Особенности проектирования зданий и сооружений в северных широтах с точки зрения строительной физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

Особенности проектирования зданий и сооружений в северных широтах с точки зрения строительной физики

Подковырина Ксения Алексеевна

преподаватель

Подковырин Владимир Сергеевич

аспирант

Назиров Рашит Анварович

доктор технических наук

профессор

Аннотация

микроклимат строительный здание северный

В статье представлены основные принципы, которым необходимо следовать для формирования комфортного микроклимата помещений и обеспечения долговечности строительных конструкций при проектировании жилых и общественных зданий в северных широтах. Анализируются проблемы, связанные с неправильным учетом физических процессов, проходящих в ограждающих конструкциях и помещениях зданий при воздействии экстремальных природно-климатических условий, таких как низкие в течение всего года температуры, длительные полярная ночь и полярный день, пониженная влажность воздуха в центральной части Крайнего Севера, сильные ветры и метели. Описаны последствия негативного влияния недопустимых параметров микроклимата помещений на здоровье человека, именуемых «синдром больного здания». В работе приводится обзор литературы, связанной с проектированием зданий и сооружений в северных широтах, который показал, что основная часть статей посвящена использованию эффективных строительных материалов, а так же особенностям проектирования зданий с позиции архитектуры и строительных конструкций. Вопросы учета физики среды и ограждающих конструкций отражены недостаточно.

Ключевые слова: строительная физика, северные широты, Крайний Север, комфортный микроклимат, суровые климатические условия, утеплитель, влажность, сопротивление теплопередаче, светопрозрачные конструкции, рекуперация тепла

Abstract

This article provides the basic principles that must be adhered to for establishing the comfortable indoor microclimate and ensuring the longevity of building structures in designing the residential and public buildings in the northern latitudes. The authors analyse the issues associated with the inappropriate account of physical processes within the building envelopes and structures in the severe natural and climatic conditions, such as low temperatures the whole year, long polar night and polar day, reduces air humidity in the central part of the Far North, strong winds and snowstorms. The article describes the consequences of the negative impact of inadmissible parameters of indoor microclimate upon the human health, named the “sick building syndrome”. The work presents the review of the literature on building engineering in the northern latitudes, which demonstrated that the majority of the articles are dedicated to the use of effective construction supplies, as well as peculiarities of engineering of buildings from the standpoint of architecture and structural engineering. The questions of consideration of the physics of environment and building envelopes are covered insufficiently.

Keywords: humidity, insulation, severe environmental conditions, comfortable microclimate, Far North, Northern latitudes, structural physics, resistance to heat transfer, translucent structures, heat recuperation

Эксплуатационные качества зданий определяются не только их размерами, конструкциями, качеством отделки и т.д. Важным фактором является защищенность от внешних воздействий, таких как холод, атмосферные осадки, шум. В зависимости от назначения помещения должны иметь определенную температуру и влажность внутреннего воздуха, подвергаться необходимое время воздействию прямых солнечных лучей, иметь достаточную освещенность, благоприятную акустическую среду, а так же температура на внутренней поверхности стен должна быть не ниже температуры точки росы. Правильный учет этих факторов обеспечивает такое состояние искусственной среды жизнедеятельности, которое воспринимается человеком как комфортное. Долговечность зданий так же зависит от правильного учета физики процессов, происходящих в ограждениях при передаче тепла и влаги.

Города в северных широтах всегда привлекали внимание исследователей, что способствовало изучению этого региона, урбанизации арктического строительства и переходу вахтовых поселков к городам постоянного проживания. Для северной зоны характерны экстремальные природные условия: низкие в течение всего года температуры, длительные полярная ночь и полярный день, частые магнитные бури, сильные ветры и метели, плотные туманы, однообразные арктические пустыни и тундры, вечная мерзлота. Повышенная относительная влажность воздуха на побережьях и пониженная - в центральной части Крайнего Севера должна учитываться при расчете ограждающих конструкций, особенно при формировании комфортного микроклимата в гражданских зданиях. Карта районирования территории РФ по суровости климатических условий представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Карта районирования территории РФ по суровости климатических условий

Обзор литературы

Ряд работ посвящен изучению особенностей Крайнего Севера ^[1-17].

