III. Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций зданий

Целью расчета является определение толщины утепляющего слоя с последующий ее проверкой на требуемые теплозащитные свойства, нормы паро- и воздухопроницания, а также обеспечения требуемой теплоустойчивости.

Передача теплоты, фильтрация воздуха и перенос влаги взаимосвязаны и одно явление оказывает влияние на другое, поэтому определение сопротивлений тепло- воздухо- и влагопередаче должно проводиться как общий расчет защитных свойств наружных ограждений зданий.

Теплозащитные свойства наружных ограждений определяются двумя показателями: величиной сопротивления теплопередаче R₀ и теплоустойчивостью, которую оценивают по величине тепловой инерции ограждения Д. Величина R₀ определяет сопротивление ограждения передаче теплоты в стационарных условиях, а теплоустойчивость характеризует сопротивляемость ограждения передаче изменяющихся во времени периодических тепловых воздействий. В зимних условиях теплозащитные свойства ограждений принято характеризовать в основном величиной R₀, а в летних – их теплоустойчивостью. Это объясняется тем, что для зимы характерны относительно устойчивые низкие температуры вне здания и постоянная внутренняя температура, которую обеспечивает система отопления. Летом характерны периодические суточные изменения температуры и солнечной радиации и внутри здания температура часто не регулируется.

Наиболее важным является определение расчетного сопротивления теплопередаче R₀ основной части (глади) конструкции ограждения, с чего обычно и начинают теплотехнический расчет ограждения. Необходимо соблюдать условие, чтобы R₀ равно или больше минимально допустимого по санитарно-гигиеническим и комфортным соображениям требуемого сопротивления теплопередаче , т.е.

R₀

Однако это условие необходимое, но недостаточное, так как при определении R₀ должны учитываться энергосбережения, определяемые величиной .Если оказывается, что сопротивление теплопередаче больше _, т.е.

,

то расчетное сопротивление должно определяться по условию

.

В этом случае сопротивление R₀ больше минимально допустимого и соответствует условиям энергосбережения. Таким образом R₀ должно быть приблизительно равно большему из значений и .

После определения величины сопротивления теплопередаче глади ограждения R необходимо проверить теплозащитные свойства реального ограждения с учетом его двухмерных элементов (стыки, углы, включения), т.е. определить приведенное сопротивление теплопередачи сложного реального ограждения _. Необходимым и достаточным условием этого расчета является отсутствие выпадения конденсата на поверхностях конструкции.

1. Порядок теплотехнического расчета конструкции наружной стены

1.1. Определить требуемое сопротивление теплопередаче , м²· ⁰С/Вт из санитарно-гигиенических и комфортных условий по формуле:

, (1)

где n - коэффициент принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по ;

t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С, принимаемая по нормам проектирования СНиП соответствующих зданий и сооружений или по ;

t_н – расчетная зимняя температура наружного воздуха, ⁰С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки (к=0,92) ;

- нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по ;

- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемы по , Вт/м²· ⁰С.

1.2. Определить требуемое сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения по в зависимости от назначения здания и величины градусо-сутки отопительного периода. Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) следует определять по формуле:

, (1а)

где t_в- то же, что в формуле (1);

t_от.п.,z_от.п.- средняя температура, ⁰С и продолжительность, сут., периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8⁰С по .

1.3. Определить термическое сопротивление слоя утеплителя R_ут., м²·⁰С/Вт, из условия ₌ или ₌ .

; (2)

; (3)

, (4)

где: _- общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м^{2 0}С/Вт, определяемые по формуле:

; (5)

(6)

то же, что и в формуле (1);

коэффициент теплопередачи, для зимних условий наружной поверхности ограждающей конструкции, м^{2 0}С/Вт, принимаемой по

термическое сопротивление ограждающей конструкции, м². ⁰С/Вт;

термическое сопротивление ограждающей конструкции, м^{2 0}С/Вт, определяемые по формуле:

, (7)

где: толщина слоя, м;

расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/м²⁰С принимаемы по ;

термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, принимаемое по .

1.4. Определить толщину слоя утеплителя ограждающей конструкции, , м, по формуле:

, (8)

где: расчетный коэффициент материала слоя утеплителя, Вт/м^{2 0}С определяем по .

Определив предварительное значение толщины слоя утеплителя, следует принять стандартную толщину , по приложению 2, а также с учетом указаний по выбору рекомендуемой предельной толщины теплоизоляционного слоя по приложению 1 данных методических указаний.

1.5. Определить фактическое сопротивление слоя утеплителя м^{2 0}С/Вт, для принятой толщины из унифицированного ряда размеров , м. по формуле:

. (9)

1.6. Определить фактическое значение общего сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции , м^{2 0}С/Вт, для принятой фактической толщины утепляющего слоя по формуле:

(10)

1.7. Определить фактическое значение коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции К, Вт/м^{2 0}С, по формуле:

. (11)

1.8. Необходимо обратить внимание, что в дальнейших расчетах под величиной толщина утепленного слоя, сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи следует понимать найденные фактические значения величин, т.е.

.

2. Определение приведенного сопротивления теплопередаче

Конструкции ограждений современных зданий имеют определенное своеобразие. Конструкции имеют углы, выступы, оконные проемы, теплопроводные включения, на большей части поверхности наружной стены со стороны помещения примыкают перегородки и междуэтажные перекрытия, конструкции стеновых панелей обычно имеют бетонные ребра и обрамления, т.е. по площади наружной стены практически нет участков, в пределах которых передачу теплоты можно было бы считать проходящей по одномерной схеме- условие плоской стенки. За счет перечисленных конструктивных особенностей потери теплоты по всей площади ограждения оказываются часто большими, чем теплопотери, рассчитанные в предположении одномерности температурного поля.

Для правильного расчета теплопотерь через ограждения сложной конструкции используют так называемые приведенное сопротивление теплопередаче сложного ограждения . Приведенным называют сопротивление теплопередаче такого условного ограждения с одномерным температурным полем, потери теплоты через которое при одинаковой площади равны теплопотерям сложного ограждения с двумерным температурным полем.

Пользуясь для одномерного ограждения, можно получить потери теплоты сложного ограждения. В результате рассмотрения теплопередачи в двумерных элементах определены факторы формы f для каждого случая. Величина f показывает, во сколько раз теплопоетричерез характерный двумерный элемент шириной в два калибра и длиной 1 метр больше основных по глади ограждения такой же площади. Ниже приведена последовательность определения приведенного сопротивления теплопередаче сложного ограждения. Возможность выпадения конденсата на внутренней поверхности в двумерном элементе будет рассмотрена на примере наружного угла в расчете паропроницания конструкции наружной стены.

Порядок расчета приведенного сопротивления теплопередаче сложного ограждения (конструкции наружной стены).

2.1 Определить элементы, формирующие двумерные и трехмерные температурные поля (наружный угол, оконные откосы, стыки и т.д.) для наружной стены одного из помещений здания, выбранного по плану здания (помещение обозначить на плане здания).

2.2.Привести поясняющий рисунок с указанием характерных элементов и необходимых размеров- длин сопряжения наружной стены с данными элементами в соответствии с рис.1.

Рис.1. Элементы формирования двумерных (1, 2, 3,4) и трех мерных (5, 6, 7) температурных полей в наружных ограждениях здания.

где: l₁ – длина сопряжения наружной стены с наружным углом;

l₂ – с внутренней перегородкой;

l₃ – с горизонтальным и перекрытиями;

l₄ – с окном (по периметру окна)

2.3. Определить приведенное сопротивление теплопередаче R_{0 пр} м²·⁰С/Вт, по наружному обмеру.

, (12)

где: сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции наружной стены (фактическое значение), м²·⁰С/Вт, определяемые по формуле (10);

площадь поверхности ограждения по наружному и внутреннему обмеру (за вычетом площади окон), м²;

фактор формы характерного элемента стены с двумерным температурным полем, определяемый по [1, стр.170, табл.III.2; стр.169, рис.III.29; стр.153, рис.III.13];

протяженность участков конструкции наружной стены, сопряженных с наружным углом, стыками, оконными откосами, м;

ширина участка поверхности наружной стены с двумерным температурным полем, равная двум калибрам (толщинам) наружной стены, м;

, (13)

где: коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя конструкции наружной стены, Вт/м^{2 0}С;

Ширина в два калибра для оконных откосов равна

, (14)

где: то же, что в формуле (13);

сопротивление теплопередаче части ограждения до изотермы (см. рис.2).

Сопротивление теплопередаче части ограждения до изотермы равно

, (15)

где: то же, что в формулах (5и 6).

то же, что в формуле (13);

расстояние от внутренней поверхности до оси расположения заполнения проема в м, определяемая в соответствии с рис.2;

общая толщина ограждающей конструкции наружной стены в м, определяемая в соответствии с рис.2;

ширина коробки заполнения деревянного переплета (для однокамерных стеклопакетов, двойного остекления =125мм; для двухкамерных стеклопакетов, тройного остекления =150мм).

Рис.2. Теплопередача через оконный откос в наружной стене.

2.4. Данные расчета занести в таблицу расчета №3.

Таблица 3

Наименование элемента с двумерным температурным полем	, м	, м
1 Наружный угол 2 Стык с внутренней перегородкой 3 Стык с полом I этажа 4 Стык с междуэтажным перекрытием 5 Оконные откосы

Набор элементов дан для помещения I этажа. Размерами окна студент задается самостоятельно.

2.5. Определить величину теплового потока q₁, Вт/м² через 1 м² поверхности наружной стены по глади стены

, (16)

где: то же, что в формуле (1);

средняя температура наиболее холодной пятидневки, ⁰С;

то же, что в формуле (10).

2.6. Определить величину теплового потока q₂, Вт/м², через 1 м² поверхности наружной стены сложной конструкции с учетом наличия и влияния конструктивных элементов

. (17)

2.7. В заключение расчета сравнить приведенное сопротивление теплопередачи сложного ограждения наружной стены , с сопротивлением теплопередаче по глади ограждения и соответствующие тепловые потоки q₁ и q₂ , Вт/м², сделать выводы о влиянии конструктивных элементов на теплозащитные свойства ограждающих конструкций.

Примеры расчета приведенного сопротивления теплопередаче сложного ограждения приведены в [1,§3.10].

3.Расчет воздухопроницания ограждающих конструкций

Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми его помещениями и наружным воздухом, включающий перемещения воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проемы, каналы, воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха. С позиций специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» наиболее актуальны следующие явления: инфильтрация и эксфильтрация воздуха через наружные ограждения и проемы (неорганизованный естественный воздухообмен, увеличивающий теплопотери помещения и снижающий теплозащитные свойства наружных ограждений); аэрация (организованный естественный воздухообмен для вентиляции теплонапряженных помещений); перетекание воздуха между смежными помещениями (неорганизованное и организованное).

Наибольшей воздухопроницаемостью среди строительных конструкций обладают окна. Воздух фильтрует через примыкание оконной рамы к откосу проему, притворы, стыки стекла с переплетом.

Целью расчета является определение соответствия нормам воздухопроницания разделу 5 СНиП II-3-79^* «Строительная теплотехника», принимаемых ограждающих конструкций. Данный расчет выполнить для конструкции наружной стены.

Порядок расчета воздухопроницания конструкции наружной стены.

3.1. Определить разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций ΔР, Па по формуле:

, (18)

где: Н -высота здания (от поверхности земли до верха карниза),м;

-удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, кг/м³, определяемый по формуле:

, (19)

где: t - температура воздуха, принимаемая: внутреннего воздуха по основному помещению (для определения ); наружного воздуха (для определения )- равной температуре наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92;

- максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, принимаемая согласно [7,8], м/с.

3.2. Определить действительное сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции R_u, м²·ч·Па/кг по формуле:

, (20)

где: - сопротивления вохдухопроницанию отдельных слоев ограждающей конструкции, м²·ч·Па/кг, принимаемые по [9, прил.9]

3.3. Определить требуемое сопротивление воздупроницанию ограждающей конструкции , м²·ч·Па/кг по формуле

, (21)

где: G_н - нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м²·ч) по [9, табл. 12]

Примечание.

Воздухопроницаемость слоев ограждающих конструкций (стен, покрытий), расположенных между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и наружной поверхностью ограждающей конструкции не учитывается.

3.4. Определить действительную воздухопроницаемость конструкций , кг/(м²·ч)

. (22)

Проверка: } наружная стена соответствует нормативам главы 5 СНиП II-3-79*

3.5. Определить температуру на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции при инфильтрации:

, (23)

где: t_н, t_в- то же, что в формуле (19);

е - основание натурального логарифма, е =2,72;

с_в - удельная теплоемкость воздуха, с=1005 Дж/кг·К;

R₀ - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции при отсутствии инфильтрации воздуха, м²·К/Вт;

R_x - термическое сопротивление ограждающей конструкции от наружного воздуха до рассматриваемой плоскости при отсутствии инфильтрации воздуха, м²·К/Вт;

,

где: R_в- то же, что в формуле (5).

3.6 Определить температуру на внутренней поверхности ограждающей конструкции при отсутствии инфильтрации по формуле

(24)

3.7. Определить величину теплового потока при отсутствии инфильтрации q₀, Вт/м², по формуле:

. (25)

3.8. Определить величину теплового потока при инфильтрации, , Вт/м², по формуле:

. (26)

3.9. Определить коэффициент порового охлаждения ограждающей конструкции, по формуле:

. (27)

3.10. По результатам расчета сделать выводы о соответствии ограждающей конструкции нормам воздухопроницания и о влиянии инфильтрации воздуха на тепловой режим помещения.

4.Расчет паропроницания ограждающих конструкций

Целью расчета является определение соответствия нормам паропроницания разделу 6 СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника» принимаемых ограждающих конструкций.

Анализ возможного влажностного режима ограждения производится из стационарного состояния с учетом только диффузии водяного пара через ограждения. Известно, что с повышением влажности строительных материалов понижаются теплозащитные и гигиенические качества ограждений, снижается их прочность и долговечность. Появление влаги в ограждении может быть вызвана следующими причинами: поступлением строительной, атмосферной, грунтовой, эксплуатационной влаги, образованием гигроскопической влаги, а также процессом конденсации влаги из воздуха.

В подавляющем большинстве случаев конденсация влаги является единственной причиной повышения влажности ограждения. Влага из воздуха может конденсироваться на внутренней поверхности ограждения и в его толще. В результате расчета необходимо убедиться в отсутствии конденсации водяных паров на внутренней поверхности основной глади стен, на внутренней поверхности наружного угла, а также в толще ограждения.

Конденсация влаги не будет происходить на поверхности, если температура внутренней поверхности наружного ограждения на 1-2⁰С превышает температуру точки росы , температуру, при которой относительная влажность воздуха φ при охлаждении достигает 100%.

Сопротивление паропроницанию R_п, м²·ч·Па/кг, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее:

а) наибольшего требуемого сопротивления паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации;

б) наибольшего требуемого сопротивления паропроницанию из условия ограждения накопления влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха.

Расчет на возможность конденсации влаги из воздуха на внутренней поверхности и в толще ограждения выполнить для конструкции наружной стены.

Порядок расчета паропроницания конструкции наружной стены.

4.1. Определение возможности конденсации влаги на глади наружной стены и на внутренней поверхности наружного угла.

4.1.1 Установить значение нормируемой относительной влажности воздуха в помещении , % в соответствии с влажностным режимом помещения (здания) по [11;12] и [9, табл.11].

4.1.2. Зная нормируемую относительную влажность воздуха в данном помещении, а также температуру воздуха в нем, определяют температуру точки росы по [6, прил.2].

4.1.3. Определить температуру на внутренней поверхности наружного угла из выражения:

≈ 0,18 (1-0,23R₀), (28)

где: , , R₀ – то же, что в формуле (24).

4.1.4. На основании выполненных расчетов сделать вывод – заключение о возможности конденсации водяных паров на глади стены, сравнивая и ; на внутренней поверхности наружного угла, сравнивая и .

4.2. Конденсация влаги в толще ограждающей конструкции.

(Графоаналитический метод определения зоны возможной конденсации).

4.2.1. Определить температуру в характерных сечениях конструкции наружной стены , ⁰С (на внутренней поверхности между конструктивными слоями, на наружной поверхности) по формуле:

, (29)

где: , , R₀, R_В – то же, что в формуле (24);

сумма термических сопротивлений (n-1) конструктивных слоев, м²·С/Вт.

4.2.2. По найденным значениям температур в характерных сечениях , ⁰С определить соответствующие значения максимальной упругости Е_i, Па по [6, приложения 4] или [5, табл. 1.11], затем построить графики изменения , Е_i в характерных сечениях.