Особенности проектирования зданий и сооружений в северных широтах с точки зрения строительной физики

Подковырина Ксения Алексеевна преподаватель, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Podkovyrina Kseniya Alekseevna Educator, the department of Building Engineering and Real Estate Expertise, Siberian Federal University 660028, Russia, Krasnoyarsk, Prospekt Svobodnyi 82 A suusha92@mail.ru Другие публикации этого автора     Подковырин Владимир Сергеевич аспирант, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Podkovyrin Vladimir Sergeevich Post-graduate student, the department of Building Design and Real Estate Expertise, Siberian Federal University, Architectural Engineer, LLC “Noria” 660028, Russia, Krasnoyarsk, Pereulok Svobodnyi 82a v.pdk@yandex.ru Другие публикации этого автора

Назиров Рашит Анварович доктор технических наук профессор, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Пр. Свободный, 82а Nazirov Rashit Anvarovich Doctor of Technical Science Professor, the department of Building Engineering and Real Estate Expertise, Siberian Federal University 660028, Russia, Krasnoyarsk, Prospekt Svobodnyi 82 A nazirovra@gmail.com

Эксплуатационные качества зданий определяются не только их размерами, конструкциями, качеством отделки и т.д. Важным фактором является защищенность от внешних воздействий, таких как холод, атмосферные осадки, шум. В зависимости от назначения помещения должны иметь определенную температуру и влажность внутреннего воздуха, подвергаться необходимое время воздействию прямых солнечных лучей, иметь достаточную освещенность, благоприятную акустическую среду, а так же температура на внутренней поверхности стен должна быть не ниже температуры точки росы. Правильный учет этих факторов обеспечивает такое состояние искусственной среды жизнедеятельности, которое воспринимается человеком как комфортное. Долговечность зданий так же зависит от правильного учета физики процессов, происходящих в ограждениях при передаче тепла и влаги.

Города в северных широтах всегда привлекали внимание исследователей, что способствовало изучению этого региона, урбанизации арктического строительства и переходу вахтовых поселков к городам постоянного проживания. Для северной зоны характерны экстремальные природные условия: низкие в течение всего года температуры, длительные полярная ночь и полярный день, частые магнитные бури, сильные ветры и метели, плотные туманы, однообразные арктические пустыни и тундры, вечная мерзлота. Повышенная относительная влажность воздуха на побережьях и пониженная - в центральной части Крайнего Севера должна учитываться при расчете ограждающих конструкций, особенно при формировании комфортного микроклимата в гражданских зданиях. Карта районирования территории РФ по суровости климатических условий представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Карта районирования территории РФ по суровости климатических условий

Ряд работ посвящен изучению особенностей Крайнего Севера ^[1-17].

Традиционным жилищем севера России является – чум, яранги, иглу, северорусская изба. В статье ^[1] описана структура внутреннего пространства таких жилищ, дана сравнительная оценка их компактности и проверено удовлетворение современным требованиям по энергосбережению.

В суровых климатических условиях Крайнего Севера необходимо уделять большое внимание особенностям строительства. В работах ^[2-3] представлен краткий анализ территорий Крайнего Севера, обозначены основные климатические, экономические и социальные аспекты проживания в регионе. Описана отечественная и зарубежная практика строительства энергоэффективных домов.

На основании результатов анализа природно-климатических условий территории Крайнего Севера выявлено, что сборно-разборные и мобильные конструкций являются хорошим решением для строительства зданий ^[4-6]. Они позволяют обеспечить высокую скорость монтажа и избежать значительного количества технологических процессов в условиях строительной площадки, что особенно актуально в условиях северных регионов. В статье ^[7] рассмотрены основные проблемы, возникающие при проектировании и строительстве зданий на территории Крайнего Севера.

Сборно-разборные купольные строения эффективнее в использовании, чем прямоугольные ^[8]. Они имеют меньшую площадь стен, менее подвержены ветровой и сейсмической нагрузке, в них лучше осуществляется водоотведение и циркуляция воздуха и т.д.

В настоящее время выдвигаются весьма перспективные проекты использования карьеров, оставшихся после проведения разработки рудных тел, под строительство жилых и развлекательных комплексов ^[9]. Другими словами, предлагается уйти от привычного надземного проживания человека на севере к подземному проживанию.

Далее рассмотрим работы, связанные с отдельными элементами зданий. В статье ^[10] изучено влияние размера, уровня теплоизоляции наружного ограждения и доля регенерации теплоты в системе вентиляции на суммарные теплопотери здания.

Работы ^[11-12] посвящены исследованию применимости композиционных материалов на основе металлов для изготовления строительных конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера ^[12].

Опыт строительства показал высокую экономическую эффективность применения легких стальных тонкостенных конструкций для малоэтажных зданий в отдаленных северных районах. В статье ^[13] приведены результаты натурных обследований малоэтажных зданий из легких стальных тонкостенных конструкций, построенных на территории Якутии.

Эксплуатационная стойкость теплоизоляционных материалов является необходимым условием их пригодности равно как низкие плотность и теплопроводность, особенно, если эти материалы используются в условиях холодного климата и в условиях механического нагружения. В работах ^[14-15] исследуются и приводятся основные характеристики современных тепло- и гидроизоляционных материалов.

Применение системы рекуперации теплоты вытяжного воздуха позволяет добиться значительного снижения затрат на отопление. В статье ^[16] приведено описание применения системы, которая рекуперирует тепло вытяжного воздуха по последовательно-параллельной схеме в условиях Крайнего Севера при температуре наружного воздуха минус 45 °С. В работе ^[17] представлен расчет параметров рекуператоров, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции воздуха, при температуре наружного воздуха минус 50 °С.

Анализ публикаций показал, что в настоящее время исследования, связанные с Крайним Севером, направлены на использование эффективных материалов, а так же на особенности проектирования зданий с позиции архитектуры и строительных конструкций.

В изученных статьях не достаточно отражены следующие проблемы: непрерывность теплового контура, температура внутренних поверхностей ограждений, влажность и подвижность внутреннего воздуха, поступление в помещение солнечной радиации.

При строительстве в условиях сурового климата особенные требования предъявляются к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций. Необходимо создать целостный, непрерывный тепловой контур здания, подобрав достаточную толщину утеплителя для всех конструкций из условия R_о^пр ≥ R_о^{норм [18, п.5.1]}. «Мостики холода» вызывают точечное охлаждение поверхностей, и в результате в таких местах может образоваться конденсат, а впоследствии грибок и плесень. Немаловажное влияние на температурно-влажностный режим помещения оказывают теплозащитные характеристики окон, ведь общие теплопотери через светопрозрачные ограждающие конструкции сопоставимы с теплопотерями через стены, хотя площадь окон в структуре тепловой оболочки здания гораздо меньше площади стен. Сопротивление теплопередаче окон должно подбираться из условия R_ок^пр ≥ R_ок^{норм [18, п.5.1]}. Данному требованию для северных широт соответствуют оконные конструкции с пятью и более камерами профиля и створок и с двухкамерными стеклопакетами, имеющими низко-эмиссионные стекла, и камеры которого заполнены аргоном.

Согласно ^[19] и ^[20] приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной конструкции R_ок^пр, (м²·ºС)/Вт, вычисляют по формуле

, (1)

где S_ок– площадь оконного блока, м²; S_св, S_непр, - площади светопрозрачной и непрозрачной зон оконного блока соответственно, м²; R_св, R_непр - сопротивления теплопередаче центральной части светопрозрачной и непрозрачной зон оконного блока соответственно, (м²·ºС)/Вт; ψ - коэффициент линейной теплопередачи, который учитывает взаимодействие между рамой и остеклением, Вт/(м·ºС); l_ψ- длина периметра светопрозрачной зоны, м.

Исходя из формулы (1) следует, что потери тепла через оконный блок состоят из тепловых потерь через переплеты, светопрозрачную часть и краевые зоны. Тепловые потери через двухстворчатый оконный блок, у которого ширина больше высоты, меньше, чем через двухстворчатый оконный блок той же площади, у которого высота больше ширины. Это обуславливается тем, что в первом случае длина краевых зон меньше, а следовательно снижаются потери тепла. Исходя из вышесказанного, для зданий в северных широтах с позиции тепловой защиты здания целесообразнее использовать двухстворчатые оконные блоки, ширина которых больше высоты ^[21]. Применение рольставен, которые будут закрывать окна в период длительной полярной ночи, так же увеличит сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций.

Важным фактором в создании комфортного микроклимата является обеспечении требуемого воздухообмена в помещении, иначе в комнатах снижается содержание кислорода, возрастает концентрация углекислоты и радона, увеличивается содержание различных микроорганизмов. Все это ведет к повышенной утомляемости, головным болям, респираторным заболеваниям и некоторым другим специфическим симптомам, которые в сумме именуются «синдром больного здания» ^[22]. При создании герметичной теплозащитной оболочки здания, естественная вентиляция, которая осуществляется за счет разницы давления внутри и снаружи помещения, не будет работать. Теплый воздух стремится покинуть здание через вентиляционные каналы, а взамен ему через оконные и дверные щели, открытые окна, форточки или приточные клапаны должны поступать порции свежего воздуха, что невозможно при устранении всех неплотностей, через которые идет инфильтрация. При отсутствии естественной вентиляции необходима организация механической приточно-вытяжной вентиляции. Особой разновидностью принудительной вентиляции является система с рекуперацией тепла. Принцип действия рекуператора основан на принудительной механической подаче и вытяжке воздуха, а также использовании тепла выбрасываемого воздуха, на подогрев подаваемого в помещение воздуха. Теплообмен (рекуперация) происходит без непосредственного смешивания потоков входящего воздуха и подаваемого. Движущиеся потоки воздуха в теплообменных кассетах передают тепло выбрасываемого воздуха поступающему в помещение наружному воздуху. Принцип действия вентиляции с рекуперацией тепла представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принцип действия вентиляции с рекуперацией тепла

Относительная влажность воздуха в помещениях должна поддерживаться в пределах 30-60%. В жилых помещениях в центральной части Крайнего Севера относительная влажность воздуха находится в пределах 20-25% ^[23]. Основными причинами этого является незначительное влагосодержание наружного воздуха, поступающего в помещение, и большую разность парциальных давлений внутреннего и наружного воздуха. Низкая влажность внутреннего воздуха вредна для слизистой оболочки глаз, горла и носа, вызывает ощущение «сухости». В худшем случае ухудшается фильтрационная способность слизистой оболочки верхних дыхательных путей задерживать микрофлору и пыль, которые содержатся в воздухе. Исходя из вышесказанного, искусственное увлажнение воздуха в жилых помещениях в центральной части Крайнего Севера является важным фактором поддержания оптимального микроклимата в помещениях.

Высокие скорости ветров в северных районах требуют специальной защиты ограждающих конструкций от продуваемости. Необходим расчет распределения температур по толще ограждающих конструкций, в особенности на внутренней поверхности, с учетом воздухопроницаемости.

Низкое солнцестояние в северных районах и продолжительная полярная ночь отрицательно влияют на суммарную солнечную радиацию. Недостаточная солнечная радиация районов, расположенных севернее 69º с.ш., требует разработки определенных объемно-планировочных решений, направленных на максимальное использование солнечного облучения, концентрацию солнечной энергии с помощью архитектурно-конструктивных элементов и технических средств. Расположения окон должно быть со стороны максимального поступления солнечной радиации. Недостаток инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой части солнечной радиации отрицательно влияет на самочувствие человека и приводит к ослаблению иммунитета ^[24]. Зона максимальной солнечной энергии представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зона максимальной солнечной энергии

Определяющими параметрами теплового режима помещений являются температура, влажность и подвижность воздуха, а так же температура внутренних поверхностей ограждений. На самочувствие человека так же влияет поступление солнечной радиации, поэтому при проектировании и эксплуатации зданий необходимо учитывать все физические процессы, происходящие во внешней, внутренней среде, а так же в толще ограждающих конструкций. Особенно это важно в суровых климатических условиях, при которых организм человека нуждается в дополнительной защите.