Расчет тепловой защиты здания

Расчет наружной стены жилого здания

Исходные данные:

- район строительства – г. Киров;

- группа здания - жилое;

- расчетная средняя температура внутреннего воздуха жилого здания, t_int=20°C (ГОСТ 30494-96);

- относительная влажность внутреннего воздуха жилого здания, j_int=45% (ГОСТ 30494-96);

- расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, °C, для всех зданий, кроме производственных зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации, принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, t_ext=-38°C (СНиП 23-01-99* табл. 1*, 5ст.).

- расчетный коэффициент теплопроводности материала слоев О.К. λ, Вт/(м^{2 0}С), принимаем из приложения Д СП23-101-2004, исходя из условия эксплуатации О.К. (А или Б), которое определяем по влажностному режиму помещения и зоне влажности района строительства (т.е. г. Кирова) (приложение В СНиП 23-02-2003). Влажностный режим помещения определяем по табл. 1 СНиП 23-02-2003 (в нашем примере при t_int=20°C и j_int=45%, что соответствует влажностному режиму помещения – сухой). Зону влажности на территории города находим по карте зон влажности территории РФ, приведенной в приложении В СНиП 23-02-2003 (г. Киров относится к нормальной зоне). Таким образом, по сухому влажностному режиму помещения и нормальному на территории города, условие эксплуатации О.К. – А.

 

 

Расчет тепловой защиты здания

На первом этапе расчета тепловой защиты здания необходимо определить толщину утеплителя данного района строительства, для чего предварительно определяем градусо-сутки отопительного периода Dd, ⁰С сут по формуле: . Найдем значение параметров формулы:

- t_int=20°C;

- t_ht – средняя температура наружного воздуха, °C, отопительного периода, принимаемая для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 8°C, t_ht =-5,4°C (СНиП 23-01-99 табл. 1* 12 ст.);

- zht – продолжительность, сут., отопительного периода, принимаемая для периода со средней суточной температурой наружно воздуха не более 8°C, z_ht =231 сут. (СНиП 23-01-99 табл. 1* 11 ст.), тогда

Dd=(20-(-5,4)) 231=5867,4 °C сут.

По значению Dd (СНиП 23-02-2003 табл.4) определяем нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreg, (м^{2 0}С)/Вт. Т.к. значение Dd не принимает табличной величины, то интерполируем данные из СНиП 23-02-2003:

	3,5
5867,4	Х
	4,2

(8000-6000)-(4,2-х)

(8000-5867,4)-(4,2-х)

(8000-6000) (4,2-х)= (8000-5867,4)(4,2-3,5)

Х=4,2-((8000-5867,4)(4,2-3,5))/ (8000-6000)=3,453

Для проверки воспользуемся формулой: Rreg =a Dd +b =0,00035 5867,4+1,4=3,453

Далее определяем приведенное сопротивление теплопередаче Rо, (м^{2 0}С)/Вт, заданной многослойной О.К., которое должно быть не менее нормируемого значения Rreg, (м^{2 0}С)/Вт (Rо> Rreg). Rо находим как сумму термических сопротивлений отдельных слоев с учетом сопротивлений теплопередаче внутренней и наружной поверхностей О.К. (Rsi и Rse) по формуле:

Rо = Rsi + R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + Rse,

Где Rsi и Rse соответственно равны: и

,

где αint – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности О.К., Вт/(м^{2 0}С), αint =8.7 Вт/(м^{2 0}С) принимаемый по табл.7 СНиП 23-02-2003;

αext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности О.К., Вт/(м^{2 0}С), αext =23 Вт/(м^{2 0}С) принимаемый по табл.7 СП 23-101-2004.

А сопротивление теплопередаче воздушной прослойки, в нашем случае R2, принимаем по табл.7 СП 23-101-2004. И т.к. значение Dd не принимает табличной величины, то интерполируем данные из СНиП 23-101-2004:

0,03	0,16
0,045	Х
0,05	0,17

(0,05-0,03)-(0,17-х)

(0,05-0,045)-(0,17-х)

(0,05-0,03) (0,17-х)= (0,05-0,045)(0,17-0,16)

Х=0,17-((0,05-0,045)(0,17-0,16)) / (0,05-0,03)=0,1675

 

R2 =Ral =0,1675 (м^{2 0}С)/Вт.

Таким образом, Rо = 1 / αint + δ1 / λ1 + Ral + δ3 / λ3 + δ4 / λ4 + δ5 / λ5 + 1 / αext

Так как Rо> Rreg, то подставляем числовые значения и получаем:

Rreg =Rо=1 / 8,7 + 0,012 / 0,76 + 0,1675 + х / 0,045 + 0,1 / 1,92 + 0,015 / 0,76 + 1 / 23= 3,45, откуда выражаем х.

х= 0,045 (3,54-1 / 8,7 - 0,012 / 0,76 - 0,1675 - 0,1 / 1,92 - 0,015 / 0,76 - 1 / 23) = 0,045 (3,54-0,41) = 0,14069м = 140,69 мм.

