Основи теплозахисту будівель. Теплотехнічний розрахунок огороджувальних конструкцій на зимові умови

Завдання теплозахисту будівель наступні:

  • • забезпечення комфортної температури повітря в приміщеннях (оптимально 20-22 ° С):
  • • забезпечення необхідної температури внутрішніх поверхонь, огороджувальних приміщення: стіни - мінімум 16-18 ° С (якщо температура нижча, то з'являється відчуття протягу біля стін, на стінах можливе випадання конденсату); статі - оптимально 22-24 ° С;
  • • накопичення тепла в огороджувальних конструкціях (теплова інерція). Швидкий нагрів і швидке охолодження приміщень під впливом сонячного тепла є негативним якістю ("барачний мікроклімат");
  • • забезпечення нормальної відносної вологості повітря в приміщенні (50-60%); менше 40% - сухість слизової оболонки, більше 60% - парниковий мікроклімат;
  • • обмеження руху повітря: максимально - 0,2 м / с, більше 0,2 м / с - виникає відчуття протягу.

Теплозахист повинна забезпечити комфорт в приміщенні як у зимових (захист від холоду), так і в літніх умовах (захист від перегріву). Дуже велике значення теплозахисту за умовами економії енергії. Сировинні запаси виснажаться. Нафта, газ, вугілля стають дефіцитними, оскільки вони невідтворені. Їх необхідно економити.

Також велике значення теплозахисту за умовами охорони навколишнього середовища. Чим менше спалюється палива, тим менше викиди шкідливих газів (вуглекислий газ СО2, чадний газ СО, оксиди азоту та сірки). У з'єднанні з атмосферною вологою вони утворюють кислоти, які у вигляді кислотних дощів руйнують природу, будівлі та споруди. Тому теплозахист - це також і захист навколишнього середовища.

Теплотехнічний розрахунок на зимові умови здійснюється для умов сталого потоку тепла через огорожу. Наприклад, це відбувається при наявності центрального опалення в будівлі і при сталій холодній погоді з незначними коливаннями температури. При цьому тепловий потік направлений з приміщення назовні. Огорожа вважається однорідним, якщо виконано з одного матеріалу, і шаруватим, якщо складається з шарів, розташованих паралельно зовнішнім площинах огорожі, виконаних з різних матеріалів. У стаціонарних умовах теплопередачі кількість теплоти Q (Дж), що проходить крізь огороджувальну конструкцію площею F (м2) і товщиною δ (м), може бути визначене на основі закону Фур'є (рис. 15.3):

До визначення кількості теплоти, що проходить через захисну конструкцію

Рис. 15.3. До визначення кількості теплоти, що проходить через захисну конструкцію

(15.1)

де і - температури внутрішньої і зовнішньої (теплою і холодною) поверхонь огорожі, ° С; λ - коефіцієнт теплопровідності матеріалу огородження, Вт / (м2 • ° С); 2 - час передачі тепла, ч.

Значення коефіцієнтів теплопровідності коливаються в дуже широких межах - від 407 Вт / (м2 • ° С) у міді до 0,04 Вт / (м2 • ° С) у пінопластів. Вони залежать від структури матеріалів і в основному від їх щільності. Чим вона менша, тим менше теплопровідність. Крім щільності на теплопровідність впливає вологість матеріалу, оскільки волога, що заповнює пори вологого матеріалу, має значно більшу теплопровідність, ніж повітря.

З рис. 15.4 очевидно, що коефіцієнт теплопровідності цегли в сухому кліматі Іркутська значно менше величини коефіцієнта теплопровідності, наприклад, в Санкт-Петербурзі. Тому величини коефіцієнтів теплопровідності матеріалів слід приймати з урахуванням вологісного режиму приміщень, умов експлуатації огороджувальних конструкцій А або Б і карти зон вологості Росії (див. СНиП 23-02-2003 "Тепловий захист будівель").

Зміна теплопровідності кладки з цегли глиняної звичайної залежно від його вологовмісту

Рис. 15.4. Зміна теплопровідності кладки з цегли глиняної звичайної залежно від його вологовмісту

ω = (Р вл - Р сухий) • 100 / Р сухий,%, де Р вл і Р сухий - відповідно маси вологого і сухого матеріалу

У Зводі правил до цього Сніпу (СП 23-101-2000) наведені значення коефіцієнтів теплопровідності для великого числа сучасних будівельних матеріалів, що експлуатуються в різних умовах вологості.

