Строительная теплофизика (стр. 9 из 9)
Так как гравитационное и ветровое давления независимы друг от друга, для нахождения полного давления наружного воздуха Рнар на здание, их складывают:
(2.51)За условный ноль давления Русл, Па, по предложению В.П. Титова [35] принимается абсолютное давление на подветренной стороне здания на уровне наиболее удаленного от поверхности земли элемента здания, через который возможно движение воздуха (верхнее окно подветренного фасада, вытяжную шахту на кровле).
, (2.52)гдеcз - аэродинамический коэффициент, соответствующий подветренной стороне здания;
Н - высота здания или высота над землей верхнего элемента, через который возможно движение воздуха, м.
Тогда полное избыточное давление Рн, Па, формирующееся в наружном воздухе в точке на высоте h здания, определяется по формуле:
(2.53)На рис.10 показаны эпюры гравитационного Ргр, и ветрового Рветр давлений и уровень, на котором принят условный ноль давления Русл.
В каждом помещении создается свое полное избыточное внутреннее давление, которое складывается из давления, сформированного различным давлением на фасадах здания Рв, Па, и гравитационного давления Ргр, в, Па.
Так как в здании температура воздуха всех помещений приблизительно одинакова, внутреннее гравитационное давление зависит только от высоты центра помещения h:
(2.54)где rв- плотность внутреннего воздуха, кг/м3.
Рис.10. Формирование воздушных потоков в многоэтажном здании с естественной вентиляцией
Для простоты расчетов внутреннее гравитационное давление принято относить к наружному давлению со знаком минус
(2.55)Этим за пределы здания выносится переменная гравитационная составляющая, и поэтому полное давление в каждом помещении становится постоянным по его высоте.
Плотность воздуха ρ, кг/м3, может быть определена по вытекающей из (2.33) формуле:
, (2.56)где t- температура воздуха.
Величины внутреннего полного избыточного давления Pв для одинаково ориентированных помещений одного этажа могут различаться в силу того, что для каждого помещения формируется свое значение внутреннего давления. Определение внутренних давлений в помещениях является задачей полного расчета воздушного режима здания [6], который довольно трудоемок. Но для упрощения расчета внутреннее давление Pв принято приравнивать к давлению в лестничной клетке.
Существуют упрощенные методы расчета внутреннего давления в здании. Наиболее распространен расчет, справедливый для зданий с равномерно распределенными окнами на фасадах, когда за условно постоянное внутреннее давление в здании принимается полусумма ветрового и гравитационного давления по выражению
(2.57)Второй, более громоздкий способ расчета величины Pв, Па, предложенный в [36], отличается от первого тем, что ветровое давление усредняется по площадям фасадов. Выражение для внутреннего давления при рассмотрении одного из фасадов в качестве наветренного принимает вид:
, (2.58)гдеcн, cб, cз - аэродинамические коэффициенты на наветренном, боковом и подветренном фасадах;
Aн, Aб, Aз - площади окон и витражей на наветренном, боковых и подветренном фасадах, м2.
В расчетах теплопотерь учитывается, что каждый фасад может быть наветренным. Следует обратить внимание на то, что величина внутреннего давления Pв, принимаемая по (2.58), получается различной для каждого фасада. Эта разница тем заметнее, чем больше отличается плотность окон и витражей на различных фасадах. Для зданий с равномерным распределением окон по фасадам величина Pв, приближается к получаемой по (2.57). Таким образом, использование формулы (2.58) для расчета внутреннего давления оправдано в случаях, когда распределение световых проемов по фасадам явно неравномерно или когда рассматриваемое здание примыкает к соседнему, или один фасад либо его часть не имеют окон совсем.
Разность наружного и внутреннего давлений по разные стороны ограждения на наветренном фасаде на любой высоте h с учетом формулы (2.55) равна:
(2.59)Разность давлений ∆P для окон одного фасада разных этажей будет отличаться только величиной гравитационного давления (первое слагаемое), зависящего от разности Н-h отметок верхней точки здания, принятой за ноль отсчета, и центра рассматриваемого окна. На рис.13 показана картина распределения потоков в здании со сбалансированной вентиляцией
2.3.3 Воздухопроницаемость строительных материалов
Строительные материалы в основной своей массе являются пористыми телами. Размеры и структура пор у различных материалов неодинакова, поэтому воздухопроницаемость материалов в зависимости от разности давлений проявляется по-разному.
