И.В. Захарова Теплотехнический расчет ограждающих конструкций

1

ВВЕДЕНИЕ

Теплотехнический расчет толщины ограждающей конструкции является обязательным разделом при выполнении любого курсового проекта по архитектуре, а также архитектурно-конструктивной части выпускной работы и дипломного проекта для студентов направления 550100 «Строительство».

До 1995 года эти расчеты выполнялись по СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника», в котором использовалась методика, разработанная еще в 1950-е годы.

Впоследние годы в нашей стране особенно остро встала проблема экономии топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим возросли требования к эффективности строительных материалов и конструкций, позволяющих обеспечить более высокое сопротивление теплопередаче и, соответственно, меньшие затраты на отопление. Возникла необходимость в изменении методики расчета толщины ограждающих конструкций. В 1995 году издается новый СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», в котором требуемое сопротивление теплопередаче для ограждений возросло в несколько раз.

При таких высоких теплотехнических требованиях использование традиционных однослойных ограждений (кирпич, керамзитобетон) становится невозможным, поскольку толщина стены должна достигать более метра. Стало необходимым широкое применение многослойных ограждений с эффективными утеплителями, а также новых строительных материалов, обладающих низкими коэффициентами теплопроводности.

В2000 году взамен СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» был введен в действие новый СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», в котором изменены значения расчетных температур наружного воздуха.

При выполнении расчетов студенты сталкиваются с трудностями из-за недостатка новых СНиПов и методических разработок, поскольку в существующих учебниках, пособиях и справочниках изложена старая методика теплотехнического расчета. С другой стороны, в последние годы в строительстве начал использоваться целый ряд новых эффективных строительных материалов, теплотехнические характеристики которых еще не включены в СНиП II-3-79*, что тоже вызывает трудности при выполнении расчетов в курсовом и дипломном проектировании. Настоящее методическое пособие имеет

2

целью заполнить существующие пробелы и помочь студентам в выполнении расчетов толщины ограждающих конструкций.

1. СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ВЕЛИЧИНЫ

При выполнении расчета необходимо понимать физический смысл ряда понятий и величин, используемых в строительной теплотехнике.

1.1. Плотность строительных материалов γ, кг/м3 – отноше-

ние массы строительного материала (P, кг) к его объему (V, м3):

Плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах, от 25-30 кг/м3 у материалов из пористых пластмасс (пенополистирол, пенополиуретан) до 2800-3000 кг/м3 у гранита и мрамора.

1.2. Теплопроводность строительных материалов характери-

зуется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/м· оС, выражающим количество тепла, проходящего через 1 м2 ограждения при его толщине 1 метр и при разности температур на внутренней и наружной поверхности ограждения 1 оС.

На коэффициент теплопроводности материала влияют следующие свойства материала.

•Плотность (пористость): чем больше в материале замкнутых пор, тем меньше коэффициент теплопроводности, поскольку λ любого плотного материала не менее чем в 100 раз превышает

λвоздуха.

•Химико-минералогический состав. Любой строительный материал имеет в своем составе кристаллические и аморфные вещества в различных соотношениях. Чем выше процент кристаллических веществ, тем больше коэффициент теплопроводности.

•Собственная температура материала. Чем она выше, тем большей теплопроводностью обладает конструкция.

3

•Влажность материала. При увлажнении конструкции в поры, заполненные воздухом, попадает вода, коэффициент теплопроводности которой выше, чем у воздуха, приблизительно в 20 раз. Поэтому теплопроводность материала резко возрастает, возникает опасность промерзания ограждающей конструкции. При промерзании конструкции вода, находящаяся в порах, превращается в лёд, коэффициент теплопроводности которого выше, чем у воды, еще в 4 раза. Поэтому так важно не допускать переувлажнения ограждающих конструкций.

Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают ме-

таллы: сталь – 50 Вт/м·оС, алюминий – 190 Вт/м·оС, медь - 330 Вт/м·оС. Наименьший коэффициент теплопроводности у эффективных утеплителей, пенополистирола и пенополиуретана: 0,03-0,04 Вт/м·оС.

1.3. Термическое сопротивление (сопротивление теплопере-

даче) R, м2·оС /Вт, – важнейшее теплотехническое свойство ограждения. Оно характеризуется разностью температур внутренней и наружной поверхности ограждения, через 1 м2 которого проходит 1 ватт тепловой энергии (1 килокалория в час).

Чем больше термическое сопротивление ограждающей конструкции, тем лучше её теплозащитные свойства. Из формулы (2) видно, что для увеличения термического сопротивления R необходимо либо увеличить толщину ограждения δ, либо уменьшить коэффициент теплопроводности λ, то есть использовать более эффективные материалы. Последнее более выгодно из экономических соображений.

