Сочетание низких температур с ветром для зданий

Предельное охлаждение ограждающих конструкций отапливаемых зданий может иметь место или при низкой расчетной температуре наружного воздуха в условиях относительного безветрия, как это было рассмотрено в предыдущем разделе, или при сочетании отрицательной (хотя бы более умеренной) температуры и сильного ветра.

В первом случае отмечается предельное охлаждение конструкций достаточно непроницаемых для холодного воздуха; во втором — ограждений более проницаемых, через которые может проникать значительное количество этого воздуха и тем самым охлаждать конструкцию и помещение.

При низкой расчетной температуре и относительном безветрии потери тепла Q через конструкцию, выполненную из достаточно плотных материалов, происходят только путем теплопроводности и пропорциональны разности температур ?t помещения и наружного воздуха, т. е.

где R₀ — сопротивление конструкции теплопередаче, град·м²·ч/ккал; Q₀ — потери при разности температур в 1°.

При отрицательной температуре и разности давлений, вызванной, например, сильным ветром, потери тепла будут происходить и путем теплопроводности, и за счет охлаждающей сквозной фильтрации холодного воздуха через ограждение. Сумма потерь тепла Q_сумм будет:

где с — теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/кг·град; W — поток фильтрующегося холодного воздуха, кг/м²·ч.

Эта сумма потерь тепла вызывается и разностью температур, и разностью давлений воздуха ?р на противоположных поверхностях конструкции, т. е. происходит за счет двух физических процессов (теплопроводности и возухопроницания), обусловленных различными потенциалами переноса.

Обычно полагают, что потери тепла из-за фильтрации холодного воздуха через ограждающие конструкции зданий составляют некоторую долю ?₀ от потерь тепла, в результате теплопроводности. Тогда общие потери тепла будут:

где последний член выражает дополнительные потери тепла из-за фильтрации холодного воздуха.

Очевидно, что при расчетной температуре наружного воздуха потери тепла не должны превышать следующей величины:

Отсюда следует, что


Произведение Q_сумм0 имеет размерность в градусах и является суммарной температурой, при которой в условиях воздействия фильтрации потери тепла наибольшие.

Эти потери тепла будут происходить при суммарной расчетной температуре

Из уравнений (II.5) и (II.6) следует, что

или, поскольку (как это более подробно изложено в этой и этой статье) поток фильтрующегося через конструкцию воздуха при ветре

где R_и — сопротивление конструкции воздухопроницанию,

где к — аэродинамический коэффициент, выражающий часть ветрового напора, переходящего в статическое давление на поверхности конструкции; v — скорость ветра, м/сек; ?_н — объемный вес фильтрующегося воздуха, кг/м³; g — ускорение силы тяжести (9,81 м/сек²),

т. е. при одновременном действии мороза и ветра

где t_н — температура наружного воздуха при ветре.

Очевидно, что для совершенно непроницаемых ограждающих конструкций ?₀=0, поскольку R_и?0; для этих ограждений t^расч_сумм=t^расч_и, т. е. предельное охлаждение наступит при наинизшей расчетной температуре наружного воздуха, независимо от скорости ветра.

Некоторое увеличение потерь тепла может произойти в этом случае только за счет изменения при ветре коэффициента теплообмена на наружной поверхности конструкции.

Наоборот, для проницаемых ограждающих конструкций коэффициент ?₀ будет иметь существенную величину, пропорциональную отношению сопротивления теплопередаче к сопротивлению воздухопроницанию, и при большой скорости ветра значение суммарной температуры превысит расчетную температуру наружного воздуха.

Во всех тех случаях, когда отношение суммарной температуры к наинизшеи расчетной превышает единицу

необходимо увеличивать сопротивление воздухопроницанию проектируемых ограждающих конструкций путем применения соответствующих конструктивных мероприятий (утолщение или повышение непроницаемости фактурных слоев, уплотнение стыков и сопряжений ограждающих конструкций, в частности, переплетов окон и т. д.).

Например, для конструкций кирпичных неоштукатуренных стен с сопротивлением воздухопроницанию R_и=1,8 мм вод. ст. м²·ч/кг и сопротивлением теплопередаче R₀=1,2 град·м²·ч/ккал, величина

Принимая в рассматриваемой местности повторяемость сильных ветров равной повторяемости расчетных понижений температуры наружного воздуха, получим, например, для Норильска (при

В этом случае при суммарной температуре, учитывающей воздействие ветра, происходят большие потери тепла стенами, чем при расчетной температуре наружного воздуха и безветрии.

Правильной конструктивной мерой в данном случае будет применение плотного (или утолщенного) наружного фактурного слоя, имея в виду повышение сопротивления стены воздухопроницанию до 35—40 мм вод. ст. м²·ч/кг.

Еще более полезной будет высокая степень уплотнения стыков и сопряжений конструктивных элементов наружных стен. Однако наибольшая необходимость возникает в отношении возможно высокой герметизации оконных переплетов.

Более существенное увеличение суммарной температуры (по сравнению с расчетной при безветрии) отмечается в тех климатических районах, где сильные и продолжительные ветры совпадают во времени с предельно низкими температурами наружного воздуха, поскольку именно эти ветры вызывают понижение температуры (полуостров Мангышлак, Владивосток, Новороссийск и др.).

В этих районах существенно возрастают требования к непроницаемости наружных ограждающих конструкций даже в том случае, если такие конструкции удовлетворяют требованиям эксплуатации для других довольно холодных районов.

Величина суммарной температуры не может являться постоянной, так как она зависит от скорости ветра и наружной температуры (ему сопутствующей), а также от аэродинамической обтекаемости здания, степени воздухопроницаемости ограждающих конструкций и их теплозащитных свойств.

Тем не менее эта величина является полезной при проектировании ограждающих конструкций здания, поскольку позволяет правильно установить значение сопротивления воздухопроницанию наружных ограждений и целесообразное его соотношение с сопротивлением теплопередаче.

При проектировании ограждающих конструкций многоэтажных (высоких) зданий, необходимо иметь в виду, что разность давлений для наружных ограждений нижнего этажа дополнительно возрастает за счет теплового напора (?p_t).

Тогда


где Н — высота здания; ?_н и ?_в — соответственно, объемные веса наружного и внутреннего воздуха.

Принимая k=0,7, получим [26]


Применение формулы (II.9) при значении ?₀, полученном из (11.13), показывает, что ограждающие конструкции нижней части высоких зданий должны обладать в районах с суровой зимой и сильными ветрами весьма высоким сопротивлением воздухопроницанию. При этом, особое внимание должно уделяться герметизации стыков конструктивных элементов, оконных переплетов, а также изоляции входных дверей, располагаемых не менее чем в тройных тамбурах.