Искусственную среду зданий отождествляют с микроклиматом. Понятие микроклимата довольно ёмкое. Его трактуют как совокупность тепловлажностного режима, экологической чистоты, зрительного и звукового комфорта в помещениях. Оптимальным сочетанием этих факторов обеспечивают нормальное физиологическое состояние людей, пребывающих в здании. Параметры среды подбирают с учетом функционального состояния человека. Рассматривают условия, необходимые для работы, активного и пассивного отдыха.
Тепловлажностный режим очень важен для ощущения комфортности пребывания в помещении. Это связано с метаболизмом — биологическими процессами в теле человека, протекающими с образованием и выделением тепла. Тепловой баланс с окружающей средой обеспечивается, когда выделенное телом тепло полностью рассеивается. Это происходит При температуре поверхности тела от 31 до 34 °С, а в помещениях ниже, порядка 18—19°С. Однако ощущение комфортности зависит не только от температуры воздуха, показываемой «сухим» термометром (tcух), но и увлажненным (tвл), т. е. относительной влажности φв, а также скорости движения воздуха V и лучистого теплообмена. Неблагоприятные сочетания перечисленных факторов затрудняют теплообмен, вызывают усиление деятельности терморегуляции организма. В свою очередь, это сказывается на мышечном и психическом тонусе человека по следующим причинам. Относительная влажность воздуха влияет на скорость испарения. В сухой атмосфере влага с кожи испаряется значительно быстрее, чем во влажной. Однако при влажности менее 20% пересыхает слизистая оболочка и возрастает восприимчивость организма к инфекции. При влажности более 60%, считающейся очень большой, насыщенный парами воздух препятствует всяким испарительным процессам, поэтому человек может выдерживать только кратковременное пребывание в такой среде. От движения воздуха зависит теплообмен. При определенных скоростях за счет конвекции происходит рассеивание тепла и влаги с поверхности тела, если температура воздуха не достигает 40°С. В застойной атмосфере соприкасающийся с кожей воздушный слой быстро насыщается влагой и поэтому препятствует дальнейшему испарению. При скорости воздуха в помещении до 0,1 м/с человек испытывает чувство духоты.
Движение воздуха больше этого значения сдувает влажный слой, чем обеспечивает непрерывное рассеивание тепла, но сильный сквозняк может вызвать переохлаждение тела. Оптимальной скоростью перемещения воздушной массы в помещениях считается 0,25—1,5 м/с. Влияние лучистого теплообмена на микроклимат помещений еще недостаточно изучено. В различных источниках высказываются несколько противоречивые мнения. Однако все авторы сходятся на предположении, что непосредственное влияние лучистой энергии существеннее, чем средняя температура воздуха. Если тепловое излучение панелей центрального отопления, других разогретых тел или солнечных лучей повышает так называемую среднюю радиационную температуру на 0,5-0,7°С, то это может быть компенсировано понижением температуры воздуха, но уже на 1°С. Установлено, что радиационная температура является комфортной, если она превышает температуру воздуха примерно на 2°С. Если же она ниже этого значения, то вызывает ощущение холода и даже сквозняка, что часто испытывают люди, находящиеся у окна или наружной стены.
Относительную влажность воздуха задают в зависимости от назначения помещения и протекающих в нем технологических процессов. При этом считают, что внутренний воздух сухой, если выдержано условие φв≤ 50%, нормальный при 51% ≤ φв≤ 60%, влажный при 61%≤ φв≤ 75% и мокрый при φв≤ 76%. Тепловлажностный режим в помещениях создается подогревом или охлаждением воздушной среды при помощи отопления и кондиционеров. В целях сокращения расхода энергоресурсов на эти процессы и во избежание значительных потерь при контакте с наружной средой устраивают надежные теплоизолирующие конструкции: стены, перекрытия, оконные и дверные заполнения. Поэтому российскими нормами тепловлажностный режим тесно увязывают с таким теплотехническим свойством указанных конструкций, как теплообмен. Теплообмен — это совокупность явлений, связанных с распределением энергии от нагретых тел к более холодным. Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение. С теплопроводностью ограждений здания в значительной степени связано представление людей о комфортности жилья. Здесь существует обратная связь — чем меньше теплопроводность, тем защищеннее чувствует себя человек. Теплопроводностью называют передачу теплоты между соприкасающимися частицами материала. Этот вид передачи характерен для ограждений из твердых материалов, кирпича, бетона и др. В строительстве понятие теплопроводности подменяют теплопередачей — процессом переноса теплоты через толщу ограждения. Этот процесс включает два вида теплообмена: 1) между стеной и холодным наружным воздухом; 2) между внутренней поверхностью ограждения и нагретой средой помещения. Теплопередача зависит от сопротивления ограждения передаче теплоты. СНиП установлено, что термические свойства ограждающей конструкции достаточны, если ее сопротивление теплопередаче или термическое сопротивление Ro отвечает условию RоRomp, где Rоmp — нормативное сопротивление. Конвекция — это перенос теплоты в результате направленного перемещения в пространстве газообразного или жидкого вещества. Количество теплоты Q1, передаваемое единицей площади поверхности за единицу времени, зависит от разности температур у ограждения Δt и скорости движения воздуха V.
Излучение отождествляют с лучистым теплообменом. Сущность этого явления состоит в том, что часть энергии теплоты преобразуется в электромагнитные волны, которые передаются через пространство и, встречая на своем пути преграду, поглощаются ею, снова превращаясь в тепловую энергию. Количество теплоты Q2, передаваемой единицей площади поверхности за единицу времени, зависит от разности температур между облучаемыми и Излучающими телами t1-t2 и излучательной способности поверхности.
Выбирая конструкцию ограждения, учитывают и его тепловую инерцию. Если инерция мала, то резкий перепад температур наружного воздуха может повлечь за собой быстрое изменение температуры воздуха внутри помещения. И наоборот, толстые стены за короткий период времени не могут охладиться Или нагреться настолько, что это повлияет на внутреннюю среду. Тепловая инерция — свойство медленного затухания колебаний температуры внутри конструкции. Эту величину характеризуют индексом D, равным D = RoS
где S — коэффициент теплоусвоения. По индексу D ограждения делят на легкие (D≤ 4), средние (4,1 ≤ D≤ 7) и массивные (D ≥ 7). Таким образом учитывают их теплоустойчивость — свойство ограничивать колебание температуры на внутренних поверхностях ограждений при высоких температурах наружного воздуха или солнечном облучении (инсоляции) или совместном действии этих природных явлений. Проверка на теплоустойчивость необходима в зданиях, расположенных в южных районах и особенно с резко континентальным климатом. В этих районах очень важна тепловая стабильность внутренней среды, которую можно Охладить ночью и этим спасаться от перегрева днем. Теплотехнические свойства стен и перекрытий во многом зависят от воздухопроницаемости и влажности составляющих их материалов.
За счет воздухопроницаемости возможна эксфильтрация — возникновение фильтрационного потока из помещений, когда разность давлений на внутренней и наружной поверхностях ограждения превышает сопротивление прохождению воздуха через толщу стены. Умеренный фильтрационный поток необходим в зданиях без кондиционеров. Он способствует очистке воздушной среды за счет естественного проветривания через стены. Однако повышенное движение воздуха через стены может вызвать нежелательный процесс выдувания тепла из помещения. Описываемое свойство оценивают по показателю сопротивления воздухопроницаемости Ru. В соответствии с действующими нормами ограждение отвечает гигиеническому условию, если выдержано отношение:
Ru ≥Rump
где Ru — необходимое общее сопротивление воздухопроницаемости.
Величины Ru, и Rump рассчитывают по методике, изложенной в СНиП 11—3—79 Влажность ограждений является следствием различных причин. Влага проникает в конструкции из грунтов, поднимаясь по капиллярным материалам, если нет гидроизоляционной преграды. Ограждения могут увлажняться под действием наружной или внутренней среды вследствие их гигроскопичности, т. е. свойства сорбировать — поглощать влагу из воздуха. Особо опасна конденсация водяных паров на внутренней поверхности или в толще ограждения в результате процесса, называемого диффузией пара через преграду, разделяющую две среды: внутреннюю и наружную. Влага может конденсироваться на внутренней поверхности стены или перекрытия, если ее температура tв ниже точки росы tp , т. е. tв≤tp . В этом случае воздух, соприкасающийся с этой поверхностью, охлаждается, и из него выпадает конденсат. Диффузия паров — процесс паропроницания — происходящее на молекулярном уровне явление, вызванное перемещением молекул газа в сторону меньшего его давления, как правило, из теплой среды помещения в наружную, более холодную. Тогда при определенных условиях в конструкциях возможно сорбционное увлажнение, представляющее собой поглощение водяного пара, когда под действием молекулярных сил частицы материала притягивают к себе отдельные молекулы пара, и они обволакивают поверхности этих частиц равномерным тонким слоем. Различают две степени сорбционного увлажнения. В начале зимнего периода в ограждении снижается температура, повышается относительная упругость водяного пара и происходит увлажнение материала до равновесного состояния с упругостью пара в. порах этого материала. Предельное равновесное увлажнение частиц материала имеет место при максимальной упругости E водяного пара в порах. Даже незначительное превышение этого значения упругости приводит к нарушению равновесия и выпадению конденсата внутри конструкции, т. е. второй степени увлажнения. В процессе диффузии материал ограждения оказывает сопротивление потоку пара. Это свойство называют сопротивлением паропроницанию и обозначают Rn . Эту величину рассчитывают и сопоставляют с требуемым сопротивлением паропроницанию Rnmp по условию RnRnmp. Сорбционное увлажнение конструкций сказывается на сопротивлении теплопередаче. Ограждения теряют свои теплотехнические свойства тем больше, чем больше насыщен влагой материал. Это отражается не только на микроклимате помещений, но и приводит к повышенному расходу энергии для отопления здания.