2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ОДНОРОДНОМ ОГРАЖДЕНИИ ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ПОТОКЕ ТЕПЛА

Представим себе условную ограждающую конструкцию, состоящую из однородного материала, через которую в холодное время года проходит постоянный тепловой поток. В этом случае график

4

распределения температуры внутри ограждения выглядит следующим образом (рис. 1).

∆tв

tв τв

0 оС

τн tн

Рис. 1. Распределение температур в однородной ограждающей конструкции при постоянном тепловом потоке

При передаче тепла через ограждающую конструкцию происходит падение температуры от tв до tн. При этом общий температурный перепад tв- tн состоит из суммы трех температурных перепадов:

τн несколько выше температуры наружного воздуха tн. Каждый из этих температурных перепадов вызван конкретным

сопротивлением переносу тепла:

1)перепад tв-τв - сопротивлением тепловосприятию внутрен-

ней поверхности ограждения Rв;

2)перепад τв-τн - термическим сопротивлением конструкции

Rк;

5

3) перепад τн-tн - сопротивлением теплоотдаче наружной по-

верхности ограждения Rн.

Сопротивления тепловосприятию и теплоотдаче иногда называют сопротивлениями теплообмену; они имеют такую же размерность, как и термическое сопротивление, т. е. м2· оС/Вт.

Общее (приведенное) термическое сопротивление однослойной ограждающей конструкции Ro, м2· оС/Вт, равно сумме всех от-

дельных сопротивлений, т. е.

3. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МНОГОСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Однослойные ограждающие конструкции в строительстве практически не применяются. Например, кирпичная стена должна иметь хотя бы внутренний штукатурный слой из цементно-песчаного раствора, к тому же в связи с возросшими теплотехническими требованиями в конструкцию стены обязательно вводится слой эффективного утеплителя. Конструкции, состоящие из нескольких слоев разнородных материалов, называют многослойными. Многослойные конструкции могут быть двух основных типов:

1)многослойные конструкции с последовательно расположенными однородными слоями (например, трёхслойная железобетонная панель на гибких связях с эффективным утеплителем);

2)неоднородные многослойные ограждающие конструкции (например, каменная стена облегченной кладки с теплоизоляционным слоем и кирпичными ребрами жесткости).

Вкурсовом проектировании достаточно уметь выполнять расчет для первого типа конструкций. Расчет конструкций второго типа бо-

6

лее трудоемок и, в случае необходимости, может быть выполнен по СНиП II-3-79*.

Термическое сопротивление Rк, м2·оС/Вт, многослойной кон-

где n - количество слоёв в многослойной конструкции;

R1, R2,…Rn - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м2·оС/Вт, определяемые по формуле (2); Rвп - термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки (если она есть), принимаемое по прил. 4 [1] (см. табл. 1).

Таблица 1

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек (по прил. 4 СНиП II-3-79*)

4. ТРЕБУЕМОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Общее сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Ro следует принимать не менее требуемого сопротивление теплопередаче Rотр, т.е. должно выполняться неравенство Ro = Rотр.

Rотр определяется:

1)из санитарно-гигиенических и комфортных условий по формуле (5);

2)из условий энергосбережения по формуле (5а).

7

4.1. Из санитарно-гигиенических и комфортных условий

Rотр определяется только для следующих видов зданий:

1)зданий с влажным или мокрым режимом;

2)зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации (осенью или весной);

3)зданий с расчетной температурой внутреннего воздуха 12 оС и ниже;

4)для внутренних стен, перегородок и перекрытий между

помещениями при разности расчетных температур воздуха в этих помещениях более 6 оС .

Вэтом случае требуемое сопротивление теплопередаче определяется по формуле

где n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по табл. 3* [1], см. также табл.4 настоящего пособия;

tв – расчетная температура внутреннего воздуха, оС, принимаемая согласно ГОСТ 12.1.005-88 и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений (см. также прил. 2);

tн - расчетная зимняя температура наружного воздуха, оС, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СНиП 23-01-99 (см. прил. 1);

∆tн - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, оС, принимаемый по табл. 2*[1], см. также табл. 3 настоящего пособия;

αв - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по табл. 4*[1], см. также табл. 5.

4.2. Из условий энергосбережения Rотр принимается для всех остальных видов зданий по табл. 2 в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП), определяемых по формуле

ной 8 оС по СНиП 23-01-99 (см. прил. 1).

Таблица 2

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций в зависимости от градусо-суток отопительного периода (по табл. 1б СНиП II-3-79*)

9