0727_Shihov_FizikaSredy_UchebPos_2021

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова»

А.Н. Шихов

ФИЗИКА СРЕДЫ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Учебное пособие

Пермь

ИПЦ «Прокростъ»

2021

1

УДК 624

ББК 38.5

Ш 653

Рецензенты:

Л.М. Яковлева, главный архитектор ООО «МБА-проект», член Союза архитекторов РФ, Почетный архитектор России;

С.В. Максимова, д-р техн. наук, профессор, заведующая кафедрой «Архитектура и урбанистика» (ПГБОУ ВО ПНИПУ).

Ш 653 Шихов, А.Н.

Физика среды и ограждающих конструкций: учебное пособие / А.Н. Шихов; Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова». – Пермь : ИПЦ «Прокростъ», 2021. – 218 с ; 29 см. – Библиогр.: с. 190-191. – 35 экз. – ISBN 978-5-94279-519-1 – Текст : непосредственный.

В учебном пособии представлены современные методы теплотехнического, звукоизоляционного, светотехнического и акустического расчетов. Рассмотрены варианты использования энергосберегающих технологий для тепловой защиты зданий и основы организации архитектурной среды под воздействием климатических особенностей солнечного и искусственного света, температуры, ветра и звука. Для зрелищных помещений приведены примеры проектирования залов и создания в них условий оптимального акустического восприятия и беспрепятственной видимости.

Учебное пособие предназначено для обучающихся высших учебных заведений направления подготовки 08.03.01 Строительство очной и заочной форм обучения.

УДК 624

ББК 38.5

Утверждено в качестве учебного пособия Методическим советом ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ (протокол № 5 от 04 февраля 2021 г.).

Учебное издание Шихов Александр Николаевич

ФИЗИКА СРЕДЫ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Учебное пособие

Подписано в печать 30.03.21. Формат 60x84 1 /8. Усл. печ. л. 27,25. Тираж 35 экз. Заказ № 30

ИПЦ «Прокростъ»

Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д.Н. Прянишникова, 614990, Россия, Пермь, ул. Петропавловская, 23

ISBN 978-5-94279-519-1

© ИПЦ «Прокростъ», 2021

© Шихов А.Н., 2021

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………... 7

Глава 1. Строительная климатология……………………………………………… 8

1.1.Связь между климатом и архитектурой зданий………………………. 8

1.2.Климатические факторы и их роль при проектировании зданий

исооружений……………………………..…………………………………….…... 9

1.3.Климатическое районирование……………………………………..….. 12 Глава 2. Строительная теплотехника………………………………………..…….. 15

2.1.Виды теплообмена………………………………………………………. 15

2.2.Теплопередача через ограждения……………………………..……….. 16

2.6.2.Комплексное требование……………………………………...……. 28

2.6.3.Санитарно-гигиенические требования…………………………..… 30

2.7.Исходные данные для проектирования тепловой защиты зданий

исооружений………………………………………………………………………. 31

2.7.1.Параметры внутреннего воздуха помещений…………………….. 31

2.7.2. Наружные климатические условия района строительства…….… 32

2.7.3.Расчетные характеристики строительных материалов и конструкций. 32

2.7.4.Расчет отапливаемых площадей и объемов зданий……..………... 33

2.10.Методика теплофизического расчета навесных фасадных систем с вентилируемой воздушной прослойкой…………………………………………... 40

2.11.Теплотехнический расчет ограждающих конструкций с теплопро-

водными включениями…………………………………………………………….. 41

2.14.Паропроницаемость и защита от переувлажнения ограждающих конструкций……………………………………………..………………………….. 49

2.14.1.Определение требуемого сопротивления паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за го-

довой период…………….…………………………………………………………. 51

2.14.2.Определение требуемого сопротивления паропроницанию из условия ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха…………... 52

2.14.3.Определение требуемого сопротивления паропроницанию чердачного перекрытия или вентилируемого совмещенного покрытия……………. 56

2.15.Влияние расположения конструктивных слоев на распределение

температуры внутри ограждающих конструкций……………………...………… 57

2.16.Воздухопроницаемость ограждающих конструкций….……………. 59

2.17.Тепоустойчивость наружных ограждающих конструкцицй……….. 62

2.17.1.Расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций в теплый период года…………………………………………………………………………. 65

2.17.2. Теплоусвоение поверхности полов………………………….…… 68

3

3.4.Задачи естественного и искусственного освещения зданий…………. 90

3.5.Выбор систем естественного освещения помещений и световых про-

емов.............................................................................................................................. 91

3.6.Нормативные требования к освещению промышленных предприя-

3.9.Проверочный расчет естественного освещения помещений…………. 106

3.9.1.Последовательность проведения проверочного расчета при боко-

вом освещении производственных зданий……………………………………….. 107

3.9.2.Проверочный расчет естественного освещения производственных зданий при верхнем и комбинированном расположении световых прое-

мов………………………………………………………………………………….... 110

3.10.Совмещенное освещение зданий……………………………………… 112

3.11.Нормирование и проектирование искусственного освещения поме-

щений………………………………………………………………………………... 116

3.12.Инсоляция и защита помещений от солнечных лучей…………..….. 119

3.12.1.Нормирование и проектирование инсоляции помещений и за-

стройки………………………………………………………………………………. 120

4.1.Общие понятия о звуке и его свойствах……………………………….. 131

4.2.Источники шума и их шумовые характеристики……………………... 136

4.3.Нормы допустимого шума и звукоизоляция ограждающих конструк-

ций зданий…………………………………………………………………………... 137

4.4. Распространение шума в зданиях……………………………………… 139 4.5. Звукоизоляция помещений от воздушного и ударного шума………... 140

4.5.1. Определение индекса изоляции воздушного шума для вертикальных однослойных плоских ограждающих конструкций сплошного сечения……... 142

4.5.2.Определение индекса изоляции воздушного шума для каркасно-

обшивных перегородок…………………………………………………………..… 146

4.5.3.Определение индекса изоляции воздушного шума для между-

этажных перекрытий…………………………………………………………….…. 152

Введение

Учебное пособие по дисциплине «Физика среды и ограждающих конструкций» соответствует рабочей программе дисциплины и разработано с учетом возросших требований к комфортности проживания и деятельности людей в зданиях и сооружениях различного назначения, а также повышения нормативных требований по тепловой защите, звукоизоляции и освещению гражданских и промышленных зданий и сооружений.

Визданных в последнее время нормативных документах, посвященных строительной теплотехнике, звукоизоляции и строительной светотехнике, приведены повышенные нормативные требования и новые методики расчета, поэтому целью разработанного учебного пособия является ознакомление обучающихся направления подготовки 08.03.01 Строительство с современными энергосберегающими технологиями и методиками тепловой защиты зданий, а также с нормами архитектурно-строительного проектирования.

Вразделе «Тепловая защита зданий» приведен алгоритм и методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче с учетом типовой разбивки ограждающей конструкции на теплозащитные элементы и потерь тепла через стыки с оконными блоками, плитами перекрытий и балконными плитами, примыканий к фундаменту и покрытию, а также с других видов стеновых конструкций.

Рассмотрены вопросы воздухопроницаемости и теплоустойчивости ограждающих конструкций, а также вопросы повышения теплозащитных свойств существующих зданий.

Вразделе «Архитектурная и строительная светотехника» приведены теоретические основы естественного и искусственного освещения гражанских и промышленных зданий, а также методики расчета площади световых проемов жилых, общественных зданий и производственных зданий при боковом, верхнем и комбинированном системах расположения световых проемов.

Вразделе «Архитектурная акустика и звукоизоляция помещений» рассмотрены вопросы звукоизоляции помещений от воздушного и ударного шума для вертикальных ограждающих конструкций и междуэтажных перекрытий.

Представленые в учебном пособии современные методики теплотехнического, звукоизоляционного и светотехнического расчетов служат основой для подготовки к экзамену и выполнению курсовых проектов и выпускных квалификационных работ.

7

Глава 1

Строительная климатология

Строительная климатология - наука, раскрывающая связи между климатическими условиями и архитектурой зданий и градостроительных образований.

Основная задача строительной климатологии - обоснование целесообразности решений планировки городской застройки, выбор типов зданий и ограждающих конструкций с учетом климатических особенностей района строительства.

1.1. Связь между климатом и архитектурой зданий

Правильный выбор размеров и формы помещений зависит от ряда факторов, среди которых особое место занимает воздушная среда, характеристики которой зависят от климатических условий и места строительства.

На протяжении тысячелетий архитекторам было известно, что «... города и здания на юге следует проектировать и строить сообразно теплому климату, и совсем по другому на севере» (Витрувий), что «... ширину улиц, высоту зданий и размеры окон надо выбирать с учетом ориентации и глубины помещений» (Альберти), что «... вписывать архитектуру в природу необходимо бережно и композиционно оправдано» (Жолтовский) и что «...

для того, чтобы осветить помещение, недостаточно сделать отверстие в кровле, а необходимо убедиться в том, что ритм света и тени будет соответствовать композиции интерьера» (Канн).

Как показывает практика, все архитектурные и градостроительные шедевры создавались с учетом этих вечных истин.

В южных сухих районах города всегда имели характер «самозатеняющихся структур», а здания - своеобразных «термосов» с массивными стенами, замкнутой компактной планировкой и редкими небольшими окнами.

Для влажных южных районов, наоборот, характерными чертами являются: открытая планировка, хорошо проветриваемые городские пространства, легкие «дышащие» стены зданий и большие световые проемы.

Проектирование зданий без учета вышеизложенных истин не обеспечивает необходимый комфорт при минимальных затратах и требует значительных расходов при эксплуатации зданий. В век энергетического кризиса и всемерной экономии энергетических ресурсов рациональное проектирование городов, агропромышленных комплексов и жилой застройки с учетом климатических условий, ориентации по сторонам горизонта, приме-

8

нения оптимальных размеров и пропорций световых проемов, а также солнцезащитных устройств обеспечивает значительную экономию материальных и финансовых затрат.

Следует отметить, что только за счет рационального выбора размеров световых проемов, способствующих увеличению использования естественного света на 1 ч в течение суток, государство экономит 3 млн кВт/ч электроэнергии в год только в промышленных зданиях.

По данным ЦНИЭПжилища за счет использования требований к инсоляции зданий появляется возможность повысить плотность застройки на 8-10 % и увеличить строительство более экономичных домов меридионального типа с широким корпусом, что обеспечивает значительное сокращение градостроительных затрат без снижения объема ввода жилых домов.

Рациональное применение солнцезащитных устройств снижает затраты на эксплуатацию гражданских зданий, для промышленных зданий способствует повышению производительности труда за счет уменьшения выпуска бракованной продукции и расходов на искусственное регулирование микроклимата в помещениях.

Таким образом, при проектировании зданий и сооружений необходимо знать климатические факторы и учитывать их, так как знание климатических условий среды позволяет найти выразительную архитектурную форму, придать зданию индивидуальный образ, обусловленный природноклиматическими факторами места строительства.

1.2. Климатические факторы и их роль при проектировании зданий и сооружений

Под климатом понимается многолетний режим погоды, характерный для данной местности. К важнейшим климатическим факторам, необходимым для проектирования, относятся:

-солнечная радиация (прямая и рассеянная), поступающая на разных широтах на горизонтальные и вертикальные ограждающие поверхности разной ориентации при безоблачном небе или при облачности за разные сроки, Вт/м2;

-температурные, в виде температур наружного воздуха холодного и теплого периодов года;

-влажностные (относительная или абсолютная влажность воздуха, количество осадков за год, месяц, сутки и др.);

-ветровые (например, повторяемость направлений ветра, повторяемость штилей, средняя скорость по направлениям, максимальная, минимальная скорость и др).

9

Численные значения климатических факторов для холодного и теплого периодов года представлены в виде таблиц и схематических карт для республик, краев, областей и наиболее крупных городов Российской Федерации в СП 131. 13330. 2012 «Строительная климатология».

Вслучае отсутствия в таблице данных для района строительства значения климатических параметров следует принимать равными значениям климатических параметров ближайшего к нему пункта (города), удаленного не более чем на 50 км при разности отметок высот пункта и места строительства - не более 100 м.

Наружные ограждающие конструкции зданий подвергаются различным климатическим воздействиям, которые оказывают влияние на процессы теплопередачи, воздухопроницания и изменения влажностного состояния конструкций, освещения, инсоляции и звукоизоляции помещений.

Многие климатические воздействия являются комплексными, т.е. вызванными совместным действием нескольких климатических факторов (например, совместным действием мороза и ветра, температуры и влажности

идр.). Однако при определении необходимых качеств ограждающих конструкций приходится учитывать отдельные наиболее важные климатические факторы, так как их влияние часто существенно различны по своему физическому действию.

Так, проницаемые для воздуха ограждающие конструкции будут наиболее охлаждаться при сильном ветре, который часто сопровождается умеренной температурой и наоборот, воздухонепроницаемые конструкции с плотным наружным слоем будут охлаждаться в такой же степени, лишь при предельно низкой температуре наружного воздуха.

Всвязи с этим при проектировании ограждающих конструкций необходимо проводить их расчет и на предельно возможное охлаждение при низкой температуре, но при безветрии, и расчет на воздухопроницаемость при сильном ветре и относительно умеренной температуре наружного воздуха.

При наличии большой солнечной радиации решающее значение имеет расчет солнцезащитных устройств, который позволит в помещениях создать комфортный режим.

Климатические воздействия влияют на влажностное состояние ограждающих конструкций. В зависимости от влажного состояния воздушной среды наружного воздуха вся территория Российской Федерации разделена на три влажностные зоны (сухая, нормальная и влажная). При проектировании ограждающих конструкций для районов влажной зоны, которые характеризуются сильными ветрами и косыми дождями (например, дальневосточ-

10