Если источники тепла, связанные с функциональным процессом, протекающим в помещении, практически мало заметны, основное растространение тепла в холодный период года происходит от отопительных приборов и в этом случае носит достаточно определенный характер. Ограниченная интенсивность источников тепла и влаги (или даже практическое их отсутствие) характерна для жилых и общественных зданий.
Наиболее явно выраженные выделения тепла и влаги характерны для соответствующих производственных помещений.
Если источники тепла и влаги многочисленны и плотно распределены на значительной части площади помещения, а количество выделений сравнительно мало, то распространение тепла и влаги в объеме помещения относительно равномерно и происходит по беспорядочному пути (диффузное), что характерно, например, для станочных, прядильных, ткацких, электролизных и других аналогичных цехов.
При расположении источников интенсивных выделений тепла только на отдельных участках происходит распространение тепла и влаги в виде струй, что характерно для сталеплавильных, красильных и других цехов.
При диффузном распространении изменения температур и влажности воздуха по объему помещения относительно невелики; если выделения тепла и влаги постоянны во времени, то значения температуры и влажности воздуха помещения зависят главным образом от естественного воздухообмена и действия отопительно-вентиляционных устройств. При ограниченном объеме и высоте таких помещений для целей проектирования ограждающих конструкций могут быть использованы в качестве расчетных средние значения температуры и влажности внутреннего воздуха.
По высоте помещений с диффузным распространением тепла обычно отмечается некоторое повышение температуры (положительная величина температурного градиента), если только из верхней зоны под покрытием не происходит интенсивного и достаточно постоянного удаления воздуха (например, с помощью аэрационных фонарей).
При струйном распространении тепла, происходящем обычно в турбулентном режиме, высокая температура в пределах струи постепенно уменьшается с высотой, по мере удаления от источника тепла (т. е. внутри струи имеет место отрицательный градиент температуры). В объеме помещения между отдельными струями (или за пределами струи) температура на много ниже, чем в пределах струи. Однако при высоте помещения меньшей, чем распространение струи по вертикали, градиент температуры обычно положителен, что объясняется возрастающими с высотой явлениями частичного смешения тепловых турбулентных струй с окружающим воздухом (рис. III.22). Для полного смешения струи требуется определенное расстояние по направлению ее траектории, называемое обычно длиной пути смешения [37].
При большом количестве выделяющегося тепла и значительной разности температур источника выделений и окружающей воздушной среды ΔТ длина пути смешения или наибольшая высота распространения тепловой струи намного превосходит высоту производственных помещений. Участки покрытия, расположенные над мощными источниками выделений тепла, подвергаются сильному нагреву конвективными потоками горячего воздуха, в большинстве случаев прерывистому, поскольку мощные струи тепла чаще всего связаны с периодической плавкой металла, его разливкой и остыванием.
При непрерывной разливке металла воздействия конвективного и лучистого тепла на ограждения здания настолько интенсивны и постоянны, что их теплозащитные свойства могут быть сколь угодно малыми, но стойкость против высоких температур должна быть очень большой.
Соответствующие расчеты показывают, что при разности ΔТ=50° предельная высота распространения тепловой струи составляет до 40 м; при ΔТ=1000° (плавка металла) эта высота в спокойной свободной воздушной среде равна около 900 м.
В связи с этим, кровли металлургических цехов интенсивно прогреваются. Через аэрационные вытяжные устройства этих кровель в наружную атмосферу поступают большие количества тепла; на сотни метров над металлургическими цехами формируется свой особый микроклимат с значительным загрязнением воздуха и положительной температурой даже в наиболее холодные периоды зимы.
В зоне распространения этих тепловых струй невозможно образование льда и выпадение снега на покрытия цеха; снег на лету обращается в дождь.