У формулі (15.1) величина, Вт / (м2 • ° С), є основним показником теплозахисту огороджувальної конструкції, який називається коефіцієнтом теплопередачі і позначається грецькою буквою а. Величина, зворотна коефіцієнту теплопередачі, називається термічним опором або опором теплопередачі однорідної огороджувальної конструкції. У шаруватих конструкціях термічний опір дорівнює сумі термічних опорів її шарів. При переході тепла через зовнішнє огородження температура всередині конструкції змінюється. При цьому знижується температура близько її внутрішньої і зовнішньої поверхонь. Таке падіння температури свідчить про наявність додаткових опорів переходу тепла від внутрішнього повітря до внутрішньої поверхні і від зовнішньої поверхні до зовнішнього повітря. Ці опори позначають. У СНиП даються значення зворотних величин: коефіцієнтів тепловоспріятія і тепловіддачі, рівних відповідно 1 / Rв і 1 / R H. Ці значення залежать від умов конвекції повітря близько цих поверхонь. Для гладких внутрішніх і зовнішніх огороджувальних конструкцій ці значення, отримані шляхом багаторазових вимірювань у всьому світі, дорівнюють і.

Для горищних перекриттів. Відповідно, загальний опір теплопередачі багатошарової огороджувальної конструкції складе

(15.2)

де η - число шарів.

Якщо в стіні є замкнута повітряний прошарок, то її термічний опір R в.п слід включати як доданок в формулу (15.2). Величина R в.п визначається за табл. 15.3.

Таблиця 15.3

Термічний опір замкнутих повітряних прошарків

Товщина повітряного прошарку, м

Термічний опір замкнутої повітряного прошарку R в.п, (м2 • ° С) / Вт

горизонтальної при потоці тепла знизу вгору і вертикальної

горизонтальної при потоці тепла зверху вниз

При температурі повітря в прошарку

позитивної

негативною

позитивної

негативною

0,01

0,13

0,15

0,14

0,15

0,02

0,14

0,15

0,15

0,19

0,03

0,14

0,16

0,16

0,21

0,05

0,14

0,17

0,17

0,22

0,1

0,15

0,18

0,18

0,23

0,15

0,15

0,18

0,19

0,24

0,2-0,3

0,15

0,19

0,19

0,24

Примітка. При обклеюванні однієї або обох поверхонь повітряного прошарку алюмінієвою фольгою термічний опір слід збільшувати в два рази.

Передача тепла відбувається трьома способами: за рахунок теплопровідності, за рахунок конвекції (теплове гравітаційне переміщення рідини чи газу) і за рахунок радіації (наприклад, передача тепла від Сонця на Землю через вакуум безповітряного простору). У теплотехнічних розрахунках ми враховуємо в основному перший тип передачі тепла, хоча в конструкціях із замкнутими повітряними прошарками, та й в порах матеріалів мають місце і два інших типи теплопередачі. Для підвищення опору теплопередачі замкнутої повітряного прошарку за рахунок зниження радіаційної складової при передачі тепла її теплу поверхню покривають відбиваючим радіацію матеріалом, наприклад алюмінієвою фольгою. Цей прийом збільшує опір теплопередачі повітряного прошарку майже вдвічі. Крім того, такі прошарку слід розташовувати горизонтально, а не вертикально, для того щоб зменшити конвекцію повітря і знизити конвективну складову при передачі тепла.

Визначення необхідного опору теплопередачі огороджувальної конструкції проводиться виходячи з гігієнічних міркувань і з міркувань економії енергії.

Виходячи з гігієнічних міркувань при сталому потоці тепла необхідний опір теплопередачі визначається за законом Фур'є (15.1) при F = 1 м2 і z = 1 ч. При цьому кількість тепла, що проходить через межі шарів, однаково:

(15.3)

У цих рівняннях нам відомі t в і t н, t B задається в Сніпах для відповідних видів будівель; наприклад, для житла t B = 20 ° С. t н визначається за СНиП "Будівельна кліматологія" як середня температура найхолодніших доби (t 1), або як середня температура холодної п'ятиденки (t 5), або як середня температура найхолодніших трьох доби (t 3 = (t 1 + t 5) / 2) в залежності від масивності огороджувальної конструкції, що характеризує її теплову інерцію D:

де - опір теплопередачі шарів конструкції; Si - коефіцієнти теплозасвоєння шарів матеріалу при максимальному періоді коливань температури 24 год, приймаються по СП 23-101-2000. Вважається, що конструкція малої масивності (D <4) довго не тримає тепло при відключенні джерела тепла, наприклад батарей опалення, і промерзає за одну добу. Тому в якості розрахункової зовнішньої температури приймають t н = t 1. При середній масивності конструкцій (4 <D <7) t н = t 3. Масивні конструкції промерзають приблизно за п'ять діб. Тому при D> 7 t н = t 5.

З вибраного нами рівності отримуємо формулу для визначення необхідного загального опору теплопередачі огороджувальної конструкції виходячи з гігієнічних міркувань:

(15.4)

де

Величина - це різниця температур внутрішнього повітря і внутрішньої поверхні зовнішньої стіни (або суміщеного покриття). Вона є нормованим параметром, визначальним гігієнічний комфорт температурно-вологості середовища в приміщенні, і становить 4 ° С. Вважається, що при такому перепаді температур на внутрішній поверхні не буде випадати конденсат (краплі води, що утворилися з пари, що знаходиться в повітрі приміщення). При такому перепаді температур також не буде відчуття протягу поблизу зовнішньої стіни, що утворюється за рахунок конвективних потоків повітря.

Однак сучасна практика проектування зовнішніх огороджувальних конструкцій підпорядковується не тільки гігієнічним вимогам, але і більш жорстким вимогам енергозбереження. При цьому необхідну загальний опір теплопередачі цих конструкцій істотно підвищується (у три рази і більше у порівнянні з гігієнічно необхідним). Це продиктовано прийнятим в 1996 р Законом РФ "Про енергосбережеііях" і відображено в СНиП 23-02-2003 "Тепловий захист будівель". Тут визначення необхідного опору теплопередачі "> ') ставиться в залежність від річної характеристики опалювального режиму району будівництва - ГСОП (градусо-діб опалювального періоду), ° С • добу, визначеною за таблиці у СНіП.

Градусо-добу опалювального періоду ГСОП визначають за формулою

де t в - розрахункова середня температура внутрішнього повітря, ° С, приймається для будівель позиції 1 табл. 15.4 від 20 до 22 ° С,

Таблиця 15.4

Нормовані значення опору теплопередачі огороджувальних конструкцій

Будинки й приміщення

Градусо-добу опалювального періоду, сут

Нормовані значення опору теплопередачі, (м2 • ° С) / Вт, огороджувальних конструкцій

стін

покриттів і перекриттів над проїздами

перекриттів горищних, над неопалюваними підпідлоговими і підвалами

ВІКОН

і балконних дверей, вітрин та вітражів

ліхтарів з вертикальним склінням

1

2

3

4

5

6

7

1. Житлові, лікувально-профілактичні та дитячі установи, школи, інтернати, готелі і гуртожитки

2000 4000 6000 8000 10000 12000

  • 2,1
  • 2,8
  • 3.5 4,2 4,9
  • 5.6
  • 3.2
  • 4.2
  • 5.2
  • 6.2
  • 7.2
  • 8.2
  • 2.8
  • 3.7
  • 4,6
  • 5.3
  • 6.4 7,3
  • 0,3
  • 0,45
  • 0,6
  • 0,7
  • 0,75
  • 0,8
  • 0,3
  • 0,35
  • 0,4
  • 0,45
  • 0,5
  • 0,55

а

0,00035

0,0005

0,00045

0,000025

b

1,4

2,2

1,9

0,25

2. Громадські, крім зазначених вище, адміністративні та побутові, виробничі та інші будівлі та приміщення

з вологим або мокрим

режимом

2000

1,8

2,4

2,0

0,3

0,3

+4000

2,4

3,2

2,7

0,4

0,35

+6000

3,0

4,0

3,4

0,5

0,4

8000

3,6

4,8

4,1

0,6

0,45

10000

4,2

5,6

4,8

0,7

0,5

12000

4,8

6,4

5,5

0,8

0,55

а

-

0,0003

0,0004

0,00035

0,00005

0,000025

b

-

1,2

1,6

1,3

0,2

0,25

3. Виробничі з сухим і нормальним режимами

2000

1,4

2,0

1,4

0,25

0,2

+4000

1,8

2,5

1,8

0,3

0,25

+6000

2,2

3,0

2,2

0,35

0,3

8000

2,6

3,5

2,6

0,4

0,35

10000

3,0

4,0

3,0

0,45

0,4

12000

3,4

4,5

3,4

0,5

0,45

а

-

0,002

0,0025

0,0002

0.000025

0,000025

b

-

1,0

1,5

1,0

0,2

0,15

Примітки.

