Лекция № 2 Основы строительной теплотехники, акустики, светотехники

Вопросы:

1 Основы строительной теплотехники.

2. Основы звукоизоляции в строительстве.

3. Строительная светотехника.

1 Основы строительной теплотехники.

Рационально запроектированные на­ружные ограждающие конструкции дол­жны удовлетворять следующим теплотех­ническим требованиям:

- обладать достаточными теплозащит­ным свойствами, чтобы лучше сохранять теплоту в помещениях в холодное время года или защищать помещения от пере­грева в летнее время (для южных райо­нов);

- не иметь при эксплуатации на внутрен­ней поверхности слишком низкой темпе­ратуры, значительно отличающейся от температуры внутреннего воздуха, во из­бежание образований в ней конденсата и охлаждения тела человека от теплопо-терь излучением;

- обладать воздухонепроницаемостью не выше установленного предела, выше ко­торого воздухообмен будет понижать те­плозащитные качества ограждения и ох­лаждать помещение, вызывая у людей, находящихся вблизи ограждения, ощуще­ние дискомфорта;

- сохранять нормальный влажностный режим, так как увлажнение ограждения ухудшает его теплозащитные свойства, уменьшает долговечность и ухудшает температурно-влажностный климат в по­мещении.

Для того чтобы ограждающие кон­струкции отвечали перечисленным требо­ваниям, производят теплотехнический расчет в соответствии со СНиП II-3 —79* «Строительная теплотехника. Нормы проектирования».

В простейшем виде ограждающая кон­струкция здания по своей расчетной схе­ме представляет плоскую конструкцию (стенку или плиту), ограниченную парал­лельными поверхностями. Она разделяет воздушные среды с разными температу­рами.

Ограждающая конструкция называется однородной, если выполнена из одного материала, и слоистой, если состоит из нескольких материалов, слои которых расположены параллельно внешним по­верхностям ограждения.

Количество теплоты (Вт), проходящее через ограждающую конструкцию, может быть определено на основании закона Фурье:

(2.1)

где и — температуры на теплой и хо­лодной поверхности ограждения, °С;

- теплопроводность материала,

Вт/(м^2*°С)

; —толщина ограждения, м;

F — площадь ограждения, м²;

— время передачи теплоты, ч (с).

Из равенства (2.1) получим

Если толщину ограждения, его пло­щадь, время передачи теплоты и разность температур принять равными единице, то ,

т. е. теплопроводность предста­вляет количество теплоты, которое про­ходит в единицу времени через 1 м² однородного ограждения толщиной 1 м при разности температур на его поверх­ности 1° С.

Эта величина является одной из основных теплофизических характери­стик строительных материалов и зависит от влажности материала, его природы, химического состава и особенностей кри­сталлической структуры. Так, теплопро­водность увеличивается с повышением влажности материала.

Однако целью теплофизического расче­та ограждающих конструкций является не определение их теплопроводности, а придание необходимых теплозащитных качеств. В связи с этим отношение тепло­проводности к толщине ограждения заменяют обратной величиной (°С-м²/Вт), которая называется термиче­ским сопротивлением К однородного ограждения или отдельного конструктив­ного слоя, входящего в состав слоистой конструкции.

Тогда термическое сопротивление cлоистой конструкции равно сумме термиче­ских сопротивлений всех слоев, т. е.

где — толщина отдельных слоев,

м;, — теплопроводность мате-

риалов слоев.

При передаче теплоты через ограж­дающую конструкцию перепад темпера­тур от tвдо tн состоит из суммы трех расчетных температурных перепадов (рис. 17.1): —разности температур

воздуха помещения и внутренней поверх­ности ограждения; — изменения температуры внутренней и наружной по­верхностей ограждения; — разности температур наружной поверхности огра­ждения и наружного воздуха.

Каждый из этих перепадов температур вызван конкретным сопротивлением переносу теплоты: — сопротивлением тепловосприятию (К₈); — термическим сопротивлением ограждения (К); — сопротивлением теплоотдаче (Я„).

