Проектирование теплозащиты зданий.

Проектирование теплозащиты зданий.
Т.С.Роджерс
1964 г.


ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .................. 3

Глава 1 Шесть условий, определяющих теплотехнические свойства зданий

Глава 2. Комфорт помещений.............. 11
Микроклимат помещения.............; , , , .
Нормы комфорта................... 12
Критерии комфорта..................
Зимний комфорт у остекленных поверхностей....... 15
Значение остекленных поверхностей в летнем комфорте..... 16

Глава 3. Влияние климата и местности на выбор конструкции здания 17
Факторы, влияющие на конструктивные решения теплозащиты ...
Климатические зоны США................. 18
Отопительные градусо-дни................
Расчетная разность температуры для зимы.......... 19
Скорость ветра.................. 20
Расчетная разность температуры а летние месяцы ..... 22
Поступление тепла через непрозрачную часть стен и покрытии ...
Теплоемкость ограждающих конструкций......... 25
Влияние цвета ................. 27
Эквивалентные разности температур............. 29
Градусо-дни охлаждения . . .............
Излучение тепла покрытием в ночное время .......... З0

Глава 4. Теплопроводность строительных материалов 32
Термические сопротивлении элементов строительных конструкций . .
Типы строительных теплоизоляционных материалов....... 33
Воздушные прослойки .... .........
Теплоизоляция по поверхности конструктивных материалов .... 36
Теплоизоляторы для заполнения конструкций ........ 38
Теплоизоляторы в виде матов и засыпок ..........

Глава 5. Методы устранения конденсации водяного пара в конструкциях
Источники влаги....."..............
Источники пара при зимней конденсации в эксплуатируемом здании . 13
Практические шути предотвращения конденсации пара..... 44
Допустимая относительная влажность воздуха в помещении . . . . 46
Удаление лишней влаги................ 49
Когда и как применяется пароизоляция........... 50
Методы вентилирования стеновых конструкций....... 52
Устранение конденсации пара в покрытиях и перекрытиях .... 54
Применение материалов, поглощающих влагу.......... 56
Металлические включения................ 57
Безопасные допуски ....... ....... 59

Глава 6. Стоимость улучшенной теплозащиты ..... 62
Сопоставление стоимости ограждающих конструкций и оборудования здания ....................
Условие уменьшения времени окупаемости .......... 63
Принцип наибольшей экономической эффективности....... 64
Новое толкование диаграммы для определения экономичной толщины изоляции ...................
Упрощенные методы экономической оценки теплозащиты .... 66
Капитальные вложения на системы отопления и кондиционирования воздуха .................... 67
Эксплуатационные годовые затраты ............. 68
Отчисления на вложенный капитал ............. 69
Сравнение экономичности теплозащиты по годовым эксплуатационным затратам ................... 70

Глава 7. Проектирование теплозащиты покрытий и потолков . 71
Цвет и отделка кровли ................ —
Температурные напряжения и температурные перепады в покрытиях . 73
Водоналивные и орошаемые покрытия '............ 74
Влияние подвесных потолков на работу покрытий ....... 76
Проблемы увлажнения покрытий............. 80
Таблицы для определения теплозащиты типовых покрытий и стен . . 81

Глава 8. Проектирование теплозащиты стен и полов
Улучшение теплозащиты стен............... 114
Температурные напряжения в стенах......... 115
Охлаждаемые воздухом стены............ 116
Подвесные стеновые панели, облицованные металлом пли кирпичом ........ ............ —
Дополнительные потери тепла............ 117
Таблицы для оценки теплозащиты стен........ 118
Улучшение теплозащиты полов..........., , , 119
Температура грунта ................ 123
Таблицы для оценки теплозащиты пола........ —

Глава 9. Проектирование теплозащиты остекленных поверхностей 141
Стекло как ловушка солнечного тепла.......... —
Выбор отношения площадей остекленных и непрозрачных поверхностен стен . ................... 145
Ориентация остекленных поверхностей.......... 146
Типы стекол и остеклений ................ —
Внутренние затеняющие устройства для окон........ И»
Наружные затеняющие устройства............ 151
Инфильтрация воздуха через оконные переплеты....... 156

Глава 10. Проектирование теплозащиты жилых зданий . . 157
Оптимальный вариант проекта.............. —
Крыши и потолки................... 158
Стены и другие вертикальные поверхности......... 161
Стены ниже уровня грунта и подвальные помещения..... 162
Перекрытия над неотапливаемыми помещениями........ 163
Бетонные полы на грунте ............... 164
Максимальные потери тепла жилым зданием........ —
Предотвращение конденсации.............. 165
Предотвращение оседания пыли.............. 171
Дома, проектируемые с кондиционированием воздуха...... 173
Установление наиболее экономичного варианта проекта ...... 176

Глава 11. Проектирование теплозащиты зданий специальном назначения .................. 178
Сооружения, предназначенные для эксплуатации при низкой температуре внутри помещения......... ...... . —
Термические расширения элементов конструкций..... 179
Ограничение теплопоступлений .......... 181
Типы «низкотемпературной» теплоизоляции...... —
Экономичность теплоизоляции ............ 182
Расположение пароизоляционного барьера...... —
Эффективность пароизоляционного барьера...... 183
Конструкция пола........ ..... 184
Традиционные конструкции стыков покрытий со стенами . . 186
Сушка и первый пуск холодильника........ 188
Предложения по улучшению проектов холодильников . . . 169
Здания с высокой влажностью ............. 192
Влияние коэффициента теплообмена........ —
Влияние внутренней отделки по пароизоляции ..... 194
Отделки, сорбирующие влагу.......... 195
«Мосты холода» в конструкциях.......... 196
Здания с циклическими изменениями внутренних условий ..... 197
Изменения температуры.............. 198
Изменения влажности воздуха............ —

Глава 12. Техника расчета теплозащиты . . . .... 200
1. Теплопроводность (с) и коэффициент теплопередачи (k) 201
2. Температура на внутренней поверхности конструкции .... 202
3. Температура внутри конструкции............. 203
4. Сопротивление теплопередаче конструкции, при котором устраняется возможность конденсации пара на пароизоляционном барьере . . —
5. Допустимая относительная влажность воздуха на пароизоляционном барьере................. .
6. Проверка возможности конденсации пара в конструкции . • • -^
7. Теплопотери здания................. 205
8. Теплопотери с инфильтрацией воздуха......... 206
9. Теплопоступления через непрозрачные конструкции общественных зданий .................... —
10. Теплопоступления в общественные здания через остекленные поверхности .................... 207
11. Теплопоступления через вентилируемый чердак . . . ... 208
12. Теплопоступления в жилые здания....... 209
Приложение. Нормы теплоизоляции зданий........... 211
Литература.................... 216
Предметный указатель.........,,,,,,.,.


ПРЕДИСЛОВИЕ

Аналогичной книги нет ни у нас, ни в других странах, хотя речь в ней не всегда о чем-то новом. Читатель не найдет здесь теории, а порой и физики процесса охлаждения или нагрева, увлажнения или сушки зданий. Зато он получит практические рекомендации, как обеспечить комфорт в здании зимой и летом.
Обращаясь к проектировщикам зданий, автор книги говорит:
«Один час, затраченный на ознакомление с книгой и сжато выраженными конечными данными в 14 таблицах для покрытий, стен и полов, сэкономит часы вашего времени и избавит от многих утомительных вычислений при главных конструктивных решениях, определяющих эксплуатационные качества здания, за которые вы непосредственно ответственны как проектировщик».

Читатель найдет в книге ответ, как достигнуть комфортных условий с наименьшими затратами средств на сооружение и эксплуатацию здания, как сохранить его долговечность устранением конденсации паров влаги в конструкциях и устранением вредных термических деформаций в них. Книга особенно полезна конструкторам на стадии проектного задания или эскизного проектирования. Необходимость вычислений сведена к минимуму.
Наиболее важное достоинство книги — в совместном рассмотрении тепло- и пароизоляции, отопления, кондиционирования воздуха и вентиляции зданий. И все это подчинено одной цели: обеспечению комфорта при наименьших затратах средств. Прогрессивность взглядов автора в том, что теплозащита должна быть органической, неотъемлемой частью конструкции здания и решаться на стадии проектного задания, а не тогда, когда уже разработан проект.
Количественную оценку условий комфорта зимой и летом автор дает на основе анализа истории развития ограждающих конструкций. Он приходит к заключению, что при разнице температур между воздухом в помещении и внутренней поверхностью ограждения большей 5° наблюдается дискомфорт.
Комфортные условия наилучшим образом обеспечиваются, когда эта разница около 3°. Разумеется, что и температура воздуха внутри помещения при этом должна быть в установленном интервале для людей разного возраста и занятий. Соответственно этим условиям даются и допустимые величины коэффициента теплопередачи. Например, при расчетной зимней температуре, равной —23СС, коэффициент теплопередачи не должен превышать 0,73 ккал1м2: ч • град. Действующими у нас нормативами допускаются большие потери тепла зданием.
Для поверхностей из обычного стекла величина коэффициента теплопередачи намного больше; окна всегда причина дискомфорта зимой и летом. Применение теплоизоляционного стекла позволяет поднять температуру на внутренней поверхности стекла в помещениях. Зимой рекомендуется также применять шторы или обдувать окна теплым воздухом. Летом комфорт достигается внутренними и наружными затеняющими устройствами, а в последнее время — применением теплоизоляционных стекол.
Новые данные для проектирования теплозащиты остекленных поверхностей — наиболее важное отличие книги от других по рассматриваемой проблеме. В последние десятилетия процент остекленных поверхностей в США по меньшей мере удвоился. Появились уникальные здания с ограждениями почти полностью из стекла. Летом ограждения из обычного стекла пропускают 80% солнечной радиации. Поэтому теплопоступления через них в 10 и более раз превышают теплопоступления через непрозрачные ограждения. Зимой остекленные поверхности также основная причина дискомфорта. Вот почему автор отводит должное место рекомендациям по проектированию теплозащиты светопрозрачных проемов.
Потребность в охлаждении летом зависит в большой степени от ориентации окон. Наименьшие поступления тепла от солнца происходят через окна северной и южной ориентации. В книге приводятся фактические величины солнечной радиации, прошедшей в июне и сентябре через окна разной ориентации из обычного и теплоизоляционного стекла, с затеняющими средствами и без них для 30—40° северной широты. Также приводятся величины коэффициентов теплопередачи для зимы и лета через одинарное и двойное остекление, из обычного и теплоизоляционного стекла и из полых стеклянных блоков.
В книге уделяется внимание как защите от охлаждения и увлажнения конструкций зимой, так и от перегрева их летом. Поэтому рассмотрены разные средства теплозащиты зданий: теплоизоляция, воздушные прослойки, вентилируемые и невентилируемые, вентиляция конструкций, затеняющие устройства, водоналивные и орошаемые покрытия. Автор при этом многократно подчеркивает преимущества теплоизоляции перед другими средствами теплозащиты.

Установленный стандартом США уровень теплоизоляции для жилых зданий меньше экономически самого выгодного. Поэтому показано, как определить наиболее выгодные в экономическом отношении толщины теплоизоляции или коэффициенты теплопередачи конструкций. С целью упрощения расчетов даются 14 таблиц с показателями для типовых конструкций стен, покрытий, скатных крыш, перекрытий и полов. Для сравнения экономического эффекта берутся только конструкции, обеспечивающие требуемые условия комфорта.
Для применения результатов экономических расчетов в наших условиях следует учесть ряд дополнительных факторов. Сюда относится разница в стоимости отопительного и холодильного оборудования, местные цены на ограждающие конструкции, этажность зданий массовых застроек, централизованное снабжение теплом и холодом. Без таких поправок данные упомянутых таблиц позволяют приближенно определить, в каком интервале изменения коэффициента теплопередачи следует искать его наиболее экономичную величину.
Автор отмечает, что можно получить экономию в 25% топлива, потребляемого для отопления помещений, или 10% всего национального потребления США, если обеспечить хорошие тепловые качества зданий. При этом имеется в виду обеспечение желаемого комфорта при наименьших ежегодных затратах, включая стоимость топлива на отопление и энергию на охлаждение зданий. Этого можно достигнуть, одновременно сократив капитальные вложения, если принять теплотехнически правильное решение до того, как здание окончательно запроектировано.
Следует, однако, постоянно иметь в виду, что теплозащитный эффект конструкций сильно падает с их увлажнением, например в результате конденсации пара. Автор считает, что для всех отапливаемых или кондиционируемых зданий обязательно проектировать пароизоляционный барьер. Зимой он служит для устранения конденсации, а летом способствует поддержанию комфортного уровня влажности в помещении. Когда почему-либо нельзя применять пароизоляцию, рекомендуется проектировать вентилируемые конструкции и применение сорбирующих влагу штукатурок.
Пароизоляция ограждающих конструкций жилых зданий стандартизована в США в той же мере, как и вентиляция совмещенных покрытий и крыш с чердаками.
Известно, насколько сложны точные расчеты теплопоступлений летом через непрозрачные ограждения. В американской практике расчета нагрузок на установки по кондиционированию воздуха введена вспомогательная величина — эквивалентная разность температур. Ею учитываются теплофизические свойства конструкций, их ориентация по странам света и окраска поверхности, интенсивность солнечной радиации и другие факторы, определяющие нестационарный теплообмен через конструкции. Для получения теплопоступлений эта разность температур умножается на коэффициент теплопередачи. Значения эквивалентной разности температур приводятся в этой книге для некоторых типовых конструкций. Они справедливы для 0— 50° северной и южной географических широт.
Попытка свести расчет нестационарного потока тепла к расчету в случае стационарного теплообмена может дать лишь приближенные величины тепловых потоков в помещение. Однако такой прием здесь можно оправдать не только достигаемым максимальным упрощением. Дело в том, что теплопоступления через непрозрачные конструкции малы в сравнении с другими теплопоступлениями. Они меньше 5% при 25% остекления площади фасадов и около 2%, когда площадь остекления занимает 75% площади фасадов, тогда как теплопоступлеиия через окна в первом случае составляют больше 30%, а во втором около 60% всех теплопоступлений (от людей, освещения, оборудования и других источников).
Надо отметить еще одно достоинство книги. В ней рассмотрены особенности теплозащиты и в частности пароизоляции холодильников, зданий с высокой относительной влажностью и сооружений с переменными условиями внутреннего климата.
В отношении пароизоляции холодильников, когда преобладает постоянно одно направление водяного пара, существует единое мнение о необходимости наилучшего, экономически оправдываемого пароизоляционного барьера на теплой стороне ограждения. В последнее время для этой цели стали применять полиэтиленовую пленку большой ширины, чтобы уменьшить количество швов. Отделка на холодной стороне должна быть паропроницаемой (портландцементная штукатурка, перфорированные асбоцементные листы). О пароизоляции при переменном направлении пара пет единого мнения. В сухом холодном климате удовлетворительные результаты получены, когда совсем нет пароизоляции. Имеются указания на возможность других решений по установке пароизоляции: в толще теплоизоляции, с одной и даже с обеих сторон ограждения. Между тем автор книги неоднократно подчеркивает вред от применения двух пароизоляционных барьеров, чтобы избегнуть образования ловушки для водяного пара.
Заслуживает внимания предложение автора о двойных ограждающих конструкциях для холодильных сооружений. Первая конструкция служит экраном, защищающим от солнца и дождя. Этим снимается вопрос о разрушении паро- и теплоизоляции от термических изменений конструкций, обеспечивается удобное производство работ, тщательность выполнения пароизоляционного барьера и возможность его осмотра в любое время. Пространство между ограждающими конструкциями вентилируется.

Само собой разумеется, что приведенные в книге рекомендации реализуются только тогда, когда фактические величины коэффициента теплопередачи или термического сопротивления равны проектируемым. Известно, что порой в жизни наблюдаются отклонения от проектируемых условий в результате неучтенных инфильтрации через щели в окнах и дверях, теплопроводных включений в конструкции, влияния стыков и углов, увлажнения от конденсации пара или косыми дождями. Автор часто напоминает об этом.
Книга не лишена недостатков.
В рекомендациях по теплозащите автор не вводит поправок на высоту здания, особенности его в плане, на наличие, например, лоджий. Конспективно описаны солнцезащитные средства и теплоизоляционные конструкции, в частности из алюминиевой фольги. Нет ссылок на опыт других стран. Приводя примеры приближенных расчетов, автор не упоминает о более точных методах расчета теплообмена и влагообмена в конструкциях.
Каждому (мероприятию по теплозащите зданий автор дает сравнительную экономическую оценку. Однако применять ее не следует без корректировки и без учета факторов, свойственных нашим условиям, связанных с благоустройством территории массовой застройки, организацией коммунально-бытовых помещений в крупных зданиях, централизованного теплоснабжения и пр.
Ссылками на литературу в подстрочных примечаниях мы пытались помочь читателю войти в курс состояния вопроса в СССР и других странах. В нашем дополнении («Нормы теплоизоляции зданий») читатель найдет данные о допустимых потерях тепла зданиями в странах с разными климатическими условиями. В перечень литературы включены названия известных нам теплотехнических норм других стран.