лекции по энергоэфективным зданиям

Міністерство науки і освіти України

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

Кафедра архітектури

Секція архітектури промислових і цивільних будівель

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

зі спецкурсу

“СПЕЦПИТАННЯ З БУДІВЕЛЬНОЇ ФІЗИКИ”

РОЗДІЛ “БУДІВЕЛЬНА ТЕПЛОФІЗИКА”

Склав доц. к.т.н. ТИМОФЄЄВ М.В.

Макіївка 2000

ЗМІСТ

НЕСТАЦІОНАРНА ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

1.1. ТЕПЛОСТІЙКІСТЬ ОГОРОДЖЕННЯ ЗА ЛІТНІХ УМОВ……………………………….………………………………………

3. 3. ПРОНИКНЕННЯ ПОВІТРЯ КРІЗЬ ОГОРОДЖУВАЛЬНI

КОНСТРУКЦІЇ……….…………………………………………………….

4. 4. ВОЛОГИЙ РЕЖИМ ОГОРОДЖУВАЛЬНОЇ КОНСТРУКЦІЇ…………………………………………………………….

5.5. ПРОНИКНЕННЯ ПАРИ КРІЗЬ ОГОРОДЖУВАЛЬНУ КОНСТРУКЦІЮ…………….……………………………………………..

6.6. КОНСТРУКТИВНІ РІШЕННЯ ПІДВИЩЕННЯ ОПОРУ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ ЗОВНІШНІХ ОГОРОДЖЕНЬ………………………………………………………………...

6.1.6.1. Зовнішня теплоізоляція стін огороджень

……………………………………………………………………………

шпалер……………………………………………………………………..

6.9.6.9. Утеплювання перекриття……………………………………………………………….….

6.10.Показники європейських стандартів теплоізоляції огороджень…………………….……………………………………………….

7. ОЦІНКА ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БУДИНКІВ..………………………………………….

……………………………

Додаток 1……..………………………………………………………………………………… Додаток 2 …………………………………………………………………………………………

ЛІТЕРАТУРА…………………………………………………………………………

НЕСТАЦІОНАРНА ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

1.ТЕПЛОСТІЙКIСТЬ ОГОРОДЖЕННЯ ЗА ЛІТНІХ УМОВ

Оцінка теплостійкості огородження за літніх умов базується на врахуванні нестаціонарного режиму, коли конструкція зазнає періодичних теплових впливів. Критерієм оцінки теплостійкості є амплітуда коливань температури на внутрішній

поверхні конструкції АфВ . Величина АфВ залежить від характеру впливу зовнішнього середовища та від теплотехнічних характеристик шарів, з яких складається конструкція.

Амплітуда коливань температури на внутрішній поверхні не повинна бути більш

конструкція є сумісним покриттям. На рис. 8 наведена геометрична схема конструкції. Нумерація шарів ведеться обов’язково у напрямку від внутрішньої до зовнішньої поверхні. В таблиці 4 приведені теплотехнічні характеристики для усіх шарів.

Величини та s (в графах з індексом "Б") взяті з Додатку 3 [1]. За таблицею (температура зовнішнього повітря [3]) встановлюємо величину середньомісячної

1

Рис. 1. Конструкція сумісного покриття

РОЗРАХУНОК

1.1. Розрахункова амплітуда коливань температури внутрішньої поверхні знаходиться як

Арасч tН

де АtН = 18,45 0С - максимальна амплітуда добових коливань температури зовнішнього повітря в липні (за Додатком 2 [3]);

= 0,9 - коефіцієнт поглинення сонячної радіації рубероїдом (Додаток 7 [1]);

Imax = 726 + 133 = 859, Iср = 328 Вт/м2 – відповідно, максимальне (з 11 до 12 години дня) та середньо-добове значення пiдсумованої сонячної радіації (прямої та розсіяної), яка падає на горизонтальну поверхню. Береться за Додатком 5 [3] для 500 північної широти, на якій розташовано Київ;

н - коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої поверхні огороджувальної конструкції за літніх умов, який знаходиться за формулою

де v - мінімальна з середніх швидкостей вітру по румбах за липень, яка повторюється 16% у місяць i більше (приймається за Додатком 4, графа 21 [3]).

Для м. Києва мінімальна швидкість в липні становить v = 0 м/c, але для підрахунків

В цій формулі: е = 2,718 - основа натуральних логарифмів;

D = R s - теплова інерція огороджувальної конструкції, вона знаходиться як підсумок (з даних останньої графи наведених в таблиці 4),

D = 0,83 + 3,226 + 0,244 + 0,208 = 4,51;

в = 8,7 Вт/(м2 0С) – за табл. 4 [1].

Невідомими в формулі (24) є коефіцієнти теплозасвоювання зовнішніх поверхонь Y, Вт/(м2 0С), (див. рис. 6) шарів огороджувальної конструкції. Їх величини можна знайти (див. п. 3.5. [1]) з урахуванням теплової інерції окремого шару. Спочатку підраховують теплову інерцію D кожного шару (D = R s). Коефіцієнт Y шару з тепловою інерцією D 1 дорівнюєть коефіцієнту теплозасвоювання s матеріалу цього шару.

Розрахунок Y слід починати з першого шару (від внутрішньої поверхні) за схемою: а) для першого шару – за формулою

необхідну теплостійкість за літніх умов.

2. ТЕПЛОЗАСВОЮВАННЯ ПОВЕРХНІ ПІДЛОГИ

Підвищені вимоги висуваються до підлог, особливо це стосується підлог перших поверхів, або підлог по грунтах житлових та громадських будівель. Товщина утеплювача в них призначається з умов опору теплопередачі, а також забезпечення помірного теплозасвоювання.

Забезпечення комфортних умов перебування людей в приміщенні потребує відповідної конструкції підлоги. З гігієнічних вимог треба, щоб теплозасвоювання поверхні підлоги було таким, щоб людина могла знаходиться босонiж 2 хвилини [7] без відчуття дискомфорту. В цілому показник теплозасвоювання Yп, Вт/(м2 0С) повинен бути не більше нормативної величини, яка встановлюється за табл. 11* [1]. Показник теплозасвоювання знаходиться залежно від теплової інерції D.

Нумерація шарів в конструкції підлоги призначається в напрямку із приміщення. Показник теплозасвоювання поверхні підлоги маємо знаходити наступним чином: а) якщо покриття підлоги (перший шар конструкції підлоги) має теплову інерцію

D1 = R1 s1 0,5,

то показник теплозасвоювання поверхні підлоги знаходиться як: Yп = 2s;

б) якщо перші n шарів конструкції підлоги (n 1) мають підсумовану теплову

інерцію D1 + D2 + ...+ Dn < 0,5, але теплова інерція шарів D1 + D2 + ... + Dn+1 0,5, то показник теплозасвоювання поверхні підлоги Yп треба знаходити послідовно розрахунком показників теплозасвоювання поверхонь шарів конструкції, починаючи з n-го шару до 1- го:

для n-го шару - за формулою

показнику теплозасвоювання поверхні 1-го шару Y1.

ПРИКЛАД 2.

Перевірити підлогу житлового будинку щодо вимоги теплозасвоювання. Конструкція наведена на рисунку 9, теплотехнічні характеристики зведені до таблиці 2.

Таблиця 2 - Вихідні дані для прикладу 2

Рис. 2 Конструкція підлоги

РОЗРАХУНОК

Тому що

Згідно з таблицею 11 [1] нормативна величина теплозасвоювання поверхні підлоги

становить Yпн =12 Вт/(м2 0С). Таким чином запропонована конструкція не відповідає нормативним вимогам, тому що показник теплозасвоювання перебільшує нормативний.

Можна замінити верхній шар. Наприклад, замість лінолеуму призначимо дуб (впоперек волокон) товщиною 1 = 0,02 м, 1 = 0,23 Вт/(м 0С), s1 = 5,86 Вт/(м2 0С). Тоді

Остаточно Y1 = 2 s1 = 2 5,86 = 11,72 Вт/(м2 0С), що менше нормативного значення.

3. ПРОНИКНЕННЯ ПОВІТРЯ КРІЗЬ ОГОРОДЖУВАЛЬНI КОНСТРУКЦІЇ

Обмін повітря в будинках відбувається через дію природних сил та завдяки роботі штучних пристроїв. Природними силами, які обумовлюють рух повітря в будинку, є гравітаційний та вітровий тиски. Температура i щільність повітря в середині та зовні будинку звичайно не є однаковими, через це гравітаційний тиск повітря по боках огородження виявляється різним.

