Методические рекомендации по выполнению практических заданий 1.. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Общие положения

• Название: Теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Общие положения
• Дата: 23.02.2023
• Размер: 114.34 Kb.
• Имя файла: Методические рекомендации по выполнению практических заданий 1..docx
• Тип: Закон; #952318

Теплотехнический расчет ограждающих конструкций.

Общие положения

Теория теплообмена – это наука о процессах переноса теплоты. С теплообменом связаны многие явления, наблюдаемые в природе и технике. Ряд важнейших вопросов проектирования и строительства зданий и сооружений решается на основе теории теплообмена или некоторых ее положений.

Знание законов теплообмена позволяет инженеру – строителю увязать толщину и материал ограждающих конструкций с отопительными устройствами, разработать новые строительные материалы и конструкции, более экономичные и способные надежно защищать человека от холода.

Теплообмен представляет собой сложный процесс, который расчленяется на ряд простых процессов: теплопроводность, конвекция и тепловое облучение. Тела обладают различной теплопроводностью. Материалы с малой теплопроводностью называются теплоизоляционными. Перенос тепла от одного тела к другому происходит только при наличии разности температур и направлен всегда в сторону низкой температуры.

От теплотехнических качества наружных ограждений зданий зависит:

- благоприятный микроклимат зданий, то есть обеспечение температуры и влажности воздуха в помещении не ниже нормативных требований;

- количество тепла, теряемого зданием в зимнее время;

- температура внутренней поверхности ограждения, гарантирующая отсутствие

образования на ней конденсата;

- влажностный режим ограждения, влияющий на теплозащитные качества ограждения и его долговечность.

Создание микроклимата внутри помещения обеспечивается за счет:

- соответствующей толщины ограждающей конструкции;

- мощности систем отопления, вентиляции или кондиционирования.

Методика теплотехнического расчета основана на том, что оптимальная

толщина ограждающей конструкции находится исходя из:

- климатических показателей района строительства;
- санитарно-гигиенических и комфортных условий эксплуатации зданий

и помещений;

- условий энергосбережения.

Методика теплотехнического расчета заключается в определении

экономически целесообразного сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции. При этом сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции должно быть не менее требуемого сопротивления теплопередаче.

Основные теплотехнические требования, предъявляемые к наружным ограждениям

Наружные ограждающие конструкции зданий в теплотехническом отношении должны удовлетворять следующим требованиям:

1. 
   обладать достаточными теплотехническими свойствами, чтобы лучше сохранять тепло в помещениях в холодное время года.
   
2. 
   температура внутренних поверхностей при эксплуатации не должна значительно отличаться от температуры внутреннего воздуха, чтобы избежать конденсата на стенах и на потолках верхних этажей.
   
3. 
   воздухопроницаемость стен здания не должна превосходить допустимого предела; в противном случае помещения будут охлаждаться, а у людей, находящихся в близи наружных стен, будет ощущение обдувания.
   
4. 
   влажность ограждений должна быть минимальной, так как увлажнение ухудшает их теплозащитные свойства.
   

Теплоотдача в однослойных и многослойных ограждениях

Теплотехническим свойством однородного ограждения является его сопротивление прохождению через него тепла, или термическое сопротивление.

Термическое сопротивление R_k в однослойной конструкции вычисляется по формуле:

; (м² · ºС)/Вт.
где δ – толщина ограждения

λ– коэффициент теплопроводности материала ограждения, который показывает количество тепла в джоулях, проходящие в 1 час через 1 м² ограждения при его толщине 1 м и при разности температур на внутренней и наружной его поверхности в 1 ºС, размерность коэффициента теплопроводности:(м² · ºС)/Вт.

Термическое сопротивление Rк ограждающей конструкции с последователь­но расположенными однородными слоями (многослойной конструкции) следует определять как сумму термиче­ских сопротивлений отдельных слоев:

Чем больше величина термического сопротивления R_k, тем лучше теплозащитные свойства ограждения. Для увеличения термического сопротивления необходимо или увеличить толщину ограждения δ или уменьшить коэффициент теплопроводности λ.

Величина коэффициента теплопроводности в основном зависит от объемного веса, влажности и температуры материала.

Чем меньше объемный вес материала, т.е. чем больше в нем пор, заполненных воздухом, являющимся плохим проводником тепла, тем меньше и его коэффициент теплопроводности.

Существенное влияние на величину коэффициента теплопроводности оказывает влажность материала ограждения. С повышением влажности материала резко повышается коэффициент его теплопроводности.

Количество тепла, которое проходит в 1 час через 1 м² ограждения, называют тепловым потоком и выражают:

( м ² · °С)/Вт

где R - термическое сопротивление, (м ² · °С)/Вт;

τ_вн - температура внутренней поверхности ограждения, °С;

τ_н - температура наружной поверхности ограждения, °С.

При переходе теплового потока через ограждение от внутренней его поверхности к наружной, температура в ограждении падает.

Понижение температуры называется температурным перепадом.

При переходе тепла через ограждения температура снижается не только в материале ограждения, но и около его поверхности.

Так, температура внутренней поверхности τ_int ниже температуры воздуха помещения t_вн , а температура наружной поверхности τ_ext выше температура наружного воздуха t_н.

Разность (t_вн – τв_н) называется внутренним температурным перепадом и обозначается ∆t_n; разность (t_вн – t_н) называется общим температурным перепадом и обозначается ∆Т. Понижение температуры в процессе перехода тепла через какую-либо среду, вызывается ее термическим сопротивлением. Исходя из чего можно судить, что такое сопротивление имеется и при переходе тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения, а также при отдачи тепла от наружной поверхности наружному воздуху.

Первое сопротивление называется сопротивлением тепловосприятию и обозначается R_int, второе - сопротивлением теплоотдаче и обозначается R_ext.

Размерность этих сопротивлений та же, что и термического сопротивления, т.е. (м ² · °С)/Вт. Они выражают ту разность температур между воздухом и поверхностью ограждения, при которой тепловой поток между воздухом и поверхностью равен 1 Вт/м² _.

Сопротивление ограждения теплоотдаче R_o ( см.рис 1) равно сумме термического сопротивления, сопротивлению тепловосприятию и сопротивлению теплоотдачи:

,

где R_K - термическое сопротивление ограждающей конструкции,

R_вн - сопротивление тепловосприятию,

R_н - сопротивление теплоотдаче.

Сопротивление тепловосприятию определяется по формуле:

,

где α_вн - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/( м · °С).

Сопротивление теплоотдаче определяется по формуле:

,

α_н - коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/( м · °С).

Таким образом, сопротивление теплопередаче в многослойных ограждающих конструкциях R₀ определяется по формуле:

,

где δ_i - толщина слоя, м;

_i - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м · °С).



Сопротивление теплоотдаче R_o выбирается таким, чтобы количество тепла, теряемого зданием через ограждения в отопительный сезон года, было минимальным и чтобы на внутренней поверхности ограждения не появлялся конденсат водяных паров, а ее температура не вызывала излишнего охлаждения тела человека.

Чтобы удовлетворить указанным требованиям, необходимо, ограничить температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждения. Такое ограничение температурного перепада и положено в основу нормирования R_o.

Расчетный температурный перепад , °С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемых величин , °С

∆t₀  ∆t_n

Расчетный температурный перепад определяется по формуле:

      ,

Значение величины температурного перепада для помещения различного назначения приведены в таблице 5 СП 50.13330.2012.

3. Общая методика выполнения теплотехнического расчета ограждаю­щих конструкций

Приведенное сопротивление теплопередаче R_o ограждающих конструкций, а также окон и фонарей следует принимать в соответствии с заданием на проектирование, но не менее требуемых (нормируемых) значений R_тр, определяемых по таблице 3[1] в зависимости от градусо-суток района строительства ГСОП °С·сут ( R_o>R_тр ).

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R_o определяется исходя из условий энергосбережения. Необходимость экономии энергоресурсов на отопление зданий в течение многих десятилетий его эксплуатации требует существенного повышения стоимости наружных ограждающих конструкций за счет радикального повышения их сопротивления теплопередаче.

Требуемое сопротивление теплоотдаче ограждающих конструкций, отвечающих условиям энергосбережения, принимается по таблице 3 [1] в зависимости от градусо-суток отопительного периода и типа ограждающих конструкций.

Градусо-сутки отопительного периода определяют по формуле:

,

где

t_вн - расчетная температура внутреннего воздуха в °С, принимаемая согласно нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений;

Для жилых помещений:

t_вн=20°С при температуре t_x.n. (температура холодной пятидневки) до -31°С,

t_вн=21°С при температуре t_x.n.(температура холодной пятидневки)менее -31°С;

t_от.п - средняя температура наружного воздуха, отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С;

Z_от.п - продолжительность отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С;

Приведенное сопротивление теплопередаче в многослойных ограждающих конструкциях R₀ определяется по формуле:

,

или



где δ_i - толщина слоя, м;

_i - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м · °С) ( по приложению Т [1]);

α_вн - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/( м · °С) ;

α_н - коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/( м · °С);


Задача 1.1

Выполнить теплотехнический расчет ограждающей конструкции – наружной стены, в соответствии с вариантом. Определить толщину утеплителя. Сделать выводы.

Решение

1.1.1 Исходные данные

• 
  Район строительства Кострома;
  

• 
  Зона влажности нормальная ([1], прилож. В);
  

• 
  Влажностный режимнормальный ([1], таблица 1);
  

жилых помещений

• 
  Условия эксплуатации Б ([1], таблица 2);
  

ограждающих конструкций

• 
  Относительная влажность φ_вн= 55% ([1], таблица 1);
  

внутреннего воздуха для жилыx помещений

• 
  Относительная влажность φ_н = 85%([2], таблица 3)
  

наружнего воздуха средняя относительная влажность

наиболее холодно месяца;

• 
  Расчетная температура t_вн = 20°С ([3], таблица 1 );
  

внутреннего воздуха

• 
  Расчетная температура t_н = -31°С ([2], таблица 3^*)
  

наружного воздуха средняя месячная температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 месяца);

• 
  Нормируемый ∆t_n= 4 °С ([1], ([1], таблица 5);
  

температурный перепад

• 
  Коэффициент теплоотдачи α_вн=8,7 Вт/( м·°С)
  

внутренней поверхности ([1], таблица 4);

ограждающих конструкций

• 
  Коэффициент теплоотдачи α_н=23Вт/( м · °С)
  

(для зимних условий) ([1], таблица 6);

наружной поверхности ограждающих конструкций

• 
  Количество дней отопительного периода со среднесуточной температурой наружного воздуха меньше 8°С
  

Z_от.п = 222 дней([2], таблица 3);

• 
  Средняя температура отопительного периода , в котором температура наружного воздуха меньше 8°С
  

t_от.п = -3,9 °С ([2], таблица 3);

1.1.2. Эскиз

1.1.3 Расчетные теплотехнические показатели материалов

Приняты в зависимости от условий эксплуатации помещения по параметру Б( СП 50.13330.2012 приложения Т). Наружная многослойная стена жилого дома состоит из следующих слоев, считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции:

Наименование материала	Толщина слоя δ (мм)	Плотность ρ ( кг/м3 )	Коэффициент теплопроводности  Вт/(м·°С)
Кирпич керамический	δ1= 510	1600	λ1 = 0.64
Минерально-ватные плиты	δ2= х	50	λ2 = 0.045
Цементно-песчанный раствор	δ3= 20	1800	λ3 = 0.93

1.1.4 Порядок расчета

. Определение требуемого расчетного сопротивления теплопроводности из условия энергосбережения

Для данного района величина градусо-суток отопительного периода:



По таблице 3 [1] найдем нормируемое расчетное сопротивление теплопроводности из условия энергосбережения:

(м² · °С)/Вт

Определение толщины утеплителя

Расчетное сопротивление теплопроводности ограждающей конструкции равно:



R_o = R_тр =3.257(м² · °С)/Вт

Отсюда находим:

х = (3.257-0.115-0.797-0.022-0.043) * 0.045 = 0.103 ≈ 0.11 м

Проверка

(м² · °С)/Вт

R_o > R_тр 3.421>3.257

Расчетный температурный перепад , °С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемых величин , °С:

, ∆t₀  ∆t_n , 1.71°С 4°С

Вывод: Приведенное сопротивление теплопередаче R_o ограждающие конструкции, принимаем в соответствии с заданием на проектирование, но не менее требуемых (нормируемых) значений R_req. Следовательно, принимаем толщину утеплителя равную 11 см.




Задача 1.2

Выполнить теплотехнический расчет ограждающей конструкции – покрытия, в соответствии с вариантом. Определить толщину утеплителя. Сделать выводы.

Решение

1.2.1 Исходные данные

• 
  Район строительства Челябинск;
  

• 
  Зона влажности сухая ([1], прилож. В);
  

• 
  Влажностный режимнормальный ([1], таблица 1);
  

жилых помещений

• 
  Условия эксплуатации А ([1], таблица 2);
  

ограждающих конструкций

• 
  Относительная влажность φ_вн= 55% ([1], таблица 1);
  

внутреннего воздуха для жилыx помещений

• 
  Относительная влажность φ_н = 78%([2], таблица 3)
  

наружнего воздуха средняя относительная влажность

наиболее холодно месяца;

• 
  Расчетная температура t_вн = 20°С ([3], таблица 1 );
  

внутреннего воздуха

• 
  Расчетная температура t_н = -34°С ([2], таблица 3^*)
  

наружного воздуха средняя месячная температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 месяца);

• 
  Нормируемый ∆t_n= 3 °С ([1], ([1], таблица 5);
  

температурный перепад

• 
  Коэффициент теплоотдачи α_вн=8,7 Вт/( м·°С)
  

внутренней поверхности ([1], таблица 4);

ограждающих конструкций

• 
  Коэффициент теплоотдачи α_н=23Вт/( м · °С)
  

(для зимних условий) ([1], таблица 6);

наружной поверхности ограждающих конструкций

• 
  Количество дней отопительного периода со среднесуточной температурой наружного воздуха меньше 8°С
  

Z_от.п = 218 дней([2], таблица 3);

• 
  Средняя температура отопительного периода , в котором температура наружного воздуха меньше 8°С
  

t_от.п = -6,5 °С ([2], таблица 3);

1.2.2. Эскиз

1.2.3 Расчетные теплотехнические показатели материалов

Приняты в зависимости от условий эксплуатации помещения по параметру А( [1], приложения Т). Многослойное покрытие школы-интерната дома состоит из следующих слоев, считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции:

Наименование материала	Толщина слоя δ (мм)	Плотность ( кг/м3 )	Коэффициент теплопроводности  Вт/(м·°С)
Железобетон	δ1= 220	2500	λ1 = 1.92
Минерально-ватные плиты	δ2= Х	50	λ2 = 0.042
Керамзит	δ3= 100	600	λ3 = 0.17
Цементно-песчаный р-р	δ4= 25	1800	λ4 = 0.76
Рубероид	δ5= 6	600	λ5 = 0.17

1.2.4 Порядок расчета

Определение требуемого расчетного сопротивления теплопроводности из условия энергосбережения

Для данного района величина градусо-суток отопительного периода:



По таблице 3 [1] найдем нормируемое расчетное сопротивление теплопроводности из условия энергосбережения:

(м² · °С)/Вт

Определение толщины утеплителя

Расчетное сопротивление теплопроводности конструкции перекрытия равно:



R_o = R_тр =5.198(м² · °С)/Вт

Отсюда находим:

х = (5.198-0.115-0.115-0.588-0.033-0.035-0.043) * 0.042 = 0.179 ≈ 0.18 м

Проверка

(м² · °С)/Вт

R_o > R_тр 5.215>5.198

Расчетный температурный перепад , °С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемых величин , °С:

, ∆t₀  ∆t_n , 1.21°С 4°С

Вывод:

Приведенное сопротивление теплопередаче R_o ограждающие конструкции, принимаем в соответствии с заданием на проектирование, но не менее требуемых (нормируемых) значений R_тр. Следовательно, принимаем толщину минерально-ватного утеплителя равной 18см. Вместе с керамзитом толщина утеплителя составит 28 см.

Список используемых источников

1. 
   СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий [Текст]. – введ. 01.07.2013 – Москва : Минрегион России, 2012. – 96 с.
   
2. 
   СП 131.13330.2018. Строительная климатология. Актуализированная редакция [2], . Введ. 28.11.2018. М. : Минрегион России. 2018, 121с
   
3. 
   ГОСТ 30494 -2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. Введ. 01.01.2013. М. : М.: Стандартинформ, 2019 год, 121с