Котельные установки

Кратко описанный выше графо-аналитический метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций разработан для установившихся условий диффузии водяного пара и игнорирует длительное (а для массивных конструкций отапливаемых зданий нереально длительное) время, необходимое для достижения таких условий.
Для сравнительно массивных конструкций длительность такого времени превышает продолжительность холодного периода года, а потому для этих конструкций графо-аналитический метод расчета вообще неприменим. Кроме того, этим методом не учитывается ни начальное влагосодержание материала конструкции, ни постепенные его изменения во времени.
Опыт эксплуатации ограждающих конструкций зданий и многочисленные исследования в лабораторных и натурных условиях показали, что действительные особенности влажностного состояния конструкций зависят от начального влагосодержания и его колебаний в холодный и теплый периоды года, связанных с климатом местности и температурно-влажностным режимом ограждаемого помещения. Эти факторы в некоторой мере учитываются изложенным выше приближенным инженерным методом расчета по предельно допустимому состоянию увлажнения, но более точным образом могут быть изучены только на основе численного решения соответствующих дифференциальных уравнений, в частности, уравнения (1,28).Для проведения расчета необходимо иметь изотерму сорбции того строительного материала, из которого выполнена рассматриваемая ограждающая конструкция.
В качестве исходного положения для расчета принимается начальное влагосодержание материала, соответствующее изучаемым реальным условиям; чаще всего такое начальное влагосодер-жение соответствует равновесному при ф = 50^80% по изотерме сорбции. Рассчитываемая конструкция разделяется на равные по толщине слои Ал: (например, на 5—6 слоев); плоскости, ограничивающие или разделяющие эти слои, нумеруются по направлению от теплой к холодной поверхности ограждения и являются расчетными плоскостями. Зная температуру и насыщающее парциальное давление в каждой из расчетных плоскостей, легко определить по начальному влагосодержанию и изотерме сорбции величину начального парциального давления в этих плоскостях, пользуясь формулой (VI.3).
Кинетика дальнейших изменений влагосодержания материала конструкции зависит от климатических условий рассматриваемой местности. Годовой цикл времени, состоящий из 12 месяцев, делится на характерные четыре периода (зима, весна, лето, осень); при этом к каждому периоду относят смежные месяцы с достаточно близкими значениями среднемесячных температур. За среднюю температуру наружного воздуха в каждом периоде принимается осредненная температура этих месяцев. Средние за каждый период значения температур на наружной поверхности ограждения вычисляются с учетом теплового действия осредненных значений солнечной радиации (формула 11.16). После этого на поперечном разрезе конструкции строится распределение температур для каждого периода года, определяя их значение и соответствующие им величины насыщающих парциальных давлений в расчетных плоскостях.
Имея в виду, что стационарные условия теплопередачи устанавливаются во много раз быстрее, чем такие же условия для диффузии, принимают, что распределение температуры в ограждающей конструкции постоянно в течение каждого из характерных периодов года и соответствует средним температурным условиям этого периода. Переход от температурных условий одного периода года (например, зимы) к другому (например, весне) условно считается мгновенным.

Изложенные выше методы расчета влажностного состояния ограждающих конструкций при диффузии водяного пара относятся к конструкциям, эксплуатируемым уже в течение нескольких лет, в результате чего влагосодержание материала приблизилось к сорбционному.
Для многих ограждающих конструкций такая сравнительная стабилизация влажностного состояния наступает только после того, как завершается основная часть процесса естественной сушки, связанная с испарением избыточного количества начальной технологической влаги.
Наибольшая эффективность естественной сушки отмечается в теплое время года, когда температура наружного и внутреннего воздуха незначительно отличается друг от друга, в связи с чем можно считать, что процесс высыхания конструкции и перемещения влаги в ней происходит при постоянной температуре (в изотермических условиях). Для этих условий справедливо уравнение влагопроводности (1.9 и VI.19).
Из уравнения (1.9) методами теории подобия может быть установлен безразмерный критерий Фурье TV, характеризующий сравнимые условия перемещений влаги.Распределение влаги по толщине однородной высыхающей конструкции в течение преобладающего времени сушки неравномерно: в поверхностных слоях, непосредственно соприкасающихся с воздушной средой, влагосодержание мало, в средней части — более высоко (рис. VI.19). При значительной толщине однородных стен влажностное состояние материала в средних слоях конструкции изменяется медленно и в сравнительно незначительных пределах. Основная часть однородной массивной стены сохраняет в определенный период года относительное постоянство влагосодержания на уровне, отвечающем средним микроклиматическим условиям (внешним и внутренн-им), особенностям эксплуатации здания и физико-техническим свойствам материала, из которого выполнена конструкция.Колебания температуры и влажности, происходящие в наружной и внутренней воздушной среде, в наибольшей мере затухают во внешних слоях массивной ограждающей конструкции. С этим связано изменение физического состояния этих слоев конструкции: нагревание и охлаждение, высыхание и увлажнение.
Толщина поверхностных слоев ограждающей конструкции, в которых происходят резкие колебания влагосодержания в отдельные периоды года, зависит от свойств материалов и длительности периодов изменения внешних воздействий и может быть существенно различной. В известной мере толщина этих слоев конструкции близка к толщине слоя резких температурных колебаний, рассматриваемого в теории теплоустойчивости.

Чем длительнее процесс естественной сушки, тем больше вероятность хронического засырения стен; такая вероятность наиболее велика для стен, выпЬлненных из шлакобетона и золобетона. В тех случаях, когда длительность основной части процесса естественной сушки, установленная расчетом по формуле (VI.37), превышает 2 года, целесообразно в процессе проектирования уменьшить вероятность засырения стен путем применения пустотных изделий, дополнительного утепления и уменьшения толщины конструкции, введения осушающих воздушных прослоек.
Наиболее длительные сроки естественной сушки характерны для трехслойных ограждающих конструкций, в которых внешние слои выполнены из плотных материалов, например, железобетонных панелей или других малопроницаемых элементов, а внутренний слой, осуществленный из ячеистых бетонов или других материалов с высоким начальным влагосодержанием, изолирован от воздушной среды этими плотными внешними слоями. Толщина их невелика и обычно меньше толщины слоя резких температурных колебаний; быстро устанавливающееся равновесное влагосодержание этих внешних слоев, как правило, находится в пределах сорб-ционного, а в летний период года, когда следует ожидать наиболее интенсивной естественной сушки конструкции, — приближается к равновесному при 50% относительной влажности, или еще меньшей.
Перемещение избыточной влаги, содержащейся в ячеистом бетоне или другом материале с высоким влагосодержанием, ограничивается плотностью этих высохших внешних слоев, сопротивление которых влага может преодолевать только в парообразной фазе. В этих условиях удлинение периода естественной сушки трехслойной конструкции, по сравнению с однородной из ячеистого бетона, может быть установлено с учетом увеличения сопротивления паропроницанию внешних плотных слоев и возникновения сопротивления влагообмену на их поверхности, граничащей с ячеистым бетоном.Конечно, чем продолжительнее естественная сушка ограждающих конструкций, тем больше вероятность дополнительного их увлажнения конденсационной влагой и другими ее видами.
В связи с этим достижение конструкцией равновесного влагосодержания может отдаляться, поскольку вероятно чередование естественно протекающих процессов обезвоживания материала с его эпизодическими увлажнениями.
Высокое влагосодержание не характерно для тонких и пустотелых ограждающих конструкций, подвергшихся после монтажа высыханию в течение одного устойчивого летнего периода и не имеющих источников добавочного увлажнения.

Расчет изменений влажностного состояния покрытий приведен для наиболее невыгодного случая, т. е. учтено дополнительное увлажнение конструкций в связи с началом эксплуатации, совпадающим с наступлением холодного периода года.
Верхняя волнообразная кривая с наибольшими колебаниями значений выражает изменения влагосодержания в подкровельном слое защитного настила, выполненного из непросушенной древесины с влажностью 23% по весу.
Горизонтальная пунктирная линия соответствует верхнему пределу сорбционного увлажнения древесины (31,5% весовой влажности). Заштрихованные площади внутри волнообразных кривых, лежащие выше этой линии, указывают на конденсацию свободной жидкой влаги в древесине.
Нижняя кривая выражает изменения влагосодержания в подкровельном слое покрытия при начальной влажности древесины 16%.
Пунктирная кривая, проходящая через точки наибольших значений влагосодержания древесины, представляет общую закономерность уменьшения этих значений с течением времени.
Из рис. VI.22 видно, что среднегодовое значение влагосодержания покрытий не является стабильным. По мере естественной сушки конструкции оно стремится к устойчивому значению, соответствующему внутренним и наружным климатическим условиям. Периодом колебаний влажности является год. Колебания влагосодержания, вызываемые внешними температурно-влажност-ными воздействиями, совпадают с изменениями последних по длительности периода, хотя и следуют за ними с некоторым запозданием.
Эта закономерность изменений влажностного состояния покрытий подтверждается имеющимися натурными исследованиями.
Практика эксплуатации бесчердачных покрытий показывает, что их разрушения, проявляющиеся в поражении биологическими процессами, вспучиваниях и отслоениях кровельного рулонного ковра и т. д., имеют место главным образом в течение первых лет службы и преимущественно в тех конструкциях, которые были выполнены в осенне-зимний период.
Во влажных климатических районах процесс высыхания покрытий растягивается на несколько лет, в течение которых возможны указанные выше разрушения, тогда как в сухих районах опасной является только первая зима после возведения покрытия.
Покрытия с рулонной кровлей наиболее опасны по сравнению с другими видами ограждающих конструкций с точки зрения возможности переувлажнения диффундирующей из помещения парообразной влагой, если эти ограждения в целом или их утепляющий слой выполнены из недостаточно плотных материалов; они должны быть предохранены от увлажнения необходимой пароизоляцией, расчет которой был указан выше.
Приведенные на предыдущих рисунках закономерности изменений влагосодержания бесчердачных деревянных покрытий могут быть с определенными коррективами распространены и на аналогичные однородные конструкции, выполненные из какого-либо другого материала.
При этом интенсивность сезонных ежегодных увлажнений будет зависеть от проницаемости материала и его влагоемкости, а сроки достижения равновесного влагосодержания — от внешних климатических условий и микроклимата ограждаемого помещения.
В отношении покрытий над отапливаемыми помещениями с нормальным влажностным режимом решающее значение для скорости естественной сушки имеет интенсивность солнечной радиации в рассматриваемой местности.
Радиационная естественная сушка наиболее эффективна и быстротечна; в северных районах с преобладанием облачной погоды, длительность процесса обезвоживания конструкции покрытия может распространяться на ряд лет, тогда как в местностях с солнечным летним климатом она резко сокращается.

С капитальностью зданий непосредственно связано представление о долговечности, т е. сроках службы, отдельных конструкций, от которых зависит и общий срок службы здания в целом. Под долговечностью следует понимать длительное время, в течение которого основные элементы конструкций оказывают сопротивление разрушающим внешним воздействиям, например, эксплуатационным нагрузкам, колебаниям температур, действию влаги или агрессивной среды и при наличии необходимого технического обслуживания (например, периодических осмотров и текущих ремонтов) сохраняют прочность, непроницаемость, теплозащитные качества и другие важные физико-технические свойства на уровне не ниже первоначальных, учтенных при проектировании.
Для характеристики неизменности эксплуатационных качеств зданий с течением времени большое значение имеет также длительность безремонтной службы конструкций в целом или их отдельных элементов; для многих отделочных и изоляционных слоев такая длительность ч*асто совпадает с общим сроком службы, т. е. с понятием долговечности, поскольку при ремонте конструкций эти слои обычно заменяются новыми.
Срок службы здания в целом зависит от долговечности его основных конструкций, т. е. фундаментов, несущих стен или каркаса. Если эти основные конструкции разрушились, то перестает существовать и все здание; в отдельных случаях можно обсуждать вопрос о его полном восстановлении или перестройке.
Другие конструктивные элементы, особенно объединяемые понятием ограждающих конструкций (т. е. заполнение каркаса, кровля, полы, оконные переплеты и т. д.), могут обладать меньшей долговечностью; в этом случае они по мере износа (т. е. прогрессирующего постепенного разрушения) заменяются при капитальных ремонтах здания, что может происходить несколько раз в течение его общего периода службы. При правильно организованной технической эксплуатации здания долговечность его ограждающих конструкций повышаетс я (своевременно проводимые осмотры, текущие ремонты и т. д.) *.
Наиболее короткие сроки службы характерны для защитно-отделочных слоев, предохраняющих конструкции здания от постепенного разрушения (влагоизоляционные и фактурные слои, наружная отделка, окраска и т. д.), а также для кровель зданий и других конструктивных элементов, непосредственно подвергающихся климатическим воздействиям. Одной из существенных задач, представляющих значительный экономический интерес для современное массового строительства, является всемерное сохранение и продление сроков службы этих защищающих здания и относительно быстро разрушающихся элементов.

Увеличение долговечности ограждающих конструкций и улучшение их эксплуатационных качеств могут быть достигнуты в процессе проектирования целесообразным применением строительных материалов с учетом их физико-технических свойств, а также рациональным решением конструкций в целом, и, в частности, защитно-отделочных слоев, ограничивающих проникание агрессивных воздействий внутрь конструкции.
Опыт строительства и эксплуатации зданий, а также натурные и лабораторные исследования их конструкций показывают, что как процессы первоначального упрочнения материалов (т. е. твердение бетонов, строительных растворов и т. д.), связанные с повышением (улучшением) физико-механических свойств, так и процессы последующего постепенного разрушения материалов и конструкций, проявляющиеся в понижении (ухудшении) этих свойств, зависят от колебаний температуры и воздействий влаги. Различная направленность изменяющих структуру процессов, от которой зависит постепенное упрочнение или постепенное разрушение материала, иногда наблюдается при аналогичных климатических воздействиях, но более мягких в первом случае и более жестких —во втором.
Опытные данные о постепенных изменениях структурно-механических свойств материалов в ограждающих конструкциях получили обоснованную теоретическую базу в работах крупных советских ученых: А. Ф. Иоффе и П. А. Ребиндера, развивших на основе своих исследований представления о роли физико-химических процессов в изменении структурно-механических свойств материалов. Прочность и стойкость изделий (особенно безобжиговых), изготовленных в заводских условиях, может возрастать в процессе эксплуатации здания, если под влиянием климатических условий обеспечивается циклическая смена температурно-влажностных состояний материала, способствующих улучшению его структурно-механических свойств.
В этом случае постепенные разрушающие процессы возникают и развиваются после завершения упрочняющих или одновременно с ними, что проявляется, например, в местных повышениях прочности материала и возникновении трещин в наиболее напряженных зонах конструкции.

Постепенное развитие изменений структуры является характерным для физического состояния материала при периодических воздействиях, энергетический уровень которых не вызывает предельно напряженного состояния, приводящего к немедленному разрушению.
По П. А. Ребиндеру [72] постепенное разрушение материала в дефектных местах и зародышах трещин облегчается при адсорбции на вновь возникающих поверхностях первых слоев молекул из окружающей среды (обычно молекул влаги). Энергетический уровень адсорбционных сил, под действием которых образуется такой слой, настолько высок, что приводит к существенному понижению работы, необходимой для образования новых поверхностей внутри постепенно разрушающейся конструкции.
При ограниченной прочности материала и относительно больших полостях (трещинах) внутри него, заполняемых свободной влагой или при низкой температуре ее кристаллами, в зоне зародышей разрушения возникают расклинивающие давления, способствующие дальнейшему раскрытию трещин.
Такие же или еще большие давления возникают при кристаллизации новых химических веществ на стенках каверн, пор и капилляров материала.
Соответственно возрастает и разрушение материала при периодических увлажнениях и охлаждениях, сменяющихся повышениями температуры и испарением влаги *(рис. VII.1). Развитие разрушения приводит к перемещению контура (О, О, О) расширяющихся в толще материала трещин, линз и полостей по направлению к поверхностным слоям конструкции и к появлению внешних признаков ее разрушения. Обычно наибольшему разрушению подвергаются те участки, в которых область развития микротрещин легче всего достигает поверхности конструкции или изделия (рис. VI 1.1, б), например, углы, кромки, выступающие части и т. д.
Вдали от этих участков процесс разрушения увлажненного материала часто выражается в постепенном отслаивании (шелушении) поверхностных слоев.
Материалы с открытой пористостью наиболее подвержены физико-химическому разрушению и особенно быстро утрачивают необходимые механические свойства во влажных условиях.
Повышение долговечности во всех случаях связано с ограничен нием и замедлением физико-химико-механических процессов, вызывающих постепенное разрушение материалов, входящих в состав ограждающих конструкций. Если отсутствует агрессивная среда, при которой процессы разрушения являются следствием быстро развивающихся химических реакций, такие процессы зависят главным образом от тех внешних воздействий, которые вызывают резкие периодические изменения теплового и влажностного состояния наружных ограждающих конструкций, что связано с развитием термических и усадочных напряжений, превышающих по своему уровню напряжения, учитываемые расчетом статической прочности конструкции.

Относительно быстрый выход из строя ограждающих конструкций из-за развития сетки трещин и утраты необходимых прочностных свойств обычно отмечается в тех случаях, когда напряжения, вызываемые неоднородностью полей температуры и влагосодержания или другими разрушающими факторами, превосходят предел длительного сопротивления («выносливости») данной конструкции; эти случаи, в частности, типичны для большеразмерных конструкций из материалов с ограниченной стойкостью при периодически возникающих интенсивных разрушающих воздействиях (например, в зданиях с явно выраженным нагревом конструкции выделениями производственного тепла).В этих случаях вероятность быстрой потери структурно-механических качеств конструкцией может быть оценена по величине безразмерных комплексов, характеризующих условия ее работы при имеющихся разрушающих воздействиях. Так, например, характеристикой вероятности и быстроты образования недопустимой сетки глубоких трещин при периодически возникающих напряжениях в материале конструкции.Для ограждающих конструкций и их элементов, обеспечивающих изоляцию здания от действия атмосферной влаги, ветра и других неблагоприятных внешних влияний, срок полноценной службы истекает с появлением неплотностей, трещин и расслоений, которые не могут быть устранены простыми средствами при текущем ремонте. Таковы, например, участки примыкания кровли к разжелобкам, водостокам и стенам, наружные отделочные слои и стыки панелей, гидроизоляционные слои в стенах и т. д.

Период постепенного разрушения может иметь различную длительность (т — Тнач) в зависимости от количества внутренней энергии конструкции, противостоящего разрушению и характеризующегося эффектом предшествующего упрочнения, стойкостью материала, а также толщиной и проницаемостью конструктивного слоя.Интенсивность И воздействий наружной среды весьма различна и сопоставление этих различий в единой энергетической шкале представляет определенные трудности. В связи с этим, при экспериментальном изучении изменений прочности материалов во времени (при замораживании, увлажнении, нагреве и т. д.) могут быть введены условные стандартные характеристики интенсивности, соответствующие наиболее типичным видам постепенного разрушения.В этом случае, в соответствии с особенностями внешних воздействий и в целях практически приемлемой оценки различных структурно-механических свойств материалов, возникает представление о нескольких видах и степенях стойкости.
Все виды стойкости гидрофильных строительных материалов, применяемых для наружных ограждений зданий, связаны с нестационарными воздействиями температуры и влаги.
Отдельно рассматриваемый вид стойкости материалов при периодических колебаниях температуры (нагрев и остывание) имеет доминирующее значение для материалов, находящихся в сухом состоянии. Воздействия колебаний температур на увлажненные материалы более разрушительны и устанавливаются совместо с другими видами стойкости, связанными с воздействиями влаги.
Стойкость против последовательных увлажнений и высыханий, при колебаниях положительной температуры, называют влагостойкостью, а стойкость насыщенного влагой материала, при колебаниях переходящих через точку замерзания, — морозостойкостью.
Стойкость против воздействий влаги, содержащей растворенные агрессивные вещества, во многих случаях известна под названием стойкости против коррозии.При оценке срока службы конструкции число циклов воздействий, воспринимаемых последней, устанавливается в соответствии с имеющимися условиями наружного климата и микроклимата ограждаемого помещения.
Как это видно из предыдущего изложения, одно из основных направлений в изучении долговечности базируется на экспериментальных исследованиях, причем реальное длительное время службы конструкции, выполненной из какого-либо конкретного материала, моделируется числом циклов колебаний теплового или влажностного состояния; каждый из этих циклов приравнивается промежутку времени, изменяющемуся в зависимости от особенностей интенсивности реальных внешних воздействий.
В проведении таких исследований много условностей, связанных с несовершенством методики лабораторных экспериментов, производимых обычно на небольших образцах материалов; кроме того, выполнение подобных экспериментов длительно и трудоемко.
В связи с этим возникают другие направления в изучении проблем долговечности. В частности, одно из них основывается на том, что прочность любых реальных твердых тел, в том числе и строительных материалов, зависит от времени действия нагрузки, уменьшаясь с его увеличением. Реальные процессы разрушения связаны с приложением циклически возникающих (длительных) усилий, вызывающих напряжения растяжения или сдвига в наиболее слабых участках структуры материала.

Уменьшение прочности при длительном пребывании материала под растягивающей его нагрузкой объясняется постепенным развитием дефектов в трещинах разрыва. Такое развитие связано с изменениями значений внутренней потенциальной энергии материала, вместе с которыми изменяются и его структурно-механические свойства. Постепенные процессы разрушения выражаются последовательностью постепенных переходов материала из одних состояний с более высоким уровнем внутренней энергии в другие, имеющие меньший ее уровень.
В основе незаметно для человеческого глаза происходящих изменений структуры материала лежит квантовая природа материи и квантовые процессы, подчиняющиеся физико-статистическим закономерностям. Можно считать, что математическая интерпретация этих закономерностей идет от волновой функции [78] и имеет экспоненциальный характер.Поскольку период колебаний атомов то в структурной решетке материала зависит от величины заряда атомного ядра, время, необходимое для изменения структурных качеств, оказывается закономерно связанным с основными физико-химическими свойствами материала, его плотностью, строением электронных оболочек атомов и с периодическим законом Д. И. Менделеева.
Величина и0 зависит от степени совершенства структурно-механических свойств рассматриваемого материала и в пределе может приближаться к энергии связи атомов в кристаллической решетке идеального материала (по абсолютной величине, близкой к энергии сублимации, но обратной ей по знаку). Для бетона эта величина в некоторой недостаточной мере связана с маркой бетона (т. е. с весьма грубыми градациями одного из видов прочности материала, применяемыми в практике строительства), но явным образом зависит также от особенностей процесса кристаллизации в бетоне, характера пористости и активности сцепления цементного раствора с поверхностью песка и крупного заполнителя. При преобладании мелких кристаллических образований, закрытой пористости и химическом сродстве между вяжущим и заполнителем (или активировании поверхности последнего, обеспечивающем повышение сцепления) значение и0 возрастает. Структурный коэффициент у резким образом изменяется с возрастом бетона, уменьшаясь в два и более раза по мере упрочнения материала.