплозащиты ограждений и инженерными системами, в то время, как в жилых домах массовых серий проектными средствами могут быть обеспечены только два параметра микроклимата tв и Тв. Параметры фв и и не только не регулируются проектными средствами, но даже не контролируются.
4. Конструирование и теплотехнический расчет ограждающих конструкций выполняется с учетом основных физических процессов в ограждении и расчетных значений климатических факторов.
Все многообразие современных ограждающих конструкций и фасадных систем сводится, с точки зрения теплотехнических расчетов, к пяти основным типам:
1. Однородные однослойные массивные ограждения.
2. Двухслойные ограждения с наружной штукатуркой по теплоизоляционному слою по сетке.
3. Трехслойные ограждения с теплоизоляционным слоем внутри.
4. Ограждения с невентилируемой воздушной прослойкой.
5. Ограждения с вентилируемой воздушной прослойкой.
Все типы, ограждающих конструкции состоят из четырех функциональных слоев: конструкционного, теплоизоляционного, ветро-паро-влагоизоляционного и облицовочного. В зависимости от используемых материалов различные слои могут выполнять несколько функций.
Важным этапом теплотехнического расчета является выбор значений расчетных характеристик теплопроводности X и паропроницаемости р. материалов, который определяется влажностным режимом ограждений (графа А или Б).
При конструировании ограждения решаются следующие теплотехнические задачи.
1. Обеспечение необходимого сопротивления теплопередаче за счет подбора материалов и толщин отдельных слоев. Обеспечение предварительного условия, когда
сопротивление теплопередаче по глади Кто или условное Щ,™ будет превышать требуемое (или нормируемое) Я^. То есть первая задача формирует ограждение с позиции энергосбережения.
2. Второй задачей является обеспечение ненакопление парообразной влаги (а тем более конденсата) в ограждении. Конструкция ограждения, сформированная в первой задаче, подвергается анализу и, при необходимости, корректируется с точки зрения беспрепятственного прохождения парообразной влаги через ограждение. Этот анализ удобнее проводить не через характеристику сопротивления паропроницанию слоев
5; / а через обратную величину 1/Ят , которая характеризует паропроницае-
мость слоя в. = Д./81 . Паропроницаемость слоев должна нарастать от внутренней поверхности к наружной, то есть должно выполняться неравенство:
Ов < 01 < 02 < ...< Он (8)
Варьируя толщиной слоя 5; или выбирая материалы с другими значениями р.; можно обеспечить неравенство (8) с сохранением необходимой величины Ято.
Нарастание паропроницания отдельных слоев ограждения 0; от внутренней поверхности 0в к наружной 0н это одна из задач проектирования по ненакоплению влаги. Другой задачей является ограничение поступления парообразной влаги из помещения в ограждающую конструкцию. С этой целью у внутренней поверхности ограждения должен располагаться слой с повышенным сопротивлением паропроницанию. Это может быть полимерная краска или пленка, специальные обои, монолитный железобе-
тон и т.п. Чем меньше парообразной влаги проникнет в ограждение, тем ниже вероятность ее конденсации в ограждении и тем менее проявится отрицательное воздействие влаги на эксплуатационные свойства ограждений. Устройство 100% барьера для парообразной влаги на внутреннем слое ограждения нецелесообразно, так как удаление парообразной влаги из ограждения в летний период происходит как через наружную, так и через внутреннюю поверхности ограждений.
Существующие нормативные документы не содержат рекомендаций о величине Яп; или 0в слоя примыкающего к внутреннему воздуху помещений, в связи с чем, этот вопрос требует специального исследования.
При обеспечении неравенства (8) может оказаться так, что высокое значение па-ропроницаемости наружного слоя 0н войдет в противоречие с требованиями к материалу облицовочного слоя, который должен выполняться из плотных, прочных, водо-и морозостойких материалов. В этом случае логика проектирования ограждений указывает на необходимость устройства вентилируемой прослойки, которая обеспечит удаление парообразной влаги не через облицовочный слой, а через специальные воз-духоприемные и воздуховыводящие отверстия из воздушной прослойки в наружный воздух.
3. Третьей задачей проектирования является обеспечение санитарно-гигиенических показателей тепловой защиты за счет требуемой разности Лt = (/В ~Тв) (9). Эта разность обеспечивает комфортные теплоощущения человека в помещении, чем она меньше, тем комфортнее условия. Расчеты показывают, требования СНиП 23-02-2003 к величине ^ = 40С будут выполнены при величине сопротивления теплопередаче Кто > 2 (м2 • 0С)/Вт, то есть в подавляющем большинстве случаев при обеспечении третьего уровня теплозащиты ограждений.
4. Четвертая задача связана с обеспечением невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждений в зонах теплопроводных включений, то есть обеспечение неравенства т'в , где 1р - температура точки росы для данных температурно-
влажностных условий в помещении.
Для выполнения этой задачи требуется анализ всех конструктивных узлов ограждения с теплопроводными включениями и определение в этих зонах температур тВ.
Наиболее эффективным методом определения тВ в зонах теплопроводных включений является построение температурных полей с использованием компьютерных программ.
Для большого количества «типовых» видов теплотехнических неоднородностей, представленных в нормативных документах, величину тВ можно определить по приведенным там же формулам для неметаллических теплопроводных включений и для металлических теплопроводных включений.
Если в результате анализа окажется, что тВ < ^ и на внутренней поверхности появляется вероятность образования конденсата, следует ввести коррективы в конструкцию узлов ограждения с целью увеличения тВ. Такие примеры описаны в известной литературе.
Решение четырех вышеперечисленных задач позволяет сформировать конструкцию ограждения и обеспечить необходимые параметры теплозащиты. Решение энергетической задачи, то есть оценка удельных расходов на отопление зданий или тепло-
потерь здания, связаны с определением приведенного сопротивления теплопередаче
уПР
Яго фрагмента фасада, отдельного этажа или здания в целом.
Анализ нормативных документов, проектной практики и последних исследований
пПР
по этому вопросу позволил выявить несколько уровней в определении КТ0 .
Первый уровень - простейший. Я^ определяется через сопротивление теплопередаче по глади стены - Ято и коэффициент теплотехнической однородности г:
= Я™ • г (10)
Значения коэффициентов г приведены в некоторой нормативной литературе, изменяются от 0,5 до 0,98 в зависимости от конструкции ограждения. Опыт расчетов показывает, что эти коэффициенты завышены на 10-40 %.
Второй уровень применим для плоских ограждений с «типовыми» теплотехническими неоднородностями, приведенными в СНиП II - 3 - 79 ив СНиП 23-101-2004. Ограждение условно разрезается на простейшие участки плоскостями параллельными и перпендикулярными направлению теплового потока, и получают два значения сопротивления теплопередаче Яц и Я_1_. Расчет сопротивления теплопередаче однородных участков выполняется по известным формулам ЯТ = X (11), а не однородных - с учетом площадей отдельных участков Б; и их сопротивления теплопередаче
Я _ ^ + ^2 + ... + ^ .
Я " -1т' ^
—+—+...+—-Я1 Я2 Яп
Приведенное сопротивление теплопередаче Я^ определяют по формуле:
ЯПР _ Яп + 2Я± . (13)
КТО --3-. (13)
Третий уровень основан на работах Гагарина В.Г. и расчетах двух и трехмерных температурных полей. Этот метод позволяет учесть практически любые неоднородности, плоскостные, линейные и точечные, включая, кладочные растворные швы, арматурные сетки, гибкие связи, кронштейны крепления элементов фасадной облицовки и т.д.
Метод заключается в определении плотности тепловых потоков по глади стены q и по теплотехническим неоднородностям qi, сумма которых на определенной площади ограждения характеризует теплопотери с 1 м2 конструкции
Я ПР _ гв ~ 1в . (14)
ЯТО --^— . (14)
Ч + ^ Чг
С определением приведенного сопротивления теплопередаче, при соблюдении
пЯР пТР
неравенства Кт0 > Кт0 , проектирование теплозащиты здания для холодного периода
года можно считать законченным.
Таким образом, в разделе «Проектирование и расчет ограждающих конструкций для холодного периода года» студент получает системное представление о взаимосвязанных подразделах. О физических процессах в ограждениях зданий, закономерности которых положены в основу расчета климатических и микроклиматических парамет-
ров, а также конструирования и теплотехнического расчета на этой базе ограждающих конструкций. В процессе конструирования и расчета обеспечиваются требуемые параметры теплозащиты: необходимое сопротивление теплопередаче, ненакопление парообразной влаги и невыпадение конденсата на внутренних поверхностях ограждений в местах теплопроводных включений, приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента ограждения, одного этажа или здания в целом.
Литература:
1. Куприянов В.Н. Проектирование теплозащиты ограждающих конструкций: Учебное пособие, Казань: КГАСУ, 2011, - 161 с.
References:
1. Kupriyanov V.N. Designing of thermal protection face walls: Teaching aid, Kazan, KGASU, 2011. - 161 p.
Ключевые слова: учебный курс, содержание дисциплины, теплопередача, паропроницаемость, воздухопроницание, климат, конструирование, расчет.
Keywords: training course, content of discipline, heat transfer, vapor permeability, air permeability, climate, construction, calculation.
420043 Республика Татарстан, г. Казань, ул. Зеленая, д.1, КГАСУ тел.: (843) 526-93-42, факс: (843) 238-79-72 (для Куприянова) тел. моб.: 8-987-290-1998
e-mail: [email protected]
Рецензент Зам. генерального директора по научной работе ГУП «Татинвестгражданпроект» доктор технических наук И.С.Абдрахманов
