1803

При использовании в многослойной ограждающей конструкции

гибких или жестких связей конструктивных слоев, которые «прореза-

ют» слой утеплителя, сопротивление теплопередаче необходимо кор-

ректировать с помощью коэффициента теплотехнической однородности

ограждения r , приведенного в задании (согласно отчетным данным ка-

федры ГСХ по расчету теплотехнически неоднородных ограждающих

конструкций с помощью трехмерного моделирования).

Тогда конечная формула для определения толщины утеплителя в

многослойной ограждающей конструкции примет вид:

Толщина утеплителя определяем по формуле :

ут = (Rотр ./r – 1/ в – кк/ кк – 1/ н)× ут

где кк – толщина кирпичной кладки, м; кк – расчетный коэффициент

теплопроводности кирпичной кладки, Вт/(м °С); ут – расчетный коэф-

фициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м °С).

Коэффициент теплотехнической однородности для кирпичной

трехслойной стены со стеклопластиковыми гибкими связями составляет

около r=0,995, и в расчетах может не учитываться (для информации –

если применили стальные гибкие связи, то коэффициент теплотехнической однородности может достигать 0,6-0,7).

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). Определяем условия эксплуатации следующей последовательности:

определяем влажностный режим помещений: так как расчетная температура внутреннего воздуха +20 0С и расчетная влажность 55% согласно табл. 1 [1] влажностный режим помещений – нормальный;

по приложению В (карта РФ) [1] определяем, что г. Омск расположен в сухой зоне;

по табл. 2 [1], в зависимости от зоны влажности и влажностного режима помещений, определяем: условия эксплуатации ограждающих

конструкций – А.

По прил. Д [2] определяем коэффициенты теплопроводности для условий эксплуатации А: для пенополистирола ГОСТ 15588-86 плотно-

стью 40 кг/м3 ут=0,041Вт/(м °С); для кирпичной кладки из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью

1800 кг/м3 кк = 0,7 Вт/(м °С).

Рассчитываем минимальную толщину утеплителя из пенополистирола:

ут = (3,60 – 1/8,7 – 0,37/0,7 – 1/23)× 0,041 = 0,1194 м

21

Округляем полученное значение в большую сторону с точностью

до 0,01 м: ут = 0,12 м.

Выполняем проверочный расчет по формуле 5:

Rо = (1/8,7 + 0,37/0,7 + 0,12/0,041 + 1/23 ) = 3,61 м2 0С/Вт

5. Ограничение температуры и конденсации влаги на внутренней поверхности ограждающей конструкции

Нормируемая величина температурного перепада tн = 4 °С согласно табл. 5 [5].

Определяем расчетный температурный перепад to, °С по формуле

3.10:

to = n(tв – tн)/( Rо int ) = 1(20+37)/(3,61 х 8,7) = 1,8 0С

т.е. меньше, чем tn, = 4,0 0 С,.

Вывод: толщина утеплителя из пенополистирола в трехслойной

кирпичной стене составляет 120 мм. При этом сопротивление теплопе-

редаче наружной стены R0 = 3,61 м2 0С/Вт, что больше нормируемого

сопротивления теплопередаче Rreg. = 3,60 м2 0С/Вт на 0,01м2 0С/Вт.

Расчетный температурный перепад to=1,8°С между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не превышает нормативное значение tн = 4 °С.

Условия расчета выполнены

а) Rопр 3,61 м2 0С/Вт > Rонорм 3,6 м2 0С/Вт;

в) t0 1,8 С < t н 4 С.

Задание 2

Требуется определить заполнение светопрозрачной ограждающей конструкции – окна жилого здания, расположенного в г. Омске.

Решение

1.Исходные данные

-назначение здания – жилой дом;

-район строительства – г. Омск;

-расчетная температура внутреннего воздуха tв = 20 0С;

-расчетная температура наружного воздуха tн = - 37 0С;

-средняя температура tоп 8,4 C и продолжительность zоп 221сут.

отопительного периода, принимаемая по СП 131.13330 [4];

-

2. Определение нормируемого сопротивления теплопередаче

Величина градусо-суток отопительного периода равна:

ГСОП = (tв – tоп) zоп = (20 + 8,4)×221 = 6276 0С· сут/год.

22

Особенность расчета Rотр для окон жилых зданий в том, что нор-

мируемое значение сопротивления теплопередаче принимается диффе-

ренцированно (см. примечание табл. 3. СП 50.13330 [1]) по ГСОП, точ-

нее – коэффициенты a и b:

при ГСОП до 6000 0С· сут/год a=0,000075, b=0,15;

при ГСОП 6000 - 8000 0С· сут/год a=0,00005, b=0,3;

при ГСОП 8000 0С· сут/год и более a=0,000025, b=0,5.

Тогда нормируемое сопротивление теплопередаче для окон (ко-

лонка 6 табл. 3. СП 50.13330 [1]) жилого здания, соответствующее зна-

чению

ГСОП= =62760С·сут/год, равно:

Rотр a ГСОП b = 0,00005×6276 + 0,3 = 0,61 м2 0С/Вт.

Выбор светопрозрачных конструкций осуществляется по значе-

нию приведенного сопротивления теплопередаче Ror, полученному в результате сертификационных испытаний или по приложению Л СП [2].

Если приведенное сопротивление теплопередаче выбранной светопрозрачной конструкции Roпр больше или равно Rотр, то эта конструкция

удовлетворяет требованиям норм.

Вывод: для жилого дома в г. Омске принимаем окна в ПВХпереплетах с двухкамерными стеклопакетами из стекла с твердым селективным покрытием и заполнением аргоном межстекольного про-

странства у которых Rоr = 0,65 м2 0С/Вт больше Rreg = 0,61 м2 0С/Вт. Расчетный температурный перепад между температурой внутрен-

него воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции для окон не нормируется.

Условия расчета выполнены

а) Rопр 0,65 м2 0С/Вт > Rонорм 0,61 м2 0С/Вт;

4. РАСЧЕТ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Температура наружного воздуха в холодный период года колеблется. В районах с неустойчивой зимой она может значительно изменяться в течение нескольких суток. В летний же период года возможны большие колебания температуры наружного воздуха в течение суток. Поэтому тепловое состояние помещений периодически изменяется. Это изменение особенно остро ощущается во второй половине дня (даже в районах с умеренным климатом), поскольку в результате интенсивного

23

воздействия солнечной радиации на стены и покрытия и прохождения

солнечных излучений через окна и фонари воздух в помещении пере-

гревается. В зданиях, возводимых в северных районах России, вследст-

вие переохлаждения помещений наблюдается отсыревание ограждений,

что также отрицательно влияет на здоровье человека.

Периодические и значительные по своей величине изменения тем-

пературы наружного и внутреннего воздуха заставляют предъявлять к

ограждающим конструкциям дополнительные теплофизические требо-

вания. При значительных (и нежелательных в гигиеническом отноше-

нии) колебаниях температуры (внешней или внутренней воздушной

среды) ограждающие конструкции должны обладать теплоустойчиво-

стью.

Свойство ограждения сохранять постоянство или ограничивать

колебания температуры на внутренних поверхностях называют тепло-

устойчивостью. Теплоустойчивость характеризует степень затухания

температурных колебаний в толще ограждения при прохождении через

него теплового потока, и, следовательно, от теплоустойчивости зависит

постоянство температуры в помещении.

В современном строительстве при применении легких, а также многослойных ограждений фактор теплоустойчивости приобрел особое значение.

Основной целью теории теплоустойчивости (теплофизических расчетов при нестационарных условиях теплопроводности), разработанной О.Е. Власовым, является обеспечение развития практических расчетов колебаний температур в ограждающих конструкциях и помещениях, подвергающихся периодическим тепловым воздействиям.

В теории теплоустойчивости принято, что гармонические колебания потока тепла, воспринимаемого поверхностью ограждающей конст-

рукции, происходят с периодом в τ ч, соответствующим времени между

максимумами поступления тепла к поверхности конструкции (периоди-

ческое действие солнечной радиации в ясные дни, последовательные

топки теплоемких печей и т.д.). Прямая линия Qср – Qср выражает сред-

нее значение потока (рис.4.1) тепла, проходящего через 1 м2 ограждаю-

щей конструкции в 1 ч и определяемого по формуле (Q Rt ,). Откло-

нения величин потока тепла от среднего значения Qср выражаются амплитудами AQ. Колебания потока тепла, воспринимаемого поверхностью конструкции, вызывают колебания температуры этой поверхности. Прямая линия представляет среднее значение температуры поверхности, соответствующее установившемуся потоку тепла. Отклонения тем-

24

пературы поверхности от среднего ее значения выражаются амплитуда-

ми At.

Рис. 4.1. Колебания потока тепла и значений температуры на поверхности ограждающей конст-

рукции: Qср и tв.п. – средние значения потока тепла и тем-

пературы на поверхности конструкции; τ – период колебаний; AQ и At – амплитуды колебаний потока тепла и значений температуры; ε – запаздывание колебаний температуры на поверхности ограждающей конструкции по сравнению с колебаниями потока тепла

Амплитуда At зависит от колебаний потока тепла AQ и их периода

τ, а также от теплофизических свойств ограждающей конструкции и входящих в ее состав материалов. По мере углубления внутрь конструкции, амплитуда At уменьшается, а запаздывание ε – возрастает. С учетом этих закономерностей температурных колебаний и их смещений во времени, нижняя кривая на рис. 4.1. могла бы быть отнесена к произвольному сечению по глубине конструкции.

Чем меньше период колебаний потока тепла и его доля, отводимая вглубь конструкции, тем большее количество тепла периодически воздействует на поверхность ограждения, вызывая колебания ее температуры. Это количество тепла, влияющее на изменения указанной температуры, выражается коэффициентом теплоусвоения Y поверхности,

воспринимающей поток тепла (Y AQ ,).

A

Коэффициент теплоусвоения по своему физическому смыслу является коэффициентом тепловосприятия (теплообмена) в условиях передачи через поверхность конструкции периодических тепловых воздействий, происходящих только путем теплопроводности. Величина Y зависит от периодов тепловых воздействий, а также от свойств материала и конструкции, а потому не является обычной теплофизической константой материала, подобной константам теплопроводности и темпера- туро-проводности. Коэффициент теплоусвоения Y связан с изменениями температуры поверхности конструкции и ее отдельных слоев.

25

Колебания температуры, происходящие на поверхности, распро-

страняются вглубь ограждающей конструкции, но их амплитуды

уменьшаются, т.е. колебания постепенно затухают в ее толще. Мерой

интенсивности затухания колебаний температуры внутри однородной

ограждающей конструкции является безразмерная величина, представ-

ляющая произведение термического сопротивления R на коэффициент

теплоусвоения s:

D Rs,

называемая условной толщиной или характеристикой тепловой инер-

ции. Тепловая инерция проявляется в свойстве конструкции сохранять

или медленно изменять распределение температур, характерное для

средних температурных условий окружающейвоздушнойсреды.

Для ограждающих конструкций, состоящих из нескольких слоев,

характеристика тепловой инерции приближенно (формулой не учитыва-

ется порядок расположения в конструкции отдельных конструктивных

слоев с различным теплоусвоением и термическим сопротивлением)

выражается как сумма условных толщин отдельных слоев, т.е.:

D R1s1 R2s2 ... Rn sn .

Индексы при буквенных обозначениях соответствуют порядку номеров слоев, причем нумерация последних принимается в направлении, обратном движению тепловой волны (см рис 4.2).

Рис.4.2. Нумерация конструктивных слоев и их поверхностей при расчете затухания температурных колебаний: I – периодические тепловые воздействия; 1; 2; 3; 4 – нумерация слоев

При изучении особенностей распространения периодических теп-

ловых воздействий по толщине ограждающей конструкции большое

значение имеет так называемый «слой резких колебаний температуры»,

непосредственно прилегающий к поверхности, воспринимающей пе-

риодически поступающее тепло. Внутри слоя резких колебаний одно-

родной конструкции амплитуда колебаний температуры затухает примерно вдвое и на другой его поверхности составляет только половину по сравнению с амплитудой колебаний на поверхности, воспринимающей периодические тепловые воздействия. Характеристика тепловой инерции Dрк для слоя резких колебаний равна единице, т.е.:

26

Dрк Rркs рк s 1,

где Rд – термическое сопротивление слоя резких колебаний, м2 0С/Вт; s – коэффициент теплоусвоения материала этого слоя, Вт/м2 0С;

δрк - толщина слоя резких колебаний, м; λ – коэффициент теплопроводности материала этого слоя, Вт/м 0С.

Если рассматривается конструкция намного толще слоя резких колебаний, то ее следует считать толстой (в этом случае Y=s); в противном случае она является тонкой и величина теплоусвоения ее поверхности Y≠s вычисляется по формуле (4.1*).

Приближенно можно считать, что слой резких колебаний (который занимает сравнительно небольшую часть общей толщины ограждения) определяет характер распространения периодических тепловых воздействий, так как он существенно влияет на усвоение тепла поверхностью ограждения.

Для однородной ограждающей конструкции толщина слоя , м,

резких колебаний определится по формуле:

рк s .

Со слоем резких температурных колебаний у строителей связано понятие об активной теплоемкости конструкций, т.е. об аккумуляции ими тепла. Из этого понятия закономерно вытекает обоснованное представление о практически одинаковой теплоустойчивости толстой конструкции, выполненной из материала с определенными свойствами, и конструкции, у которой из такого материала выполнена лишь внутренняя часть на толщину слоя резких колебаний. При этих допущениях теплофизические процессы, происходящие в действительности, отображаются теорией теплоустойчивости достаточно полно, а практические методы расчетов, вытекающие из нее, по-прежнему оказываются наиболее удобными для установления изменений во времени теплового состояния ограждающих конструкций зданий и ограждаемых ими помещений.

4.1 РАСЧЕТ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД

Проверку на теплоустойчивость осуществляют для горизонталь-

ных (покрытия) и вертикальных (стены) ограждений. При проектиро-

вании ограждающих конструкций зданий в южных районах целесооб-

разно примерять светлую отделку (наружный фактурный слой) из плот-

ных материалов с высоким коэффициентом отражения. При этом, есте-

27

ственно, надо учитывать и вероятность охлаждения ограждения в ноч-

ное время.

В многоэтажных зданиях предпочтительнее устройство стен с на-

ружными лучеотражающими экранами (например, система вентилируе-

мой фасадной теплоизоляции). У фасадов многоэтажных зданий токи

восходящего воздуха могут иметь существенную скорость, а при озеле-

нении и обводнении территории, прилегающей к зданию, достигается

более низкая температура приточного воздуха, по сравнению с темпера-

турой поверхности стен вышерасположенных этажей. Особое значение

имеет защита световых проемов солнцезащитными устройствами, без

применения которых обеспечение приемлемого для людей теплового

состояния помещений становится невозможным.

Солнцезащита и применение вентилируемых ограждающих конст-

рукций (например, система вентилируемой фасадной теплоизоляции),

являются наиболее эффективными мероприятиями в целях улучшения

теплового состояния помещений естественными средствами. Однако

известное влияние на ограничение прогрева слоистых ограждающих

конструкций может оказать целесообразный выбор теплоизолирующих материалов и даже рациональное размещение конструктивных слоев с различными теплофизическими свойствами.

Наибольшее затухание температурных колебаний имеет место в тех многослойных ограждающих конструкциях, в которых чередуются конструктивные слои с малым и большим теплоусвоением, так как затухание в каком-либо слое ограждения характеризуется величиной

смежных конструктивных слоев. Следовательно, утепление из легких материалов будет наиболее эффективным в тех случаях, когда оно расположено между двумя слоями из тяжелых конструктивных материалов с большим теплоусвоением. Из конструкций с воздушными прослойка-

ми наиболее теплоустойчивыми будут те, в которых воздушная про-

слойка расположена между слоями с большим теплоусвоением (из кон-

структивного бетона и т.д.).

При проектировании ограждающих конструкций с учётом их теплоустойчивости согласно п.11.1.1 СП 50.13330 [1], а также [6, 7, 8] необходимо учитывать:

- теплоустойчивость конструкций зависит от порядка расположения слоёв материалов;

28

-величина затухания амплитуды колебаний температуры наруж-

ного воздуха ν в многослойных конструкциях увеличивается, если более

теплоустойчивый материал расположен изнутри;

-наличие в конструкции ограждения воздушной прослойки увели-

чивает теплоустойчивость конструкции, причем целесообразно в замк-

нутой воздушной прослойке устраивать теплоизоляцию с теплоотра-

жающей поверхностью;

-слои конструкции, расположенные между вентилируемой на-

ружным воздухом воздушной прослойкой и наружной поверхностью

ограждающей конструкции, должны иметь минимально возможную

толщину;

-при расчетах коэффициенты теплоусвоения определяются для

наружных поверхностей всех слоев ограждения; нумерация слоев ве-

дется от внутренней поверхности ограждения с поверхности первого

слоя, обращенного в помещение;

-наиболее слабой частью ограждения в теплофизическом отноше-

нии является остекление.

Проверка наружных ограждений на теплоустойчивость осуществ-

ляется в районах со среднемесячной температурой воздуха в июле 21°C

ивыше.

4.2 РАСЧЕТ НОРМАТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ

Для определенных групп зданий в районах со среднемесячной температурой июля 21°C и выше согласно п.6.1 СП 50.13330 [1] расчетная амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций A в не должна быть более нормируемой Aтр :

К таким зданиям относятся жилые и особые группы общественных, а также производственные, в которых необходимо соблюдать оптимальные параметры температуры и относительной влажности воздуха

в рабочей зоне в теплый период года или по условиях технологии поддерживать постоянными температуру или температуру и относительную влажность воздуха.

Нормируемая амплитуда колебаний температуры

Нормируемая амплитуда колебаний температуры внутренней по-

верхности ограждающей конструкции здания Aтр , °C, определяется по

формуле 6.1 СП 50.13330 [1]:

29

где tн – средняя месячная температура наружного воздуха за июль, °C,

принимаемая по табл. * СП 131.13330 [4].

4.3ОЦЕНКА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности

Установлено, что колебания температуры наружного воздуха Atн,

°C, происходят циклически, подчиняются закону синусоиды (рис. 4.1) и

вызывают, в свою очередь, колебания фактической температуры на

внутренней поверхности ограждения Aτв , °C, которые также протекают

гармонически по закону синусоиды.

Теплоустойчивость – это свойство ограждения сохранять относи-

тельное постоянство температуры на внутренней поверхности τв, °C,

при колебаниях внешних тепловых воздействий Atн, °C, и обеспечивать комфортные условия в помещении. По мере удаления от наружной поверхности амплитуда колебаний температуры в толще ограждения, Aτ, °C, уменьшается, главным образом, в толще слоя, ближайшего к наружному воздуху. Этот слой толщиной δрк, м, называется слоем резких колебаний температуры Aτ, °C.

Амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций Aτв, °C, определяют по п.6.2 формуле 6.2 СП

50.13330 [1]:

где ν – величина затухания расчетной амплитуды колебаний температу-

ры наружного воздуха Atнрасч в ограждающей конструкции.

Ограждающая конструкция будет отвечать требованиям теплоустойчивости, если выполняется условие

Aτв Aтр.

Расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха

Расчетную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха

Atнрасч, °C, определяют по п.6.3 формуле 6.3 СП 50.13330 [1]:

где Atí – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры

наружного воздуха в июле, °C, принимаемая согласно СП 131.13330 [4];

30