При прерывистом действии тепловых струй ограждающие конструкции цеха и особенно его верхнее покрытие подвергаются многократному (даже в течение суток) замораживанию и оттаиванию, в результате чего конструкции даже из таких стойких материалов, как железобетон разрушаются в течение двух-трех десятков лет, а иногда и в более короткие сроки.
Типичная двухмерная траектория смешения тепловой струи (рис. III.23) может быть установлена по величине ее максимального поднятия Zмакс [38], имеющего место при некоторой абсциссе xz.
Эта величина Zмакс приближенно может быть определена из дифференциального уравнения переноса, приведенного к кинематической форме:
b — градиент температуры, град/м; а — коэффициент структуры струи; ΔT0 — разность температур воздуха в струе у источника тепла и в окружающей среде; r0 — начальный радиус струи, м; g — ускорение силы тяжести (9,81 м/сек2); Tа0 — абсолютная температура воздуха за пределами струи; v0 — начальная скорость воздуха в струе, м/сек.
Пример III.2. Вычислить максимальное поднятие тепловой струи от внешней поверхности круглой в плане печи для термической обработки металлоизделий.
Температура окружающей воздушной среды Та.о=20°=293° К; средняя величина градиента температуры в воздушной среде цеха b=1,5 град/м; избыточная температура струи в начальном ее сечении ΔТ0=50°; начальный радиус струи r0=1,0; начальная скорость v0=0,5 м/сек. Коэффициент структуры струи а=0,08,
При этих условиях вспомогательные величины:
Тогда максимальная высота поднятия струи (рис. III.23 б)
Вычисленная величина Zмакс превосходит высоту производственного здания, в связи с этим необходимо выполнить конструкцию покрытия из материалов стойких против умеренного периодического нагрева и, кроме того, предусмотреть эффективные средства аэрации для удаления из цеха нагретого и загрязненного воздуха.
Поскольку высота производственных помещений обычно меньше максимального поднятия тепловой струи, внутренняя поверхность покрытия пролета промышленного здания накладывает ограничения на свободное струйное распространение нагретого воздуха. Над производственными пролетами с интенсивными выделениями тепла как правило необходимо предусматривать вытяжные устройства в виде дефлекторов, шахт или специальных аэрационных фонарей.
Чем меньше производительность этих устройств, тем более выражены геометрические ограничения, накладываемые строительной оболочкой здания на свободное распространение струи.
При рассмотрении в условиях естественного воздухообмена без ветра особенностей распространения в плоском сечении здания струйного конвективного потока от сосредоточенного источника тепла [41] уместно различать три характерных зоны по высоте струи (рис. III.24):
- 1) нижнюю с высотой z, находящуюся под сильным влиянием смешивающегося главным образом приточного воздуха, около источника тепла;
- 2) среднюю с высотой Z0—z, аналогичную по особенностям распространения изотермической турбулентной струе;
- 3) верхнюю, особенности которой связаны с производительностью вытяжного устройства и делением струйного потока (на прямой струйный и рециркуляционный, направляемый обратно, параллельно поверхностям ограждений здания).
Рециркуляционные потоки, распространяясь от границ струи вдоль поверхностей покрытия и стен к зоне приточных отверстий, ограничивают отмеченную на рис. III.24 застойную область с медленным движением воздуха и при устойчиво установившемся режиме циркуляции частично смешиваются с воздушным потоком, вновь поступающим через приточные отверстия в нижней части наружных стен.
Натурные исследования, их теоретические обобщения и эксперименты на интерферометрах1 показывают, что интенсивность рециркуляционных потоков воздуха, размеры, положение и даже само существование застойной области зависят от производительности и постоянства работы вытяжных устройств над производственным пролетом, определяющих характер циркуляции токов воздуха в плоском сечении промышленного здания (рис. III.25).
Если средства аэрации ограничены по своей производительности, (например, дефлекторы или шахты ограниченной площади, расположенные в отдельных местах покрытия), в верхней зоне цеха образуется устойчивая во времени застойная область теплого воздуха с наиболее высокой температурой (так называемая тепловая подушка) рис. III.25, а. Применение средств аэрации в виде обычных фонарей со створными переплетами (отличающихся пульсирующей производительностью, связанной с постоянными изменениями направлений и скорости ветра) приводит к тому, что застойная зона расположения наиболее нагретого и загрязненного воздуха несколько смещается вниз; при этом пульсации значений температуры и степени загрязнения в этой зоне возрастают (рис. III.25, б).
Использование вытяжных фонарей с устойчивыми аэродинамическими характеристиками (отличающихся высокой и постоянной производительностью) обычно приводит к увеличению скорости в пределах струи, уничтожению застойной или пульсирующей подушки нагретого воздуха под покрытием (рис. III.25, в), уменьшению положительного или даже возникновению отрицательного градиента и общему понижению температуры в зоне мостовых кранов и верхних рабочих площадок. Это связано с необходимостью сезонной регулировки вытяжных проемов аэродинамически устойчивых фонарей с целью ограничения переохлаждения верхней зоны цеха в холодный период года и увеличения производительности аэрации — в теплый. При наличии выделений влаги в цехе такие регулировки связаны также с предупреждением процессов конденсации на поверхности световых проемов и недостаточно утепленного покрытия.
Особенности естественного воздухообмена связаны с закономерностями свободной конвекции токов воздуха, направление которых определяется и ограничивается поверхностями помещения.
Интенсивность свободного распространения вдоль этих поверхностей естественно возникающих воздушных потоков определяется в самом общем виде произведением безразмерных критериев Грасгофа и Прандтля (Gr Pr)2.
Наличие явно выраженных обратных рециркуляционных струй, направленных вниз вдоль наружных стен, почти неизбежно при большой высоте светопроемов и значительной площади остекления; в этом случае вблизи приточных отверстий происходит смешение опускающегося и более энергично поступающего приточного воздуха. Скорость vсм смешавшегося воздушного потока, направленного к середине помещения или к источнику тепла, может быть приближенно рассчитана по формуле:
где vпр и vр — средние скорости приточного и рециркуляционного потоков; γпр и γр — средние удельные веса воздуха этих потоков.
Среднее значение избыточной температуры смешавшегося воздуха3 может быть определено как:
где Gр и Gпр — весовые расходы рециркуляционного и приточного воздуха; Δtр — избыточная температура рециркуляционного потока.
Расчеты по формулам (III.15) и (III.16), по данным Э. И. Реттера, дают хорошее совпадение с результатами экспериментов на моделях зданий.
Однако в подавляющем большинстве случаев температура воздуха после смешения низка и близка к температуре приточного воздуха; особо низкая температура и большая скорость воздуха отмечаются вблизи пола, поскольку холодные потоки приточного воздуха, обладающие большей кинетической энергией по сравнению с рециркуляционными, интенсивно притекают вдоль пола к источнику тепла, слабо смешиваясь с более теплым воздухом, опускающимся сверху.
Это является основной причиной того, что в целях предупреждения переохлаждения ног работающих людей, низко расположенные и значительные по своей площади приточные проемы, используются только в теплый период года при избыточной температуре помещения, не превышающей 5—8° по сравнению с температурой наружного воздуха.
Приточные отверстия, назначенные для использования в холодный период года, следует располагать в верхней части нижнего яруса остекления; в практике эксплуатации их обычно открывают неполностью, в целях уменьшения весового расхода холодного воздуха, поступающего в помещение, и обеспечения необходимого повышения его температуры при постепенном смешении с внутренним воздухом.
При значительных выделениях тепла, большой высоте остекления и существенной величине положительного градиента, рециркуляционный поток теплого воздуха, направленный сверху вниз вблизи остекления, значителен по своему весовому расходу, что обеспечивает интенсивное смешение холодного приточного воздуха с рециркуляционным и позволяет несколько уменьшить высоту расположения приточных отверстий.
Наоборот, при отсутствии значительных выделений тепла и слабо выраженных рециркуляционных потоках теплого воздуха у остекления высота расположения приточных отверстий должна быть увеличена. В производственных пролетах большой высоты (8—10 м и более) с аэрационными фонарями и отсутствием выделений тепла или очень умеренных их значениях (например, от изолированных и редко расположенных термических печей) в холодный период года отмечается возникновение отрицательного градиента температуры. Это связано с общей закономерностью деформирования на определенной высоте слабых тепловых струй с малым диаметром и ограниченной начальной разностью температур.
В любых зданиях следует различать зоны преобладающего во времени притока наружного воздуха (т. е. зоны отрицательных давлений в помещениях), располагающиеся преимущественно в нижней их части, и зоны преимущественного влияния теплого, удаляемого из здания воздуха (зоны положительных давлений обычно в верхней части помещений).
В нешироких многоэтажных зданиях значительную часть объема занимают зоны с отрицательными или неустойчивыми давлениями, прилегающие к наружным остекленным стенам; в этих зонах градиент температуры имеет меньшую величину, а в центральной части здания — большую (рис. III.26).
В соответствии с этим возникают конвекционные потоки воздуха и располагаются зоны с различной температурой.
Для зданий с различной высотой неизолированных друг от друга пролетов или с резко отличающейся этажностью отдельных смежных объемов зона притока распространяется в холодный период года на всю высоту более низких частей здания; температурный градиент внутри помещений, расположенных в этих частях, имеет ничтожную величину или даже отрицательный знак (см. рис. III.10).
В одноэтажных многопролетных промышленных зданиях с пролетами существенно различной высоты отрицательный градиент температуры обычно отмечается в низких пролетах (из-за подсасывания воздушных потоков к более высокой части здания); при равной высоте пролетов наименьшие величины положительного градиента характерны для пролетов по наружному периметру здания, а наибольшие — в его центральной части.
Распространение тепла в объеме производственных зданий происходит в основном путем конвекции, случаи сильного нагрева ограждающих конструкций лучистым теплом относятся главным образом к металлургическим цехам. Необходимо различать естественную конвекцию, вызываемую тепловым напором и вынужденную конвекцию, создаваемую токами воздуха механической вентиляции, работой производственных механизмов и т. д. В цехах, где имеются производственные участки с значительными выделениями тепла или высотой, существенно превосходящей среднюю высоту здания, влияние естественной конвекции является превалирующим; системы механической вентиляции целесообразно проектировать в этих случаях с учетом самопроизвольно и неизбежно возникающих естественных конвекционных потоков. Наиболее надежная работа вытяжных устройств механической вентиляции обеспечивается при расположении их в зонах здания с преобладающими во времени отрицательными аэродинамическими давлениями, приточных — в зонах устойчивых положительных давлений.
В частности, забор воздуха с кровли одноэтажных промышленных зданий в приточные воздуховоды, как правило, гигиенически нецелесообразен, и достаточно надежен только в тех случаях, когда ему не противодействуют потоки естественной конвекции.
Особенности распространения влаги в объеме помещений сходны с характером конвективного распространения тепла и в сильной степени зависят от него.
По высоте помещений с равномерным распространением влаги конвективными токами отмечается довольно постоянное распределение абсолютной влажности; при этом значения относительной влажности (т. е. степени насыщения воздуха водяным паром) тем меньше, чем выше температура.
При положительном градиенте температуры и равномерном распределении абсолютного влагосодержания относительная влажность воздуха в верхней зоне помещения может несколько уменьшаться.
Источники выделения влаги чаще всего располагаются в нижней части рабочей зоны; на этом же уровне обычно происходит подача свежего воздуха в цех путем естественной, а иногда и механической вентиляции. В связи с интенсивной ассимиляцией тепла и влаги сравнительно холодным и сухим приточным воздухом, градиенты температуры и влагосодержания в нижней зоне помещений обычно наиболее значительны.