  • 1. Значення для величин, що відрізняються від табличних, слід визначати за формулою де - градусо-добу опалювального періоду, "С • сут, для конкретного пункту; а, b - коефіцієнти, значення яких слід приймати за даними таблиці для відповідних груп будинків, за винятком гр. 6 для групи будівель в позиції I, де для інтервалу до 6000 ° С • сут а = 0,000075, b = 0,15; для інтервалу 6000-8000 ° С • сут а = 0,00005, b = 0 , 3; дтя інтервалу 8000 ° С • добу і більше а = 0,000025, h = 0,5.
  • 2. Нормоване приведений опір теплопередачі глухої частини балконних дверей має бути не менше ніж у 1,5 рази вище нормованого опору теплопередачі світлопрозорої частини цих конструкцій.
  • 3. Нормовані значення опору теплопередачі горищних і цокольних перекриттів, що відокремлюють приміщення будівлі від неопалюваних просторів з температурою t c (t B c H), слід зменшувати множенням величин, зазначених у гр. 5, на коефіцієнт п, що визначається за формулою. При цьому розрахункову температуру повітря в теплому горищі, теплом підвалі і заскленої лоджії і балконі слід визначати на основі розрахунку теплового балансу.
  • 4. Допускається в окремих випадках, пов'язаних з конкретними конструктивними рішеннями заповнень віконних та інших прорізів, застосовувати конструкції вікон, балконних дверей і ліхтарів з наведеним опором теплопередачі на 5% нижче встановленого в таблиці.
  • 5. Для групи будівель в позиції 1 нормовані значення опору теплопередачі перекриттів над сходовою кліткою і теплим горищем, а також над проїздами, якщо перекриття є підлогою технічного поверху, слід приймати як для групи будівель в позиції 2, для будівель позиції 2 - від 16 до 21 ° С (для будівель по позиції 3 вона приймається за нормами проектування відповідних будинків); t cp.от - середня температура зовнішнього повітря, ° С; z - тривалість, діб, опалювального періоду; останні два параметри приймаються за СНі11 "Будівельна кліматологія" для періоду з середньою добовою температурою зовнішнього повітря не більше 10 ° С при проектуванні лікувально-профілактичних, дитячих установ та будинків-інтернатів для престарілих і не більше 8 ° С - в інших випадках.

Розподіл температур в товщі огородження

З рівняння (15.3) можна визначити температуру в будь-якому вертикальному перерізі зовнішньої стіни шаруватої конструкції при стаціонарному потоці тепла. Так, температура на внутрішній поверхні зовнішньої стіни дорівнює

Температура τi на кордоні i -го шару шаруватої огороджувальної конструкції, вважаючи зсередини назовні, дорівнює

де - термічний опір k шарів, що межують з приміщенням.

Зміна температури в кожному з шарів відбувається за лінійним законом, але з різним кутом нахилу, відповідним термічному опору шару. Таким чином, графік розподілу температури в шаруватому огородженні має характер ламаної лінії, відрізки якої, що проходять через шари з більш високим термічним опором, мають більший кут нахилу до горизонту (рис. 15.5).

Графіки розподілу температур в шаруватих стінах при розташуванні утеплювача

Рис. 15.5. Графіки розподілу температур в шаруватих стінах при розташуванні утеплювача:

а - ближче до зовнішньої сторони; б - ближче до внутрішньої сторони

На цьому малюнку представлені графіки розподілу температур по перетину огороджувальних конструкцій при розташуванні утеплювача зовні і всередині огорожі. Як випливає з цього малюнка, при розташуванні утеплювача ближче до зовнішньої сторони огороджувальної конструкції внутрішня масивна частина її накопичує тепло. При розташуванні утеплювача ближче до внутрішньої частини стіни масивна несуча частина стіни знаходиться в зоні низьких температур, що створює умови для замерзання і відтавання вологи, проникаючої в стіну з косими дощами і при паропроніцанію зсередини.

Для термічно неоднорідних конструкцій (з теплопровідними включеннями) попередньо визначають приведений термічний опір однорідних і неоднорідних ділянок R a і R b, (рис. 15.6). Для визначення R a площинами, паралельними напрямку теплового потоку, умовно розсікають конструкцію на ділянки однорідні і неоднорідні і визначають R a за формулою

де - площі окремих ділянок конструкції, м2;

- Термічний опір цих ділянок, яке визначається окремо для однорідних і неоднорідних ділянок.

