Наружных ограждающих конструкций

Учебно-методическое пособие

Специальность: 270102 –

промышленное и граж-

данское строительство

ЧЕРЕПОВЕЦ

Методические указания по выполнению теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций. Учебно-методическое пособие. – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2008. – 39 с.

Рассмотрено на заседании кафедры строительных конструкций и архитектуры, протокол №4 от 24.12.07 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Инженерно-экономического института ГОУ ВПО ЧГУ, протокол №10 от 26.12.07 г.

В данном учебном пособии приведена методика теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций – наружных стен, покрытий, перекрытий чердачных и над холодными подпольями и подвалами, а также световых проемов – окон, балконных дверей и фонарей.

Составитель: Е.В. Белановская – доцент каф. СКиА (ГОУ ВПО ЧГУ)

Рецензенты: В.Н. Ворожбянов – канд. техн. наук, профессор (ГОУ ВПО ЧГУ); А.Г. Каптюшина – канд. техн. наук, доцент (ГОУ ВПО ЧГУ)

Научный редактор: В.Н. Ворожбянов – канд. техн. наук, профессор (ГОУ ВПО ЧГУ)

ГОУ ВПО Череповецкий госу-

дарственный университет, 2008

Теплотехнический расчет производится для наружных ограждений здания – наружных стен, покрытий, окон, а также для чердачных перекрытий, цокольных перекрытий и других конструктивных элементов, разделяющих среды с различными температурами. Расчет производится на наиболее холодный период времени.

Общие положения

δ – толщина стены, м;

t_в – температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая по прил. 1;

τ_в – температура на внутренней поверхности стены, °С;

t_н – температура наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0.92, °С, принимаемая по прил. 2;

τ_н – температура на наружной поверхности стены, °С;

t_в – τ_в = ∆ t_н – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха t_в и температурой на внутренней поверхности ограждающей конструкции τ_в, принимаемый по табл. 5;

Q – тепловой поток.

Основная величина, характеризующая теплопроводность различных материалов – коэффициент теплопроводности λ,Вт/м°С. Она показывает количество тепла в ккал, которое проходит за 1 час через 1м² однородного ограждения толщиной 1 м при разности температур на его поверхностях 1°С. Величины коэффициента теплопроводности λ для наиболее распространенных строительных материалов приведены в табл. 1

Таблица 1

№	Материал	γ, кг/ м3	λ, Вт/м°С
	Кирпич силикатный сплошной		0.87
	Кирпич силикатный пустотный		0.82
	Кирпич глиняный сплошной		0.81
	Кирпич теплоэффективный «Knauf»		0.2
	Шлакопемзобетон		0.44
	Железобетон		2.04
	Сталь
	Древесина поперек волокон		0.18
	Цементно-песчаный раствор		0.93
	Гипсокартон		0.21
	Минераловатные плиты «Изовер», «Урса»		0.04
	Минераловатные плиты повышенной жесткости		0.076
	Пенопласт	100 и <	0.05
	Пенополистирол		0.052
	Засыпка из шлаковой пемзы		0.16
	Рулонные гидроизоляционные материалы		0.17

В теплотехническом расчете находят величину, обратную коэффициенту теплопроводности – сопротивление теплопередаче R:

R=δ/λ, м²°С/Вт (1)

Для многослойных конструкций

R=δ₁/λ₁+ δ₂/λ₂+…+ δ_n/λ_n м²°С/Вт (2)

При передаче тепла через ограждающую конструкцию происходит падение температуры от t_в до t_н . При этом общий температурный перепад состоит из суммы трех частных перепадов:

t_в – τ_в; τ_в – τ_н; τ_в – t_н.

Каждый из этих температурных перепадов вызван определенным сопротивлением прохождению теплового потока.

R_в – сопротивление тепловосприятию, вызывающее температурный перепад t_в – τ_в;

R – сопротивление теплопередаче, вызывающее температурный перепад τ_в – τ_н;

R_н – сопротивление теплоотдаче, вызывающее температурный перепад τ_в – t_н.

R_в =1/α_в; R=∑ δ_i/λ_i; R_в =1/α_в,

где α_в – коэффициент тепловосприятия, Вт/ м²°С, принимаемый по табл. 5;

α_н – коэффициент теплоотдачи, Вт/ м²°С, принимаемый по табл. 6;

δ_i – толщина отдельных слоев ограждающей конструкции, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности материалов отдельных слоев,Вт/м°С.

