2. Расчет ограждающих конструкций

НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА

Ограждающие конструкции, отвечающие требованиям энергосбереже­ния, как правило, представляют собой многослойные конструкции с приме­нением эффективных утеплителей. Для таких конструкций необходимо про­верить тепловую инерцию по формуле

, (13)

где R₁, R₂, …, R_n — термические сопротивления отдельных слоев ограждающих конструк­ций, определяемые по формуле (5); S₁, S₂, …, S_n — расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев конструкции, принимаемые по прил. 2.

Наружные ограждения конструкций, не защищенные от прямой солнеч­ной радиации с тепловой инерцией, меньшей 4 для стен или 5 для совмещен­ных крыш, в соответствии с п. 3.1 [1] в климатических районах со среднемесячной температурой июля 21 °С и выше необходимо проверять на теплоустойчивость.

Основным условием проверки ограждающих конструкций на теплоустойчивость является

, (14)

т.е. амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности конст­рукции при колебаниях теплового потока не должна превышать требуемого по санитарно-гигиеническим нормам значения амплитуды, определяемого по формуле

. (15)

Амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности стены А_τв определяют по формуле

, (16)

где — расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, опреде­ляемая по формуле

, (17)

где А_tн — максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле;  — коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверх­ности стеновой панели, принимаемый по прил. 7; I_max, I_ср — максимальное и среднее значения суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, принимаемой по СНиП [3]; _н — коэффициент теплообмена на наружной поверхности панели по летним условиям, определяемый по формуле

, (18)

где v — минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль с повторяемостью более 16 % [3].

Величину затухания  расчетной амплитуды колебаний температуры на­ружного воздуха в формуле (16) определяют по формуле

, (19)

где е = 2,718 — основание натурального логарифма; D — тепловая инерция ограждающей конструкции, определяемая по формуле (13); S₁, S₂, ..., S₃ — расчетные коэффициенты теплоусвоения отдельных слоев материалов; _в= 8,7; _н — коэффициент теплообмена на на­ружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям, определяемый по формуле (18); Y₁, Y₂, Y₃, …, Y_n-1, Y_n — коэффициенты теплоусвоения наружной поверхно­сти отдельных слоев конструкции, при D1 принимаемые равными коэффициентам S ма­териала (Y_i = S_i) и при D<1 определяемые расчетом следующим образом:

а) для первого слоя

, (20)

б) для i-го слоя

. (21)

Пример 4. Проверить теплоустойчивость трехслойных стеновых железо­бетонных панелей, утепленных пенополистиролом, для жилых зданий в г. Волгоград в теплый период года. Условия эксплуатации те же, что и в прим. 1. Конструкция стены представлена на рис. 1.

Порядок расчета

Так как среднемесячная температура июля в Волгограде превышает 21 °С ( = 24,2 °С), то необходимо проверить тепловую инерцию огражде­ния. В соответствии с п. 3.1 СНиП [1], если D < 4,0, то стену необходимо проверить на теплоустойчивость по летним условиям (на перегрев).

Тепловую инерцию трехслойной панели определим по формуле (13). Подставляя значения термических сопротивлений слоев R_i из прим. 1 и соответствующих коэффициентов теплоусвоения материалов S_i (S₁ = 17,98; S₂= 0,65; S₃ = 17,98), получим величину показателя тепловой инерции:

.

Показатель тепловой инерции конструкции оказался меньше четырех (малая инерционность), поэтому необходима проверка на теплоустойчивость по летним условиям.

Основным условием проверки ограждающих конструкций на теплоусто-чивость является

,

т.е. амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности конст­рукции при колебаниях теплового потока не должна превышать амплитуды, требуемой по санитарно-гигиеническим нормам. Для Волгограда это значе­ние будет равно

.

Максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха А_tн для Волгограда в июле (см. [3]) равна 12,7 °С. Коэффициент поглощения солнечной радиации ρ материалом наружной поверхности стеновой панели (см. для бетона по прил. 7) равен 0,7. Максимальное и среднее значения суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации для Волгограда (широта 48°), определяемые по СНиП [3], соответственно равны: I_max=764 Вт/м²; I_ср=184 Вт/м². Минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль с повторяемостью более 16 %, по СНиП [3], для Волгограда v=5,2 м/с.

Определим сначала ко­эффициент теплообмена на наружной поверхности панели _н по летним условиям (по формуле (18)):

Вт/(м∙ºС).

По формуле (17) определяем расчёт­ную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха:

ºС.

Определим коэффициенты теплоусвоения наружных поверхностей слоев:

1) внутреннего слоя (D₁= 0,935 < 1) по формуле (20)

;

2) среднего слоя из пенополистирола (D₂=1,903 > 1)

;

3) наружного слоя (D₃ = 0,468 < 1) по формуле (21)

.

Подставляя полученные значения в формулу (19), определим величину

затухания расчетной амплитуды колебания температуры наружного воздуха:

Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности панели, определяемая по формуле (16), составит

ºС < 2,18 ºС.

Следовательно, стеновая панель отвечает требованиям норм по теплоустойчивости конструкции в теплый период года.

3. Расчет наружных ограждений на воздухопроницаемость

При возникновении разности давлении снаружи здания и внутри через ограждения может проникать воздух. Если воздух входит в здание, то этот процесс называется инфильтрацией, если выходит из здания — эксфилътра-цией. Свойство ограждения или материала пропускать воздух называется воздухопроницаемостью.

Инфильтрационный воздух поступает в помещение с температурой, близ­кой к температуре наружного воздуха. Поэтому в холодный период года его необходимо нагревать, а в теплый (при кондиционировании воздуха) — ох­лаждать.

Практика показывает, что при увеличении скорости ветра от 2,5 до 10 м/с в жилых зданиях теплопотери увеличиваются в 1,8...2,5 раза. Поэтому недоучет инфильтрации может привести к изменению температуры воздуха в помещении.

Воздухоизоляционные свойства ограждающей конструкции или материа­ла определяются их сопротивлением воздухопроницанию R_и, м²·ч/кг, при раз­ности давлений воздуха по обе стороны ограждения р = 10 Па. Согласно СНиП [1], сопротивление воздухопроницанию R_и ограждающих конст­рукций зданий и сооружений (расчетное или измеренное) должно быть не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию :

. (22)

Проверка ограждающих конструкций на соответствие нормативным тре­бованиям (22) по сопротивлению воздухопроницанию осуществляется сле­дующим образом.

Определяют разность давлений воздуха р, Па, на наружной и внутрен­ней поверхностях ограждения проектируемого здания по формуле

, (23)

где Н — высота здания (от поверхности земли до верха карниза), м; v — максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, при­нимаемая согласно СНиП [3] (для г. Волгограда  = 8,1 м/с); _н, _в — удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, определяемый по формулам:

, (24)

, (25)

где t_н — расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СНиП [2] (для г. Волгограда t_н = –25 °С); t_в — расчетная температу­ра внутреннего воздуха, °С, принимаемая согласно ГОСТ 30494-96 и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений.

Для жилых и школьных зданий t_в = +20 °С; для поликлиник и лечебных учреждений t_в = +21 °С; для детских дошкольных учреждений t_в = +22 °С; для производственных зданий — согласно ГОСТ 12.1.005-88.

Для типовых проектов скорость ветра принимают равной 5 м/с, а в кли­матических подрайонах 1Б и 1Г — 8 м/с.

Определяют нормативную воздухопроницаемость ограждающей конст­рукции G_н, кг/(м²·ч), в соответствии с прил. 5.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию как непрозрачных, так и светопропускающих участков ограждающих конструкций определяют по формуле

, (26)

где р_о = 10 Па — разность давлений воздуха на наружной и внутренней по­верхностях ограждения, при которой определяется его воздухопроницае­мость; n — показатель режима фильтрации.

Для наружных стен, перекрытий и покрытий принимаем п = 1; для окон и балконных дверей п = 2/3; для открытых отверстий и каналов п = 0,5.

Расчетное сопротивление воздухопроницанию непрозрачных участков ограждающих конструкций определяют по формуле

, (27)

где R_и1, R_и2, …, R_иk — сопротивления воздухопроницанию отдельных слоев ограждения, м²·ч·Па/кг, принимаемые по прил. 6.

Сопротивление воздухопроницанию слоев ограждений, расположенных между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и на­ружной поверхностью ограждения, не учитывается.

Расчетное сопротивление воздухопроницанию светопропускающих участков ограждающих конструкций определяют по формуле

, (28)

где G_p — воздухопроницаемость светопропускающей конструкции, кг/(м²∙ч), при р_o = 10 Па, полученная в результате сертификационных испы­таний; т — показатель режима фильтрации светопропускающей конструкции, полученный в результате сертификационных испытаний.

Требуемое приведенное сопротивление воздухопроницанию неоднород­ной ограждающей конструкции, содержащей непрозрачные и светопропус-кающие участки, допускается определять по формуле

, (29)

где а_i — площадь i-го участка конструкции, м²; — требуемое сопротивление воздухопроницанию i-го участка кон­струкции, м²·ч/кг, определяемое по формуле (26).

Расчетное приведенное сопротивление воздухопроницанию неоднород­ной ограждающей конструкции, содержащей непрозрачные и светопропускающие участки, определяют по формуле

, (30)

где R_иi — сопротивление воздухопроницанию i-го участка конструкции, м²·ч/кг, оп­ределяемое по формулам (27) и (28).

В случае R_и  ограждающая конструкция удовлетворяет требованиям норм [1] по сопротивлению воздухопроницанию.

В случае R_и < необходимо заменить конструкцию и проводить расче­ты по формулам (27) и (28) до удовлетворения требований норм [1].

Пример 5. Определить, отвечают ли в отношении сопротивления возду­хопроницанию требованиям СНиП [1] наружные стены в 15-этажном жилом доме высотой Н = 48,6 м в г. Волгоград. Наружные стены — нене­сущие, трехслойные, кирпичные, с эффективным утеплителем и гибкими связями. Внутренний слой кирпичной кладки толщиной 250 мм, наружный слой кладки толщиной 120 мм, минераловатный утеплитель номинальной плотностью 50 кг/м, толщиной 140 мм. Изнутри стены оштукатурены из­вестковым раствором толщиной 15 мм.

Порядок расчета

Для г. Волгограда средняя температура наиболее холодной пя­тидневки при обеспеченности 0,92 равна минус 25 °С, а расчетная темпера­тура внутреннего воздуха для жилого здания равна 20 °С.

Вычисляем удельный вес наружного и внутреннего воздуха по формулам (24) и (25):

Н/м³;

Н/м³.

Определяем расчетную разность давлений воздуха на наружной и внут­ренней поверхностях стены по формуле (23)

Па.

Находим требуемое сопротивление воздухопроницанию наружных стен в рассматриваемом доме по формуле (26)

м²·ч/кг.

Расчетное сопротивление воздухопроницанию наружных стен определя­ем по формуле (27)

м²·ч/кг.

Таким образом, рассматриваемые наружные стены не отвечают требова­ниям норм на воздухопроницание [1], так как R_и < .

Если на наружной поверхности утеплителя разместить ветрозащитную паропроницаемую пленку (R_и = 560 м²∙ч∙Па/кг), то сопротивление воздухо­проницанию ограждения будет

м²·ч/кг.

Таким образом, размещение на наружной поверхности утеплителя ветро­защитной пленки существенно повышает сопротивление воздухопроницанию наружных стен, обеспечивая при этом удовлетворение нормативных требований.

Пример 6. Определить, удовлетворяют ли в отношении сопротивления воздухопроницанию требованиям норм [1] пластиковые окна с двухкамерными стеклопакетами (условия эксплуатации и высота дома аналогичны как и в предыдущем примере). Согласно сертификату, при р_o = 10 Па воздухопроницаемость оконного блока G_р = 3,94 кг/(м²·ч); показатель режима фильтрации m = 0,55.

Порядок расчета

Определяем требуемое сопротивление воздухопроницанию окон в рассматриваемом доме по формуле (26):

м²·ч/кг.

Расчетное сопротивление воздухопроницанию оконного блока определя­ем по формуле (28):

м²·ч/кг.

Таким образом, выбранный оконный блок гарантированно удовлетворяет требованиям норм на воздухопроницание [1].

Пример 7. Требуется оценить воздухоизоляционные качества наружной оболочки жилого дома (в пределах первого этажа), рассмотренного в при­м. 5 и 6. Согласно проекту суммарная площадь непрозрачных участков наружных стен составляет 188 м², светопропускающих участков (окон, балконных дверей) — 42 м².

Порядок расчета

Определяем требуемое приведенное сопротивление воздухо­проницанию наружной оболочки здания по формуле (29):

м²·ч/кг.

Расчетное приведенное сопротивление воздухопроницанию наружной оболочки здания вычисляем по формуле (30):

м²·ч/кг.

Таким образом, наружная оболочка жилого дома гарантированно отвеча­ет нормативным требованиям в части сопротивления воздухопроницанию.