Потери теплоты через ограждающие конструкции помещения

Затраты теплоты на поддержание комфортных условий микроклимата в отапливаемом помещении зависят от того, насколько эффективно ограждающие конструкции помещения (стены, окна, перекрытия, двери и т.д.) защищают его от воздействия наружной среды.

Ограждения разнообразны по своей конструкции и используемым материалам, но обычно могут рассматриваться как стенки (рис. 2.1) выполненные из М_с, однородных и неоднородных слоев, каждый из которых имеет свой коэффициент теплопроводности l_i и толщину слоя d_i.

Количество теплоты, Q_огр.j, кВт, которое в холодный период года (t_н £ + 8°С) уходит из помещения через j-ое ограждение определяется:

(2.1.)

где: t_вj ¾ температура внутреннего воздуха около j-го ограждения, °С; (для помещений высотой Н_э.i < 4 м. t_вj = t_в.р; для помещений высотой Н_э.i ³ 4 м. для боковых ограждений t_вj = t_вр + 0,5К_н(Н_эi - 2), а для потолочных ограждений t_вj = t_вр + К_н(Н_эi - 2); Кн = (0,2 ¸ 1,5), коэффициент повышения температуры внутреннего воздуха по высоте помещения °С/м); t_н - температура наружного воздуха (для наружных ограждений) или температура воздуха в соседних помещениях, °С, (для внутренних ограждений); F_огр.j - расчетная площадь поверхности j-го ограждения, м², которая в соответствии с обозначениями на рис.2.1 определяется следующим образом: – полное сопротивление теплопередаче j-го ограждения, (м² ·°С)/Вт; и ¾ соответственно, сопротивления теплопереходу от внутреннего воздуха к j-му ограждению и от него к наружному воздуху, (м² ·°С)/Вт; a_вj и a_нj –соответственно, коэффициенты теплоотдачи к внутренней поверхности ограждения и от наружной поверхности ограждения, Вт/(м² ·°С); – приведенное термическое сопротивление теплопереходу через массив ограждающей конструкции, Вт/(м² ·°С); а_j – коэффициент, учитывающий положение ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху и принимается в соответствии с табл. 2.1; b_j ¾ коэффициент учитывающий долю добавочных тепловых потерь через j-ое ограждение, вводимый в соответствии с табл. 2.2; F_огрj – определяется соотношениями, представленными в табл. 2.3 в соответствии с рис. 2.2; α_вj и α_нj – принимаются в соответствии с табл. 2.4.

Таблица 2.1.

Характеристика ограждающей конструкции	аj
Наружные стены и покрытия, а также выходящие на чердак перекрытия, если кровля над нам выполнена из штучных материалов (черепица, шифер и т.п.)	1,00
Чердачные перекрытия, если кровля над ним из рулонных материалов (кровельное железо, толь и т.п.)	0,90
Перекрытия над неотапливаемыми подвалами с световыми проемами	0,75
Перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проемов	0,60

Для однородного i-го слоя ограждающей конструкции термическое сопротивление R_c.i , (м² ·°С)/Вт, опрделяется:

(2.2)

Таблица 2.2.

Характеристика ограждений и помещений теряющих дополнительную теплоту	bj
Вертикальные ограждения и вертикальные проекции наклонных ограждений обращенных:
на юго-восток и запад	0,05
на север, северо-восток, северо-запад, восток	0,10
Каждое наружное ограждение угловых помещений:
если хоть одно из них обращено на север, северо-восток, северо-запад, восток	0,05
если ни одно из них не обращено в указанных направлениях	0,10
Наружные двери высотой Нд , м и не оборудованные воздушными завесами:
если двери тройные с двумя тамбурами между ними	0,20Нд
если двери одинарные	0,22 Hд
если двери двойные с тамбуром между ними	0,27 Hд
если двери двойные без тамбура	0,34 Hд
Наружные ворота без воздушных завес:
без тамбура	3,00
с тамбуром	1,00

Рис. 2.1. Характер изменения температуры в многослойной ограждающей конструкции здания в холодный период года (t > t )

Таблица 2.3.

Вид ограждений	Расчетная формула для вычисления Fогр.j в м2
окна и двери	l4·H0 и l4·Hд
наружные стены в угловых помещениях	l1·Hэi
наружные стены в неугловых помещениях	l2·Hэi
внутренние стены в угловых помещениях	l3·Hэi и l5·Hэi
внутренние стены в неугловых помещениях	l2·Hэi и l5·Hэi
пол или потолок в угловых помещениях	l3·l5
пол или потолок в неугловых помещениях	l2·l5

Таблица 2.4.