Традиционным жилищем севера России является - чум, яранги, иглу, северорусская изба. В статье ^[1] описана структура внутреннего пространства таких жилищ, дана сравнительная оценка их компактности и проверено удовлетворение современным требованиям по энергосбережению.

В суровых климатических условиях Крайнего Севера необходимо уделять большое внимание особенностям строительства. В работах ^[2-3] представлен краткий анализ территорий Крайнего Севера, обозначены основные климатические, экономические и социальные аспекты проживания в регионе. Описана отечественная и зарубежная практика строительства энергоэффективных домов.

На основании результатов анализа природно-климатических условий территории Крайнего Севера выявлено, что сборно-разборные и мобильные конструкций являются хорошим решением для строительства зданий ^[4-6]. Они позволяют обеспечить высокую скорость монтажа и избежать значительного количества технологических процессов в условиях строительной площадки, что особенно актуально в условиях северных регионов. В статье ^[7] рассмотрены основные проблемы, возникающие при проектировании и строительстве зданий на территории Крайнего Севера.

Сборно-разборные купольные строения эффективнее в использовании, чем прямоугольные ^[8]. Они имеют меньшую площадь стен, менее подвержены ветровой и сейсмической нагрузке, в них лучше осуществляется водоотведение и циркуляция воздуха и т.д.

В настоящее время выдвигаются весьма перспективные проекты использования карьеров, оставшихся после проведения разработки рудных тел, под строительство жилых и развлекательных комплексов ^[9]. Другими словами, предлагается уйти от привычного надземного проживания человека на севере к подземному проживанию.

Далее рассмотрим работы, связанные с отдельными элементами зданий. В статье ^[10] изучено влияние размера, уровня теплоизоляции наружного ограждения и доля регенерации теплоты в системе вентиляции на суммарные теплопотери здания.

Работы ^[11-12] посвящены исследованию применимости композиционных материалов на основе металлов для изготовления строительных конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера ^[12].

Опыт строительства показал высокую экономическую эффективность применения легких стальных тонкостенных конструкций для малоэтажных зданий в отдаленных северных районах. В статье ^[13] приведены результаты натурных обследований малоэтажных зданий из легких стальных тонкостенных конструкций, построенных на территории Якутии.

Эксплуатационная стойкость теплоизоляционных материалов является необходимым условием их пригодности равно как низкие плотность и теплопроводность, особенно, если эти материалы используются в условиях холодного климата и в условиях механического нагружения. В работах ^[14-15] исследуются и приводятся основные характеристики современных тепло- и гидроизоляционных материалов.

Применение системы рекуперации теплоты вытяжного воздуха позволяет добиться значительного снижения затрат на отопление. В статье ^[16] приведено описание применения системы, которая рекуперирует тепло вытяжного воздуха по последовательно-параллельной схеме в условиях Крайнего Севера при температуре наружного воздуха минус 45 °С. В работе ^[17] представлен расчет параметров рекуператоров, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции воздуха, при температуре наружного воздуха минус 50 °С.

Анализ публикаций показал, что в настоящее время исследования, связанные с Крайним Севером, направлены на использование эффективных материалов, а так же на особенности проектирования зданий с позиции архитектуры и строительных конструкций.

В изученных статьях не достаточно отражены следующие проблемы: непрерывность теплового контура, температура внутренних поверхностей ограждений, влажность и подвижность внутреннего воздуха, поступление в помещение солнечной радиации.