Общее сопротивление теплопередаче (фактическое) будет равно

R_о = R_в + R + R_н =1/α_в + ∑δ_i/λ_i + 1/α_в (3)

Порядок расчета

В ходе расчета определяют требуемое сопротивление теплопередаче конструкции наружного ограждения R_req (минимально допустимое) и приведенное (фактическое) сопротивление теплопередаче R_о. При сравнении полученных величин должно соблюдаться условие:

R_req ≤ R_о.

I. Определение требуемого сопротивления теплопередачеR_о^тр

Требуемое сопротивление теплопередаче R_req должно приниматься не менее значений, получаемых из условий энергосбережения в зависимости от D_d (градусо-сутки отопительного периода)

D_d =( t_int – t_ht )∙ z_ht , (4)

где t_int – расчетная средняя температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая по прил. 1;

t_ht – средняя температура периода со среднесуточной температурой

t ≤8°С, принимаемая по СНиП 23-01-99 или по прил. 2;

z_ht – продолжительность, сут., периода со среднесуточной температурой t ≤8°С, принимаемая по СНиП 23-01-99 или по прил. 2.

R_req для стен и покрытий определяют по табл. 2:

Здания и помещения	Градусо-сутки отопительного периода,Dd	Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкцийRreq, м2°С/Вт
стен	покрытий и перекрытий над проездами	перекрытий чердачных, над холодными подпольями и подвалами
Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты		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
Общественные, кроме указанных выше, административные и бытовые с сухим и нормальным режимом		1.6 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
Производственные с сухим и нормальным режимами		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

Примечание: Промежуточные значения R_req следует определять интерполяцией.

R_req для окон, балконных дверей и фонарей определяют по табл. 3:

Здания и помещения	Разность температуры внутреннего воздуха и средней температуры наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0.92	Требуемое сопротивление теплопередачеRreq, м2°С/Вт
Окон и балконных дверей	фонарей
П-образных	зенитных
1. Здания жилые, больничных учреждений, детских домов, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, детских садов-яслей, школ	До 25 26-44 45-49 Более 49	0.18 0.39 0.42 0.53	- - - -	0.15 0.31 0.31 0.48
2. Общественные здания, кроме указанных в п. 1, вспомогательные здания и помещения промышленных предприятий, за исключением помещений с влажным режимом	До 30 31-49 Более 49	0.15 0.31 0.48	- - -	0.15 0.31 0.48
3. Производственные здания с сухим или нормальным режимами	До 35 36-49 Более 49	0.15 0.31 0.34	0.15 0.15 0.15	0.15 0.31 0.48
4. Производственные здания, а также помещения общественных зданий с влажным режимом	До 30 Более 30	0.15 0.34	0.15 -	- -
5. Производственные здания с относительной влажностью внутреннего воздуха не более 50% и с избытками явного тепла, Вт/м3: - 23-50   - более 50	До 49 Более 49 Любая	0.15 0.31 0.15	0.15 0.15 0.15	- - -

Например, для жилого здания, предназначенного для строительства в г. Череповце

D_d =( t_int – t_ht )∙ z_ht = (20+4.1) ∙ 231=5567.1

Тогда R_req =2,8+(3,5-2,8) / (6000-4000)=3.2 м²°С/Вт (табл. 2)

2. Для производственных зданий с избытками явной теплоты более 23 Вт/м³и зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации (осенью или весной), а также для зданий с расчетной температурой внутреннего воздуха 12°С и ниже приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных) следет принимать не менее значений, определяемых по формуле:

, (5)

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, принимаемый по табл. 4;

t_int – расчетная температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая по прил. 1;

t_ext – расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С, равная температуре наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0.92 (СНиП 23-01-99 или прил. 2);

∆ t_n – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой на внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С, принимаемый по табл. 5;

α_int – коэффициент тепловосприятия, Вт/ м²°С, принимаемый по табл. 6.

Таблица 4

Ограждающие конструкции	Коэффициент n
1. Наружные стены и покрытия (в том числе вентилируемые наружным воздухом), 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 техническими подпольями, расположенные ниже уровня земли	0.4

Таблица 5

Здания и помещения	Нормируемый температурный перепад ∆tn, °С, для
наружных стен	покрытий и чердачных перекрытий	перекрытий над проездами, подвалами
1. Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты	4.0	3.0	2.0
2. Общественные, кроме указанных в п. 1, административные и бытовые, за исключением помещений с влажным режимом	4.5	4.0	2.5
3. Производственные с сухим и нормальным режимами	tint – td , но не более 7	0.8(tint – td), но не более 6	2.5
4. Производственные и другие помещения с влажным режимом	tint – td	0.8(tint – td)	2.5

Примечания: 1. t_int – температура внутреннего воздуха,°С (прил. 1);

2. t_d – температура точки росы, °С (прил. 3).

