Тема 1. Теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций при зимних условиях эксплуатации
МЕТОДЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ЗДАНИЙ
Методические указания к курсовым работам и проектам для студентов
специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство»,
270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 270112 «Водоснабжение и водоотведение» направления 550100 «Строительство»
Ухта 2010г
УДК536.24:72.012.6
Горяева Г.Н., Методы теплотехнического расчета наружных ограждений зданий [Текст]: метод.указания / Г.Н. Горяева, В.Г. Гонтарь.– Ухта: УГТУ, 2010.– 46 с.
Методические указания предназначены для выполнения теплотехнического расчета в курсовых работах по дисциплине «Архитектура» для студентов специальности 270102 «ПГС», 270109 «ТГВ», 270112 «ВВ», в курсовых проектах по дисциплине «Архитектура гражданских и промышленных зданий и сооружений» по направлениям 550100 «Строительство» очной и безотрывной форм обучения, включая Воркутинский филиал УГТУ.
Содержание методических указаний соответствует рабочей программе. Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ПГС, протокол №4, от 13.12.2010 г. и предложены для издания Советом специальности, протокол №5 от 14.12.2010 г.
Рецензент:Землянский В.Н., профессор кафедры ПГС, д.т.н.
Редактор: Мартынова Г.В., доцент кафедры ПГС
В методических указаниях учтены замечания и предложения рецензента и редактора.
План 2010 г.,позиция .
Подписано в печать . .2010 г. Компьютерный набор.
Объем 46 с. Тираж 100 экз. Заказ № .
©Ухтинский государственный технический университет, 2010
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.
Отдел оперативной полиграфии УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.
Введение
При проектировании зданий необходимо учитывать теплотехнические процессы, происходящие в ограждающих конструкциях и в помещениях.
Наружной ограждающей конструкцией является стена, которая разделяет внутреннее и наружное пространство с различной температурой и влажностью, ограниченная вертикальными поверхностями и перпендикулярная тепловому потоку. Ограждающие конструкции бывают однородными и неоднородными. Ограждение является однородным (однослойным), если оно состоит из одного материала (слоя). Неоднородным (многослойным) считается ограждение, состоящее из нескольких слоев разных материалов, в том числе с теплопроводными включениями, теплоизоляционными слоями.
Для создания комфортных условий в зданиях к наружным ограждающим конструкциям предъявляются теплотехнические требования:
- обеспечение достаточных теплозащитных свойств в холодное время года;
- обеспечение теплоустойчивости в теплый период;
- обеспечение необходимой воздухопроницаемости;
- обеспечение допустимой паропроницаемости;
- получение требуемого температурно-влажностного режима в помещениях;
- температура внутренней поверхности ограждения должна незначительно отличаться от температуры внутреннего воздуха во избежание выпадения конденсата;
В связи с вышеуказанным, наружные ограждающие конструкции должны обладать теплозащитными, теплоустойчивыми и другими свойствами. Для этого производят теплотехнический расчет наружных вертикальных стен и горизонтальных конструкций покрытий.
Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций гражданских и производственных зданий выполняется в соответствии с указаниями СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий ».
При проектировании наружных ограждающих конструкций зданий необходимо знать минимальные значения сопротивления теплопередаче R0, при которых ограждения оказываются удовлетворительными в теплотехническом отношении. Эти значения называются нормативными или требуемыми, R0тр, и зависят от назначения здания, его внутреннего режима, климатических условий района строительства и вида ограждения.
Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций выполняется для отапливаемых зданий в зимний период, когда тепловой поток направлен из помещений в наружное пространство.
Теплозащитные свойства наружных ограждений характеризуются основным показателем, называемым коэффициент теплопроводности l, Вт/м2·°С, который зависит от структуры материала и, в первую очередь, от объемной массы (плотности) gо, кг/м3. Данная зависимость выражается следующим образом: чем больше объемная масса, тем выше теплопроводность материала, и наоборот, чем меньше плотность, тем больший объем занимают поры (воздух), а поскольку воздух является малотеплопроводным материалом, то и теплопроводность уменьшается. На коэффициент теплопроводности, кроме плотности, оказывает влияние и влажность материала. В связи с чем, в нормативных документах на конструкции и материалы регламентируют предельно допустимые величины влажности, а в стандартах на изготовление изделий необходимо предусматривать технологические способы уменьшения влажности. Например, при формовании трехслойных железобетонных стеновых панелей с увлажняемым теплоизоляционным слоем предусматривается предварительная защита утеплителя водонепроницаемым материалом.
