Основы теплозащиты зданий. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций на зимние условия

Задачи теплозащиты зданий следующие:

• обеспечение комфортной температуры воздуха в помещениях (оптимально 20-22°С):

• обеспечение требуемой температуры внутренних поверхностей, ограждающих помещение: стены – минимум 16–18°С (если температура ниже, то появляется ощущение сквозняка около стен, на стенах возможно выпадение конденсата); пола – оптимально 22–24°С;

• накопление тепла в ограждающих конструкциях (тепловая инерция). Быстрый нагрев и быстрое охлаждение помещений под влиянием солнечного тепла являются отрицательным качеством ("барачный микроклимат");

• обеспечение нормальной относительной влажности воздуха в помещении (50–60%); менее 40% – сухость слизистой оболочки, более 60% – парниковый микроклимат;

• ограничение движения воздуха: максимально – 0,2 м/с, больше 0,2 м/с – возникает ощущение сквозняка.

Теплозащита должна обеспечить комфорт в помещении как в зимних (защита от холода), так и в летних условиях (защита от перегрева). Очень велико значение теплозащиты по условиям экономии энергии. Сырьевые запасы истощатся. Нефть, газ, уголь становятся дефицитными, так как они невоспроизводимы. Их необходимо экономить.

Также велико значение теплозащиты по условиям охраны окружающей среды. Чем меньше сжигается топлива, тем меньше выбросы вредных газов (углекислый газ СО2, угарный газ СО, оксиды азота и серы). В соединении с атмосферной влагой они образуют кислоты, которые в виде кислотных дождей разрушают природу, здания и сооружения. Поэтому теплозащита – это также и защита окружающей среды.

Теплотехнический расчет на зимние условия осуществляется для условий установившегося потока тепла через ограждение. Например, это происходит при наличии центрального отопления в здании и при установившейся холодной погоде с незначительными колебаниями температуры. При этом тепловой поток направлен из помещения наружу. Ограждение считается однородным, если выполнено из одного материала, и слоистым, если состоит из слоев, расположенных параллельно внешним плоскостям ограждения, выполненных из различных материалов. В стационарных условиях теплопередачи количество теплоты Q (Дж), проходящее через ограждающую конструкцию площадью F (м2) и толщиной δ (м), может быть определено на основе закона Фурье (рис. 15.3):

Рис. 15.3. К определению количества теплоты, проходящего через ограждающую конструкцию

(15.1)

где и – температуры внутренней и наружной (теплой и холодной) поверхностей ограждения, °С; λ – коэффициент теплопроводности материала ограждения, Вт/(м2 • °С); 2 – время передачи тепла, ч.

Значения коэффициентов теплопроводности колеблются в очень широких пределах – от 407 Вт/(м2 • °С) у меди до 0,04 Вт/(м2 • °С) у пенопластов. Они зависят от структуры материалов и в основном от их плотности. Чем она меньше, тем меньше теплопроводность. Помимо плотности на теплопроводность влияет влажность материала, так как влага, заполняющая поры влажного материала, имеет значительно бо́льшую теплопроводность, чем воздух.

Из рис. 15.4 очевидно, что коэффициент теплопроводности кирпича в сухом климате Иркутска значительно меньше величины коэффициента теплопроводности, например, в Санкт-Петербурге. Поэтому величины коэффициентов теплопроводности материалов следует принимать с учетом влажностного режима помещений, условий эксплуатации ограждающих конструкций А или Б и карты зон влажности России (см. СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий") .

Рис. 15.4. Изменение теплопроводности кладки из кирпича глиняного обыкновенного в зависимости от его влагосодержания

ω = (Рвл – Рсух) • 100/Рсух, %, где Рвл и Рсух – соответственно массы влажного и сухого материала

В Своде правил к этому СНиПу (СП 23-101-2000) приведены значения коэффициентов теплопроводности для большого числа современных строительных материалов, эксплуатирующихся в различных условиях влажности.

В формуле (15.1) величина , Вт/(м2 • °С), является основным показателем теплозащиты ограждающей конструкции, который называется коэффициентом теплопередачи и обозначается греческой буквой а. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи , называется термическим сопротивлением или сопротивлением теплопередаче однородной ограждающей конструкции. В слоистых конструкциях термическое сопротивление равно сумме термических сопротивлений ее слоев. При переходе тепла через наружное ограждение температура внутри конструкции изменяется. При этом понижается температура около ее внутренней и внешней поверхностей. Такое падение температуры свидетельствует о наличии дополнительных сопротивлений переходу тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности и от наружной поверхности к наружному воздуху. Эти сопротивления обозначают . В СНиПе даются значения обратных величин: коэффициентов тепловосприятия и теплоотдачи , равных соответственно 1/Rв и 1 /RH. Эти значения зависят от условий конвекции воздуха около этих поверхностей. Для гладких внутренних и наружных ограждающих конструкций эти значения, полученные путем многократных измерений во всем мире, равны и .

Для чердачных перекрытий. Соответственно, общее сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции составит

(15.2)

где η – число слоев.

Если в стене имеется замкнутая воздушная прослойка, то ее термическое сопротивление Rв.п следует включать как слагаемое в формулу (15.2). Величина Rв.п определяется по табл. 15.3.

Таблица 15.3

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Толщина воздушной прослойки, м	Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки Rв.п, (м2 • °С)/Вт
	горизонтальной при потоке тепла снизу вверх и вертикальной		горизонтальной при потоке тепла сверху вниз
	При температуре воздуха в прослойке
	положительной	отрицательной	положительной	отрицательной
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

Примечание. При оклейке одной или обеих поверхностей воздушной прослойки алюминиевой фольгой термическое сопротивление следует увеличивать в два раза.

Передача тепла происходит тремя способами: за счет теплопроводности, за счет конвекции (тепловое гравитационное перемещение жидкости или газа) и за счет радиации (например, передача тепла от Солнца на Землю через вакуум безвоздушного пространства). В теплотехнических расчетах мы учитываем в основном первый тип передачи тепла, хотя в конструкциях с замкнутыми воздушными прослойками, да и в порах материалов имеют место и два других типа теплопередачи. Для повышения сопротивления теплопередаче замкнутой воздушной прослойки за счет снижения радиационной составляющей при передаче тепла ее теплую поверхность покрывают отражающим радиацию материалом, например алюминиевой фольгой. Этот прием увеличивает сопротивление теплопередаче воздушной прослойки почти вдвое. Кроме того, такие прослойки следует располагать горизонтально, а не вертикально, для того чтобы уменьшить конвекцию воздуха и снизить конвективную составляющую при передаче тепла.

Определение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции производится исходя из гигиенических соображений и из соображений экономии энергии.

Исходя из гигиенических соображений при установившемся потоке тепла требуемое сопротивление теплопередаче определяется по закону Фурье (15.1) при F= 1 м2 и z = 1 ч. При этом количество тепла, проходящее через границы слоев, одинаково:

(15.3)

В этих уравнениях нам известны tв и tн, tB задается в СНиПах для соответствующих видов зданий; например, для жилья tB = 20°С. tн определяется по СНиП "Строительная климатология" как средняя температура самых холодных суток (t1), либо как средняя температура самой холодной пятидневки (t5), либо как средняя температура самых холодных трех суток (t3 = (t1 + t5)/2) в зависимости от массивности ограждающей конструкции, характеризующей ее тепловую инерцию D:

где – сопротивление теплопередаче слоев конструкции; Si – коэффициенты теплоусвоения слоев материала при максимальном периоде колебаний температуры 24 ч, принимаются по СП 23-101-2000. Считается, что конструкция малой массивности (D < 4) долго не держит тепло при отключении источника тепла, например батарей отопления, и промерзает за одни сутки. Поэтому в качестве расчетной наружной температуры принимают tн = t1. При средней массивности конструкций (4 < D < 7) tн = t3. Массивные конструкции промерзают примерно за пять суток. Поэтому при D > 7 tн = t5.

Из выбранного нами равенства получаем формулу для определения требуемого общего сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции исходя из гигиенических соображений:

(15.4)

где

Величина – это разность температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной стены (или совмещенного покрытия). Она является нормируемым параметром, определяющим гигиенический комфорт температурно-влажностной среды в помещении, и составляет 4°С. Считается, что при таком перепаде температур на внутренней поверхности не будет выпадать конденсат (капли воды, образовавшиеся из пара, находящегося в воздухе помещения). При таком перепаде температур также не будет ощущения сквозняка вблизи наружной стены, образующегося за счет конвективных потоков воздуха.

Однако современная практика проектирования наружных ограждающих конструкций подчиняется не только гигиеническим требованиям, но и более жестким требованиям энергосбережения. При этом требуемое общее сопротивление теплопередаче этих конструкций существенно повышается (в три раза и более по сравнению с гигиенически необходимым). Это продиктовано принятым в 1996 г. Законом РФ "Об энергосбережеииях" и отражено в СНиП 23-02–2003 "Тепловая защита зданий". Здесь определение требуемого сопротивления теплопередаче ">') ставится в зависимость от годовой характеристики отопительного режима района строительства – ГСОП (градусо-суток отопительного периода), °С • сут, определяемой по таблице в СНиПе.

