Теплофизические свойства полов

Пол является одной из поверхностей помещений, с которой непосредственно соприкасаются ноги человека. В жилых зданиях возможен как кратковременный (измеряющийся минутами) контакт босой ноги с поверхностью пола, так и более длительный, но в легкой обуви; в общественных и производственных зданиях характерен весьма длительный, измеряющийся часами, контакт обутых ног с поверхностью пола.

Во всех этих случаях важны особенности теплообмена человеческого организма с поверхностью пола.

Если количество тепла, отдаваемое поверхности пола человеческой стопой меньше количества тепла, вырабатываемого терморегулирующей системой человеческого организма, ноги остаются теплыми, в противном же случае они охлаждаются, что связано с повышением вероятности простудных, ревматических и иных заболеваний [60].

Особенности теплообмена стопы с поверхностью пола определяются теплопоглощающей активностью этой поверхности; при выполнении конструкции пола и перекрытия из одного и того же материала (например, дерева), такая активность зависит только от теплопроводности, удельной теплоемкости и объемного веса этого конкретного материала, и выражается так называемым коэффициентом тепловой активности:


где λ — коэффициент теплопроводности, ккал/м·ч·град; с — удельная теплоемкость, ккал/кг·град; γ — объемный вес, кг/м³.

У таких материалов, как древесина, легкие бетоны, теплоизоляционные плиты, коэффициент тепловой активности сравнительно мал; однако его величина существенно возрастает для плотных и тяжелых материалов, например, конструктивного бетона и железобетона.

В старинных гражданских зданиях где полы и перекрытия выполнялись обычно из дерева (например, паркет по деревянной основе), многолетний опыт эксплуатации таких конструкций свидетельствовал о достаточно удовлетворительных их гигиенических качествах, не нарушающих заметным образом терморегуляцию человеческого организма. Удовлетворительные гигиенические качества дощатых и паркетных полов сохраняются и при укладке их по железобетонным перекрытиям. Коэффициент тепловой активности деревянных полов равен 10,0 (при λ=0,15 ккал/м·ч·град, с=0,6 ккал/кг·град, γ=550 кг/м³), эта величина 5 и принята "за нормируемую величину, необходимую для обеспечения требуемых гигиенических свойств пола в помещениях жилых домов, больниц, поликлиник и детских учреждений. Для полов в помещениях общественных, производственных и вспомогательных зданий допускается повышение коэффициента тепловой активности до 12,0, имея в виду возможность устройства полов из ксилолита, паркета ограниченной толщины, покрытого защитным слоем, и других материалов.


Однако в строительстве зданий любого назначения большое распространение могут получить полы из однослойного линолеума и других синтетических покрытий, толщина которых настолько мала, что измеряется миллиметрами. Особенности теплообмена ноги человека с поверхностью такого пола, состоящего из очень тонкого покрытия, зависят уже и от свойств материала, из которого выполнено подстилающее основание, расположенное под таким покрытием. Если основание выполнено из плотного бетона, железобетона или других тяжелых материалов с большой тепловой активностью, конструкция такого пола с тонким покрытием оказывается неудовлетворительной в гигиеническом отношении. Поэтому, в целях придания полам из синтетических покрытий необходимых гигиенических свойств, применяют двухслойные утепленные покрытия, нижняя часть которых выполняется из пористого материала.

О степени соответствия гигиеническим требованиям условий теплообмена между босой ногой человека и поверхностью пола можно судить по экспериментальным исследованиям изменений температуры в месте соприкосновения ноги с полом (рис. V.5).

Если потери тепла меньше его количества, выделяемого организмом, наблюдается некоторое повышение температуры в месте контакта, что характерно, например, для паркетного пола; наоборот, если потери тепла превышают его количество, продуцируемое человеческим организмом, то температура в месте соприкосновения быстро начинает падать, что свидетельствует об охлаждении ноги, а следовательно, о неудовлетворительных качествах пола в гигиеническом отношении [60]. Такое охлаждение ноги человека наблюдается, например, при ее контакте с полом из тонкого однослойного линолеума, уложенного по основанию из плотного бетона или железобетона. Для того, чтобы такие полы стали удовлетворительными в гигиеническом отношении, необходимо укладывать тонкие синтетические покрытия по основанию из дерева, теплоизоляционных плит или легких бетонов, а при укладке синтетических изделий непосредственно по поверхности бетонного или железобетонного основания увеличивать толщину этих изделий, применяя двухслойный линолеум и другие покрытия с повышенными теплоизоляционными свойствами.


В помещениях с температурой 23° и выше разность температур подошвы ноги без обуви (принимаемой около 32°) и пола настолько уменьшается, что теплофизические свойства пола становятся безразличными в гигиеническом отношении. Это позволяет выполнять полы из керамических плиток в банных и ванных помещениях.

