Теплотехнический расчет

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА РАСЧЕТА

Придание ограждающим конструкциям теплозащитных свойств в целях обеспечения заданного температурного режима помещения и долговечности самих конструкций рассматривается в строительной теплофизике, которая позволяет определить сопротивление реальной конструкции в конкретных эксплуатационных условиях и выбрать наиболее целесообразное конструктивное решение.

Рассмотрим распределение температуры в конструкции при постоянном тепловом потоке. При передаче тепла через ограждающую конструкцию происходит падение температуры от tint до text. При этом общий перепад состоит из суммы нескольких температурных перепадов. Температура внутренней поверхности ограждающей конструкции int ниже, чем tint – внутри помещения. Имеет место температурный перепад tint int , обусловленный сопротивлением тепловосприятию Rsi. В пределах конструкции перепад составляет int ext он обусловлен термическим сопротивлением конструкции Rk; перепад ext text обусловлен сопротивлением теплоотдаче Rse.

Рисунок 1 – Распределение температуры в конструкции при постоянном тепловом потоке

11

На рисунке 1 представлена конструкция, состоящая из нескольких слоев, расположенных параллельно внешним поверхностям ограждения. Такая конструкция называется слоистой. Если она выполнена из однородного материала, конструкция называется

однородной.

Термическое сопротивление R, м2·°С/Вт, однородного слоя многослойной ограждающей конструкции, а также однослойной ограждающей конструкции следует определять по формуле

R= ,

(1)

где – толщина слоя, м;– расчетный коэффициент теплопроводности материала

слоя, Вт/(м·°С).

Термическое сопротивление ограждающей конструкции Rk, м2·°С/Вт, с последовательно расположенными однородными слоями следует определять как сумму термических сопротивлений от-

дельных слоев
Rk = R1 + R2 + … + Rn + Ra1,	(2)

где R1, R2, +, Rk – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м2·°С/Вт, определяемые по формуле (1);

Ra1 – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки.

Сопротивление теплопередаче Ro, м2·°С/Вт, однородной однослойной или многослойной ограждающей конструкции с однородными слоями или ограждающей конструкции в удалении от теплотехнических неоднородностей не менее чем на две толщины ограждающей конструкции следует определять по формуле

Ro = Rsi + Rk +Rse,

(3)

где Rsi =1/ int, int – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2·°С);

12

Rse =1/ ext, ext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода,

Вт/(м2·°С);

Rk – то же, что и в формуле (2).

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Строительными нормами и правилами установлены три показателя тепловой защиты здания:

а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания; б) санитарно-гигиенический, включающий температурный перепад

между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности выше температуры точки росы; в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позво-

ляющий варьировать величинами теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом объемнопланировочных решений здания и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.

Требования тепловой защиты здания будут выполнены, если в жилых и общественных зданиях будут соблюдены требования показателей «а» и «б» либо «б» и «в». В зданиях производственного назначения необходимо соблюдать требования показателей «а» и «б».

В ходе курсового и дипломного проектирования представляется достаточно сложным определение удельного расхода тепловой энергии на отопление здания, так как не определены системы поддержания микроклимата в помещениях. Поэтому в проектах такого рода теплотехнический расчет ограничивается определением состава ограждающих конструкций, удовлетворяющих условиям «а» и «б». Для выполнения расчета следует использовать методы, приведенные в Своде правил по проектированию и строительству [2].

13

Вбольшинстве случаев расчеты в учебных проектах проводятся для стеновых ограждений. С теплотехнической точки зрения различают три вида наружных стен по числу основных слоев: однослойные, двухслойные и трехслойные.

Однослойные стены выполняют из конструкционнотеплоизоляционных материалов и изделий, совмещающих несущие

итеплозащитные функции.

Втрехслойных ограждениях с защитными слоями на точечных (гибких, шпоночных) связях рекомендуется применять утеплитель из минеральной ваты, стекловаты или пенополистирола с толщиной, устанавливаемой по расчету с учетом теплопроводных включений от связей. В этих ограждениях соотношение толщин наружных и внутренних слоев должно быть не менее 1:1,25 при минимальной толщине наружного слоя 50 мм.

Вдвухслойных стенах предпочтительно расположение утеплителя снаружи. Используются два варианта наружного утеплителя: системы с наружным покровным слоем без зазора и системы с воздушным зазором между наружным облицовочным слоем и утеплителем. Не рекомендуется применять теплоизоляцию с внутренней стороны из-за возможного накопления влаги в теплоизоляционном слое, однако в случае необходимости такого применения поверхность со стороны помещения должна иметь сплошной и долговечный пароизоляционный слой.