Тогда общее термическое сопротивле­ние ограждающей конструкции (м² • °С/Вт)

(2.2)

В теплофизических расчетах прини­мают: R_в =0,114 — для стен, полов и гладких потолков отапливаемых зда­ний;Rн = 0,04 — для наружных стен и бес­чердачных перекрытий и R_н = 0,08 — для чердачных перекрытий.

2. Основы звукоизоляции в строительстве.

При проектировании зданий особое вни­мание должно быть уделено звукоизоля­ции помещений. Это может быть достиг­нуто:

соответствующими планировочными решениями, при которых помещения с ис­точниками шума удалены от помещений, где требуется тишина;

целесообразным размещением инже­нерного и санитарно-технического обору­дования (лифтов, мусоропроводов, венти­ляторов, насосов, санитарных приборов) и осуществлением мероприятий по сни­жению шума, возникающего от этого оборудования;

применением строительных конструк­ций с достаточными звукоизолирующими качествами.

Из физики известно, что звук — волно­вое колебание упругой среды, подчиняю­щееся физическим законам. Колебания источника звука возбуждают в упругой среде колебания ее частиц, которые по­следовательно, от частицы к частице, распространяются в среде волнообразно с определенной скоростью в виде зву­ковых волн. При этом частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной, они только колеблются, попере­менно смещаясь и возвращаясь в перво­начальное положение.

Количество энергии, переносимое зву­ковой волной за 1 с через площадку в 1 см², перпендикулярную направлению движения волны, называют силой звука и выражают в Вт/см².

Ухо человека может ощущать звук только в том случае, когда его сила не меньше определенной величины, называе­мой порогом слышимости. Верхний пре­дел силы звука, который воспринимается как болевое ощущение, называется бо­левым порогом.

Сила звука у порога слышимости рав­на 1-10^-16 Вт/см², а у болевого поро­га - около 1-10^-2 Вт/см²; следователь­но, силы этих звуков отличаются один от другого в 10¹⁴ раз.

На практике пользуются логарифмиче­ским масштабом этих величин. Для этого ввели понятие уровня силы звука. Он вы­ражается десятичным логарифмом отно­шения силы данного звука к силе звука на пороге слышимости и обозначается L. Выражают уровень силы звука в лога­рифмических единицах — белах (Б) (1 бел = 10 децибел). Обозначая силу данно­го звука с, а силу звука на пороге слыши­мости с₀, будем иметь (дБ)

(2..4)

При распространении звука в упругой среде вследствие колебательных движе­ний частиц в последней возникает так на­зываемое звуковое давление р, выражае­мое в Па. Сила звука пропорциональна квадрату звукового давления:

Исходя из этого, формулу (2.4) можно преобразовать (дБ):

(2.5)

Это выражение носит название уровня звукового давления.

При решении вопросов звукоизоляции различают звуки воздушные и ударные.

Воздушный звук (в результате разговоров, игры на музыкальных инстру­ментах и др.) проникает в помещения че­рез неплотности в ограждении; вслед­ствие колебаний ограждения (мембрана); непосредственно через материал ограж­дения.

Основными средствами борьбы с воз­душным звуком являются тщательная за­делка неплотностей, особенно в местах примыкания перекрытий и перегородок к стенам; устранение мембранных коле­баний конструкций путем увеличения их массивности. Этот путь не всегда эконо­мичен. Более приемлемым решением является применение слоистых конструк­ций с разной звукопроницаемостью.

Ударный звук (в результате ходьбы, передвижения грузов и др.) про­никает в ограждение в виде звуковых волн. Для изоляции от этих звуков необ­ходимо применять упругие прокладки, че­редовать в конструкции перекрытия мате­риалы разной плотности и звукопрони­цаемости, устраивать раздельные кон­струкции пола и потолка.

Звукоизолирующая способность ограж­дения, подобно уровню силы звука и уровню звукового давления, выражает­ся в децибелах (дБ) и изменяется в зави­симости от высоты звука, т. е. от частоты звуковых колебаний. Поэтому звукоизо­лирующие свойства ограждающих кон­струкций определяют опытным путем. На основании опытов, проводимых при ча­стотах в диапазоне от 100 до 3200 Гц, для общепринятых конструкций соста­влены частотные характеристики звукои­золирующей способности. Частотная ха­рактеристика — это кривая, построенная в координатной сетке, где по абсциссе от­ложены частоты (Гц), а по ординатам — звукоизоляционные свойства (дБ).

Степень звукоизолирующей способно­сти конструкции устанавливают путем сопоставления ее частотной характери­стики с нормативными частотными ха­рактеристиками, разработанными для ограждающих конструкций зданий.

При отсутствии измеренных величин звукоизоляции в лабораторных или на­турных условиях показатель звукоизоля­ции ограждающих конструкций допускается принимать по СНиП П-12 —77* «Защита от шума».

При проектировании зданий различно­го назначения принимают типовые кон­струкции стен, перегородок, перекрытий и других ограждающих конструкций. При этом необходимо произвести проверку, насколько звукоизолирующие свойства той или иной конструкции соответствуют нормативным показателям, приведенным в СНиПе.

Для приближенной оценки звукоизоля­ции ограждений от воздушного шума можно пользоваться величиной средней звукоизолирующей способности в диапа­зоне частот 100 ... 3200 Гц.

Среднюю звукоизолирующую способ­ность ограждения с округлением до 1 дБ можно определить на основании имею­щейся частотной характеристики шума по формуле

R_ср = (R₁+R₂+ ... +Rn)/n, (2.6)

где R₁ ,R₂ , ...,Rn— значения звукоизоли­рующих способностей в частотных интер­валах шириной 1 или 1/3 октавы, дБ; п — число частот, для которых опреде­лены значения R.

Среднее значение звукоизоляции одно- родных конструкций (дБ) приближенно можно определить в зависимости от по­верхностной плотности по формулам: при т= 200 кг

Rср = 13,51gm+13; (2.7)

при т > 200 кг

R_ср = 231gm-9. (2.8)

3. Строительная светотехника.

Задачей строителей светотехники являют­ся исследование условий, определяющих создание оптимального светового режи­ма в помещениях, отвечающего проте­кающим в них функциональным процес­сам, и разработка соответствующих архи­тектурных и конструктивных решений зданий. Прямым источником естественного ос­вещения является солнце, а диффузным (рассеянным) светом — свет небосвода. Свет в помещения проникает через све­товые проемы: окна, фонари верхнего ос­вещения и др.

Мощность лучистой энергии, приведен­ная к спектральной чувствительности че­ловеческого глаза, проходящая через ка­кую-либо площадку в одну секунду, назы­вается световым потоком Ф. За единицу светового Потока принят люмен (лм), со­ответствующий мощности 1/683 Вт при длине волны светового излучения h = 555 нанометра (нм), определяемой по спе­циальным эталонам.

Для оценки условий освещения, созда­ваемых источником света, пользуются понятием освещенности.

Освещенностью поверхности Е (лк) на­зывается отношение величины падающе­го светового потока Ф к площади осве­щаемой поверхности А :

Е = Ф/А. (2.9)

В практике проектирования естествен­ного освещения рассматривается не осве­щенность, а относительная величина — коэффициент естественной освещенности КЕО (е), равный отношению освещенно­сти в данной точке внутри помещения Е_В к освещенности горизонтальной площа­ди, расположенной под открытым небом при диффузном свете небосвода Е_H:

е = (Е_в/Е_н)100. (2.10)

Чтобы определить абсолютное значе­ние освещенности внутри помещения (лк), можно воспользоваться формулой

Е_в = Е_не/100. (2.11)

Для учета равномерной яркости неба введено понятие геометрического коэф­фициента естественной освещенности е. Этот коэффициент составляет процентное отношение площади светопропускания к площади небосвода.

Геометрический КЕО определяется различными методами. Однако наиболь­шее распространение имеет графический метод, разработанный А. М. Данилюком. Этот метод основан на закономерностях проекции телесного угла и светотехниче­ского подобия. Если расположить на го­ризонтальной плоскости в центре полусферы точку и эту полусферу принять за небосвод равномерной яркости, а сол­нечный и Отраженный свет не учиты­вать, то освещенность этой точки можно считать равной 1, или 100%.

Рис. 2.1 Схема разбивки полусферы.

А. М. Данилюк разбил полусферу не­босвода 100 меридианами и 100 паралле­лями на 10000 равновеликих по степени световой активности площадок (рис. 17.3), каждая из которых направляет на осве­щенный предмет световой луч. Проеци­руя световой проем на полусферу, полу­чаем площадь светового проема, выра­женного в световых лучах, а график проекции полусферы на горизонтальную плоскость дает возможность определить ширину светового проема, также выра­женную в световых лучах.

Обозначим количество световых лучей по вертикальной плоскости n_1; а количе­ство световых лучей по горизонтальной плоскости — п₂. Тогда площадь светового проема, выраженная в процентах от пло­щади полусферы, будет характеризовать геометрический коэффициент естествен­ной освещенности:

КЕО = n₁n₂/100. (2.12)

Таким образом, освещенность точки внутри помещения равна количеству све­товых лучей от небосвода, проходящих к этой точке через световой проем.

В зависимости от характера функцио­нального процесса, протекающего в зда­нии, района строительства и вида здания применяют боковое освещение через окна в наружных стенах, верхнее — через про­емы в покрытии (фонари) или комбини­рованное (боковое и верхнее). Для построения кривой освещенности по харак­терному разрезу помещения определяют КЕО для ряда точек. Найденные вели­чины откладывают от этих точек в со­ответствующем масштабе в виде верти­кальных отрезков вверх от рабочей по­верхности и концы соединяют кривой.

В качестве характерного разреза счи­тают такой, который проходит по середи­не помещения и перпендикулярно плоско­сти остекления световых проемов (при боковом освещении) или продольной оси пролетов помещения (при верхнем осве­щении). В характерный разрез должны попасть рабочие места. Следует иметь в виду, что рабочей условной считают по­верхность, расположенную на высоте 0,80 м от пола. Расчетные точки при­нимают на равных расстояниях друг от друга, располагая первую и последнюю точки на расстоянии 1 м от стен. Обычно число точек берут не менее 5.

Значения КЕО рассчитывают:

при боковом освещении

(2.13)

при верхнем освещении

(2.14)

при комбинированном освещении

(2.15)

где е_б — геометрический коэффициент естественной освещенности в расчетной точке при боковом освещении:

(2.16)

(здесь п₁ и п₂ — соответственно количе­ство лучей по графику / (рис. 17.4) и ко­личество лучей по графику // (рис. 17.5)]; — коэффициент, учитывающий неравно­мерную яркость облачного небосвода (определяется по графику рис. 17.6); Я — коэффициент, учитывающий свет, от­раженный от противостоящего здания (рис. 17.7):

(2.17)

(здесь и — соответственно количе­ство лучейпо графикам 1 и //); К — коэффициент, учитывающий относи­тельную яркость противостоящего зда­ния (принимается по табл. 17.2); - об­щий коэффициент светопропускания, определяемый по формуле

(2.18)

(здесь — коэффициент светопропускания материала; — коэффициент, учиты­вающий потери света в переплетах светопроема; — коэффициент, учиты­вающий потери света в слое загрязне­ния остекления; - коэффициент, учи­тывающий потери света в несущих кон­струкциях (при боковом освещении = 1); — коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах). Ко­эффициенты приведены в табл. 17.3, а — в зависимости от конструкции солнцезащитных устройств в СНиП II- 4—79; — коэффициент,