За рахунок дії вітру на навітряному боці будинку виявляється надмірний статичний тиск. На підвітряному боці статичний тиск є зниженим. Таким чином, завдяки вітру на зовнішніх поверхнях будинку тиск буде відрізнятися від тиску, що є в середині приміщення.

Частіше всього гравітаційний та вітровий тиски діють сумісно. В холодний період року завдяки проникненню в приміщення (інфільтрації) холодного повітря слід очікувати додаткових тепловитрат, через необхідність підігріву холодного повітря.

Найбільш вразливими з цього приводу є вікна та балконні двері. Їх конструкція, тип та кількість прокладок для ущільнення визначається завдяки спеціальним розрахункам.

Опір повітряпроникненню вікон та балконних дверей Rи приймається за Додатком 10 [1] в залежності від типу конструктивного рішення. Його величина повинна бути не

нижче нормативного значення Rитр , яке знаходиться за формулою

де GН - нормативна повiтряпроникливiсть (за табл.12 [1]), для вікон вона дорівнює 10 кг/м2 ч;

p0 = 10 Па - різниця тиску повітря, для якої знаходиться опір повiтряпроникливостi. Різницю тисків на зовнішній та внутрішній поверхнях огородження, Па, треба

знаходити за формулою

де Н – висота будинку (від поверхні землі до верху карнизу), м;

v – максимальна з середніх швидкостей вітру по румбах за січень, яка повторюється 16% і більше [3], для типових проектів вона дорівнює 5 м/с.

Питома вага , Н/м3, знаходиться за формулою

де t – температура повітря приймається tв - для знаходження в та tн - для знаходження н (дорівнюється середній температурі найбільш холодних п'яти діб ймовірністю

0,92).

Опір повітряпроникненню огороджуючих конструкцій Rи, за винятком світлових отворів (вікон, балконних дверей, ліхтарів), будинків і споруд повинен бути не менше

Rтр 2

нормативного опору повітряпроникненню и , м ч Па/кг, що знаходиться за формулою

де р та GН те ж саме, що в формулі (9).

Значення Rи слід приймати згідно Додатку 9 [1].

ПРИКЛАД 3.

Підібрати тип ущільнення конструкції вікон подвійних у окремих оправах буднику висотою Н = 15 м для м. Донецька (tв = 18 0С; tн = -25 0С, v = 6,2 м/c).

РОЗРАХУНОК

Спочатку за формулою (11) знаходимо питому вагу повітря. Для внутрішнього повітря

3463 гв 273 18 11,9 Н/м3.

Для зовнішнього повітря

3463 гн 273 25 13,96 Н/м3.

Знаходимо різницю тисків

р = 0,55 15 (13,96 - 11,9) + 0,03 13,96 6,22 = 12,026 + 16,098 = 28,12 Па.

Нормативний опір дорівнює

Згідно з одержаним нормативним тиском за Додатком 10 [1] можна прийняти для окремих оправ з двома стеклами прокладку з пінополіурітану, для якої Rи дорівнює 0,29.

ПРИКЛАД 4.

Перевірити опір повітряпроникненню зовнішньої стіни товщиною 380мм з цегли на

Н 2

цементнопісчаному розчині (Н =15 м; р = 28,12 Па; G = 0,5 кг/(м ч)).

РОЗРАХУНОК

За формулою (12) знаходимо

Rитр 28,12 56,24м2чПа/кг 0,5 .

За Додатком 9 [1] опір повітряпроникненню заданої конструкції становить Rи = 9 м2 ч Па/кг, що значно нижче Rитр .

Для поліпшення становища слід додати до конструкції (що, принаймі, і робиться) внутрішню вапняну штукатурку товщиною 15 мм, яка має Rи = 142 м2 ч Па/кг (пункт 31 Додатку 9 [1]).

