Воздухопроницаемость ограждающих конструкций

Опыт эксплуатации зданий показывает, что в холодное время года большое влияние на эксплуатационные качества помещений оказывает фильтрация воздуха через ограждающие конструкции. Воздухопроницаемость обусловлена неплотностями в элементах наружных ограждений (прежде всего в межпанельных стыках, в стыках окон с панелями, неплотностями в притворах окон и дверей), пористостью материалов, наличием трещин и отверстий в строительных конструкциях.

Воздухопроницаемость или фильтрация воздуха через ограждающие конструкции имеет свои положительные и отрицательные стороны. Небольшую воздухопроницаемость ограждений с санитарно-гигиенической точки зрения принято рассматривать как положительный фактор, создающий в помещениях естественный воздухообмен и регулирующий влажностный режим ограждающих конструкций. Однако чрезмерная воздухопроницаемость ограждения крайне нежелательна, так как в зимнее время приток холодного воздуха вызывает дополнительные теплопотери, ухудшает микроклимат, снижает теплозащитные качества ограждающих конструкций, охлаждает помещения. Мероприятия по увеличению толщины конструкции или повышению температуры воздуха во избежание ухудшения теплового режима помещения приводят, в первом случае, к увеличению капитальных затрат на конструкции, а во втором – к тепловым потерям и прибавлению энергии на отопление. Вытяжка теплого воздуха через конструкцию во внешнюю среду ухудшает влажностный режим конструкции и может быть причиной повышенной конденсации водяных паров в ее толще, что вызывает множество проблем – от переувлажнения и бактериального заражения до разрушения ограждающей конструкции. Кроме того, воздухопроницаемость способствует переносу дыма, запахов, пыли и других загрязнений как извне, так и между помещениями в здании.

Фильтрация воздуха через ограждающие конструкции происходит под влиянием разности давлений воздуха на противоположных поверхностях конструкции. Разность общих давлений воздуха по обе стороны ограждения может возникнуть как под воздействием теплового напора, обусловленного разностью температур внутреннего и наружного воздуха, так и под влиянием ветрового напора.

Величина теплового напора зависит от разности температур, а также от высоты помещения или здания.

В нижней зоне здания или помещения через любые неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях происходит приток тяжелого холодного наружного воздуха внутрь помещения (инфильтрация), а в верхней зоне или в верхних этажах – удаление легкого теплого воздуха наружу (эксфильтрация). Эти явления, вызывающие естественный воздухообмен в помещении или здании, в особенности заметны при сильных морозах, когда разность температур наружного и внутреннего воздуха отапливаемых помещений особенно велика. В связи с этим сильнее всего подвержены охлаждению в холодное время комнаты первых этажей, где наблюдается наиболее активная инфильтрация.

Можно представить, что между нижней и верхней частями помещения на некоторой высоте располагается нейтральная зона – условная горизонтальная плоскость, для которой внутреннее давление в рассматриваемый момент времени соответствует внешнему, в связи с чем на уровне этой поверхности фильтрации не происходит (рис. 6.1).

Рис.6.1. Положение нейтральной поверхности в помещении

Рис. 6.2. Движение воздушного потока, огибающего здание:

– зона повышенного давления;

– зона пониженного давления.

Удельный вес холодного наружного воздуха , больше удельного веса теплого внутреннего воздуха , и величина разности давлений, возникающая под влиянием теплового напора , может быть определена по формуле:

, (6.1)

где – вертикальное расстояние рассматриваемого участка ограждающей конструкции от нейтральной поверхности, м.

Значения вычисляются и вычисляются по формулам:

; (6.2)

, (6.3)

где – расчетная температура наружного воздуха, , принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92;

– расчетная температура внутреннего воздуха, ;

– удельный вес воздуха при температуре , .

При тепловом напоре и отсутствии ветра высота расположения нейтральной поверхности над приточными проемами составляет , где Н – наибольшее расстояние между центрами приточных и вытяжных проемов (или общая высота здания). С учетом этого разность давлений, возникающая под влиянием теплового напора

. (6.4)

В холодный период года положение нейтральной поверхности в зданиях, использующих только естественную вентиляцию, смещается в верхнюю часть здания и .

В общем случае в жилых зданиях предусматривают так называемую смешанную вентиляцию, то есть одновременно естественную и механическую вентиляцию. В помещениях обычно применяются системы вентиляции двух типов: приточно-вытяжная и вытяжная. В первом случае в квартиру подается и из нее извлекается одинаковое количество воздуха, поэтому расположение нейтральной поверхности от действия вентиляции не меняется, а следовательно, и естественный воздухообмен через неплотности остается тем же. Во втором случае воздух из квартиры только удаляется. Это повышает уровень расположения нейтральной зоны, а, следовательно, влияет на воздухообмен через неплотности ограждений.

По мере увеличения перепада температур внутреннего и наружного воздуха, а также числа этажей в здании растет разность давлений, вызываемая тепловым напором.

Кроме теплового напора на интенсивность воздухопроницаемости влияет ветровой напор, который обусловливается действием на здание ветра. Разность давлений воздуха, вызываемая ветровым напором, зависит от его скорости и от аэродинамических характеристик здания. В случае бесконечно высокого препятствия, расположенного перпендикулярно направлению ветра, разность давлений воздуха по обе его стороны определяется только скоростью ветра

, (6.5)

где – удельный вес наружного воздуха, ;

– скорость ветра, ;

– ускорение свободного падения, .

В случае конечных размеров здания ветровой поток, огибая здание, создает повышенное давление с наветренной стороны здания и пониженное давление (так называемую «ветровую тень») с подветренной стороны (рис. 6.2). Перепад давления в этом случае определяется аэродинамическими коэффициентами и (для наветренного и подветренного фасадов), зависящими от формы здания и направления ветра. Аэродинамический коэффициент с наветренной стороны всегда имеет положительное значение, превышающее аэродинамический коэффициент с подветренной стороны, значение которого чаще бывает отрицательным, достигая -0,7– 0,85, следовательно, и давление на наветренную ограждающую поверхность будет больше, чем на подветренную. Для вертикальных плоских ограждений при направлении ветра перпендикулярно к их поверхности значения аэродинамических коэффициентов приближенно равны: для наветренной стороны , для подветренной . Тогда величина избыточного давления за счет ветрового напора

. (6.6)

При расчетах ветрового напора скорость ветра принимается по данным СНиП 23-01-99, равной максимальной из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более. Для типовых проектов скорость ветра принимается равной 5 .

При совместном воздействии ветра и теплового напора разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающей конструкции определяется как сумма соответствующих разностей давлений по формуле

(6.7)

Пример 6.1.

Определить разность давлений для расчета наружных ограждающих конструкций шестнадцатиэтажного жилого здания на воздухопроницаемость в климатических условиях г. Санкт-Петербурга.

Климатические данные:

расчетная средняя температура наружного воздуха ;

расчетная температура внутреннего воздуха ;

скорость ветра .

Высота здания (между центрами оконных проемов первого и шестнадцатого этажей) .

Решение

Удельные веса наружного и внутреннего воздуха определим по формулам (6.2) и (6.3):

;

.

Величину разности давлений, обусловленную тепловым напором, определим по формуле (6.4):

.

Разность давлений, обусловленную ветровым напором, определим по формуле (66):

.

Суммарная расчетная разность давлений, под воздействием которой происходит воздухопроницание,

.

Можно провести математическую аналогию между процессами теплопроводности (теплопереноса) и фильтрации воздуха (массопереноса). Воздушный поток или воздухопроницаемость G – количество воздуха в кг, проходящего через 1 м² однородной ограждающей конструкции за 1 ч.

В случае стационарного процесса воздухопроницаемости воздушный поток определяется по формуле

, (6.8)

где G – воздушный поток (воздухопроницаемость), ;

– разность давлений воздуха у наружной и внутренней поверхности, Па;

– толщина слоя, м;

i – коэффициент воздухопроницаемости.

Под коэффициентом воздухопроницаемости понимается количество воздуха в кг, проходящего через слой однородного материала толщиной 1 м и площадью 1 м² за 1 ч при разности давлений на противоположных поверхностях слоя в 1 Па.

Единицы измерения коэффициента воздухопроницаемости – .

