Потери теплоты через ограждающие конструкции

Введение

Для теплообеспечения зданий и сооружений потребление энергии в нашей стране, как и во всем мире, неуклонно возрастает. Известно, что на теплоснабжение гражданских и производственных зданий расходуется более одной трети всего добываемого органического топлива. Между тем, добыча и транспортировка топлива обходится все дороже в связи с освоением глубоких месторождений в новых отдаленных районах. Поэтому при дальнейшем развитии страны необходима экономия топлива.

Основными среди теплозатрат на коммунально- бытовые нужды в зданиях (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение) являются затраты на отопление. Это объясняется условиями эксплуатации зданий в холодное время года на большей части территории страны, когда теплопотери зданий через ограждающие конструкции значительно превышают внутренние тепловыделения.

Таким образом отоплением называется искусственное обогревание помещений здания с целью возмещения теплопотерь и для поддержания в них температуры на заданном уровне, определяемом условиями теплового комфорта для находящихся в здании людей и требованиями протекающего технологического процесса.

Отопление очень важно для нашей страны, где почти каждое здание должно иметь систему отопления. В настоящее время большинство городов имеет разветвленную систему теплоснабжения. Создаются системы дальнего прямоточного теплоснабжения. В практике строительства используются самые различные виды отопительных систем. В крупносборных зданиях наряду с радиаторными нашли применение панельно-лучистые, воздушные и конвекторные системы отопления. Начинают применяться системы электрического и газового отопления (газовые инфракрасные излучатели).

Ведутся работы по выявлению и использованию дешевых источников тепла. Если во многих странах за рубежом в отопительных установках используется преимущественно один вид топлива (в Западной Европе - мазут, в странах Восточной Европы - бурый уголь), то в нашей стране применяют различные виды местного топлива - газ, мазут, уголь, торф, сланцы - дрова и т.д. Таковы тенденции развития отдельных направлений техники теплоснабжения.

В условиях рыночной экономики и всевозрастающих потребностей, как промышленности, так и жилищного уровня людей, большое значение имеет увеличение термического сопротивления ограждения в 2-3 раза, что позволяет уменьшить бесполезные потери тепла и тем самым уменьшить расход топлива. Также огромное значение для данной отрасли представляет введение и использование автоматических систем и установка счетчиков. Это позволяет экономичнее расходовать энергию и топливо.

Исходные данные

Объект строительства: трех этажный жилой дом;

Место строительства: г. Новосибирск.

Тепловой режим здания

Расчетные параметры наружного воздуха

По СНиП 23-01-99*:

· Расчётная температура наружного воздуха, t_н= -42⁰C;

· Температура отопительного периода, t_{от пер}= -8,7⁰C;

· Продолжительность отопительного периода, z_оп=230 суток;

· Скорость ветра 5 м/с;

· Зона влажности – сухая (прил. В СНиП 23-02-2003);

3.2 Расчётные параметры внутреннего воздуха

· Расчетная температура внутреннего воздуха t_в=21 ⁰С

· Влажность внутреннего воздуха 60%;

· Влажностный режим помещений зданий – нормальный

(табл.1 СНиП 23-02-2003);

Теплотехнический расчет наружных

Ограждающих конструкций

Определение градусо - суток отопительного периода и условие эксплуатации ограждающих конструкций

Определяем гра­дусо -сутки ото­пительного периода:

ГСОП = (t_в – t_оп)z_оп = (21 +8,7)*230= 6831 °С сут,

где: t_в- расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С;

t_оп - температура отопительного периода, ⁰С;

z_оп - продолжительность отопительного периода, сутки.

По табл.2, СНиП 23-02-2003 находим условие эксплуатации ограждающих конструкций – «А».

Стены

Наружная стена состоит из следующих слоёв (от наружной поверхности к внутренней):

1 слой – штукатурка из цементно – песчаного раствора: r₁ = 1800 кг/м³, λ₁=0,76 Вт/(м°С), d₁=30 мм;

2 слой – плиты минераловатные (ГОСТ 15588-70*):

r₂=90 кг/м³, λ ₂=0,042Вт/(м°С), d₂ =Х, мм (определяется расчетом);

3 слой –кирпичная кладка из кирпича глиняного обыкновенного: r₁ = 1800 кг/м³, λ₁=0,7 Вт/(м°С), d₃=380 мм;

4 слой – штукатурка цементно – песчаным раствором:

r₄ = 1800 кг/м³, λ₄=0,76 Вт/(м°С), d₄=20 мм;

α_в = 8,7 Вт/(м²°С) - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м ·°С), (табл. 7, СНиП 23-02-2003);

α_н= 23 Вт/(м2°С) - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м ·°С), (табл. 6*, СНиП II-3-79*);

Первоначально определяем требуемое сопротивление теплопередаче по зависимости (формула 3, СНиП 23-02-2003):

,

R₀^тр = 1*(21+42)/4*8,7 = 1,8 (м^{2 0}С/Вт)

где: t_в- расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С;

t_н- расчетная температура наружного воздуха, ⁰С;

п - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху и приведенный в таблице 6 (СНиП 23-02-2003);

Dt^н - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха t_int и температурой внутренней поверхности t_int ограждающей конструкции, °С, принимаемый по таблице 5 (СНиП 23-02-2003);

a_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²×°С), принимаемый по таблице 7 (СНиП 23-02-2003);

Определяем приведенное термическое сопротивление R₀^пр из усл. энергосбережения (формула 1, СНиП 23-02-2003):

R₀^пр =a·D_d + b, (м²°С)/Вт,

где D_d - градусо- сутки отопительного периода, °С×сут, для конкретного пункта;

а, b - коэффициенты, значения которых следует принимать по данным табл. 4, СНиП 23-02-2003, для соответствующих групп зданий.

R₀^пр =0,00035· 6831 +1,4 = 3,79 (м²°С)/Вт.

Т.к. R₀^пр> R₀^тр, найденного из санитарно – гигиенических и комфортных условий, то за расчетное значение принимаем R₀^пр =3,79 (м²°С)/Вт.

Уточняем фактическое сопротивление теплопередаче .

Фактическое сопротивление теплопередаче для стен равно

=1/α_в + δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂+ δ₃/λ₃+ δ₄/λ₄ + 1/α_н= R₀^пр,

отсюда находим толщину утеплителя:

δ₂ = (R₀^пр –(1/α_в + δ₁/λ₁ + δ₃/λ₃ + δ₄/λ₄ + 1/α_н ))λ₂ =

= (3,79-(1/8,7+0,03/0,76+0,38/0,7+0,02/0,76+1/23))*0,042= 0,13 м.

Принимаем стандартную толщину утеплителя, δ₂=0,13м.

Таким образом, толщина стены составит: δ_стены=30+130+380+20=560мм.

При пересчете, фактическое сопротивление теплопередаче для стен будет равно: =1/8,7+0,03/0,76+0,13/0,042+0,38/0,7+0,02/0,76+1/23=3,86 (м²°С)/Вт.

Определяем коэффициент теплопередачи для данной ограждающей

кон­струкции: К = 1/ =1/3,86=0,26 Вт/(м°С).

Перекрытие чердачное

Чердачное перекрытие состоит из следующих слоёв (снизу вверх):

1 слой – железобетонная плита перекрытия без пустот: d₁=250 мм, λ ₁=1,92 Вт/(м°С), r₁=2500 кг/м³ .

2 слой – выравнивающий слой из цементно – песчаного раствора: r₂=1800 кг/м³, λ ₂=0,76 Вт/(м°С), d₂ =10, мм;

3 слой –пароизоляция - рубероид: r₃ = 600 кг/м³, λ₃=0,17 Вт/(м°С), d₃=15 мм;

4 слой – утеплитель – пенополистерол r₄ = 35 кг/м³, λ₄=0,031 Вт/(м°С), d₄=Х, мм (определяется расчетом);

5 слой – стяжка цементно – песчаным раствором: r₅=1800 кг/м³, λ ₅=0,76 Вт/(м°С), d₅ =40, мм.

α_в = 8,7 Вт/(м²°С) - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м ·°С), (табл. 7, СНиП 23-02-2003);

α_н= 12 Вт/(м2°С) - коэффициент теплоотдачи наружней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м ·°С), (табл. 6*, СНиП II-3-79*);

Первоначально определяем требуемое сопротивление теплопередаче по зависимости (формула 3, СНиП 23-02-2003):

,

R₀^тр = 1*(21+42)/3*8,7 = 2,4 (м^{2 0}С/Вт).

где: t_в- расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С;

t_н- расчетная температура наружного воздуха, ⁰С;

п - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху и приведенный в таблице 6 (СНиП 23-02-2003);

Dt^н - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха t_int и температурой внутренней поверхности t_int ограждающей конструкции, °С, принимаемый по таблице 5 (СНиП 23-02-2003);

a_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²×°С), принимаемый по таблице 7 (СНиП 23-02-2003);

Определяем приведенное термическое сопротивление R₀^пр из усл. энергосбережения (формула 1, СНиП 23-02-2003):

R₀^пр =a·D_d + b, (м²°С)/Вт,

где D_d - градусо- сутки отопительного периода, °С×сут, для конкретного пункта;

а, b - коэффициенты, значения которых следует принимать по данным табл. 4, СНиП 23-02-2003, для соответствующих групп зданий.

R₀^пр =0,00045·6831+1,9 = 4,97 (м²°С)/Вт.

Т.к. R₀^пр > R₀^тр , найденного из санитарно – гигиенических и комфортных условий, то за расчетное значение принимаем R₀^пр = 4,97(м²°С)/Вт.

Находим термическое сопротивление теплопередаче железо - бетонной конструкции многопустотной плиты R_пл. (приложение 1).

Уточняем фактическое сопротивление теплопередаче .

Фактическое сопротивление теплопередаче для чердачного перекрытия равно =1/α_в + δ₁/λ₁ +δ₂/λ₂ + δ₃/λ₃ + δ₄/λ₄ + δ₅/λ₅ + 1/α_н= R₀^пр, отсюда находим толщину утеплителя:

δ ₄ = (R₀^пр –(1/α_в + δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂ +δ₃/λ₃ + δ₅/λ₅ + 1/α_н ))*λ₄ =

= (4,97-(1/8,7+0,25/1,92+0,01/0,76+0,015/0,17+0,04/0,76+1/12))*0,031 = 0,14м.

Принимаем стандартную толщину утеплителя, δ₂=0,14м.

Таким образом, толщина чердачного перекрытия составит: δ_черд.=250+10+15+140+40=455мм.

При пересчете, фактическое сопротивление теплопередаче для чердачного перекрытия будет равно:

=1/8,7+0,25/1,92+0,01/0,76+0,015/0,17+0,14/0,031+0,04/0,76+1/12=5, (м²°С)/Вт.

Определяем коэффициент теплопередачи для данной ограждающей

кон­струкции: К = 1/ =1/5=0,2 Вт/(м°С).

3.3.4 Перекрытие над неотапливаемым подвалом

Перекрытие над подвалом состоит из следующих слоёв (снизу вверх):

1 слой – железобетонная многопустотная плита перекрытия: d₁=220 мм, R_пл=0,29 (м²°С)/Вт.

2 слой – утеплитель перлитопластобетон: r₂=200 кг/м³, λ ₂=0,052 Вт/(м°С), d₂ =Х, мм (определяется расчетом);

3 слой – стяжка цементно-песчаным раствором: r₃ = 1800 кг/м³, λ₃=0,76 Вт/(м°С), d₃=50 мм;

4 слой – линолеум поливинилхлоридный на тканевой подоснове: r₄ = 1400 кг/м³, λ₄=0,38 Вт/(м°С), d₄=10 мм;

α_в = 8,7 Вт/(м²°С) - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м ·°С), (табл. 7, СНиП 23-02-2003);

α_н= 12 Вт/(м2°С) - коэффициент теплоотдачи наружней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м ·°С), (табл. 6*, СНиП II-3-79*);

Первоначально определяем требуемое сопротивление теплопередаче по зависимости (формула 3, СНиП 23-02-2003):

,

R₀^тр = 1*(20+36)/2*8,7 = 2,89 (м^{2 0}С/Вт).

.

где: t_в- расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С;

t_н- расчетная температура наружного воздуха, ⁰С;

п - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху и приведенный в таблице 6 (СНиП 23-02-2003);

Dt^н - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха t_int и температурой внутренней поверхности t_int ограждающей конструкции, °С, принимаемый по таблице 5 (СНиП 23-02-2003);

a_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²×°С), принимаемый по таблице 7 (СНиП 23-02-2003);

Определяем приведенное термическое сопротивление R₀^пр из усл. энергосбережения (формула 1, СНиП 23-02-2003):

R₀^пр =a·D_d + b, (м²°С)/Вт,

где D_d - градусо- сутки отопительного периода, °С×сут, для конкретного пункта;

а, b - коэффициенты, значения которых следует принимать по данным табл. 4, СНиП 23-02-2003, для соответствующих групп зданий.

R₀^пр =0,00045·6840+1,9 = 4,98 (м²°С)/Вт.

Т.к. R₀^пр > R₀^тр , найденного из санитарно – гигиенических и комфортных условий, то за расчетное значение принимаем R₀^пр =4,98.

Уточняем фактическое сопротивление теплопередаче .

Фактическое сопротивление теплопередаче для чердачного перекрытия равно =1/α_в + δ₁/λ₁ +δ₂/λ₂ + δ₃/λ₃ + δ₄/λ₄ + 1/α_н= R₀^пр,

отсюда находим толщину утеплителя:

δ₂ = (R₀^пр –(1/α_в + δ₁/λ₁ + δ₃/λ₃ +δ₄/λ₄ + 1/α_н ))*λ₂ =

= (4,98-(1/8,7+0,29+0,05/0,76+0,01/0,38+1/12))*0,052 = 0,23м.

Принимаем стандартную толщину утеплителя, δ₂=0,25м.

Таким образом, толщина чердачного перекрытия составит: δ_{пер.подв}=220+250+50+10=530мм.

При пересчете, фактическое сопротивление теплопередаче для чердачного перекрытия будет равно:

=1/8,7+0,29+0,25/0,052+0,05/0,76+0,01/0,38+1/12=5,39 (м²°С)/Вт.

Определяем коэффициент теплопередачи для данной ограждающей

кон­струкции: К = 1/ =1/5,39=0,19 Вт/(м°С).

Окна

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче для окон:

R₀^тр = 0,64 (м²°С)/Вт, по табл.4 СНиП 23-02-2003.

Таким образом, к установке принимаем окна из обычного стекла с твердым селективным покрытием с однокамерным стеклопакетом в раздельных переплетах с фактическим сопротивлением теплопередаче =0,65(м²°С)/Вт.

Определяем коэффициент теплопередачи для данной ограждающей

кон­струкции: К = 1/ =1/0,65=1,54 Вт/(м°С).

Двери

Согласно п. 5.7 (СНиП 23-02-2003) фактическое сопротивление теплопередаче наружной двери равно:

R₀^тр(дв) = 0,6*R₀^{тр(стены)},

R₀^тр(дв) = 0,6*3,77=2,27 (м²°С)/Вт.

Определяем коэффициент теплопередачи для данной ограждающей

кон­струкции: К = 1/ R₀^тр(дв) =1/2,27=0,44 Вт/(м°С).

Найденные значения толщин конструкций, фактических сопротивлений теплопередаче, коэффициентов теплопередачи заносим в сводную таблицу 1.

Таблица 1

Наименование ограждения
1. наружная стена	0,940	3,77	0,27
2. чердачное перекрытие	0,480	5,49	0,15
3. перекрытие над подвалом	0,530	5,39	0,19
4. оконный проем	-	0,65	1,54
5. наружная дверь	-	2,26	0,44

Тепловой баланс помещений

Тепловой баланс помещений представляется в виде следующего равенства:

∑Q_огр.+Q_инф.=Q_расч.+Q_быт. (1)

где: Q_огр- потери теплоты через ограждающие конструкции, Вт;

Q_инф- расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха, Вт;

Q_расч - необходимые теплопоступления для компенсации потерь теплоты через ограждающие конструкции и нагрева инфильтрующегося воздуха, Вт;

Q_быт- бытовые тепловыделения, Вт.

Потери теплоты через ограждающие конструкции

Основные и добавочные потери теплоты следует определять суммируя

потери теплоты через отдельные ограждающие конструкции Q, Вт, с округлением до 10 Вт для помещений по формуле:

, Вт, (2)

где - расчетная площадь ограждающих конструкций, м²;

- коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции;

-внутренняя температура воздуха.

-коэффициент, зависящий от положения наружной ограждающей конструкции к наружному воздуху:

- для наружных стен, чердачных перекрытий, окон, наружных дверей n=1.

- для перекрытий над подвалом n=0,6 .

- добавочный коэффициент, учитывающий ориентацию наружного ограждения:

а) в помещениях любого назначения через наружные вертикальные и наклонные стены , двери и окна обращенные на север, восток, северо-восток и северо-запад =0,1; на юго-восток и запад =0,05.

б) в общественных административно-бытовых и производственных помещениях через две наружные стены и более =0,15 ,если одно из

ограждений обращено на север, восток ,северо-восток и северо-запад и 0,1 – в других случаях.

в) через не обогреваемые полы 1-го этажа над холодными подвалами зданий в местностях с расчетной температурой наружного воздуха -40°С и ниже , =0,05 .

г) через наружные двери, не оборудованные воздушными или воздушно-тепловыми завесами, при высоте зданий H, м, от средней планировочной отметки земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахты в размере:

0,2 H — для тройных дверей с двумя тамбурами между ними;

0,27 H — для двойных дверей с тамбурами между ними;

0,34 H —для двойных дверей без тамбура;

0,22 H —для одинарных дверей.