ГлавнаяБольшинство эксплуатируемых зданий имеют подвальные помещения, ограждения которых контактируют с грунтом. Подвал или подвальный этаж представляет помещение, отметка пола которого ниже отметки земли более чем на половину его высоты. В подвалах одно- и двухэтажных жилых домов часто размещают жилые и подсобные помещения, в многоэтажных - технические и коммунальные службы. В общественных зданиях подвалы могут быть использованы для размещения различных мастерских и организаций. В современном строительстве с целью экономии территорий, распространяется практика заглубления общественных зданий на несколько этажей в грунт. Подвальные эксплуатируемые помещения отапливаются, что определяет необходимость их теплоизоляции для снижения теплопотерь, обеспечения тепловлажностного режима, исключающего переувлажнение ограждающих конструкций.
Многие здания не имеют отапливаемых подвальных помещений. Так в жилых десятиэтажных зданиях из блок-комнат серии ЗА-ОПБ-9, 1996...1998 годов строительства устроены неотапливаемые технические подвалы, в которых размещаются тепловые узлы и инженерные сети. Перекрытия над подвалами теплоизолированы минеральной ватой с толщиной слоя b = 200 мм и имеют сопротивление теплопередаче Rт > 3,0 м2*°С/Вт.
Несмотря на наличие теплоизоляции на перекрытии, пол первого этажа на ряде зданий «холодный», а температура воздуха в жилых помещения в зимний период года tв = 15...16 °C. Причиной охлаждения перекрытия являются дефекты стыковых соединений строительных конструкций со стороны подвала и на уровне нулевой отметки наружных ограждений (рис. 4.10).
Места проникновения холодного воздуха в перекрытие подвала на схеме указаны стрелками. Чтобы исключить поступление воздуха необходимо выполнить ремонт стыковых соединений блок-комнат и других элементов ограждающих конструкций наружных стен ниже и выше нулевой отметки, а также стыковых соединений конструкций перекрытия со стороны подвала путём запенивания или дополнительной теплоизоляцией.
Стены отапливаемых подвалов выполняются из сборных элементов или монолитно. Теплоизоляционный слой обычно размещается на наружной или внутренней поверхности фундаментов. Встречаются варианты ограждающих конструкций со средним теплоизоляционным слоем или с двухсторонней теплоизоляцией. Для предохранения стен подвалов от увлажнения поверхностными водами устраиваются отмостки шириной не менее 0,8 м с уклоном от здания 0,02...0,01. Вертикальные и горизонтальные участки фундаментов защищаются гидроизоляцией.
Несмотря на выполнение защитных мероприятий наблюдается увлажнение фундаментов, сопровождающееся просадками, трещи-нообразованием, разрушением железобетонных блоков и т.д. Поступление влаги в конструкции подвальных помещений происходит в следствии:
- капиллярного подъёма по фундаменту;
- конденсации водяного пара из воздуха;
- проникновения атмосферных осадков через грунт.
Во вновь возведенных зданиях в ограждениях присутствует также строительная влага.
Увлажнение конструкций подвалов влечёт изменение интенсивности переноса теплоты из помещений в окружающую среду, а, следовательно, и увеличение их теплопотерь. Величина теплопотерь зависит от термических сопротивлений ограждающих конструкций подвалов и примыкающего массива грунта.
Учитывая переменный характер внешних атмосферных условий тепловлажностный режим системы «подвальное помещение - массив грунта» следует характеризовать как нестационарный. Изменяющимися факторами являются температура наружного воздуха, фазовые переходы грунтовой влаги, толщина снежного покрова и т.д. Все они влияют на теплофизические характеристики грунта и строительных материалов.
Исследование теплового режима, процессов переноса массы, а также теплопотерь через ограждения заглубленных и подвальных помещений посвящены работы Аше Б.М., Щукина О.Г., Дячека П.И. и Макаревича С.А., Владимирова Р.В., Сотникова А.Г. и др. В ранних работах рассматривались задачи стационарного режима переноса теплоты через стены и полы заглубленных в грунт зданий. На их основании разработаны упрощённые методики расчёта. Наиболее известна методика расчёта теплопотерь заглубленных частей здания по зонам - полосам 2-метровой ширины по периметру здания и условным коэффициентам теплопередачи этих зон, отнесённых к наружной температуре. Данная методика включена в нормативные документы Республики Беларусь и используется для выполнения расчётов по формуле (4.1). К недостаткам методики относится:
- принятие коэффициентов теплопередачи постоянной величиной вне зависимости их от влажности и температуры:
- не учёт тепловой инерции массива грунта, которая практически приравнивается к тепловой инерции наружных стен, так как расчётная температура наружного воздуха в формуле (4.1) принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки;
- отсутствие учёта сезонного промерзания грунта вне контура здания и т.д.
Учёт нестационарности физических процессов переноса теплоты в заглубленных и подвальных помещениях предложен в методике Гиндояна А.Г. На основании аналитического решения дифференциальных уравнений стационарной и нестационарной теплопроводности для двумерной области были получены зависимости для расчёта стационарной и нестационарной составляющих теплопотерь через ограждения здания.
Стационарная составляющая Qc находится как функция перепада температур поверхности ограждения и среднегодовой температурой поверхности грунта за пределами здания, коэффициента теплопроводности грунта, ширины здания, толщины наружной стены здания.
А нестационарная составляющая Qн определяется амплитудой годовых колебаний температуры поверхности грунта, значениями теплофизических характеристик грунта, толщиной наружной стены и другими факторами.
Используемый подход основан на принципе суперпозиции, что позволяет уточнить влияние нестационарности процесса на действительные теплопотери. В тоже время в данной методике приняты упрощения. К ним относится равенство теплофизических характеристик материалов ограждений и грунта, косвенный учёт фазовых переходов влаги и другие. Из-за принятых упрощений в результаты расчётов температурных полей, в зонах ограждений прилегающих к грунту, вносятся искажения, что влияет на результаты расчётов теплопотерь.
Принципиально иной подход к формулировке теплофизической задачи и разработке инженерной методики определения расчётных потерь теплоты через полы и заглубленные участки стен зданий в зимний период года предложен в работах. Рассматривается трехмерная задача нестационарной теплопроводности с учётом фазовых превращений. Расчётная схема заглубленной части зданий показана на рис. 4.11.
Уравнение переноса теплоты имеет вид
Граничные условия учитывают особенности теплообмена на наружной поверхности стены и прилегающего массива грунта, наличие снежного покрова. Теплофизические характеристики приняты как эффективные значения в зависимости от плотности, влажности, льдистости грунта. Начальные условия принимаются приближенно. Расчёт выполняется для нескольких годовых циклов до тех пор, пока не устранялось влияние начальных условий на формирующееся температурное поле. Достоверные результаты получаются после расчёта двух-трёх годовых циклов изменения наружных климатических параметров.
Проверка соответствия принятой задачи реальным условиям теплового режима эксплуатируемых подвальных помещений была проведена натурными экспериментами на трёх объектах общественного и сельскохозяйственного назначения.
Численные решения уравнения 4.21 позволили сформулировать методику расчёта теплового потока на внутренней заглубленной части стены или пола по грунту. Его локальные значения предлагается определять по формуле
где qс — стационарная составляющая теплового потока, обусловленная действием разности между расчётной температурной внутреннего воздуха для холодного периода года и среднегодовой температурой наружного воздуха, Вт/м2;
qн — нестационарная составляющая теплового потока, формируемая действием дополнительной разности температур, обусловленной отклонением среднемесячных температур от среднегодовой температуры наружного воздуха, Вт/м2;
qn — нестационарная составляющая теплового потока, формируемая кратковременными (от 5 до 7 суток) случайными процессами отклонения среднесуточных температур наружного воздуха от среднегодовой температуры наружного воздуха, Вт/м2;
km — поправочный коэффициент, учитывающий влияние внутреннего угла на значение тепловых потоков;
рн, рn — поправочные коэффициенты, учитывающие влияние снежного покрова на значение потерь теплоты через полы по грунту и заглубленные части зданий.
Расчёт значений величин, входящих в формулу (4.22), осуществляется по рекомендациям.
Суммарный тепловой поток через расчётную область заглубленной части стены или пола по грунту определяется как
где F — площадь рассматриваемой области, м.
Следует отметить, что методика, достаточно сложна и требует от её пользователей подготовки.
Методика расчёта теплопотерь заглубленной части здания, основанная на использовании решений задач стационарного переноса теплоты в телах простой геометрической формы. Рассматривается тепловое взаимодействие двух тел «элемента здании (пластина, цилиндр и т.д.)» с бесконечным или полуограниченным массивом грунта. Пример расчётной схемы задачи показан на рис. 4.12.
Решение указанной задачи проводится с использованием формул решения частных примеров, приведенных в монографии.
В общем случае, для ограждений подземной части здания (стена, пол) учитывают все слои конструкции, кроме 1/ан для пола. Тогда общее термическое сопротивление, отнесённое к температуре наружного и внутреннего воздуха, равно:
Данная методика учитывает термическое сопротивление стен пола, а также теплопроводность грунта. Для более плотного и влажного грунта его теплопроводность и теплопотери растут, при этом влияние грунта становится более заметным.
При определении термического сопротивления следует учитывать только те слои конструкции, которые надёжно защищены гидроизоляцией от грунтовой воды или влажного грунта.
Анализ работ по решению задачи расчёта теплопотерь через заглубленные части зданий показывают, что простой достоверной методики на данный момент не предложено. Поэтому в нормативной документации по-прежнему используется методика расчёта теплопотерь заглубленных частей зданий по зонам с условным коэффициентом теплопередачи этих зон.