Учитывая гигиенические требования, полы в помещениях с длительным пребыванием людей и нормальной температурой необходимо конструировать таким образом, чтобы количество тепла, поглощаемого поверхностью пола, было меньше количества тепла, продуцируемого организмом (и притекающего к ступням ног) или, по крайней мере, не превышало этого количества. Однако это гигиеническое условие осложняется неопределенностью в отношении длительности соприкосновения ноги человека с полом и теплозащитных свойств используемой при этом обуви.

Чем длительнее период соприкосновения ног человека с полом, тем больше глубина активного слоя конструкции, от теплофизических свойств которого зависит поглощение тепла поверхностью пола. Аналогичная зависимость толщины слоя активной теплоемкости (слоя резких колебаний температуры) от длительности периода внешних тепловых воздействий отмечалась ранее при изложении основных понятий теории теплоустойчивости.

Пределы колебаний длительности контакта ног человека с полом известны. Они могут изменяться от 1—2 мин при соприкосновении ног без обуви с полом спален и других жилых помещений и до 6—7 ч при контакте с полом рабочих помещений хорошо обутых ног.

Последняя наибольшая длительность является самой невыгодной для расчета, поскольку в этом случае в процесс охлаждения ног человека вовлекается наибольшая активная толщина конструкции; естественно, что при меньшей длительности контакта к конструкции пола предъявляются более ограниченные теплофизические требования, поскольку в процесс теплообмена вовлекаются только слои пола, непосредственно граничащие с его поверхностью.

Для расчета по наиболее невыгодным условиям максимальной длительности контакта ног человека с полом оказывается возможным использовать технику расчетов, основанных на теории теплоустойчивости.


В самом деле, если условно принять период тепловых воздействий в 6,28 ч (что примерно соответствует продолжительности рабочего дня), коэффициент теплоусвоения становится по своей абсолютной величине равным коэффициенту тепловой активности, т. е. основному теплофизическому показателю, характеризующему теплопоглощающую способность пола:


где τ=2π=6,28 — длительность периода тепловых воздействий.

Это позволяет определять активную глубину слоистой конструкции пола точно таким же образом, как ранее определялась толщина слоя резких колебаний температуры в любых слоистых конструкциях (см. примеры V.1 и V.5), т. е. с использованием формулы (V.3).

Поскольку коэффициент теплоусвоения при периоде тепловых воздействий в 24 ч s₂₄=0,51√λcγ≈0,5√λcγ для определения коэффициента тепловой активности достаточно принять удвоенную величину s₂₄, имеющуюся в таблице приложения.

В зарубежной строительной практике, где теория теплоустойчивости не используется для теплофизических расчетов, принята оценка гигиенических свойств пола и допустимой величины коэффициента тепловой активности его поверхности (S≤10,0) по значениям отношения δ₁²/a₁, где δ — толщина в м верхнего покрытия пола (например, линолеума), а₁ — коэффициент температуропроводности этого покрытия в м²!ч. При значении этого отношения δ₁²/a≥0,4 ч величина тепловой активности поверхности слоистой конструкции пола принимается равной тепловой активности материала покрытия, т. е. S=S₁. Если верхнее покрытие настолько тонко и температуропроводно, что принятая длительность контакта ноги человека с поверхностью пола до утраты требуемого гигиенистами теплового равновесия достигается только при вовлечении в процесс теплообмена нижнего подстилающего _слоя, т. е. δ₁²/a₁<0,4, но δ₁²/a₁+δ₂²/a₂≥0,4, то принимается, что S=S₁(1+k_1—2), где k_1—2 — коэффициент, устанавливаемый по специальным таблицам или графикам.


Порядок теплофизического расчета слоистой конструкции пола виден из следующего примера.

Пример V.5. Определить показатель теплопоглощения и допустимость применения в жилых квартирах пола из линолеума толщиной 3 мм, с объемным весом 1100 кг/м³, уложенного по слою керамзитобетона толщиной 0,04 м, с объемным весом 1200 кг/м³ (рис. V.6).

Теплофизические свойства: 1) линолеума:


2) керамзитобетона:


Характеристика тепловой инерции двух верхних слоев конструкции:


следовательно, активный слой (слой резких колебаний) располагается в пределах двух верхних слоев конструкции.


Тогда по формуле (V.3) показатель теплопоглощения поверхности пола составит:


Следовательно, конструкция пола удовлетворяет теплофизическим требованиям, предъявляемым к полам жилых помещений, и может быть применена в жилых квартирах.

При использовании методики теплофизического расчета, распространенной за рубежом, получим для линолеума: