Материал: Теплотехнический расчет наружных ограждений

Теплотехнический расчет наружных ограждений

1. Теплотехнический расчет наружных ограждений

Значительное повышение требований к уровню теплозащиты зданий, согласно новым изменениям к СНиП П-3-79* «Стропильная теплотехника» приводит к необходимости широкого использования в однослойных ограждающих конструкциях легких и ячеистых бетонов с низкой плотностью от 400 до 1000 кг/м3, а в многослойных ограждениях - эффективных утеплителей из пенопласта и минеральной ваты и других современных утеплителей. Для большей части территории России проектирование конструкций наружных стен жилых, общественных и других зданий из обыкновенного кирпича становятся нецелесообразным, т.к. это приводит к чрезмерно большой толщине ограждения. В этом случае рационально принять стену из облегченной кладки или из обыкновенного кирпича со сверхлегким утеплителем, размещенным снаружи или внутри ограждений.

Теплотехнический расчет проводится для всех наружных ограждений для холодного периода года с учетом района строительства, условий эксплуатации, назначения здания и санитарно-гигиенических требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям и помещению, из условия, что температура на внутренней поверхности tв(°С), должна быть выше температуры точки росы tp(°C), но не менее чем на 2-3°С. Теплотехнический расчет внутренних ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий) проводится при условии, если разность температур воздуха в помещениях более 3°С.

1.1 Исходные данные и расчетные параметры внутреннего и наружного воздуха

В качестве исходных данных для выполнения теплотехнического расчета, определения теплозащитных свойств ограждающих конструкций принимаются термодинамические параметры внутреннего и наружного воздуха и теплофизические характеристики строительных материалов ограждений. Район строительства характеризуется расчетными параметрами наружного воздуха для холодного и теплого периодов года.

В холодный период (tн < 8°С) в качестве исходных данных принимают: расчетную зимнюю температуру наружного воздуха наиболее холодной пятидневки tхп(°С), наиболее холодных суток tхс(°С), и абсолютно минимальную tн.min(°C), c коэффициентами обеспеченности 0,92 или 0,98; среднюю температуру отопительного периода tоп(°C); продолжительность отопительного периода zоп(cyт); максимальную среднюю скорость ветра за январь υxn(м/c); относительную влажность наружного воздуха (%).

В теплый период (tн > 8°С) в качестве исходных данных используют: минимальную из средних скоростей ветра за теплый период (июль) υтп(м/с); среднюю летнюю температуру за июль tнл(°С); максимальное значение суммарной солнечной радиации, прямой и рассеянной, Imах(Вт/м2); среднее значение суммарной солнечной радиации, прямой и рассеянной, Iср(Вт/м2); максимальную амплитуду суточных колебаний температуры наружного воздуха за июль Аt н(°C).

При выполнении теплотехнического расчета ограждений важно учитывать назначение и условия эксплуатации помещения, которые определяются температурой tB(°C), и относительной влажностью φв(%), внутреннего воздуха, значения которых регламентируются санитарными нормами, строительными нормами и правилами, а также ГОСТ 12.1.005-76.

Известно, что строительные материалы являются капиллярно-пористыми телами и интенсивно поглощают влагу из окружающей среды, следовательно, теплофизические характеристики материалов при расчетах строительных ограждений (расчетные коэффициенты теплопроводности λ, Вт/(м °С), и теплоусвоения S,Вт/(м2 °С), следует принимать с учетом зоны влажности и влажностного режима помещения). Зона влажности района застройки может быть сухая, нормальная и влажная и определяется по схематической карте территории РФ. Влажностный режим помещения бывает сухой, нормальный, влажный и мокрый. Для холодного периода в жилых зданиях принимается режим нормальный, для других помещений он выбирается в зависимости от φв(%).

С учетом зоны влажности и влажностного режима помещения выбирают условия эксплуатации (А или Б).

Исходя из условий эксплуатации А и Б для материалов ограждающих конструкций значения коэффициентов теплопроводности и теплоусвоения λ и S выбираются.

1.2 Расчет толщины утепляющего слоя однородной однослойной и многослойной ограждающей конструкции

Используемые в настоящее время в практике строительства однослойные и многослойные ограждающие конструкции (стена, покрытие, перекрытие) состоят из однородных и неоднородных слоев.

Методика выполнения теплотехнического расчета однослойной и многослойной ограждающей конструкции стены, состоящей из однослойной и многослойной конструкции покрытия. состоит в определении толщины слоя утеплителя δут (м).

При выполнении теплотехнического расчета для зимних условий, прежде всего, необходимо убедиться, что конструктивное решение проектируемого ограждения позволяет обеспечить необходимые санитарно-гигиенические и комфортные условия микроклимата. Для этого требуемое сопротивление теплопередаче (м2 °С/Вт), определяют по формуле:

 (1)

tв - расчетная температура внутреннего воздуха (°С), принимаемая по нормам проектирования, соответствующих зданий ГОСТ 12.1.005-88;н - расчетная зимняя температура (°С), равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92;- коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

∆tн - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции (°С);

άв - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2 °С).

Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП), °С*сут, следует определять по формуле:

 (2)

где zот - продолжительность отопительного периода в сутках;оп - средняя температура отопительного периода (°С). Расчетные значения сопротивлений теплопередаче r0, (м2°С)/Вт, однослойной или многослойной ограждающей конструкции определяют соответственно из уравнений (3.3) и (3.4)

 для однослойной конструкции (рис.1а) (3)

для многослойной конструкции (рис.1б) (4)

где δi - толщина отдельных слоев ограждающей конструкции, м;

δVT - толщина укрепляющего слоя, м;

λi - коэффициент теплопроводности отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м °С);

λvт - коэффициент теплопроводности утепляющего слоя, Вт/(м °С);

άн - коэффициент теплопередачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м °С).

Рис. 1 - Ограждающая конструкция а) - однослойная; б) - многослойная. Определяется приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, соответствующее высоким теплозащитным свойствам , (м2 °С)/Вт, в зависимости от полученного значения ГСОП и типа здания или помещения

Сравниваем R0тр и R0.энтр:

если R0тр > R0.энтр - для дальнейших расчетов принимают R0тр;

если R0.энтр > R0тр - для расчетов принимают R0.энтр.

Приравнивая правую часть уравнения (4) к выбранной величине R0тр или R0.энтр, получим выражение для определения предварительной толщины слоя утеплителя δут (м):

 (5)

Для панельных стен сопротивление теплопередаче, найденное по формулам (3) и (4), допускается умножать на коэффициент теплотехнической однородности r.

Вычисленное значение δут должно быть скорректировано в соответствии с требованиями, унификации конструкции ограждений.

Толщина наружных стен из кирпичной кладки может приниматься 0,38; 0,51; 0,64; 0,77 м, а из стеновых панелей - 0,20; 0,25; 0,30; 0,40 м.

После выбора общей толщины конструкции δ0 м, и толщины утеплителя δут м, уточняется фактическое общее сопротивление теплопередаче R0ф, (м2 °С) /Вт, для всех слоев ограждения по формуле

 (6)

и проверяется условие

 (7)

Если условие (7) не выполняется, то чаще всего целесообразен выбор строительного материала с меньшим коэффициентом теплопроводности λут (Вт/(м °С)).

Коэффициент теплопроводности принятого наружного ограждения стены k (Вт/(м2 °С)), определяется из уравнения

 (8)

где R0ф - общее фактическое сопротивление теплопередаче, принимаемое по уравнению (6), (м2 °С)/ Вт.

Теплотехнический расчет наружного ограждения стены Исходные данные:

Ограждающая конструкция жилого здания, состоящая из пяти слоев: обшивка доской δ1=0,1 м; кладка из глиняного кирпича на ц/п растворе γ2=1800 кг/м3, δ2= 0,38 м; слоя утеплителя из пенополиуретан γут = 40 кг/м3; кладка из глиняного кирпича на ц/п растворе γ3=1800 кг/м3, δ3= 0,38 м; керамическая плитка на ц/п растворе γ4=1400 кг/м3, δ4=0,3 м.

Район строительства - г. Прохладный.

Влажностный режим помещения - нормальный.

Расчетная температура внутреннего воздуха tв = 18°С.

г. Прохладный находится в сухой зоне влажности, влажностный режим нормальный, следовательно, рассчитываемая ограждающая конструкция будет эксплуатироваться в условиях Б.

Значения теплотехнических характеристик и коэффициентов в формулах: tхп(0,92) = - 30°С ton = - 3,3°С zоп = 180 сут. tв = 18°С λ1= 0,18 Вт/(м °С) λ2, λ 3=0,84 Вт/(м °С) λут= 0,04 Вт/(м °С) λ4 = 0,81 Вт/(м °С) ∆tн = 4°С r=0,5 n = 1 άв= 8,7 Вт/(м2 °С) άн= 23 Вт/(м2 °С) Решение задачи:

. Первоначально определяем требуемое сопротивление теплопередаче по формуле (3.1):

. По формуле (2) рассчитываем градусо-сутки отопительного периода (ГСОП), °С*сут:

ГСОП = (18 - (- 3,3)) • 180 = 3834 (С*сут).

. Величина сопротивления теплопередаче ограждения с учетом энергосбережения R0.энтр (м2 °С)/Вт, равна 1,6.

Коэффициент теплотехнической однородности для трехслойной панели принят r = 0,5.

. Сравниваем R0тр=1,38 и R0.энтр =1,6 (м2°С)/Вт и принимаем для дальнейших расчетов большее - R0.энтр.

. Определяем предварительную толщину утеплителя из пенополиуретана δут по уравнению (5):

В соответствии с требованиями унификации принимаем общую толщину панели δ0= 0,25 м, тогда δут = 0,05 м.

. Уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче R0ф для всех слоев ограждения по выражению (6):

Таким образом, условие теплотехнического расчета выполнено, так как R0ф >R0.энтр (3,24 > 1,6).

. Коэффициент теплопередачи для данной ограждающей конструкции определяем по уравнению (8):

1.3 Расчет толщины утепляющего слоя неоднородной однослойной и многослойной ограждающей конструкции

Рассмотрим порядок теплотехнического расчета многослойного покрытия (рис. 2), в первом слое которого (плита перекрытия), однородность материала нарушена воздушными прослойками.

Для учета санитарно-гигиенических требований, предъявляемых к ограждающей конструкции покрытия (перекрытия), необходимо определить требуемое сопротивление теплопередаче R0тр, (м2°С)/Вт, по уравнению (9):

где п; t; tн; ∆tн; άв - то же, что и в уравнении (9).

Рис. 2 - Многослойная ограждающая конструкция покрытия

Предварительная толщина теплоизоляционного слоя утеплителя покрытия δут, м, определяется из уравнения (10):

где άв; δi; λi; άн; λут - то же, что и в уравнении (10).

В первом слое однородность материала нарушена в параллельном и перпендикулярном направлениях движения теплового потока, поэтому по уравнению (10) величина R1=δ1/λ1 определяется как приведенное термическое сопротивление теплопередаче конструкции Rкпр, (м2 °С)/Вт.

А. При расчете многопустотной плиты перекрытия ограждающая конструкция условно разрезается плоскостями, параллельными направлению движения теплового потока, на характерные в теплотехническом отношении участки, из которых одни могут быть однородными (из одного материала), а другие неоднородными (из разных материалов).

Термическое сопротивление всех этих участков RА, (м2°С)/Вт, определяется по формуле

 (11)

где: А1, A2,..., Аn,- площади отдельных участков конструкций, м2;, R2,..., Rn - значения термического сопротивления указанных отдельных участков конструкции, определяемые для однородных участков по выражению R = δ/λ, а для неоднородных участков так же, но с учетом термического сопротивления теплопередаче воздушной прослойки Rвп, (м2°С)/Вт.

Б. При расчете многопустотной плиты покрытия ограждающая конструкция условно разрезается плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока на характерные в теплотехническом отношении участки, из которых одни могут быть однородными (из одного материала), а другие - неоднородными (из разных материалов).

Термическое сопротивление всех этих участков RБ, (м2°С)/Вт, определяется для однородных участков по выражению R = δ/λ, для неоднородных участков - по формуле (12). Приведенное термическое сопротивление неоднородного слоя ограждающих конструкции - многопустотные плиты - Rпp, (м2°С)/Вт, следует определять по формуле

 (12)

Если RА превышает RБ более чем на 25%, то Rпp следует определять на основании расчета температурного поля. После определения Rпp и выбора толщины δут по уравнению (12) определяется R0ф, (м2°С)/Вт, всей ограждающей конструкции покрытия по формуле:

 (13)

где αв, αн, δ2, δn, λ2, λn - то же, что и в уравнении (13);

 - то же, что и в уравнении.

При выполнении условия определяется коэффициент теплопередачи принятой конструкции покрытия κпокр, Вт/(м2 °С), по уравнению:

где R0ф - фактическое общее сопротивление теплопередаче конструкций, (м2°С)/Вт.

Задача 1. Теплотехнический расчет покрытия

Исходные данные:

Ограждающая конструкция, совмещенное многослойное покрытие (рис. 3) железобетонная плита шириной 1 м с пятью пустотами объемным весом γ1=2500 кг/м3 и толщиной δ1= 0,22м; выравнивающий слой цементно-песчаного раствора с γ2= 1800 кг/м3 и δ2=0,02 м; пароизоляция - битумная мастика с γ3= 1400 кг/м3 и δ3= 0,01 м; утеплитель - пенополиуретан γ ут =40кг/м3 ; кровельная плита γ4= 160 кг/м3 и δ4= 0,03 м; гидроизоляция - три слоя рубероида с γ5=600 кг/м3 и δ 5= 0,02 м; выравнивающий слой цементно-песчаного раствора с γ6= 1800 кг/м3 и δ6= 0,02 м.

Район строительства - г. Прохладный.

Влажностный режим помещения - нормальный.

Расчетная температура внутреннего воздуха tв=18 °С.