Градусо-сутки отопительного периода ГСОП определяют по формуле

где tв – расчетная средняя температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая для зданий позиции 1 табл. 15.4 от 20 до 22°С,

Таблица 15.4

Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций

Здания и помещения	Градусо-сутки отопительного периода, • сут	Нормируемые значения сопротивления теплопередаче , (м2 • °С)/Вт, ограждающих конструкций
		стен	покрытий и перекрытий над проездами	перекрытий чердачных, над неотапливаемыми подпольями и подвалами	ОКОН и балконных дверей, витрин и витражей	фонарей с вертикальным остеклением
1	2	3	4	5	6	7
1. Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и общежития	2000 4000 6000 8000 10 000 12 000	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. Общественные, кроме указанных выше, административные и бытовые, производственные и другие здания и помещения с влажным или мокрым 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
	10 000	4,2	5,6	4,8	0,7	0,5
	12 000	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. Производственные с сухим и нормальным 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
	10 000	3,0	4,0	3,0	0,45	0,4
	12 000	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

Примечания.

1. Значения для величин, отличающихся от табличных, следует определять по формуле где – градусо-сутки отопительного периода, "С • сут, для конкретного пункта; а, b – коэффициенты, значения которых следует принимать по данным таблицы для соответствующих групп зданий, за исключением гр. 6 для группы зданий в позиции I, где для интервала до 6000°С • сут а = 0,000075, b = 0,15; для интервала 6000–8000°С • сут а = 0,00005, b = 0,3; дтя интервала 8000°С • сут и более а = 0,000025, h = 0,5.

2. Нормируемое приведенное сопротивление теплопередаче глухой части балконных дверей должно быть не менее чем в 1,5 раза выше нормируемого сопротивления теплопередаче светопрозрачной части этих конструкций.

3. Нормируемые значения сопротивления теплопередаче чердачных и цокольных перекрытий, отделяющих помещения здания от неотапливаемых пространств с температурой tc (tB <tc< tH), следует уменьшать умножением величин, указанных в гр. 5, на коэффициент п, определяемый по формуле. При этом расчетную температуру воздуха в теплом чердаке, теплом подвале и остекленной лоджии и балконе следует определять на основе расчета теплового баланса.

4. Допускается в отдельных случаях, связанных с конкретными конструктивными решениями заполнений оконных и других проемов, применять конструкции окон, балконных дверей и фонарей с приведенным сопротивлением теплопередаче на 5% ниже установленного в таблице.

5. Для группы зданий в позиции 1 нормируемые значения сопротивления теплопередаче перекрытий над лестничной клеткой и теплым чердаком, а также над проездами, если перекрытия являются полом технического этажа, следует принимать как для группы зданий в позиции 2, для зданий позиции 2 – от 16 до 21°С (для зданий по позиции 3 она принимается по нормам проектирования соответствующих зданий); tcp.от – средняя температура наружного воздуха, °С; z – продолжительность, сут, отопительного периода; последние два параметра принимаются по СНи11 "Строительная климатология" для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10°С при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых и не более 8°С – в остальных случаях.

Распределение температур в толще ограждения

Из уравнения (15.3) можно определить температуру в любом вертикальном сечении наружной стены слоистой конструкции при стационарном потоке тепла. Так, температура на внутренней поверхности наружной стены равна

Температура τi на границе i-го слоя слоистой ограждающей конструкции, считая изнутри наружу, равна

где – термическое сопротивление k слоев, граничащих с помещением.

Изменение температуры в каждом из слоев происходит по линейному закону, но с различным углом наклона, соответствующим термическому сопротивлению слоя. Таким образом, график распределения температуры в слоистом ограждении имеет характер ломаной линии, отрезки которой, проходящие через слои с более высоким термическим сопротивлением, имеют больший угол наклона к горизонту (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Графики распределения температур в слоистых стенах при расположении утеплителя:

а – ближе к наружной стороне; б – ближе к внутренней стороне

На этом рисунке представлены графики распределения температур по сечению ограждающих конструкций при расположении утеплителя снаружи и внутри ограждения. Как следует из этого рисунка, при расположении утеплителя ближе к наружной стороне ограждающей конструкции внутренняя массивная часть ее накапливает тепло. При расположении утеплителя ближе к внутренней части стены массивная несущая часть стены находится в зоне низких температур, что создает условия для замерзания и оттаивания влаги, проникающей в стену с косыми дождями и при паропроницании изнутри.

