Наибольшее значение для практических результатов теплофизических расчетов ограждающих конструкций имеют изменения теплопроводности материалов от их объемного веса (пористости), химического состава (природы материала) и влажностного состояния.
Зависимость теплопроводности от температуры становится практически значимой лишь при воздействии высоких температур (например, при высокотемпературной теплоизоляции); если рассматриваются колебания положительных температур в пределах от 0 до 60°, как это имеет место для ограждений зданий, этой зависимостью обычно пренебрегают. Однако при отрицательных температурах, вызывающих замерзание и перераспределение влаги во влажных пористых материалах, теплопроводность последних может существенно меняться.
Изменения объемного веса различным образом влияют на теплопроводность воздушно-сухих материалов. Для пористых материалов (кирпич, бетоны и др.) эти различия связаны с характером пористости и особенностями передачи тепла в порах различной величины.
Увеличение количества мелких замкнутых пор всегда существенно понижает теплопроводность. В крупных, а особенно сообщающихся между собой порах возникают конвективные токи воздуха, снижающие теплоизолирующий эффект пористости. Поэтому увеличение количества крупных замкнутых и полузамкнутых пор уменьшает теплопроводность в меньшей степени, а при сквозных, сообщающихся порах и кавернах может ее повысить. По мере общего уменьшения объемного веса одноименных материалов (например, бетонов) количество крупных пор обычно возрастает и уменьшение теплопроводности замедляется. Представление об этом дает табл. 1.4, в которой приведены значения коэффициентов теплопроводности для керамзитобетона; уменьшение объемного веса бетона дано в графах таблицы с градациями в 200 кг/м3, а соответствующее уменьшение теплопроводности падает от 0,10 до 0,03 ккал/м·ч·град.
В соответствии с особенностями климатических воздействий, влияющих на естественную сушку ограждающих конструкций, территория районов строительства может быть подразделена (как это принято в нормах строительной теплотехники СНиП) на три зоны: сухую, с умеренным климатом (нормальную) и влажную (см. карту на стр. 000)3.
В сухой зоне средняя многолетняя равновесная влажность правильно спроектированных ограждающих конструкций зданий с нормальной влажностью близка к максимальной гигроскопической, а в устойчиво-сухих районах этой зоны еще более низка.
В зоне с умеренным климатом средняя равновесная влажность ограждающих конструкций даже при их ограниченной толщине может превышать максимальную гигроскопическую; коэффициенты теплопроводности материалов для этой зоны принимаются более высокими, чем для сухой.
Во влажной зоне целесообразны специальные меры по уменьшению влажности материалов ограждающих конструкций (например, применение пустотных конструкций, быстро высыхающих материалов, защитных облицовок и т. д.); в тех случаях когда осуществление таких мер по практическим соображениям затруднительно, приходится повышать расчетные значения коэффициентов теплопроводности пористых материалов, обладающих высокой начальной влажностью, по сравнению с коэффициентами, применяемыми в умеренных условиях. Наибольшее повышение значений коэффициентов теплопроводности принимается для медленно высыхающих4 материалов (золобетоны, шлакобетоны, силикатные блоки и т. д.).
Поскольку на влажностное состояние конструкций влажных и мокрых помещений сильное влияние оказывает внутренний микроклимат, градации необходимого повышения коэффициентов теплопроводности учитывают воздействия не только наружного климата, но и влажностного режима помещений.
Порядок назначения расчетных значений коэффициентов теплопроводности К виден из табл. 1.5.
Большинство экспериментальных исследований теплопроводности строительных материалов (в том числе и увлажненных) относятся к условиям передачи тепла при положительной температуре (например, в пределах от 0 до 30°). Основываясь на различиях в теплопроводности воды и льда (0,5 и 2,0 ккал/м·ч·град), часто считают, что замерзание влаги в порах материала должно приводить к резкому повышению теплопроводности.
Однако такое повышение могло бы происходить только в материалах полностью насыщенных водой при отсутствии перемещений этой воды в порах и капиллярах материала.
В реальных условиях для материалов конструкций обычно характерна ограниченная степень увлажнения.
При ограниченном увлажнении материала преобладающее количество влаги сосредоточено в группах наиболее мелких пор и у контактов твердых частиц, по которым в основном распространяется тепло.
Однако образование зародышей кристаллов замерзающей влаги происходит в первую очередь на поверхности полостей, трещин и крупных пор5, а при дальнейшей кристаллизации влага перемещается в зоны возникающих кристаллов. Результатом таких процессов является заполнение инеем или рыхлым льдом участков материала, имеющего различные дефекты. Перемещение влаги из мелких пор и зон контакта зерен материала в состоянии уменьшить его общую теплопроводность.
Заметное снижение теплопроводности легких бетонов при их замерзании отмечено экспериментальными работами отечественных и зарубежных исследователей6. Однако практическое использование этого обстоятельства, по-видимому, возможно только в отдельных случаях.
Правильно запроектированные конструкции зданий с нормальным влажностным режимом могут отличаться повышенной влажностью только в первые годы эксплуатации, приобретая затем низкую равновесную влажность, при которой изменения теплопроводности в условиях положительных или отрицательных температур не могут иметь значения.
В современном строительстве все большее применение находят эффективные теплоизоляционные материалы с предельно низким объемным весом и теплопроводностью. Очень пористые материалы (пенопласты, минеральная вата и т. д.) являются дисперсными средами, в которых распространение тепла, происходящее в твердых материалах путем теплопроводности, усиливается не только за счет конвекции, но и за счет излучения.
Например, вспененные пластики, полученные на основе полимеров (особенно пластики с сообщающимися порами), обладают свойством частично пропускать лучистое тепло. Коэффициенты пропускания зависят от длины волн излучения и в инфракрасной области спектра имеют довольно большие значения.
В тех случаях, когда доля лучистого теплообмена в процессе передачи тепла значительна (например, при прогреве ограждающих конструкций солнечной радиацией), теплофизические свойства конструкций, утепленных материалами, частично пропускающими излучение, могут оказаться недостаточными, если при расчете ограждений учтена теплопередача, происходящая только путем теплопроводности.
Примечания
1. Приведенные в таблице значения теплопроводности при равновесном эксплуатационном влагосодержании, используемые в практических теплофизических расчетах, превышают на 10—25% и более (см. приложения) теплопроводность совершенно сухих бетонов.
2. Влияние химического состава каменных материалов, а также отсутствие атмосферы весьма заметным образом сказалось при исследованиях теплопроводности базальтовых пород лунных морей, содержащих минералы с значительным количеством химических веществ, обладающих большим атомным весом (например, ильменит FeTiO3). Теплопроводность этих пород при довольно большом объемном весе (1000—2000 кг/м3) характеризуется чрезвычайно низкими значениями.
3. При нормировании изменений коэффициентов теплопроводности строительных материалов, в зависимости от их влагосодержания использованы зоны, приведенные на карте, без подразделения на соответствующие районы.
4. Понятие о быстро и медленно высыхающих материалах связано с энергетическим уровнем, необходимым для отрыва в процессе сушки влаги от поверхности материала, равным, согласно уравнению Гиббса — Гельмгольца, изменению свободной энергии dF на этой поверхности:
где R — универсальная газовая постоянная; Т — температура,°К; М — молекулярный вес; ? — относительное давление пара в материале, равное при равновесном влагосодержании относительной влажности воздуха. При постоянных температуре и молекулярном весе энергия связи влаги с материалом является однозначной функцией относительной влажности и связана с влагосодержанием и гигроскопическими свойствами материала.
5. В термодинамическом отношении работа, необходимая для возникновения кристаллического зародыша на поверхности полостей, трещин и крупных пор материала, является минимальной, в связи с чем рост кристаллов на этих поверхностях неизбежен.
6. Ф. В. Ушков. Теплотехнические свойства крупнопанельных стен. М., Стройиздат, 1956; Сааре Эрик и Енсон Ингвар. Измерения теплопроводности влажных пористых строительных материалов с особым учетом влияния температуры и влажности. Стокгольм, 1962.