Методическое пособие 443

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

М. Ф. Макеев, Е. Д. Мельников, М. В. Агеенко

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2018

УДК 725.4 (О7) ББК 38.72 (я7)

М156

Рецензенты:

кафедра математического моделирования Воронежского государственного университета

(зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, профессор В. А. Костин); главный инженер ООО «Инженерпроект»

канд. техн. наук В. В. Щекалев

Макеев, М. Ф.

Архитектурно-строительная теплотехника: учеб. пособие / М156 М. Ф. Макеев, Е. Д. Мельников, М. В. Агеенко. – Воронеж:

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. – 79 с.

ISBN 978-5-7731-0648-7

Рассматриваются теоретические основы и последовательность теплотехнической оценки наружных ограждающих конструкций зданий различного назначения в соответствии с требованиями современных нормативных документов по строительной климатологии и тепловой защите зданий, а также условия создания и поддержания требуемых параметров микроклимата помещений. Приводятся примеры расчета, таблицы необходимых параметров.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлениям 08.03.01 «Строительство», 07.03.01 «Архитектура», 07.03.03 «Дизайн архитектурной среды», 07.03.02 «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия», 08.04.01 «Строительство», дисциплинам «Строительная физика», «Основы архитектуры и строительных конструкций», «Архитектурная физика».

Предназначено для студентов 2-4 курсов. Ил. 32. Табл. 19. Библиогр.: 7 назв.

УДК 725.4 (О7) ББК 38.72 (я7)

ISBN 978-5-7731-0648-7 © Макеев М. Ф., Мельников Е. Д.,

Агеенко М. В., 2018 © ФГБОУ ВО «Воронежский

государственный технический университет», 2018

2

ВВЕДЕНИЕ

Задачей проектировщиков и строителей является создание в зданиях и сооружениях комфортных условий, в которых можно находиться достаточно долго без неприятных ощущений и последствий для здоровья и которые способствовали бы плодотворному труду и приятному отдыху, т.е. в любых климатических условиях необходимо обеспечить благоприятный микроклимат в помещениях.

На отопление существующих зданий в нашей стране расходуется значительная часть от произведенной тепловой энергии. Большой расход энергоресурсов в значительной мере объясняется потерями тепла через ограждающие конструкции: кровлю, стены, оконные и дверные проемы, а также через системы вентиляции.

Изменение влажностного режима, в частности чрезмерное насыщение влагой материалов ограждения, приводит к ухудшению его эксплуатационных качеств. Прежде всего, увеличивается теплопроводность материалов, а следовательно, падает сопротивление теплопередаче всей конструкции. Кроме того, увлажненные материалы быстро разрушаются от коррозии, замораживания, биологических процессов.

Повышению комфортности помещений способствует правильная организация воздухообмена в зданиях, а также учет изменчивости параметров наружного воздуха.

Выбор типа застройки, параметров отдельных ее элементов и их взаимного расположения в зависимости от климатических условий района строительства является необходимой предпосылкой для решения задачи по созданию комфортной среды обитания для людей и расчетных условий работы оборудования.

Комплексный подход к решению основной теплотехнической задачи при учете большинства климатических факторов способствует оптимизации затрат на возведение зданий и их эксплуатацию.

В данном учебном пособии все рисунки выполнены авторами, за исключением карты зон влажности в П3, взятой из СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.

3

1. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЗДАНИЙ

1.1. Микроклимат помещений

Природа воздействует на человека через свои климатические факторы – температуру, влажность, скорость движения воздуха, значения которых могут изменяться в достаточно широких пределах. Человек способен воспринимать достаточно широкий диапазон этих факторов: высокие и низкие температуры, сильный ветер и безветрие, аномально высокую или низкую влажность. Однако большинство таких сочетаний для нас являются экстремальными и их можно переносить лишь непродолжительное время без ухудшения самочувствия и неблагоприятных последствий для здоровья. Задачей проектировщиков и строителей является создание в проектируемых зданиях и сооружениях условий комфортных, в которых можно находиться достаточно долго без неприятных ощущений и последствий для здоровья и которые способствовали бы плодотворному труду и приятному отдыху, т.е. в любых климатических условиях обеспечить благоприятный микроклимат в помещениях.

Основными параметрами микроклимата являются:

-температура внутреннего воздуха tв;

-относительная влажность внутреннего воздуха φв;

-скорость движения внутреннего воздуха vв.

На основании проведенных медико-биологических исследований были определены нормативные сочетания значений этих параметров для различных зданий и сооружений в зависимости от их назначения. Рекомендуемые значения регламентируются:

-СП (для жилых и общественных зданий);

-ГОСТ (для производственных зданий и сооружений);

-заданием на проектирование (если нет данных в СП и ГОСТ). Задача создания и поддержания необходимых сочетаний пара-

метров микроклимата является основной теплотехнической задачей и решается на всех этапах проектирования, из которых следует выделить:

- разработку проекта застройки (квартальная застройка жилых массивов, ветроотбойная застройка и т.п.);

4

-выбор рационального объемно-планировочного решения (например, увеличение ширины жилой секции в северной климатической зоне);

-обоснованный выбор типа наружного ограждения и материалов для него;

-выбор систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Удачным с этой точки зрения следует считать проект, который в максимальной степени учитывал бы большинство климатических факторов и обеспечивал надежную защиту зданий от их неблагоприятного воздействия.

1.2.Теплотехнические требования к ограждениям

Кнаружным ограждающим конструкциям зданий (наружным стенам, чердачным перекрытиям, совмещенным покрытиям, заполнению оконных и дверных проемов и т.п.) предъявляются определенные требования, направленные на создание комфортных условий в помещениях и обеспечение долговечности конструкций, а также их экономичности. Основными из них являются:

-поддержание требуемого температурного режима в помещениях в соответствии с их назначением;

-температура на внутренней поверхности ограждения τв не должна вызывать ощущения холода у человека и образования конденсата, который ухудшает микроклимат и вредит внутренней отделке;

-колебания температуры на внутренней поверхности ограждения τв должны находиться в допустимых пределах, т.е. гасить существующие (суточные и при изменении погоды) колебания температуры наружного воздуха tн;

-в толще ограждения не должна конденсироваться влага, т.к. это ухудшает его теплозащитные качества и снижает долговечность.

Обеспечить комфортные условия в помещениях зданий возможно увеличением теплозащитных свойств наружного ограждения, а также повышением мощности системы отопления. При этом следует выявить минимальное значение суммарных затрат на возведение и эксплуатацию здания в течение расчетного периода.

Зависимость затрат на возведение здания, его отопление, а также общих затрат от теплозащитной способности ограждения можно

5

представить в виде схематического графика, позволяющего определить оптимальное значение термоизоляции на рис. 1.1.

Отопление

Возведение

Термоизоляция R

Оптимальное значение R (минимум общих затрат)

Рис. 1.1. Затраты на возведение, отопление здания и общие затраты на его эксплуатацию

Чтобы определить, какие конструктивные меры могут обеспечить выполнение теплотехнических требований при оптимальных затратах, следует рассмотреть физические процессы, возникающие при прохождении тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции зданий.

1.3. Теплопередача

Теплопередача – распространение тепловой энергии в физической среде, возникающее при наличии разности температур между отдельными её частями. При этом тепловой поток направлен из области более высоких температур в область более низких. Различают три вида теплопередачи:

-теплопроводность;

-конвекция;

-тепловое излучение.

Теплопроводность – вид теплопередачи, при котором кинетическая энергия одних молекул последовательно передается другим. Этот вид теплопередачи наблюдается во всех агрегатных состояниях вещества, но наиболее четко проявляется в твердых телах. При рассмотрении плоской протяженной конструкции, состоящей из одно-

6

родного материала, при постоянных температурах на поверхностях теплопроводность описывается законом Фурье:

где Qт – количество тепла, передаваемого теплопроводностью; τв – температура на внутренней поверхности ограждения; τн - температура на наружной поверхности ограждения; λ – коэффициент теплопроводности материала; δ – толщина конструкции;

F – площадь ограждения; Z – время.

Отношение δ/ λ = R называется термическим сопротивлением конструкции.

Конвекция – передача тепла движущимися массами жидкости или газа. По своей физической сути процесс достаточно сложный и часто не поддается математическому описанию, а в теплотехнических расчетах учитывается специальными инженерными коэффициентами.

Тепловое излучение возникает, если физическое тело имеет температуру выше абсолютного нуля (Т>0 oC). Количество излучаемой тепловой энергии определяется выражением

где C0 – коэффициент излучения, зависящий от цвета и фактуры излучающей поверхности. Для абсолютно черного тела C0 = 4,96, для шлакобетона C0 = 4,46, для алюминиевой фольги C0 = 0,4.

1.4. Теплопередача через однослойное ограждение

Рассмотрим однородную конструкцию толщиной δ, изготовленную из материала с коэффициентом теплопроводности λ, находящуюся в температурном поле, определяемом tв и tн (рис. 1.2).

Различают три тепловых потока, проходящих через ограждение: Q1 – тепловой поток, направленный от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения. Передача тепла происходит теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

7

Рис. 1.2. Распределение температур и тепловых потоков в однослойной конструкции

Через единичную поверхность в единицу времени передается количество тепловой энергии, определяемое следующим выражением:

где αв – коэффициент тепловосприятия внутренней поверхности; Q2 – тепловой поток, направленный от внутренней поверхности

конструкции к наружной. Количество тепла, передаваемого теплопроводностью, равно

Q3 – тепловой поток, направленный от наружной поверхности к наружному воздуху:

где αн – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности. Исключив из выражений (1.3) – (1.5) значения τв и τн, получим

Величина в знаменателе последнего выражения представляет собой общее сопротивление теплопередаче однослойного ограждения:

8

Формула (1.7) свидетельствует о том, что тепловому потоку сопротивляется не только материал конструкции, но и обе ее поверхности.

1.5. Теплопередача через многослойное ограждение

Большинство ограждений представляют собой многослойные конструкции. При рассмотрении такого ограждения, состоящего из однородных, последовательно по отношению к тепловому потоку расположенных слоев, её общее сопротивление теплопередаче определяется выражением (1.8). Количество слагаемых под знаком суммы определяется числом слоев многослойной конструкции.

В ограждении в качестве одного из слоев иногда используются замкнутые воздушные прослойки (заполнение оконных проемов, витрин и т.п.). Это улучшает теплозащитные характеристики конструкции, т.к. воздух является эффективным теплоизолятором (λ = 0,02).

Термическое сопротивление воздушной прослойки зависит от ее толщины,

расположения и направления теплового потока. Теплопередача в воздушной прослойке происходит теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. С увеличением ее толщины растет доля конвективного теплообмена, поэтому целесообразнее использовать несколько тонких воздушных прослоек, чем одну большой толщины (трехслойное остекление, сочетание стеклопакетов и листового стекла и т.п.). Оклейка поверхностей воздушных прослоек алюминиевой фольгой уменьшает долю теплового излучения и увеличивает ее термическое сопротивление в два раза. Однако этот способ улучшения теплозащиты не следует применять в щелочной среде, разрушающей алюминий (бетонные и железобетонные конструкции, каменная кладка и т.п.).

9