Вид поверхности ограждения	Коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м2 ·°С)
Внутренняя поверхность:	aв
стен, полов, гладких потолков	8,7
ребристых потолков	7,6
Наружная поверхность:	aн
соприкасающаяся непосредственно с наружным воздухом	23,0
перекрытия над холодным подвалом, сообщающимся с наружным воздухом	17,0
перекрытия выходящие на чердак или в неотапливаемый подвал со световыми проемами	12,0
перекрытия выходящие в неотапливаемый подвал без световых проемов	6,0

Если вся ограждающая конструкция однородна, т.е. состоит из одинакового количества слоев, каждых из которых по всей своей площади определенного материала неизменной толщины, то ее приведенное термическое сопротивление , (м² ·°С)/Вт, определяется по формуле

(2.3)

Неоднородность ограждающей конструкции может выражаться тремя видами:

а) Ограждающая конструкция неоднородна, так как состоит из к – отдельных участков площадью F_L, каждых из которых отличается от остальных или количеством слоев или их толщиной или видом материалов.

Термическое сопротивление каждого из участков, R_L определяется по формуле (2.3), а общее приведенное сопротивление всей конструкции такого типа , (м² ·°С)/Вт, по формуле:

(2.4)

б) Неоднородность ограждения выражается в том, что по всей площади ограждения размещается М_о однородных слоев, но последовательно с ними (по ходу потока тепла) размещается М_н.о. неоднородных слоев с участком из разных материалов. Термическое сопротивление каждого однородного слоя определяется по формуле (2.3), а каждого неоднородного слоя по (2.4).

Термическое сопротивление всей ограждающей конструкции такого вида определяется по формуле:

(2.5)

в) Неоднородность ограждения выражается в том, что в его составе имеются участки с неоднородность типа «а» и участки с неоднородностью типа «б».

Приведенное термическое сопротивление такой конструкции определяется по формуле:

(2.6)

Если же или ограждение не является плоским, то приведенные термические сопротивления определяется на основе расчета температурного поля в ограждении [11].

Для световых проемов в ограждающих конструкциях (окна, аэрационные фонари и т.п.) полное термическое сопротивление R_o, (м² ·°С/ Вт) обычно не рассчитывается, а принимается по [11] согласно табл. 2. 5.

Таблица 2. 5.

Вид заполнения светового проема	Ro
Одинарное остекление в деревянном одинарном переплете	0,18
То же, но в металлическом переплете	0,15
Двойное остекление в спаренных переплетах из дерева или пластмассы	0,39
То же, но в раздельных переплетах из дерева или пластмассы	0,42
То же, но в раздельных металлических переплетах	0,34
Тройное остекление в раздельно-спаренных переплетах из дерева или пластмассы	0,55
То же, но в металлических переплетах	0,46
Блоки стеклянные пустотные	0,33
Трехслойные стеклопакеты в деревянных или пластмассовых переплетах	0,52

Рис. 2.2. Схема обмера помещений: а) - в плане; б) - по высоте

Методика определения теплопотерь через полы первого этажа, расположенных непосредственно на грунте заключается в следующем: всю поверхность пола помещения F_п = l₂·l₅ или F_п = l₃·l₅ (рис. 2.2) разбивают на четыре зоны. Первая зона занимает примыкающую к наружным ограждениям, полосу пола шириной 2м, и ее площадь F_п1 = (l₃ + l₅)×2, м². Вторая зона занимает полосу шириной 2 м, примыкающую к первой и ее площадь F_п2 = [(l₃ - 2) + (l₅ - 4)]·2, м². Третья зона занимает следующую двухметровую полосу и ее площадь F_п3 = [(l₃ - 4) + (l₅ - 6)]×2, м². К четвертой зоне относится вся оставшаяся площадь помещения F_п4 = F_п - F_п1 - F_п2 - F_п3, м². Для каждой из них принимаются средние значения полного термического сопротивления теплопередачи от внутреннего к наружному воздуху через пол и грунт, соответственно: R₀₁ = 2,1; R₀₂ = 4,3; R₀₃ = 8,6 и R₀₄ = 14,2, (м² ·°С)/Вт и определяют теплопотери раздельно для каждой зоны по формуле (2.2).

Если в конструкцию пола входит слой утепляющего материала с l_ус <1,16 Вт/(м² ·°С), то пол считается утепленным и полное термическое сопротивление теплопередачи у каждой зоне определяют по формуле:

(2.7)

Если между грунтом и полом размещаются лаги, то R_oi для каждой из зон увеличивают на 18%;

Таким образом, по формуле (2.1) возможно определить потери теплоты через ограждения любого здания, для которого известен материал, толщины и расположения слоев в ограждениях, при различных значениях температур внутреннего и наружного воздуха. Для этого, в соответствии с вышеизложенным, предварительно определяются размеры поверхности каждого ограждения F_огр. здания, их полные сопротивления теплопередаче R₀ и значения поправочных величин а_j и b_j.