При равномерном распространении влаги в преобладающей части объема помещения и спокойном состоянии воздуха постепенно происходит некоторое перераспределение влагосодержания, вызванное процессами молекулярной диффузии.
Существенное различие молекулярных весов водяного пара и сухого воздуха (в 1,62 раза) вызывает диффузионное перемещение парообразной влаги, содержащейся в воздухе, в наиболее высокую и теплую зону помещения. Объясняется это тем, что при наличии внутри газовой смеси неравномерного распределения температуры, газ с большим молекулярным весом (воздух) диффундирует по направлению потока тепла в газовой смеси, а газ с меньшим молекулярным весом (водяной пар) — в направлении обратном (рис. III.27).
Наличие конвективных потоков воздуха, нисходящих у остекленных поверхностей и направленных вверх у противолежащих внутренних стен или перегородок, способствует более быстрому переносу парообразной влаги в верхнюю зону, что весьма часто и наблюдается в практике эксплуатации помещений с значительными выделениями влаги, струйным ее распределением по помещению и отсутствием систематического удаления под покрытием.
Отмеченные особенности распространения влаги по объему помещения находят отражение в средних значениях влажности внутреннего воздуха.
Значения температуры и относительной влажности внутреннего воздуха позволяют установить величину абсолютного влагонасыщения воздуха помещения водяным паром и определить количество влаги, конденсирующейся на поверхности конструкции при охлаждении последней до температуры, соответствующей точке росы.
В количественном отношении это наиболее нежелательный вид увлажнения, непосредственно связанный с опасностью постепенного разрушения конструкций, что, в частности, свойственно ограждениям в помещениях с мокрым режимом или влажных помещениях с периодическими повышениями выделений влаги.
Процесс конденсации влаги при достаточно высокой относительной влажности зависит от величины абсолютного пересыщения, выраженной в виде безразмерного критерия:
где fв — абсолютная влажность внутреннего воздуха, г/л*3; вычисленная по формуле Ftφ/100 (Ft — максимальное влагосодержание при данной температуре) в том случае, если известна температура tв и относительная влажность φв в помещении; Fω — максимальное влагосодержание воздуха (при температуре поверхности конструкции, обращенной в помещение), г/м3; γв — плотность воды (при температуре поверхности конструкции), г/м3.
Поскольку изменения плотности воды при колебаниях температуры от 0 до +30° незначительны и величина этой плотности может быть принята постоянной, количество влаги Р, конденсация которой возможна на поверхности ограждающей конструкции, обращенной в помещение, определится по формуле:
Здесь αк — коэффицент теплообмена конвекцией и кондукцией на поверхности ограждения, обращенной в помещение, который зависит от размеров помещения и скорости движения воздуха, но приближенно может быть в соответствии с исследованиями Каммерера принят равным 5,0+0,05 (tв—tω) ккал/м2·ч·град; к4 — переходный коэффициент в град·г/ккал·мм рт. ст.
По экспериментам Л. С. Соколовой, проведенным в отношении конденсации влаги на поверхности глазурованных плиток, величина к оказалась равной 3,3.
В соответствии с экспериментальными данными Ф. В. Ушкова, относящимися к процессам конденсации на поверхности бетонных и керамзитобетонных панелей, средняя величина 4,7. Исследователь указывает, что отклонения достигали ±30%.
Можно полагать, что дальнейшие экспериментальные исследования внесут необходимые уточнения в величины констант влагобмена в зависимости от размеров, свойств и влажностного состояния поверхности, на которой происходит конденсация, крупности конденсирующихся капель и т. д.5
Пример III.3. Определить количество влаги, которое может конденсироваться на внутренней поверхности ограждающей конструкции во влажных помещениях при одинаковой относительной влажности внутреннего воздуха φв=75°/о), но различной его температуре (8; 22 и 30°).
