Основные понятия архитектурно-строительной физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Архитектурно-строительная физика - научная дисциплина, изучающая физич. процессы в ограждающих и др. конструкциях, зданиях и сооружениях в зависимости от климатич. условий и режима эксплуатации. Строительная физика включает следующие осн. разделы: строительную климатологию (см. Климатология строительная), теплофизику (см. Теплофизика строительная), строительную аэродинамику, теорию долговечности, строительную и архитектурную акустику (см. Акустика строительная), звукоизоляцию, светотехнику.

Данные строительной физики служат основой для рационального проектирования строит, объектов и позволяют обеспечить соблюдение требуемых технич. условий в течение заданного срока службы. Кроме того, разрабатываемые в строительной физике методы расчета и испытаний позволяют дать оценку качеству стр-ва, как в стадии проектирования, так и после возведения зданий и сооружений. Внутр. микроклимат при этих исследованиях задается гигиенич. или технологич. требованиями.

Особое развитие строительная физика получила в последние годы, когда широко развернулось индустриальное стр-во с применением многочисленных новых строит, материалов и облегченных конструкций, требующих предварительной оценки их свойств.

Для решения поставленных задач строительной физики использует: 1) теоретич. расчеты на основе установленных общих физич. закономерностей; 2) различные модели, на к-рых исследуемые процессы воспроизводятся или с измененными масштабами или на базе установленных аналогий; 3) лабораторные испытания элементов конструкций в разнообразных климатич. камерах (по возможности с соблюдением реальных условий их эксплуатации) ; 4) натурные наблюдения и измерения в сооруженных объектах. Помимо обычных теплофизич. и аку- стич. приборов и методов, в последнее время большое значение приобрели адеструк- тивные методы исследования теплофизич. и физико-технич. характеристик материалов и конструкций с использованием изотопов, ультразвука, радиоэлектрич. и др» явлений.

При проектировании городов и пром. комплексов учитываются климатич. и гео- физич. особенности тех мест, где производится стр-во; определяются наименее выгодные темп-ры воздуха и расчетные амплитуды колебаний его темп-ры (суточные, годовые и др.) « скорости ветра, относит, и абсолютная влажность воздуха, солнечная радиация, количество и характер осадков и др. данные. На основании указанных климатич. данных должны быть определены условия движения воздуха вблизи зданий и сооружений в зависимости от рельефа местности, ориентации зданий и их формы. Аналогично решается задача о перемещении воздуха внутри помещений и об интенсивности возникающей при этом естественной конвекции тепла, чем и определяется (при наличии заданных источников тепла и воздуха) общий характер внутр. микроклимата.

Для оценки состояния любого элемента здания или сооружения необходимо знать распределение в нем температур, а также воздуха и влаги с учетом ее фазового состава. Наличие взаимного влияния указанных факторов осложняет решение поставленных задач. Поэтому часто допускается, что влажностный режим уже известен и изменяется очень медленно. Тогда задача сводится к исследованию полей темп-ры в зависимости от геометрич. формы конструкций и теплопроводности материалов. Эта задача решается с помощью уравнения Фурье, чисто аналитич. путем или с помощью различных электро- и гидроинтеграторов. При наличии крупных капилляров, а также трещин и щелей в конструкции учитывается фильтрация воздуха и вызываемое ею изменение полей температур.

Наиболее сложным является учет влияния влаги. В общем случае внутри капилляров относительно быстро устанавливается равновесие между находящейся в них жидкой влагой и водяным паром, насыщающим воздух в рассматриваемом капилляре. При наличии градиента температур в конструкции возникает поток диффузии водяного пара, к-рый вызывает перераспределение влаги, а в определенных случаях - конденсацию пара и, следовательно, дополнит, увлажнение конструкции, в других же случаях - уменьшает влагосодержание и высушивает конструкцию.

Если количество влаги в материале небольшое (меньше макс, гигроскопического), то влага перемещается только в газообразной среде. В противном случае возможно движение жидкой влаги под влиянием разности ее давлений (равных давлению в газовой фазе за вычетом перепада давления, вызванного действием поверхностного натяжения воды). Это давление и заставляет жидкую влагу независимо от направления потока пара перемещаться в зону с меньшим ее давлением, т. е. туда, где меньше влажность материала или меньше диаметр капилляров, либо в зону более низких температур (см. Влагоизо- ляция).

При понижении темп-ры ниже 0°С жидкая влага частично или полностью переходит в лед. При этом прекращается ее перемещение в конденсированной фазе и снова остается лишь перемещение, вызванное градиентом парциального давления пара и приводящее к выпадению инея в полостях конструкции. Необходимо отметить, что кристаллы льда имеют коэфф. температурного расширения значительно более высокий, чем у скелета строит, материалов, вследствие чего при повышении темп-ры внутри зоны промерзания происходит расширение кристаллов льда, вызывающее частичное разрушение стенок капилляров, поэтому для строит, материалов в ограждающих конструкциях требуется обязательная проверка их морозостойкости.

Наличие жидкой влаги в конструкции имеет еще одно существенное значение, а именно: оно содействует перекристаллизации скелета материала, так как в капиллярах одновременно происходит растворение кальциевых и щелочных соединений и выделение их из раствора в др. более благоприятных для этого местах. Одновременно в силу растворимости в воде углекислого газа происходит карбонизация этих соединений, в результате чего могут совершаться местные изменения объема материала, его усадка или пучение, вызывающие дополнит, напряжения в конструкции.

Вообще всякое неравномерное поле температур вызывает соответствующие темп-рные напряжения, к-рые при охлаждении наружного сдоя конструкции с уменьшением его объема могут вызвать поверхностные трещины. Аналогичный результат дает и усадка этого слоя. Если же поверхностный слой нагревается или увеличивается в объеме, то напряжения меняют знак и вместо растрескивания может произойти его отслаивание.

Всякое частичное разрушение материала усиливает в нем фильтрацию воздуха и влаги, а следовательно, и коррозию как самого материала, так и арматуры и металлич. деталей, находящихся иод его защитой.

Строит, материалы обладают также свойством передавать механич. колебания, вибрации, шумы и звуковые колебания. Поэтому необходима проверка проектируемых конструкций на звукоизоляцию. Одновременно конструкции реагируют и на внутр. акустич. источники, в особенности при частотах, близких к частотам собственных колебаний конструкций, частично поглощая поступающие к их поверхности звуковые волны, а частично их отражая. Поэтому в помещении возникает сложная система вторичных звуковых колебаний, зависящая от размеров и формы помещения и особенностей конструкции ограждений. В случае невозможности получить требуемое качество звучания с помощью архитектурно-планировочных средств и улучшения конструкций приходится прибегать к методам спец. звукоусиления.

Большое значение имеют также свето- прозрачные ограждения, обеспечивающие использование естественного солнечного освещения. В нек-рых случаях, когда солнечный свет приносит с собой большое количество тепла, вызывающее дискомфортность помещений, необходимо применение спец. мер для защиты от солнечной радиации (см. Светотехника, Солнцезащитные устройства). Особую проблему составляет правильное сочетание естеств. и искусств, освещения. Кроме того, большое значение имеет и окраска как внутр., так и наружных поверхностей. Первая существенно влияет на световой режим помещений и на условия труда, а вторая - на общий вид городов и др. населенных мест, как своеобразный архитектурный элемент (см. Цвет).

Результаты, получаемые С. ф., позволяют уточнить эксплуатац. характеристики зданий и сооружений, более точно учесть необходимые затраты на теплопо- тери, вентиляцию или кондиционирование воздуха, на дополнит, звукоизоляцию или звукоусиление, освещение и т. д. Учет напряжений, вызываемых объемными деформациями, влияния морозостойкости и влагостойкости конструкций позволяет оценить вероятный срок службы данной конструкции. Зная же величину последнего и затраты на ремонт и эксплуатацию, можно значительно правильнее назначать размеры конструкции, в особенности величины тепло- и пароизоляцион- ных слоев, а также определять необходимый дополнительный запас прочности несущих конструкций и тем самым повышать экономич. эффективность сооружений.

Архитектурно-строительная физика - прикладная область физики, рассматривающая физические явления и процессы в конструкциях многофункционального общественного центра, связанные с переносом тепла, звука и света, а также явления и процессы в помещениях Центра, связанные с распространением звука и света.

Основной задачейархитектурно-строительнои? физики является обоснование применения при проектировании, а в дальнейшем и строительствемногофункционального общественного центра материалов и конструкции?, выбора размеров и формы помещении?, которые обеспечили бы оптимальные температурно-влажностные, акустические и светотехнические условия в помещениях соответственно их функциональному назначению. То есть предметом изучения архитектурно - строительнои? физики являются вопросы теплопередачи, воздухопроницаемости и влажностного состояния конструкции?, вопросы звукоизоляции, акустики и светотехники.

Строительная теплотехника

архитектурная строительная физика

Оптимальное состояние воздушной среды помещений проектируемого объекта по параметрам температуры, влажности и чистоты обеспечивается комплексом мер: расположением зданий в застройке, соответствием объемно-планировочного решения природно-климатическим условиям, системами отопления, вентиляции и кондиционирования и выбором конструкции наружных ограждений, обеспечивающих необходимую теплозащиту помещений. Последнее выполняется методами строительной теплотехники.

Базой данного вопроса являетс теория теплообменных и массообменных процессов. Наружные ограждающие конструкции рассматриваются в этих процессах как открытые системы, обменивающиеся с внешней средой тепловой энергией (теплообмен) и веществом (влаго- и воздухообмен).

При проектировании многофункционального общественного центра решаются следующие теплотехнические задачи:

обеспечение необходимого уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкций зимой;

обеспечение на внутренней поверхности ограждения зданий уровня температур, не позволяющего образовываться конденсату;

обеспечение теплоустойчивости ограждения в летние месяцы;

cоздание осушающего влажностного режима наружных ограждений;

ограничение воздухопроницаемости ограждающих конструкций.

Теплопередача в ограждающих конструкциях

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Так как большинство строительных материалов являются капиллярно-пористыми телами, в них возможны все виды теплопередачи. Однако в практических расчетах обычно считают, что теплопередача внутри строительных материалов происходит по законам теплопроводности. Теплопередача конвекцией и излучением происходит в воздушных прослойках и у поверхностей конструкций на границах с наружным и внутренним воздухом.

В теплотехнических расчетах принято различать однородные (однослойные) и слоистые (многослойные) ограждающие конструкции, состоящие соответственно из одного или нескольких однородных плоских слоев, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока (обычно параллельно наружной и внутренней поверхностям конструкции), а также неоднородные конструкции, которые имеют различные характеристики теплопроводности по площади ограждения.

Стационарные условия теплопередачи (одномерный тепловой поток)

Теплопроводность материалов

Через плоскую и достаточно протяженную конструкцию (чтобы можно было пренебречь краевыми эффектами) тепловой поток проходит перпендикулярно к ее поверхности в направлении от более высокой температуры к более низкой.

Материал	l, Вт/ (мЧ°С)	Материал	l, Вт/ (мЧ°С)
Алюминий	221	Пенополистирол	0, 04ё0, 06
Сталь	58	Вода	«0, 58
Железобетон	«2	Лед	«2, 33
Кладка из кирпича?обыкновенного	0, 58ё0, 81	Воздух (в замкнутых порах размером до 1 мм)	«0, 023
Минераловатные маты	0, 05ё0, 08	Воздух (в полостях размером 15 см)	«0, 72

 Через плоскую и достаточно протяженную конструкцию (чтобы можно было пренебречь краевыми эффектами) тепловой поток проходит перпендикулярно к ее поверхности в направлении от более высокой температуры к более низкой.

Строительные материалы состоят из твердой фазы, а также пор и капилляров, которые заполнены воздухом, водяным паром или жидкостью. Соотношение и характер этих элементов и определяют теплопроводность материала.

У металлов теплопроводность высока, так как определяется потоком электронов. Чем выше электропроводность, тем выше и теплопроводность.

Теплопроводность каменных материалов обусловлена тепловыми колебаниями структуры. Чем тяжелее атомы этой структуры и чем слабее они связаны между собой, тем меньше теплопроводность. Камни с кристаллической структурой более теплопроводны, чем стекловидные.

Коэффициент теплопроводности капиллярно-пористых материалов зависит от их средней плотности (пористости) и влажностного состояния. При этом значение играет также средний размер пор и их характер (открытые, сообщающиеся или закрытые). Более низкую теплопроводность имеют пористые материалы с закрытыми порами малого (1 мм) размера. С повышением влагосодержания материала его теплопроводность возрастает. Особенно это заметно зимой, когда содержащаяся в порах вода замерзает.

Изменения коэффициентов теплопроводности строительных материалов при изменении содержания влаги настолько существенны, что их значения устанавливают в зависимости от влажностной характеристики климата и влажностных условий эксплуатации помещений. СНиП различает 3 зоны влажности (влажная, нормальная и сухая) и 4 влажностных режима помещений:

По сочетанию зоны влажности и влажностного режима помещений назначаются условия эксплуатации ограждающих конструкций (А или Б), в зависимости от которых выбираются коэффициенты теплопроводности.

Материалы, применяемые для теплоизоляционных слоев ограждающих конструкций должны, как правило, иметь коэффициент теплопроводности в сухом состоянии не выше 0, 3 Вт/мЧ°С.

Особенности теплотехнического расчета неоднородных ограждающих конструкций

Реальные ограждающие конструкции обычно неоднородны в теплотехническом отношении, так как в них имеются проемы, углы, стыки, теплопроводные включения.

Например, температура в наружном углу стены значительно (на 4-7 °С) ниже температуры внутренней поверхности участка стены, удаленного от угла. Это объясняется тем, что площадь тепловосприятия значительно меньше площади теплоотдачи с одной стороны, и понижением коэффициента тепловосприятия (из-за уменьшения лучистого теплообмена и ослабления конвекционных токов воздуха) с другой. Такое понижение температуры может привести к появлению сырости в углах. Для предупреждения этого требуется дополнительное утепление или размещение в углах стояков отопления.

Температура на таких участках изменяется не только по толщине конструкции, но также по ее длине или высоте, то есть изменение не является одномерным. При установившемся потоке тепла распределение температур в таких местах определяется решением дифференциального уравнения теплопроводности (уравнение Лапласа)

Теплопередача в нестационарных условиях

Изложенные ранее расчеты основаны на постоянстве температур с наружной и внутренней сторон ограждения, вследствие чего через него проходит установившийся тепловой поток. В реальных условиях это наблюдается редко. Постоянно происходят колебания температуры наружного воздуха, изменяется температура в помещении (особенно в зданиях с периодически действующим отоплением), в летнее время наружная поверхность нагревается еще и за счет солнечной радиации. Все это вносит погрешности в теплофизические расчеты по установившимся условиям. Поэтому в некоторых случаях необходимо выполнять расчеты при нестационарных условиях теплопередачи.

Теплоустойчивость ограждающих конструкций

Теплозащитные качества ограждающих конструкций, эксплуатируемые в жарких районах (со среднемесячной температурой) оцениваются по теплоустойчивости. Это свойство конструкции сохранять при колебаниях теплового потока относительное постоянство температуры на обращенной в помещение поверхности. Это одно из условий комфортности пребывания человека в помещении.

Количественная оценка теплоустойчивости проводится по затуханию в конструкции температурных колебаний. Величина затухания вычисляется как отношение амплитуды колебаний температуры на поверхности, непосредственно воспринимающей температурное воздействие к амплитуде на противоположной поверхности.

Воздухопроницаемость ограждений

Еще одним свойством, характеризующим теплотехнические качества конструкции, является ее воздухопроницаемость. Проникновение (фильтрация) воздуха через ограждение возникает вследствие разницы давлений теплого и холодного воздуха (тепловой напор), а также в результате ветрового напора.

Воздухопроницаемость материалов характеризуется коэффициентом воздухопроницаемости, который определяет количество воздуха в кг, проходящего через 1 м2 материала толщиной 1 м в течение единицы времени при разницы давлений в 1 Па - i [кг/мЧчЧПа].

Влажностный режим ограждающих конструкций

С повышением влажности материалов возрастает их теплопроводность. Это приводит к понижению сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Для сохранения их теплозащитных свойств следует предусматривать меры по предотвращению возможного увлажнения.

Вообще повышение влажности конструкций нежелательно по многим причинам. С гигиенической точки зрения влажные конструкции - источник повышения влажности в помещениях, что отрицательно сказывается на самочувствии людей. Увлажненные материалы представляют собой благоприятную среду для развития микроорганизмов, что вызывает ряд заболеваний. С технической точки зрения влажные материалы быстро разрушаются из-за расширения влаги при замерзании в порах и капиллярах, коррозии (окисление металла, выщелачивание извести из растворов), биологических процессов.

Причины появления влаги в конструкциях

?Строительная влага обусловлена мокрыми процессами при производстве строительных конструкций (кладка из кирпича на строительных растворах, тепловлажностная обработка железобетонных изделий). В правильно запроектированных конструкциях эта влага устанавливается в допустимых пределах в течение первых лет эксплуатации здания. ??

?Грунтовая влага проникает в конструкцию в результате капиллярного подсоса при нарушении гидроизоляции. В зависимости от структуры материала капиллярная влага может подниматься на высоту 2, 5-10 м. ??

?Атмосферная влага в виде косых дождей при ветре или инея, выпадающих на наружной поверхности увлажняет конструкцию на глубину нескольких сантиметров. ?^ Эксплуатационная влага увлажняет примыкающие к полу части стен при мытье полов, при проливе технологических жидкостей. ?Последние три вида увлажнения конструкций можно устранить или резко сократить конструктивными мерами. ??

?Гигроскопическая влага - следствие сорбционного свойства капиллярно-пористых материалов поглощать влагу из воздуха (гигроскопичность). Степень гигроскопического увлажнения предопределяется температурно-влажностным режимом окружающей среды. У ограждающих конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, гигроскопичность материалов повышается в 4-5 раз за счет повышения содержания водорастворимых соединений. ??

?Конденсационная влага вызывается отклонениями температурно-влажностных параметров воздушной среды помещений и чаще всего является причиной переувлажнения конструкции. Конденсация влаги может происходить как на поверхности конструкции, так и в ее толще в процессе диффузии водяного пара. ?Гигроскопическое и конденсационное увлажнения могут быть стабилизированы рациональным конструированием ограждения на основе теплотехнических расчетов.

Абсолютная и относительная влажность воздуха

Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество влаги в виде паров. Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха, называется абсолютной влажностью f [г/м3]. Для расчетов удобнее оценивать количество водяного пара в единицах давления. С этой целью используется парциальное давление водяного пара e [Па] или [мм. рт. ст. ], называемое действительной упругостью водяного пара.

Действительная упругость увеличивается с повышением абсолютной влажности воздуха, но не может возрастать беспредельно. При определенной температуре и барометрическом давлении воздуха имеет место предельное значение абсолютной влажности воздуха F [г/м3], соответствующее полному насыщению воздуха водяным паром. Далее влажность при тех же условиях повышаться не может. Этому значению соответствует максимальная упругость водяного пара E [Па] или [мм. рт. ст. ], называемая также давлением насыщения водяного пара.

С повышением температуры воздуха предельные значения влажности (E и F) увеличиваются, следовательно, абсолютная влажность f и парциальное давление е не дают представления о степени насыщения воздуха влагой, если не указана его температура.

Относительная влажность определяет:

интенсивность испарения влаги с увлажненных поверхностей (в частности, с поверхности человеческого тела) ;

процесс поглощения влаги строительными материалами (процесс сорбции) ;

процесс конденсации влаги в воздухе и на поверхности конструкций.

При повышении температуры воздуха с заданным влагосодержанием (e=const), относительная влажность уменьшается, так как возрастает значение максимальной упругости водяного пара E. При понижении температуры относительная влажность растет, так как E понижается. В процессе понижения температуры при некотором ее значении максимальная упругость становится равной действительной упругости водяного пара e. При этом j=100% и наступает состояние полного насыщения воздуха водяным паром. Соответствующая этому моменту температура называется температурой точки росы tр для данной влажности воздуха. При понижении температуры ниже точки росы максимальная и действительная упругости будут понижаться, оставаясь равными, а излишек влаги будет конденсироваться, то есть переходить в капельно-жидкое состояние.

В зимнее время тонкий слой воздуха, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности ограждающей конструкции, охлаждается до ее температуры, которая может достигнуть точки росы. Поэтому необходимо обеспечить на внутренней поверхности такую температуру, чтобы tв>tр.

Температура в наружных углах помещений, на поверхности теплопроводных включений обычно ниже, чем на остальных участках ограждения. Так для Тулы температура вблизи наружного угла на 4-6 °С ниже, чем вдали от него. Поэтому возможность образования конденсата следует, прежде всего, проверять для таких мест, предусматривая в необходимых случаях мероприятия для повышения их температуры (дополнительное утепление, размещение стояков отопления…).

Диффузия водяного пара через ограждающую конструкцию

В холодное время года наружная ограждающая конструкция отапливаемого здания разделяет две воздушные среды с одинаковым барометрическим давлением, но с разными температурами и упругостями водяного пара. Даже при более высокой относительной влажности холодный наружный воздух содержит меньше водяного пара, чем теплый внутренний. То есть парциальное давление водяного пара внутри помещения ев будет значительно больше наружного ен. Их разность для жилых зданий достигает значительных величин: 1, 2-1, 3 КПа, а для зданий с повышенной температурой и влажностью может быть существенно выше.

Под влиянием разности парциальных давлений возникает поток водяного пара, направленный от внутренней поверхности к наружной - диффузия водяного пара.

Коэффициент паропроницаемости m отражает способность материала пропускать диффундирующий водяной пар. Он численно равен количеству влаги в мг, которое диффундирует за единицу времени через слой материала толщиной 1 м площадью 1 м2 при разности парциальных давлений на поверхности слоя 1 Па [мг/ (мЧчЧПа) ].

Из строительных материалов наибольшим коэффициентом паропроницаемости обладают минераловатные плиты (до 0, 6 мг/ (мЧчЧПа)), а наименьшим - рубероид (0, 0014), линолеумы (0, 002), битумные кровельные материалы (0, 008 мг/ (мЧчЧПа)).

В случае если внутренний воздух имеет высокую влажность или конструкция ограждения запроектирована неверно, диффундирующий водяной пар может конденсироваться внутри ограждающей конструкции. Считается, что плоскость возможной конденсации располагается на расстоянии, равном 2/3 толщины однородной конструкции и совпадает с наружной поверхностью утеплителя в многослойной. Для предотвращения этого явления:

сопротивление паропроницанию Rп ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации должно быть не менее требуемой величины, которая устанавливается СНиП. Для этого рекомендуется внутренние слои ограждения выполнять из более плотных материалов, располагая утеплитель ближе к наружной поверхности. Кроме затруднения доступа паров воды в более холодные слои, это обеспечивает лучшие условия удаления влаги из конструкции в теплые месяцы.

для защиты от увлажнения утеплителя в наружных ОК зданий следует предусматривать пароизоляцию (ниже теплоизоляционного слоя) ;

следует предусматривать пароизоляцию теплоизолирующих уплотнителей стыков элементов ограждающих конструкций со стороны помещений;

необходимо также предусматривать конструктивные мероприятия для защиты ограждений от увлажнения непосредственно капельно-жидкой влагой (атмосферные осадки, эксплуатационные источники) - водонепроницаемость или гидрофобность поверхностей (штукатурка, окраска водоустойчивыми составами), правильная конструкция и герметизация стыков и т. п. ;

при постоянном увлажнении можно предусматривать вентилируемые воздушные прослойки.

Резюме и некоторые рекомендации по разделу «Строительная теплофизика»

Кратко подытожим общие требования, предъявляемые к ограждающим конструкциям с точки зрения строительной теплофизики, и сформулируем некоторые вытекающие из этих требований рекомендации.

Сопротивление ограждающей конструкции теплопередаче должно быть не менее требуемой величины. Это касается также заполнения окон, балконных дверей и фонарей.

Для уменьшения теплопотерь здания рекомендуется:

предусматривать объемно-планировочные решения с учетом обеспечения наименьшей площади ограждающих конструкций;

помещения с пониженной температурой (коридоры, лестничные клетки, кладовые…) располагать по внешнему периметру в части здания, обращенной на север или в сторону преобладающих в зимнее время ветров;

теплые помещения планировать с минимальным внешним периметром, располагая их на юг и запад;

в нижней части здания для уменьшения теплопотерь в грунт располагать помещения с пониженной температурой (магазины, мастерские, склады…) ;

более благоприятными по температурному режиму оказываются помещения низкие и широкие, по сравнению с высокими и узкими;

при планировке помещений следует избегать устройства в них выступающих наружу частей (узких и глубоких эркеров, например) ;

лоджии наоборот, создают в примыкающих помещениях более благоприятный температурный режим.

площадь световых проемов должна назначаться в соответствии с нормированным значением коэффициента естественного освещения. При этом площадь окон с приведенным сопротивлением теплопередаче менее 0, 56 м2Ч°С/Вт по отношению к общей площади наружных стен должна составлять не более 18%.

В жарких районах для ряда видов зданий (в частности жилых, см. выше) амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций должна быть не более нормативной величины.

В тех же районах и видах зданий для окон и фонарей должны предусматриваться солнцезащитные устройства, коэффициент теплопропускания которых должен быть не более нормативной величины.

Поверхность пола жилых и общественных зданий, вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий и отапливаемых помещений производственных зданий (на участках с постоянными рабочими местами) должна иметь показатель теплоусвоения не более нормативной величины. Полы на грунте должны быть утеплены в зоне примыкания к наружным стенам шириной 0, 8 м.

Сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций должно быть не менее требуемого. Это касается также заполнения окон и балконных дверей, а также фонарей.

Должны выполняться сформулированные выше требования по паропроницанию ограждающих конструкций (см. предыдущий параграф).

Для защиты от увлажнения грунтовой влагой следует предусматривать гидроизоляцию стен: горизонтальную - в стенах выше отмостки, а также ниже уровня пола цокольного или подвального этажа; вертикальную - подземной части стен с учетом гидрогеологических условий и назначения помещений.

Традиционно при проектировании ограждающих конструкции? отдельно рассматривают вопросы теплозащиты и влажностныи? режим, вопросы звукоизоляции. Комплексныи? подход к проектированию по- зволяет избежать возникающие в процессе эксплуатации здания про- блемы.

Ограждающие конструкции, архитектурно-планировочное реше- ние здания должны обеспечивать комфортные условия микроклимата, световои? режим помещении?. При решении данных архитектурно- строительных задач не обои?тись без учета влияния окружающеи? среды. Обезвредить отрицательные факторы климата и использовать положи- тельные позволяют сведения о климатических нормативах

Выразительность архитектура представляет собой нетлишь красоту и изящество форм, пропорций и линий, искусствоведческие изыскания о закономерностях композиционных соотношений, споры о тектонической сущности форм и историю создания архитектурных шедевров, которые и стали таковыми именно потому, что создатели их понимали: выразительность архитектуры зависит от природных параметров среды. ?К. т. н., архитектор Н. В. Оболенский?Эксплуатационные качества зданий и отдельных помещений определяются не только их размерами, качеством отделки и т. п. Важным фактором является степень защищенности от внешних воздействий, таких как холод или излишнее тепло, атмосферные осадки, шум. Помещения должны подвергаться (или не подвергаться) определенное время воздействию прямых солнечных лучей, иметь достаточную освещенность, благоприятный акустический климат. Правильный учет этих факторов обеспечивает такое состояние искусственной среды жизнедеятельности, которое воспринимается человеком как комфортное. ?Эти вопросы рассматривает строительная физика, включающая несколько направлений. Основными из них являются строительная теплотехника (теплопередача в ограждающих конструкциях, их паро- и воздухопроницаемость, температурно-влажностный режим помещений), строительная светотехника (естественное и искусственное освещение помещений, инсоляция и солнечная радиация), строительная акустика (звукоизоляция и акустика помещений). Знание этих вопросов позволяет архитектору правильно выбрать тип ограждающей конструкции, количество и величину проемов, ориентацию здания по сторонам света, форму зрительного зала, предусмотреть мероприятия по защите от шума и т. д.

Понятие о строительной климатологии

Для территории России характерно разнообразие природно-климатических условий. Вся территория бывшего СССР для строительства делится на 4 климатических района (I - IV), каждый из которых имеет несколько подрайонов. Их общие характеристики приводятся в СНиП 2. 01. 01?82 «Строительная климатология и геофизика», а также в СНиП 2. 01. 07?85 «Нагрузки и воздействия». ?Наиболее суровые климатические условия в I районе (70% территории СССР - север и северо-восток Сибири и европейской части страны, Урал, материковые территории и прибрежные части Ледовитого океана и северных морей). Характеризуется длительным холодным периодом (7-9 месяцев в году) с низкими температурами (до -50, -60°С), сильными ветрами в прибрежных подрайонах, снежными метелями, длительной полярной ночью (севернее Полярного круга), вечной мерзлотой грунтов. Это определяет «закрытый» жизненный режим населения с более продолжительным, чем в других районах, пребыванием в помещениях, большую степень изоляции зданий от воздействий внешней среды. ?II и III климатические районы (средняя полоса) характеризуются умеренным климатом с примерно равными холодным и теплым периодами с умеренными положительными и отрицательными температурами и другими климатическими показателями. Это районы наиболее населенной части страны. Жизненный режим здесь более «открытый». Взрослое население и дети во все времена года могут длительное время находиться вне зданий. ?Южные районы (IV и частично III) характеризуются продолжительным теплым периодом (до 9 месяцев в году), высокими положительными летними температурами и различными особенностями микроклиматов подрайонов: приморских, жарких степных и полупустынных территорий с песчаными бурями, влажных и жарких субтропиков, горных и т. д. Здесь население широко использует различные летние помещения, дворы. Для зданий существенна защита от перегрева солнечной радиацией, резких суточных изменений температуры, излишней влажности и др. ?Наиболее важными составляющими климата, которые необходимо знать, прежде чем приступать к проектированию, являются данные о следующих природно-климатических факторах: ?Прямая и рассеянная солнечная радиация - основными факторами являются бактерицидное и температурное воздействия. Эти данные учитываются:

при выборе расположения и ориентации здания на участке, позволяя определять продолжительность и интенсивность инсоляции помещений в различное время года, а также степень инсоляции прилегающих территорий;

при расчете стен и покрытий зданий на теплоустойчивость в жаркие летние месяцы;

при выборе архитектурно-планировочных и конструктивных солнцезащитных мер, устраняющих перегрев помещений в летние месяцы;

при выборе систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Ультрафиолетовая радиация - основным фактором является бактерицидное воздействие. Учитывается:

при проектировании фотариев - помещений, в которых создаются кратковременные источники ультрафиолета, что необходимо в северной зоне и при длительном пребывании людей в помещениях с недостаточным естественным освещением;

при выборе конструкций окон и фонарей, при расчетах природной ультрафиолетовой облученности, проникающей в помещения лечебных зданий, детских учреждений и др. ;

при выборе облицовки фасадов и отделки интерьеров, повышающих насыщенность помещений прямой, рассеянной и отраженной ультрафиолетовой радиацией.

Естественная наружная освещенность - учитывается:

при выборе типов, размеров и расположения окон и фонарей в соответствии с требованиями главы СНиП «Естественное и искусственное освещение»;

при определении времени использования естественного освещения в помещениях, что позволяет в некоторых случаях мотивировать отказ от естественного света (зрительный зал, подсобное помещение) ;

при выборе рода освещения (естественное, искусственное или совмещенное), проектировании установок искусственного света (имитация естественного освещения по яркости и спектру).

?Температура и влажность наружного воздуха. Данные об их годовой динамике используются:

при выборе объемно-планировочного решения здания (в холодных районах предпочтительна более компактная планировка и застройка) ;

при выборе и расчете элементов ограждающих конструкций (стен, покрытий, заполнения проемов) по теплотехническим требованиям;

при расчете систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;

при прочностном расчете конструкций на температурные воздействия.

?Господствующее направление, скорость и давление ветра учитываются:

при расположении здания на участке для устранения интенсивного охлаждения помещений за счет воздухопроницаемости стен и окон;

при определении конструкции и расположения окон и фонарей, обладающих обычно повышенной воздухопроницаемостью;

при расчете аэрации помещений и территорий;

при прочностных расчетах конструкций зданий.

Скорость ветра определяется как горизонтальная составляющая осредненной скорости воздушного потока на высоте 10-15 м от земли. При проектировании высотных сооружений следует учитывать увеличение скорости ветра по высоте.

Направление ветра определяется той частью горизонта, откуда перемещается воздушный поток.

Средняя скорость ветра по направлениям горизонта и повторяемость направлений ветра в (%) - основные характеристики ветра на территории застройки. В процессе проектирования часто пользуются графическим изображением характеристик ветра в виде специальной диаграммы - «розы ветров», на которой приводятся данные о повторяемости и скорости ветра на данной местности за определенный период.

?Количество осадков в летнее и зимнее время года. Эти данные необходимы:

при проектировании расположения здания на участке, с целью устранения большого снегообразования на территории и крыше;

при выборе формы и расположения фонарей, не способствующих задерживанию снега на крыше;

при проектировании карнизов и водостоков для быстрого удаления ливневых и талых вод;

при разработке способов удаления снега с крыши;

при выборе облицовки фасада здания, заполнения проемов с учетом их водостойкости (в Дальневосточном Приморье количество осадков, выпадающих на вертикальные поверхности, может в 3 раза превышать выпадение на горизонтальные поверхности - «косые» дожди) ;

при прочностных расчетах конструкций. Плотность снега (140-360 кг/м3) зависит от высоты снежного покрова, продолжительности его залегания, скорости ветра, температуры воздуха. Существенно увеличивают плотность временные периоды с положительными температурами воздуха.

Данные об основных климатических факторах определяются путем обработки многолетних измерений метеостанций на основе методов математической статистики.

Строительная теплотехника

Оптимальное состояние воздушной среды помещения по параметрам температуры, влажности и чистоты обеспечивается комплексом мер: расположением здания в застройке, соответствием его объемно-планировочного решения природно-климатическим условиям, системами отопления, вентиляции и кондиционирования и выбором конструкции наружных ограждений, обеспечивающих необходимую теплозащиту помещений. Последнее выполняется методами строительной теплотехники.

Строительная теплотехника базируется на общей теории теплообменных и массообменных процессов. Наружные ограждающие конструкции рассматриваются в этих процессах как открытые системы, обменивающиеся с внешней средой тепловой энергией (теплообмен) и веществом (влаго- и воздухообмен).

При проектировании зданий решаются следующие теплотехнические задачи:

Обеспечение необходимого уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкций зимой.

Обеспечение на внутренней поверхности ограждения уровня температур, не позволяющего образовываться конденсату.

Обеспечение теплоустойчивости ограждения в летние месяцы.

Создание осушающего влажностного режима наружных ограждений.

Ограничение воздухопроницаемости ограждающих конструкций.

Теплопередача в ограждающих конструкциях

Необходимым условием теплопередачи в любой среде является разность температур в различных точках среды. Тепловая энергия распространяется при этом от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой. Наружные ограждающие конструкции разделяют среды с различными температурами, что и вызывает процессы теплопередачи в них.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Так как большинство строительных материалов являются капиллярно-пористыми телами, в них возможны все виды теплопередачи. Однако в практических расчетах обычно считают, что теплопередача внутри строительных материалов происходит по законам теплопроводности. Теплопередача конвекцией и излучением происходит в воздушных прослойках и у поверхностей конструкций на границах с наружным и внутренним воздухом.

В теплотехнических расчетах принято различать однородные (однослойные) и слоистые (многослойные) ограждающие конструкции, состоящие соответственно из одного или нескольких однородных плоских слоев, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока (обычно параллельно наружной и внутренней поверхностям конструкции), а также неоднородные конструкции, которые имеют различные характеристики теплопроводности по площади ограждения.

Материал	l, Вт/ (мЧ°С)	Материал	l, Вт/ (мЧ°С)
Алюминий	221	Пенополистирол	0, 04ё0, 06
Сталь	58	Вода	«0, 58
Железобетон	«2	Лед	«2, 33
Кладка из кирпича обыкновенного	0, 58ё0, 81	Воздух (в замкнутых порах размером до 1 мм)	«0, 023
Минераловатные маты	0, 05ё0, 08	Воздух (в полостях размером 15 см)	«0, 72

Через плоскую и достаточно протяженную конструкцию (чтобы можно было пренебречь краевыми эффектами) тепловой поток проходит перпендикулярно к ее поверхности в направлении от более высокой температуры к более низкой.

Строительные материалы состоят из твердой фазы, а также пор и капилляров, которые заполнены воздухом, водяным паром или жидкостью. Соотношение и характер этих элементов и определяют теплопроводность материала.

У металлов теплопроводность высока, так как определяется потоком электронов. Чем выше электропроводность, тем выше и теплопроводность.

Теплопроводность каменных материалов обусловлена тепловыми колебаниями структуры. Чем тяжелее атомы этой структуры и чем слабее они связаны между собой, тем меньше теплопроводность. Камни с кристаллической структурой более теплопроводны, чем стекловидные.

Коэффициент теплопроводности капиллярно-пористых материалов зависит от их средней плотности (пористости) и влажностного состояния. При этом значение играет также средний размер пор и их характер (открытые, сообщающиеся или закрытые). Более низкую теплопроводность имеют пористые материалы с закрытыми порами малого (1 мм) размера. С повышением влагосодержания материала его теплопроводность возрастает. Особенно это заметно зимой, когда содержащаяся в порах вода замерзает.

Изменения коэффициентов теплопроводности строительных материалов при изменении содержания влаги настолько существенны, что их значения устанавливают в зависимости от влажностной характеристики климата и влажностных условий эксплуатации помещений. СНиП различает 3 зоны влажности (влажная, нормальная и сухая) и 4 влажностных режима помещений:

По сочетанию зоны влажности и влажностного режима помещений назначаются условия эксплуатации ограждающих конструкций (А или Б), в зависимости от которых выбираются коэффициенты теплопроводности.

Материалы, применяемые для теплоизоляционных слоев ограждающих конструкций должны, как правило, иметь коэффициент теплопроводности в сухом состоянии не выше 0, 3 Вт/мЧ°С.

Задачи строительной светотехники

Свет играет важнейшую роль в жизнедеятельности человека. Он участвует в обеспечении нормального психофизиологического состояния человека; создает освещение рабочего места, обеспечивая возможность выполнения каких-либо работ; естественный свет обладает оздоровительными и бактерицидными свойствами. Ритм естественного света диктует образ жизни людей. Естественное и искусственное освещение влияют также на архитектурно-художественные качества зданий.

Наряду с этим освещение требует существенных затрат: высокая стоимость остекления (и источников искусственного света), затраты на очистку и ремонт световых проемов, теплопотери через них приводили к тому, что иногда производственные здания (а в некоторых странах даже школы) строились без естественного света.

В этой связи основной задачей строительной светотехники является исследование условий, определяющих создание оптимального светового режима в помещениях и разработка архитектурных и конструктивных мероприятий, обеспечивающих этот режим.

Освещение помещений может быть

естественным, источниками которого являются прямой, рассеянный (диффузный) и отраженный солнечный свет;

искусственным (источник - электрические лампы накаливания, люминесцентные, ртутные, ксеноновые и др.) ;

и совмещенным, когда помещение одновременно освещается естественными и искусственными источниками.

Оптимальный световой режим в помещениях достигается

правильным учетом светового климата места строительства;

правильным выбором размеров, формы и цветовой отделки помещений;

правильным выбором формы, размеров и положения световых проемов;

правильным размещением и выбором мощности и спектра излучения искусственных источников света.

В понятие оптимального светового режима помещения включаются:

обеспечение требуемого уровня освещенности рабочих мест;

равномерность освещенности;

устранение направленного прямого и отраженного света, слепящего людей;

обеспечение достаточной яркости окружающего пространства за счет уровня освещенности и цветовой отделки интерьера.

Задачи по проектированию освещения помещений решаются совместно архитекторами, инженерами-строителями и инженерами-светотехниками.

Естественное освещение

Естественное освещение должны, как правило, иметь помещения с постоянным пребыванием людей. Без естественного освещения допускается проектировать помещения, утвержденные соответствующими нормативными документами, а также помещения, размещение которых допускается в подвальных и цокольных этажах.

Естественное освещение подразделяется на боковое, верхнее и комбинированное. Боковое освещение может быть односторонним и двухсторонним.

Освещенность в помещении может осуществляться за счет прямого рассеянного (диффузного) света небосвода и за счет света, отраженного от внутренних поверхностей помещения, противостоящих зданий и прилегающей к зданию поверхности. Освещение может также осуществляться только отраженным светом.

Базовые светотехнические понятия и законы

Для нормирования естественной освещенности в помещениях абсолютные величины освещенности применять нецелесообразно. Наружная, а соответственно и внутренняя, освещенности постоянно меняются. Кроме того, человек оценивает освещенность не столько по абсолютной величине, сколько по сравнительным уровням яркости предметов и поверхностей. Так для оценки естественной освещенности характерно сравнение яркостей внутренних поверхностей с яркостью внешнего пространства, видимого через световой проем.

Инсоляция помещений и территорий. Солнцезащита

Инсоляция и ее нормирование

Инсоляция - облучение прямыми солнечными лучами - имеет большое оздоровительное значение. Световое и ультрафиолетовое облучение оказывают укрепляющее воздействие на человека и бактерицидное на микроорганизмы. Поэтому нормы проектирования регламентируют минимальную продолжительность инсоляции помещений и территорий. Расчеты инсоляции являются обязательным разделом в составе предпроектной и проектной документации.

Нормирование инсоляции помещений

Продолжительность инсоляции регламентируется в: жилых зданиях; детских дошкольных учреждениях; учебных учреждениях общеобразовательных, начального, среднего, дополнительного и профессионального образования, школах-интернатах, детских домах и т. п. ; лечебно-профилактических, санаторно-оздоровительных и курортных учреждениях; учреждениях социального обеспечения (домах-интернатах для инвалидов и престарелых, хосписах и т. п.).

Нормируемая продолжительность непрерывной инсоляции для помещений жилых и общественных зданий устанавливается дифференцированно в зависимости от типа квартир, функционального назначения помещений, планировочных зон города, географической широты - для зон:

северной (севернее 58° с. ш.) - не менее 2, 5 ч в день с 22 апреля по 22 августа;

центральной (58° с. ш. - 48° с. ш.) - не менее 2 ч в день с 22 марта по 22 сентября;

южной (южнее 48° с. ш.) - не менее 1, 5 ч в день с 22 февраля по 22 октября.

Жилые здания:

В жилых зданиях нормативная продолжительность инсоляции должна быть обеспечена: в одно-, двух- и трехкомнатных квартирах - не менее чем в одной комнате, в четырехкомнатных и более - не менее чем в двух комнатах. В общежитиях - не менее чем в 60% жилых комнат.

Допускается прерывистость инсоляции, но при этом продолжительность одного из периодов должна составлять не менее 1 часа, а общая продолжительность должна превышать нормативную на 0, 5 часа.

Нормы допускают снижение продолжительности инсоляции на 0, 5 ч для северной и центральной зон в двухкомнатных и трехкомнатных квартирах, где инсолируется не менее двух комнат; в четырехкомнатных и более, где инсолируется не менее трех комнат; а также при реконструкции жилой застройки, расположенной в центральной, исторической зонах городов, определенных их генеральными планами развития.

Общественные здания:

Нормируемая продолжительность инсоляции устанавливается в основных функциональных помещениях указанных выше общественных зданий. К таким помещениям относятся:

в детских дошкольных учреждениях - групповые, игровые, изоляторы и палаты;

в учебных зданиях - классы и учебные кабинеты;

в лечебно-профилактических учреждениях - палаты (не менее 60% общей численности) ;

в учреждениях социального обеспечения - палаты, изоляторы.

В зданиях комбинированного назначения (детских домах, домах ребенка, школах-интернатах, лесных школах, школах-санаториях и т. п.) инсоляция нормируется в помещениях функционального назначения аналогичного перечисленным выше.

Инсоляция не требуется в патологоанатомических отделениях; операционных, реанимационных залах больниц, вивариев, ветлечебниц; химических лабораториях; выставочных залах музеев; книгохранилищах и архивах.

Допускается отсутствие инсоляции в учебных кабинетах информатики, физики, химии, рисования и черчения.

Нормирование инсоляции территорий

На территориях детских игровых площадок, спортивных площадок жилых домов; групповых площадок дошкольных учреждений; спортивной зоны, зоны отдыха общеобразовательных школ и школ-интернатов; зоны отдыха ЛПУ стационарного типа продолжительность инсоляции должна составлять не менее 3 ч на 50% площади участка независимо от географической широты.

Параметры, влияющие на продолжительность и качество инсоляции

Продолжительность инсоляции открытой территории для каждой местности определяется временем видимого движения солнца по небосводу. Траектория движения солнца и период суточной инсоляции для каждой географической широты и каждого времени года различны: в северных широтах траектория более пологая и протяженная, в южных - более крутая и короткая.

...