методические указания к выполнению теплотехнического расчета
методическая разработка по теме

Департамент внутренней и кадровой политики Белгородской области

              ОГАОУ СПО «Белгородский строительный колледж»

И.В. Гунько, Н.В. Тарасенко

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е   У К А З А Н И Я

по теплотехническому расчету ограждающих конструкций для выполнения практических и курсовых работ по профессиональным модулям ПМ 01 «Производство неметаллических строительных изделий и конструкций» МДК 01.01. «Основы строительного производства» для специальности 270809 «Производство неметаллических строительных изделий и конструкций»  и ПМ 02 «Выполнение технологических процессов при строительстве, эксплуатации и реконструкции

строительных объектов» МДК 02.01 «Организация технологических процессов при строительстве, эксплуатации и реконструкции строительных объектов» для специальности 270802 «Строительство и эксплуатация зданий

и сооружений»

Белгород, 2014

С О Д Е Р Ж А Н И Е

П О Я С Н И Т Е Л Ь Н А Я З А П И С К А

Методические указания предназачены для выполнения  теплотехнического расчета ограждающих конструкций при выполнении практических и курсовых работ по профессиональным модулям ПМ 01 «Производство неметаллических строительных изделий и конструкций» МДК 01.01. «Основы строительного производства» для специальности 270809 «Производство неметаллических строительных изделий и конструкций»  и ПМ 02 «Выполнение технологических процессов при строительстве, эксплуатации и реконструкции строительных объектов» МДК 02.01 «Организация технологических процессов при строительстве, эксплуатации и реконструкции строительных объектов» для специальности 270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений.

При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха важнейшей задачей является теплотехнический расчет наружных ограждений здания. Теплотехнические качества наружных ограждений определяют тепловую мощность систем теплоснабжения и отопления, а значит, и затраты тепла на отопление.

В процессе выполнения курсовой и практических работ  студенты учатся работать с нормативной и технической документацией, справочной литературой. Правильно выбранная конструкция ограждения должна обеспечивать его эффективные теплозащитные свойства в течение зимнего периода, а также соответствовать требованиям теплоустойчивости резким колебаниям температуры наружного воздуха в летний период эксплуатации.

В В Е Д Е Н И Е

Строительство зданий должно осуществляться в соответствии с требованиями к тепловой защите зданий для обеспечения установленного для проживания и деятельности людей микроклимата в здании, необходимой надежности и долговечности конструкций, климатических условий работы технического оборудования при минимальном расходе тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданий за отопительный период (далее - на отопление).

Долговечность ограждающих конструкций следует обеспечивать применением материалов, имеющих надлежащую стойкость (морозостойкость, влагостойкость, биостойкость, стойкость против коррозии, высокой температуры, циклических температурных колебаний и других разрушающих воздействий окружающей среды), предусматривая в случае необходимости специальную защиту элементов конструкций, выполняемых из недостаточно стойких материалов.

Нормами установлены три показателя тепловой защиты здания:

а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания;

б) санитарно-гигиенический, включающий температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности выше температуры точки росы;

в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величинами теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом объемно-планировочных решений здания и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.

Требования тепловой защиты здания будут выполнены, если в жилых и общественных зданиях будут соблюдены требования показателей «а» и «б» либо «б» и «в». В зданиях производственного назначения необходимо соблюдать требования показателей «а» и «б».

Теплотехнический расчет ограждающих конструкций гражданских зданий

Теплотехнический расчет заключается в определении толщины искомого слоя ограждения, при котором будет выполняться теплотехническое требование: Ro ≥ Rreg.

Расчет выполняется в соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»,  СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»осуществляют в следующей последовательности:

1) выбирают требуемые наружные климатические параметры;

2) выбирают параметры воздуха из условий комфортности внутри здания в зависимости от назначения здания;

3) разрабатывают объемно-планировочные решения и рассчитывают геометрические размеры здания;

4) определяют требуемое сопротивление теплопередаче  наружных стен, покрытий (чердачных перекрытий), цокольных перекрытий, окон и фонарей в зависимости от градусо-суток отопительного периода климатического района строительства;

5) разрабатывают или выбирают конструктивные решения наружных ограждений.

Теплотехническому расчету подлежат наружные стены, чердачные перекрытия (бесчердачные покрытия), перекрытия над неотапливаемым подвалом, окна и наружные двери, внутренние стены (перегородки).

1.1 Наружная стена

1.1.1   Выполняется эскиз элемента ограждающей конструкции

1.1.2 Составляется теплотехническая характеристика ограждающей конструкции (Таблица 1.1)

Таблица 1.1

Нормируемые теплотехнические показатели строительных материалов и изделий

1.1.3 Определяются градусо-сутки отопительного периода  Dd ,°С∙сут.  

где:  

Dd   – градусо-сутки отопительного периода, °С·сут, для конкретного пункта;

tint – расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая для расчета ограждающих конструкций по минимальным значениям оптимальной температуры соответствующих зданий по ГОСТ 30494.

tht, zht – средняя температура наружного воздуха, °С  и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01-99* для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10 °С – при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых, и не более 8 °С –  в остальных случаях.

1.1.4 Определяется требуемое значение сопротивления теплопередаче  Rreg, (м2∙°С)/Вт, ограждающей конструкции

где:

a=0.0003; b=1.2

1.1.5 Определяется фактическое значение сопротивления теплопередаче  Ron, (м2∙°С)/Вт,   по формуле  

где:                                                                    

 – термическое сопротивление теплоотдачи, (м2∙°С)/Вт;

 – термическое сопротивление тепловосприятию, (м2∙°С)/Вт;

αint – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции,   Вт/(м2∙°С);

αext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода, Вт/(м2∙°С);

Rni – термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м2∙°С)/Вт, определяемое для однородной (однослойной) ограждающей конструкции по формуле:

где:

δ – толщина слоя ограждающей конструкции, м.

λ – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м∙°С).

Термическое сопротивление ограждающей конструкции Rni с последовательно расположенными однородными слоями, (м2∙°С)/Вт, следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоёв:

где:

R1, R2 … Rn – термические сопротивления отдельных слоёв ограждающей конструкции, (м2∙°С)/Вт, определяемые по формуле (4).

1.1.6   Проверка выполнения условия : Ro ≥ Rreq.

1.1.7  Определяется коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2∙°С)

1.2  Бесчердачное покрытие

1.2.1 Выполняется эскиз элемента ограждающей конструкции

1.2.2 Составляется теплотехническая характеристика ограждающей конструкции (бесчердачного покрытия)

Таблица 1.2

1.2.3  Вычисляются градусо-сутки отопительного периода  Dd ,°С∙сут.  

где:  

Dd   – градусо-сутки отопительного периода, °С·сут, для конкретного пункта;

tint – расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая для расчета ограждающих конструкций группы зданий по минимальным значениям оптимальной температуры соответствующих зданий по ГОСТ 30494 .

tht, zht – средняя температура наружного воздуха, °С  и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01-99* для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10 °С – при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых, и не более 8 °С –  в остальных случаях.

1.2.4.   Определяется нормируемое значение сопротивления теплопередаче  Rreq, (м2∙°С)/Вт, ограждающей конструкции

где:

a=0.0005; b=2.2

1.2.5 Определение минимального слоя толщины утеплителя и фактического сопротивления теплопередаче. Минимальная толщина искомого слоя ограждающей конструкции δmin, м, (для наружной стены – основного слоя или теплоизолирующего слоя, для перекрытий – теплоизолирующего слоя) принимается из теплотехнических требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям:  Ro ≥ Rreg. 

Толщина будет минимальной при выполнении равенства Ro = Rreq,

где

Rreq – нормируемое значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, (м2∙°С)/Вт;          

Ron – фактическое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2∙°С)/Вт, определяемое  по формуле  

где:                                                                    

 – термическое сопротивление теплоотдачи, (м2∙°С)/Вт;

 – термическое сопротивление тепловосприятию, (м2∙°С)/Вт;

αint – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции,   Вт/(м2∙°С);

αext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода, Вт/(м2∙°С),

Rni – термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м2∙°С)/Вт, определяемое для однородной (однослойной) ограждающей конструкции по формуле:

где:

δ – толщина слоя ограждающей конструкции, м.

λ – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м∙°С).

Термическое сопротивление ограждающей конструкции Rk с последовательно расположенными однородными слоями, (м2∙°С)/Вт, следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоёв:

где:

R1, R2 … Rn – термические сопротивления отдельных слоёв ограждающей конструкции, (м2∙°С)/Вт, определяемые по формуле (4).

1.2.6  Проверка выполнения условия : Ro ≥ Rreg.

2.2.7   Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2∙°С)

1.3 Перекрытие над неотапливаемым подвалом.

1.3.1 Выполняется эскиз элемента ограждающей конструкции

1.3.2 Составляется теплотехническая характеристика ограждающей конструкции (перекрытия над неотапливаемым подвалом)

Таблица 1.3

1.3.3 Определяются градусо-сутки отопительного периода  Dd ,°С∙сут.  

1.3.4 Определение нормируемого значения сопротивления теплопередаче  Rreq, (м2∙°С)/Вт, ограждающей конструкции

где:

a=0.00045; b=1.9

1.3.5 Определяется фактическое значение сопротивления теплопередаче  

2.3.8 Проверка выполнения условия : Ro ≥ Rreg.

2.3.9 Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2∙°С)

1.4 Наружная дверь

1.4.1        Определяектся риведенное сопротивление теплопередаче Ro, (м2∙°С)/Вт, наружных дверей.

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных) Rreg, м2·°С/Вт, следует принимать не менее

где:

n – коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

∆tn – нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха tint и температурой внутренней поверхности τint ограждающей конструкции,°С;

αint  – то же, что и в формуле (3);     

tint  – то же, что и в формуле (1)

teхt  – расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, °С, для всех зданий, кроме производственных зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации, принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.

Для наружной стены

1.4.2 Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2∙°С)

k =

1.5 Оконный блок

1.5.1  К заполнениям световых проемов относят окна, балконные двери, фонари, витрины и витражи.

1.5.2 Нормируемое значение сопротивления теплопередаче заполнений световых проемов  Rreg,  (м2∙°С)/Вт

a = 0,000075  ;  b=0,15

1.5.3 Приведенное сопротивление теплопередаче заполнений световых проемов Rreq (м2∙°С/Вт) принимается по сертификатным данным производителя, либо экспериментально по ГОСТ 26602.1

1.5.4         Ron = Rreg 

1.5.5   Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2∙°С)

k =

1.6  Внутренняя стена

1.6.1 Теплотехническая характеристика ограждающей конструкции (внутренней стены)

Таблица 1.4

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0, (м2∙°С/Вт), определяется по формуле

Ron =

1.6.2 Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2∙°С)

k =

1.7Неутепленный пол лестничной клетки.

Не утепленными полами считают  полы, расположенные на грунте, и такие, конструкция   которыt   независимо   от   толщины  состоzт  из  слоев  материалов λ  ≤ 1,2 Вт/(м °С).

Потери теплоты через не утепленные полы  с точностью, достаточной для практических целей, производят способом В.Д. Мачинского.

Поверхность пола делят на зоны, полосы шириной 2 м, параллельные линиям наружных стен. Нумерацию зон ведут, начиная от внутренней поверхности наружных стен. Всю поверхность пола делят на 4 зоны. К четвертой зоне относят всю площадь не занятую 1,2 и 3-и зонами; площадь первой зоны в наружном углу учитывают дважды. Значения, R, для каждой из зон принимают согласно.

Rнд1 = 2,1 Вт/(м2/с);                                  Rнд3 = 8,6 Вт/(м2/с);

 Rнд2 = 4,3 Вт/(м2/с);                                  Rнд4 = 14,2 Вт/(м2/с).

Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м2·°С)

Вт/(м2 ·°С)

Вт/(м2 ·°С)

Вт/(м2 ·°С)

Вт/(м2 ·°С)

1.8Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций.

Таблица 1.5

1. Примеры выполнения теплотехнических расчетов ограждающих конструкций

Пример 1.  Теплотехнический расчет многослойной стены.

Требуется определить толщину наружной стены гражданского двухэтажного общественного здания.

1. Исходные данные

- район строительства – г. Белгород

- стены кирпичные 3-х  слойной конструкции

2. Определение условий эксплуатации конструкций

- температура внутреннего воздуха

- относительная влажность воздуха

- зонная влажности – сухая

- влажностный режим помещений – нормальный

- условия эксплуатации ограждающих конструкций – А

3. Расчетная схема

Рисунок 1 . Конструктивная схема многослойной стены

4. Определяем сопротивление теплопередачи

Dd=(tint-tht)·Zht   (1)

Dd =(21+1,9)·191=4373,90С x сут.

где tht=-1,90C - средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха  <80С;

Zht = 191 суток, продолжительность периода со среднесуточной температурой воздуха  <80С;

Поскольку полученное значение отличается от табличного, то требуемое сопротивление теплопередаче определяется по формуле:

Rred=a·Dd + b (2)

Rred= 0,00035·4373,9 + 1,4 =2,93м2 0С/Вm

Общее сопротивление теплопередаче конструкции стены R0 должно быть не менее требуемого сопротивления теплопередачи R0> Rred

Сопротивление теплопередаче многослойной стены    определяют по формуле:

 (3)

где  - всегда в жилых зданий для внутренней стены принимаем 8,7;

- всегда в жилых зданий для несущей стены принимаем 23.

=3,77

3,77>2,93 , т.е. 1-ый показатель теплозащиты выполнен. Принимаем толщину стены 635 мм.

Пример 2 Теплотехнический расчет многослойной стены.

1. Теплотехнический расчет стены:

Район строительства  II – Ракитянский район, Белгородская область.

Рисунок 2 . Конструктивная схема многослойной стены                

Материал стен:

1. силикатный кирпич

• объемный вес  γ1 = 1800 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ1 = 0,76 Вт/м˚C;   
• толщина слоя – 120 мм.

2. утеплитель – пенополистирол

• объемный вес  γ2 = 40 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ2 = 0,041 Вт/м˚C;   
• толщина слоя – 60 мм.

3. силикатный кирпич

• объемный вес  γ3 = 1800 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ3 = 0,76 Вт/м˚C;   
• толщина слоя -  380 мм.

4. слой штукатурки

• объемный вес  γ4 = 1800 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ4 = 0,76 Вт/м˚C;   
• толщина слоя -  20 мм.

Градусо – сутки  отопительного периода, определяют по формуле (1):

Dd =   (1)

Расчетную температуру внутреннего воздуха принимаем по нормам проектирования зданий и сооружений: ˚C;

Среднюю температуру периода со средней суточной температурой ≤ 8˚C, ˚C;

Продолжительность периода со средней суточной температурой ≤ 8˚C, сут.;

Dd = (20-(-1,9))·191 = 4183 ˚C·сут.;

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции Rred определяют:

Rred = a· Dd + b (2)

где  a = 0,0003; b = 1,2;

Rred = 0,0003·4183 + 1,2 = 2,45 м²˚C/Вт;

термическое сопротивление отдельных слоев, определяемых по формуле:

R = δ/λ, (3)

где δ – толщина слоя, м;

λ – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/( м²°C);

Rk = 0,12/0,76 + 006/0,0041+0,38/0,76+0,002/0,76 = 2,789 м²˚C/Вт;

R0 =  1/8,7+2,789+1/23 = 2,95 м²˚C/Вт;

2,95>2,45

Условие выполняется, следовательно, принятая толщина утеплителя является оптимальной.

Пример 3.Теплотехнический расчет конструкции покрытия

Рисунок 3. К теплотехническому расчету покрытия.

Состав покрытия:

1. филизол «В»

• объемный вес  γ1 = 600 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ1 = 0,17 Вт/м˚C;   
• толщина слоя –4мм.

2.  филизол «Н»

• объемный вес  γ2 = 600 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ2 = 0,17 Вт/м˚C;   
• толщина слоя –4мм.

3. цементно – песчаная стяжка

• объемный вес  γ3 = 1800 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ3 = 0,76 Вт/м˚C;   
• толщина слоя - 25мм.

4. керамзитовый гравий по уклону

• объемный вес  γ4 = 550 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ4 = 0,13 Вт/м˚C;   
• толщина слоя -  170 мм.

5. железобетонная плита покрытия

• объемный вес  γ5 = 2500 кг/м³;
• коэффициент теплопроводности  λ5 = 1,92 Вт/м˚C;   
• толщина слоя -  220 мм.

В соответствии со СНиП [3] требования тепловой защиты будут выполнены, если в жилых  и общественных зданиях будут соблюдены требования  R0 > Rred;

Градусо – сутки  отопительного периода, определяют по формуле:

Dd =  (1)

Расчетную температуру внутреннего воздуха принимаем по нормам проектирования зданий и сооружений: ˚C;

Среднюю температуру периода со средней суточной температурой ≤ 8˚C, определяем по таблице 1 [1]: ˚C;

Продолжительность периода со средней суточной температурой ≤ 8˚C, определяем по таблице 1  [1]: сут.;

Dd = (20-(-1,9))*191 = 4183 ˚C*сут.;

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции Rred определяют:

Rred = a* Dd + b (2)

где  a = 0,0004; b = 1,6;

Rred = 0,0004 *4183 + 1,6 = 3,17 м²˚C/Вт;

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции с однородными слоями определяют по формуле:

R0 =  1/ + Rk  + 1/ (3)

Коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаем по таблице 7  [3]: Вт/(м²°C)

Термическое сопротивление ограждающей конструкции Rk определяем по формуле:

Rk = R1 + R2+…+ Rn  (4)

где R1, R2, Rn  - термическое сопротивление отдельных слоев, определяемых по формуле: R = δ/λ,

где δ – толщина слоя, м;

λ – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/( м²°C);

,

,

Для производственных зданий с расчетной температурой внутреннего воздуха 12°C  и ниже приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Rred определяем по формуле:

Rred = ,  (5)

Коэффициент n принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху: n = 1;

Расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, равная температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92: = -23˚C;

Rred = м²˚C/Вт;

Принимаем большее значение Rred=3,17 м²˚C/Вт;

3,17 м²˚C/Вт > 1,23 м²˚C/Вт.

Расчетный перепад , между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции определяем по формуле:

,

;

        ,  где ˚C – нормируемый температурный перепад, принимаемый по таблице 5 [3];

;

Условие выполняется.

Температура точки росы в зависимости от сочетаний температуры  и относительной влажности%, воздуха помещений определяем по приложению Л: =˚C;

Температура внутренней поверхности ,˚C, ограждающей конструкции определяем по формуле:

,

П Р И Л О Ж Е Н И Е

Таблица 1

Нормируемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций

Таблица 2

Нормируемые теплотехнические показатели строиельных материалов и изделий