Методическое пособие 820

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

УДК 699.86

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОТМЕНЕННОГО И ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ПРИВЕДЕННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Д. А. Михеев1

Сибирский федеральный университет1 Россия, г. Красноярск

1 Канд. техн. наук, доц., кафедры проектирования зданий и экспертизы недвижимости,

тел.: (391)206-27-56, e-mail: krasdm@bk.ru

Постановка задачи. Обновление нормативной документации проводится с целью повышения точности и объективности получаемых результатов, что является предпосылкой развития соответствующей отрасли. В связи с этим возникла необходимость проведения сравнительного анализа нового, предлагаемого метода расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций по отношению к существовавшему ранее.

Результаты. Выполнен анализ методик по расчету приведенного сопротивления теплопередаче конструкций, основанных на фрагментном и элементном подходах. Отмечены положительные и отрицательные моменты методик. Определены величины отклонений полученных результатов расчета.

Выводы. Результаты, полученные в ходе теоретических расчетов температурных полей, позволяют сделать вывод о необходимости модернизации и дополнения предложенной методики.

Ключевые слова: приведенное сопротивление теплопередаче, температурные поля, удельные характеристики элементов, геометрические показатели.

Введение. Согласно постановлению Правительства РФ от 26.12.2014 г. № 1521 с 1 июля 2015 г. обновились национальные стандарты и своды правил, обеспечивающие соблюдение требований ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

Обновление коснулось и СНиП 23-02-2003 [4] совместно с СП 23-101-2004 [5], которые теперь объединены в один норматив — СП 50.13330.2012 [6]. Данный нормативный документ претерпел кардинальные изменения по многим вопросам, в том числе и в вопросе расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

В настоящей статье выполнен сравнительный анализ методик расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций по вновь введенному СП [6] и утратившему силу СП [5].

1. Методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче. В основу расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций в нормативе [6] взят элементный подход. Сущность такого подхода (метода) состоит в «разбиении» конструкции на отдельные элементы — плоские, линейные и точечные:

© Михеев Д. А., 2017

11

Научный журнал строительства и архитектуры

где αi — площадь плоского элемента i-го вида, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м2/м2, определенная по формуле

здесь Аi — площадь i-й части фрагмента, м2; ΣА — суммарная площадь поверхности фрагмента ограждающей конструкции, выбранной для расчета, м2;

Ui — коэффициент теплопередачи однородной i-й части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент i-го вида), Вт/(м2 оС):

здесь Roусл,i — осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче i-й части фраг-

мента теплозащитнойоболочки здания или выделенной ограждающей конструкции,м2 оС/Вт;

lj — протяженность линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м2:

здесь QLj — дополнительные потери теплоты через линейную теплотехническую неодно-

родность j-го вида, приходящиеся на 1 пог. м, Вт/м; tв — расчетная температура внутреннего воздуха, оС; tн — расчетная температура наружного воздуха, оС;

nk — количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт./м2:

здесь Nk — количество k-х элементов во фрагменте, шт.;

χk — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/оС:

здесь QkK — дополнительные потери теплоты через точечную теплотехническую неодно-

родность k-го вида, Вт.

По всей видимости, разработка методики была направлена на упрощение контроля результатов расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, так как детальная разбивка ограждающей конструкции позволяет проанализировать вклад в теплозащиту каждого отдельного элемента [1].

12

Безусловно, контроль, осуществляемый в процессе расчета, позволяет повысить объективность конечного результата, но такой контроль преимущественно нужен только для начинающих специалистов, а в остальных случаях приведет к существенному снижению производительности вследствие выполнения рутинной работы по предлагаемому алгоритму, состоящему из вычислений по многочисленным формулам и сведению результатов в таблицы, содержащие удельные показатели геометрических характеристик и потерь теплоты через отдельные элементы ограждающих конструкций, а также графическому оформлению результатов расчета температурных полей.

При этом одним из спорных моментов предложенной методики остается отсутствие результатов по объективным значениям минимальных температур на внутренних поверхностях ограждения, которые регламентируются санитарно-гигиеническими требованиями и имеют первостепенную важность.

Как показывает судебная практика, еще ни один собственник жилья ни пришел в суд с иском на несоответствие сопротивления теплопередаче нормативным требованиям, а вот по вопросам образования плесени судебные иски подаются регулярно.

Как известно, наиболее низкие значения температур всегда наблюдаются в трехмерных угловых зонах, например, наружный угол, образованный сопряжением перекрытия с наружными стенами (рис. 1а); угол, образованный примыканием внутренней стены с перекрытием к наружной стене (рис. 1б), сопряжение стенового ограждения со светопрозрачным ограждением (рис. 1в) и т. п. Методика, изложенная в [6], не предусматривает выполнения такого рода расчетов (объемных трехмерных конструкций), т. е. для получения минимальных температур необходимо использовать дополнительные инструменты, что неизбежно приводит к повышению трудозатрат временного плана и снижению производительности.

в)

Рис. 1. Распределение температурных полей в теле и по поверхности ограждающих конструкций:

а) наружный угол; б) угол, образованный примыканием

внутренних конструкций к наружной стене; в) угол, образованный сопряжением светопрозрачного ограждения

со стеновым ограждением

13

Научный журнал строительства и архитектуры

Согласно методике, изложенной в [5], расчет приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций предлагалось осуществлять по формуле

где n — коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху; tint — расчетная температура внутреннего воздуха, оС; text — расчетная температура наружного воздуха, оС; A — площадь неоднородной ограждающей конструкции, м2; Q — суммарный тепловой поток через конструкцию, Вт, определяемый на основе расчета температурного поля на ЭВМ либо экспериментально.

Несмотря на классические корни происхождения [7, 8] формулы (8), она по сей день является универсальной, дающей более простой и интуитивно понятный алгоритм расчета. Хотелось бы отметить, что зачастую результаты, получаемые при расчете одной и той же конструкции специалистами разных организаций, могут быть отличными друг от друга. Но это обстоятельство вызвано в первую очередь отсутствием четких определений (рекомендаций) по использованию геометрических характеристик — поверхностей и соответствующих им площадей, учет которых должен приводить к однозначному объективному результату. Так, например, спорными моментами по корректному учету элементов рассчитываемых конструкций, как и отнесение площадей к той или иной конструкции являются: четверть оконного (дверного) проема, откосы, примыкающие внутренние и наружные конструкции, внутренний и внешний углы. Следует отметить, что новый норматив [6] также не дает разъяснений на этот счет, и следовательно, можно прогнозировать, что единства результатов от применения новой методики, как и ранее, мы не получим.

2. Расчет приведенного сопротивления теплопередаче. Произведем расчет приве-

денного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции по методикам, изложен-

ным в [5] и [6].

Описание конструкции, выбранной для расчета: стеновая панель представляет собой трехслойную конструкцию с оконным проемом, внутренний несущий слой толщиной 110 мм и наружный облицовочный слой толщиной 60 мм выполнены из керамзитобетона плотностью 1500 кг/м3. В качестве среднего используется теплоизоляционный слой толщиной 180 мм из плит пенополистирольных плотностью 40 кг/м3. По периметру теплоизоляционный слой (в целях пожарной безопасности и обеспечения пространственной жесткости) защищен керамзитобетонной смесью. Схема панели представлена на рис. 2. Материалы и их характеристики, используемые в ограждающей конструкции, представлены в табл. 1.

Рассмотрим алгоритм расчета стеновой панели по предлагаемой методике [6].

Высота рассматриваемой в расчете стеновой панели (от пола до потолка) составляет 2610 мм, ширина (от стены до стены) — 2810 мм.

Элементы, составляющие ограждающую конструкцию:

стеновая панель, состоящая из трех слоев: керамзитобетона — 110 мм, пенополистирола — 180 мм, керамзитобетона — 60 мм — плоский элемент 1 (рис. 3а);

оконный откос — линейный элемент 1 (рис. 3б);

обрамляющее теплоизоляционный слой ребро горизонтальное — линейный элемент 2 (рис. 3в);

обрамляющее теплоизоляционный слой ребро вертикальное — линейный элемент 3

(рис. 3г);

шпонка из керамзитобетона сечением 60 × 120 мм — точечный элемент 1 (рис. 3д). Геометрические характеристики проекций элементов:

площадь светового проема (размеры определены по внутренним откосам):

Аок = 2,035 м2;

14

площадь поверхности стеновой панели для расчета приведенного сопротивления теплопередаче:

Аст Аобщ Aок 7,334 2,035 5,299 м2;

площадь стены: А 5,299 м2. Доля плоского элемента от общей площади кон-

струкции составляет

1 5,299/5,299 1;

общая длина проекции оконных откосов составляет

L1 2 1,33 2 1,53 5,72 м.

Длина проекции этих откосов, приходящихся на 1 м2 площади фрагмента, равна

l1 5,72/5,299 1,079 м-1;

общая длина проекции горизонтальных обрамляющих ребер составляет:

L2 2 2,81 5,62 м.

Длина проекции этих ребер, приходящихся на 1 м2 площади фрагмента, равна

l2 5,62/5,299 1,061 м-1;

общая длина проекции вертикальных обрамляющих ребер составляет

L3 2 2,61 5,22 м.

Длина проекции этих ребер, приходящихся на 1 м2 площади фрагмента, равна

l3 5,22 5,299 0,985 м-1;

общее количество шпонок из керамзитобетона в панели — 6 шт. Количество шпонок, приходящихся на 1 м2 панели, равно

n1 6/5,299 1,132 м-2.

Расчет удельных потерь теплоты, обусловленных элементами (расчет температурных полей производился для температуры наружного воздуха –37 оС и температуры внутреннего воздуха 21 оС):

для плоского элемента 1удельные потери теплоты определяются по формулам (Е.6) [6]

иформуле (3):

для линейного элемента 1 рассчитывается температурное поле узла конструкции, содержащего элемент. Температурное поле представлено на рис. 4а.

Площадь стены, вошедший в расчетный участок, S1,1 = 0,7 м2. Потери теплоты через стену с оконным откосом, вошедшую в участок, по результатам расчета температурного поля равны

Q1L 13,33 Вт/м.

15

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 2. Схема стеновой панели с оконным проемом

16

Рис. 3. Схемы элементов, составляющих ограждающую конструкцию

Потери теплоты через участок однородной стены той же площади определяются по формуле (Е.10) [6]:

Q1,1 21 ( 37) 0,7 8,04 Вт/м. 5,05

Дополнительные потери теплоты через линейный элемент 1 составляют:

Q1L 13,33 8,04 5,29 Вт/м.

Удельные линейные потери теплоты через линейный элемент 1 определяются по формуле (5):

Расчеты удельных характеристик других элементов проводятся аналогично и сведены в табл. 2. Температурные поля элементов представлены на рис. 4б, 4в и 4г.

Расчет приведенного сопротивления теплопередаче стенового ограждения сведен в табл. 3.

17

Научный журнал строительства и архитектуры

г)

Рис. 4. Распределение изотерм по фрагментам рассчитываемой конструкции

18

Рассмотрим алгоритм расчета стеновой панели согласно отмененной методике [5].

В качестве расчетной области [2, 3] была взята половина стеновой панели относительно вертикальной оси (сечение 1–1 на рис. 2). Температурные поля (с указанием температур) по рассчитываемому ограждению представлены на рис. 5.

Рис. 5. Распределение изотерм по стеновому ограждению

В результате расчета получены следующие данные:

тепловой поток (с внутренней поверхности стенового ограждения, включая внутренние откосы) Q 77,22 Вт;

площадь рассматриваемого стенового ограждения (без учета наружной четверти)

A 2,65 м2.

Приведенное сопротивление теплопередаче стеновой панели, рассчитанное по формуле (8), составляет:

Ror (21 ( 37)) 2,65 2 1,99 м2 оС/Вт. 77,22 2

3. Сравнение результатов. В результате выполненных расчетов по методикам [5] и [6] установлено единство получаемых результатов по приведенному сопротивлению теплопередаче, а по минимальным температурам на поверхности ограждения расхождение достигает 31 %. Результаты сравнения представлены в табл. 4.

Выводы. Как видно из результатов выполненных расчетов, методика, отраженная в [6], не принесла каких-то значимых новшеств. Напротив, алгоритм расчета стал более трудоем-

19

Научный журнал строительства и архитектуры

ким. Правила учета геометрических показателей, необходимых для получения единства результатов, в случаях, когда площади внутренних поверхностей не равны площадям наружных поверхностей, не раскрыты. Объективность результатов по температурам поверхностей, полученных в ходе расчета двухмерных температурных полей, оставляет желать лучшего, а ведь, как уже упоминалось ранее, именно температуры играют решающую роль для конечного потребителя.

В связи с изложенным можно сделать вывод, что методика, представленная в обновленном СП [6], нуждается в значительной модернизации и дополнениях.

Библиографический список

1.Гагарин, В. Г. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче

ограждающих конструкций / В. Г. Гагарин, В. В. Козлов // Строительные материалы. — 2010. — № 12. — С. 4—12.

2.Использование программных комплексов для повышения достоверности результатов тепловизионных обследований / Р. А. Назиров, Д. А. Михеев, Е. В. Пересыпкин, О. В. Соловьева // Строительные материалы. — 2007. — № 7. — С. 52—53.

3.Назиров, Р. А. Методические рекомендации по расчету наружных ограждающих конструкций с использованием программы «TEMPER—3D» / Р. А. Назиров, Д. А. Михеев, О. В. Соловьева. — Красноярск: Сибирский федеральный ун-т; Ин-т архитектуры и строительства, 2007. — 42 с.

4.СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. — Взамен СНиП II-3-79*; введ. 2003–10–01. — М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2003. — 29 с.

5.СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. — Взамен СП 23-101-2000; введ. 2004– 06–01. М.: ФГУП ЦПП, 2004. — 132 с.

6.СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. — Введ. 2013–07–01. — М.: Минрегион России, 2012. — 95 с.

7.Теплотехника / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер [и др.]; под ред. В. Н. Луканина. — 4-е изд., испр. — М.: Высш. шк., 2003. — 671 с.

8.Фокин, К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К. Ф. Фокин. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1973. — 287 с.

COMPARATIVE ANALYSIS OF CANCELED AND PROPOSED METHODS OF CALCULATING OF THERMAL RESISTANCE OF ENCLOSING STRUCTURES

D. A. Mikheev1

Siberian Federal University1

Russia, Krasnoyarsk

1 PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Buildings Design and Examination Real Estate, tel.: (391)206-27-56, e-mail: krasdm@bk.ru

Statement of the problem. The update of regulatory documents is aimed at improving the accuracy and objectivity of obtained results, which is a prerequisite of development of relevant industry. It has led to the need to conduct a comparative analysis of a newly proposed method of calculating the thermal resistance of enclosing structures.

Results. The analysis of the method of calculation of structure’s thermal resistance that is based on the fragment and element approaches was carried out. Positive and negative aspects of the methods were noted. The values of the deviations of the results of calculation were defined.

Conclusions. The results that were obtained in the theoretical calculations of the temperature patterns allow one to make a conclusion about the necessity of modernization and additions to the proposed method.

Keywords: reduced thermal resistance, temperature patterns, specific characteristics of elements, geometrical figures.

20