Методическое обеспечение практических занятий бакалавров строительной специальности Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ПЕТРОЗАВОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Ноябрь, № 7 Педагогические науки 2015

УДК 551.58

ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ ЕЛАХОВСКИЙ

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики физико-технического факультета, Петрозаводский государственный университет (Петрозаводск, Российская Федерация) elahovsky@mail. ru

АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ НАЗАРОВ

доктор педагогических наук, заведующий кафедрой общей физики физико-технического факультета, Петрозаводский государственный университет (Петрозаводск, Российская Федерация) [email protected]

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ БАКАЛАВРОВ СТРОИТЕЛЬНОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

Рассмотрен алгоритм проведения практических занятий по физике на строительном факультете университета с учетом предполагаемой профессиональной деятельности выпускников. В отличие от традиционного методического обеспечения практического фрагмента курса общей физики, предлагаемый алгоритм предусматривает знакомство студентов с решением проблемы проектирования физической среды помещений, обеспечивающей комфортное пребывание людей и условий технологических процессов. Формирование климатической и акустической среды помещений в большой степени связано с физическими законами распространения тепловых и звуковых волн и их взаимодействием с ограждающими конструкциями зданий. Поэтому рассмотрение конкретных ситуаций, имеющих место при проектировании зданий различного предназначения, предполагается весьма полезным в качестве практической составляющей курса общей физики. Такой подход может способствовать повышению мотивации к изучению курса физики.

Ключевые слова: строительная физика, тепловое сопротивление, звукоизолирующая способность, методика преподавания физики

В [4] рассмотрен один из способов повышения привлекательности курса физики для студентов строительной специальности, связанный с адаптацией учебной дисциплины к предполагаемой профессиональной деятельности бакалавров. Его реализация предусматривает использование в рамках традиционного курса «Общая физика» основных элементов учебной дисциплины «Строительная физика», в частности таких ее разделов, как «Архитектурная климатология» и «Архитектурная акустика». Проектирование зданий различного предназначения, связанных как с жизнедеятельностью людей, так и организацией различных производств, должно реализовать условия их эксплуатации, обеспечивающие комфортное пребывание людей в помещениях, долговечность конструкций зданий и их оборудования, соблюдение технологических условий, повышающих качество выпускаемой продукции.

Эти задачи напрямую связаны с решением проблемы формирования в помещениях микроклимата, отвечающего состоянию теплового комфорта людей и требованиям используемых технологических процессов, то есть с формированием соответствующей климатической среды. Ее состояние определяется в первую очередь температурно-влажностными параметрами воздуха в помещениях, значения которых напрямую связаны с функциональными возможностями

© Елаховский Д. В., Назаров А. И., 2015

ограждающих конструкций. Следует также отметить роль акустической среды помещений, обеспечивающей оптимальный «слуховой комфорт».

Основополагающие аспекты формирования климатической и акустической среды помещений, удовлетворяющей комфортным условиям жизнедеятельности человека, фрагментарно рассматриваются в рамках курса «Общая физика», однако многие нюансы данной проблематики остаются «за кадром». Следует также отметить, что общепринятая при проектировании климатической среды помещений терминология, связанная, с одной стороны, с конкретными физическими явлениями, а с другой - имеющая специфические предметные особенности, как правило, не рассматривается в лекционной программе курса физики, поэтому знакомство с ней представляется весьма полезным. Заметим также, что в учебных планах строительных факультетов не всегда присутствует дисциплина «Теплотехника».

Естественно, что предложенный способ повышения мотивационной составляющей к обучению физике студентов строительной специальности университетов, основанный на привлечении элементов строительной физики, предполагает не только пересмотр основных концептуальных основ изложения теоретического материала, но и изменение методики проведения практических

34

Д. В. Елаховский, А. И. Назаров

занятий и организации самостоятельной работы студентов. Алгоритм проведения практических занятий предполагает не только решение задач в рамках традиционного курса общей физики [1], [5], [7], [8], [9] и задач с производственным контекстом [6], [11], но и рассмотрение вопросов формирования климатической, акустической и световой среды помещений. Необходимый теоретический материал рассматривается в соответствующих разделах курса физики, а также представлен в учебных пособиях [2], [3].

Включение в практические занятия ситуаций, связанных с предполагаемой профессиональной деятельностью студентов, может способствовать привлекательности физики. Ниже рассмотрены методические приемы проведения практических занятий на примере осуществления тепловых и акустических расчетов.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ КЛИМАТОЛОГИИ

Выбор материала и геометрических размеров ограждений определяется не только соображениями механической прочности, но и необходимостью обеспечения теплового комфорта людей. Решение этой проблемы достигается с помощью тепловых расчетов ограждений, позволяющих оценить тепловые потери зданий и отдельных помещений, что, в свою очередь, дает возможность при их проектировании обосновать наиболее приемлемые с точки зрения теплотехники предполагаемые многослойные ограждения. Полученная информация определяет выбор мощ-ностных характеристик отопительного оборудования помещений. Следует также отметить необходимость учета воздухо- и влагопроницаемости ограждений, с помощью которых решается задача кондиционирования воздушной среды помещений.

Рассмотрим ряд задач, которые могут быть предложены студентам на практических занятиях по теме «Физические основы архитектурной климатологии».

1. Основным фактором формирования климатической среды помещений являются теплофизические свойства ограждений, поэтому возникает необходимость расчета их тепловых и температурных характеристик. Студентам предлагается использовать при расчетах модель ограждения, состоящего из нескольких слоев с различными геометрическими, плотностными и теплофизическими характеристиками. В виде исходных данных задаются температуры внутреннего t, и наружного tK воздуха, материал каждого слоя (тем самым задаются коэффициенты теплопроводности $;) и их толщина d;. Студенты рассчитывают:

1.1. Общее тепловое сопротивление ограждения Rtj (м2-ч-°С/ккал). Данная характеристика определяет тепловой поток, проходящий через

конкретное ограждение. Ее численное значение определяется наружной и естественной конвекцией, а также термическими сопротивлениями отдельных слоев ограждения (Rt):

R = R+ V R + R, (1)

о в / j i н ’ v '

i

где R]s = 0,133 (м2-ч-°С/ккал) - сопротивление тепловосприятию, вызванное наличием естественной (внутренней) конвекции, Rn = 0,05 (м2-ч-°С/ккал) - сопротивление теплопередаче благодаря наружной конвекции, Ri = di/$i -термическое сопротивление i-го слоя.

Данный расчет позволяет установить, какой слой ограждения играет основную теплозащитную роль. Для установления соответствия ГОСТу ограждения по сопротивлению теплопередаче студенты оценивают его требуемую величину Rmp :

" (К - к)

R 7 =■

At

-R

(2)

где At = 6 град. - нормативный температурный перепад для наружной стены. Необходимое условие - R о > R 7 . Данный расчет позволяет обосновать выбор материала ограждения как с точки зрения его теплозащитной эффективности, так и с экономической точки зрения.

1.2. Плотность теплового потока q (ккал/м2-ч).

Рассчитанное полное тепловое сопротивление

позволяет определить энергию теплового потока, проходящего в единицу времени через единичную площадку. Естественно, что данная величина постоянна в пределах ограждающей конструкции:

q = . (3)

R0

1.3. Распределение температур в многослойной ограждающей конструкции.

Постоянство теплового потока внутри ограждения позволяет рассчитать температуры на границе каждого слоя ограждения:

t = t-l - R ) , (4)

Ro

где ti - определяемая температура (оС), ti1 -температура в предыдущем слое, Ri - тепловое сопротивление слоя, в котором определяется температура.

Студентам предлагается использовать графический метод, основанный на соотношении: T 1 - Ti = jRi. Этот метод иллюстрирует рисунок, на котором прямая с наклоном AT/AR = j, соответствующая постоянству теплового потока, позволяет сначала определить температуры слоев в масштабах тепловых сопротивлений с последующим получением температур на границах слоев ограждения.

Методическое обеспечение практических занятий бакалавров строительной специальности

35

Диаграмма, используемая для расчета температур на границах многослойной стены [10]

деляется упругость водяного пара внутреннего воздуха (в мм рт. ст.) при заданной влажности:

Р = Е j/100, (6)

где Ев - максимальная упругость водяного пара при заданной температуре, j - влажность воздуха, выраженная в %.

Это позволит найти точку росы t . Если эта величина меньше температуры внутреннего воздуха, конденсации водяных паров не будет, и наоборот. Так как теплозащитные свойства ограждения зависят от его паропроницаемости, то студенты должны рассчитать сопротивление паропроницаемости ограждения:

2. С целью разнообразить спектр решаемых практических задач в п. 1 студентам предлагается при известном материале слоя определить требуемую толщину или, наоборот, при известной толщине слоя выбрать соответствующий материал. В этих случаях, рассчитав R^ и приравняв Rq из выражения (1), найдем d. или х..

3. Несколько усложненный вариант предполагает отсутствие информации о температуре наружного воздуха. В этом случае студенты изначально определяют показатель тепловой инерции строительного ограждения, который характеризует проникновение тепловых волн вглубь вещества:

d=£rs, , (5)

i

где R. - термическое сопротивление отдельных слоев; S . (ккал/м2-ч-°С) - коэффициен ты теплоусвоения материала, которые характеризуют амплитуду колебаний плотности теплового потока на поверхности ограждения при амплитуде колебаний температуры этой поверхности, равной 1 оС (затабулированные величины).

Знание D позволяет в случае, клгда не зтдана температура наружного воздуха, выбрать ее, руководствуясь следующим правилом: D < 4, tK = Т1 - средняя температура наиболее холодных суток в данной местности, 4 < ID < 7 tK = Т3 - соответствует среднему значению наиболле холодных трех суток, а при D > 7 tK = Т5 - среднему значению наиболее холодных пяти су ток. Значения указанных температур. для разных городов находятся в таблицах коиматичестих данны х.

4. Наличие влаги внутри ограждения суще-с твенно влияет на теплопроводящие свойства его отдельных слоев, а влажный воздух внутренних помещений способствуут лго конденсаоии на внутренней поверхности ограждения с возможностью промерзания в зимнее время.

Если добавить в п. 1 в качестве параметра влажность внутреннего воздуха j , то можно предложить студентам следующую задачу: выяснить вероятность конденсации пара на внутренней поверхности ограждения. Для этого опре-

Е di1 m,

(7)

где т, - коэффициенты паропроницаемости (входял в число исходных данных).

ФИЗИЧЕСКИ Е ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРНОЙ АКУСТИКИ

Основные физические и физиологические характеристики звуковых волн достаточно подробно рассматриваются в лекционной и практической частях курса общей физики. В поле зрения архитектлрной акустики находятся вопросы создания в помещениях «слухового комфорта» и подавления вредных воздействий шумов различной природы. Рассмотрим ряд заданий, которые могут быть предложены студентам на практических занятиях, связанных с этой темой.

1. Одним из параметров, характеризующих качество звуковой среды помещений, является время стандартной реверберации. При расчете э т о го п араметра необходимая информация включает в себя: размер помещения (длина, ширина, высота); материал пола, стен, потолка, наличие окон (их количество n1, площадь S^, наличие штор); наличие мебели (столов) и их количество N2; количество посадочных мест (стулья, кресла) N; коэффициент заполнения k (или количество людей в помещении N1). Коэффициенты поглощения материалов внутр енних поверхностей ограждений a

(стен аст , пола апол , потолка апот X остекления окон a3, поглощение посадочных мест ах, еюд ей а2 и мебели а м считаются известными. В предлагаемых заданиях указанные параметры варьируются в широких пределах. Стандартное время реверберации t ев (с), пренебрегая поглощением звука в воздухе, рассчитывается по формуле:

t = 0,163 V/A,

(8)

где V - объем помещения, А - эффективный показатель поглощения:

А = ^ aiSi + a2 ^ + а1 (1-k)N + ам N2 + П1 a3 ^ (9)