2. Определение утепляющих слоев наружной

СТЕНЫ И ЧЕРДАЧНОГО (НАДПОДВАЛЬНОГО)

ПЕРЕКРЫТИЯ ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ.

Знание основ строительной теплотехники необходимо для обоснованного рационального проектирования ограждающих конструкций.

От теплотехнических качеств наружных ограждающих зданий зависят:

а) постоянство температуры и влажности воздуха в помещении в холодное время года и предупреждение понижения температуры ниже требуемой по санитарно-гигиеническим условиям;

б) температура внутренней поверхности ограждения, которая влияет на образование на этой поверхности нежелательного конденсата;

в) влажностный режим наружных ограждений, влияющий на их теплозащитные качества и долговечность здания в целом;

г) количество теплопотерь здания в холодные периоды года, от которых зависит расход энергоресурсов на его отопление.

Наружные ограждающие конструкции в разных географических пунктах подвергаются различным физико-климатическим воздействиям, от которых зависят процессы теплопередачи и изменения влажностного состояния конструкций. Поэтому при определении сопротивления теплопередачи конструкции в расчетах учитывают отрицательные температуры, характерные для данного климатического района, а цель теплотехнических расчетов – обеспечение необходимых тепловлагозащитных качеств конструкций.

При разности температур наружного воздуха и температуры помещения зданий в зимнее время теплопередача происходит через наружные ограждения здания из помещения к наружному воздуху. При этом потери тепла здания восполняются системами отопления.

Теплообмен может осуществляться в виде теплопроводности, конвекции и излучения. Включающий все виды теплообмена перенос тепла от одной воздушной среды к другой при разной их температуре и давлении через разделяющие их плоское ограждение является теплопередачей.

При переходе тепла через ограждающую конструкцию здания происходит понижение температуры от значения температуры внутреннего воздуха помещения до величины температуры наружного воздуха.

Процесс теплообмена между ограждением и воздушной средой является теплоотдачей, а между воздушной средой и ограждением – тепловосприятием.

8

Выбор расчетных зимних температур наружного воздуха для определения требуемого сопротивления теплопередаче зависит от степени массивности конструкции. Менее массивные конструкции охлаждаются быстрее и наоборот. Процесс охлаждения легких конструкций может завершиться в течение суток.

Степень массивности ограждающих конструкций определяется согласно характеристике тепловой инерции – свойству ограждающих конструкций сохранять или медленно изменять существующее распределение температуры внутри конструкции при колебаниях температуры наружного воздуха. Чем массивнее конструкция, тем меньше будут отражаться на ее внутренней поверхности температурные колебания наружного воздуха. Показатель тепловой инерции зависит от толщины конструктивных слоев, их коэффициента теплопроводности и коэффициента теплоусвоения материала.

Одной из основных теплофизических характеристик материала является теплопроводность – способность материала проводить тепло через свою массу. Для строительных материалов она зависит, в основном, от химического состава, структуры, плотности, влажностного и температурного состояния. Степень теплопроводности материала характеризуется его коэффициентом теплопроводности, т. е. количеством тепла, проходящим за один час через 1 м² однородного ограждения толщиной 1 м при разности температур на его поверхностях, равной 1 ⁰С.

Коэффициент теплоусвоения материала характеризует способность его более или менее интенсивно воспринимать тепло при колебаниях температуры на его поверхности.

В основу теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций положен принцип, при котором их сопротивление теплопередаче должно быть не менее требуемого сопротивления теплопередачи по санитарно-гигиеническим условиям. Расчет выполняется на основании 1; 2; 3.

Требуемое сопротивление теплопередаче наружных ограждений R(м²⁰С/Вт), которое необходимо для обеспечения нормального микроклимата в помещениях по санитарно-гигиеническим условиям зависит, в основном, от климатического района, назначения здания и определяется из выражения:

, (2.1)

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по 1, табл. 3;

9

t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С, принимаемая в зависимости от назначения помещений и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений;

t_н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, ⁰С, принимаемая согласно 2 с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций;

 t^н – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимается по 1, табл. 2;

_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по 1, табл. 4.

Термическое сопротивление R (м²⁰С/Вт) слоя ограждающих конструкций

, (2.2)

где  - толщина слоя, м;

 - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/м  ⁰С, принимаемый по 1, прил. 3.

Сопротивление теплопередаче R₀ (м²⁰С/Вт) многослойной ограждающей конструкции

, (2.3)

где _в – см. формулу (2.1);

R_1, R_2, R_n – термическое сопротивление слоев ограждающих конструкций, м²⁰С/Вт, определяемые по формуле (2.2);

_н – коэффициент теплопередачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/м  ⁰С, принимаемый по 1, табл. 6.

Расчетная зимняя температура наружного воздуха принимается в зависимости от значения тепловой инерции ограждения

, (2.4)

где R_1, R_2, R_n – термическое сопротивление слоев ограждающих конструкций, м²  ⁰С/Вт, определяемые по формуле (2.2);

S_1, S_2, S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала слоев ограждающей конструкции, Вт/м  ⁰С, принимаемый по 1, прил. 3.

10

При определении требуемого сопротивления теплопередаче температура наружного воздуха принимается при тепловой инерции D ограждающих конструкций:

- до 1,5 – средняя температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98;

- свыше 1,5 до 4,0 - средняя температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0,92;

- свыше 4 до 7,0 - средняя температура наиболее холодных трех суток обеспеченностью 0,92.

- свыше 7,0 - средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.

Однако, учитывая необходимость экономии энергоресурсов Приказом Госкомитета Украины от 27.06.1996 г., №117 было утверждено « Изменение № 1 к СниП II-3-79* «Строительная теплотехника», действующее на территории Украины. В нем нормативное сопротивление теплопередаче Rнаружных ограждений жилых и общественных зданий принимается по таблице 2.1 3.

Таблица 2.1

№ п/п	Наименование ограждающих конструкций	Нормативные значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, м2  0С/Вт
		1 зона  3501 г.-с.	2 зона 3001- -3500 г.-с.	3 зона 2501- -3000 г.-с.	4 зона 2500 г.-с.
1	2	3	4	5	6
А. НОВОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
	НАРУЖНЫЕ СТЕНЫ
1	Крупнопанельные, монолитные и объемно-блочные с утеплителями:
	а) из полимерных материалов	2,5	2,4	2,2	2,0
	б) из минераловаты и др. материалов	2,2	2,1	1,9	1,8

11

1	2	3	4	5	6
2	Блочные:
	а) с утеплителем, а также из ячеистого бетона	2,0	1,9	1,7	1,5
	б) с пористыми заполнителями	1,8	1,7	1,5	1,3
3	Кирпичные, керамических и других камней мелких блоков:
	а) с утеплителем	2,2	2,1	1,9	1,7
	б) многощелевые	1,6	1,5	1,4	1,2
	ПОКРЫТИЯ И ПЕРЕКРЫТИЯ
4	Покрытия и перекрытия чердаков (кроме «теплых» чердаков)	2,7	2,5	2,4	2,0
5	Перекрытия над проездами и холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом	3,0	2,9	2,4	2,0
6	Перекрытия над не-отапливаемыми подвалами:
	а)со световыми проемами в стенах	2,5	2,4	2,2	2,0
	б) без световых проемов в стенах	2,3	2,2	2,0	1,8
	ОКНА И БАЛКОННЫЕ ДВЕРИ	0,50	0,42	0,42	0,39
Б. РЕКОНСТРУКЦИЯ, КАПИТАЛЬНЫЙ РЕМОНТ
1	Наружные стены	2,2	2,1	1,9	1,7
2	Покрытия, перекрытия чердаков	2,5	2,4	2,2	2,0
3	Перекрытия над подъездами и подвалами	Как для нового строительства
4	Окна и балконные двери

Определение температурных зон заданного района строительства и

реконструкции производится по карте-схеме температурных зон Украины 3 или по количеству градусо-суток (г.-с.) отопительного периода по формуле:

12

, (2.5)

где S – количество градусо-суток отопительного периода, принимаемое по 1;

t_в – 18 ⁰С – расчетная температура внутреннего воздуха в жилых помещениях;

t_о.п. и Z_о.п. - соответственно средняя температура, ⁰С и продолжительность, сут. , отопительного периода по 1.

Для стран СНГ используют таблицы и величины климатических параметров по 1 и СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника».

Расчет утепляющего слоя чердачного (надподвального) перекрытия выполняется в том же порядке и по тем же формулам, что и для наружных стен.

Расчет утепляющих слоев наружных стен жилых и промышленных зданий приведены в примерах 2.1 и 2.2, утепляющего слоя чердачного перекрытия многоэтажного промышленного здания в примере 2.3.

Пример 2.1 Расчетным путем определить толщину утепляющего слоя наружной стены гражданских зданий для зимних условий в соответствии с исходными данными и рис. 2.1.

Рис. 2.1

Исходные данные.

Город Харьков.

₁ – наружная штукатурка из цементно-песчаного раствора, толщиной 0,02 м, плотностью  = 1800 кг/м³;

₂ – кирпичная кладка из глиняного обыкновенного кирпича толщиной 0,51 м, плотностью  = 1600 кг/м³;

₃ – утеплитель – плиты жесткие минераловатные на синтетическом связующем  = 100 кг/м³

Для определения климатической зоны определяем по формуле (2.5) количество градусо-суток отопительного периода для г. Харькова 1.

13

г.-с.,

где t_о.п. и Z_о.п. температура и продолжительность отопительного периода приняты при средней суточной температуре наружного воздуха  8 ⁰С.

Следовательно, город Харьков относится к 1 климатической зоне, для которой по таблице 2.1 R= 2.2 м²  ⁰С/Вт

Общее сопротивление теплопередаче стены по формуле 2.3 составляет:

м²⁰С/Вт,

где _в = 8,7 Вт/м²  ⁰С – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности стены, принимаемый по таблице 4  2 ;

 – толщины слоев стены, м.;

 - расчетные коэффициенты теплопроводности слоев материала стены в зависимости от материалов, его плотности и условий эксплуатации, зависящих от влажностного режима помещений и зон влажности климатического района (для Харькова – условия А) принимаемые по приложению 1, 2, 3  2 ;

_н = 23,0 Вт/м²  ⁰С – коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной поверхности стены принимаемые по 6 табл. 2 .

Сопротивление теплопередаче наружной стены R₀ следует принимать не менее требуемого R, т. е. R₀  R.

Таким образом м²⁰С/Вт,

откуда ₃ = 0,08 м.

Следовательно, для обеспечения требуемых санитарно-гигиенических условий в помещении толщина утепляющего слоя из жестких минераловатных плит должна быть не менее 0,08 м.

Пример 2.2 Расчетным путем определить толщину утепляющего слоя в трехслойных наружных стеновых панелей промышленного здания для зимних условий в г. Харькове в соответствии с исходными данными и рис, 2.2.

14

Исходные данные:

1- и 3 слоя - железобетонная скорлупа толщиной 0,04 и 0,06 м, плотностью  = 2500 кг/м³;

2 слоя – пенополистирол плотностью  = 150 кг/м³.

Работа легкая, температура воздуха в помещении 18 ⁰С.

Рис. 2.2

Определяем по 1 расчетные температуры для г. Харькова:

а) температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98 - -31⁰С;

б) температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0,92 - -28⁰С;

в) температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 - -23⁰С;

г) температура наиболее холодных 3 суток обеспеченностью 0,92 равна 0,5  (28 + 23) = -25,5 ⁰С.

Так как в начале, при определении требуемого сопротивления теплопередаче массивность ограждения неизвестна, принимаем расчетную температуру зимнего воздуха любую из выше перечисленных, а в конце расчет уточняется. Первоначально принимаем для расчета температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 – t_н = -23 ⁰С.

Требуемое сопротивление теплопередаче определяем по формуле (2.1):

м²⁰С/Вт,

где n = 1,0 – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности стены по отношению к наружному воздуху 2, табл. 3;

_в = 8,7 Вт/м²⁰С – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, принимаемый по  2, табл. 4 ;

t^н = 6,0 ⁰С – нормативный температурный перепад между температурой воздуха в помещении и температурой внутренней поверхности стены 2, табл. 3.

15

Общее сопротивление теплопередаче стены определяем по формуле (2.3):

где _в = 8,7 Вт/м²⁰С (см. выше);

_н = 23,0 Вт/м²⁰С – коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной поверхности панели  2, табл. 6 ;

 – толщины слоя конструкции, м.;

 - расчетные коэффициенты теплопроводности материалов конструкции, определяемый по 2, прил. 3 в зависимости от материала, его плотности (кг/м³) и условий эксплуатации стен, зависящей от влажностного режима помещения и зоны влажности климатического района (А или Б), Вт/м²⁰С.

Условия эксплуатации стены зависят от влажностного режима помещений (принимаем влажностной режим – нормальный) и зоны влажности2, прил. 1. Для г. Харькова по прил. 1 2 - третья зона влажности – сухая. По 2, прил. 2 условия эксплуатации при нормальном влажностном режиме помещений и сухой климатической зоне влажности – А. Следовательно, расчетные коэффициенты теплопроводности по 2, прил. 3 для железобетона при  = 2500 кг/м³ - _{1, 3} = 1,95 Вт/м²⁰С, для пенополистирола при  = 150 кг/м³ - ₂ = 0,05 Вт/м²⁰С.

По санитарно-гигиеническим условиям R₀  R.

Таким образом , откуда₂ = 0,03 м.

Определяем массивность наружной стены по показателям тепловой инерции (формула 2.4):

где S – расчетный коэффициент теплоусвоения материала слоя конструкции (Вт/м²⁰С) принимаемый при условиях эксплуатации А  2, прил. 3 .

При D = 1,46 стены по массивности относятся к легким, для чего при

16

определении R расчетная температура наружного воздуха должна быть принята равной температуре наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98, что не было выполнено. Поэтому делаем перерасчет:

м²  ⁰С/Вт.

Поэтому

, откуда ₂ = 0,04 м.

Следовательно, толщину утепляющего слоя из пенополистирола в трехслойной наружной панели необходимо принимать не менее 0,04м.

3. ПОСТРОЕНИЕ ОДНОМЕРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

Стационарные условия теплопередачи характеризуются постоянством во времени величины теплового потока и температуры в ограждении, которые по своей расчетной схеме представляют собой плоскую конструкцию (стенку, плиту), ограниченную с обеих сторон параллельными плоскостями.

При установившихся условиях теплопередачи внутри однородного ограждения (при различных температурах воздуха у его поверхностей) градиент температуры является величиной постоянной. В многослойных ограждающих конструкциях значение температуры может быть вычислено аналитическим путем в любой плоскости, при этом градиент температуры пропорционален термическому сопротивлению слоя.

Эта зависимость положена в основу более простого графического метода определения температуры внутри ограждения (рис. 3.1)

Для построения одномерного температурного поля на крайней слева вертикальной линии в произвольном масштабе строим температурную щкалу (рис. 3.1). По горизонтальной оси, соответствующей нулевой температуре, откладываем последовательно в принятом масштабе все термические сопротивления слоев конструкции, начиная с R_В и заканчивая R_Н, так что сумма всех отрезков дает в том же масштабе величину сопротивления теплопередаче R₀.

Через полученные точки проводим вертикальные линии и на крайних вертикалях откладываем с одной стороны ( у прямой соответствующей R_В) в масштабе отрезок, соответствующий температуре внутреннего воздуха t_В, а с другой – (у отрезка, соответствующего R_Н) в том же масштабе отрезок соответствующий наружной температуре t_Н. Положительные температуры откладываем вверх от горизонтальной оси, а отрицательные – вниз.

17

Полученные точки t_В и t_Н соединяем прямой линией.

Рис. 3.1 Распределение температуры в ограждении в зависимости

от термического сопротивления слоев.

Рис. 3.2 Одномерное температурное поле наружной стены.

18

Рис. 3.3 Одномерное температурное чердачного перекрытия.

Точка пересечения этой прямой с вертикальными линиями на границах слоев ограждения обозначает границы, выражающие значения температур на

границах слоев ограждения. Тепловой поток, проходящий через ограждение, одинаков по величине в любом слое ограждения, следовательно, в построении, графика термических сопротивлений показанном на рис. 3.2, уклон температурной линии одинаков, поскольку горизонтальные размеры на нем выражаются в термических сопротивлениях слоев, т. е. они как бы приведены к однородной конструкции.

Рядом с графиком термических сопротивлений строим в масштабе разрез стены. Переносим характерные точки с границ слоев термических сопротивлений параллельно линии нулевой температуры до пересечения с линиями границ слоев конструкции. При переносе температурной линии на чертеж конструкции уклон ее различен, так как горизонтальные размеры слоев конструкции, которые построены в масштабе толщины (метры) не соответствует горизонтальным размерам сопротивлений. Температурная линия представляет ломаную линию, наклон которой будет в слоях материала, различен.

Аналогично производится построение одномерного температурного поля чердачного (надподвального) перекрытия (рис. 3.3).

На температурных полях указывается зона промерзания стены и

19

перекрытия, проводя вертикальную линию через точку пересечения кривой распределения температур в конструкциях с координатой, обозначающей температуру 0 ⁰С.

Пример 3.1 Построить одномерное температурное поле наружной стены (рис. 3. 2).

Исходные данные: t_В = 18 ⁰С; t_Н = -28 ⁰С; ₁ = 0,015 м; ₂ = 0,22 м; ₃ = 0,015 м; R_В = 0,115 м²  ⁰С/Вт; R₁ = 0,02 м²  ⁰С/Вт; R₂ = 0,67 м²  ⁰С/Вт; R₃= 0,02 м²  ⁰С/Вт; R_Н = 0,08 м²  ⁰С/Вт.

Пример 3.2 Построить одномерное температурное поле чердачного перекрытия (рис. 3. 3).

Исходные данные: t_В = 18 ⁰С; t_Н = -28 ⁰С; ₁ = 0,14 м; ₂ = 0,005 м; ₃ = 0,017 м; R_В = 0,115 м²  ⁰С/Вт; R₁ = 0,07 м²  ⁰С/Вт; R₂ = 0,03 м²  ⁰С/Вт; R₃= 0,94 м²  ⁰С/Вт; R_Н = 0,08 м²  ⁰С/Вт.