Анализ перспективного использования ограждений с теплоизоляционными материалами разной плотности в различных регионах России позволил вывести некоторые положения, касающиеся повышения теплоизоляционных свойств конструкций, которые необходимо учитывать при выборе расчетных схем и материалов слоев ограждающих конструкций зданий:
1. Однородные ограждающие конструкции из сплошной кирпичной кладки и однослойных стеновых панелей из легкого бетона плотностью более γ = 500 кг/м3 по теплотехническому расчету не проходят для зданий всех типов, особенно в северных районах;
2. В качестве наружных вертикальных ограждений зданий следует принимать неоднородные (многослойные) стеновые панели с эффективным утеплителем из полимерных теплоизоляционных материалов, легкого и ячеистого бетона плотностью не более γ = 500-600 кг/м3;
3. Для производственных зданий в качестве наружных стен применять современные оцинкованные или окрашенные профилированные листы, профнастилы, сайдинги с теплоизоляцией из минераловатных плит, панели типа “сэндвич” с несгораемым утеплителем URSA, пенополистиролом, пенополиуретаном и др.;
4. В покрытиях отапливаемых производственных зданий возможно применение теплоизоляционных слоев из материала плотностью не более γ = 200-400 кг/м3;
5. При выборе конструктивных систем жилых и общественных зданий предпочтительней переход к каркасной и плоскостенной с поперечными наружными и внутренними несущими стенами из многослойных стеновых панелей и крупных блоков.
В данной работе описываются методики выполнения расчетов наружных ограждений, выполняемых в курсовой работе «Малоэтажный жилой дом» по дисциплине “Архитектура” по следующим темам:
1. Теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций при зимних условиях эксплуатации;
2. Теплотехнический расчет однородных ограждающих конструкций при зимних условиях эксплуатации;
Теплотехнический расчет неоднородных горизонтальных ограждающих конструкций (покрытий) пример № 2;
3. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и помещений.
Район строительства принимать по заданию руководителя курсовой работы.
В приложении 1настоящих методических указаний приведены исходные данные для расчетов. Природно-климатические условия для расчетов приведены в приложении 2 настоящих методических указаний.
Тема 1. Теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций при зимних условиях эксплуатации
Общие положения
По заданию руководителя в соответствии с рабочей программой студентами 2 курса очной формы обучения специальностей ПГС, ТГВ и ВВ и 3 курса безотрывной формы обучения выполняется курсовая работа «Малоэтажный жилой дом» по проектированию 1-2 этажных гражданских зданий с наружными ограждающими конструкциями из мелкоштучных элементов: кирпича, мелких бетонных блоков или блоков из природного камня. В курсовой работе по проектированию зданий с кирпичными или мелкоблочными, многослойными бетонными стенами с теплоизоляционными слоями необходимо определить толщину утеплителя, т.е. выполнить теплотехнический расчет стены.
В качестве неоднородных (многослойных) стеновых конструкций также могут служить двухслойные, трехслойные панели, панели из небетонных материалов и т.д. Двухслойные бетонные стены состоят из двух слоев – несущего и утепляющего. Несущий слой выполняют из тяжелого или конструкцинного легкого бетона, утепляющий слой может быть из конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона плотной или пористой структуры, из теплоизоляционных материалов. Утепляющий слой необходимо принимать с наружной стороны из теплотехнических соображений.
Трехслойные стеновые панели имеют следующую конструктивную разрезку: наружный и внутренний несущие слои из тяжелого или легкого бетона и посередине теплоизоляционный слой. В качестве утепляющего слоя можно принимать: эффективные утеплители g£ 300 кг/м3 заводского изготовления в виде плит, блоков, матов: стекловаты, фибролита, пеностекла, минеральной ваты, пенопласта, пенополистирола и т.д. Для курсовой работы желательно принимать современные теплоизоляционные материалы. Трехслойные панели выполняются также и с воздушными прослойками, кроме указанных слоев, поэтому при выборе такой панели их необходимо учитывать в расчете.
В общественных зданиях применяют панели из не бетонных материалов, так называемые стены-экраны, снаружи облицованные алюминием, эмалированной сталью, металлопластом, стемалитом. При строительстве жилых домов применяют асбестоцементные плиты, которые состоят из облицовочных, конструктивных и утепляющих слоев.
Теплотехнический расчет ограждения выполняют также в курсовом проекте №1 на тему «Многоэтажные жилые и общественные здания из крупноразмерных элементов»согласно учебного плана на 3 курсе (5 семестр) для студентов специальности 270102 ПГС дневного обучения и на 3 курсе (6 семестр) для студентов заочного обучения, в курсовом проекте №2 на тему: “Промышленные здания с АБК” на 3 курсе (6 семестр) и 4 курсе (7 семестр) соответственно.
Перед началом работы необходимо выбрать соответствующую заданию курсовой работы конструктивную схему стены, подобрать теплотехнические показатели материала каждого слоя, затем приступать к выполнению расчетов.
Зоны влажности района строительства принимать по приложениюВ[2] или рис.1 приложения 2 данной работы.
Влажностный режим в помещениях в зимний период принимать в зависимости от температуры и относительной влажности внутреннего воздуха по табл.1[2] или табл.4 приложения 1 настоящего методического указания.
Условия эксплуатации наружных ограждений определять в зависимости от зон влажности района строительства и влажностного режима помещений по приложению 2[2] или табл. 5 приложения 1.
Расчетную схему и материалы слоев ограждающей конструкции можно принимать в соответствии с табл. 3 приложения 1 или индивидуально по заданию преподавателя.
Таблицы и рисунки без ссылок на источники, соответствуют нумерации данных методических указаний.
Методика расчета
1. Назначаем конструкцию (Рис.А), материалы и ориентировочные толщины d всех слоев многослойного ограждения, кроме теплоизоляционного. Теплотехнические показатели материалов слоев сводим в табл. А.
Рис. А. Расчетная схема многослойной кирпичной стены
2. Определяем приведенное экономически целесообразное сопротивление теплопередачи R0эн, (м2°С) / Вт, исходя из условий энергосбережения в зависимости от градусо-суток отопительного периода, по табл.4[2] или из табл. 12 приложения 1.
3. Градусо-сутки отопительного периода (Dd) определяем по формуле:
(1)
где 
расчетная температура внутреннего воздуха помещений, °С, принимаем по табл.2 приложения 1.
средняя температура, °С, периода со средней суточной температурой воздуха ≤ 8°С, принимаем по табл. 1 [1]или по табл. 8 приложения 1.
продолжительность отопительного периода, сут., по табл. 1[1] или по табл. 8 приложения 1.
4. Определяем общее (действительное) сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0, Вт/м2·°С, по формуле:
(2)
где: 
коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стен и потолков равен 8,7 Вт/м2·°С, по табл. 7[2] или табл. 10 приложения 1;
коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения (для зимних условий), для наружных стен и покрытий равен 23 Вт/м2·°С, по табл. 11 приложения 1;
термическое сопротивление конструкции, Вт/м2·°С;
термические сопротивления внутреннего и наружнего пограничных слоев воздуха, Вт/м2·°С.
5. Термическое сопротивление теплопередаче неоднородной конструкции определяют, как сумму термических сопротивлений всех слоев по формуле:
; (3)
где 
термическое сопротивление
1, 2, i– слоев конструкции и равно:
(4)
где 
толщина i слоя, м;
расчетный коэффициент теплопроводности материала i слоя, Вт/м°С, принимаемый по табл. 6 приложения 1.
6. Определяем необходимую толщину теплоизоляционного слоя ограждения. Толщину теплоизоляционного слоя (Х) определяют из формулы (2), приравняв общее сопротивление теплопередаче требуемому (приведенному):
(5)
и тогда:
(6)
откуда:
(7)
7. После определения необходимой толщины (Х) теплоизоляционного слоя, округлив с точностью до 0,01 м., по формуле (8) определяют его термическое сопротивление:
, (8)
и общее сопротивление теплопередаче всей конструкции по формуле (2).
8. Полученные результаты термического сопротивления всех слоев и общего сводим в табл. А. По окончании расчетов сделать вывод о принятии толщины теплоизоляционного слоя и всей конструкции стенового ограждения для проектируемого района строительства.
Пример расчета №1
Определить толщину теплоизоляционного слоя наружной кирпичной стены с внутренней штукатуркой жилого дома в г. Саратове.
Исходные данные:
Место строительства – г. Саратов.
Температура наружного воздуха text = tн5 = -27°С– из табл. 1[1] или табл.8 прил. 1 методического указания.
Зона влажности региона – сухая – по прил. 1[2]; рис. 2 прил.2.
Температура внутреннего воздуха помещений tint = 20°С; относительная влажность внутреннего воздуха jв = 60% – из табл. 2 прил. 1 данного указания – для жилых зданий.
Влажностный режим помещений принимаем по табл.1[2]или табл.4 прил.1 – нормальный.
Условия эксплуатации в зависимости от зоны влажности (сухая) и нормального влажностного режима принимаем по прил. 2 [2]или табл. 5, приложения 1– А.
Вычерчиваем расчетную схему кирпичной стены с назначением материалов и толщины всех слоев ограждения по заданию руководителя курсовой работы по табл.3 прил.1 методического указания.
Рис. А. Расчетная схема многослойной кирпичной стены
Примечания:
1. Наружную и внутреннюю отделку условно не считают за слои, но в расчетах необходимо их учитывать;
2. 1, 2, 3, 4 – номера слоев конструкции;
3. Расчетную схему конструкции стены принимаем № 2 по табл. 3 приложения 1 методического указания;
Теплотехнические характеристики материалов слоев принимаем по условию эксплуатации – А, из прил. 3 [2]или табл. 6 приложения 1 и сводим их в табл. А.
Таблица А. Теплотехнические показатели наружной стены
| № | Наименование материала слоя | Толщина слоя dI, м | Плотность g, кг/м3 | Коэффи-циент теплопро-водности lI, Вт/м*°С | Коэффи-циент тепло-усвоения Si., Вт/м2*°С | Сопротив-ленияRi и R0, Вт/м2*°С |
| Внутренний пограничный слой воздуха 1/aв | 0,12 | |||||
| Цементно-песчаный раствор | 0,015 | 0,76 | 9,6 | 0,02 | ||
| Глиняный кирпич | 0,25 | 0,58 | 8,08 | 0,43 | ||
| Пенополистирол | х | 0,041 | 0,41 | 2,48 | ||
| Керамический кирпич | 0,12 | 0,47 | 6,16 | 0,26 | ||
| Наружный пограничный слой воздуха 1/aн | 0,04 | |||||
| Общее сопротивление | 3,35 |
Данные для расчета:
по табл. 3[2]или табл. 7 прил.1 пособия;
по табл. 1[1]или табл.8 прил.1;
по табл.1[1] или табл.8 прил.1;
по табл.4[2]или табл.10 прил.1;
по табл.6[2]или табл.11 прил.1;
по табл.1[1]или табл.8 прил. 1.
Порядок расчета:
1. Определяем ГСОП по формуле (2):
2. Требуемое сопротивление теплопередаче ограждения из условий энергосбережения Rreq в зависимости от Dd по табл.12 прил.2 (формула 26):
3. Общее сопротивление теплопередаче конструкции R0 приравниваем Rreq:
4. Определяем толщину теплоизоляционного слоя из полученного равенства (9):
Полученное значение Х округляем до 0,01 м. Толщину теплоизоляционного слоя Х (d3) принимаем 0,10 м.
5. Определяем термические сопротивления теплоизоляционного слоя и всех остальных слоев ограждения, общее сопротивление многослойной кирпичной кладки по формулам 4,7, 3, 2 или 1 и сводим результаты в табл. А.
R1=d1/l1= 0,015/0,76=0,02 м2°С/Вт;
R2=d2/l2= 0,25/0,58=0,43 -”-;
R3=d3/l3=0,10/0,041=2,48 -”-;
R4=d4/l4=0,12/0,47=0,26 -”-;
1/aв =1/8,7=0,12 -”-;
1/aн =1/23=0,04 -”-;
Общее (фактическое) сопротивление конструкции:
Вывод:
Поскольку условие Rreq=2,93 м2°С/Вт<R0=3,35 м2°С/Вт, выполняется, то согласно теплотехнического расчета, произведенного для зимних условий эксплуатации г. Саратова, толщину теплоизоляционного слоя - пенополистирола принимаем равной 0,10 м.
Окончательно принимаем толщину наружной неоднородной кирпичной стены 0,50 м с внутренней штукатуркой из цементно-песчаного раствора.
Пример расчета №2
Определить толщину теплоизоляционного слоя совмещенного невентилируемого покрытия производственного здания в г. Челябинске.
Исходные данные:
Место строительства – г. Челябинск;
;
по табл. 2 прил. 1 метод.указаний;
по табл. 8 прил. 1;
по табл. 8 прил.;
Зона влажности – сухая – принимаем по рис. 2 прил.2;
Влажностный режим помещений – сухой – принимаем по табл.4 прил.1;
Условия эксплуатации конструкций А– по табл.5 прил.1.
Назначаем конструкцию, материалы и ориентировочные толщины слоев покрытия производственного здания: по табл. 3 прил.1 пособия принимаем расчетную схему №14.
.
Рис.Б. Расчетная схема покрытия
Теплофизические показатели материалов слоев для условий эксплуатации А принимаем по табл. 6 прил. 1 и сводим их в табл. Б.
Таблица Б. Теплотехнические показатели элементов покрытия
| № | Наименование материала слоя | Тол-щина di,м | Плот-ность g,кг/м3 | Коэффициент тепло-проводностиl, Вт/м°С | Коэфициент тепло-усвоения S, Вт/м2 | Сопротивление RI и R0, м2°С/Вт |
| Внутренний пограничный слой воздуха 1/aв = Rв | 0,115 | |||||
| Железобетон | 0,03 | 1,92 | 17,98 | 0,016 | ||
| Пергамин | 0,002 | 0,17 | 3,53 | 0,012 | ||
| Плита минераловатная УРСА | х = 0,10 | 0,052 | 0,89 | 1,92 | ||
| Цементно-песчаный раствор | 0,02 | 0,76 | 9,60 | 0,026 | ||
| Стеклорубероид | 0,01 | 0,17 | 3,53 | 0,059 | ||
| Наружный пограничный слой воздуха 1/aн = Rн | 0,043 | |||||
| Общее R0: | 5,10 |
Данные для расчета:
для покрытий по табл.7 приложения 1 пособия;
по табл.11 приложения 1 пособия;
по табл.11 приложения 1 пособия.
Расчет производим по методике теплотехнического расчета для неоднородных вертикальных (стеновых) конструкций.
Порядок расчета:
1. Определяем требуемое сопротивление теплопередаче покрытия исходя из условий энергосбережения в зависимости от градусо-суток отопительного периода определяемых по формуле (2):
2. Требуемое сопротивление теплопередаче ограждения из условий энергосбережения Rreq в зависимости от Dd по табл.12 прил.1 (формула 26):
3. Приравняв общее (действительное) сопротивление к требуемомуR0 = Rreq, находим толщину утеплителя (х) из уравнения:
Принимаем толщину утеплителя из пенополистирола плотностью 150кг/м3Х =100мм.
4. Определяем общее сопротивление теплопередачи по формуле:
где 
Подставляя значения, получим:
Результаты расчета сводим в таблицу Б.
Вывод:
Поскольку условиеRreq=2,07 м2°С/Вт<R0=2,19 м2°С/Вт выполняется, то в соответствии с выполненным теплотехническим расчетом для зимних условий эксплуатации принимаем в качестве утеплителя совмещенного невентилируемого покрытия производственного здания, проектируемого в городе Челябинске. Пенополистирол плотностью 150 кг/м3 толщиной 100 мм.