Схема поділу неоднорідною стіни перпендикулярними і паралельними напрямку теплового потоку площинами

Рис. 15.6. Схема поділу неоднорідною стіни перпендикулярними і паралельними напрямку теплового потоку площинами

Потім площинами, перпендикулярними напрямку теплового потоку, конструкція умовно поділяється на шари, з яких одні можуть бути однорідними, інші - неоднорідними. Визначаються їх термічні опори. При цьому термічний опір всієї конструкції визначається як сума цих опорів.

Приведений опір теплопередачі такої конструкції в цілому визначається за формулою

Іноді, особливо при реконструкції та реставрації будівель, неможливо забезпечити необхідне значення опору теплопередачі зовнішньої стіни виходячи з вимог економії енергії, тобто по ГСОП (наприклад, коли штукатурний декор фасаду являє собою самостійну архітектурну цінність і відновити його після зовнішнього утеплення неможливо або дуже дорого). Утеплення стін зсередини створює проблеми з конденсацією водяної пари і зі зміною температурного режиму масиву стіни взимку і влітку. Це руйнує фасад. Сучасний актуалізований СНиП 23-02-2011 допускає для таких будівель забезпечення виходячи з санітарно-гігієнічних міркувань (див. Формулу (15.4)). Тому нормами встановлені три показники теплового захисту будівлі.

Для реставруються пам'яток архітектури і для особливо цінних фасадів необхідно, щоб конструкції задовольняли першу вимогу. Для всіх інших будівель приведений опір теплопередачі окремих елементів огороджувальних конструкцій будівлі повинно прийматися виходячи з вимог економії енергії. В окремих випадках при відповідному економічному обґрунтуванні опір теплопередачі окремих огороджувальних конструкцій може прийматися таким, щоб задовольнялося третя вимога - по мінімально допустимим тепловтратам всієї будівлі в цілому.

Теплотривкість огороджувальних конструкцій - здатність цих конструкцій зберігати при коливаннях величин теплового потоку відносну сталість температур на їх поверхні, зверненої в приміщення (рис. 15.7). Ця властивість дуже важливо враховувати при розрахунку теплозахисту в літніх умовах, коли огороджувальні конструкції днем нагріваються від високих температур повітря і від сонця, а вночі остигають. Легкі споруди швидко нагріваються і швидко охолоджуються. Це називається барачного ефектом. Особливо це відчутно в будівлях з легкими дахами-мансардами, в яких при недостатній теплозахисту може відчуватися значний перегрів.

Схема загасання температурних коливань всередині однорідної конструкції

Рис. 15.7. Схема загасання температурних коливань всередині однорідної конструкції

У районах із середньомісячною температурою самого жаркого місяця 21 ° С і вище розрахункова амплітуда коливань температури внутрішньої поверхні огороджувальних конструкцій (зовнішніх стін і покриттів) більшості будівель не повинна перевищувати величину, котру визначаємо по формуле

де t н - середньомісячна температура зовнішнього повітря самого жаркого місяця, яка приймається за СНіП "Будівельна кліматологія".

Величина амплітуди коливань температури на внутрішній поверхні залежить від величини загасання про і розрахункової амплітуди коливань температури зовнішньої поверхні огородження і визначається наступним чином:

де

Тут ρ - коефіцієнт поглинання сонячної радіації зовнішньою поверхнею, який для матеріалів зовнішніх стін коливається від 0,3 до 0,7; - максимальне і середнє значення сумарної сонячної радіації на поверхню огородження за найспекотніший місяць року (для зовнішніх стін розрахункової є поверхня, орієнтована на захід); - максимальна амплітуда коливань температури зовнішнього повітря в самому жаркому місяці; е = 2,718 - основа натуральних логарифмів; у 1, ..., у n - коефіцієнти теплозасвоєння зовнішніх поверхонь шарів огороджувальних конструкцій, які при характеристиці теплової інерції шару D> 1 дорівнюють коефіцієнту теплозасвоєння матеріалу цього шару S, а при D <1 визначаються розрахунком за наступними формулами:

для першого (від внутрішньої поверхні) шару

для наступних шарів

де - коефіцієнт теплозасвоєння зовнішньої поверхні попереднього шару.

У холодний період року розрахункова амплітуда коливань температури внутрішньої поверхні приміщення житлових будівель, а також лікарень, поліклінік, дитячих садків, ясел та шкіл у холодний період року не повинна перевищувати нормованого значення протягом доби: при наявності центрального опалення та печей при безперервній топці - на 1,5 ° С; при пічному опаленні з періодичною топкою - на 3 ° С. При автоматичному регулюванні температури внутрішнього повітря теплоустойчивость приміщень в холодний період року не нормується.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >