Содержание к диссертации
Введение
Влияние ограждающих строительных конструкций на микроклимат помещений 11
Основные показатели воздушно-теплового режима жилых помещений 11
Воздушный режим зданий 22
1 Воздухопроницаемость ограждающих конструкций 22
2 Оценка экологической безопасности воздушной среды 27
Влажностный режим ограждающих конструкций 34
Тепловой режим ограждающих конструкций 40
Звуковой режим жилых помещений 43
Задачи исследования 51
Изменения микроклимата жилых зданий под воздействием износа их элементов 53
Физический и моральный износы здания и методы их исследования 53
Планирование экспериментальных исследований в жилых помещениях 61
Обработка результатов натурных исследований развития износа здания и изменения микроклимата помещения 70
1 Развитие износа здания и изменение физико-механических свойств его ограждающих конструкций 70
2 Определение влияния износа здания на воздухообмен жилых помещений 82
3 Определение влияния износа здания на относительную влажность внутреннего воздуха жилых помещений 98
4 Определение влияния износа здания на температуру внутреннего воздуха и внутренних поверхностей ограждающих конструкций 102
5 Определение влияния износа здания на звуковой режим помещений І 06 Выводы 112
Математическое моделирование изменения микроклимата помещения при износе ограждающих конструкций 114
Постановка задачи 114
Аналитический метод расчета воздухообмена через ограждение 116
Аналитический метод расчета температур воздуха в сквозной фильтруемой щели 122
4 Аналитический метод расчета температурного поля ограждения, имеющего сквозную фильтруемую щель 130
5 Аналитический метод расчета массопереноса через ограждение, при физическом износе здания 136
6 Аналитический метод расчета изменения уровней звука в помещении при физическом износе ограждающих конструкций 142
7 Проверка адекватности математических моделей 147
Выводы 148
Разработка рекомендаций по улучшению качества внутренней среды жилья 150
1 Разработка основных принципов системы информационно-диагностического обеспечения жилых зданий 150
2 Экономическая эффективность при внедрении системы комплексной диагностики технического состояния зданий и микроклимата жилых помещений по сравнению с ППР 154
3 Алгоритм для автоматизированного расчета изменения параметров внутренней среды помещений при изменении технического состояния здания 161
Основные выводы 164
Список используемых источников 166
- Оценка экологической безопасности воздушной среды
- Развитие износа здания и изменение физико-механических свойств его ограждающих конструкций
- Аналитический метод расчета температурного поля ограждения, имеющего сквозную фильтруемую щель
- Экономическая эффективность при внедрении системы комплексной диагностики технического состояния зданий и микроклимата жилых помещений по сравнению с ППР
Введение к работе
Актуальность темы. Здание - это антропогенная система для защиты от внешних климатических воздействий, а так же для определенного вида человеческой деятельности- Все потребности человека объединены в интегральном понятии качества, т.е в совокупности свойств, характеризующих степень пригодности зданий к использованию по назначению и удовлетворение запросов потребителя. Наиболее емкое понятие, характеризующее качество жилья, - это комфортность. Комфортность рассматривается как совокупность таких факторов как гигиена, функциональность и безопасность. Наиболее традиционная составляющая комфортности — это гигиена внутренней среды, обусловливаемая параметрами микроклимата. Основным показателем микроклимата является тепловлажностный режим в помещениях, который связан с теплотехническими свойствами ограждающих конструкции. Изучение влияния на человека только тепловлажностного режима не достаточно. Необходимо более широкое исследование таких факторов, как экологическая чистота внутренней среды, звуковой комфорт. Управление качеством жилья - важнейшая проблема общества.
Внутренняя среда жилых и общественных зданий формируется в основном с помощью ограждающих конструкций и инженерных устройств. Принятые при проектировании характеристики ограждающих конструкций зданий во время эксплуатации претерпевают изменения, как правило, в худшую сторону и приобретают новые свойства. Эти свойства, называемые эксплуатационными показателями, образуют совокупность санитарно - гигиенических, экономических и эстетических характеристик жилого здания, обусловливают его качество и пригодность реальной конструкции к дальнейшей эксплуатации.
Под действием нагрузок, теплоты, влаги, солнечного воздействия, химических и биологических агентов происходит старение материала, протекают другие более медленные процессы, изменяющие свойства материалов и конструкций- По исчерпании сроков службы отдельных элементов возникают повреждения или отказы, т.е, происходит частичная или полная потеря эксплуатационных свойств- Процесс старения отдельных элементов и конструкций затягивается на многие десятки, а иногда и сотни лет. Постепенное или одномомент-
ное ухудшение технических и связанных с ними эксплуатационных показателей элементов здания, вызываемое объективными причинами или внешними воздействиями, называется физическим износом. Нарушение условий эксплуатации здания в результате несвоевременных текущих ремонтов ускоряет развитие физического износа элементов зданий, а также ухудшает микроклимат помещений.
Трещины и щели в ограждениях способствуют проникновению наружного воздуха в помещение- Через неплотности и повреждения защитного слоя конструкций происходит попадание атмосферной влаги в ограждение, что вызывает снижение теплозащитной способности здания в холодный период года. Последствиями этого являются также неоправданно большие теплопотери и, как следствие, понижение температуры как на внутренней поверхности ограждения, так и внутреннего воздуха помещения. Трещины и щели, возникающие на стенах домов во время длительной эксплуатации, также способствуют повышению шумового фона за счет проникновения уличного шума в помещение.
В квартирах длительно эксплуатируемых зданий может происходить застой воздуха, связанный как с износом вентиляционных систем, так и с износом ограждающих конструкций, способствующим понижению температуры и плотности внутреннего воздуха в холодный период года, а следовательно, воздухообмена- В результате нарушения воздухообмена и температурно-влажностного режима помещения на внутренних поверхностях наружных ограждений квартир возможно появления плесени. Накапливаемые в таких зданиях вредные вещества негативно воздействуют на организм человека. Выявление конкретных причин, обусловливающих повышение загрязняющих веществ в помещении, определение реальных способов снижения их концентраций, а следовательно уменьшения вероятности возникновения отрицательных последствий, является чрезвычайно важной проблемой.
Требования к уровню комфорта жилья постоянно изменяются с развитием общества, С повышением требований к теплозащите зданий уровень теплового комфорта вновь строящихся зданий выше, чем построенных несколько лет назад. Жилые здания, возведенные с одним уровнем комфорта, спустя какой-то
промежуток времени, перестают соответствовать улучшенным критериям оценки, т.е. морально устаревают. С увеличением срока эксплуатации здания возникает необходимость в прогнозировании отрицательного влияния физического и морального износа ограждающих конструкций и инженерного оборудования здания на параметры микроклимата помещений.
С развитием износа ограждающих конструкций жилых зданий происходит нарушение внутренней среды помещений, что вызывает у людей ощущение дискомфорта. Практически во всех домах старой постройки (эксплуатируемых более 30 лет) наблюдается отклонение параметров микроклимата в худшую сторону, хотя работы по устранению отказов и проведению ремонтов в этих домах проводятся своевременно. Для поиска необходимых технических решений и рационального обеспечения параметров внутренней среды старых домов необходимо выявить зависимость изменения микроклимата помещений от раз-вития износа их элементов.
Известен достаточно широкий круг работ отечественных и зарубежных ученых, занимающихся данными проблемами: Беляева B.C.; Боброва ЮЛ,; Богословского В.Н.; Бодрова В.И.; Валова В.М.; Ильинского В.М.; Кувшинова Ю.Я.; Лыкова А.В.; Майнерта 3.; Осипова ГЛ.; Сазонова Э.В.; Табунщикова ЮЛ.; Титова В.П.; Ушкова Ф.В.; Шильда Е. и других. Однако вопросы, связанные с прогнозированием изменения микроклимата в результате старения материала конструкций и элементов здания, несмотря на очевидную актуальность и многочисленные ссылки, до последнего времени детально не прораба-тывались. Так, до настоящего времени не исследовалось суммарное воздействие воздушных потоков, температуры, вредных веществ, звукового давления, проникающих через сквозные щели ограждений, и их дальнейшее влияние на жизнедеятельность человека.
Создание и изучение метода расчета влияния физического и морального износа элементов зданий на изменение микроклимата помещений поможет решить актуальные проблемы повышения качества жилых домов: обеспечить необходимое сочетание требуемой комфортности и безопасности воздушной среды, снизить эксплуатационные затраты строительных объектов. Важность решения проблемы микроклимата жилых помещений и его улучшения определя-
ется тем, что в жилище человек проводит большую часть своей жизни, это место отдыха и восстановления утраченной в процессе труда работоспособности, место постоянного пребывания наиболее ранимых контингентов населения -детей и престарелых.
Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь профессору ВГАСУ ЭЛЗ. Сазонову.
Цель и задачи исследования* Создание методики расчета изменения микроклимата помещений под влиянием процесса старения ограждений и инженерного оборудования жилых домов на основе математических моделей процессов теплопереноса, конвективной диффузии веществ и распространения звуковой энергии через ограждающие конструкции для проведения мониторинга технического состояния здания.
Достижение поставленной цели достигается решением следующих задач:
выявлением причины изменения параметров внутренней среды помещений на основе статистического анализа экспериментальных данных технического состояния жилых домов и оценкой их изменения в зависимости от износа ограждающих конструкций и инженерного оборудования здания;
определением зависимости между физическим износом элементов зданий и параметрами микроклимата помещений;
разработкой математической модели изменения параметров внутренней среды под воздействием износа ограждающих конструкций зданий, проверкой ее адекватности на основе натурных исследований;
уточнением методики проведения информационно - диагностического обеспечения технического состояния конструкций зданий и разработкой рекомендации по проведению мониторинга микроклимата жилых помещений в эксплуатируемых домах;
определением эффективности применения мониторинга по сравнению с планово-предупредительными ремонтами (ППР);
- разработаткой алгоритма для автоматизированного расчета изменения параметров внутренней среды помещений при изменении технического состояния здания.
Научная новизна работы. При решении поставленных задач в процессе исследований получены следующие новые научные результаты:
выявлены закономерности появления неисправностей ограждающих конструкций жилых объектов в процессе эксплуатации в зависимости от их ориентации по сторонам света, направления и скорости ветра, этажности;
обоснованы причины и получены зависимости изменения параметров микроклимата помещений под воздействием изменения характеристик ограждающих конструкций жилых зданий в процессе их старения;
выявлены факторы изменения воздухообмена жилых помещений от изменения физического износа вентиляционных систем и ограждающих конструкций здания;
разработана физико-математическая модель формирования нестационарной теплопередачи, фильтрации воздуха и массообмена через ограждающую конструкцию здания с учетом ее износа;
выявлены особенности звукового режима жилых помещений в домах с различным эксплуатационным износом наружных стен и различными конструкциями световых проемов;
скорректирована методика проведения мониторинга технического состояния конструкций зданий, в состав которой включен план информационно-диагностического обеспечения внутренней среды помещений и определена эффективность применения мониторинга по сравнению с ППР;
разработан алгоритм для автоматизированного расчета изменения параметров внутренней среды помещений при изменении технического состояния здания.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы вычислительной математики и математического моделирования, применены численные, в том числе вариационные, методы» сравнитель-
ный и системный анализ, теория дифференциальных уравнений в частных производных, теория гидродинамики и тепломассообмена.
На защиту выносятся:
Выявленные закономерности изменения технического состояния жилых объектов в процессе эксплуатации и их влияние на изменение параметров внутренней среды помещений;
Приближенные решения задач тепло - массопереноса через ограждающую конструкцию здания с учетом ее износа;
Разработанная модель звукового потока, проникающего через трещину в ограждающие конструкции здания;
Полученные результаты экспериментальных исследований влияния износа зданий на воздухообмен помещений, концентрацию радона и особенности звукового режима в жилых домах;
Разработанная методика проведения информационно - диагностического обеспечения технического состояния конструкций зданий и микроклимата жилых помещений.
Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке и создании эффективного информационно-диагностического обеспечения технического состояния конструкций зданий и микроклимата помещений как способа повышения качества внутренней среды гражданских зданий.
Результаты диссертационной работы используются в процессе обучения студентов по дисциплинам "Техническая эксплуатация зданий и сооружений", "Сантехническое устройство зданий", "Теплогазоспабжение и вентиляция зданий" и при дипломном проектировании в Воронежском государственном архитектурно - строительном университете.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Повышение качества среды жизнедеятельности города и сельских поселений архитектурными средствами" (Орел, 2005 г.);
научно - практических конференциях Воронежского архитектурно - строительного университета (Воронеж, 2004-2005 гг.); научно - практической педагогической конференции "Качество подготовки специалистов строительного комплекса" (Липец, 2004 г.).
Результаты диссертационной работы использованы в научном отчете по проекту "Исследование влияния автотраіїспортного загрязнения на физический износ зданий и сооружений селитебных территорий" в соответствии с ведомственной научной программой "Развитие научного потенциала высшей школы" (Регистрационный номер НИР в ФГУП ВНТИЦ - 0120.0504711, Воронеж 2005 г.); в научном отчете по проекту "Исследование влияния условий планировки примагистральных территорий города на экологическую безопасность населения" в соответствии с ведомственной научной программой "Развитие научного потенциала высшей школы" (Регистрационный номер НИР в ФГУП ВНТИЦ -0120.0 504712, Воронеж 2005 г.).
Публикации, По материалам исследований опубликовано 8 научных статей общим объемом 28 страниц. Лично автору принадлежат 25 страниц. Две работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, согласно перечню, определяемому ВАК.
Достоверность. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, обоснованы теоретическим анализом современных методик и математическими доказательствами. Они подтверждены расчетами на ЭВМ, натурными исследованиями с использованием оборудования лаборатории энергоаудита при ГОУ ВПО ВГАСУ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа, состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (120 наименовании). Диссертация составляет 181 страницу, в том числе содержит 56 рисунков, 42 таблицы и 6 приложений.
Оценка экологической безопасности воздушной среды
Ощущение комфорта людьми может формироваться под влиянием факторов не связанных с тепловой обстановкой. В более широком аспекте к микроклимату относят концентрацию содержащихся в воздухе примесей (С), включая пыль, ионный состав (і), световой режим помещений, уровень шума (L) и некоторые другие факторы. Составляющие, от которых зависит воздушный комфорт, действуют на человека взаимосвязано, что обусловливает в свою очередь необходимость комплексного нормирования, а не нормирование преимущественно температурно - влажностпых параметров. Если санитарно-гигиенические условия проживания, в том числе температури о-влажностный режим помещений и конструкций, уровни шума или вибрации в жильтх зданиях не соответствуют допустимым параметрам и технически не представляется возможным привести их в соответствие с нормами, то помещение считается не пригодным для постоянного проживания [24],
Внутренняя среда жилых и общественных зданий формируется в основном ограждающими конструкциями и инженерными устройствами. При формировании микроклимата гражданских зданий ведущую роль играет воздухопроницаемость ограждающих конструкций [14, 25]. Воздухообмен помещений, связанный с комплексом тепловых параметров и определяющий качество воздушной среды, рассматривается как обязательный гигиенический показатель [2, 16, 26, 27, 28] обусловливающий газовый состав воздуха и обеспечивающий воздушный комфорт человека в закрытом помещении» Большой вклад в решение вопросов воздушного режима зданий внесли Богословский В.Н., Гримит-лин М.И., Полушкин B.R, Сазонов Э.В., Титов B.IL, Эльтерман В.М. и др.
Рекомендуемый объем свежего воздуха, поступающего в жилое помещение, установлен на основании количества углекислого газа в помещении [29]. Интенсивность фильтрации воздуха через ограждения определяется разностью давлений с двух сторон конструкции, объясняется их пористостью, наличием трещин и отверстий и рассчитывается экспериментально, путем продувки воздуха через образцы материалов [25, 29]. Перемещение воздуха через материал и неплотности ограждающих конструкций вследствие ветрового и гравитационного напоров происходит в направлении от наружной среды в помещение, то оно называется инфильтрацией, при обратном направлении - эксфильтраци-ей. Фильтрация может оказать значительное влияние на тепловлажностный режим ограждений и воздушный режим помещений. Теплый и увлажненный воздух помещения, проходя сквозь толщу ограждения, отдает часть содержащейся в нем влаги материалу, повышая его влажность. При инфильтрации наружного холодного, но сухого воздуха через пористое и воздухопроницаемое ограждение проявляются ее положительные эффекты: осушающий, вентиляционный, удаления влажного воздуха с микрофлорой от внутренних поверхностей наружных ограждений [30, 31],
Возникновение в результате старения конструкции трещин, щелей, крупных пор нарушает равномерность поступления наружного воздуха через ограждение и увеличивает его инфильтрацию. Повышенная инфильтрация ухудшает микроклиматические условия в помещениях: уменьшается температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций, снижаются значения внутренней температуры помещения, увеличивается подвижность воздуха.
Инфильтрация холодного воздуха понижает температуру ограждающей конструкции. При температуре, равной точке росы происходит конденсация водяного пара на конструкциях с последующим появлением плесени- Конденсация водяного пара в толще ограждения вызывает множество проблем: от переувлажнения и бактериального заражения до разрушения ограждающих конструкций [32,33,34]. Влажность снижает воздухопроницаемость пористых материалов, создает определенное сопротивление фильтрации воздуха, требующее некоторого начального перепада давлений ДРН для преодоления сил поверхностного натяжения воды в порах [29]. Фильтрация воздуха происходит по порам, щелям и отверстиям в материале, это движение может быть ламинарным или турбулентным. Режим движения воздуха в порах материала определяется критерием Рейнольдса Re [29], При турбулентном движении тепло- и влагообмен между воздухом и материалом более интенсивен, чем при ламинарном. В открытых порах малого сечения при Re 1,0 формируется ламинарное течение, для которого аэродинамическое сопротивление определяется скоростью в первой степени [35], Отверстия большего размера действуют как диффузоры, сопротивление которых пропорционально квадрату скорости.
Определяющее влияние на повышение воздухопроницаемости ограждающих конструкций оказывает воздухопроницаемость сопряжений между отдельными элементами ограждений: швы кирпичной кладки, стыки в балочных и панельных стенах, конструкции окон без уплотнения. Воздухопроницаемость этих сопряжений обычно во много раз больше воздухопроницаемости материалов ограждения и увеличивается в процессе эксплуатации здания за счет износа и разгерметизации стыкового соединения. В связи с этим в приоконной и в при-польной зоне помещения складываются неблагоприятные климатические условия: повышенная подвижность воздуха и пониженные температуры. Это обусловливает тепловой дискомфорт в жилых помещениях»
В настоящее время существует несколько методов расчета инфильтрации наружного воздуха: метод расчета под действием ветрового давления, нормативный метод, метод расчета инфильтрации по воздухообмену, метод расчета инфильтрации, обусловленной тепловым напором.
Развитие износа здания и изменение физико-механических свойств его ограждающих конструкций
Свойство ограждающих конструкций, образующих замкнутый объем внутреннего пространства здания, сопротивляться переносу теплоты между помещениями и наружной средой, а также между помещениями с различной температурой воздуха, называется теплозащитой. Теплозащита здания - обеспечение таких теплофизических свойств ограждений, при которых экономически и гигиенически целесообразна работа систем отопления и вентиляции [67]. Теплозащитные свойства наружных ограждающих конструкций при эксплуатации жилых зданий определены в нормативных документах температурным перепадом At", т.е. разницей между температурой воздуха внутри помещения и температурой на внутренней поверхности ограждения.
Для теплотехнического расчета повсеместно применяется нормативный методу основанный на определении термических сопротивлений отдельных слоев ограждения, с последующим определением различных его характеристик (коэффициента теплопередачи, удельного теплового потока, температуры поверхностей и т.д.) и выполнением ряда проверок па соответствие ограждающей конструкции нормативным требованиям.
Процессы теплопередачи теплоты в зданиях и их ограждающих конструкциях могут происходить тремя основными способами теплообмена. В воздушной среде у поверхностей конструкции, а так же в воздушных прослойках, пустотах преобладает теплообмен конвекцией и излучением, тогда как в твердых материалах конструкций основным видом передачи тепла является теплопроводность. Величина коэффициента теплопроводности зависит от плотности материала р, кг/м , влагосодержания материала d, г/кг, парциального давления водяных паров в воздухе Рв, кПа, формы поверхности ограждения [68], Наибольшее значение для практических результатов теплофизических расчетов ограждающих конструкций имеют изменения теплопроводности материала от их пористости (плотности) и влажностного состояния.
Строительные материалы являются сложными капиллярно-пористыми телами, поры которых могут быть заполнены водой, воздухом или льдом. При увеличении размера пор больше некоторого значения для каждого материала имеет место увеличение теплопроводности [69]. В крупных, сообщающихся между собой порах возникают конвекционные токи воздуха, снижающие теплоизолирующий эффект пористости. Увеличение количества мелких замкнутых пор также существенно понижает теплопроводность. Это необходимо учитывать при старении ограждающей конструкции с образованием большого количества мелких трещин или сетки.
Теплозащитные качества строительного материала существенно зависят от влажности: чем больше влажность, тем больший коэффициент теплопроводности имеет материал. Изменение влажности от 0 до 25% (по объему) приводит к увеличению теплопроводности, например бетона на 100.-.200 % [70]. Количественную значимость изменений теплопроводности материала от его влажности часто объясняют тем, что теплопроводность воды, вытесняющей воздух из пор при увлажнении материала, высока (примерно в 20 раз больший, чем воздух). Однако увеличение теплопроводности материала при его последовательном увлажнении превосходит величину, ожидаемую на основе разницы в теплопроводности воды и вытесняемого ею воздуха. Для многих материалов наибольшее увеличение теплопроводности па каждый процент повышения влажности отмечается на первых стадиях увлажнения материала. Такое более высокое увеличение теплопроводности по сравнению с происходящим на после дующих стадиях увлажнения может быть объяснено различной проводимостью влаги адсорбированной и свободной воды.
Поскольку в ограждающих конструкциях жилых зданий равновесная влажность материала зависит от внешних метеорологических воздействий, климатические условия приобретают большое значение при определении расчетной величины теплопроводности. На основе сравнения экспериментальных данных разных авторов [71, 29] построена зависимость увеличения коэффициента теплопроводности от увеличения влажности материала конструкции, выполненной из керамзитобетон а, 7=1200 кг/м3 (рисунок 1.9). Ъ Вт/(м С)
Полученная зависимость является усредненной, поскольку не отражает структурных характеристик материалов, изготовленных по разной технологии. Как видно из рисунка 1.9 большая интенсивность возрастания коэффициента теплопроводности материалов наблюдается при малых влажностях, а затем интенсивность роста начинает снижаться.
Основываясь на различиях теплопроводности воды и льда, можно предположить, что замерзание влаги в порах материала должно приводить к резкому повышению теплопроводности ограждающей конструкции. В реальных условиях для материалов конструкций характерна ограниченная степень увлажнения. При ограничении увлажнения материала преобладающее количество влаги сосредоточено в группах наиболее мелких пор и у контактов твердых частиц. Образование зародышей кристаллов замерзшей влаги происходит в первую очередь на поверхности полостей, трещин и крупных пор. Результатом таких процессов является заполнение инеем или рыхлым льдом участков материала, имеющего различные дефекты. Заметное снижение теплопроводности легких бетонов при их замерзании отмечено экспериментальными работами многих исследователей [72,73].
Неравномерность промерзания и оттаивания ограждающих конструкций вызывает растрескивание их отделочных слоев, а затем и основных. В сопряжениях элементов стен появляются трещины. Эти повреждения вызывают нарушение эксплуатационных характеристик ограждений, снижение их теплоустойчивости и как следствие ухудшение внутреннего климата помещений в холодный период года.
Наибольшее значение для практических результатов теплофизических расчетов ограждающих конструкций имеют изменения теплопроводности материала от их пористости (плотности) и влажностного состояния. Процессы тепло - и влагообмена в толще материала взаимосвязаны. Увеличение влажности материала вызывает увеличение коэффициента теплопроводности.
В результате старения здания в ограждениях появляются повреждения, трещины и щели, способствующие проникновению влаги в конструкцию, повышенной инфильтрации наружного воздуха, снижающие теплозащитные свойства ограждений, что является причинами ухудшения микроклимата помещения.
Аналитический метод расчета температурного поля ограждения, имеющего сквозную фильтруемую щель
Здания в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных сред природного и техногенного характера. В результате указанных воздействий происходит изменение первоначальных свойств материалов конструкций и инженерного оборудования зданий. Различают две формы изменений - старение и износ [86].
Старение - процесс изменения физико-химических свойств материала конструктивного элемента при длительной естественной выдержке, т.е. в результате воздействия на конструкцию окружающей среды, механических нагрузок. Старение материала предшествует его разрушению. Разрушение конструкции под воздействием нагрузок происходит в месте наиболее опасного дефекта, В отличие от нагрузок факторы окружающей среды действуют равномерно или избирательно в одном или нескольких местах конструкции и сопровождаются интенсивным физическим износом.
Нарушения нормального состояния зданий можно представить себе как нарушения, не затрагивающие основной конструктивной схемы (повышенная влажность, нарушение свойств материалов, повреждение отделки и др.) и как нарушения основной конструктивной схемы (ослабление элементов, деформаций несущих конструкций и т.д.). Результатом этих нарушений является эксплуатационный износ- потеря первоначальных эксплуатационных показателей, выполняющих заданные функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки [60,87,88], Применительно к ограждающим конструкциям зданий эксплуатационный износ можно определить по способности обеспечивать нормативный температурно-влажностный, звуковой и воздушный режим помещений, сохранять эксплуатационные показатели (тепло-, влаго-, воздухозащиту, звукоизоляцию) в заданных нормативных пределах. Для определения возможности использования конструктивных элементов здания необходимо знать величину их физического износа — показатель, характеризующий степень ухудшения технических и связанных с ними других эксплуатационных показателей здания на определенный момент времени. Динамика физического износа может быть представлена в виде следующей схемы, рисунок 2.1.
В течение периода эксплуатации здания (рисунок 2.1) можно выделить три основных фазы общего процесса физического износа: - первая фаза (эксплуатация в пределах 25% нормативного срока службы) характеризуется усиленным нарастанием износа вследствие дефектов, связанных с качеством материалов, изделий и конструкций, качеством самих строительно-монтажных работ при возведении зданий, а также в связи с самой эксплуатацией (начальный период эксплуатации сопровождается осадкой фундаментов и т.д.); - во второй фазе (продолжительность составляет порядка 50% нормативного срока службы) процесс износа конструктивных элементов и здания в целом замедляется в результате проведения текущих и капитальных ремонтов, замены и обновления конструктивных элементов; - третья фаза (период эксплуатации объекта характеризуется повторным усиленным нарастанием износа конструктивных элементов вследствие накопления эксплуатационной усталости), соответствует периоду, когда конструк тивные элементы подвержены усиленному разрушению. На этой стадии износ здания остановить и компенсировать практически невозможно. Производятся только поддерживающие ремонты для сохранения и поддержания зданий и строений в допустимом техническом состоянии до момента их комплексной реконструкции или сноса.
В настоящее время широко разработаны и применяются на практике два принципиальных направления в определении физического износа [89,90]: объективная диагностика и приблизительная оценка с использованием укрупненной шкалы.
Объективная диагностика состоит из обследования состояния зданий, включающая в себя органолептическую оценку элементов и конструкций, камеральную обработку архивных материалов и инструментальные неразрушаю-щие методы испытаний конструктивных элементов зданий [91,92], Органолеп-тическая оценка сводится к выявлению видимых дефектов элементов и конструкций, таких, как осадочные трещины, расслоения в каменной кладке и ее выветривание, наличие повышенной влажности на поверхности конструкций, трещины и вздутия рулонной кровли и т.д. При оценке технического состояния несущих конструкций учитывают все факторы, которые могут отрицательно повлиять на нормальную эксплуатацию элементов зданий и микроклимата. По результатам обследования технического состояния конструктивных элементов устанавливают процент износа каждого элемента. Процент износа здания в целом - как среднюю арифметическую взвешенную, выведенную из процента износа отдельных конструктивных элементов. Внедрение в практику обследования жилых зданий объективного метода позволяет получать данные, характеризующие с достаточной степенью точности состояние отдельных конструктивных элементов и систем, а так же зданий в целом, что имеет большое значение для повышения качества проектирования и проведения теплозащитных мероприятий.
Экономическая эффективность при внедрении системы комплексной диагностики технического состояния зданий и микроклимата жилых помещений по сравнению с ППР
Моделирование представляет собой двуединый процесс создания и исследования моделей- Использование моделей всегда и неизбежно связано с уп-рощением идеализацией моделируемого процесса. Математическая модель процесса или системы представляет собой совокупность уравнений, неравенств, геометрических фигур и т.д., которые соответствуют реальным объектам и способны в определенном смысле их замещать или имитировать. При математическом моделировании исследование свойств и характеристик исходного объекта заменяется исследованием его математических моделей. Современный этап математического моделирования характеризуется широким привлечением компьютеров, методов вычислительной математики. Роль математического моделирования проявляется в том, что вместо натурного эксперимента проводится математический эксперимент. Вместо исследований проявления того или иного воздействия на исследуемый объект используется параметрическое изучение математической модели, зависимости решения от того или иного параметра. Такой эксперимент, дополняя натурный, позволяет значительно глубже исследовать явление или процесс.
Математическая модель должна отражать взаимодействие среды с человеком, учитывать характерные условия эксплуатации и с помощью зависимостей выражать физическую сущность изменения воздушного и теплового режима помещения. Для обеспечения и регулирования комфортных условий в помещениях, необходимо исследовать изменение свойств ограждающих конструкций в процессе их старения и износа. Для этого необходима математическая модель тепло, массообмена и распространения звуковых волн через ограждения с различным физическим износом и модель изменения параметров микроклимата в помещения. Для математического моделирования параметров микроклимата с целью получения количественных данных нами были проведены многочисленные научные исследования, позволяющие точно установить вид функциональной или стохастической взаимосвязи "ограждения - микроклимат",
В настоящей работе применяется один из основных методов математического моделирования, состоящий в постепенном усложнении и совершенствовании моделей. Сначала рассматривается простая аналитическая модель, например, теплового режима ограждения, основанная на уравнении теплового баланса. Реализация этой модели позволяет исследовать процесс изменения микроклимата и сформулировать граничные условия для более сложных моделей: непрерывной и стохастической. Непременным условием осуществления метода математического моделирования является описание исследуемого процесса, поскольку подобие должно существовать не между самими явлениями, а между математическими соотношениями, описывающими эти явлениями.
В качестве базовых моделей многих процессов выступают краевые задачи для нестационарных уравнений конвекции-диффузии - параболические уравнения второго порядка с младшими членами [110]. Уравнения движения, энергии и неразрывности в сочетании с начальными и граничными условиями позволяют сформулировать физико-математическую постановку задачи о распределении температуры, скорости и концентрации веществ в помещении вблизи ограждающих конструкций, подверженных физическому износу. Для решения уравнений необходимо выявить условия их замыкания, которые требуют опытного установления характеристик данных явлений. В настоящее время нет общих методов выявления этих характеристик, хотя применение численных, в том числе вариационных методов получило в последние годы большую популярность.
Использование вариационных методов в теории теплопроводности обычно основано на замене краевой задачи эквивалентной вариационной задачей. Приближенное решение уравнения теплопроводности с краевыми условиями сводится к нахождению приближенного решения эквивалентной вариационной задачи. Для решения нестационарной краевой задачи теории теплопроводности применимы методы Био, Айнолы Ритца, Кантаровича, Треффтца. С этой целью следует совместно применять метод разделения переменных и один из вариационных методов, либо метод интегрального преобразования Лапласа по временной переменной и один из вариационных методов. Один из эффективных приближенных методов решения краевых задач теории теплопроводности - это метод Бубнова- Галеркина, который часто относят к вариационным методам, однако возможности метода Бубнова- Галеркина шире, т.к. при его использовании нет необходимости формулирования вариационных задач [111].
Задача прогнозирования и снижения акустических характеристик в помещениях может быть сформулирована как задача нахождения отклика сложной динамической системы в виде поля распределения в пространстве и времени акустических мощностей и других характеристик отдельных точек системы на действие возмущающих сил различного характера в источниках. Задача прогнозирования акустических характеристик включает также способы регулирования этого отклика в требуемых пределах.
В процессе старения материал ограждающих конструкций в той или иной степени изменяет свои свойства. Происходит нарушение наружного защитного слоя ограждения, образуются трещины и разломы. Образование трещины в ограждающей конструкции нарушает ее однородность, способствует проникновению через нее влаги, газов и паров внутрь помещения, повышает инфильтрацию в холодный период года. Повышенная инфильтрация наружного воздуха повышает подвижность внутреннего воздуха и понижает температурное поле ограждения.
Похожие диссертации на Влияние процесса старения ограждающих конструкций и инженерных систем жилых зданий на микроклимат помещений
