Изменения температур ограждающих конструкций в летний период

Тепловые воздействия на наружную поверхность ограждающих конструкций в жаркое время года имеют явно выраженный периодический характер; необходимые теплофизические качества ограждений при нестационарном прогреве могут быть установлены путем применения описанных выше основных положений теорий теплоустойчивости. Колебания температур на наружной поверхности ограждений постепенно затухают по мере распространения в глубь конструкций; наибольшее затухание (примерно вдвое) происходит в слое резких колебаний (см. рис. II.7). Общая величина затухания по толщине конструкции выражается отношением амплитуд колебаний на наружной и внутренней поверхностях ограждения в соответствии с формулой (V.4).

Распространение тепловой волны в толще конструкции требует определенного времени, в связи с чем максимальная температура на поверхности, обращенной в помещение, отмечается лишь через несколько часов после наибольшего нагрева наружной поверхности. Основные характеристики теплофизических процессов, подлежащие расчету, — это степень затухания температурных колебаний внутри конструкции, а иногда и время, необходимое для полного прогрева последней.

Поскольку современные конструкции зданий обычно состоят из нескольких слоев, теплофизические расчеты указанных выше величин должны быть отнесены также и к слоистым конструкциям.

Затухание температурных колебаний в каком-либо произвольно выбранном слое слоистой ограждающей конструкции не может быть определено независимо от особенностей расположения этого слоя в конструкции, так как оно в большинстве случаев зависит от влияния соседних конструктивных слоев, расположенных далее по пути движения тепловой волны. Ранее эти же положения были рассмотрены в отношении вычисления коэффициентов теплоусвоения поверхности тонких конструктивных слоев, т. е. определения величин, связанных с процессом распространения температурных колебаний. Поэтому расчет затухания температурных колебаний внутри слоистой ограждающей конструкции необходимо начинать с последнего конструктивного слоя на пути движения тепловой волны и переходить последовательно1 от слоя к слою, приближаясь к поверхности конструкции, непосредственно воспринимающей периодические тепловые воздействия. Это значит, что при расчете теплоустойчивости в летних условиях, когда периодическому нагреву подвергается наружная поверхность ограждения, расчет начинается с конструктивного слоя, граничащего с воздухом помещения.

Соответственно этому назначается нумерация слоев при расчете затухания колебаний температуры внутри конструкции (рис. V.2).

Метод расчета затухания [54] основан на решении дифференциального уравнения (1.7) нестационарного потока тепла для случая гармонических колебаний температуры с помощью гиперболических функций комплексного переменного и использования понятий о коэффициенте теплоусвоения и условной толщине.

Формулы для приближенного расчета, приведенные далее, получены путем исключения из точных формул комплексных чисел, что приводит к некоторому искажению закономерностей затухания температур, происходящему, однако, для распространенных конструкций зданий в допустимых для практики пределах.

Основная часть расчета затухания колебаний температур в ограждающей конструкции сводится к описанному выше последовательному вычислению коэффициентов теплоусвоения Y поверхностей конструктивных слоев, в порядке их нумерации, указанной на рис. V.2. Для толстых слоев принимается, что Y=s.

Затухание амплитуд температурных колебаний в однородной ограждающей конструкции следует определять по формуле:

где D — характеристика тепловой инерции конструкции; ?_в и ?_н — коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждения; s — коэффициент теплоусвоения материала. Затухание амплитуд колебаний температур в слоистой ограждающей конструкции определяется по формуле:

где ?D — характеристика тепловой инерции ограждающей конструкции; s₁, s₂, s₃, ..., s_n — коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев; Y₁, Y₂, Y₃, ..., Y_n — коэффициенты теплоусвоения поверхности слоев, воспринимающей тепловую волну; ?_в, ?_н — коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждающей конструкции.

Индексы при буквенных обозначениях соответствуют порядку номеров слоев, причем нумерация последних принимается, как было сказано ранее, в направлении, обратном движению тепловой волны.

Если в конструкции имеется воздушная прослойка, ее коэффициент теплоусвоения Y_вз.пр определяется по формуле (V.3), полагая, что для воздуха s=0, и тогда

где s₂ — коэффициент теплоусвоения материала, ограничивающего прослойку; R_вз.пр — термическое сопротивление воздушной прослойки. Затухание температурных колебаний в невентилируемой воздушной прослойке

Например, если воздушная прослойка (R_вз.пр=0,2 град·м²·ч/ккал) имеется в конструкции из пенобетона, т. е. s₂=2,37 ккал/м²·ч·град, то

и затухание температурных колебаний в ней: v_вз.пр= 1+1,61·0,2=1,32. Это значит, что в конструкции с воздушной прослойкой затухание температурных колебаний возрастает в 1,32 раза, поскольку в формуле (V.8a), дающей величину полного затухания в ограждающей конструкции, значения затухания в отдельных ее слоях перемножаются, т. е.

При предварительных ориентировочных вычислениях теплофизических свойств ограждающих конструкций, формулы (V.8) и (V.8a) могут быть заменены следующим упрощенным выражением [5], не требующим предварительного вычисления коэффициентов теплоусвоения поверхностей слоев Y:

где ?D — характеристика тепловой инерции ограждающей конструкции; ?R — термическое сопротивление ограждающей конструкции

— множитель, учитывающий соотношение коэффициентов теплоусвоения s₂/s₁ материалов двух основных конструктивных слоев ограждения, расположенных по направлению тепловой волны;

— множитель, вводимый при наличии воздушной прослойки в ограждающей конструкции.

Для наиболее распространенных в строительстве конструкций формула (V.11), основанная на замене многослойной конструкции однородной, приближенно эквивалентной ей по теплофизическим свойствам, дает результаты, достаточно удовлетворительно совпадающие с расчетами по (V.8) и (V.8a).

Пример V.4. Определить для летнего времени года затухание колебаний температур в панельной конструкции стены, выполненной из пенобетона (толщиной 0,28 м), с наружным фактурным слоем (толщиной 0,02 м). Коэффициент теплоусвоения пенобетона s₂₄=2,37; фактурного слоя s₂₄=7,06 ккал/м²·ч·град. Термическое сопротивление пенобетона: R₁=0,28/0,18=1,56; фактурного слоя R₂=0,02/0,6=0,033 град·м²·ч/ккал, где 0,18 и 0,6 — коэффициенты теплопроводности пенобетона и плотной фактуры. Характеристика тепловой инерции конструкции: ?D=R₁s₁+R₂s₂=1,56·2,37+0,033·7,06=3,93.

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности конструкции

Для внутренней поверхности Y=s=2,37 ккал/м²·ч·град, поскольку толщина пенобетона превышает толщину слоя резких колебаний. Зная эти физические величины, производим расчет затухания колебаний температуры по формуле (8а):

По формуле (V.11) имеем:

что отклоняется от предыдущего результата примерно на 12%.

Если стена обращена на запад, то расчетная амплитуда колебаний температуры на ее наружной поверхности (см. пример II.1) может быть принята A_t=24,9°.

Амплитуда на поверхности, обращенной в помещение (затухшая в 32,3 раза): А^t=24,9/32,3=0,77°¹.

Панельная стена, рассмотренная в примере, удовлетворяет требованиям норм для самых южных районов СССР. В отношении абсолютной величины колебаний температуры на поверхности, обращенной в помещение, можно считать, что амплитуда, равная или меньшая, чем 1°, допустима во всех тех случаях, когда ограждаемые помещения не имеют систем радиационного охлаждения или кондиционирования воздуха.

Значения затухания v колебаний температур в наружных стенах и бесчердачных покрытиях проверяются расчетом при среднемесячных значениях дневных летних температур более 25°. При проектировании покрытий для зданий в южных районах целесообразно применять защиту водоизоляционного ковра светлым гравием, а покрытия жилых и общественных зданий осуществлять с вентилируемыми продухами достаточной высоты (не менее 0,25 м; однако из условий эксплуатации и производства ремонтов желательно увеличивать эту высоту до 0,5 м и более).

Наружную часть стен целесообразно выполнять из материалов светлых тонов с малым коэффициентом поглощения солнечной радиации. В многоэтажных зданиях, эксплуатируемых в южных районах, которые отличаются большими колебаниями температуры в течение суток, становится целесообразным устройство стен с наружными лучеотражающими экранами (например, из листового алюминия), отделенными от основной конструкции дополнительной изоляцией от лучистого тепла и воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом [61]. У фасадов многоэтажных зданий токи восходящего воздуха могут иметь существенную скорость, а при озеленении и обводнении территории, прилегающей к зданию, достигается более низкая температура приточного воздуха, по сравнению с температурой поверхности стен вышерасположенных этажей.

В результате этого, температура конструкции под экраном может быть значительно снижена по сравнению с температурой поверхности обычных неэкранированных стен, что является существенным в отношении возможности уменьшения температуры в ограждаемых помещениях. Особое значение имеет защита световых проемов солнцезащитными устройствами, без применения которых обеспечение приемлемого для людей теплового состояния помещений становится невозможным. Натурные исследования, проведенные на крайнем юге, показывают, что максимальная температура межстекольного пространства окон при их солнцезащите может быть снижена на 20—25° по сравнению с температурой этого пространства, характерной для незащищенных окон (рис. V.3).

Солнцезащита и применение вентилируемых ограждающих конструкций являются наиболее эффективными мероприятиями в целях улучшения теплового состояния жилых помещений естественными средствами. Однако известное влияние на ограничение прогрева слоистых ограждающих конструкций может оказать целесообразный выбор теплоизолирующих материалов и даже рациональное размещение конструктивных слоев с различными теплофизическими свойствами.

При прочих равных условиях, предпочтительно утепление из легких, но обладающих высокой удельной теплоемкостью материалов (например, древесно-волокнистых плит и т. д.). Применения предельно пористых утеплителей (например, минеральной и стеклянной ваты, мипоры и других пенопластов с очень малым объемным весом и т. д.) уместно избегать, имея в виду быстрый и интенсивный перенос тепла через такие материалы, происходящий в летних условиях не только путем теплопроводности, но также излучением и даже конвекцией.

Анализируя формулу (V.8a), можно установить, что наибольшее затухание температурных колебаний имеет место в тех многослойных ограждающих конструкциях, в которых чередуются конструктивные слои с малым и большим теплоусвоением, так как затухание в каком-либо слое ограждения характеризуется величиной

зависящей от отношения коэффициентов теплоусвоения смежных конструктивных слоев.

В соответствии с этим утепление из легких материалов будет наиболее эффективным в тех случаях, когда оно расположено между двумя слоями из тяжелых конструктивных материалов с большим теплоусвоением. Из конструкций с воздушными прослойками наиболее теплоустойчивыми будут те конструкции, в которых воздушная прослойка расположена между слоями с большим теплоусвоением (из конструктивного бетона и т. д.).

В холодный период года, в целях повышения общей теплоустойчивости ограждающих конструкций отапливаемых помещений, целесообразно выполнять их внутреннюю часть в пределах слоя резких колебаний из плотных материалов с большим теплоусвоением, а в наружной части применять более легкие пористые материалы с малым теплоусвоением (рис. V.4).

В этом случае температурный режим внутренней части ограждающей конструкции, обладающей большим теплоусвоением, будет близок к температурным условиям внутреннего воздуха и колебания температуры внутри помещения будут наименьшими.

Для южных районов в жаркий период года, когда чрезмерное и далеко выходящее за пределы комфортных условий повышение температуры воздуха жилых помещений становится вероятным, такое расположение конструктивных слоев будет целесообразным только при оборудовании помещений систематически действующими устройствами радиационного охлаждения; в этом случае выполнение внутренней части конструкции из плотных материалов способствует ее равномерному охлаждению и более удобно для размещения трубопроводов.

В ограждающих конструкциях помещений без систематически действующих охлаждающих устройств выполнение внутренней части конструкции из плотных материалов может привести к большей аккумуляции тепла к концу дневного периода; в вечернее и ночное время это тепло будет поступать в помещение, усиливая дискомфортность его теплового состояния. Поэтому в районах с значительными колебаниями температур наружного воздуха в течение суток (и особенно при использовании конструкций, вентилируемых в ночное время этим воздухом) целесообразнее выполнять из более плотных материалов наружную часть конструкции, учитывая ее вероятное охлаждение при отсутствии прямого солнечного облучения и особенно в ночное время.

Такое расположение материалов будет способствовать более быстрому охлаждению конструкции в ночной период и меньшей аккумуляции тепла в конструктивных слоях, граничащих с помещением.

Аналогичное расположение конструктивных слоев можно рекомендовать в слоистых конструкциях помещений с периодически используемыми системами или переносными агрегатами кондиционирования воздуха. В этом случае периодическое включение агрегатов с целью обеспечения необходимой степени комфортности теплового состояния помещений будет происходить с наименьшей затратой энергии; использование систем охлаждения окажется наиболее экономичным.

Запаздывание температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкции по сравнению с колебаниями наружной суммарной температуры, т. е. сдвиг фаз ?_s в ч, вычисляется по следующей формуле:

где s_в.п — коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения; s_н.п — коэффициент теплоусвоения наружной поверхности, вычисляемые по формуле (V.3).

Величины arctg берутся в градусах, а не в радианах.

При предварительной оценке запаздывания наружных температурных колебаний на внутренней поверхности рассматриваемой ограждающей конструкции может быть использовано следующее простое выражение [5]:

где ?D—суммарная характеристика тепловой инерции конструкции.

Примечания

1. Допустимое значение амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций может быть определено по формуле:

где t_н — среднемесячная температура наружного воздуха за июль месяц.