При проектировании и строительстве новых зданий, выбор материалов, толщин и расположений слоев каждой ограждающей конструкции должен производится таким образом, чтобы при любых реально возможных колебаниях температуры наружного воздуха, полное сопротивление теплопередаче ограждения , (м² ·°С)/Вт обеспечивало поддержание температуры ее внутренней поверхности t_вн.п.j , °С, не ниже значения температуры, определяемой по формуле (1.3) для обеспечения комфорта находящихся в помещении людей и предотвращения конденсации водяных паров находящихся в воздухе. Таким образом, полное сопротивление теплопередаче ограждения , (м² ·°С)/Вт должно быть не ниже:

(2.8)

С увеличением значения полного сопротивления теплопередаче используемых ограждений, снижаются потери теплоты через ограждения помещений и требуются меньшие расходы теплоты из систем отопления. Следовательно, снижаются расходы топлива на выработку теплоты для отопления здания и ежегодные затраты на приобретение этого топлива, S_т, руб/год. При этом экономия средств на приобретении топлива будет тем больше, чем продолжительней отопительный период в зоне размещения здания, ниже средний уровень температур наружного воздуха в регионе и выше цена используемого топлива.

Вместе с тем, создание ограждений с более высокими значениями R_oj требует или увеличения толщины слоев ограждающей конструкции или создания конструкций с использованием материалов с низкими значениями коэффициентов теплопроводности. И в том и в другом случае возрастает стоимость ограждений. Возрастает и величина ежегодных денежных расходов, S_огр, руб/год.

Оптимальное значение величины полного сопротивления теплопередаче ограждения, , (м² ·°С)/Вт, соответствует минимуму суммарных годовых денежных затрат S_т + S_огр, и различается по регионам, в зависимости от продолжительности и суровости отопительного периода, стоимости используемого топлива. Чем продолжительней отопительный период и ниже уровень температур в регионе, тем большее значение R_oj применяемых ограждений. Оптимальное значение полного сопротивления теплопередаче, ограждений также увеличивается при увеличении стоимости топлива.

В таблице 2. 6 [3] приводятся оптимальные значения для различных ограждающих конструкций, используемых в зданиях разного назначения и в регионах с разным климатом. Показатели климата региона характеризуются величиной градусо-суток отопительного периода (ГСОП), (°С · сут), вычисляемого по формуле:

ГСОП= (2.9)

где : - средняя температура наружного воздуха в регионе за отопительный период, °С; Zоп - продолжительность отопительного периода в регионе, сут.

Суммарные тепловые потери через ограждения здания, Q_огр.зд. , кВт, имеющего М_н наружных ограждающих конструкций определяются по формуле (2.3).

Теплопотери через все наружные ограждения здания, отнесенные к произведению объема здания по наружному обмеру, Vзд, м на разность внутренней и наружной расчетной температуры воздуха (t_в – t_н^р), °С представляют удельную отопительную характеристику здания, q , кВт/(м · °С) вычисляемую по формуле:

(2.10)

Для каждого определенного типоразмера зданий совокупность величин, входящих в выражение (2.10) практически неизменна и не зависит от изменений температур воздуха. Используя значения удельной отопительной характеристики, вычисленные по (2.10) для одного здания, можно определять потери теплоты через ограждения любого здания того же типа по формуле:

(2.11)

Таблица 2. 6.

Назначение	ГСОП	Минимальные полные сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, , (м2 ·°С)/Вт. [3]
здания или помещения	региона, (°С·сут-ки)	стен	покрытий и перекрытий над проездами	перекрытия чердачные и над холодными подвалами	окон и балкон-ных дверей	фонарей аэрацион-ных
Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интер-наты.		1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2	1.8 2.5 3.2 3.9 4.6 5.3	1.6 2.2 2.8 3.4 4.0 4.6	0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60	0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Администра-тивные, бытовые и общественные, за исключением помещений с влажным или мокрым режимом		1.0   1.4   1.8   2.2 2.6   3.0	1.6   2.3   3.0   3.7 4.4   5.1	1.4   2.0   2.6   3.2 3.8   4.4	0.33   0.38   0.43   0.48 0.53   0.58	0.23   0.28   0.33   0.38 0.43   0.48
Производствен-ные с сухими и нормальными режимами		0.8 1.1 1.4 1.7 2.0 2.3	1.4 1.8 2.2 2.6 3.0 3.6	1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7	0.21 0.24 0.27 0.30 0.33 0.36	0.19 0.22 0.25 0.28 0.31 0.34

Из (2.10) и (2.11) следует, что, при равенстве наружной и внутренней температуре воздуха, теплопотери через ограждения отсутствуют и Q_огр.зд = 0. По мере понижения температуры наружного воздуха теплопотери здания линейно возрастают, достигая максимальной величины при минимальном значении температуры наружного воздуха в данном регионе.