Климат и теплозащита дома
Климат и теплозащита дома
Знание основных климатических факторов и особенностей их влияния на эксплуатационные качества строительных материалов и конструкций позволят всем желающим спроектировать и построить дом своими силами, а также сделать его теплым, сухим и уютным.
Расчетная температура наружного воздуха
С древности человек строил жилье для защиты от непогоды. В зависимости от климата возводились здания с различными конструктивными и архитектурными решениями. В холодных регионах строились компактные дома с толстыми теплоизолированными стенами и маленькими окнами, в теплых и влажных — павильонного типа для возможности сквозного проветривания, в сухих пустынных районах — с массивными стенами, позволявшими стабилизировать огромные суточные колебания температуры, а порой и заглубленные или подземные.
Все строительные конструкции, огораживающие и защищающие внутренние помещения от атмосферных воздействий: холода, дождя, снега, ветра и пр., называются ограждающими. К ним относятся: наружные стены, окна, двери, крыша. Конструкции, воспринимающие нагрузку и обеспечивающие прочность здания, называются несущими. Это колонны, балки, перекрытия, стропила. Чтобы сделать дом теплым необходимо правильно выбрать материал, учитывая его теплозащитные свойства именно для ограждающих конструкций.
При строительстве теплого дома в первую очередь надо учитывать особенности климата местности, в которой строится дом и в соответствии с этим выбирать форму дома и его планировку, строительные материалы, приемлемые конструкции и необходимую теплозащиту. При этом такие требования к дому, как — тепло, сухо и уютно — остаются в большинстве случаев решающими.
Многие стремятся построить дом оригинальной конструкции, забывая порой о том, что необычность архитектурного решения должна сочетаться с тепловым комфортом.
Какие же из физико-климатических факторов — температура и влажность, скорость и направление ветра, высота снежного покрова и количество выпадающих осадков, глубина промерзания грунта, количество солнечных и пасмурных дней в году — следует учитывать при строительстве теплого дома?
Разумеется, те, которые непосредственно влияют на изменение температуры и влажности конструкций здания и в той или иной мере определяют выбор материала и тип конструкций. Прежде всего, это расчетная температура наружного воздуха в районе строительства в холодный период года.
Для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций применяют усредненные температуры наружного воздуха:
Средняя температура наиболее холодных суток всегда бывает ниже, чем средняя температура наиболее холодной пятидневки. Наименьшая разница между этими температурами, около 4°С, характерна для большей части Сибири, где зимы суровы и устойчивы, а перепады между этими температурами значительно меньше, чем в европейской части России. Здесь из-за довольно частых циклонов и антициклонов, сопровождающихся резким повышением температуры, сильной облачностью и даже оттепелями, эта разница составляет более 6°С.
Климат России, отличающийся редким разнообразием природных условий, куда более суров, чем климат Западной Европы и Северной Америки. В США, безусловно, значительно холоднее, чем на соответствующих параллелях в большинстве европейских стран, но не следует забывать о том, что граница между США и Канадой проходит по 49-ой параллели, т.е. южнее Волгограда и Саратова.
Суровость зимнего периода выражается произведением продолжительности отопительного периода на среднюю температуру отопительного периода, которое называется градусо-дни. Наиболее полно понятие градусо-дней изложено в приложении к электронной книге Суперсолнечный дом Cliff House.
Различия между расчетными температурами наружного воздуха необходимо знать, чтобы правильно выбрать теплозащиту ограждения. Ведь потери тепла конструкцией в течение суток происходят неравномерно. В ночное время, когда воздух наиболее холодный, температура наружной поверхности стены снижается максимально, и постепенно стена начинает охлаждаться по толщине. Быстрота охлаждения конструкции зависит от ее способности усваивать и отдавать теплоту или от тепловой инерции. В бревенчатом срубе или в здании с массивными стенами в самый морозный день человек не ощущает холода. Но в том же помещении, если оно плохо отапливается, через несколько дней становится холодно, промозгло и неуютно: низкие температуры наружного воздуха вызвали резкое уменьшение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции. Поэтому остывший дом с массивными стенами приходится протапливать иногда и несколько дней.
В связи с этим для ограждающих конструкций большой инерционности расчетная температура наружного воздуха принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки. Период в 5 суток принят потому, что его длительность достаточна для того, чтобы низкая температура наружного воздуха, установившаяся в течение этого периода, вызвала максимальное уменьшение температуры на внутренней поверхности стены.
Для охлаждения ограждения малой инерционности достаточно одних суток, поэтому для их теплотехнического расчета принимается средняя температура наиболее холодных суток.
Влажность воздуха
Помимо расчетных температур наружного воздуха необходимо учитывать и влажность воздуха в районе строительства. Следует отметить, что влага оказывает огромное влияние, очень часто негативное, на теплотехнические качества ограждений. Известно, что вода прекрасно проводит тепло, а воздух, особенно сухой, обладает теплоизоляционными качествами. Поэтому строительные материалы с большим количеством пор, заполненных воздухом, имеют хорошие теплозащитные свойства. Однако, если поры заполняются влажным воздухом или в них проникает влага, теплоизоляционная способность любого материала ухудшается. Кроме того, влага растворяет химические вещества, что приводит к быстрому разрушению материалов. Стены отсыревают, резко ухудшается микроклимат помещений, человек зябнет и часто простужается.
В воздухе всегда содержится некоторое количество влаги в виде водяного пара. Ее количество, содержащееся в 1 м3 воздуха, измеряется в граммах и называется абсолютной влажностью (г/м3). Однако абсолютная влажность не характеризует степень насыщения воздуха влагой, т.к. при разных температурах максимальное содержание влаги в воздухе неодинаково: чем выше температура, тем больше влаги может в нем находиться. Поэтому и вводится понятие относительной влажности, которая выражается в процентах (%), как отношение действительной упругости водяного пара e в воздухе к максимальной его упругости E при этой температуре.
От относительной влажности воздуха зависит количество влаги, испаряющейся с поверхности ограждения. Чем больше относительная влажность воздуха, тем медленнее происходит испарение. Эта величина является очень важной для проектной и строительной практики и поэтому значение E приводится в справочниках.
Чрезмерно быстрое высыхание наружных слоев ограждающих конструкций и изделий, например бетонных, в начальный период схватывания бетона может вызвать образование трещин и существенное понижение прочности изделий. При малой относительной влажности воздуха высыхание наружных слоев бетона происходит быстрее, чем протекает процесс постепенного химического связывания при его твердении, что приводит к ухудшению структурно-механических свойств наружных слоев изделия или конструкции. Эти климатические особенности приходится учитывать в некоторых регионах.
При повышении температуры воздуха данной влажности его относительная влажность понижается. Это объясняется тем, что упругость водяного пара e остается без изменений, а максимальная упругость E увеличивается. Совершенно противоположное наблюдается при охлаждении воздуха: увеличивается его относительная влажность вследствие уменьшения максимальной упругости E. При некоторой температуре значение e достигнет величины E, и воздух приобретет относительную влажность, равную 100%, т.е. достигнет полного насыщения.
Температура, при которой воздух с данной упругостью водяного пара достигает полного насыщения, называется точкой росы. Если продолжать охлаждение воздуха ниже точки росы, то предельная упругость водяного пара будет понижаться, и излишнее количество водяного пара, фактически имеющегося в охлаждаемом воздухе, будет конденсироваться, т.е. превращаться в капельно-жидкое состояние.
В природе такие условия можно наблюдать в летнее время при образовании туманов около рек, когда с заходом солнца воздух охлаждается, его относительная влажность повышается и температура воздуха падает ниже точки росы. По мере согревания воздуха, вызванного восходом солнца, снижается его относительная влажность. При этом капельки влаги, образующие туман, испаряются и туман рассеивается.
В зимнее время затяжные оттепели могут возникнуть при вторжении массы теплого влажного воздуха. При смешивании его с холодным воздухом он постепенно охлаждается, конденсирует влагу, что приводит к образованию тумана. Такое преобладание оттепелей, вызванных вторжениями с юга теплого и влажного воздуха, характерно для юга европейской части России.
В зависимости от влажностной характеристики климата в зоне строительства производится выбор материала для утепления существующего или строящегося дома. Следует знать, что теплоизоляционные материалы обладают способностью поглощать влагу, находящуюся в парообразном состоянии, из окружающего воздуха. Это явление называется сорбцией. Наибольшей сорбционной способностью обладают органические материалы:
Сравнительно небольшую сорбционную способность имеют:
Хотя проникновение водяных паров вглубь материала происходит достаточно медленно и зависит от плотности материала и температуры воздуха, тем не менее, это необходимо учитывать в районах с влажным климатом, когда из года в год будут постепенно снижаться не только теплозащитные качества утеплителя с высокими сорбционными характеристиками, но и долговечность ограждающих конструкций.
Ветер
Рассматривая влияние климатических факторов на теплозащиту дома, нельзя не упомянуть о ветре, который в холодное время года приносит много неприятностей. Действительно, при температуре воздуха около -5°С и сильном ветре человек мерзнет так же, как и при 25-градусном морозе.
Влияние ветра на дома и жилую застройку сказывается довольно сильно. При приближении ветрового потока к зданию он начинает оказывать давление на ту часть фасада, которая обращена к нему. В результате с этой стороны здания образуется зона повышенного давления или ветровой подпор, при котором холодный воздух более интенсивно начинает проникать через стены, окна, стыки, щели внутрь жилых помещений, сильно их охлаждая. Это явление называется инфильтрацией.
Обогнув здание, ветровой поток продолжает свое движение, образуя с противоположной стороны здания зону пониженного давления или ветровой отсос. В результате этого возникает значительный перепад давлений с двух противоположных сторон дома, что способствует проникновению холодного воздуха в помещение, более интенсивному движению воздуха внутри дома от наветренной стороны к противоположной, сильные сквозняки, выветривающие тепло из комнат, понижение температуры внутреннего воздуха и резкое увеличение тепловых потерь зимой.
Эти явления очень хорошо заметны, если дом находится на территории, свободной от застройки. Поэтому при проектировании зданий, а также при планировке территории, особенно в районах с сильными ветрами, зная направление господствующих ветров, необходимо:
Если здание расположено в жилой застройке, то движению ветра препятствует не один, а несколько домов. Каждый дом в зависимости от своего положения изменяет направление ветрового потока и часто бывает трудно определить, на какие части наружных ограждений и с какой силой будет воздействовать ветер, какие конструкции будут испытывать ветровой подпор или отсос.
Характер застройки вносит существенное изменение в ветровой режим. Поэтому при проектировании и строительстве домов очень важно учитывать особенности движения ветра, чтобы взаимно расположить дома и ориентировать их по отношению к ветрам различных направлений так, чтобы ветровое давление на ограждающие конструкции было минимальным.
Автор: mensh /Олег Б. Меньшенин/
Интересно почитать