Первые температурно-влажностные условия характерны, например, для зданий фильтровальных (водопроводных) станций, вторые — для зданий цехов электролиза меди и никеля, а третьи — для банных помещений.
Температура внутренней поверхности конструкции (стен) принята во всех случаях ниже температуры внутреннего воздуха на 6°; тогда, принимая переходный коэффициент к=4,0, получим: к αк=4,0·(5,0+0,05·6)=21,2 г/м2·ч·мм рт. ст.
Количество влаги, которое может конденсироваться на внутренней поверхности стен фильтровальной станции, будет:
Количество влаги, которое может конденсироваться на внутренней поверхности стен цеха электролиза меди или никеля, составит:
Количество влаги, которое может конденсироваться на внутренней поверхности стен в банных помещениях, составит:
Таким образом, при одинаковой относительной влажности внутреннего воздуха на поверхности наружных стен банных помещений может конденсироваться влаги вдвое больше, чем на стенах фильтровальных станций.
Эти существенные особенности конденсации влаги в помещениях с различной температурой, сильно отражающиеся на влажностном состоянии ограждений, учитываются классификацией температурно-влажностного режима помещений, представленной в табл. III.3.
Полезно обратить внимание на то, что указанные в этой классификации предельные величины относительной влажности для помещений с пониженной температурой, могут быть во многих случаях легко уменьшены при использовании вентиляции (естественной или механической), которая при сравнительно небольших затратах в состоянии существенно снизить влажность воздуха, благодаря его ограниченному влагосодержанию, позволив тем самым применить для ограждающих конструкций таких помещений менее ценные, хотя и менее стойкие против действия влаги строительные материалы.
Примечания
1. Интерферометры — приборы, позволяющие исследовать распределение температур в воздушной среде с помощью изучения явлений, сопутствующих интерференции света.
2. На основе анализа размерностей физических величин, входящих в уравнение движения вертикального конвективного потока, и экспериментов на моделях зданий, Э. И. Реттером [41] установлены зависимости для скорости воздуха vm и избыточной по сравнению с окружающей средой температуры Δtm в этом потоке:
где z — высота, м, от полюса О конвективной струи до рассматриваемого ее сечения (рис. III.24); Qк — конвективное тепло, ккал/ч, выделяемое источником.
Эти формулы даны для струи, распространяющейся в изотермической воздушной среде и проверены экспериментально на сечениях струй с высотой в натуре не более 8 м, а потому весьма приближенны для зданий большей высоты с неравномерным распределением температуры по вертикали.
Показатель степени n в формуле для избыточной температуры, зависит от воздухообмена в помещении, уменьшаясь по мере его увеличения. Если интенсивность воздухообмена выразить безразмерной величиной
где Fпр — площадь приточных проемов на 1 пог. м. помещения, м2;
— коэффициент, учитывающий соотношение приточных и вытяжных Fпр/Fух проемов на 1 пог. м.; L и H — соответственно ширина и высота помещения. Показатель степени n при увеличении F от 0,004 до 0,014 уменьшается от 0,2 до —0,1.
3. Под избыточной температурой Δt = tc—tо понимается разность средней температуры в рассматриваемом сечении струи и температуры окружающего пространства.
4. Величина к может быть определена по формуле Пиенинга [46], как
где D/λ — отношение коэффициента диффузии водяного пара в воздушной среде к теплопроводности последней; RT — произведение газовой постоянной для водяного пара и абсолютной температуры; γс — произведение объемного веса и теплоемкости смеси воздуха с паром при постоянном давлении; 13 600 — переводный множитель для получения размерности αк, г/м2·ч·мм рт. ст.
5. Экспериментальные исследования, проведенные в Институте строительной физики, установили, что величины коэффициентов тепловлагообмена и количество конденсирующейся влаги определяются зависимостью между критериями Нуссельта и Грасгофа. Расчет получается достаточно сложным и для практического пользования им требуются специальные номограммы или вспомогательные таблицы.