Значения коэффициента воздухопроницаемости изменяются в широких пределах. Причиной воздухопроницаемости материалов является наличие пор, дефектов, каналов для проникновения воздуха. Воздухопроницаемость зависит от структуры материала и его влажности. Влажные материалы содержат в порах капиллярную влагу и поэтому имеют меньшую воздухопроницаемость. Некоторые плотные материалы с очень мелкими порами, однородной структурой и без трещин практически не пропускают молекул воздуха. Поэтому для таких предельно плотных материалов, как стекло, листовой алюминий, плотная керамика, многослойные рулонные кровли и др., коэффициент воздухопроницаемости практически равен нулю. В то же время, если в плотном материале имеются тончайшие трещины, иногда не различимые глазом, его воздухопроницаемость резко возрастает. Поэтому коэффициент воздухопроницаемости является гораздо менее строгим понятием, чем коэффициент теплопроводности.

При прохождении воздушного потока через слой однородного материала последний оказывает воздушному потоку сопротивление, называемое сопротивлением воздухопроницанию .

Для сплошных слоев материала сопротивление воздухопроницанию определяется по формуле

(6.9)

где и i – то же, что и формуле (6.8).

Сопротивление воздухопроницанию численно равно разности давлений воздуха на противоположных поверхностях конструктивного слоя, при которой через 1 м² слоя за 1 ч проникает 1 кг воздуха.

Единицы измерения сопротивления воздухопроницанию - .

С учетом (6.9) воздушный поток G, определяемый по формуле (6.8), равен

. (6.10)

Сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции определяется как сумма сопротивлений воздухопроницанию отдельных конструктивных слоев ограждения

, (6.11)

где – сопротивления воздухопроницанию слоев ограждающей конструкции.

Воздухопроницаемость ограждений обусловливается воздухопроницаемостью материала и проникновением воздуха через швы конструкции, трещины, щели и т.п. Она, как правило, отличается по величине от воздухопроницаемости материалов конструкции. Воздухопроницание сопряжений между отдельными элементами ограждающей конструкции часто во много раз больше воздухопроницания материалов, из которых выполнены эти элементы. Так, для каменной или кирпичной кладки более воздухопроницаемыми оказываются швы кладки, недостаточно плотно заполненные раствором. В связи с этим при расчетах воздухопроницаемости надежнее пользоваться не величинами толщины и коэффициента воздухопроницаемости материала i, а экспериментально установленными сопротивлениями воздухопроницанию отдельных конструктивных слоев. В табл.Д.1 Приложения Д приведены расчетные величины сопротивлений воздухопроницанию наиболее распространенных материалов и конструктивных элементов.

В целях устранения недопустимого охлаждения ограждающей конструкции при воздухопроницании нормами ограничивается воздушный поток, проникающий через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Нормируемая воздухопроницаемость для различных ограждающих конструкций приведена в табл. Д.2 Приложения Д.

Расчетное сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций , за исключением заполнений световых проемов, должно быть не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию (), определяемого из формулы (6.10):

. (6.12)

Нормирование сопротивления воздухопроницанию имеет целью ограничить дополнительные потери тепла, вызываемые фильтрацией воздуха через ограждающую конструкцию при расчетной разности давлений .

Следует отметить, что воздухопроницаемость ограждений в значительной степени зависит от качества выполняемых работ. При использовании в жилых и общественных зданиях стен из сборных элементов (крупноразмерных панелей, блоков) необходимо обеспечивать малую проницаемость воздуха в сты­ках и сопряжениях между сборными элементами. Так, экспериментально уста­новлено, что сопротивление воздухопроницанию стыков, заполненных обыч­ным цементным раствором, уменьшается примерно в 10 раз в течение первых 2,5 лет эксплуатации. Это объясняется образованием трещин в затвердевшем цементном камне под влиянием атмосферных воздействий и температурной де­формации. Эти процессы значительно замедляются при уплотнении стыков уп­ругими прокладками или защите иx специальными эластичными герметизи­рующими покрытиями.

Пример 6.2.

Определить из условия воздухопроницания допустимость применения в жилом доме наружной стены в виде кирпичной кладки на цементно-шлаковом растворе толщиной 0,25 м с отделкой внутренней стороны обшивкой из гипсовой сухой штукатурки толщиной 0,01 м. Стена с наружной стороны утеплена минераловатной плитой толщиной 0,14 м. Отделка наружной поверхности стены выполнена из керамических плит, закрепленных на металлических направляющих. Между плитами и утеплителем имеется вентилируемая воздушная прослойка. Расчетная разность давлений воздуха .

Сопротивление воздухопроницанию слоев конструкции принимаем по таблице Д.1 Приложения Д:

1) сопротивление воздухопроницанию кирпичной кладки на цементно-шлаковом растворе толщиной 0,25 м (1 кирпич)

;

2) сопротивление воздухопроницанию обшивки из гипсовой сухой штукатурки с заделкой швов толщиной 0,01 м

;

3) сопротивление воздухопроницанию минераловатной плиты толщиной 0,14 м

.

Фактическое сопротивление воздухопроницанию стены определим по формуле(6.11):

Нормируемая воздухопроницаемость для наружных стен жилых зданий согласно табл. Д.2 Приложения Д составляет

.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию определим по формуле (6.12)

.

Так как расчетное сопротивление воздухопроницанию меньше требуемого, рекомендуется выбрать в качестве отделочного материала для внутренней поверхности стены штукатурку известково-песчаным раствором толщиной 1,5 см, имеющую большее сопротивление воздухопроницанию, чем обшивка из гипсовой штукатурки

(табл. Д.1 Приложения Д).

B этом случае сопротивление воздухопроница­нию стены станет .

Таким образом, при данных условиях наружная стена может быть применена только при использовании плотного отделочного слоя на внутренней по­верхности.

В наибольшей степени подвержены воздухопроницанию конструкции окон и дверей. Теплофизическими особенностями светопрозрачных ограждений являются их низкие по сравнению со стенами теплозащитные качества и повышенная воздухопроницаемость, что обусловливает неравномерную инфильтрацию воздуха через неплотности оконных проемов по высоте здания. Установлено, что проникание холодного воздуха через неплотности оконных проемов снижает их теплозащиту в среднем в два раза. Наибольшая воздухопроницаемость окон, отрицательно сказывающаяся на микроклимате помещений, наблюдается в холодное время года. Струи холодного воздуха, попадая в помещение через щели окон, вызывают понижение температуры внутри помещения в первую очередь в непосредственной близости от окон, создавая там зону дискомфорта. Коэффициент воздухопроницаемости швов традиционных конструкций окон с деревянными переплетами достигает 10 . Для уменьшения их воздухопроницаемости и повышения звуко­изолирующей способности целесообразно в сопряжениях между сборными и глухими переплетами, а также в притворах дверей предусматривать уплотняю­щие упругие прокладки из резины, эластичной пористой пластмассы, пенопополиуретана, полушерстяного шнура и др., а также заделку паклей, шлаковатой и другими уплотняющими материалами зазоров между оконной коробкой и поверхностью проема.

Современное поколение наружных светопрозрачных ограждающих конструкций, выполняемых по евростандарту, обладают более низкой воздухопроницаемостью, (более герметичны) по сравнению с окнами и дверями прежнего времени, и в закрытом положении они даже в нижних этажах не только не пропускают излишнюю инфильтрацию, но и не обеспечивают нормативного воздухообмена, что позволяет при определении расхода тепла на отопление независимо от этажа принимать равномерную инфильтрацию через окна в объеме нормативного воздухообмена (с учетом приоткрывания створок окна или установки воздухопропускных клапанов). Современные окна имеют коэффициент воздухопроницаемости швов менее 0,1 . С одной стороны это позволяет значительно сократить теплопотери, но с другой стороны, самовентиляция за счёт неплотностей в окне перекрыта, а значит, и для естественного воздухообмена поставлена преграда. Поскольку в проектах зданий естественная вентиляция помещений рассчитывается в соответствии с нормами определенного притока воздуха для жизнеобеспечения людей и безопасной работы бытовых газовых приборов, то снижение воздухопроницаемости окон может привести к небезопасным последствиям. Кроме того, следствием нарушения воздухообмена является увеличение влажности в помещениях. В результате при слабой теплоизоляции стен зданий может происходит образование конденсата на внутренних частях конструкций. Таким образом, здесь вступают в противоречие сопротивление теплопередаче и сопротивление воздухопроницаемости окон, т.к., с одной стороны, современные окна должны обладать теплоизолирующими свойствами, а с другой — определенной воздухопроницаемостью. Решением этой проблемы является использование системы самовентиляции через каналы камер профилей или через встроенные в оконные блоки специальные климатические клапаны. Эффективным средством обеспечения нормального микроклимата также является регулярное проветривание жилых помещений c помощью открывания форточек (или створок).

Расчетное со­противление воздухопроницанию окон и балконных дверей жилых и общественных зданий, а также окон и фонарей производственных зданий должно быть не менее требуемого (), определяемого по формуле

, (6.13)

где – нормируемая воздухопроницаемость светопрозрачной конструкции, опpеделяeмая по табл. Д.2 Приложения Д, при ;

– расчетная разность давлений;

– разность давления воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачной конструкции, при которой определяется расчетное сопротивление воздухопроницанию .

Величину сопротивления воздухопроницанию выбранного типа светопрозрачной конструкции определяют по формуле

, (6.14)

где – воздухопроницаемость светопрозрачной конструкции при , полученная в результате сертификационных исследований;

n – показатель режима фильтрации светопрозрачной конструкции, полученный в результате сертификационных испытаний.

В случае отсутствия сертификационных данных расчетное сопротивление воздухопроницанию для различных конструкций окон с деревянными переплетами и с различными типами уплотняющих прокладок допускается принимать по табл. 6.1.

Пример 6.3.

Определить из условия воздухопроницания допустимость применения окон с двойным остеклением в пластмассовых раздельных переплетах в жилом двенадцатиэтажном доме высотой 34 м в г. Тамбове. Согласно сертификату воздухопроницаемость оконного блока при равна , показатель режима фильтрации n = 0,55.

Климатические данные:

расчетная средняя температура наружного воздуха ;

расчетная температура внутреннего воздуха ;

скорость ветра .

Высота здания (между центрами оконных проемов первого и двенадцатого этажей) .

Решение

Удельные веса наружного и внутреннего воздуха определим по формулам (6.2) и (6.3):

;

.

Величину разности давлений, обусловленную тепловым напором, определим по формуле (6.4):

.

Разность давлений, обусловленную ветровым напором, определим по формуле (6.6):

.

Суммарная расчетная разность давлений на наружной и внутренней поверхностях окна на уровне пола первого этажа здания, под воздействием которой происходит воздухопроницание

.

Фактическое сопротивление воздухопроницанию оконного блока определим по формуле (6.14):

.

Нормируемая воздухопроницаемость окон жилых зданий в пластмассовых переплетах согласно табл. Д.2 Приложения Д составляет

.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон определим по формуле (6.13)

.

Таким образом, при данных условиях выбранная конструкция окна может быть применена.

Пример 6.4.

Подобрать конструкцию уплотнения деревянных переплетов, обеспечивающую требуемое сопротивление воздухопроницанию окон. Окна приняты по условиям теплозащиты с двойным остеклением в деревянных раздельных переплетах. Расчетная разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях окна 24,4 Па.

Решение

Нормируемая воздухопроницаемость окон жилых зданий в деревянных переплетах согласно табл. Д.2 Приложения Д составляет

.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон определим по формуле (6.13)

.

По табл. 6.1 для обеспечения условия принимаем уплотнение двух переплетов пенополиуретановыми прокладками .

Таблица 6.1

Сопротивление воздухопроницанию заполнений световых проемов

Заполнение светового проема	Число уплотнений притворов заполнения	Сопротивление воздухопроницанию , (при ) заполнений световых проемов с деревянными переплетами с уплотнением прокладками из
пенополи-уретана	губчатой резины	полушерс-тяного шнура
Одинарное или двойное остекление в спаренных переплетах		0,26	0,16	0,12
Двойное остекление в раздельных переплетах		0,29 0,38	0,18 0,26	0,13 0,18
Тройное остекление в раздельно-спаренных переплетах		0,30 0,44 0,56	0,18 0,26 0,37	0,14 0,20 0,27

Дата добавления: 2015-05-26