Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Калининградский государственный технический университет» Теплотехнический расчет ограждений

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы

по дисциплине «Основы обеспечения микроклимата здания»

для студентов всех форм обучения,

направление 270800 – Строительство,

профиль подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Калининград

Издательство ФГБОУ ВПО “КГТУ”

2012

УДК 697.1:697.9 (075.8)

Рецензенты: Дорохов П.И., к.т.н., доцент кафедры теплогазоснабжения

и вентиляции ФГБОУ ВПО “Калининградский государственный

технический университет”

СОСТАВИТЕЛИ – Герасимов А.А., д.т.н., профессор кафедры теплогазоснабжения

и вентиляции ФГБОУ ВПО “Калининградский государственный технический университет”

Александров И.С., к.т.н., доцент той же кафедры

Методические указания составлены в соответствии с учебным планом подготовки бакалавров по направлению 270800 – Строительство, профиль подготовки « Теплогазоснабжение и вентиляция» на основании:

• требований федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 270800 - Строительство (квалификация (степень) «бакалавр»), утвержденного министром образования и науки Российской Федерации А. Фурсенко 18 января 2010 г., № 54 и зарегистрированного в Минюсте России 10 февраля 2010 г.,

№ 16358;

• программы дисциплины “Основы обеспечения микроклимата здания”, утвержденной проректором по учебно-методической работе ФГБОУ ВПО “Калининградский государственный технический университет”.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции ФГБОУ ВПО “Калининградский государственный технический университет” 22 ноября 2011 г., протокол № 3

Методические указания рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией факультета судостроения и энергетики ФГБОУ ВПО “Калининградский государственный технический университет” 5 декабря 2011 г., протокол № 33

РЕЦЕНЗЕНТ - кафедра теплогазоснабжения и вентиляции ФГБОУ ВПО “КГТУ”

 ФГБОУ ВПО “Калининградский государственный технический университет”, 2012 г.

О Г Л А В Л Е Н И Е

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................4

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ..........................................................................................................4

2. ВНУТРЕННИЕ И НАРУЖНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ...................................4

2.1. Расчетные характеристики наружного климата ...............................................................4

2.2. Параметры микроклимата в помещении............................................................................5

3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГРАЖДЕНИЙ ..........................................................5

3.1. Требуемое сопротивление теплопередаче ........................................................................5

3.2. Требуемая теплоустойчивость ограждений ......................................................................8

3.3. Сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций…………………...11

3.4. Сопротивление паропроницанию ограждающих конструкций ……………...…….....12

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................................16

ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................................................................................................17

ВВЕДЕНИЕ

Расчетно-графическая работа "Теплотехнический расчет ограждений" выполняется студентами на практических занятиях и самостоятельно при изучении специальной дисциплины "Основы обеспечения микроклимата здания". Она включает четыре взаимосвязанные темы:

1. Расчет требуемого сопротивления теплопередаче;

2. Расчет требуемой теплоустойчивости ограждений;

3. Расчет сопротивления воздухопроницанию ограждающих конструкций;

4. Расчет сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций.

Целями выполнения расчетно-графической работы являются усвоение теоретического материала и приобретение навыков анализа соответствия строительных конструкций требованиям строительных теплотехнических норм.

Для достижения поставленной цели студенту необходимо решить следующие задачи:

– ознакомиться с воздействиями природно-климатических и микроклиматических факторов на наружные ограждения;

– ознакомиться с конструкциями наружных ограждений;

– изучить теоретические основы тепловой защиты здания;

– освоить методику расчета тепловой защиты здания;

– углубить знания в области конструирования здания и создания комфортных параметров микроклимата помещения с наименьшими энергетическими затратами.

Во введении к расчетно-графической работе студенту необходимо изложить роль наружных ограждающих конструкций в формировании микроклимата. Необходимо описать применение современных материалов для ограждающих конструкций, рассмотреть экологические и энергетические проблемы, возникающие при создании искусственного микроклимата.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходные данные для выполнения расчетно-графической работы выбираются по номеру задания, определяемому преподавателем. В соответствии с номером задания и исходными данными, приведенными в приложении (табл. П.1), студент определяет пункт строительства, зону влажности и варианты строительных конструкций.

2. ВНУТРЕННИЕ И НАРУЖНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

1. Расчетные характеристики наружного климата

Расчетные параметры наружного воздуха определяют по СНиП 23.01-1999 – "Строительная климатология" [2]. Данные представляют в таблице (форма 1).

Форма 1.

Климатические данные: г. (название); (широта) град. с. ш; климатический район

Наименование параметра, размерность	Обозначение	Значение
Барометрическое давление, кПа Продолжительность отопительного периода, сут Средняя температура отопительного периода, оС Температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, оС Среднемесячная температура воздуха в июле, оС Максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле, оС Минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16 % и более Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16 % и более Продолжительность периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, сут Средняя температура воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, °С	PB zht textay text textVII Atext vext, VII vext,I z0 t0

2. Параметры микроклимата в помещении

При расчете требуемого сопротивления теплопередаче температуру воздуха в помещении принимают для условий отопления в соответствии с рекомендуемыми значениями, приведенными в ГОСТ 30494-96 [1] и с учетом категории помещения.

В данной курсовой работе рекомендуется расчетную температуру внутреннего воздуха для отопления t_int принимать равной 18 ^оС.

2. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГРАЖДЕНИЙ

Теплотехнический расчет наружных ограждений следует проводить, руководствуясь главой СНиП 23–02–2003 “ Тепловая защита зданий ” [3] и сводом правил по проектированию тепловой защиты зданий [4].

Ограждения здания должны обладать требуемыми теплозащитными свойствами и быть в допустимой степени воздухо- и влагопроницаемыми. Расчетное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции следует принимать не менее требуемых значений R₀^min, определяемых исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий по формуле (3.1) и из условий обеспечения требуемой величины удельного расхода тепловой энергии на отопление – табл. 4 СНиП 23–02–2003 (см. табл. П.5).

В работе необходимо рассчитать фактическое сопротивление теплопередаче наружной стены, чердачного перекрытия, межэтажного перекрытия, перекрытия над неотапливаемым подвалом. Определяется также сопротивление теплопередаче заполнений световых проемов. Кроме этого необходимо выполнить расчет тепловой устойчивости, сопротивления воздухопроницанию и паропроницанию наружных ограждающих конструкций.

1. Требуемое сопротивление теплопередаче

Рекомендуется следующая последовательность расчета:

1. Вычерчивают эскиз конструкции наружного ограждения (покрытия) с указанием материала и толщины слоев и нумеруют слои, считая от внутренней поверхности к наружной ₁, ... , _n — толщина слоя , м;

2. Для заданного пункта строительства из исходных данных (табл. П.1) определяют зону влажности, по данным табл. П.2 - влажностный режим помещения и по данным табл. П.3 - условия эксплуатации наружных ограждений — А или Б [3].

3. Из табл. П.4 выписывают теплофизические свойства материалов слоев конструкции с учетом условий эксплуатации (А или Б) — коэффициент теплопроводности , Вт/(мК), и коэффициент теплоусвоения S, Вт/(м²К).

4. Определяют минимально допустимое сопротивление теплопередаче наружного ограждения R_о^min, м²К/Вт:

( t_int - t_ext )n

R_o^min =  , (3.1)

tⁿ_int

где t_ext — расчетная зимняя температура наружного воздуха, ^oС, равная температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92; tⁿ — нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, ^oС, принимаемый по табл. П.6 [3,табл. 5]; n — коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, принимаемый по табл. П.7 [3, табл. 6]; t_int - расчетная температура внутреннего воздуха для отопления; _int - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по табл. П.8 [3, табл. 7].

Примечания. 1.Для внутренних ограждающих конструкций требуемое сопротивление теплопередаче определяют в случаях, когда разность температур внутреннего воздуха в разделяемых этими конструкциями помещениях превышает 6 ^оС. Фактическое сопротивление R_о внутренних ограждений определяют в случаях, когда соответствующая разность температур превышает 3 ^оС.

2. При определении R_o^min внутренних ограждающих конструкций по формуле (3.1), следует принимать n =1 и вместо t_ext - расчетную температуру воздуха более холодного помещения; для теплых чердаков и подвалов ( с разводкой в них теплопроводов системы отопления и горячего водоснабжения) эту температуру следует принимать по расчету теплового баланса (но не менее плюс 2 ^оС для подвалов при расчетных условиях и не более плюс 14 ^оС для чердаков и подвалов); для стен и перекрытий смежных квартир в блокированных зданиях t_ext следует принимать не выше плюс 5 ^оС.

После расчета R_o^min по формуле (3.1), определяют минимальное приведенное сопротивление теплопередаче из условий энергосбережения по данным табл. П.5. В дальнейших расчетах в качестве R_o^min принимается большее из полученных двух значений.

5. Записывают уравнение (3.2) общего сопротивления теплопередаче многослойной ограждающей конструкции и решают это уравнение относительно неизвестной толщины _к основного конструкционного слоя, либо слоя утеплителя _у .

R_o^r = 1/_int + _i/_i + R_в.п. + 1/_ext , (3.2)

где R_в.п. — термическое сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек, принимаемое по табл. П.19; _ext - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для зимних условий, принимаемый по табл. П.9.

Термическое сопротивление ограждающих конструкций с неоднородными слоями (пустотные блоки, камни, многопустотные панели перекрытий и др.) определяют 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 с различными материалами, термическое сопротивление ограждающей конструкции R^ll определяется по формуле

 A_i

R^ll = , (3.3)

 (A_i/R_i)

где А _i - площадь i-го участка в направлении, перпендикулярном тепловому потоку, м²;

R_i — термическое сопротивление i-го участка конструкции, определяемое по формуле (3.4) для однородных участков и по формуле (3.5) для неоднородных участков.

R_i = _i/_i, (3.4)

R_i =  R_ij + R_в.п, (3.5)

где R_ij — термическое сопротивление j-го слоя i-го участка конструкции, определяемое по формуле (3.4); R_в.п. — термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки;

б) плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, ограждающая конструкция или часть ее, принятая для определения R^ll , условно разрезается на слои, из которых одни могут быть однородными — из одного материала, а другие неоднородными - из однослойных участков разных материалов. Термическое сопротивление однородных слоев определяется по формуле (3.4), неоднородных слоев — по формуле (3.3), и термическое сопротивление ограждающей конструкции R^ — как сумма термических сопротивлений отдельных однородных и неоднородных слоев по формуле (3.5). Приведенное термическое сопротивление ограждающей конструкции следует определять по формуле

R^r_o = (R^ll + 2R^)/3. (3.6)

Если величина R^ll превышает величину R^ более чем на 25% или ограждающая конструкция не является плоской (имеет выступы на поверхности), то приведенное термическое сопротивление теплопередаче следует определять на основании расчета температурного поля [3].

Полученные значения толщины основного конструкционного слоя _k и слоя утеплителя _у округляют до ближайших стандартных либо унифицированных значений.

6. После округления величин _k и _у определяют по формуле (3.2) фактическое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R_о и по формуле (3.7) рассчитывают показатель тепловой инерции D.

D =  (R_iS_i ), (3.7)

где S_i — расчетный коэффициент теплоусвоения материала i-го слоя ограждающей конструкции (табл. П.4), Вт/(м²К) (для воздушной прослойки S_в.п. = 0).

7. Проверяют возможность конденсации влаги на внутренней поверхности наружного ограждения.

Температура внутренней поверхности ограждающей конструкции _int ^оС равна:

_int = t_int - (t_int - t_ext)n/R^r_o/_int, (3.8)

Температура внутренней поверхности ограждения в наружном углу _int.y приближенно равна:

_int.y = _int - 0,18(1 - 0,23R^r_o)(t_int - t_ext). (3.9)

Для предотвращения конденсации влаги эти температуры должны быть выше температуры точки росы t_d внутреннего воздуха. Если температура _int.y оказывается ниже t_d, то в этом углу необходимо расположить стояк системы отопления либо отопительный прибор.

1. Теплозащита заполнений световых проемов и дверей

Требуемое сопротивление теплопередаче R_o^req заполнений световых проемов (окон, балконных дверей и фонарей) принимают по табл. П.10. По данным табл. П.18 выбирают вид заполнения светового проема и выписывают фактическое сопротивление теплопередаче R_o.

Требуемое сопротивление теплопередаче дверей и ворот должно быть не менее 0,6R_o^min наружных стен зданий и сооружений, определенного по формуле (3.1).

3.2. Требуемая теплоустойчивость ограждений

Для теплого периода года в районах со среднемесячной температурой июля

t_ext.VII  21 ^oС, при тепловой инерции наружной стены менее 4 и покрытия менее 5, теплоустойчивость ограждения определяется из условия обеспечения расчетной амплитуды колебания температуры внутренней поверхности ограждения А^c_int не более требуемой амплитуды А^r_int ,

А^c_int  А^r_int = 2,5 - 0,1(t_extVII - 21), (3.10)

где

А^c_int = А^c_text/; (3.11)

A^c_text = 0,5A_text + _c(I_max – I_av)/_ext; (3.12)

где I_max, I_av — соответственно максимальное и среднее значения суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м2, принимаемой по табл. П.21 или по [4, прил. Ц].

_ext = a + b(v_ext,VII)^0,5; (3.13)

a = 5,8; b = 11,6 - для вертикальных поверхностей;

a = 8,7; b = 2,6 - для горизонтальных поверхностей;

_с - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности покрытия, принимаемый по табл. П.17; v_ext,VII - минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16 % и более;  – величина затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха.

Величину затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха  в ограждающей конструкции, состоящей из однородных слоев, следует определять по формуле

_ (S₁ + _int)(S₂ + ₁) ... (S_n + _n-1)(_ext + _n)

 = 0,9exp(D/ 2 ) , (3.14)

(S₁ + ₁)(S₂ + ₂) ... (S_n + _n)_ext

где D - тепловая инерция ограждающей конструкции; S₁, S₂, ..., S_n - расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²К); ₁, ₂, ..., _n - коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²К), определяемые по формулам (3.15), (3.16).

Примечание. Порядок нумерации слоев в формуле (3.14) принят в направлении от внутренней поверхности к наружной.

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя  с тепловой инерцией D  1 следует принимать равным расчетному коэффициенту теплоусвоения S материала этого слоя конструкции.

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя  с тепловой инерцией D < 1 следует определять расчетом, начиная с первого слоя следующим образом:

а) для первого слоя по формуле

R₁S₁ + _int

₁ = , (3.15)

1 + R₁_int

б) для i-го слоя по формуле

R_iS_i² + _i-1

_i = , (3.16)

1 + R_i_i-1

где R₁, R_i, S₁, S_i - термические сопротивления и коэффициенты теплоусвоения материала соответственно первого и i-го слоев конструкции

Поверхность пола жилых и общественных зданий, вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий и отапливаемых помещений производственных зданий (на участках с постоянными рабочими местами) должна иметь показатель теплоусвоения _п не более нормативной величины, установленной в табл. П.20 [3, табл.13]

Показатель теплоусвоения поверхности пола _п определяют следующим образом:

а) если покрытие пола (первый слой конструкции пола) имеет тепловую инерцию

D₁ 0,5, то показатель теплоусвоения поверхности пола следует определять по формуле

Y_п = 2S₁, (3.17)

б) если первые n слоев конструкции пола ( n  1) имеют суммарную тепловую инерцию D₁ + D₂ + ... + D_n < 0,5, но тепловая инерция (n + 1)-го слоев D₁ + D₂ + ... D_n+1  0,5, то показатель теплоусвоения поверхности пола _п следует определять последовательно расчетом показателей теплоусвоения поверхностей слоев конструкции, начиная с n-го до 1-го:

для n-го слоя по формуле

2R_nS_n² + S_n+1

Y_n = , (3.18)

0,5 + R_nS_n+1

для i-го слоя (i = n-1; n-2; ... ; 1) - по формуле

4R_iS_i² + Y_i+1

_i =  (3.19)

1 + R_iY_i+1

Показатель теплоусвоения поверхности пола Y_п принимается равным показателю теплоусвоения поверхности 1-го слоя. Расчетные коэффициенты теплоусвоения материала S_i принимают при условии эксплуатации А.

3. Сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций

Под влиянием ветра и теплового напора через щели, поры, неплотности, имеющиеся в наружных ограждениях, в помещения может проникать наружный воздух. Это явление, называемое инфильтрацией, приводит к увеличению затрат на отопление, так как часть тепла идет на нагревание инфильтрующегося воздуха. С целью уменьшения и наиболее точного учета этих затрат производят проверку соответствия ограждающих конструкций требованиям строительных норм по сопротивлению воздухопроницанию.

Сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций, за исключением заполнений световых проемов (окон, балконных дверей и фонарей), зданий и сооружений должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию , м ·ч·Па/кг, определяемого по формуле      

   ,                                                           (3.20)           где - нормируемая воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м ·ч), принимаемая по табл. П.11 [3, табл. 11];

- разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций, Па, определяемая по формуле

    ,                             (3.21)

          где - высота здания (от уровня пола первого этажа до верха вытяжной шахты, в данной работе рекомендуется принимать в диапазоне 10-20 м), м;       , - удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м , определяемый по формуле

     

  ,                                                              (3.22)

         где   - температура воздуха: внутреннего (для определения ) - принимается согласно оптимальным параметрам по [1]; наружного (для определения ) - принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по [2];           v_ext,I - максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более.

Рассчитанные значения сопоставляются с фактическими значениями , определяемыми в зависимости от вида ограждения. Для наружных стен фактическое сопротивление воздухопроницанию определяется как

, (3.23)

где - сопротивления воздухопроницанию слоев ограждения, определяемые как , м²⋅ч⋅Па/кг; δ- толщина слоя ограждения, м; i - коэффициент воздухопроницания материала слоя, кг/(м⋅ч⋅Па), принимаемый по табл. П.13.

Сопротивление воздухопроницанию окон и балконных дверей жилых и общественных зданий, а также окон и фонарей производственных зданий должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию , м ·ч/кг, определяемого по формуле      

,                                             (3.24)

           где - то же, что и в формуле (3.20);         - то же, что и в формуле (3.21);             Па - разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачных огражающих конструкций, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию .

Для заполнений окон сопротивление воздухопроницанию принимается по табл. П.12.

На основании сопоставления значений требуемых и фактических сопротивлений воздухопроницанию проверяется выполнение условия для наружных ограждающих конструкций и световых проемов

(3.25)

и делается вывод о соответствии запроектированной конструкции действующим нормативам.