4. ВОЛОГИЙ РЕЖИМ ОГОРОДЖУВАЛЬНОЇ КОНСТРУКЦІЇ

Вологий режим зовнішніх огороджень тісно пов'язаний з теплотехнічним режимом. Коли підвищується вологість будівельних матеріалів, підвищується також їх теплопровідність. Отже, при проектуванні зовнішніх огороджень треба приймати заходинь щодо запобігання можливості зволоження матеріалів огороджувальної конструкції, виключення можливості конденсації водяних парiв на внутрішній поверхні, а також в середині огородження.

Атмосферне повітря містить в собі завжди деяку кількість вологи у вигляді водяної пари, що й обумовлює його вологість. Для розрахунків, пов'язаних з конденсацією вологи, зручно користуватися величинами парціального тиску водяної пари - її пружністю, яка вимірюється в Па.

При постійній температурі і барометричному тиску дійсна пружність водяної пари (е) може мати граничне значення, поверх якого вона не підвищується. Це граничне значення називається максимальною пружністю водяної пари - Е, Па. Ступінь насичення повітря вологою може оцінюватися відносною вологістю повітря

Якщо температура повітря підвищується, то його відносна вологість знижується. Це відбувається тому, що значення дійсної вологості (е) залишається незмінним, а значення максимальної пружності (Е) з підвищенням температури збільшується. Навпаки, при зниженні температури повітря буде підвищуватися її відносна вологість, внаслідок зменшення величини Е.

При деякій температурі, коли Е дорівнює е, відносна вологість повітря наближається до = 100%. Таким чином повітря досягає повного насичення водяною парою. Ця температура р має назву "точка роси".

Точка роси має велике значення для оцінки режиму вологості огороджувальних конструкцій. Якщо температура на внутрішній поверхні дорівнює або нижче температури точки роси ( В р), то повітря, яке стикається з цією поверхнею, охолоджується та її водяна пара у вигляді дрібних крапель випадає на ній. У зв'язку з цим треба на стадії проектування знаходити найбільш вразливі місця в огороджувальнiй конструкції (теплопровідні включення, стики в великоелементному будівництві, зовнішні кути, перемички, карнизи i т.i.) i приймати заходи для запобігання конденсації водяних парiв.

В інженерних розрахунках температура точки роси знаходиться за спеціальними таблицями [16] або використовують формули для знаходження максимальної пружності

[7]

ПРИКЛАД 5.

Установити можливість конденсації вологи на внутрішній поверхні, а також відносну вологість внутрішнього повітря, при якій може відбутися конденсація вологи.

Початкові дані: = 50%; tв = 18 0С; в = 14 0С.

РОЗРАХУНОК

1.1. Знаходимо максимальну пружність водяного пару, яка відповідна температурі tв

=180С. Її можна знайти за спеціальною таблицею [5] або за формулою (14):

ЕtВ 180 С = 476 + (11,5 + 1,61 18)2 = 2115 Па

2.2. З формули (13) відносної вологості знаходимо дійсну пружність водяного пару

е ЕtВ 180 С 50 2115 1057,5

3. За таблицею [5, 16] або за формулою (15), приймаючи Е = е = 1057,5 Па, знаходимо значення температури точки роси

р = 37,2 - (7-0,0015 1057,5)2 = 7,8 0С.

Першим висновком цього розрахунку є те, що при даних умовах, оскільки В Р, конденсата на поверхні не передбачається. Але конденсат може утворитися, якщо відносна вологість повітря буде підвищуватися i досягне такого рівня, коли температура внутрішньої поверхні стане точкою роси.

4.Спочатку знаходимо пружність водяної пари, яка відповідає температурі на внутрішній поверхні

ЕфВ 140 С = 476+(11,5+1,61 14)2 =1635 Па.

5.Знаходимо відносну вологість, при якій на внутрішній поверхні може випасти конденсат

5. ПРОНИКНЕННЯ ПАРИ КРІЗЬ ОГОРОДЖУВАЛЬНУ КОНСТРУКЦІЮ

При експлуатації будівель постійно (особливо в зимовий період) існує різниця парціальних тисків внутрішньої та зовнішньої пари. Різниця цих тисків обумовлює потік водяної пари з приміщення, яка проходить крізь конструкцію.

В інженерних розрахунках проникнення пари характеризується опором паропроникненню Rn, м2 ч Па/мг, який для одношарової конструкції знаходиться за формулою