Принимаем х=145мм, т.е. округляем до ближайшей промышленной толщины.

Тогда Rо=1 / 8,7 + 0,012 / 0,76 + 0,1675 + 0,145 / 0,045 + 0,1 / 1,92 + 0,015 / 0,76 + 1 / 23= 3,63 (м^{2 0}С)/Вт.

Таким образом, общая толщина О.К. составляет δо.к.=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5=12 +45+145+100+15=317мм., которая обеспечивает требования тепловой защиты зданий по показателю «а», т.к. Rо=3,63(м^{2 0}С)/Вт > Rreg=3,45 (м^{2 0}С)/Вт.

На втором этапе расчета тепловой защиты здания необходимо определить расчетный температурный перепад Δt₀, ⁰С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности О.К., который не должен превышать нормируемой величины Δtn, ⁰С. Для наружных стен жилых зданий Δtn = 4⁰С по табл. 5 СНиП 23-02-2003.

Расчетный температурный перепад определяем по формуле: Δt₀=(n(t_{int -}t_{ext)/ Rо} αint. Найдем значения параметров формулы:

n – коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, n=1 по табл. 6 СНиП 23-02-2003;

 

t_int = 20⁰С;

t_ext =-37⁰С;

Rо= Rreg =3,63 (м^{2 0}С)/Вт;

αint =8.7 Вт/(м^{2 0}С) принимаемый по табл.7 СНиП 23-02-2003, тогда подставляя в формулу числовые значения получаем:

 

Δt₀=(1(20 _-(-37)_)/ (_3,63 8,7)=1,80⁰С.

Таким образом, расчетный температурный перепад Δt₀= 1,80⁰С не превышает нормируемого значения Δtn = 4⁰С, что удовлетворяет первому санитарно-гигиеническому условию показателя «б».

На третьем этапе расчета тепловой защиты здания необходимо проверить выполнение второго условия санитарно-гигиенического показателя: температура внутренней поверхности О.К. должна быть не ниже температуры наружного воздуха.

Температуру внутренней поверхности τsi, ⁰С, многослойной О.К. следует определять по формуле τsi = t_int – [n(t_int - t_ext)]/(_Rо αint), или τsi =t_int - Δt₀,

где n,t_int,t_ext,_Rо, αint - то же,что и в формуле.

Тогда или τsi =t_int - Δt₀= 20 - 1,80=18,20⁰С.

При t_int = 20⁰С и j_int=45% температура точки росы внутреннего воздуха td = 7,72⁰С (по приложению Р СП 23-101-2004).

Таким образом, температура внутренней поверхности ограждающей конструкции τsi =18,20⁰С больше температуры точки росы внутреннего воздуха воздуха td = 7,72⁰С, т.е. τsi > td, что удовлетворяет второму санитарно-гигиеническому условию показателя «б».

Вывод: требования СНиП 23-02-2003 «а» и «б» п.5 выполнены, значит принятая О.К. удовлетворяет климатическим условиям г. Кирова.

 

Точка росы - это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг насыщения и начал конденсироваться в воду.

 

Из этого определения следует, что если температура внутри помещения по каким-то причинам опустится ниже некоторого критического значения, то на внутренних поверхностях возможно образование конденсата.

 

От чего же зависит точка росы? Ответ: на величину точки росы влияет 2 основных фактора: это температура и влажность. Рассмотрим влияние каждого из них.

 

Температура. В каждом кубическом метре воздуха при определенной температуре может содержаться определенное количество водяного пара. Чем ниже температура воздуха, тем меньше пара в нем может содержаться. Если температура воздуха опускается ниже какого-то критического значения, наступает предел насыщения воздуха влагой, и водяной пар из воздуха начинает конденсироваться в капли. Поэтому, чтобы на стенах не образовывался конденсат и стены не отсыревали, необходимо, чтобы температура в помещении была выше некоторого критического уровня, а именно - выше точки росы.

 

Влажность. Чем выше влажность в помещении, тем более насыщенным влагой является воздух в помещении. Если влажность воздуха превышает некоторое критическое значение (предел насыщения), воздух больше не в состоянии удерживать влагу, происходит превращение влаги в конденсат и осаждение ее в виде капель на внутренних поверхностях.

 

Если тепловая защита здания является недостаточной (стены «пропускают» холод), то при охлаждении воздуха (и стен) в холодное время года может произойти так, что в наиболее холодных участках (а именно - в тех участках, которые охладились ниже точки росы) начнет конденсироваться влага. Таким образом, в зависимости от перепадов температуры наружного воздуха, в таком помещении периодически будет происходить процесс конденсации влаги на внутренних поверхностях (стенах), и со временем такие стены начнут отсыревать (рис.1), а при значительном понижении температуры возможно, что они начнут промерзать. В таком месте стена медленно, но верно постепенно будет разрушаться.

