Теплотехническое обоснование ограждающих конструкций зданий

При применении многослойных наружных ограждающих конструкций зданий с повышенными требованиями норм по теплозащите необходимо использовать в толще этих конструкций эффективный утеплитель. Толщина утеплителя определяется теплотехническим расчетом из условий обеспечения необходимого уровня тепловой защиты зданий. Основным показателем, характеризующим уровень тепловой защиты ограждающих конструкций, является сопротивление теплопередаче, R₀, которое должно соответствовать требуемым значениям Строительных норм и правил. Нормируемое сопротивление теплопередаче R_reg определяется по СНиП 23-02-2003 [1] в зависимости от типа ограждающих конструкций, климатического района и назначения здания.

Последовательность теплотехнического расчета

наружных ограждающих конструкций

1. Выбор исходных данных:

- назначение здания (из задания);

- тип ограждающей конструкции (наружные стены, чердачное перекрытие, покрытие или окна);

- климатический район (из задания);

- расчетная температура внутреннего воздуха (п. 9.3. СНиП 31-01-2003 [4], табл. 19-27 СНиП 2.08.02-89* [5]);

- расчетная влажность внутреннего воздуха.

2. Определение нормируемого сопротивления теплопередаче R_reg, м²×°С/Вт,

Определяется по таблице 4 СНиП 23-02-2003 [1] в зависимости от градусо-суток отопительного периода района строительства D_d, °С×сут.

Градусо-сутки отопительного периода D_d, °С×сут, определяют по формуле (2) СНиП 23-02-2003 [1]

D_d = (t_int - t_ht) z_ht, (1)

где t_int - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С;

t_ht, z_ht - средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01-99* [3] для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 8 °С (определяется для соответствующего района строительства);

3. Выбор конструктивного решения наружной ограждающей конструкции

Примерное конструктивное решение ограждающей конструкции приведено в задании на проектирование, либо предлагается преподавателем. Ограждающие конструкции должны состоять из нескольких слоев: несущий, утепляющий, облицовочный слои. Необходимо определить расположение утеплителя по отношению к другим слоям, толщина которых известна.

4. Определение толщины утеплителя

Сопротивление теплопередаче R₀, м²×°С/Вт, однородной однослойной или многослойной ограждающей конструкции с однородными слоями следует определять согласно СП 23-101-2004 [2]

R₀=R_si+R_k+R_se, (2)

где R_si=1/a_i, a_i - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²×°С), принимаемый по таблице 7 СНиП 23-02-2003 [1];

R_se=1/a_e, a_e - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода года, Вт/(м²×°С), принимаемый по таблице 8 СП 23-101-2004 [2];

R_k – термическое сопротивление ограждающей конструкции, равное сумме термических сопротивлений отдельных слоев

R_k=R₁+R₂+...+R_n, (3)

где R₁, R₂, ... , R_n - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м²×°С/Вт

Термическое сопротивление каждого слоя определяется по формуле 6 п.9.1.1 СП 23-101-2004 [2]:

R=d/l, (4)

где d - толщина слоя, м;

l - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м×°С), принимаемый по приложению Д СП 23-101-2004 [2].

Расчетные коэффициенты теплопроводности определяются в зависимости от условий эксплуатации ограждающих конструкций: А или Б.

Определение условий эксплуатации осуществляется в зависимости от влажностного режима помещений (табл. 1 СНиП 23-02-2003 [1]) и от зоны влажности (прил. В СНиП 23-02-2003 [1])

Сведя вышеизложенные формулы в одну, получим:

R₀ = 1/a_i + d₁/l₁ + d₂/l₂ + d_n/l_n + … + d_ут/l_ут + 1/a_e (5)

в данном случае d_ут и l_ут – толщина и коэффициент теплопроводности утеплителя.

Так как сопротивление теплопередаче R₀ должно быть больше или равно нормируемому сопротивлению R_reg, то для определения минимальной толщины утеплителя приравниваем R₀ к R_reg.

Выделяя из формулы 5 толщину утеплителя d_ут и принимая вместо R₀ = R_reg, получим

d_ут = (R_reg – 1/a_i – d₁/l₁ – d₂/l₂ – d_n/l_n – 1/a_e)× l_ут (6)

При использовании в многослойной ограждающей конструкции гибких или жестких связей сопротивление теплопередаче необходимо корректировать с помощью коэффициента теплотехнической однородности ограждения r , определяемого по приложению Н СП 23-101-2004 [2], но не менее значений, приведенных в таблице 6 [2].

Тогда конечная формула для определения толщины утеплителя в многослойной ограждающей конструкции примет вид:

d_ут = (R_reg /r – 1/a_i – d₁/l₁ – d₂/l₂ – d_n/l_n – 1/a_e)× l_ут (7)

По формуле 7 определяется толщина утеплителя в наружных стенах, покрытиях, перекрытиях (следует отметить, что это минимальная толщина утеплителя).

Определение необходимой конструкции светопрозрачных ограждающих конструкций осуществляется в два этапа:

1. Определение требуемого сопротивления теплопередаче, R_reg, м²×°С/Вт, для окон (табл. 4 СНиП 23-02-2003 [1]).

2. Определение типа заполнения оконных проемов в зависимости от R_reg (по приложению Л СП 23-101-2004 [2]).

Пример расчета

Требуется определить толщину утеплителя в трехслойной кирпичной наружной стене в жилом здании расположенном в г. Омске. Конструкция стены: внутренний слой – кирпичная кладка из обыкновенного глиняного кирпича толщиной 250 мм; наружный слой – кирпичная кладка из облицовочного кирпича толщиной 120 мм; между наружным и внутренними слоями расположен эффективный утеплитель из пенополистирола; наружный и внутренний слой соединяются между собой стальными гибкими связями диаметром 8 мм, расположенными с шагом 0,6 м.

1. Исходные данные

Назначение здания – жилой дом.

Район строительства – г. Омск.

Расчетная температура внутреннего воздуха – +20 ⁰С.

Расчетная влажность внутреннего воздуха – 55%.

2. Определение нормируемого сопротивления теплопередаче

Определяется по таблице 4 СНиП 23-02-2003 [1] в зависимости от градусо-суток отопительного периода. Градусо-сутки отопительного периода, D_d, °С×сут, определяют по формуле (1) исходя из средней температуры наружного воздуха и продолжительности отопительного периода.

По СНиП 23-01-99* [3] определяем, что в г. Омске средняя температура наружного воздуха отопительного периода равна: t_ht = минус 8,4 ⁰С, продолжительность отопительного периода z_ht = 221 сут. Величина градусо-суток отопительного периода равна:

D_d = (t_int - t_ht) z_ht = (20 + 8,4)×221 = 6276 ⁰С сут.

Согласно табл. 4 СНиП 23-02-2003 [1] нормируемое сопротивление теплопередаче R_reg наружных стен для жилых зданий соответствующее значению D_d = 6276 ⁰С сут равно R_reg = a D_d + b = 0,00035×6276 + 1,4 = 3,60 м^{2 0}С/Вт.

3. Выбор конструктивного решения наружной стены

Конструктивное решение наружной стены предложено в задании и представляет собой трехслойное ограждение с внутренним слоем из кирпичной кладки толщиной 250 мм, наружным слоем из кирпичной кладки толщиной 120 мм, между наружным и внутренним слоем расположен утеплитель из пенополистирола. Наружный и внутренний слои соединяются между собой стальными гибкими связями диаметром 8 мм, расположенными с шагом 0,6 м.

4. Определение толщины утеплителя

Толщина утеплителя определяется по формуле 7:

d_ут = (R_reg /r – 1/a_i – d_кк/l_кк – 1/a_e)× l_ут

где R_reg – нормируемое сопротивление теплопередаче, м^{2 0}С/Вт; r – коэффициент теплотехнической однородности; a_i – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, Вт/(м²×°С); a_e – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности Вт/(м²×°С); d_кк – толщина кирпичной кладки, м; l_кк – расчетный коэффициент теплопроводности кирпичной кладки, Вт/(м×°С); l_ут – расчетный коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м×°С).

Нормируемое сопротивление теплопередаче определено: R_reg = 3,60 м^{2 0}С/Вт.

Коэффициент теплотехнической однородности определяется по приложению Н СП 23-101-2004 [2]. Так как плотность кирпичной кладки 1800 кг/м³, диаметр стальных гибких связей 8 мм, шаг – 0,6 м, то коэффициент теплотехнической однородности равен r = 0,87. Если применить гибкие связи из стеклопластика для которых r = 0,998, этот коэффициентможно не учитывать.

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности определяется по таблице. 7 СНиП 23-02-2003 [1] a_i = 8,7 Вт/(м²×°С).

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности принимается по таблице 8 СП 23-101-2004 [2] a_e = 23 Вт/(м²×°С).

Суммарная толщина кирпичной кладки составляет 370 мм или 0,37 м.

Расчетные коэффициенты теплопроводности используемых материалов определяются в зависимости от условий эксплуатации (А или Б). Условия эксплуатации определяются в следующей последовательности:

- по табл. 1 СНиП 23-02-2003 [1] определяем влажностный режим помещений, так как расчетная температура внутреннего воздуха +20 ⁰С, расчетная влажность 55%, влажностный режим помещений – нормальный;

- по прил. В СНиП 23-02-2003 (карта) [1] определяем, что г. Омск расположен в сухой зоне;

- по табл. 2 [1] в зависимости от зоны влажности и влажностного режима помещений определяем, что условия эксплуатации ограждающих конструкций – А.

По прил. Д СП 23-101-2004 [2] определяем коэффициенты теплопроводности для условий эксплуатации А: для пенополистирола ГОСТ 15588-86 плотностью 40 кг/м³ l_ут = 0,041 Вт/(м×°С); для кирпичной кладки из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м³ l_кк = 0,7 Вт/(м×°С).

Подставим все определенные значения в формулу 7 рассчитываем толщину утеплителя из пенополистирола:

d_ут = (3,60/0,87 – 1/8,7 – 0,37/0,7 – 1/23)× 0,041 = 0,1415 м

Округляем полученное значение в большую сторону с точностью до 0,01 м: d_ут = 0,15 м. Выполняем проверочный расчет по формуле 5, умножив на коэффициент теплотехнической однородности:

R₀ = (1/a_i + d_кк/l_кк + d_ут/l_ут + 1/a_e )×r

R₀ = (1/8,7 + 0,37/0,7 + 0,15/0,041 + 1/23 ) × 0,87 = 3,78 м^{2 0}С/Вт

Вывод:

Толщина утеплителя из пенополистирола в трехслойной кирпичной стене составляет 150 мм. При этом сопротивление теплопередаче наружной стены R₀ = 3,78 м^{2 0}С/Вт, что больше нормируемого сопротивления теплопередаче (R_reg = 3,60 м^{2 0}С/Вт) на 0,18 м^{2 0}С/Вт.

Теплотехнический расчет светопрозрачных ограждающих конструкций

Светопрозрачные ограждающие конструкции (окна) подбирают по следующей методике.

Нормируемое сопротивление теплопередаче R_reg определяется по таблице 4 СНиП 23-02-2003 [1] (колонка 6) в зависимости от градусо-суток отопительного периода D_d. При этом тип здания и D_d принимают как в предыдущем примере теплотехнического расчета светонепрозрачных ограждающих конструкций. В нашем случае D_d = 6276 ⁰С сут, тогда для окна жилого дома R_reg = a D_d + b = 0,00005×6276 + 0,3 = 0,61 м^{2 0}С/Вт.

Выбор светопрозрачных конструкций осуществляется по значению приведенного сопротивления теплопередаче R_o^r, полученному в результате сертификационных испытаний или по приложению Л СП 23-101-2004 [2]. Если приведенное сопротивление теплопередаче выбранной светопрозрачной конструкции R_o^r, больше или равно R_reg, то эта конструкция удовлетворяет требованиям норм.

Вывод:

Для жилого дома в г. Омске принимаем окна в ПВХ-переплетах с двухкамерными стеклопакетами из стекла с твердым селективным покрытием и заполнением аргоном межстекольного пространства у которых R_о^r = 0,65 м^{2 0}С/Вт больше R_reg = 0,61 м^{2 0}С/Вт.

ЛИТЕРАТУРА (для теплотехнического раздела)

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

2. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты.

3. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.

4. СНиП 31-01-2003. Здания жилые многоквартирные.

5. СНиП 2.08.02-89^*. Общественные здания и сооружения