17 Июль 2016

 

А.К. ГОНЧАРОВ, канд. техн. наук, М.А. ХОТЕЕВА, А.Н. ПОЛЯНСКИЙ, инженеры, Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона (Москва)

 

В связи с проектированием и строительством высотных зданий в Москве возникает необходимость в разработке новых методов расчета ограждающих конструкций зданий, так как с увеличением высоты зданий физические процессы в наружных ограждающих конструкциях, такие как теплопередача и массоперенос пара и воздуха, должны интенсифицироваться под влиянием разности барометрических давлений воздуха в помещении и окружающей среде. Процессы инфильтрации и эксфильтрации проходят наиболее интенсивно в зимний период года. Отсутствие подобных расчетов при разработке проекта может привести к созданию дискомфортных условий в помещениях многофункциональных высотных зданий и появлению дефектов в наружных ограждающих конструкциях.

 

Математически разность барометрических давлений воздуха в первом приближении можно вычислять по формуле, приведенной в СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий»:

Δр = 0,55Н(γн−γв)+0,03γнυ2.

 

Практически разность давлений воздуха в высотных зданиях в Москве может составлять порядка 40 Па и более, однако и эта величина оказывает существенное воздействие на интенсивность изменения влагосодержания наружных стен. Особое место в высотных зданиях занимают лифтовые шахты и лестничные блоки, выходящие на кровлю. Скорости восходящих воздушных потоков в таких вертикальных полостях могут быть выше среднемесячных значений скорости воздуха. При этом может возникнуть необходимость выполнять теплотехнические расчеты внутренних стен, выходящих к лестничным блокам и лифтовым шахтам, и в ряде случаев теплотехнические требования к внутренним стенам могут превышать требования для наружных стен. Размещение на верхних этажах здания зимних садов, спортивных залов, бассейнов, ресторанов и т. д. со своими санитарными и санитарно-эпидемиологическими и климатическими требованиями внутри общей фасадной системы естественным образом приводит к необходимости введения понятия климатического блока и проведения теплофизических расчетов внутри жилого комплекса. Требования к точности расчета микроклимата помещений высотных зданий должны возрасти, так как рекомендуемые в настоящее время в строительных нормах теплотехнические методы расчета ограждающих конструкций основаны в первой половине ХХ в. на стационарных методах. Эти методы: не в полном объеме предлагают решения суточного и сезонного влияния климатического воздействия на изменение тепловлажностного состояния наружных ограждающих конструкций, и, как следствие, при проектировании жилых комплексов высотных зданий авторы проекта вынуждены решать этот вопрос, основываясь часто на эмпирическом опыте. Для повышения точности теплофизических расчетов наружных стен нами был разработан математический алгоритм и программа нестационарного переноса пара в однослойной стене под влиянием разности парциального давления пара и разности барометрического давления воздуха, которые учитывают влияние начального влагосодержания на сезонный влажностный режим наружных стен в первые годы эксплуатации здания.

 

При составлении алгоритма по расчету влажностного режима однослойных наружных стен высотных многофункциональных зданий, эксплуатирующихся в районах с продолжительным зимним периодом, были положены в основу следующие процессы и физические закономерности.

  1. Теплопередача через стены осуществляется путем теплопроводности по закону Фурье, решение уравнения осуществляется для одномерного случая в стационарном режиме с граничными условиями III рода для каждого месяца года.
  2. Фильтрация смеси водяного пара и воздуха через стены из твердых пористых строительных материалов происходит в ламинарном режиме по закону Дарси, задача решается для одномерного случая с граничными условиями I рода для каждого месяца года.
  3. Задача об изменении начального влажностного и сезонного влажностного состояния наружных стен решается на основе рассмотрения нестационарного процесса диффузии пара через пористое тело по закону Фика и стационарного, для каждого зимнего месяца, процесса фильтрации воздуха по закону Дарси с учетом молярного содержания водяных паров в объеме движущегося воздуха; при этом молярное содержание водяных паров в единице объема воздуха (смеси воздуха и пара) заменяется выражением n1/N = е/р, где n1/N — молярная доля одного компонента n1 в общем количестве молей смеси N; е — парциальное давление паров; р — барометрическое давление воздуха.

 

Изменение влагосодержания в стене происходит за счет изменения потоков водяного пара, а также конденсации или испарения влаги в сорбционном материале стены, для чего в расчет привлекаются соответствующие экспериментальные данные по сорбционным характеристикам материала стен (кривые сорбции и десорбции).

 

Процесс вычислений производится разностным методом. В основу вычислений положена разностная схема с интервалами по времени Δt и разбивкой толщины стены на условные слои толщиной Δx. Процесс движения воздуха и пара осуществляется через наружную стену толщиной h, разбиваемую на n условных слоев, в центре которых вычисляются средние значения температуры и барометрического давления за каждый холодный месяц года. Величина парциального давления пара в каждом слое зависит от температуры слоя и содержания влаги в этом слое. Если пористый стеновой материал обладает сорбционными свойствами, то парциальное давление пара при влажности материала ниже максимального сорбционного влагосодержания определяется с помощью сорбционной или десорбционной кривой (в программе эти данные закладываются в табличной форме). При влажности материала выше максимального сорбционного содержания при относительной влажности 100% величина парциального давления e приравнивается к величине максимальной упругости пара Е при известной температуре воздуха в данном слое. В программе задается начальное влагосодержание в каждом слое. Таким образом, при известном распределении по толщине стены температуры, давлении воздуха, влагосодержании, данных о сорбционных свойствах материала, при известных данных о максимальной упругости пара при разных температурах вычисляются величины парциального давления водяного пара в центре каждого условного слоя. Диффузионный поток пара от одного слоя к соседнему вычисляется известным уравнением:

sm_07_05-1

где μ — коэффициент паропроницаемости материала; Δх — толщина условного слоя стены.

 

Молярный поток пара q2 к соседнему слою (за счет потока воздуха с содержанием пара е/p) выражается уравнением:

sm_07_05-2

где G — коэффициент воздухопроницаемости; Δр — разность давлений воздуха между соседними слоями; р — барометрическое давление воздуха в слое.

 

Суммарный поток пара q = q1 + q2.

 

Разность потоков пара Δq за интервал времени Δτ равна абсолютной величине изменения влаги в слое.

 

Граничные условия для переноса пара в стене приняты I рода.

 

Изложенное выше было взято за основу программы расчета на языке Delphi, которая была отлажена на численном примере, приведенном ниже: район — Москва; административное здание (tв = 20oC, ϕв = 40%); наружные стены толщиной 40 см из газобетона (γ= 600кг/м3).

 

sm_07_05-88
Рис. 1. Начальное распределение весовой влажности по толщине стены в сентябре

 

sm_07_05-89

Рис. 2. Зависимость распределения весовой влажности по слоям стены на конец сентября следующего года: 1 — экфильтрация, 2 — диффузия; 3 — инфильтрация

 

sm_07_05-90

Рис. 3. Изменение средней весовой влажности стены в течение 12 месяцев: 1 — экфильтрация, 2 — диффузия; 3 — инфильтрация

 

Начальная средняя по толщине стены весовая влажность принята равной 19%, начало эксплуатации здания — конец сентября, разность барометрического давления равна 13,33 Па и постоянна для холодного периода года, численные значения теплофизических характеристик газобетона взяты на основе экспериментальных данных. Стена разделена на 10 слоев, графики распределения влажности представлены на рис. 1—3.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»