Для термически неоднородных конструкций (с теплопроводными включениями) предварительно определяют приведенное термическое сопротивление однородных и неоднородных участков Ra и Rb, (рис. 15.6). Для определения Ra плоскостями, параллельными направлению теплового потока, условно рассекают конструкцию на участки однородные и неоднородные и определяют Ra по формуле

где – площади отдельных участков конструкции, м2;

– термическое сопротивление этих участков, определяемое отдельно для однородных и неоднородных участков.

Рис. 15.6. Схема деления неоднородной стены перпендикулярными и параллельными направлению теплового потока плоскостями

Затем плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, конструкция условно разделяется на слои, из которых одни могут быть однородными, другие – неоднородными. Определяются их термические сопротивления. При этом термическое сопротивление всей конструкции определяется как сумма этих сопротивлений.

Приведенное сопротивление теплопередаче такой конструкции в целом определяется по формуле

Иногда, особенно при реконструкции и реставрации зданий, невозможно обеспечить требуемое значение сопротивления теплопередаче наружной стены исходя из требований экономии энергии, т.е. по ГСОП (например, когда штукатурный декор фасада представляет собой самостоятельную архитектурную ценность и восстановить его после наружного утепления невозможно или очень дорого). Утепление стен изнутри создает проблемы с конденсацией водяного пара и с изменением температурного режима массива стены зимой и летом. Это разрушает фасад. Современный актуализированный СНиП 23-02-2011 допускает для таких зданий обеспечениеисходя из санитарно-гигиенических соображений (см. формулу (15.4)). Поэтому нормами установлены три показателя тепловой защиты здания.

Для реставрируемых памятников архитектуры и для особо ценных фасадов необходимо, чтобы конструкции удовлетворяли первому требованию. Для всех остальных зданий приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания должно приниматься исходя из требований экономии энергии. В отдельных случаях при соответствующем экономическом обосновании сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций может приниматься таким, чтобы удовлетворялось третье требование – по минимально допустимым теплопотерям всего здания в целом.

Теплоустойчивость ограждающих конструкций – способность этих конструкций сохранять при колебаниях величин теплового потока относительное постоянство температур на их поверхности, обращенной в помещение (рис. 15.7). Это свойство очень важно учитывать при расчете теплозащиты в летних условиях, когда ограждающие конструкции днем нагреваются от высоких температур воздуха и от солнца, а ночью остывают. Легкие постройки быстро нагреваются и быстро охлаждаются. Это называется барачным эффектом. Особенно это ощутимо в зданиях с легкими крышами-мансардами, в которых при недостаточной теплозащите может ощущаться значительный перегрев.

Рис. 15.7. Схема затухания температурных колебаний внутри однородной конструкции

В районах со среднемесячной температурой самого жаркого месяца 21°С и выше расчетная амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций (наружных стен и покрытий) большинства зданий не должна превышать величину , определяемую по формуле

где tн – среднемесячная температура наружного воздуха самого жаркого месяца, принимаемая по СНиП "Строительная климатология".

Величина амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности зависит от величины затухания о и расчетной амплитуды колебаний температуры наружной поверхности ограждения и определяется следующим образом:

где

Здесь ρ – коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью, который для материалов наружных стен колеблется от 0,3 до 0,7; – максимальное и среднее значения суммарной солнечной радиации на поверхность ограждения за самый жаркий месяц года (для наружных стен расчетной является поверхность, ориентированная на запад);– максимальная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха в самом жарком месяце; е = 2,718 – основание натуральных логарифмов; у1, ..., уn – коэффициенты теплоусвоения наружных поверхностей слоев ограждающих конструкций, которые при характеристике тепловой инерции слоя D > 1 равны коэффициенту теплоусвоения материала этого слоя S, а при D < 1 определяются расчетом по следующим формулам:

для первого (от внутренней поверхности) слоя

для последующих слоев

где – коэффициент теплоусвоения наружной поверхности предыдущего слоя.

В холодный период года расчетная амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности помещения жилых зданий, а также больниц, поликлиник, детских садов, ясель и школ в холодный период года не должна превышать нормируемого значения в течение суток: при наличии центрального отопления и печей при непрерывной топке – на 1,5°С; при печном отоплении с периодической топкой – на 3°С. При автоматическом регулировании температуры внутреннего воздуха теплоустойчивость помещений в холодный период года не нормируется.