Физико-технические основы проектирования ограждающих конструкций

Проектирование зданий как искусственной среды жизнедеятельности человека должно обеспечивать такое состояние среды, которое воспринимается как комфортное. Это касается необходимого уровня тепло-, гидро-, звукоизоляции помещений, параметров воздушной среды, светового комфорта и т. д. При невыполнении хотя бы одного из требований состояние искусственной среды в здании может восприниматься человеком как дискомфортное.

Одним из наиболее важных элементов искусственной среды в здании является микроклимат, т. е. состояние воздушной среды по параметрам температуры, влажности, скорости движения воздуха и его чистоты. Оптимальный микроклимат обеспечивается комплексом мер, включающих: расположение здания в застройке и ориентация его по сторонам света, выбор объемно-планировочных и конструктивных решений в соответствии с природно-климатическими условиями региона строительства, выбор параметров технических систем здания (отопления, вентиляции, кондиционирования).

Определение параметров природно-климатических условий строительства производится на основании СП 131.13 330.2012 «Строительная климатология». Актуализированная редакция СНиП 23—01—99* «Строительная климатология».

Одной из наиболее важных задач обеспечения оптимального микроклимата здания является определение параметров ограждающих конструкций. Ограждающие конструкции здания при этом рассматриваются как открытая система, которая обменивается с внешней средой энергией путем теплообмена и веществами путем влагои воздухообмена.

При проектировании зданий решают следующие теплотехнические задачи.

• 1. Обеспечение необходимой теплозащитной способности наружных конструкций.
• 2. Обеспечение на внутренней поверхности ограждающих конструкций температур, незначительно отличающихся от температуры воздуха в помещениях (во избежание выпадения на поверхности конденсата).
• 3. Обеспечение теплоустойчивости ограждения.
• 4. Создание осушающего влажностного режима наружных ограждений.
• 5. Ограничение воздухопроницаемости ограждающих конструкций.

Данные задачи решаются методами строительной теплотехники, которая базируется на теории теплообменных и массообменных процессов.

В целях упрощения расчета параметры наружной среды здания определяются на конкретный (расчетный) период, чаще всего — наиболее неблагоприятный для обеспечения оптимального микроклимата здания. Например, теплотехнический расчет ограждающих конструкций производится для отапливаемых помещений на зимние условия, когда тепловой поток направлен из помещения в наружную среду. Ограждающие конструкции рассматриваются как плоские стены, разделяющие воздушную среду с различными параметрами температуры и влажности. Ограждающие конструкции могут рассматриваться однородными (например, сплошная кирпичная стена) или слоистыми (например, сэндвич-панель, состоящая из различных материалов).

Основной характеристикой материалов, определяющей их теплозащитную способность, является коэффициент теплопроводности X. Численно он равен количеству тепла в джоулях, проходящего за 1 ч через 1 м² площади при толщине материала 1 м при разнице температур в 1 °C. Чем меньшим коэффициентом теплопроводности обладает материал, тем выше его теплозащитные свойства и тем меньшей будет толщина стены из этого материала. Например, у меди коэффициент теплопроводности составляет 407 Вт/(м² • °С), а у пенопласта — 0,04 Вт/(м²-°С). Теплопроводность материала зависит, в первую очередь, от его структуры — плотности и пористости. В пористых материалах в большом количестве присутствует воздух, который является отличным теплоизолятором. Однако существенным недостатком пористых материалов является их низкая прочность. Таким образом, с учетом вышеизложенных факторов, в ограждающих стенах находят широкое применение многослойные конструкции, состоящие из материалов, имеющих высокую прочность, и материалов, имеющих низкую теплопроводность.

Распределение температур в однородных ограждающих конструкциях можно представить в виде следующей модели (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Распределение температур в однородной ограждающей конструкции.

Нормативными (заданными) параметрами микроклимата в здании является температура воздуха в помещении t_B (например, +18 °С) и температура внутренней поверхности стены т_в. Нормативными (заданными) параметрами наружной среды являются наружная температура воздуха t" (например, -26°Сдля Санкт-Петербурга) и температура наружной поверхности стены т_н. При переходе тепла Q через наружное ограждение в материале изменяется температура от т_в до т". Для поддержания этого перепада температур в заданных значениях ограждающая конструкция должна иметь соответствующие теплоизолирующие свойства.

Такой характеристикой, определяющей теплоизолирующие свойства ограждающих конструкций, является сопротивление теплопередаче:

где R — сопротивление теплопередаче, м²-°С/Вт; б — толщина ограждения, м; А — коэффициент теплопроводности материала ограждения, Вт/(м²-°СА Таким образом, при задании нормативного значения сопротивления теплопередаче, исходя из параметров микроклимата здания и наружной среды, задача сводится к определению толщины конструкции б из материала, обладающего коэффициентом теплопроводности А. При неоднородной ограждающей конструкции ее сопротивление теплопередаче определяют по формуле.

где 8, — толщина слоя ограждения г, м; А; — коэффициент теплопроводности материала слоя ограждения г, Вт/ (м²-°С); п — число слоев материала.

Для ограждающих конструкций различных зданий, исходя из опыта проектирования и эксплуатации, предъявляются разные требования к минимальному значению сопротивления теплопередаче, представленные в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Требования к минимальным величинам приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций зданий различного назначения^[1]

Еще одним важным параметром ограждающих конструкций здания является сопротивление воздухопроницанию. Под влиянием разности давления между наружным воздухом и внутренним объемом здания, вызванной тепловым напором или ветром, через ограждающие конструкции происходит фильтрация воздуха. Для обеспечения благоприятного микроклимата в здании особенно нежелательна фильтрация наружного воздуха через ограждающие конструкции в зимнее время. Для предотвращения этого явления к ограждающим конструкциям предъявляются минимальные требования, но воздухопроницанию. Эти требования задаются минимальным значением сопротивления воздухопроницанию (м²-ч• (Па/кг)) или обратным ему значением — воздухопроницаемости ограждения G^H (Па/кг/(м²-ч)). Так значение G^H для наружных стен и покрытий гражданских зданий составляет 0,5; для окон и балконных дверей в деревянных переплетах — 6,0.

Влажностный режим наружных ограждающих конструкций также имеет большое значение. Увлажнение конструкций снижает их теплозащитные свойства и долговечность из-за разрушения увлажненного материала при многочисленных циклах замораживания и оттаивания. В связи с этим необходимо ограничивать предельное влагосодержаиие конструкций здания. Влагосодержание конструкций может увеличиваться в процессе эксплуатации здания под воздействием атмосферной влаги (дождь, мокрый снег, иней); грунтовой влаги, поднимающейся снизу за счет капиллярного эффекта при нарушении гидроизоляции между подземными и надземными конструкциями; конденсата, выпадающего из воздуха при большой разнице температур между окружающим воздухом и конструкцией здания. Как показывает практика, именно выпадение конденсата из воздуха является наиболее частой причиной переувлажнения строительных конструкций.

Причиной подобного явления может являться повышенная влажность воздуха внутри помещения, с одной стороны, и большой перепад температур между воздухом внутри помещения t_B и температурой внутренней поверхности стены т_в, с другой. Наибольших значений эта разница может достигать в местах стыка двух наружных стен и наружного перекрытия (наружных углах здания). Для предотвращения этих явлений применяют следующие меры: обеспечение достаточной естественной вентиляции помещений здания с целью снижения влажности внутреннего воздуха, дополнительного утепления углов здания, размещения в углах здания дополнительных элементов обогрева (например, отопительных приборов или стояков системы отопления).

Инсоляция представляет собой облучение прямыми солнечными лучами здания, помещений и территорий, оказывающее световое, ультрафиолетовое и тепловое (радиационное) воздействие.

Кроме создания оптимального микроклимата в здании большое значение имеет инсоляция. Световое и ультрафиолетовое облучение оказывают укрепляющее психофизиологическое воздействие на человека и бактерицидное — на микроорганизмы в помещениях здания, частью унижтожая, а частью снижая их живучесть. Однако в некоторых случаях инсоляция должна быть ограничена, так как она может оказывать и отрицательное воздействие — например, но технологическим причинам или вследствие жаркого климата.

Учет особенностей инсоляции помещений производится за счет соответствующей ориентации здания по сторонам света, выбором объемно-планировочных решений и размещения оконных проемов.

В северных районах с коротким световым днем и слабой инсоляцией стараются таким образом сочетать вышеуказанные факторы, чтобы оконные проемы в жилых помещениях хотя бы одним оконным проемом выходили на юго-восточный, южный или юго-западный фасады, а также используют выступающие и ломаные элементы фасада, например эркеры. В южных широтах для исключения избыточной инсоляции также применяют ломаные линии фасадов и различного рода защитные экраны (рис. 9.9).

Рис. 9.9. Варианты фасадов со стационарными солнцезащитными устройствами.

Шумом являются все звуки, воспринимаемые органами слуха и оказывающие на человека нежелательное физиологическое и психологическое воздействие в любых видах жизнедеятельности (например, сон или работа).

Еще одной функцией внутренних и наружных ограждающих конструкций является защита от шума. Источники шума могут находиться внутри помещения (техническое и технологическое оборудование, музыка и пр.) и вне здания, так называемый проникающий шум (например, движение транспорта). Передача шума в пространстве осуществляется через звуковые колебания по воздуху и в строительных конструкциях. Основными способами защиты от шума являются звукопоглощение и звукоизоляция.

Звукопоглощение достигается за счет многократного отражения звуковых волн со снижением интенсивности шума за счет поглощения энергии при каждом отражении звуковой волны. Примером подобных конструкций являются конструкции с высоким уровнем звукопоглощения, применяемые в подвесных потолках общественных здания.

Основным способом, позволяющим увеличить звукоизоляцию конструкций, является применение слоистых конструкций, как в вертикальных ограждающих конструкциях (наружных стенах), так и в перекрытиях и покрытиях зданий. Кроме того, существенно снизить воздействие шума на внутренние помещения здания можно за счет грамотного выбора объемно-планировочного решения. Проектирование звуковой изоляции должно обязательно сопровождаться соответствующим акустическим расчетом ограждающих конструкций.

• [1] СП 50.13 330.2012 «Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП23−02−2003. Таблица 3.