При строительстве в условиях сурового климата особенные требования предъявляются к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций. Необходимо создать целостный, непрерывный тепловой контур здания, подобрав достаточную толщину утеплителя для всех конструкций из условия R_о^пр ? R_о^{норм [18, п.5.1]}. «Мостики холода» вызывают точечное охлаждение поверхностей, и в результате в таких местах может образоваться конденсат, а впоследствии грибок и плесень. Немаловажное влияние на температурно-влажностный режим помещения оказывают теплозащитные характеристики окон, ведь общие теплопотери через светопрозрачные ограждающие конструкции сопоставимы с теплопотерями через стены, хотя площадь окон в структуре тепловой оболочки здания гораздо меньше площади стен. Сопротивление теплопередаче окон должно подбираться из условия R_ок^пр ? R_ок^{норм [18, п.5.1]}. Данному требованию для северных широт соответствуют оконные конструкции с пятью и более камерами профиля и створок и с двухкамерными стеклопакетами, имеющими низко-эмиссионные стекла, и камеры которого заполнены аргоном.

Согласно ^[19] и ^[20] приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной конструкции R_ок^пр, (м²·єС)/Вт, вычисляют по формуле

, (1)

где S_ок- площадь оконного блока, м²; S_св, S_непр, - площади светопрозрачной и непрозрачной зон оконного блока соответственно, м²; R_св, R_непр - сопротивления теплопередаче центральной части светопрозрачной и непрозрачной зон оконного блока соответственно, (м²·єС)/Вт; ш - коэффициент линейной теплопередачи, который учитывает взаимодействие между рамой и остеклением, Вт/(м·єС); l_ш- длина периметра светопрозрачной зоны, м.

Исходя из формулы (1) следует, что потери тепла через оконный блок состоят из тепловых потерь через переплеты, светопрозрачную часть и краевые зоны. Тепловые потери через двухстворчатый оконный блок, у которого ширина больше высоты, меньше, чем через двухстворчатый оконный блок той же площади, у которого высота больше ширины. Это обуславливается тем, что в первом случае длина краевых зон меньше, а следовательно снижаются потери тепла. Исходя из вышесказанного, для зданий в северных широтах с позиции тепловой защиты здания целесообразнее использовать двухстворчатые оконные блоки, ширина которых больше высоты ^[21]. Применение рольставен, которые будут закрывать окна в период длительной полярной ночи, так же увеличит сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций.

Важным фактором в создании комфортного микроклимата является обеспечении требуемого воздухообмена в помещении, иначе в комнатах снижается содержание кислорода, возрастает концентрация углекислоты и радона, увеличивается содержание различных микроорганизмов. Все это ведет к повышенной утомляемости, головным болям, респираторным заболеваниям и некоторым другим специфическим симптомам, которые в сумме именуются «синдром больного здания» ^[22]. При создании герметичной теплозащитной оболочки здания, естественная вентиляция, которая осуществляется за счет разницы давления внутри и снаружи помещения, не будет работать. Теплый воздух стремится покинуть здание через вентиляционные каналы, а взамен ему через оконные и дверные щели, открытые окна, форточки или приточные клапаны должны поступать порции свежего воздуха, что невозможно при устранении всех неплотностей, через которые идет инфильтрация. При отсутствии естественной вентиляции необходима организация механической приточно-вытяжной вентиляции. Особой разновидностью принудительной вентиляции является система с рекуперацией тепла. Принцип действия рекуператора основан на принудительной механической подаче и вытяжке воздуха, а также использовании тепла выбрасываемого воздуха, на подогрев подаваемого в помещение воздуха. Теплообмен (рекуперация) происходит без непосредственного смешивания потоков входящего воздуха и подаваемого. Движущиеся потоки воздуха в теплообменных кассетах передают тепло выбрасываемого воздуха поступающему в помещение наружному воздуху. Принцип действия вентиляции с рекуперацией тепла представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Принцип действия вентиляции с рекуперацией тепла