На рис.11 показана качественная картина зависимости воздухопроницаемости G от разности давлений ΔР для строительных материалов, приведенная К.Ф. Фокиным [38].
Рис.11. Влияние пористости материала на его воздухопроницаемость.1 - материалы с равномерной пористостью (типа пенобетона); 2 - материалы с порами различных размеров (типа засыпок); 3 - маловоздухопроницаемые материалы (типа древесины, цементных растворов), 4 - влажные материалы.
Прямолинейный участок от 0 до точки а на кривой 1 свидетельствует о ламинарном движении воздуха по порам материала с равномерной пористостью при малых значениях разности давлений. Выше этой точки на криволинейном участке происходит турбулентное движение. В материалах с разными размерами пор движение воздуха турбулентно даже при малой разности давлений, что видно из кривизны линии 2. В маловоздухороницаемых материалах, напротив, движение воздуха по порам ламинарно и при довольно больших разностях давлений, поэтому зависимость G от ΔР линейна при любой разности давлений (линия 3). Во влажных материалах (кривая 4) при малых ΔР, меньших определенной минимальной разности давлений ΔРмин, воздухопроницаемость отсутствует, и лишь при превышении этой величины, когда разность давлений окажется достаточной для преодоления сил поверхностного натяжения воды, содержащейся в порах материала, возникает движение воздуха. Чем выше влажность материала, тем больше величина ΔРмин.
При ламинарном движении воздуха в порах материала справедлива зависимость
, (2.60)где G- воздухопроницаемость ограждения или слоя материала, кг/ (м2. ч);
i- коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/ (м. Па. ч);
δ - толщина слоя материала, м.
Коэффициент воздухопроницаемости материала аналогичен коэффициенту теплопроводности и показывает степень воздухопроницаемости материала, численно равную потоку воздуха в кг, проходящему сквозь 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте давления, равном 1 Па/м.
Величины коэффициента воздухопроницаемости для различных строительных материалов отличаются друг от друга значительно.
Например, для минеральной ваты i≈ 0,044 кг/ (м. Па. ч), для неавтоклавного пенобетона i≈ 5,3.10-4 кг/ (м. Па. ч), для сплошного бетона i≈ 5,1.10-6 кг/ (м. Па. ч),
При турбулентном движении воздуха в формуле (2.60) следует заменить ΔР на ΔРn. При этом показатель степени n изменяется в пределах 0,5 - 1. Однако на практике формула (2.60) применяется и для турбулентного режима течения воздуха в порах материала.
В современной нормативной литературе не применяется понятия коэффициент воздухопроницаемости. Материалы и конструкции характеризуются сопротивлением воздухопроницанию Rи, кг/ (м. ч). при разности давлений по разные стороны ∆Ро=10 Па, которое при ламинарном движении воздуха находится по формуле:
, (2.61)где G- воздухопроницаемость слоя материала или конструкции, кг/ (м2. ч).
Сопротивление воздухопроницанию ограждений в своей размерности не содержит размерности потенциала переноса воздуха - давления. Такое положение возникло из-за того, что в нормативных документах [30, 32] делением фактической разности давлений ∆P на нормативное значение давлений ∆Po=10 Па, сопротивление воздухопроницанию приводится к разности давлений ∆Po= 10 Па.
В [32] приведены значения сопротивления воздухопроницанию для слоев некоторых материалов и конструкций.
Для окон, в неплотностях которых движение воздуха происходит при смешанном режиме, сопротивление воздухопроницанию, кг/ (м. ч), определяется из выражения:
, (2.62)Вопросы для самоконтроля
1. Что такое воздухопроницаемость материала и ограждения?
2. Что такое воздухопроницание?
3. Что такое инфильтрация?
4. Что такое эксфильтрация?
5. Какая количественная характеристика процесса воздухопроницания названа воздухопроницаемостью?
6. Через какие два типа неплотностей осуществляется фильтрация воздуха в ограждениях?
7. Какие три вида фильтрации существует, по терминологии Р.Е. Брилинга?
8. Что является потенциалом воздухопроницания?
9. Какие две природы формируют разность давлений на противоположных сторонах ограждения?
10. Что такое коэффициент воздухопроницаемости материала?
11. Что такое сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции?
12. Напишите формулу для определения сопротивления воздухопроницанию при ламинарном движении воздуха через поры материалов конструкции.
13. Напишите формулу для определения сопротивления воздухопроницанию окна.