Котельные установки

За длительность диффузии г уместно в качестве допустимого приближения принимать время холодного периода года в сутках, ограниченное датами, соответствующими среднесуточным температурам, равным нулю и устанавливающимся в осенний и весенний периоды. Длительность такого времени указана в нормах строительной климатологии СНиП (графа 23 табл. 1 гл. СНиП II-A.6—72).
Для центральных районов европейской части СССР длительность диффузии близка к четырем месяцам; в более холодных, но сухих районах (южные территории центральной Сибири и т. д.) увеличение длительности диффузии компенсируется меньшей влажностью воздуха в помещениях и относительной сухостью материалов ограждений; в ряде случаев условия конструирования ограждений в таких районах (с точки зрения требуемой вла-гоизоляции) облегчаются, поскольку толщина конструкций возрастает, а коэффициенты паропроницаемости для многих сухих материалов уменьшаются. В западных районах европейской части СССР, где длительность периода диффузии сокращается, но влажность материалов повышена, требования к сопротивлению влаго-изоляции также не изменяются.
Лишь во влажных северных районах (Кольский полуостров и т. д.) и в холодных районах Сибири, особенно подвергающихся океаническом влияниям, эти требования возрастают.
Наоборот, для южных сухих районов сопротивление необходимой влагоизоляции сильно уменьшается.
Температура в зоне возможной конденсации £ши соответствующее этой температуре насыщающее давление водяного пара должны быть установлены обычным теплотехническим расчетом *.
Расчет продолжительности времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения ограждающей конструкции, позволяет судить о целесообразности применения ее в помещениях с различным парциальным давлением водяного пара во внутреннем воздухе.

Для слоистых покрытий в виде железобетонных плит с тщательно заделанными стыками, окрасочного (битумного) пароизоляци-онного слоя, утепления из пенобетонных плит и рулонной кровли продолжительность увлажнения, при рассмотренных выше условиях, также будет превышать длительность диффузии, в связи с чем более сложные расчеты влажностного состояния таких конструкций не требуются.
Продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения однородных массивных стен (за счет диффузии водяного пара), превышает длительность холодного периода года, в течение которого может происходить диффузия. В связи с этим графо-аналитический расчет влажностного состояния таких ограждений утрачивает практический смысл.
Лишь для предельно облегченных конструкций, выполняемых с применением эффективных теплоизоляционных материалов, защищенных со стороны помещения тонкими отделочными слоями рз сравнительно паропроницаемых материалов, продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения, мала.
Такова, например, конструкция бесчердачного покрытия из асбестоцементных листов (6 = 8 мм,р,= 0,0035) с окрасочной паро-изоляцией, минераловатным утеплителем и трехслойной рулонной кровлей, наклеенной по верхнему листу асбестоцемента.
В связи с предельной легкостью такого покрытия, расчет накопления влаги, конденсирующейся в виде инея на нижней поверхности асбестоцементного листа под рулонной кровлей, должен производиться за полную длительность холодного периода года.
Для подобных конструкций даже в помещениях с нормальной влажностью внутреннего воздуха следует применять внутренние защитные слои с очень большим сопротивлением паропроницанию (листы из плотных пластмасс, алюминия, асбестоцемента, покрытого толстой (многослойной) защитной пленкой на основе полимерных материалов и т. д.), так как применение в аналогичных конструкциях с рулонной кровлей более проницаемых отделок может привести к периодической ежегодной конденсации влаги в подкровельном слое и постепенному разрушению конструкции.
Расчет необходимого сопротивления паропроницанию внутренней части проектируемой конструкции покрытия над влажным помещением и ее необходимой влагоизоляции приведен в следующих примерах.

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.

Усушка конструкций, покрытых штукатуркой, окраской или обоями, связана с образованием трещин и разрывов в этих отделочных слоях.
Возникновение усадочных трещин характерно также для переувлажненных при изготовлении или возведении элементов стен из легких бетонов. Неравномерная осадка стен, вызванная незакономерным уплотнением грунта под подошвой фундаментов, приводит к возникновению определенным образом расположенных трещин в кладке или в зонах сопряжения крупных элементов здания.
Для переувлажненных начальной строительной влагой наружных ограждающих конструкций характерны пониженные теплозащитные свойства; часто такие конструкции являются причиной сырости в помещениях.
Конструкции, осуществленные из недостаточно стойких материалов, а также некачественно выполненные или неудачные по своему общему решению, неизменно обнаруживают дефекты в первый период эксплуатации здания; выявление таких дефектов в течение гарантийного срока обязывает строительную организацию произвести необходимые исправления.
По окончании первого периода эксплуатации, характеризующегося повышенным износом, часто требуется проведение ремонта кровель, защитно-отделочных слоев, деревянных полов, переплетов, сопряжений крупных панелей и т. д. Такой ремонт называется поелеосадочным и должен производиться за счет средств, направляемых в новое строительство. При небрежной эксплуатации зданий и отсутствии своевременных периодических ремонтов износ конструкций здания интенсифицируется и общая их долговечность сокращается, что отмечено пунктирными линиями 2 и 3 на рис. VII.4, а.
Второй и наиболее длительный (обычно продолжающийся в течение многих десятилетий) период эксплуатации здания характеризуется весьма медленным (нормальным) износом конструкций здания. Такой медленный и для многих основных конструкций практически незаметный износ объясняется тем, что материалы этих конструкций приобрели стабильную, незначительно изменяющуюся в отдельные периоды года, влажность и близки к термодинамическому равновесию с воздействием окружающей воздушной среды; в этих условиях разрушающие процессы активизируются главным образом только при случайных увлажнениях конструкций или нарушениях средних многолетних условий эксплуатации (что связано, например, с изменениями назначения и влажностного режима помещений, увеличением загрязненности и агрессивности наружного воздуха, изменением уровня грунтовых вод и т. д.).
После того как в течение долгих лет конструкции здания подвергаются весьма медленному износу, структура материалов постепенно изменяется, пористость увеличивается, мелкие и при этом закрытые поры разрушаются и превращаются в более крупные и открытые; конструкции утрачивают значительную часть прочности и непроницаемости.

Учитывая значения для стойкости бетона величины разности коэффициентов термического расширения вяжущего и крупного заполнителя, можно ожидать, что, например, шлакобетон на цементном вяжущем с заполнителем из топливных шлаков окажется недостаточно стойким и склонным к образованию трещин при колебаниях температуры. Опыт эксплуатации конструкций из шлакобетона этого вида, а также данные по исследованиям воздухопроницаемости подобных материалов подтверждают возникновение в них микротрещин. Шлакобетоны с заполнителем из металлургических шлаков отличаются гораздо более высокой стойкостью, что объясняется возникновением нерастворимых соединений на границе вяжущее—крупный заполнитель и более высоким сцеплением.
Мелкозернистые бетоны на карбонатном песке, применяемые для фактурных слоев крупных панелей и блоков, оказываются гораздо более стойкими по сравнению с мелкозернистыми бетонами па кварцевом песке; одной из причин этого является общность химического состава компонентов вяжущего и мелкого заполнителя (СаО), а также примерно одинаковые коэффициенты их термического расширения (аг~9,0-К)-6).Повышение физико-химической активности поверхности заполнителя ведет к увеличению сцепления и существенному улучшению структурных свойств композиционного материала. В этом отношении предварительное дробление заполнителей, т. е. обнажение новых поверхностей с высокой физико-химической активностью, является целесообразным технологическим приемом, обеспечивающим повышение любых видов стойкости производимых материалов (высокая стойкость бетона с дробленым гравием и щебнем, ячеистых бетонов с наполнителем из дробленого песка и т. д.). Увеличение сцепления на поверхности заполнителя является одним из наиболее доступных в технологическом отношении приемов, обеспечивающих формирование более совершенной макроструктуры с повышенным запасом внутренней энергии в объеме материала.
Наиболее явно выраженное разрушающее действие колебаний температур отмечается для ограждающих конструкций производственных зданий с наличием интенсивных выделений лучистого тепла, где температура поверхности железобетонных конструкций может достигать свыше 100°, в результате чего отмечается значительное ослабление сцепления бетона с арматурой и постепенное нарушение сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей.

Поверхность стен любых зданий и, в частности, наружная часть крупных панелей также могут подвергаться существенным температурным колебаниям, особенно при нагреве их солнечной радиацией. В летнее время в южных районах средние значения колебаний температуры поверхности составляют величину порядка 30° (например, от +15 до +45°); однако наиболее опасны колебания температур в зимнее время в районах с интенсивной солнечной радиацией (южная Сибирь, Приморский край и т. д.), происходящие на поверхности стен, обращенных на юг и юго-запад, примерно, с такой же или еще большей разностью температур в течение суток (например, от —18 до +18°), но связанные с ежесуточными наиболее разрушительными для наружной части стен переходами через нуль.
Для сравнительной оценки вероятности активного образования трещин, которое может быть вызвано такими климатическими воздействиями, важны: 1) число переходов через нуль в наружной части панели п; 2) безразмерная амплитуда колебаний температур At (например, отношение разности экстремальных ее значений в рассматриваемом сечении конструкции к среднегодовой температуре); 3) объемное влагосодержание материала со0.
Степень стойкости материала (в частности, его морозостойкость должна назначаться в соответствии с величинами этих показателей для наиболее опасного сечения в наружной части панели. Приближенно все три показателя могут быть выражены одной числовой характеристикой, например, их произведением, которое можно считать пропорциональным количеству внешней энергии Е, затрачиваемой на деструкцию материала (ЕжпАгЫо)- Эта числовая характеристика обычно имеет наибольшее значение или на поверхности панели, где наиболее велики изменения температуры, или на глубине слоя резких температурных колебаний 6, где возрастает влагосодержание материала (рис. VII.5).
Число переходов через нуль зависит от ориентации панельных стен и условий наружного климата; оно наиболее велико для стен, обращенных на юг, и для территорий с интенсивной солнечной^ радиацией в зимнее время года (Южная Сибирь, Приморский Край и т. д.).
Для Приморского Края, где зимой преобладают ясные, солнечные дни с холодными ветрами и низкой температурой наружного воздуха, число переходов через нуль достигает на поверхности панелей, обращенных на юг, 80 циклов [85], уменьшаясь на глубине 7 см. (граница слоя резких колебаний) примерно до 75, тогда как соответствующие значения для европейской части СССР (г. Куйбышев) приближенно составляют 12 и 8 [86].
Морозостойкость материала наружной части панелей на территориях Дальневосточного края должна быть существенно выше, чем в районах европейской части СССР.
Термические напряжения наружной поверхности панелей на восточных территориях СССР также очень высоки [85] и часто превосходят допустимые напряжения на растяжение для применяемых бетонов (рис. VII.6).
В тех случаях, когда изменения температур сопровождаются резкими колебаниями влагосодержания материала, структура его должна обладать некоторыми дополнительными свойствами. Если бы структура материала состояла из крупных закрытых однородных пор, соединенных тонкими капиллярами, разрушение при воздействиях влаги и вообще водных растворов, протекало бы много медленнее, а материал обладал бы высокой физико-химической стойкостью.
Замедление разрушения при резких изменениях влагосодержания характерно также для материалов с относительно изолированными (замкнутыми) порами, заполненными воздухом и трудно доступными для влаги при обычных условиях, но обеспечивающими ее перераспределение при более высоких давлениях, возникающих, например, при замерзании.
Количество замкнутых пор является мерой обеспечения стойкости материала против внешних разрушающих физико-химических воздействий, связанных с присутствием влаги. Свободная энергия на поверхности замкнутых пор более высока, чем в открытых, доступных для внешних воздействий. С развитием разрушения число замкнутых пор уменьшается, а удельная поверхность неизолированных пор и полостей внутри материала возрастает.

Тщательная укладка и уплотнение бетона с малым водоцемент-ным отношением, представляющего преимущества в отношении возможного повышения стойкости, но обладающего малой пластичностью, требует интенсивных вибрационных воздействий; в тех случаях, когда это представляет некоторые трудности, большое значение приобретает применение поверхностно-активных добавок, повышающих пластичность бетонов с малым водоцементным отношением и облегчающих их укладку. Одновременно применение таких добавок способствует повышению морозостойкости бетонных изделий.
Введение поверхностно-активных веществ, например, сульфитно-спиртовой барды или абиетиновой смолы, ведет к более совершенному обволакиванию заполнителей цементным тестом и вытеснению с их поверхности воздушной пленки, а следовательно, повышению сцепления. Образование структуры цементного камня имеет свои особенности в зависимости от вида и свойств вводимых добавок. При введении активных гидрофобных добавок типа абиетиновой смолы вытесненные с поверхности заполнителей мельчайшие пузырьки воздуха образуют в цементном тесте замкнутые и равномерно распределенные по объему материала поры, мало доступные для проникновения в них влаги. Подобная структура бетона обеспечивает малую проницаемость и повышает долговечность конструктивных элементов, находящихся в воздушной среде, но периодически подвергающихся увлажнению и замерзанию (например, бетонных ступеней наружных лестниц, бордюрных камней тротуаров и парапетов и т. д.).
Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что при затворении бетона с поверхностно-активными добавками кристаллы трехкальциевого алюмината и других основных минералов, входящих в состав цемента, утрачивают обычную форму пластинчатых шестиугольников, создающих слоистую структуру, и приобретают вытянутую форму палочкообразных кристаллов, растущих преимущественно в длину. Эти вытянутые кристаллы образуют в процессе роста скелетную сетчатую структуру цементного камня, значительно повышающую его прочность на растяжение, а следовательно и стойкость.
Помимо применения стойких материалов, общая целесообразность конструктивного решения проектируемого ограждения должна заключаться в обеспечении наиболее однородного распределения температур, отсутствии недопустимого увлажнения отдельных зон или элементов, опасных в отношении преждевременного разрушения, а также соответствия требованиям нормальной эксплуатации и удобного проведения ремонтов.
Конструкции, в которых сочетается применение относительно мало теплопроводных материалов с полностью или частично пересекающими их в направлении параллельном потоку тепла стальными или железобетонными теплопроводными элементами, не удовлетворяют требованиям достаточной долговечности в условиях сурового или влажного климата.

Долговечной будет и хорошо защищенная конструкция из нестойких материалов. При этом виды защиты могут быть самыми разнообразными как естественными, так и искусственными. Примеры этого разнообразия, заимствованные из опыта эксплуатации зданий и сооружений, многочисленны. Из практики эксплуатации химических предприятий, загрязняющих прилегающую к зданиям почву агрессивными веществами, известно, что фундаменты и другие подземные части зданий долго служат в глинистых грунтах, защищающих от фильтрации, и разрушаются в песчаных, хорошо фильтрующих атмосферную влагу, растворяющую агрессивные вещества.
В одном случае защита обеспечивается естественными условиями, в другом требуется осуществить ее глиняной изоляцией, уширенной асфальтовой отмосткой и исключением наружного неорганизованного отвода воды с кровель.
Известно, что возведенные из нестойкого грунтового материала стены Приоратского дворца под Ленинградом служили несколько веков, вплоть до того, как были повреждены в годы Великой Отечественной войны. Длительный срок службы этих стен объяснялся хорошей их защитой наружными и внутренними штукатурными слоями из мелкозернистого известкового бетона. Подобные же примеры защиты фактурными и облицовочными слоями стен из нестойких материалов (грунтовых и неморозостойкого кирпича) дает опыт строительства жилых зданий в тридцатые и сороковые годы в Москве и на Крайнем Севере (Мончегорск).
Благоприятное влажностное состояние конструкции в ряде случаев может быть обеспечено не только изоляцией от внешних влияний, но и активной вентиляцией сухим воздухом. В частности, целесообразна вентиляция пустотных конструкций, снимающая атмосферное увлажнение и обеспечивающая сохранность недостаточно стойких материалов.
Вентилируемые воздушные прослойки являются наиболее эффективной защитой от перемещений влаги в жидкой фазе; конструкции с такими прослойками целесообразны и для защиты от атмосферного увлажнения во влажном климате с устойчивыми периодическими ветрами и при разработке ограждающих конструкций для помещений с большими выделениями влаги.
Целесообразное конструктивное решение в состоянии повысить в несколько раз сроки службы проектируемых ограждающих конструкций зданий.

В капиллярно-пористых материалах (например, кирпиче, бетоне, природном камне), находящихся в естественной воздушной среде, всегда содержится некоторое количество влаги. В этом легко убедиться, подвергнув сушке (в сушильном шкафу) образец материала до постоянного веса.Если температура или влажность окружающего воздуха изменились, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащееся в материале. При этом можно полагать, что приближенная продолжительность времени, необходимого для установления равновесного гигротермического состояния материала, прямо пропорциональна интенсивности диффузионных перемещений влаги и обратно пропорциональна квадрату максимального расстояния этих перемещений внутри материала (т. е. квадрату характерного размера образца) *.
Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в воздушную среду с постоянной относительной влажностью, называется сор бцией, а процесс уменьшения влагосодержания — избыточно-влажного материала в воздушной среде — десорбцией.
Закономерность изменений равновесного влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоянной температурой, но последовательно возрастающей относительной влажностью, выражается и з о т ер м о й сорбции.
Последовательные значения равновесной влажности материала, возрастающие при увеличении относительной влажности среды и располагающиеся на кривой изотермы сорбции, а также форма этой кривой зависят от природы и структуры материала.
Для капиллярно-пористых материалов, хорошо смачиваемых влагой (такие материалы в строительстве распространены), характерны S-образные изотермы, выпуклые в области малой относительной влажности воздуха и вогнутые при высокой влажности (изотермы I и II на рис. VI.6).
Выпуклая часть изотерм Г указывает на присутствие внутри материала только адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя простых или сложных молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров адсорбционными силами (мономолекулярная адсорбция).
Средняя часть изотерм Я, близкая к прямой линии, соответствует образованию на внутренней поверхости капиллярно-пористого материала пленок адсорбированной влаги, состоящих из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция).
При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют наиболее узкие участки тонких кайилля-ров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью.