Воздухопроницаемость строительных материалов и ограждающих конструкций

Воздухообмен в здании происходит под действием естественных сил и работы искусственных побудителей движения воздуха.

Наружный воздух поступает в помещение через неплотности ограждений или по каналам приточных вентиляционных систем. Внутри здания воздух может перетекать между помещениями через двери и неплотности во внутренних конструкциях. Внутренний воздух удаляется из помещений за пределы здания через неплотности наружных ограждений и по вентиляционным каналам вытяжных систем.

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, является гравитационное и ветровое давление. Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений бывает разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разрежение, и статическое давление оказывается пониженным.

Гравитационное и ветровое давление обычно действуют совместно. Воздухообмен под действием этих сил трудно прогнозировать и рассчитывать. Его можно уменьшить, уплотняя ограждения, а также частично регулировать с помощью дросселирования каналов вентиляции, открыванием окон, фрамуг и вентиляционных фонарей.

Воздушный режим здания связан с тепловым режимом. Инфильтрация, т.е. движение воздуха от наружной поверхности ограждения к внутренней наружного воздуха приводит к дополнительным затратам тепла на его подогрев. При движении воздуха наружу, происходит явление – эксфильтрация. Эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений. Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима вентилирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции ограждения (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки и т.д.). Таким образом, возникает необходимость в расчетах воздушного режима здания: определении интенсивности инфильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задач теплопередачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.

ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ ЗДАНИЯ

Воздушным режимом здания называют процесс обмена воздуха помещения с наружным воздухом или воздухом других помещений. Воздухообмен происходит под действием естественных сил и работы искусственных побудителей движения воздуха.

Неорганизованное поступление наружного воздуха через поры и неплотности ограждающих конструкций называется инфильтрацией, а удаление – эксфильтрацией. Между соседними помещениями воздух может перетекать через двери и неплотности во внутренних ограждениях.

Организованное поступление и удаление воздуха из помещения осуществляется с помощью вентиляции. Для этого используются форточки, фрамуги, аэрационные фонари, двери, ворота, вентиляционные каналы, решетки, клапаны и другое вентоборудование. Частным случаем вентиляции является проветривание помещения. Вентиляция может быть естественной и искусственной с использованием вентиляторов.

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, являются гравитационное и ветровое давления.

Гравитационное давление возникает за счет разности температур, а, следовательно, и плотности воздуха внутри и снаружи здания. Под действием гравитационного давления наружный воздух проникает в помещения нижних этажей. Внутренний воздух с нижних этажей стремится проникнуть в верхние помещения через внутренние двери, коридоры и лестничную клетку или наружу через вентиляционные каналы. Из помещений верхних этажей воздух уходит за пределы здания через неплотности наружных ограждений и вентиляционные устройства.

В нижней части здания внешнее давление больше внутреннего и избыточное гравитационное давление имеет знак плюс. Воздух через отверстия в наружных ограждениях стремится проникнуть в помещение. Вверху здания внутреннее давление больше внешнего и избыточное гравитационное давление имеет знак минус и воздух из помещения уходит наружу. Величина гравитационного давления изменятся по высоте. В среднем сечении избыточное гравитационное давление равно нулю. Плоскость нулевых избыточных давлений называется нейтральной плоскостью здания. На этом уровне через отверстия в стене здания (окнах) движение воздуха не будет.

Величина избыточных гравитационных давлений на произвольном уровне h относительно нейтральной плоскости равна

. (3.33)

Под действием ветра на наветреной стороне здания возникает избыточное давление (область подпора), а на заветренной стороне здания образуется разрежение (область аэродинамической тени). Распределение давления на здании зависит от направления ветра (по отношению к зданию), от того, открыто здание для воздействия ветра или защищено другими зданиями. Пренебрегая колебаниями аэродинамического коэффициента, можно считать величину ветрового давления постоянной по всему фасаду здания:

, (3.34)

где – динамическое давление набегающего на здание потока воздуха;

k₁ и k₂ – аэродинамические коэффициенты соответственно с наветренной и заветренной стороны здания.

При совместном действии гравитационных сил и ветра величины избыточных давлений можно найти простым сложением.

Эпюры избыточных давлений на наружных поверхностях здания показаны на рисунках 3.8 и 3.9.

Рис.3.8. Эпюры избыточных давлений под влиянием разности температур Р_t и ветра Р_υ

Рис. 3.9. Эпюра избыточных давлений при совместном действии температуры и ветра

Действие вентиляции меняет давление внутри здания на величину избыточного вентиляционного давления Р_в.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУХОПРОНИЦАНИЮ МАТЕРИАЛОВ
И КОНСТРУКЦИЙ

На нагрев наружного воздуха, поступающего в помещение путем инфильтрации, расходуется тепло. В целях экономии тепловой энергии наружные ограждающие конструкции должны обладать определенным сопротивлением воздухопроницанию.

Воздухопроницаемость материалов объясняется их пористостью. Характер воздухопроницаемости материалов выявляется по кривым расхода воздуха, получаемым экспериментальным путем продувкой воздуха через образец материала.

На рис. 3.10 приведены характерные кривые расхода воздуха, получаемые для различных строительных материалов. По горизонтальной оси отложены разности давлений воздуха Δ Р с одной и с другой сторон образца, а по вертикальной оси – соответствующие расходы воздуха через образец – W.

Кривая I соответствует материалам, имеющим равномерную структуру с порами одинаковых размеров (например, пенобетон). Участок этой кривой от начала координат и до точки а является прямолинейным, что указывает на ламинарное движение воздуха в порах материала. За точкой а следует криволинейный участок – движение воздуха в порах переходит от ламинарного к турбулентному. Кривая II соответствует материалам с порами различных размеров (разного рода засыпки). Эта кривая не имеет прямолинейного участка, т. е. турбулентность потока воздуха возникает при самых малых значениях Δ Р. Кривая III соответствует маловоздухопроницаемым материалам (древесина, цементный раствор), прямолинейность ее свидетельствует о ламинарном потоке воздуха даже при значительных величинах Δ Р. Кривая IV относится к влажным материалам. Эта кривая не проходит через начало координат, следовательно, воздух начинает проникать через материал только при некотором минимальном давлении Δ Р _min, необходимом для преодоления сил поверхностного натяжения воды, содержащейся в порах материала. Чем больше будет влажность материала, тем выше значение Δ Р _min.

Рис. 3.10. Расходные характеристики для различных материалов

При ламинарном движении воздуха в порах материала количество воздуха, проникающего через 1 м² слоя материала в течение 1 ч, определяется по формуле:

, (3.35)

где W – количество воздуха в кг/(м²·ч);

Δ Р – разность давлений, Па;

δ – толщина материала, м;

i – коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м·ч·Па).

Испытание воздухопроницаемости проводятся на образцах материалов, имеющих толщину не менее 50 мм. При увеличении влажности материала его воздухопроницаемость существенно снижается.

Воздухопроницаемость ограждений не всегда соответствует воздухопроницаемости их материалов. Это объясняется тем, что при кирпичной кладке основное сопротивление воздухопроницанию оказывают наружный и внутренний слои, а остальные слои имеют меньше сопротивление. Нанесение на поверхность кладки штукатурки резко повышает сопротивление воздухопроницаемости.

Для сплошных слоев материалов, не имеющих щелей и стыков сопротивление воздухопроницанию R_n определяется по формуле:

, (3.36)

где δ – толщина слоя, м.

Воздухоизоляционные свойства строительных материалов и конструкций характеризуются сопротивлением их воздухопроницанию R_n, (м²·ч·Па)/кг при Δ Р =10 Па.

Сопротивление воздухпроницанию многослойной ограждающей конструкции определяют по формуле

, (3.37)

где – сопротивления воздухопроницанию отдельных слоев ограждающих конструкций.

Наибольшей воздухопроницаемостью обладают окна. Воздух проникает через притворы оконных створок, стыки стекла с переплетом, через неплотности, примыкания оконной рамы и откосу проема. Количество воздуха, проходящее через окно, зависит от герметичности окна, внутренних и внешних условий, этажности, а также расположения окна в здании.

Внутренние капитальные стены, двери в квартиры, перекрытия в здании должны иметь максимально возможную величину максимально возможную величину сопротивления воздухопроницанию. Это значительно предупредит проникание воздуха из нижних этажей в верхние, что особенно важно для многоэтажных зданий.

Нормативное значение сопротивления воздухопроницанию определяется по формуле:

, (3.38)

где – разность давлений воздуха за наружной и внутренней поверхностями ограждающей конструкции, Па;

– нормируемая воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м²·ч) при = 10 Па.

Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций , Па, определяют по формуле:

,

где Н – высота здания от уровня пола первого этажа до верха вытяжной шахты, м;

– удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, определяемый по формуле ;

υ – максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 10% и более, принимается согласно СП 131. 13330 [7].

Сопротивлению воздухопроницанию окон и балконных дверей жилых и общественных зданий, и также окон и фонарей производственных зданий должно быть не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию, определяемого по формуле:

, (3.39)

=10 Па – разность давлений воздуха, для которых определяется сопротивление воздухопроницанию.

Сопротивление воздухопроницанию выбранного типа светопрозрачной конструкции определяют по формуле:

, (3.40)

где – воздухопроницаемость светопрозрачной конструкции при =10 Па, полученная в результате сертификационных испытаний, кг/(м²·ч).

Нормируемую воздухопроницаемость , кг/(м²·ч) ограждающих конструкций принимают по таблице 3.3.

Таблица 3.3