При проектировании стен с невентилируемыми воздушными прослойками следует руководствоваться следующими рекомендациями:

размер прослойки по высоте должен быть не более высоты этажа, и не более 6 м, размер по толщине – не менее 40 мм (10 мм при устройстве отражательной теплоизоляции);

воздушные прослойки следует разделять глухими диафрагмами из негорючих материалов на участки размером не более 3 м;

14

воздушные прослойки рекомендуется располагать ближе к хо-

лодной стороне ограждения.

При проектировании стен с вентилируемой воздушной прослойкой (стены с вентилируемым фасадом) следует руководствоваться следующими рекомендациями:

воздушная прослойка должна быть толщиной не менее 60 и не более 150 мм и ее следует размещать между наружным слоем и теплоизоляцией; следует предусматривать рассечки воздушного потока по высоте каждые три этажа из перфорированных перегородок;

при расчете приведенного сопротивления теплопередаче следует учитывать все теплопроводные включения, включая крепежные элементы облицовки и теплоизоляции;

наружный слой стены должен иметь вентиляционные отверстия, суммарная площадь которых определяется из расчета 75 см2 на 20 м2 площади стен, включая площадь окон;

нижние (верхние) вентиляционные отверстия, как правило, следует совмещать с цоколями (карнизами), причем для нижних отверстий предпочтительно совмещение функций вентиляции и отвода влаги;

применять жесткие теплоизоляционные материалы плотностью не менее 80 – 90 кг/м3, имеющие на стороне, обращенной к прослойке, ветровоздухозащитные паропроницаемые пленки или кашированные стеклотканью, либо предусматривать обязательную защиту поверхности теплоизоляции, обращенной к прослойке, стеклосеткой с ячейками не более 4 х 4 мм или стеклотканью, прикрепляя ее к теплоизоляции при помощи армирующей массы; не следует применять горючие утеплители; применение мягких теплоизоляционных материалов не рекомендуется;

15

при использовании в качестве наружного слоя облицовки из плит искусственных или натуральных камней горизонтальные швы должны быть раскрыты (не должны заполняться уплотняющим материалом).

При наличии в конструкции теплозащиты теплопроводных

включений необходимо учитывать следующее:

несквозные включения целесообразно располагать ближе к теплой стороне ограждения;

в сквозных, главным образом, металлических включениях (профилях, стержнях, болтах, оконных рамах) целесообразно предусматривать вставки (разрывы мостиков холода) из мате-

риалов с коэффициентом теплопроводности не выше

0,35 Вт/(м·°С).

Для стеновых конструкций удобнее принять тип технического решения ограждающей конструкции в соответствии с рекомендуемыми в таблице А.2 [2, раздел 8, табл. 4].

Покрытия жилых и общественных зданий могут быть бесчердачными (совмещенными) и раздельной конструкции, верхнее и нижнее перекрытия которой образуют чердачное пространство, и в зависимости от способа удаления вентиляционного воздуха оно может быть холодным или теплым.

Крыши с холодным чердаком разрешается применять в жилых зданиях любой этажности. В крыше с холодным чердаком внутреннее пространство должно вентилироваться наружным воздухом через специальные отверстия в стенах, площадь сечения которых при железобетонном покрытии или сплошной скатной кровле из металлических или других материалов должна быть не менее 0,001 площади перекрытия. При скатной кровле из штучных материалов (асбестоцементных листов, черепицы) чердачное пространство вентилируется через зазоры между его листами, поэтому вентиляционные отверстия допускается не предусматривать.

16

При крыше с холодным чердаком теплоизоляция укладывается по чердачному перекрытию. Теплоизоляционный слой по периметру чердака на ширину не менее 1 м рекомендуется защищать от увлажнения. Вентиляционные шахты и вытяжки канализационных стояков при холодном чердаке с выпуском воздуха наружу должны быть утеплены выше чердачного перекрытия.

Крыши с теплым чердаком рекомендуется применять в зданиях 6 этажей и более. В крыше с теплым чердаком чердачное пространство, имеющее утепленные наружные стены и утепленное кровельное покрытие, обогревается теплым воздухом, который поступает из вытяжной вентиляции дома. Для удаления воздуха из чердачного пространства следует предусматривать вытяжные шахты по одной на каждую секцию. Чердачное пространство следует посекционно разделить стенами на изолированные отсеки. Дверные проемы в стенах, обеспечивающие сквозной проход по чердаку, должны иметь уплотненные притворы.

Плиты покрытия теплого чердака при безрулонной кровле должны иметь верхний кровельный слой не менее 40 мм из плотного бетона и бортовые ребра высотой 100 мм. Плиты рекомендуется проектировать двухслойными, в том числе с теплоизоляционными вкладышами. Плиты покрытия теплого чердака под рулонную кровлю рекомендуется проектировать однослойными из легкого бетона, в том числе с термовкладышами, или трехслойными.

Бесчердачные покрытия (совмещенные крыши) могут устраиваться невентилируемыми и вентилируемыми. Невентилируемые покрытия следует предусматривать в тех случаях, когда в конструкции покрытия путем применения пароизоляции и других мероприятий исключается недопустимое влагонакопление в холодный период года. Вентилируемые покрытия надлежит предусматривать в тех случаях, когда конструктивные меры не обеспечивают нормального влажностного состояния конструкций.

17

В жилых и общественных зданиях рекомендуется применение вентилируемых совмещенных крыш.

Рекомендуемая конструкция бесчердачного (совмещенного) вентилируемого покрытия крыши может содержать следующие слои, считая от нижней поверхности:

несущая конструкция;

пароизолирующий слой;

теплоизолирующий слой;

вентилируемая прослойка, служащая для удаления влаги из конструкции покрытия или для его охлаждения;

основание под гидроизоляцию (стяжка или кровельная плита при щелевых вентилируемых прослойках);

многослойный гидроизолирующий кровельный ковер. Волокнистые теплоизоляционные материалы в вентилируе-

мых покрытиях должны быть защищены от воздействия вентилируемого воздуха паропроницаемыми пленочными покрытиями.

Осушающие воздушные прослойки и каналы следует располагать над теплоизоляцией или в верхней зоне последней. Минимальный размер поперечного сечения этих прослоек не должен быть менее 40 мм. Приточные отверстия следует устраивать в карнизной части, а вытяжные – с противоположной стороны здания или в коньке. Суммарное сечение как приточных, так и вытяжных отверстий рекомендуется назначать в пределах 0,002 – 0,001 от горизонтальной проекции покрытия.

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ

1. Приведенное сопротивление теплопередаче Ro, м2·°С/Вт, ограждающих конструкций, а также окон и фонарей (с вертикальным остеклением или с углом наклона более 45°) следует принимать не менее нормируемых значений Rreq, м2·°С/Вт, определяемых

18

по таблице А.1 [4, табл. 4] в зависимости от градусо-суток района строительства Dd, °С·сут.

Градусо-сутки отопительного периода Dd, °С·сут, оп-

ределяют по формуле:
Dd =( tint – tht)zht,	(4)

где tint – расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая для расчета ограждающих конструкций группы зданий по поз.1 таблицы А.1 по минимальным значениям оптимальной температуры соответствующих зданий по ГОСТ 30494 (в интервале 20 – 22 °С), для группы зданий по поз.2 таблицы А.1 – согласно классификации помещений и минимальных значений оптимальной температуры по ГОСТ 30494 (в интервале 16 – 21 °С), зданий по поз.3 таблицы А.1 – по нормам проектирования соответствующих зданий;

tht, zht – средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемые по таблице А.4 (таблица 1 [3]) для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10 °С – при проектировании ле- чебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых, и не более 8 °С – в остальных случаях.

В некоторых случаях (здания, предназначенные для сезонной эксплуатации, производственные цеха с избытками явной теплоты и т.п.) определение Rreq ведется несколько иначе (см. п. 5.3 [4]), но в данной работе это не рассматривается.

2. Необходимо проверить соответствие приведенного сопротивления конструкции нормируемому значению.

а) Для определения термического сопротивления необходимо определить условия эксплуатации конструкции в зависимости от влажностного режима помещений и зоны влажности района строительства, и установить расчетные теплотехнические показатели строительных материалов слоев.

19

По приложению Б в зависимости от географического положения пункта строительства определяется зона влажности (влажная, нормальная, сухая). Затем по таблице А.7 [4, табл. 1] определяется влажностный режим помещения. По таблице А.8 [4, табл. 2] устанавливаем условия эксплуатации конструкции А или Б для выбора расчетного коэффициента теплопроводности материала слоев конструкции по таблице А.9 [2, табл. Д.1].

б) По формуле (1) с учетом толщин слоев определяем термическое сопротивление каждого слоя, и затем по формуле (2) находим общее термическое сопротивление конструкции.

Значения термических сопротивлений воздушных прослоек принимаются по таблице А.10 [2, табл. 7]. При наличии в ограждающей конструкции прослойки, вентилируемой наружным воздухом слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой и наружной поверхностью, в теплотехническом расчете не учитываются.

Величину коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций принимают в соответствии с таблицей А.11 [4, табл. 7].

Значение коэффициента теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода принимают в соответствии с таблицей А.12 [2, табл. 8], на поверхности конструкции, обращенной в сторону вентилируемой наружным воздухом прослойки, следует принимать коэффициент теплоотдачи

ext равным 10,8 Вт/(м2·°С).

3. В соответствии с разделом 5 [4] наружные ограждающие конструкции зданий должны удовлетворять нормируемому сопротивлению теплопередаче Rreq для однородных конструкций наружного ограждения – по Rо, для неоднородных конструкций – по при-

веденному сопротивлению теплопередаче Rоr ; при этом должно соблюдаться условие Rо (или Rоr ) Rreq.

20