При проектировании зданий и их ограждающих конструкций принимают расчетные значения температуры и влажности внутреннего воздуха, в зависимости от назначения помещений, располагаемых в зданиях.
Такие значения относятся к температуре и влажности в рабочей зоне помещений в холодный период года и устанавливаются нормами в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями к данному помещению. Самые общие сведения о расчетных значениях температуры и влажности в рабочей зоне отдельных видов помещений приведены в табл. III.3.
Фактические значения температуры и влажности внутреннего воздуха в эксплуатируемых зданиях отклоняются от расчетных, не одинаковы в различных зонах помещения и, кроме того, изменяются в пределах годичного, а иногда суточного или даже меньшего периода, в зависимости от наружных условий и особенностей функциональных и технологических процессов, происходящих в помещениях.
В жилых и общественных зданиях, где существенные выделения тепла и влаги отсутствуют, эти отклонения и изменения наименее заметны и ощущаются главным образом в пределах годичного периода, что сказывается на различных значениях температуры и влажности в холодное и теплое время года. При этом в правильно запроектированных и нормально эксплуатируемых зданиях этого вида такие отклонения и изменения в умеренном климате сравнительно невелики1 и не приводят к дискомфортным условиям для людей, пребывающих в здании, а также к возникновению каких-нибудь физических явлений на поверхности ограждений, могущих вызвать постепенное разрушение отделочных слоев или даже конструкций в целом.
В частности процессы конденсации влаги на поверхности конструкций или отсутствуют совершенно или не характерны для помещений рассматриваемого здания, они могут быть вызваны лишь теплофизическими дефектами ограждений, нуждающимися в соответствующем устранении. При правильно запроектированных ограждающих конструкциях не возникает конденсата на их поверхности и отделочный слой в таких помещениях может быть любым.
В помещениях с естественными изменениями температуры и влажности, преимущественно в годичном цикле, градиенты этих физических параметров в течение суток или других коротких интервалов времени невелики, а условия эксплуатации ограждающих конструкций отличаются неизменными физическими условиями и потому благоприятны в отношении их сохранности.
Наоборот, в помещениях с резкими колебаниями температуры и влажности в течение суток или более коротких периодов можно ожидать возникновения физических процессов, вызывающих постепенное разрушение отделочных слоев и даже ограждающих конструкций в целом (конденсация, температурные деформации, набухание, усушка и т. п.). Неблагоприятные в смысле сохранности конструкции колебания температуры и влажности могут быть вызваны также циклическими изменениями внешних климатических условий в короткие периоды времени, однако в умеренном климате наиболее разрушительными обычно оказываются колебания, вызванные функциональными или технологическими процессами.
Период таких колебаний связан с особенностями функционального процесса; для производственных помещений — это длительность рабочих смен или продолжительность основных рабочих операций, например, плавки металла, загрузки и разгрузки нагревательных колодцев, травильных ванн и других технологических агрегатов.
Естественно, что такие колебания температуры и влажности наиболее характерны для производственных помещений; однако менее интенсивные циклические повышения температуры и влажности могут наблюдаться также и в помещениях гражданских зданий.
В производственных помещениях с большой тепловой напряженностью (например, мартеновские или другие металлургические цехи) под покрытием образуется нагретый слой воздуха, толщина и температура которого периодически увеличиваются при закономерных циклах выпуска, разливки, остывания, обработки или транспорта нагретого металла.
Для таких помещений температура воздуха под покрытием может быть определена как [44]:
где ?t — разность температур под покрытием и в рабочей зоне. Например, для мартеновских цехов (с печами емкостью от 150 до 600 т) ?t изменяется от 15 до 30° в зависимости от характера происходящих в цехе технологических операций (минимальное значение ?t — при плавке металла в закрытых агрегатах, максимальное — при его выпуске).
В металлургических цехах, где преобладающая часть тепла (до 2/3 и более) выделяется в виде лучистой составляющей, температура поверхности верхней части стен и особенно покрытий значительно превышает температуру воздуха.
При неизменной тепловой напряженности в помещении, значения максимальной температуры внутренней поверхности стен и покрытий определяются путем специального теплофизического расчета [3].
При периодическом действии источников тепла поверхность ограждений подвергается циклическому нагреву и остыванию, что более опасно, чем постоянный высокий нагрев, так как приводит к постепенному разрушению конструкций.
Чем выше нагрев поверхности конструкций и короче период повторения температурных импульсов, тем вероятнее появление трещин и постепенное разрушение ограждений из бетона.
Соответствующие расчеты прогрева и структурных изменений ограждений показывают, что в современных конверторных цехах целесообразны металлические покрытия; железобетонные ребристые плиты, производимые по обычной, применяемой в настоящее время технологии, относительно быстро разрушаются, а рубероидные кровли подвергаются сухой перегонке и постепенному обугливанию (медленному сгоранию).
Различная влажность воздуха в объеме помещений связана не только с характером распространения конвекционного тепла, но также и с изменениями кратности воздухообмена в отдельных зонах.
В зданиях с незначительными выделениями влаги, нормальной влажностью воздуха и естественным воздухообменом (жилых, производственных с холодной обработкой металла и т. д.), наивысшие значения относительной влажности (около 55—60%) характерны для верхней зоны помещений и обычно отмечаются в периоды ослабления действия отопительных систем при температуре наружного воздуха близкой к 0° (т. е. в условиях мягкой зимы или в переходные периоды года, когда влагосодержание наружного воздуха достаточно высоко).
При более высокой наружной температуре относительная влажность в помещении уменьшается за счет увеличения кратности естественного воздухообмена, а при очень низкой — за счет интенсификации отопления и осушающего действия активно фильтрующегося наружного воздуха.
Между абсолютным влагосодержанием fв (г/м3) внутреннего воздуха, влаговыделениями в помещении g (г/м3·ч), кратностью естественного воздухообмена v (1/ч) и абсолютным влагосодержанием наружного воздуха fн (г/м3) существует следующая зависимость:
где ? — отношение объемных весов внутреннего и наружного воздуха.
Этой зависимостью можно пользоваться для определения кратности естественного воздухообмена, необходимой для возможного понижения влажности воздуха, особенно в помещениях с ограниченными и равномерно распределенными выделениями влаги.
Помещения с интенсивными влаговыделениями обычно характеризуются определенной их периодичностью, продолжительность периодов связана с рабочим и технологическим режимом (например, продолжительность и сменность работы и т. д.). Интенсивное удаление средствами аэрации больших количеств периодически выделяющейся влаги возможно в ограниченных пределах и в сравнительно мягких климатических условиях; для удаления больших количеств избыточной влаги средствами недостаточно производительной механической вытяжной вентиляции требуется определенное время.
Во многих производственных помещениях с большими выделениями влаги (например, красильные цехи текстильных фабрик) периодичность изменений температуры и влажности внутреннего воздуха связана с числом смен работы.
Наибольшие повышения влажности отмечаются в середине или конце сменного времени и в холодный период года соответствует максимальной конденсации влаги на поверхности наружных ограждающих конструкций.
В помещениях с малым воздухообменом, периодическим присутствием большого числа людей и ограниченной кубатурой, относительная влажность из-за увеличившихся выделений влаги может периодически повышаться до величин, соответствующих точке росы на поверхности ограждений.
Если количества конденсирующейся влаги невелики, а периоды времени между повышениями влажности достаточно длительны, целесообразно использование для отделки потолка и стен пористых материалов, обладающих сорбционной влагоемкостью, достаточной для поглощения конденсирующейся влаги. При этом поглощенная и вызвавшая некоторое увлажнение пористой отделки влага будет испаряться в течение длительных периодов между повышенными влаговыделениями. Подобная отделка уместна, например, для помещений театров и концертных залов, плотно населенных жилых помещений ограниченной высоты, а также для верхней части стен и потолка ванных комнат в жилых квартирах. Целесообразность использования такой отделки для других помещений с периодическими выделениями небольших количеств влаги может быть определена расчетом, учитывающим количество выделений и влагоемкость отделки, а также интенсивность и полноту испарения влаги, поглощенной отделочным слоем в периоды между влаговыделениями.
Клеевая окраска, побелка или бумажные обои, выполненные по поверхности плотного бетона или другого материала, медленно поглощающего влагу, быстро портятся.
Отделка поверхностей ограждений рассматриваемых помещений влагозащитными материалами или составами обычно не применяется по экономическим соображениям. Однако такая отделка становится единственно возможной и необходимой при непрерывной или периодической, но интенсивной конденсации влаги на поверхности конструкций.
Непрерывная конденсация на поверхности наружных ограждающих конструкций отмечается обычно в тех случаях, когда устойчивое значение относительной влажности воздуха при любых изменениях положительной температуры в помещении, превышает 75%; периодическая, но интенсивная — при нормальной или повышенной температуре и прерывистых влаговыделениях, сопровождаемых резкими колебаниями относительной влажности.
Возможность эффективной и длительной защиты ограждающих конструкций от разрушительного действия конденсационных процессов осложняется тем обстоятельством, что в строительстве до самого последнего времени применялись весьма несовершенные средства влагозащиты (например, цементная штукатурка, окрасочные пленки, наносимые в один-два слоя, а в нижней части стен — глазурованные керамические плитки, примораживаемые на обычном цементном растворе и т. д.).
Эти виды влагозащиты не в состоянии полностью предохранить ограждающие конструкции в течение длительного времени от проникания влаги, конденсирующейся на их поверхностях, обращенных в помещение.
При интенсивной периодической конденсации влаги непроницаемость таких влагозащитных слоев сохраняется лишь в течение срока, измеряемого месяцами или ограниченным числом лет; далее в результате возникновения микротрещин она нарушается, а ограждающие конструкции с предполагаемым сроком службы в десятки (и даже сотни лет) увлажняются и подвергаются преждевременному разрушению. Возобновление влагозащитных слоев, производимое по влажной поверхности пористых материалов, малоэффективно и обычно не обеспечивает надежной и длительной защиты.
Более совершенными являются непроницаемые отделочные слои из рулонных пластикатов с герметизируемыми швами или многослойная (в 6—8 слоев) изоляция из высокомолекулярных смол с большой адгезионной способностью (эпоксидных и аналогичных им). Однако такие отделочные средства дороги и пока мало распространены в строительстве.
Необходимость применения стойких (против постепенного разрушения) изолирующих материалов для помещений с явно выраженными процессами конденсации влаги на ограждающих поверхностях продолжает оставаться весьма актуальным вопросом, связанным с проблемой повышения долговечности конструкций.
В производственных зданиях с незначительными выделениями влаги, на изменения относительной влажности внутреннего воздуха в течение года закономерно влияют колебания кратности естественного воздухообмена и влагосодержания наружного воздуха.
Экспериментальные исследования внутреннего температурно-влажностного режима таких промышленных зданий, как отапливаемые цехи станочной обработки металла, показали, что наивысшие значения относительной влажности (около 60%) характерны в переходные периоды года при температуре наружного воздуха, близкой к 0°.
Наименее благоприятные эксплуатационные условия для ограждающих конструкций (с точки зрения их влажностного режима) создаются при температуре от 0 до —10°. При этих значениях наружной температуры влажность воздуха помещений, сообщающихся с внешней средой, наиболее высока, диффузия водяного пара в ограждающих конструкциях наиболее интенсивна,2 а конденсация влаги на остеклении фонарей при наружной температуре выше — 10° наиболее вероятна, но как раз особенно нежелательна, так как влага конденсируется в жидкой фазе и капли могут отрываться и падать в рабочую зону. При более низкой температуре процесс конденсации на одинарном остеклении проявляется в выпадении инея, который при достаточном воздухообмене в цехе не тает, а испаряется (сублимируется), переходя непосредственно в парообразную фазу.
Изучение изменений температуры и влажности воздуха в производственных помещениях с фонарями верхнего света показывает, что при расчетах конденсации влаги на поверхности ограждающих конструкций, которая могла бы происходить при низкой экстремальной температуре наружного воздуха, расчетное значение ?в следует принимать с понижающим коэффициентом (например, 0,75) от максимальной величины, возможной в данном помещении.
Понижение влажности внутреннего воздуха в периоды устойчивых и сильных морозов характерно для любых помещений с естественным воздухообменом.
В зданиях с ограниченной герметизацией ограждающих конструкций такое понижение влажности при низкой температуре наружного воздуха является неизбежным следствием увеличения теплового напора и усиления инфильтрации.
В жилых домах герметизация ограждающих конструкций выше, чем в производственных зданиях с использованием аэрации. Однако и в этих домах с менее проницаемыми ограждающими конструкциями и более стабильным режимом отопления отмечается повышение влажности внутреннего воздуха (при наружной температуре близкой к 0°) по сравнению с влажностью в более холодные периоды зимы. В особенности существенно такое повышение к концу холодного периода года, когда влажность материалов наружных стен достигает наибольшего значения. Исследованиями температурно-влажностного состояния жилых помещений в Москве, проведенными Б. Ф. Васильевым, установлено, что в марте средняя относительная влажность воздуха этих помещений выше, чем в январе на 12—15%.
В устойчиво влажных районах, где повышенное влажностное состояние стен к весеннему периоду является не только результатом диффузионного увлажнения в течение холодного периода года, но в большой мере связано с высокой влажностью наружного воздуха и непосредственным увлажнением стен дождями, относительная влажность в помещениях возрастает до предельно высоких значений — 80—85%. Подобное положение характерно, например, для жилых зданий во Владивостоке,3 где наступление весны сопровождается устойчивыми ветрами, несущими влагу с Тихого океана.
Такая же предельно высокая влажность отмечается в жилых помещениях с длительно засыревшими стенами, независимо от причин этого нежелательного явления.
Проведенные в период с 1958 по 1972 г. исследования в современных многоэтажных жилых домах с поквартирным заселением подтвердили общую зависимость значений влажности в помещениях от разности температур внутреннего и наружного воздуха. Чем выше такая разность и создаваемый ею тепловой напор, тем меньше относительная влажность.
Наряду с этим, исследования установили, что существует общее понижение относительной влажности воздуха жилых помещений в холодный период года, связанное с массовым применением в строительстве современных систем центрального отопления, а также с посемейным заселением квартир и повышением нормы жилой площади на каждого человека.
Особенно низкие значения относительной влажности индивидуальных квартир многоэтажных домов отмечены в районах с суровой зимой, где усиленная инфильтрация, а также поддерживаемая в помещениях повышенная температура, физиологически необходимая при предельно охлажденной поверхности стен, способствуют сухому состоянию воздуха.
В настоящее время действующими нормами установлены для жилых помещений в умеренных климатических условиях температура +18° и относительная влажность 55%. В местностях с суровой зимой (средняя температура пятидневки — 31° и ниже) расчетная температура жилых помещений повышается до +20°. Весьма вероятно, что эти нормируемые значения в дальнейшем будут еще более дифференцированы в зависимости от особенностей климата.
Опыт эксплуатации жилых зданий и данные натурных исследований дают право считать, что нормируемые температуры внутреннего воздуха следовало бы более решительно повышать для больших значений ?Т, снижая вместе с тем величины ?в.
Так, например, при ?Т=60° (Новосибирск, Кузнецк и др.) ближе к действительности будут параметры tв=22° и ?в=50%, а для предельно большой величины ?Т=75° (Якутск) — tв=24° и ?в=45%.
Прогрессивными следует считать гигиенические нормы микроклимата жилищ, разработанные институтами Академии Медицинских Наук СССР.
Этими нормами для холодных районов устанавливается внутренняя температура до +22° при ?в до 45%.
Наименьшее влияние наружных климатических условий и общего температурного перепада на влажность помещений отмечается в безоконных и бесфонарных промышленных зданиях, где более высокая степень герметичности ограждающих конструкций позволяет обеспечивать необходимые параметры внутреннего воздуха, независимо от внешних условий.
Отапливаемые здания этого типа являются особенно целесообразными в районах с резко выраженными неблагоприятными климатическими влияниями (Заполярье, крайние юго-восточные районы СССР и т. д.), а также для размещения производственных процессов, требующих кондиционирования температуры и влажности.
Примечания
1. t=18—22° зимой, до 28° летом; при влажности 40% ±10%.
2. Из-за высоких значений разности парциальных давлений и повышенных величин коэффициентов переноса влаги для более влажных материалов и конструкций.
3. По данным Н. С. Рябова.