 

Мокрые стены обладают значительно большей (в десятки раз!) теплопроводностью по сравнению с сухими, это значит, что их теплозащитные характеристики резко снижаются, они плохо удерживают «внутреннее тепло», здания с такими стенами имеют пониженные температуры внутри помещений. Кроме того, на отсыревающих участках стен часто появляется грибковая плесень, которая может вызывать у человека аллергию или бронхо– легочные заболевания. Избавиться от такой плесени не очень просто. Микроклимат в таких помещениях резко изменяется, повышенная влажность вызывает дискомфорт, и самочувствие жильцов ухудшается.

 

Поэтому одним из требований по выполнению санитарно- гигиенических показателей тепловой защиты зданий является требование, заключающееся в том, что температура внутренних поверхностей в помещениях не должна быть ниже точки росы.

Одним из требований по выполнению санитарно-гигиенических показателей тепловой защиты зданий является требование, заключающееся в том, что температура внутренних поверхностей в помещениях не должна быть ниже точки росы.

При расчете тепловой защиты зданий определяют точку росы. Точка росы рассчитывается при помощи специальных таблиц (в зависимости от температуры и влажности в помещении) или при помощи приборов, которые совмещают измерение температуры и влажности.

На представленном графике температура воздуха в помещении t_int=20°C, относительная влажность внутреннего воздуха жилого здания ϕint=45%. Температура точки росы при этих условиях td = 7,72⁰С. На графике видно, что точка росы располагается в утеплителе (слой 3) и не превышает температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции (τsi =18,20⁰С), что удовлетворяет второму санитарно-гигиеническому условию показателя «б».

 

Теплопередача

 

Колебания наружной температуры вызывают нагрев или охлаждение внешних слоев ограждающей конструкции, а величина теплового потока и распределение температур в конструкции в связи с этим изменяются даже при постоянной температуре в помещении. В тех случаях, когда колеблется и температура внутреннего воздуха, результаты теплофизических расчетов по установившемуся потоку тепла еще менее достоверны. Закономерные колебания температуры внутреннего воздуха характерны для зданий с периодически действующим отоплением (например, комнатными печами).

 

В летних условиях наружная поверхность ограждений периодически нагревается солнцем, что вместе с высокой температурой наружного воздуха вызывает прогрев ограждения и повышение температуры в помещении. Следовательно, оценка теплофизических свойств строительных материалов и ограждающих конструкций только по величинам термического сопротивления оказывается при периодических тепловых воздействиях недостаточной. Поэтому ограждающие конструкции оценивают еще и по их свойству сохранять относительное постоянство распределения температуры.

 

При передаче тепла через плоскую однородную ограждающую конструкцию принято, что поток тепла имеет только одно направление, от теплой к холодной поверхности конструкции.

 

Теплофизические свойства ограждающей конструкции при периодических колебаниях температуры воздушной среды связаны с такими понятиями, как усвоение тепла поверхностью конструкции и толщиной слоя материала, в котором распространяются наиболее значительные колебания температур, так называемый слой резких колебаний температуры.

 

Если вся конструкция состоит только из одного тонкого слоя, с обеих сторон омываемого воздухом, подводящим или уносящим тепло, то на величину теплоусвоения поверхности такой конструкции влияет коэффициент теплообмена, а с воздушной средой у поверхности, противолежащей той, на которую непосредственно воздействуют колебания температур.

 

Для легких ограждающих конструкций, утепленных эффективными теплоизоляционными материалами, характерна малая величина затухания. Такие конструкции быстро охлаждаются при перерывах в работе отопления или быстро нагреваются при периодическом действии солнечных лучей и высокой температуры воздуха. Иначе говоря, такие конструкции обладают малой тепловой инерцией. Тепловая инерция характеризует свойство ограждающей конструкции сохранять или медленно изменять существующее распределение температур внутри конструкции.

 

Условная толщина представляет безразмерную величину, характеризующую число температурных волн, затухающих внутри ог­раждающей конструкции, при периодическом действии таких волн на ее поверхность. Чем массивнее ограждающая конструкция, тем больше температурных волн располагается внутри нее. Иначе говоря, условная толщина характеризует тепловую инерцию, определяющую степень массивности ограждающей конструкции.

 

Свойство ограждающей конструкции сохранять при колебаниях потока тепла относи­тельное постоянство температуры на поверхности, обращенной в помещение, называется теплоустойчивостью.

 

От постоянства температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций зависит обеспечение условий комфорта для пребывающих в помещении людей.

 

Теплоустойчивость ограждающей конструк­ции обеспечивается.преимущественно тепло­емкостью слоя резких колебаний. В часы действия отопления тепло накапливается в этом слое, а при перерывах в работе отопительной системы поступает в помещение, согревая внутренний воздух и обеспечивая относитель­ное постоянство его температуры. Такая теплоемкость может быть названа активной. Ес­ли указанный слой будет выполнен из мате­риала с большим теплоусвоением, то в значительной мере будет обеспечена теплоустойчивость всей ограждающей конструкции.