4. Фізико-технічні основи проектування будівель та споруд

Будівлі в процесі експлуатації сприймають різноманітні навантаження – від власної ваги, обладнання, снігу, тиску, вітру та ґрунту, кліматичні впливи і т. д.

Кліматичні навантаження (впливи) на будівельні конструкції, залежить від географічного положення місця зведення будівлі (споруди) являються результатом взаємодії зовнішнього клімату й повітряного середовища в приміщеннях.

В результаті різниці температур зовні та в середині приміщення, різниці тисків водяної пари в повітрі, кількості атмосферних опадів, вітрового тиску, сонячного випромінювання огороджуючи конструкції передають тепло, пропускають повітря, вологу, світло.

Крім цього на споруди діють ґрунтові води, агресивні рідини, гази, сейсмічні коливання і т. д.

Вивченням всіх цих впливів займається будівельна фізика – наука, що включає в себе такі розділи:

• будівельна теплотехніка;

• акустика;

• світлотехніка.

Кліматичні впливи на будівлі і споруди вивчає будівельна кліматологія, а необхідні дані про ґрунти отримують з досліджень, які проводяться в рамках науки – геофізики.

Будівельна кліматологія та геофізика впливають на вибір об’ємно-планувальних та конструктивних рішень споруд. Це в першу чергу пов’язано з орієнтацією будівель відносно сторін світу, врахуванням навантажень від снігу, тиску вітру, ожеледиці,ожеледиці з вітром і т. д.

Будівельна теплотехніка вивчає тепловий та вологістний режим огороджувальних конструкцій в умовах їх експлуатації. Кількісна величина параметрів, що характеризують тепло-вологістні характеристики конструкції залежать від характеристик матеріалів та будівельних виробів конкретної конструкції в конкретних умовах.

Зовнішні огороджуючі конструкції (а це в першу чергу зовнішні несучі стіни) будівель повинні відповідати таким вимогам:

• мати достатній теплозахист (приміщення не повинні охолоджуватись взимку і не перегріватись влітку);

• різниця температур внутрішньої поверхні огороджуючої конструкції і температури внутрішнього повітря не повинна перевищувати характеристичне (нормативне) значення;

• коливання температури внутрішньої поверхні конструкції повинні бути незначними (це теплостійкість);

• повітряпроникність огороджувальної конструкції не повинно погіршувати її теплотехнічні властивості;

• вологісний режим в приміщеннях повинен бути нормальним. Висока вологість призводить до втрати тепла, викликає появу гнилі;

Для того, щоб огороджувальна конструкція відповідала вказаним вимогам (і не тільки цим), виконують розрахунки на:

• теплопередачу;

• теплостійкість;

• паропроникність;

• повітряпроникність і т. д.

Теплопередача (переніс тепла) здійснюється внаслідок існування різниці температур з протилежних сторін огороджуючої конструкції. Через товщу огорожі тепло проникає за рахунок теплопровідності матеріалів.

Наукові дослідження стверджують, що у поверхні конструкції, а також у повітряних прошарках тепло передається:

А) випромінюванням (атомні системи при квантових переходах переходять із збудженого стану в стан з меншою енергією);

Б) конвекцією – природне вільне переміщення теплоти, обумовлене неоднорідністю середовища (градієнтами температури, тиску, конвективним теплообміном).

При постійному тепловому потоці через огорожу із однорідного матеріалу товщиною d(м) з коефіцієнтом теплопровідності проходить кількість тепла Ф(Вт):

; (4.1)

де: – внутрішня температура ( );

– зовнішня температура( );

А – площа огорожі ( );

t – час передачі тепла (год.);

U – коефіцієнт теплопередачі (ккал/ ·год.град.);

індекс нс – навколишнє середовище вн. – внутрішнє; зов – зовнішнє.

При допущені, що: - =1

А=1 ;

t=1 год.;

то: Ф=U (4.2)

При передачі тепла через стіну (огорожу) має місце падіння температури між внутрішнім повітрям та внутрішньою поверхнею стіни( - ), між внутрішньою і зовнішніми поверхнями( - ), між зовнішньою поверхнею та зовнішнім повітрям( - ), (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Графік падіння температури в термічно гомогенному шарі огорожі.

При відомих значеннях та ведеться розрахунок теплового опору R і коефіцієнта теплопередачі U, що базується на відомих розрахункових значеннях коефіцієнтів теплопровідності окремих матеріалів.

Коефіцієнт теплопровідності термічно однорідного матеріалу характеризує теплообмін матеріалу огороджуючої конструкції за умови стаціонарного теплового режиму:

(4.3)

де: – поверхнева густина теплового потоку

(4.4)

– різниця температур на поверхні шару матеріалу;

– товщина шару матеріалу.

Тепловий опір R – відношення різниці значень температури до поверхневої густини теплового потоку:

(4.5)

Із співставлення (4.3) та (4.5):

(4.6)

Тоді: ; (4.7)

Поверхнева густина теплового потоку q це відношення теплового потоку до площі поверхні А:

(4.8)

Вказані вище температурні перепади визвані трьома послідовними опорами переміщенню тепла:

1. Тепловий опір межевого шару на внутрішній поверхні огорожі (теплосприйняття):

(4.9)

де: – коефіцієнт пропорціональності між густиною теплового потоку та різницею значень температури внутрішнього середовища і температурою внутрішньої поверхні огорожі;

2. Тепловий опір одно- або багатошарової огороджуючої конструкції з відомими параметрами кожного шару:

(4.10)

де: – тепловий опір матеріалу -го однорідного шару ( ).

3. Тепловий опір межевого шару на зовнішній поверхні огорожі (тепловіддача):

(4.11)

де: – аналогічно – тільки для зовнішнього середовища.

Повний (сумарний) тепловий опір будівельної конструкції, що складається з гомогенних шарів обчислюється (гомогенний – однакові хімічні і фізичні властивості):

• позначення за ДСТУ Б В. 2.6 – 1101:2010 [22]:

(4.12)

• позначення за ДСТУ ISO 6946:2007 [23]:

(4.13)

де – внутрішній поверхневий тепловий отвір;

, – розрахункові значення теплового опору кожного шару;

– зовнішній поверхневий тепловий опір;

Значення ( ) для пласких поверхонь визначається (наближено) з урахуванням коефіцієнтів конвективного теплообміну ( ), радіаційного теплообміну( ), ступеню чорноти поверхні , температури середовища і т. д. Значення зовнішніх поверхневих опорів ( ) визначається з урахуванням швидкості вітру.

Існуючими нормами передбачені правила розрахунку теплового опору огороджень із непласкими поверхнями, огорож з невентильованими, слабо вентильованими повітряними і т. д., шарами, клиноподібними шарами...

Повний тепловий опір конструкції, що складається з термічно гомогенних і термічно не гомогенних шарів, паралельних поверхні, обчислюється як середнє арифметичне значення верхньої та нижньої меж теплового опору:

(4.14)

де: – відповідно верхня та нижня межа теплового опору огороджувальної конструкції, що визначається за [23].

Проектування зовнішніх стін будівель і споруд з врахуванням теплотехнічних показників їх елементів (шарів) здійснюється відповідно до [8].

Для огороджувальних конструкції опалюваних будинків і споруд, а також конструкції, що розділяють будівлі на приміщення, обов’язкове виконання умов:

(4.15)

(4.16)

(4.17)

де: - приведений опір теплопередачі огороджувальної конструкції ( );

– мінімально допустиме значення опору теплопередачі. Приймається по [8] в залежності від температурної зони експлуатації будинку та виду огороджувальної конструкції ( );

– температурний перепад між температурою внутрішнього повітря і приведеною температурою внутрішньої поверхні( );

– допустима за санітарно-гігієнічними вимогами різниця між температурою внутрішнього повітря і приведеною температурою внутрішньої поверхні( );

– мінімальне значення температури внутрішньої поверхні в зонах теплопровідних включень( );

– мінімально допустиме значення температури внутрішньої поверхні при розрахункових значеннях температур внутрішнього і зовнішнього повітря.

Для промислових будівель значення визначається з врахуванням теплової інерції Д та режимом роботи конструкцій (сухий, нормальний...)

Для житлових та громадських будинків, навчальних та лікувальних закладів обов’язкове виконання умов теплостійкості зовнішніх огороджувальних конструкцій в літній та зимовий періоди. Для опалюваних будинків доцільна перевірка повітряпроникності огороджувальних конструкцій та оцінка вологістного режиму.

Контрольні питання:

1. Які навантаження та впливи діють на будівельні конструкції в процесі експлуатації?

2. В результаті чого будівельні конструкції передають (пропускають) тепло?

3. Яка наука вивчає дію різноманітних вплив на будівельні конструкції?

4. Що вивчає наука – будівельна теплотехніка?

5. Яким вимогам повинні відповідати зовнішні огороджувальні конструкції будівель?

6. Як змінюється температура при проходжені тепла через огорожу?

7. Як визначається повний тепловий опір багатошарової будівельної огороджувальної конструкції?

Література:

[42] стор. 24-29;

[3,9,22,23] для самоопрацювання.