Относительная влажность воздуха в помещениях должна поддерживаться в пределах 30-60%. В жилых помещениях в центральной части Крайнего Севера относительная влажность воздуха находится в пределах 20-25% ^[23]. Основными причинами этого является незначительное влагосодержание наружного воздуха, поступающего в помещение, и большую разность парциальных давлений внутреннего и наружного воздуха. Низкая влажность внутреннего воздуха вредна для слизистой оболочки глаз, горла и носа, вызывает ощущение «сухости». В худшем случае ухудшается фильтрационная способность слизистой оболочки верхних дыхательных путей задерживать микрофлору и пыль, которые содержатся в воздухе. Исходя из вышесказанного, искусственное увлажнение воздуха в жилых помещениях в центральной части Крайнего Севера является важным фактором поддержания оптимального микроклимата в помещениях.

Высокие скорости ветров в северных районах требуют специальной защиты ограждающих конструкций от продуваемости. Необходим расчет распределения температур по толще ограждающих конструкций, в особенности на внутренней поверхности, с учетом воздухопроницаемости.

Низкое солнцестояние в северных районах и продолжительная полярная ночь отрицательно влияют на суммарную солнечную радиацию. Недостаточная солнечная радиация районов, расположенных севернее 69є с.ш., требует разработки определенных объемно-планировочных решений, направленных на максимальное использование солнечного облучения, концентрацию солнечной энергии с помощью архитектурно-конструктивных элементов и технических средств. Расположения окон должно быть со стороны максимального поступления солнечной радиации. Недостаток инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой части солнечной радиации отрицательно влияет на самочувствие человека и приводит к ослаблению иммунитета ^[24]. Зона максимальной солнечной энергии представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зона максимальной солнечной энергии

Заключение

Определяющими параметрами теплового режима помещений являются температура, влажность и подвижность воздуха, а так же температура внутренних поверхностей ограждений. На самочувствие человека так же влияет поступление солнечной радиации, поэтому при проектировании и эксплуатации зданий необходимо учитывать все физические процессы, происходящие во внешней, внутренней среде, а так же в толще ограждающих конструкций. Особенно это важно в суровых климатических условиях, при которых организм человека нуждается в дополнительной защите.

Библиография

1. Смирнова С. Н.Реализация архитектурно-планировочных принципов проектирования энергоэффективного жилья в традиционном жилище севера России // Интернет-Вестник ВолгГАСУ. 2013. № 3 (28). С. 19.

2. Кравченко К. С. Особенности и принципы строительства энергоэффективных домов в условиях крайнего севера // Энергия науки: электронный сборник материалов VII Международной студенческой научно-практической интернет-конференции. 2017. С. 1093-1095.

3. Блюм А. Д., Лучкова В. И. Особенности развития малоэтажного строительства в районах крайнего севера России и приравненных к ним территорий // Новые идеи нового века: материалы международной научной конференции ФАД ТОГУ. 2012. Т. 1. С. 15-19.

4. Затяева Е. К. Нестеров Д. И. Анализ природно-климатических условий при проектировании мобильного жилья для территории крайнего севера // Наука ЮУРГУ: материалы 67 научной конференции / Южно-Уральский государственный университет. 2015. С. 223-229.

5. Климанов С. Г. Быстровозводимые мобильные комплексы в экстремальных условиях крайнего Севера // Национальные приоритеты России. Серия 1: Наука и военная безопасность. 2015. № 2 (2). С. 55-61.

6. Сычёв С. А., Шевцов Д. С. Быстровозводимые высотные здания из модульных трансформируемых строительных систем повышенной заводской готовности в условиях крайнего севера // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 1 (60). С. 153-160.

7. Кузнецов М. А., Субботин О. С. Основные принципы проектирования и строительства на Крайнем Севере // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сборник статей по материалам Х Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной 120-летию И. С. Косенко / Кубанский аграрный государственный университет им. И. Т. Трубилина. Отв. за вып. А. Г. Кощаев. Краснодар, 2017. С. 1087-1088.

8. Овсянников С. И., Родионов А. С. Обоснование эффективных строений для Крайнего Севера // Вестник науки и образования северо-запада России. 2017. № 1. С. 107-114.

9. Гулый С. А. Альтернативные решения конструкций зданий и сооружений на севере, обеспечивающих экономию тепловой энергии // Наука в современном мире: теория и практика: Материалы II Международной научно-практической конференции / Отв. ред. Т. С. Искужин. Уфа, 2014. С. 3-9.

10. Пиир А. Э., Козак О. А. Повышение тепловой эффективности жилых зданий в суровых климатических условиях // Повышение энергоэффективности объектов энергетики и систем теплоснабжения: материалы Всероссийской научно-технической конференции / Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2017. С. 108-115.

11. Барышников А. А., Мустафин Н. Ш., Шадрина А. А. Применение композиционных строительных материалов в условиях севера // Региональное развитие. 2015. № 8. С. 6.

12. Райшев Д. В., Рябчук А. В., Гранкин Н. А. Исследование энергоэффективности композиционных материалов в условиях российского севера и арктики // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: Сборник материалов международной научно-практической конференции, в трех томах. Редакционная коллегия: М. Н. Чекардовский, Л. Н. Скипин, В. В. Воронцов, А. Е. Сбитнев / Тюменский государственный архитектурно-строительный университет. Тюмень, 2014. С. 49-52.

13. Корнилов Т. А., Герасимов Г. Н. О некоторых ошибках проектирования и строительства малоэтажных домов из легких стальных тонкостенных конструкций в условиях крайнего севера // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. С. 41-45.

14. Ханнанова Д. Р., Цомаев Н. Э. Материалы для изоляционных систем Севера // Актуальные вопросы науки и практики в ХХI в.: материалы 4-й Международной научно-практической конференции. 2016. С. 55-57.

15. Жиренков А. А. Основные требования к физико-механическим свойствам строительных тепло- и гидроизоляционных материалов при их эксплуатации в условиях севера России // Север России: стратегии и перспективы развития: материалы II Всероссийской научно-практической конференции. 2016. С. 87-90.

16. Игнаткин И. Ю. Энергосбережение при отоплении в условиях Крайнего Севера // Вестник НГИЭИ. 2017. № 1 (68). С. 52-58.

17. Баишева Л. М., Жиркова М. В. Расчет воздухо-воздушных рекуператоров для приточно-вытяжной системы вентиляции в условиях Севера // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 5-2 (36). С. 12-14.

18. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. - Введ. 1.01.2012. Москва: ОАО «НИЦ «Строительство», 2012. 96 с.

19. СТО 44416204-001-2008 Расчетный метод определения приведенного сопротивления теплопередаче оконных и дверных балконных блоков. Введ. 15.07.2008. Москва: ФГУ «ФЦС», 2008. 25 с.

20. ГОСТ Р 54858-2011 Конструкции фасадные светопрозрачные. Метод определения приведенного сопротивления теплопередаче. Введ. 01.07.2012. Москва: Стандартинформ, 2012. 38 с.

21. Подковырина К. А. Оптимизация наружных ограждающих конструкций с учетом энергосбережения и экономической целесообразности: дис. магистра: 08.04.01.04 / ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». 2017. 104 с.

22. Электронный ресурс: http://www.s-ng.ru/pdf/main_1063.pdf

23. Рекомендации по теплотехническому расчету мобильных домов для Крайнего Севера // Ленинградский научно-исследовательский институт типового и экспериментального проектирования жилых и общественных зданий. М: Стройиздат, 1977. 65 с.

24. Ржеганек Я., Яноуш А. Снижение теплопотерь в зданиях. М: Стройиздат, 1988. 168 с.

Размещено на Allbest.ru