Таблица 6

Внутренняя поверхность ограждающей конструкции	Коэффициент тепловосприятия αint, Вт/ м2°С
1. Стен, полов, гладких потолков, потолков с выступающими ребрами при отношении высоты h ребер к расстоянию а между гранями соседних ребер h/a ≤ 0.3	8.7
2. Потолков с выступающими ребрами при отношении h/a > 0.3	7.6
3. Зенитных фонарей	9.9

Таблица 7

Наружная поверхность ограждающей конструкции	Коэффициент теплоотдачи αext, Вт/ м2°С
1. Наружных стен, покрытий, перекрытий над проездами и над холодными подпольями (без ограждающих стенок) в Северной строительно-климатической зоне
2. Перекрытий над холодными подпольями, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытий над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне
3. Перекрытий чердачных и над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах, а также наружных стен с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом
4. Перекрытий над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенных выше уровня земли, и над неотапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли

II. Определение фактического сопротивления теплопередачеR_о^ф

1. Для однослойной конструкции стены:

R_о =1/α_int + δ/λ + 1/α_ext,

где α_int – коэффициент тепловосприятия, Вт/ м²°С (табл. 5);

δ – толщина стены, м;

λ – коэффициент теплопроводности,Вт/м°С;

α_ext – коэффициент теплоотдачи, Вт/ м²°С (табл. 6).

Пример: Определить R_о для стены жилого здания, выполненной из силикатного пустотного кирпича, толщиной 640 мм.

Решение:

R_о =1/α_int + δ/λ + 1/α_ext= 1/8.7+0.64/0.82+1/23=0.93 м²°С/Вт

Требуется выполнение условия R_req ≤ R_о. В данном случае оно не выполняется (R_req = 3.2 м²°С/Вт). Из имеющихся данных можно вычислить δ_min (минимальную толщину стены):

R_req ≤ R_о, т.е. R_req ≤ 1/α_int + δ/λ + 1/α_ext. Отсюда

δ_min ≥( R_req – 1/α_int – 1/α_ext) λ, т.е. δ_min ≥( 3.2 – 1/8.7 – 1/23) 0.82=2.5 м

Т.о., толщина однослойной стены жилого дома, выполненной из силикатного пустотного кирпича, в г. Череповце должна быть не менее 2.5 м. Для уменьшения толщины стены можно применить теплоэффективный керамический кирпич «Knauf» (λ = 0.2 Вт/м°С) или использовать многослойную конструкцию с несущим слоем из силикатного кирпича и слоем эффективного утеплителя. Определим R_о^ф для однослойной стены из теплоэффективного кирпича «Knauf» толщиной 640 мм:

R_о =1/α_int + δ/λ + 1/α_ext= 1/8.7+0.64/0.2+1/23=3.35 м²°С/Вт

Условие R_req ≤ R_о выполняется, следовательно, толщина стены достаточна.

2. Для многослойной однородной конструкции стены

R_о =1/α_int + ∑δ_i/λ_i + 1/α_ext,

где α_int – коэффициент тепловосприятия (для наружных стен и покрытий α_в = 8.7 Вт/ м²°С);

δ_i – толщина отдельных слоев ограждающей конструкции, м;

λ_i – коэффициент теплопроводности материалов отдельных слоев,Вт/м°С;

α_ext – коэффициент теплоотдачи (для наружных стен и для покрытий α_н = 23 Вт/ м²°С).

Если в состав многослойной ограждающей конструкции входит теплоизоляционный слой, то в этом случае необходимо проверить, не будет ли конденсироваться влага в утеплителе (в результате чего нарушаются его защитные свойства). Для этого необходимо построить график распределения температур внутри конструкции стены, а затем проверить, где будет находиться температура точки росы, при которой возможна конденсация влаги.

Для построения графика распределения температур необходимо определить температуру на внутренней и наружной поверхностях стены, а также на границах конструктивных слоев по формулам:

τ_int = t_int – (t_int – t_int)/ R_о∙ R_int ; (6)

τ_x = t_int – (t_int – t_ext)/ R_о∙ (R_int+ R_x); (7)

τ_ext = t_int – (t_int – t_ext)/ R_о∙ (R_int+ ∑R), (8)

где τ_int – температура на внутренней поверхности стены, °С;

τ_x – температура на границах слоев, °С;

τ_ext – температура на наружной поверхности стены, °С;

t_int – температура внутреннего воздуха, °С , (прил. 1);

t_ext – температура наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0.92, °С, (СНиП 23-01-99 или прил.);

R_о – общее сопротивление теплопередаче (фактическое), м²°С/Вт;

R_int – сопротивление тепловосприятию (R_в =1/α_в), м²°С/Вт;

R_x – сопротивление теплопередаче слоев, расположенных между внутренней поверхностью стены и рассматриваемой границей, м²°С/Вт;

∑R – сумма сопротивлений всех слоев, м²°С/Вт.

