Теплотехнический расчет однородной плоской стенки (наружной стены и перекрытия под отапливаемым подвалом)

I. Теплотехнический расчет ограждений

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ

Общие сведения

 

Выполнение настоящей работы имеет целью научить будущего инженера принимать оптимальные решения при выборе наружных ограждающих конструкций, технических и экономических требований, а также подготовить студентов к выполнению курсовых и дипломных проектов в части теплового режима зданий.

Исходные данные

 

1. Район постройки здания – по заданию преподавателя.

2. Характеристика здания:

2.1. Назначение здания – жилое здание коттеджного типа.

2.2. Ориентация фасада принимается по таблице 1.

2.3. Расчетные условия в помещении в зимний период принимаются согласно [4, таблица 1]:

- для жилых, школьных и других общественных зданий:

t_int=20 + 2ºC, φ_int = 55 + 5% при t_ext ≥ − 31ºC;

t_int=21 + 2ºC; при t_{ex и t} ≤ − 31ºC;

2.4. Характеристика наружных ограждений.

2.5. Теплотехнические характеристики строительных материалов наружных ограждений (λ, s, μ) определяется по приложению 2 [5, прил.Д].

3. Климатическая характеристика района постройки [6, табл.1, 3]

- температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки t_ext⁵ (с обеспеченностью 0,92);

- продолжительность отопительного периода z_ht, сут, и средняя температура наружного воздуха t_ht, ºC в течение отопительного периода следует принимать согласно [6, табл.11] (графы 13−14 – для медицинских и детских учреждений, графы 11−12 – для остальных)] для соответствующего города или населенного пункта;

- средняя температура наиболее холодного месяца t_ext^I, ºC;

- средняя относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца φ_ext^I, %;

- расчетная скорость ветра υ_ext для зимнего периода (максимальная из cредних скоростей) по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более.

 

Таблица 1 - Ориентация фасада здания

Последняя цифра зачетной книжки	Варианты
0; 6		2; 9
С	Ю	В	СВ	СЗ	ЮЗ	ЮВ	З

 

 

Состав и содержание работы

 

Расчетно-пояснительная часть включает:

I. Теплотехнический расчет ограждений

Для наружных стен здания:

 

1. Определить требуемое сопротивление теплопередаче.

2. Исходя из значений сопротивления (п. 1) определить расчетное сопротивление теплопередаче, сопротивление отдельных слоев наружной стены и толщину теплоизоляционного слоя конструкции. Рассчитать фактическое сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи.

3. Определить санитарно-гигиениченские показатели тепловой защиты здания.

 

Для остальных наружных ограждений здания

4. Определить сопротивление теплопередаче, а также коэффициент теплопередачи чердачного перекрытия (бесчердачного покрытия) и перекрытия над неотапливаемым подвалом (техническим подпольем). Определить коэффициенты теплопередачи полов, расположенных на грунте и на лагах.

9. Определить требуемое сопротивление теплопередаче заполнения светового проема и наружной двери, выбрать конструкцию окна и наружной двери с сопротивлением теплопередаче, большим требуемого.

10. Определить фактические коэффициенты теплопередачи окон, наружной и внутренней дверей и других наружных ограждений.

 

Теплотехнический расчет однородной плоской стенки (наружной стены и перекрытия под отапливаемым подвалом)

 

1. Определить влажностный режим помещения здания, в зависимости от t_int и φ_int по таблице 2 [4, табл.1].

 

Таблица 2 – Влажностный режим помещений здания

Влажностный режим помещения	Влажность внутреннего воздуха, φint %, при температуре tint, оС
до 12	св.12 до 24	св.24
Сухой	До 60	До 50	До 40
Нормальный	Св.60 до 75	Св.50 до 60	Св.40 до 50
Влажный	Св.75	Св.60 до 75	Св. 50 до 60
Мокрый	-	Св.75	Св.60

 

2. Определить зону влажности района строительства приложение 1 [4,приложение В].

3. Определить условие эксплуатации ограждающих конструкций, в зависимости от влажностного режима помещения и зоны влажности района строительства здания по таблице 3 [4, табл.2].

 

Таблица 3 – Условия эксплуатации ограждающих конструкций

Влажностный режим помещений зданий	Условия эксплуатации АиБ в зоне влажности
сухой	нормальной	влажной
Сухой	А	А	Б
Нормальный	А	Б	Б
Влажный или мокрый	Б	Б	Б

4. Определить теплотехнические показатели строительных материалов и изделий λ, s, μ в зависимости от условия эксплуатации по приложению 2 [5, прил. Д].

5. Определить величину градусо-суток, Dd, ºC× сут, в течение отопительного периода:

. (7)

1. Определить нормируемое значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции R_reg, :

, (8)

где a,b – числовые коэффициенты, значение которых следует принимать по данным таблицы 4 [4, табл.4] для соответствующей группы зданий.

7. Определить термическое сопротивление каждого слоя наружного ограждения R_i, :

, (9)

где δ_i – толщина отдельного i-го слоя наружного ограждения, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности строительного материала i-го слоя наружной стены, .

 

Таблица 4 – Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций

Здания и помещения, коэффициенты a, b	Граду-со-сут- ки отопитель-ного перио-да Dd , oC ·сут	Нормируемые значения сопротивления теплопередаче Rreg, м2·oC/Вт, ограждающих конструкций
Стен	Покрытий и перекры-тий над проездами	Перекры-тий чердачных над нео-тапливае- мыми по-дполья-ми и подвалами	Окон и балкон-ных дверей, витрин и витражей	Фонарей с вертикальным остекле-нием
1. Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и общежития a b		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 5,5 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
-	0,00035	0,0005	0,00045	-	0,000025
-	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 a b		1,8 2,4 3,0 3,6 4,2 4,8	2,4 3,2 4,0 4,8 5,6 6,4	2,0 2,7 3,4 4,1 4,8 5,5	0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8	0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55
-	0,0003	0,0004	0,00035	0,00005	0,000025
-	1,2	1,6	1,3	0,2	0,25
3. Производственные с сухим и нормальным режимами a b		1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4	2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5	1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4	0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5	0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
-	0,0002	0,00025	0,0002	0,000025	0,000025
-	1,0	1,5	1,0	0,2	0,25
Примечания 1. Значения a и b для групп зданий в поз.1 следует принимать: - для интервала до 6000 оС·сут a=0,000075, b=0,15; - для интервала 6000-8000 оС·сут a=0,00005, b=0,3; - для интервала 8000 и выше оС·сут a=0,000025, b=0,5. 2. Нормируемое приведенное сопротивление теплопередаче чердачных и цокольных перекрытий, отделяющих помещения здания от неотапливаемых пространств с температурой tc (text < tc < tint), следует уменьшать умножением величин, указанных в графе 5, на коэффициент n , определяемый по примечанию к таблице5.

 

 

Таблица 5 – Коэффициент, учитывающий зависимость положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху

Ограждающие конструкции	Коэффициент n
1. Наружные стены и покрытия (в том числе вентилируемые наружным воздухам), зенитные фонари, перекрытия чердачные ( с кровлей из штучных материалов) и над проездами; перекрытия над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне
2. Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытия чердачные (с кровлей из рулонных материалов); перекрытия над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне	0,9
3. Перекрытия над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах	0,75
4. Перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные выше уровня земли	0,6
5. Перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные ниже уровня земли	0,4
Примечания: Для чердачных перекрытий теплых чердаков и цокольных перекрытий над подвалами с температурой воздуха в них tc (text < tc < tint) коэффициент n следует определять по формуле: n=(tint – tc)/(tint - text)

8. Определить термическое сопротивление теплопередачи на внутренней (R_int) и наружной (R_ext) поверхностях наружного ограждения, :

, (10)

 

, (11)

где α_int – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, , определяемый по таблице 6 [4, табл. 7];

α_ext – коэффициент теплопередачи наружной поверхности ограждающей конструкции, , определяемый по таблице 7 [4, табл. 8].

 

Таблица 6 - Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции

Внутренняя поверхность ограждения	Коэффициент теплоотдачи αint,
1. Стен, полов, гладких потолков с выступающими ребрами при отношении высоты h ребер к расстоянию между гранями соседних ребер h/ а£0,3	8,7
2. Потолков с выступающими ребрами при отношении h/ а >0,3	7,6
3. Окон	8,0
4. Зенитных фонарей	9,9

 

Таблица 7 - Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции

Наружная поверхность ограждающих конструкций	Коэффициент теплоотдачи αext,
1. Наружные стены, покрытия, перекрытия над проездами; перекрытия над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне
2. Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытия над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне
3. Перекрытия чердачные и над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах, а также наружные стены с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухам
4. Перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные выше уровня земли и над неотапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли

 

9. Определить требуемое значение термического сопротивления теплопередаче теплоизоляционного слоя R reg(ти), :

. (12)

 

10. Определить предварительную толщину теплоизоляционного слоя
δ предв(ти), м:

 

. (13)

11. Полученный результат δ предв(ти) округляем в большую сторону до ближайшей унифицированной толщины теплоизоляционного слоя:

- δ крат(ти) = 0,2м – для слоев из легкого бетона;

- δ крат(ти) = 0,05м – для слоев из минеральной, стеклянной ваты, пенопласта и т.п.;

- δ крат(ти) = 0,02м – для засыпок, пенополистирола и пенополиуретана.

12. Определить окончательное значение термического сопротивления теплоизоляционного слоя R^ти, :

 

, (14)

 

где n – количество слоев.

13. Определить расчетную толщину наружного ограждения δ_но, м:

 

. (15)

 

14. Определить общее сопротивление теплопередаче R₀, :

 

, (16)

 

где R_ВП – термическое сопротивление воздушной прослойки, принимаемое по приложению 3.

Примечание: Слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитываются.

 

15. Общее сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R₀ должно быть не менее требуемого значения R_reg:

 

. (17)

16. Определить коэффициенты теплопередачи наружного ограждения k, :

. (18)

 

Результаты расчета:

Толщина утепляющего слоя δ^ти, м;

Толщина наружного ограждения δ_но, м;

Расчетный коэффициент теплопередачи k ,

 

Наружного ограждения

 

Данный расчет производится для определения коэффициента теплопередачи через пол чердачного перекрытия k_пт и толщина ограждения δ_пт, м.

Толщина утепляющего слоя определяется из выражения:

 

, м, (19)

где λ _ут^пт – коэффициент теплопроводности утепляющего слоя, ;

R_reg^пт – нормируемое сопротивление теплопередаче чердачного перекрытия, принимаемое по формуле (8), ;

– сопротивление теплопередаче железобетонной многопустотной плиты, ;

– сопротивление теплопередаче второго слоя чердачного перекрытия, ;

– сопротивление теплопередаче i-го слоя чердачного перекрытия, .

 

Входящая в состав чердачного перекрытия многопустотная плита является неоднородной по конструкции. Для нее в соответствии с [4, п.6.1.8] определяется приведенное сопротивление R_пр=R₂ изложенным ниже способом.

Для упрощения расчета заменяем круглое поперечное сечение пустот в плите равновеликим квадратным (рис. 1) с площадью, м²:

, (20)

где d – диаметр пустот, м.

Сторона квадрата из уравнения (20) будет равна:

 

, м.

В соответствии с нормативным методом расчета при R_аТ/R_Т<1,25 приведенное термическое сопротивление R_k^r =R_пр=R₂ограждающей конструкции следует определять по формуле:

(21)

где R_аТ – термическое сопротивление теплопередаче, определяемое в соответствии со схемой на рисунке1а.

R_Т - термическое сопротивление теплопередаче, определяемое с использованием схемы на рисунке 1б.

 

 

 

Рис.1- Схемы расчета термического сопротивления многопустотной железобетонной плиты пола чердачного перекрытия (неоднородная ограждающая конструкция):

а) расчетная схема для определения сопротивления R_aT;

б) расчетная схема для определения сопротивления R_T.

 

Между условными плоскостями, параллельными направлению теплового потока (снизу-вверх), получаем две конструкции: трехслойную с однородными слоями между плоскостями I и II; однослойную между плоскостями II и III. Площадь, которую воспринимает тепловой поток трехслойной конструкции, обозначим через , м². Площадь, которая воспринимает тепловой поток в однослойной конструкции, обозначим через A₂=( ℓ -a)1, м²,

где ℓ – длина конструкции плиты, м.

Термическое сопротивление трехслойной конструкции R_k1^r, , определяется по формуле

, (22)

 

Где R_al - термическое сопротивление воздушной прослойки,
определяемое по приложению 5 в зависимости от толщины воздушной прослойки δ =а, м, в направлении теплового потока и температуре в прослойке.

– толщина однородных железобетонных слоев, м.

Термическое сопротивление однослойной конструкции R_k2^r, , определяется по формуле:

. (23)

Приведенное сопротивление теплопередаче R_aT ^r, , всей ограждающей конструкции определяется по формуле:

, (24)

 

где А_i, R_aT ^r – соответственно площадь i-го участка характерной части ограждающей конструкции, м², и его термическое сопротивление теплопередаче, ;

А – общая площадь конструкции, равная сумме площадей отдельных участ- ков, м².

Плоскостями IV и V, перпендикулярными направлению теплового потока (в данном случае горизонтальными), условно разделяем конструкцию на однородные и неоднородные слои. Тогда искомое термическое сопротивление определяется как сумма термических сопротивлений однородных слоев R₁, R₃ и неоднородного R₂:

. (25)

Термическое сопротивление однородных слоев определяется:

. (26)

Термическое сопротивление неоднородного слоя:

. (27)

 

Необходимо проверить выполнение условия R_aT/R_T < 1,25, а затем определять R_k^r.