Теплотехнический расчет ограждающих конструкций

Ограждающими конструкциями здания являются наружные стены, защищающие его помещения от различных воздействий со стороны внешней среды. Поскольку ограждающие конструкции расположены между искусственной средой помещения и природной средой, имеющими различные температурные режимы, они находятся в состоянии постоянного теплообмена.

Перенос тепла в твердых материалах независимо от их структуры возникает всегда, когда имеется разность температур, и количество переносимого тепла всегда пропорционально ей.

Создание конструкции с тем или иным сопротивлением теплопереносу всегда связано с решением не только технических вопросов, но и с оценкой экономических возможностей, необходи­мых для их осуществления: чем выше показатели сопротивления, тем выше и экономические затраты на их обеспечение; но при этом снижаются эксплуатационные затраты и улучшаются показатели микроклимата помещений. Поэтому проектирование ограждающих конструкций - это всегда проблема технико-экономической целесообразности принимаемых решений. Обоснование для архитектурно-строительного проектирования наиболее целесообразных реше­ний ограждающих конструкций составляет задачу строительной теплофизики.

В данном курсовом проекте материалы ограждающих конструкций изначально определены заданием, а суть теплотехнического расчета сводится к установлению их толщины. При этом наружные стены проектируемого здания являются многослойными конструкциями, состоящими из основного слоя (кирпича или бетонных блоков) и слоя утеплителя. Учитывая, что толщина основного слоя фиксирована, то соответственно, толщина всей ограждающей конструкции зависит от толщины слоя утеплителя.

Таким образом, теплотехнический расчет сводится к определению материала утеплителя и толщины его слоя в наружной стене проектируемого здания.

Рассмотрим процесс теплопередачи от тёплого воздуха внутри помещения с постоянным значением температуры t_в к холодному наружному воздуху с установившимся отрицательным значением температуры t_н, через разделяющую их ограждающую конструкцию, в которой температуры на поверхностях конструкции имеют значения: τ_в - со стороны помещения и τ_н - наружной стороны. Температура внутренней поверхности ограждающей конструкции положительная, но её значение ниже значения температуры внутреннего воздуха τ_в < t_в. Температура же наружной поверхности конструкции отрицательная, но её значение выше значения температуры наружного воздуха -τ_н > t_н. Эти перепады разности значений температур и вызывают соответствующие им теплообменные процессы. Таким образом, теплопередача состоит из трёх последовательных теплообменных процессов:

- процесса теплообмена между воздухом помещения и внутренней поверхностью конструкции, вызванного температурным перепадом ∆ t_в = t_в - τ_в, который можно назвать тепловосприятием;

- процесса теплообмена в структуре ограждающей конструкции из-за температурного перепада на её поверхностях ∆ t_к = τ_в - (-τ_н), обусловленного теплопроводностью материалов конструкций;

- процесса теплообмена между наружной поверхностью конструкций и наружным воздухом, вызванного разностью значений их температур ∆ t_н = t_н – τ_н; этот процесс можно назвать теплоотдачей.

Количество тепла Q, переносимого в результате этих теплообменных процессов зависит от коэффициента теплопроводности материалов основной конструкции λ_к и утеплителя λ_ут. Соответственно, для внутренней поверхности конструкции этот коэффициент носит название коэффициента тепловосприятия α_в, для наружной поверхности – коэффициента теплоотдачи α_н

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, переносимого через единицу поверхности за единицу времени при разности температур в один градус.

Коэффициент теплопроводности материалов - одна из ос­новных характеристик их теплофизических свойств. В пределах тем­пературного интервала, в котором используются строительные мате­риалы, коэффициент теплопроводности зависит от плотности материалов, их влагосодержания, химического состава и структуры, которая определяет превалирующий вид теплопроводности.

Величина обратная коэффициентам теплообмена является термическим сопротивлением R, т.е. термическое сопротивление тепловосприятию R_в = 1/α_в, термическое сопротивление основной конструкции R_к = δ_к/ λ_к, термическое сопротивление утеплителя R_ут = δ_ут/ λ_ут, а термическое сопротивление теплоотдаче R_н = 1/α_н. Общее сопротивление теплопередаче R_о равно сумме термических сопротивлений:

(1)

где α_в = 8,7 Вт/(м² ) - нормируемое значение коэффициента тепловосприятия;

α_н = 23 Вт/(м² ) - нормируемое значение коэффициента теплоотдачи;

λ_к – коэффициент теплопроводности материала основной конструкции (определяется по Приложению 6 – гр.8), Вт/(м² );

λ_ут – коэффициент теплопроводности материала утеплителя (определяется по Приложению 6 – гр.8), Вт/(м² );

δ_к – толщина слоя основной конструкции, м;

δ_ут – искомая толщина слоя утеплителя, м.

В данной формуле две неизвестные переменные (R_о и δ_ут), поэтому необходимо произвести дополнительные расчеты, учитывающие климатические особенности района будущего строительства проектируемого здания. Для этого используется показатель Градус Сутки Отопительного Периода ГСОП, рассчитываемый по формуле:

(2)

где t_в = 20 - нормируемое значение температуры воздуха внутри помещения;

t_от.пер. – средняя температура отопительного периода (определяется по Приложению 1 – гр. 9), ;

z – продолжительность отопительного периода (определяется по Приложению 1 – гр. 8), сут.

Далее в соответствии с рассчитанным показателем ГСОП определяется требуемое значение общего термического сопротивления R_о (по таблице из Приложения 2).

Таким образом, подставляя найденное значение R_о в формулу (1) можно рассчитать требуемое значение толщины слоя утеплителя δ_ут. При этом нужно учитывать нормируемый шаг градации материала по толщине:

для минераловатных плит – 30 мм;

для пенополистирола – 20 мм;

для пенополиуретана – 10 мм.

Это означает, что требуемое значение толщины слоя утеплителя δ_ут нужно округлить в большую сторону до числа, кратного шагу градации.

Рассмотрим пример расчета толщины слоя утеплителя (см. рис. 1) для двух вариантов ограждающих конструкций (район строительства – г.Москва).

Рис. 1. Процессы теплообмена в ограждающих конструкциях: