Архитектурная физика

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.

Строительная светотехника

Корбюзье ставил солнце на первое место среди материалов и средств, с которыми имеет дело архитектор.

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.

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