В первом случае отмечается предельное охлаждение конструкций достаточно непроницаемых для холодного воздуха; во втором — ограждений более проницаемых, через которые может проникать значительное количество этого воздуха и тем самым охлаждать конструкцию и помещение.
При низкой расчетной температуре и относительном безветрии потери тепла Q через конструкцию, выполненную из достаточно плотных материалов, происходят только путем теплопроводности и пропорциональны разности температур Δt помещения и наружного воздуха, т. е.
где R0 — сопротивление конструкции теплопередаче, град·м2·ч/ккал; Q0 — потери при разности температур в 1°.
При отрицательной температуре и разности давлений, вызванной, например, сильным ветром, потери тепла будут происходить и путем теплопроводности, и за счет охлаждающей сквозной фильтрации холодного воздуха через ограждение. Сумма потерь тепла Qсумм будет:
где с — теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/кг·град; W — поток фильтрующегося холодного воздуха, кг/м2·ч.
Эта сумма потерь тепла вызывается и разностью температур, и разностью давлений воздуха Δр на противоположных поверхностях конструкции, т. е. происходит за счет двух физических процессов (теплопроводности и возухопроницания), обусловленных различными потенциалами переноса.
Обычно полагают, что потери тепла из-за фильтрации холодного воздуха через ограждающие конструкции зданий составляют некоторую долю ψ0 от потерь тепла, в результате теплопроводности. Тогда общие потери тепла будут:
где последний член выражает дополнительные потери тепла из-за фильтрации холодного воздуха.
Очевидно, что при расчетной температуре наружного воздуха потери тепла не должны превышать следующей величины:
Отсюда следует, что
Произведение Qсумм0 имеет размерность в градусах и является суммарной температурой, при которой в условиях воздействия фильтрации потери тепла наибольшие.
Эти потери тепла будут происходить при суммарной расчетной температуре
Из уравнений (II.5) и (II.6) следует, что
или, поскольку (как это более подробно изложено в этой и этой статье) поток фильтрующегося через конструкцию воздуха при ветре
где Rи — сопротивление конструкции воздухопроницанию,
где к — аэродинамический коэффициент, выражающий часть ветрового напора, переходящего в статическое давление на поверхности конструкции; v — скорость ветра, м/сек; γн — объемный вес фильтрующегося воздуха, кг/м3; g — ускорение силы тяжести (9,81 м/сек2),
т. е. при одновременном действии мороза и ветра
где tн — температура наружного воздуха при ветре.
Очевидно, что для совершенно непроницаемых ограждающих конструкций ψ0=0, поскольку Rи→0; для этих ограждений tрасчсумм=tрасчи, т. е. предельное охлаждение наступит при наинизшей расчетной температуре наружного воздуха, независимо от скорости ветра.
Некоторое увеличение потерь тепла может произойти в этом случае только за счет изменения при ветре коэффициента теплообмена на наружной поверхности конструкции.
Наоборот, для проницаемых ограждающих конструкций коэффициент ψ0 будет иметь существенную величину, пропорциональную отношению сопротивления теплопередаче к сопротивлению воздухопроницанию, и при большой скорости ветра значение суммарной температуры превысит расчетную температуру наружного воздуха.
Во всех тех случаях, когда отношение суммарной температуры к наинизшеи расчетной превышает единицу
необходимо увеличивать сопротивление воздухопроницанию проектируемых ограждающих конструкций путем применения соответствующих конструктивных мероприятий (утолщение или повышение непроницаемости фактурных слоев, уплотнение стыков и сопряжений ограждающих конструкций, в частности, переплетов окон и т. д.).
Например, для конструкций кирпичных неоштукатуренных стен с сопротивлением воздухопроницанию Rи=1,8 мм вод. ст. м2·ч/кг и сопротивлением теплопередаче R0=1,2 град·м2·ч/ккал, величина
Принимая в рассматриваемой местности повторяемость сильных ветров равной повторяемости расчетных понижений температуры наружного воздуха, получим, например, для Норильска (при
В этом случае при суммарной температуре, учитывающей воздействие ветра, происходят большие потери тепла стенами, чем при расчетной температуре наружного воздуха и безветрии.
Правильной конструктивной мерой в данном случае будет применение плотного (или утолщенного) наружного фактурного слоя, имея в виду повышение сопротивления стены воздухопроницанию до 35—40 мм вод. ст. м2·ч/кг.
Еще более полезной будет высокая степень уплотнения стыков и сопряжений конструктивных элементов наружных стен. Однако наибольшая необходимость возникает в отношении возможно высокой герметизации оконных переплетов.
Более существенное увеличение суммарной температуры (по сравнению с расчетной при безветрии) отмечается в тех климатических районах, где сильные и продолжительные ветры совпадают во времени с предельно низкими температурами наружного воздуха, поскольку именно эти ветры вызывают понижение температуры (полуостров Мангышлак, Владивосток, Новороссийск и др.).
В этих районах существенно возрастают требования к непроницаемости наружных ограждающих конструкций даже в том случае, если такие конструкции удовлетворяют требованиям эксплуатации для других довольно холодных районов.
Величина суммарной температуры не может являться постоянной, так как она зависит от скорости ветра и наружной температуры (ему сопутствующей), а также от аэродинамической обтекаемости здания, степени воздухопроницаемости ограждающих конструкций и их теплозащитных свойств.
Тем не менее эта величина является полезной при проектировании ограждающих конструкций здания, поскольку позволяет правильно установить значение сопротивления воздухопроницанию наружных ограждений и целесообразное его соотношение с сопротивлением теплопередаче.
При проектировании ограждающих конструкций многоэтажных (высоких) зданий, необходимо иметь в виду, что разность давлений для наружных ограждений нижнего этажа дополнительно возрастает за счет теплового напора (Δpt).
Тогда
где Н — высота здания; γн и γв — соответственно, объемные веса наружного и внутреннего воздуха.
Принимая k=0,7, получим [26]
Применение формулы (II.9) при значении ψ0, полученном из (11.13), показывает, что ограждающие конструкции нижней части высоких зданий должны обладать в районах с суровой зимой и сильными ветрами весьма высоким сопротивлением воздухопроницанию. При этом, особое внимание должно уделяться герметизации стыков конструктивных элементов, оконных переплетов, а также изоляции входных дверей, располагаемых не менее чем в тройных тамбурах.