Определение сопротивления теплопередаче ограждения

Элементы строительной теплотехники

Оптимальный микроклимат, т.е. оптимальное состояние воздушной среды помещений по параметрам температуры, влажности, скорости движения воздуха и его чистоты, обеспечивается комплексом мер: расположением здания в застройке, его объемно-планировочным решением в соответствии с природно-климатическими условиями строительства, избранной системой искусственной климатизации помещений (отопления, вентиляции, кондиционирования внутреннего воздуха) и выбором наружных ограждающих конструкций, обеспечивающихся необходимую теплозащиту помещений.

Взаимосвязь объемно-планировочных решений с природно-климатическими условиями строительства в типовом проектировании базируется на рекомендованном СНиП II-23-01-99 «Строительная климатология» климатологическом районировании.

Задача выбора наружных ограждающих конструкций решается методами строительной теплотехники, которая базируется на общей теории теплообменных и массообменных процессов. При этом наружные ограждающие конструкции зданий рассматриваются в термодинамическом процессе как открытые системы, которые обмениваются с внешней средой энергией путем теплообмена и веществами путем влага- и воздухообмена.

При проектировании зданий в первую очередь решают следующие теплотехнические задачи:

обеспечение необходимой теплозащитной способности наружных ограждений;
обеспечение на внутренней поверхности ограждения температур, незначительно отличающихся от температуры воздуха в помещении, во избежание выпадения на этой поверхности конденсата;
обеспечение теплоустойчивости ограждения;
создание осушающего влажностного режима наружных ограждений в эксплуатации;
ограничение воздухопроницаемости наружных ограждений.

Теплотехнический расчет наружного ограждения в большинстве случаев осуществляется для условий установившегося во времени (стационарного) процесса тепло- и массообмена. Эти условия в целях упрощения расчетов идеализируют природные процессы, в которых вследствие изменчивости параметров наружной среды (температуры и влажности воздуха) обменные процессы нестационарны. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций производится для отапливаемых помещений на зимние условия, когда тепловой поток направлен из помещений в наружную среду. Наружное ограждение рассчитывается как плоская стенка, разделяющая воздушные среды с различной температурой и влажностью, ограниченная параллельными поверхностями, и перпендикулярная тепловому потоку. Ограждение считается однородным, если оно выполнено из одного материала, и слоистым, если состоит из нескольких материалов, расположенных параллельно внешним плоскостям ограждения.

В стационарных условиях теплопередачи количество теплоты в Дж - Q, проходящего через ограждение, составляет:

где τ_в и τ_н — температуры внутренней и наружной (теплой и холодной) поверхности ограждения в °С;
λ — коэффициент теплопроводности материала ограждения, Вт/(м·°С);
δ — толщина ограждения, м;
F — площадь ограждения, м²;
Z — время передачи тепла, ч.

Из уравнения (7.1):

При значениях δ, F, Z и (τ_в — τ_н равных единице, λ = Q, т.е. коэффициент теплопроводности материала ограждения равен количеству тепла в Дж, проходящего за 1 ч через 1 м² стенки толщиной в 1 м, выполненной из рассматриваемого материала, при разнице температур на ее поверхностях в 1°С. Значения коэффициентов теплопроводности материалов колеблются в очень широких пределах от 407Вт/(м·°С) у меди до 0,04 Вт/(м·°С) у пенопластов. Различия величин коэффициентов теплопроводности являются следствием различий в структуре материалов и, в первую очередь, их плотности у (кг/м²). Чем она больше, тем выше теплопроводность материала. Чем меньше плотность материала, тем больший объем занимают поры, заполненные малотеплопроводным воздухом, и тем меньше теплопроводность. Помимо пористости на величину теплопроводности материала влияет и его влажность. Чем больше воздуха в порах материала вытесняется водой, имеющей в 25 раз большую теплопроводность, тем выше становится теплопроводность материала. Влагосодержание материалов характеризуется весовой влажностью со и измеряется отношением (в %) количества влаги, содержащейся в увлажненном пористом материале, к массе сухого, высушенного до постоянного веса материала:

где Р_вл и Р_сух — соответственно массы влажного и сухого материала.

На величину весовой влажности влияют климатические условия, расположение материала в различных слоях ограждения, и влажностный режим эксплуатируемого помещения. Из опыта строительства и исследований известны средние значения весовой влажности материала в сухих и нормальных условиях эксплуатации и значения λ для соответствующих значений со. В связи с тем, что начальное влаго соде ржание материалов и конструкций оказывает большое влияние на эксплуатационные качества ограждений, ГОСТы на материалы и конструкции регламентируют предельно допустимые его величины, проектное решение предусматривает взаимное расположение слоев конструкций, исключающее накопление в их толще конденсата, а нормативы изготовления изделий предусматривают способы сокращения их технологического переувлажнения при формовании.

Определение сопротивления теплопередаче ограждения

При определении теплозащитной способности наружных ограждений практический интерес представляет не теплопроводность составляющих ее слоев, а обратная ей величина R — термическое сопротивление, которое соответственно для однослойных и слоистных конструкций составляет:

Рис. 7.1. Распределение температур в однослойном наружном ограждении >

При переходе тепла через наружное ограждение изменяется температура в материале ограждения и на его поверхностях и одновременно понижается температура воздуха в прилежащих к ограждению зонах (рис. 7.1). Такое падение температуры свидетельствует о наличии дополнительных термических сопротивлений переходу тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения и от наружной поверхности ограждения к наружному воздуху. Эти сопротивления теплоотдаче обозначают R_в и R_н.

Иногда в теплотехнических расчетах используют обратные величины — коэффициенты теплоотдачи внутренних и наружных поверхностей конструкций - α_в и α_н равные:

При теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкциях отапливаемых зданий. Их величины принимают: α_в = 8,7 Вт/(м·°С) и α_н = 23 Вт/(м·°С), соответственно общие величины сопротивления теплопередаче одно- и многослойного ограждений составят:

В ряде случаев для повышения сопротивления теплопередаче в конструкциях предусматривают воздушные прослойки. Экспериментально установленное термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек R_в.п. при их толщине от 10 до 150 мм составляет 0,13-0,18 м² °С/Вт для вертикальных и горизонтальных (при потоке тепла снизу вверх), а для горизонтальных прослоек при потоке тепла сверху вниз - 0,14-0,24 м² °С/Вт. В связи с тем что теплопередача в прослойках осуществляется преимущественно за счет конвекции и излучения, термическое сопротивление прослоек во много раз ниже термического сопротивления неподвижного воздуха. Влияние воздушных прослоек учитывается при определении общего сопротивления ограждения теплопередаче Д0 введением слагаемого R_в.п.. Для повышения эффективности прослойки вдвое применяют облицовку более теплой ограждающей поверхности отражающими материалами (например, алюминиевой фольгой), которая уменьшает передачу тепла излучением.

Определение требуемого сопротивления теплопередаче ограждения. Величина сопротивления теплопередаче запроектированной конструкции должна быть не менее величины требуемого по климатическим и гигиеническим условиям сопротивления R_о^mp Величина R_о^mp определяется из следующего условия. При установившемся потоке тепла величина входящего в ограждение потока равна величине выходящего. Поток тепла, проходящий через единицу площади внутренней поверхности за единицу времени, составляет:

где t_B — температура внутреннего воздуха; а τ_B — температура внутренней поверхности ограждения, и равен потоку тепла через ограждение в целом:

где t_H - температура наружного воздуха.

Из этого равенства следует, что:

Минимальная величина требуемого сопротивления теплопередаче также зависит от расположения наружной поверхности ограждения по отношению к внешней среде, что учитывается коэффициентом n в формуле (7.9), которая принимает вид:

Коэффициенты п имеют следующие значения: n=1 для наружных стен, чердачных перекрытий (с кровлей из штучных материалов) и совмещенных крыш; 0,9 — для чердачных (с кровлей из рулонных материалов) перекрытий; 0,75 - для перекрытий над холодным и подвалами со световыми проемами.

В формулу (7,10) входит величина нормируемого температурного перепада у внутренней поверхности ограждения Δt" = t_в - τ_в, определяющая тепловой комфорт помещения. В наиболее холодные зимние дни она должна составлять для наружных стен жилых домов, школ, больниц не болеет 4 °С, административных — 4,5 производственных - от 7 до 12°С, для покрытий соответственно 3; 4 и 6-12°С, а для перекрытий над проездами - 2-2,5°С.

Расчетные параметры внутреннего воздуха t_взданиях и помещениях определяются нормами проектирования и составляют для жилых комнат 18-20°С в зависимости от климатического района строительства, для рабочих помещений административных зданий 18°, больничных палат, библиотек 20°, основных помещений детских садов и яслей 21-23°, спортивных залов 15°, торговых залов продовольственных магазинов 12°С и т.д.

Расчетная зимняя температура наружного воздуха принимается в зависимости от характеристики тепловой инерции ограждения:

для наружных стен и покрытий большой инерционности, а также для перекрытий над подвалами и подпольями - в качестве расчетной принимают среднюю для наиболее холодной пятидневки t_н5;
для ограждений малой инерционности - среднюю наиболее холодных суток t_н1;
для ограждений средней инерционности - среднюю из этих величин (t_н1+t_н5)/2;
для безынерционных - абсолютную минимальную.

Температуры наружного воздуха для различных географических пунктов, установленные по многолетним метеорологическим наблюдениям, приведены в СНиП 2301-99 «Строительная климатология».

Тепловая инерция - способность конструкции к сохранению или медленному изменению температур в ее толще. Характеристика тепловой инерции D определяется по формуле:

где R₁, R₂ — сопротивление теплопередаче слоев ограждения (по 7.3), a s₁, s₂ — коэффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоев за период в 24 ч принимают по прил. 3 СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника».

Конструкция ограждения соответственно расчетным значениям D считается безынерционной при D<1,5, малой инерционности при D>1,5, но меньше 4, средней - при 4<d1.

Величина сопротивления теплопередаче проектируемого ограждения должна быть равной или превышать требуемую по (7.10) R_o^np > R_o^mp.

Значения R_o^mp представляют собой минимально необходимые по гигиеническим требованиям величины, а именно - исключение выпадения конденсата на внутренней поверхности стены или покрытия.

Однако современная практика проектирования наружных ограждающих конструкций подчиняется не толко гигиеническим но и более жестким требованиям 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 (в три и более раз по сравнению с гигиенически необходимым).

Учет этого обстоятельства, продиктован принятым в 1996 г. Законом РФ «Об энергосбережениях» и отражен в СНиП 11-3-79* где определение приведенного сопротивления наружных ограждающих конструкций {R"0P) ставится в зависимость от эмпе-рической характеристики ГОСП- градусо-сутки отопительного периода, которую определяют по формуле 7.12:

где t_в - то же, что в формуле (7.10);
t_от.пер. - средняя температура, °C, отопительного периода;
Z_от.пер. - продолжительность, сут., периода со средней температурой воздуха ниже или равной 8°С.

Величины t_от.пер. и Z_от.пер. - принимают по табл. 1 СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

В соответствии с местом строительства, назначением зданий и помещений для каждого из видов наружных ограждающих конструкций (стен, окон, покрытий и пр.) и в соответствии с рассчитанной величиной ГОСП величина R_o^np (м²·°С/Вт) принимаются по табл. 7.1.

Для малоэтажных (до 3-х этажей включительно) зданий со стенами из мелкоштучных материалов, а также для реконструируемых и капитально ремонтируемых зданий независимо от их этажности R_o^np при проектировании принимают по табл. 7.2.

Соответственно данным табл. 7.1 и 7.2 становится очевидным, что нормируемые ими величины приведенного сопротивления теплопередаче в подавляющем большинстве районов РФ делают экономически и технически приемлимыми только многослойные конструкции наружных ограждений, включающие прослойки с очень малой теплопроводностью в пределах от 0,04 до 0,10 Вт/м °С.

Для многослойных конструкций в зависимости от их решения (с теплопроводными включениями или без них) проектная величина сопротивления теплопередаче (для стационарных условий) определяется различно. Для конструкции с последовательно расположенными однородными слоями как сумму термически сопротивлений отдельных слоев плюс сопротивления теплоотдаче по формуле 7.7. Для конструкций термически неоднородных (с теплопроводными включениями) предварительно определяют R_а и R_б - приведенное термическое сопротивление участков неоднородных и однородных.

Для определения R_а плоскостями, параллельными направлению теплового потока, конструкцию условно рассекают на участки однородные (однослойные) и неоднородные и определяют R_а по формуле 7.13:

где F₁, F₂, F_n - площади отдельных участков конструкции, м²;
R₁, R₂, R_n - термическое сопротивление этих участков определяемое для однородных по формуле 7.3, а для неоднородных - по формуле 7.3, а.

Затем плоскостями, перпендикулярным направлению теплового потока конструкция условно разрезается на слои, из которых одни могут быть однородными, другие - неоднородными. Термическое сопротивление однородных определяется по формуле 7.3, а, неоднородных - по формуле 7.13, а термическое сопротивление конструкции - как их сумма.

Приведенное термическое сопротивление такой конструкции в целом определяют по формуле 7.14.

Все приведенные выше формулы относятся к определению сопротивления теплопередаче глухой части наружных стен. В то же время 25-30% теплового потока в зимнее время уходит через светопрозрачные ограждения (окна, витражи и пр.), сопротивление теплопередаче конструкций которых меньше в 7-10 раз, чем сопротивление глухой части стены. Наряду с этим возникают дополнительные теплопотери за счет инфильтрации холодного воздуха через неплотности притворов и балконных дверей.

Поэтому в таблицах 7.1 и 7.2 приведены повышенные требования к сопротивлению теплопередаче не только глухой части наружных ограждающих конструкций, но и светопрозрачных конструкций (окон, балконных дверей, световых фонарей). В практике проектирования и строительной индустрии осуществляется широкий переход на применение окон с раздельными или раздельно-спаренными переплетами с двойным или тройным остеклением (стеклопакетами и листовым стеклом) в деревянных, ПВХ или алюминиевых переплетах.

Широко применявшиеся в течение последних десятилетий конструкции окон с двухрядным остеклением в спаренных переплетах могут быть применены только в районах с характеристикой ГСОП не более 2000. Новые конструкции окон обеспечивают повышение сопротивление теплопередаче на 50-100% по сравнению с окнами с двойным остеклением в спаренных переплетах.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 6471; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!