Температуру точки росы, при которой возможна конденсация влаги, определяют по прил. 3

Пример: Определить R_о для стены жилого здания, выполненной из силикатного пустотного кирпича, толщиной 510 мм, утепленной снаружи минерало-ватными плитами «Изовер» толщиной 100 мм, и оштукатуренной цементно-песчаным раствором снаружи и изнутри (толщина слоя 15 мм).

Решение:

R_о =1/α_int + δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂ + δ₃/λ₃ + δ₄/λ₄ + 1/α_ext= =1/8.7+0.015/0.93+0.51/0.82+0.1/0.04+0.015/0.93+1/23=3.3 м²°С/Вт

Условие R_req ≤ R_о выполняется, значит такая конструкция стены достаточна. Общая толщина стены δ =640 мм.

Проверим, не будет ли конденсироваться влага внутри теплоизоляционного слоя. Для этого построим график распределения температур внутри конструкции стены, предварительно определив температуру на поверхностях стены и на границах конструктивных слоев:

τ_int = t_int – (t_int – t_ext)/ R_о^ф∙ R_int=20 –(20+32)/3.3∙1/8.7=18.2°С

τ₁ = t_int – (t_int – t_ext)/ R_о∙ (R_int+ δ₁/λ₁)= 20 –(20+32)/3.3∙(1/8.7+0.015/0.93)=18°С

τ₂ = t_int – (t_int – t_ext)/ R_о∙ (R_int+ δ₁/λ₁+δ₂/λ₂) =20 – (20+32)/3.3∙(1/8.7+ 0.015/0.93 + 0.51/0.82)=8.2°С

τ₃= t_int – (t_int – t_ext)/R_о∙(R_int+δ₁/λ₁+δ₂/λ₂+δ₃/λ₃)=20 – (20+32)/3.3 ∙(1/8.7+ 0.015/0.93 + 0.51/0.82+0.1/0.04)= – 31.2°С

τ_н= t_int – (t_int – t_ext)/ R_о∙ (R_int+ ∑R)= 20 – (20+32)/3.3∙(1/8.7+0.015/0.93+ 0.51/0.82+ 0.1/0.04+ 0.015/0.93)= – 31.5°С

Температура точки росы при внутренней температуре t_int =20°С и φ=60% t_d =12°С (прилож. 3), т.е. плоскость возможной конденсации находится внутри кирпичной части стены, и утеплитель в данном случае не увлажняется. В данной конструкции стены ее теплозащитная способность не нарушается. В случае попадания температуры точки росы в утеплитель, необходимо предусмотреть мероприятия, препятствующие попаданию влаги в теплоизоляционный слой (устройство пароизоляции на пути движения водяного пара перед теплоизоляционным слоем).

3. Для многослойной неоднородной конструкции стены

Приведенное термическое сопротивление R_к^пр ,м²°С/Вт, неоднородной ограждающей конструкции (многослойной каменной стены колодцевой кладки с теплоизоляционным слоем и т.п.) определяется следующим образом:

а) плоскостями, параллельными направлению теплового потока, ограждающая конструкция (или часть ее) условно разрезается на участки , из которых одни участки могут быть однородными (однослойными) – из одного материала, а другие неоднородными – из слоев различных материалов, и термическое сопротивление ограждающей конструкции R_║ ,(м²°С/Вт), определяется по формуле

, (9)

где F₁, F₂ … F_n – площади отдельных участков конструкции (ее части), м²;

где R₁, R₂ … R_n – термические сопротивления указанных отдельных участков конструкции, определяемые по формуле (1) для однородных участков и по формуле (2) для неоднородных участков;

б) плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, ограждающая конструкция (или часть ее, принятая для определения R_║) условно разрезаются на слои, из которых одни слои могут быть однородными – из одного материала, а другие неоднородными – из однослойных участков разных материалов. Термическое сопротивление однородных слоев определяется по формуле (1), неоднородных слоев – по формуле (2) и термическое сопротивление ограждающей конструкции R_┴ - как сумма термических сопротивлений отдельных однородных и неоднородных слоев. Приведенное термическое сопротивление ограждающей конструкции следует определять по формуле

(10)

Пример: Определить сопротивление теплопередаче кирпичной стены колодцевой кладки толщиной 640 мм при заполнении пустот минераловатными плитами «Изовер» (толщина наружной и внутренней части кирпичной стены 120 мм).

Решение: