Теплотехнический расчет ограждающих конструкций. И.В.Захарова, Н.А.Дьякова
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»
Кафедра строительных конструкций
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Методические указания по выполнению раздела в курсовом проектировании по дисциплинам «Основы архитектуры и строительных конструкций», «Архитектура гражданских
ипромышленных зданий», «Архитектура» для студентов направления подготовки 270800.62 «Строительство»
испециальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений», специализация «Строительство высотных и большепролётных зданий и сооружений» всех форм обучения
Составители И. В. Захарова
Н. А. Дьякова
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 26.11.2012 Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией направления 270800.62 Протокол № 29 от 27.11.2012 Электронная копия хранится в библиотеке КузГТУ
Кемерово 2012
|
1 |
|
|
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
|
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . |
2 |
|
. |
|
|
|
1. |
Строительная теплотехника. Термины и определения. . . . . . . |
3 |
||
2. |
Теплопередача в однородном ограждении при установив- |
|
||
|
шемся потоке тепла . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
5 |
3. |
Термическое сопротивление многослойной конструкции . . . |
8 |
||
4. |
Нормируемое сопротивление |
теплопередаче |
ограждающих |
|
|
конструкций . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . |
10 |
5. |
Примеры выполнения теплотехнического расчёта……..…… |
14 |
||
|
5.1. Общая последовательность выполнения теплотехниче- |
|
||
|
ского расчёта . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . |
15 |
|
5.2. Пример расчёта 1 . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . |
15 |
|
5.3. Пример расчёта 2 . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . |
18 |
6. |
Влажностное состояние ограждающих конструкций . . . . . . . |
20 |
||
7. |
Пример расчёта ограждающей конструкции на конденсацию |
|
||
|
влаги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . . . . . . . |
. . . . . . . . |
22 |
|
Приложение 1. Климатические |
параметры |
холодного |
|
|
периода года (по СНиП 23-01-99) . . . . . . . . . . |
24 |
Приложение 2. Расчетные параметры воздуха в помещениях |
|
|
|
зданий (по СТО 00044807-001-2006) . . . . . . . |
26 |
Приложение 3. |
Конструктивные решения наружных стен из |
|
|
условий энергосбережения . . . . . . . . . . . . . . . |
27 |
Приложение 4. |
Конструктивные решения покрытий из |
|
|
условий энергосбережения . . . . . . . . . . . . . . . |
31 |
Приложение 5. |
Расчетные теплотехнические показатели |
|
|
строительных материалов и изделий (по |
|
|
СНиП II-3-79* и СТО 00044807-001-2006) . . |
33 |
|
. |
|
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
40 |
|
. |
|
|
2
ВВЕДЕНИЕ
Одной из задач, которые приходится решать в архитектурностроительном проектировании, является обоснование наиболее целесообразных решений ограждающих конструкций зданий и сооружений, удовлетворяющих требованиям обеспечения благоприятного микроклимата в помещениях с минимальными эксплуатационными затратами.
Теплотехнический расчет толщины ограждающей конструкции (наружной стены, покрытия, чердачного перекрытия) является обязательной частью при выполнении следующих разделов основной образовательной программы подготовки бакалавров направления 270800 «Строительство»:
курсовой работы по дисциплине «Основы архитектуры и строительных конструкций» (профили 270801 «Промышленное и гражданское строительство», 270804 «Водоснабжение и водоотведение», 270809 «Экспертиза и управление недвижимостью», 270815 «Автомобильные дороги»);
курсового проекта по дисциплине «Архитектура промышленных и гражданских зданий» (профиль 270801);
архитектурно-конструктивной части выпускной квалификационной работы (профиль 270801).
Студентами по направлению подготовки (специальности) 271101 «Строительство уникальных зданий и сооружений», специализация «Строительство высотных и большепролётных зданий и сооружений» также выполняются теплотехнические расчеты при разработке:
курсовой работы по дисциплине «Архитектура»;
курсового проекта по дисциплине «Архитектура промышленных и гражданских зданий»;
архитектурно-конструктивной части выпускной квалификационной работы.
Методические указания разработаны с учетом требований СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и рекомендаций СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий». В приложении приведены теплотехнические характеристики как традиционных, так и новых, появившихся в последние годы конструкционных и теплоизоляционных материалов.
3
1. СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В таблице приведены определения основных понятий и величин, используемых в строительной теплотехнике и необходимых для выполнения теплотехнического расчета ограждающей конструкции.
№ |
Название |
Обозн., |
Характеристика |
|
|
||
термина |
ед. изм. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
4 |
|
|
|
|
|
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1. |
Тепловая защита |
|
|
Теплозащитные свойства совокупности на- |
|||
|
здания |
|
|
ружных и внутренних ограждающих конст- |
|||
|
|
|
|
рукций здания, обеспечивающие заданный |
|||
|
|
|
|
уровень расхода тепловой энергии (теплопо- |
|||
|
|
|
|
ступлений) здания с учетом воздухообмена |
|||
|
|
|
|
помещений не выше допустимых пределов, а |
|||
|
|
|
|
также их воздухопроницаемость и защиту от |
|||
|
|
|
|
переувлажнения при оптимальных парамет- |
|||
|
|
|
|
рах микроклимата его помещений |
|
||
2. |
Микроклимат |
|
|
Состояние внутренней среды помещения, |
|||
|
помещения |
|
|
оказывающее воздействие на человека, ха- |
|||
|
|
|
|
рактеризуемое |
показателями |
температуры |
|
|
|
|
|
воздуха и ограждающих конструкций, влаж- |
|||
|
|
|
|
ностью и подвижностью воздуха |
|
|
|
3. |
Тепловой режим |
|
|
Совокупность всех факторов и процессов, |
|||
|
здания |
|
|
формирующих тепловой внутренний микро- |
|||
|
|
|
|
климат здания в процессе эксплуатации |
|
||
4. |
Отопительный |
|
|
Период года, характеризующийся средней су- |
|||
|
период года |
|
|
точной температурой наружного воздуха рав- |
|||
|
|
|
|
ной и ниже 10 или 8 0С в зависимости от вида |
|||
|
|
|
|
здания |
|
|
|
5. |
Продолжитель- |
|
zht, |
Расчетный период времени работы системы |
|||
|
отопления здания, представляющий собой |
||||||
|
ность отопитель- |
|
сут |
||||
|
ного |
|
среднее статическое число суток в году, |
ко- |
|||
|
|
|
гда средняя суточная температура наружного |
||||
|
периода |
|
|
||||
|
|
|
воздуха устойчиво равна и ниже 8 или 10 0С в |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
зависимости от вида здания |
|
|
|
6. |
Средняя темпера- |
|
|
Расчетная температура наружного воздуха, |
|||
|
тура наружного |
|
tht, |
осредненная за |
отопительный |
период |
по |
|
|
средним суточным температурам наружного |
|||||
|
воздуха отопи- |
|
°С |
||||
|
|
воздуха |
|
|
|
||
|
тельного периода |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
7. |
Теплопроводность |
|
|
|
|
|
|
|
Свойство материала конструкции переносить |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теплоту под действием разности температур |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на ее поверхностях |
|
|
|
8. |
Теплоотдача |
|
|
|
|
|
|
|
Перенос теплоты с поверхности конструкции |
|||
|
(тепловосприятие) |
|
|
|
|
|
|
|
в окружающую среду за счет конвективного |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и лучистого теплообмена |
|
||
9. |
Теплопередача |
|
|
|
|
|
|
|
Перенос теплоты через ограждающую конст- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рукцию от взаимодействующей с ней среды с |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
более высокой температурой к среде с другой |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стороны конструкции с более низкой темпе- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ратурой |
|
|
|
10. |
Тепловой поток |
Q, Вт |
Количество теплоты, проходящее через кон- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
струкцию или среду в единицу времени |
|
||
11. |
Градусо-сутки |
|
|
Dd |
|
|
Показатель, равный произведению разности |
|||||
|
|
|
|
температуры внутреннего воздуха и средней |
||||||||
|
отопительного |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
периода |
|
|
|
|
|
|
|
температуры наружного воздуха за отопи- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
тельный период на продолжительность ото- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пительного периода |
|
|
|
|
МАТЕРИАЛЫ, КОНСТРУКЦИИ |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
12. |
Коэффициент те- |
|
|
λ, |
|
|
Величина, равная плотности теплового пото- |
|||||
|
|
|
|
ка, проходящего через слой материала тол- |
||||||||
|
плопроводности |
|
|
|
|
|
о |
С) |
||||
|
|
Вт/(м· |
щиной в 1 метр и площадью 1 квадратный |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
метр при разности температур на его внут- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ренней и наружной поверхностях в 1 0С |
|
||
13. |
Плотность |
γ, |
|
|
|
|
3 |
Отношение массы строительного материала к |
||||
кг/м |
его объему |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
14. |
Коэффициент |
|
|
s, |
|
|
Величина, отражающая способность |
мате- |
||||
|
|
|
|
риала воспринимать теплоту при колебании |
||||||||
|
теплоусвоения |
Вт/м |
2 |
°С |
||||||||
|
|
|
температуры на его поверхности |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
15. |
Коэффициент |
|
αint, |
|
Величина, равная тепловому потоку между |
|||||||
|
|
поверхностью конструкции и окружающей |
||||||||||
|
теплообмена |
|
αext, |
|
||||||||
|
(тепловосприятия |
|
|
средой, равная поверхностной плотности те- |
||||||||
|
Вт/(м2·оС) |
плового потока при перепаде температур ме- |
||||||||||
|
или теплоотдачи) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
жду поверхностью и окружающей средой в 1 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0С соответственно для внутренней и наруж- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной поверхности |
|
|
|
16. |
Термическое |
Rreq, |
Величина, характеризуемая разностью |
тем- |
||||||||
ператур внутренней и |
наружной поверхно- |
|||||||||||
|
сопротивление |
2 |
· |
о |
С/Вт |
|||||||
|
ограждающей |
м |
|
стей ограждающей |
конструкции, |
через |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 квадратный метр которой проходит 1 ватт |
||||
|
конструкции |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тепловой энергии (1 килокалория в час) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
5
2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ОДНОРОДНОМ ОГРАЖДЕНИИ ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ПОТОКЕ ТЕПЛА
Представим себе условную ограждающую конструкцию, состоящую из однородного материала, через которую в холодное время года проходит постоянный тепловой поток. В этом случае график распределения температуры внутри ограждения выглядит следующим образом (рис. 1).
tint
tint τint
0 оС
τext text
Рис. 1. Распределение температур в однородной ограждающей конструкции при постоянном тепловом потоке
При передаче тепла через ограждающую конструкцию происходит падение температуры от tint до text. При этом общий температурный перепад tint- text представляет собой сумму трех температурных перепадов:
1) tint-τint – температурный перепад между температурой воздуха в помещении tint и температурой внутренней поверхности наружной стены τint ;
2) τint-τext – температурный перепад в пределах толщины ограждающей конструкции;
3) τext-text – температурный перепад между температурой наружной поверхности ограждения τext и температурой наружного воздуха text.
6
Каждый из этих температурных перепадов вызван конкретным сопротивлением переносу тепла:
1)перепад tint-τint – сопротивлением тепловосприятию внут-
ренней поверхности ограждения Rint;
2)перепад τint-τext – термическим сопротивлением конструкции R;
3)перепад τext-text – сопротивлением теплоотдаче наружной
поверхности ограждения Rext.
Сопротивления тепловосприятию и теплоотдаче называют также сопротивлениями теплообмену; они имеют такую же размерность, как и термическое сопротивление, т. е. м2· оС/Вт.
Общее (приведенное) термическое сопротивление однослойной ограждающей конструкции Ro, м2· оС/Вт, равно сумме всех термических сопротивлений, т. е.
|
Rо Rint R Rext |
1 |
R |
1 |
|
(1) |
|
|
|
|
|||
|
int |
ext |
||||
|
|
|
|
|||
где αint – |
коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ог- |
|||||
|
раждающих конструкций, Вт/(м2·оС), определяемый по |
|||||
|
табл. 1; |
|
|
|
|
|
αext – |
коэффициент теплоотдачи наружной поверхности огра- |
|||||
|
ждающих конструкций, Вт/(м2·оС), определяемый по |
|||||
|
табл. 2; |
|
|
|
|
|
R – |
термическое сопротивление однослойной конструкции, |
|||||
|
(м2·оС)/Вт, определяемое по формуле |
|
||||
|
R |
|
, |
(2) |
|
|
|
|
|
где δ – |
толщина слоя, м; |
|
|
|
λ – |
расчетный коэффициент |
теплопроводности материала |
||
слоя, Вт/(м·оС), принимаемый по приложению 5, учитывая условия эксплуатации ограждающих конструкций (А или Б), принимаемые в зависимости от влажностного режима помещений и зоны влажности района строительства по табл. 3. При этом влажностный режим помещений в холодный период года следует определять по табл. 4, зону влажности района строительства – по карте зон влажности
[1, прил. В].
7
Таблица 1
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции [1, табл. 7]
|
Внутренняя поверхность ограждающих |
Коэффициент |
||||
|
теплоотдачи |
|||||
|
конструкций |
|||||
|
α |
|
|
, Вт/(м2· оС) |
||
|
|
|
int |
|||
|
|
|
|
|
||
1. |
Стен, полов, гладких потолков с выступающими ребрами |
|
|
|
|
|
|
при отношении высоты h ребер к расстоянию a между |
|
|
|
8,7 |
|
|
гранями соседних ребер h/a ≤ 0,3 |
|
|
|
|
|
2. |
Потолков с выступающими ребрами при отношении |
|
|
|
7,6 |
|
|
h/a > 0,3 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
3. |
Окон |
|
|
|
8,0 |
|
4. |
Зенитных фонарей |
|
|
|
9,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности |
|||||
|
ограждающей конструкции [2, табл. 6*] |
|
|
|
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
Коэффициент |
|||
|
Наружная поверхность ограждающих |
|
теплоотдачи |
|||
|
|
|
для зимних |
|||
|
конструкций |
|
|
|||
|
|
|
|
условий |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
α |
|
, Вт/(м2· оС) |
|
|
|
|
ext |
|
|
|
1. |
Наружных стен, покрытий, перекрытий над проездами и |
|
|
|
|
|
|
над холодными подпольями в Северной строительно- |
|
|
|
|
23 |
|
климатической зоне |
|
|
|
|
|
2. |
Перекрытий над холодными подвалами, сообщающимися |
|
|
|
|
|
|
с наружным воздухом; перекрытий над холодными эта- |
|
|
|
|
17 |
|
жами в Северной строительно-климатической зоне |
|
|
|
|
|
3. |
Перекрытий чердачных и над неотапливаемыми подвала- |
|
|
|
|
|
|
ми со световыми проемами в стенах, а также наружных |
|
|
|
|
12 |
|
стен с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воздухом |
|
|
|
|
|
4. |
Перекрытий над неотапливаемыми подвалами без свето- |
|
|
|
|
|
|
вых проемов в стенах, расположенных выше уровня зем- |
|
|
|
|
6 |
|
ли, и над неотапливаемыми техническими подпольями, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
расположенными ниже уровня земли |
|
|
|
|
|
8
Таблица 3
Условия эксплуатации ограждающих конструкций [1, табл. 2]
Влажностный режим поме- |
Условия эксплуатации А и Б в зоне |
|||
щений зданий |
|
влажности (по прил. В [1]) |
||
(по табл. 3) |
сухой |
|
нормальной |
влажной |
Сухой |
А |
|
А |
Б |
Нормальный |
А |
|
Б |
Б |
Влажный или мокрый |
Б |
|
Б |
Б |
Таблица 4
Влажностный режим помещений зданий [1, табл. 1]
|
Влажность внутреннего воздуха, %, |
||
Режим |
|
при температуре, °С |
|
|
До 12 |
Св. 12 до 24 |
Свыше 24 |
Сухой |
До 60 |
До 50 |
До 40 |
Нормальный |
Св. 60 до 75 |
Св. 50 до 60 |
Св. 40 до 50 |
Влажный |
Св. 75 |
Св. 60 до 75 |
Св. 50 до 60 |
Мокрый |
– |
Св. 75 |
Св. 60 |
3. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МНОГОСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Однослойные ограждающие конструкции в современном строительстве практически не применяются. Например, кирпичная стена должна иметь хотя бы с внутренний стороны отделочный штукатурный слой. К тому же в связи с возросшими теплотехническими требованиями в ограждающую конструкцию обязательно вводится слой утеплителя. Конструкции, состоящие из нескольких слоев разнородных материалов, называются многослойными. Они могут быть двух основных типов:
1)многослойные конструкции с последовательно расположенными однородными слоями (например, трёхслойная железобетонная панель на гибких связях с эффективным утеплителем);
2)неоднородные многослойные ограждающие конструкции (например, каменная стена облегченной кладки с теплоизоляционным слоем и кирпичными ребрами жесткости).
9
Термическое сопротивление R, м2·оС/Вт, многослойной конст-
рукции с последовательно расположенными однородными слоя-
ми равно сумме термических сопротивлений всех ее слоев.
R = R1 + R2 +…+ Rn+ Rвп, |
(3) |
где n – количество слоёв в многослойной конструкции;
R1, R2,…Rn – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м2·оС/Вт, определяемые по формуле (2);
Rвп – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки (если она есть), принимаемое по табл. 5.
Таким образом, общее (приведенное) термическое сопротив-
ление многослойной ограждающей конструкции Ro, м2·оС/Вт,
определяется по формуле
Rо |
1 |
|
|
1 |
|
|
2 |
... |
|
n |
Rвп |
1 |
(4) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
int |
1 |
2 |
n |
ext |
||||||||||
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
где δ1, δ2, … δn – толщины слоёв многослойной конструкции, м;
αint, αext – то же, что в формуле (1); n, Rвп – то же, что в формуле (3).
Таблица 5
Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек [2, прил. 4]
|
Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки |
|||
Толщина |
|
Rвп, м2· оС/Вт |
|
|
воздушной |
горизонтальной при потоке тепла |
горизонтальной при потоке |
||
прослойки, |
снизу вверх и вертикальной |
тепла сверху вниз |
||
м |
при температуре воздуха в прослойке |
|||
|
||||
|
|
|
|
|
|
положительной |
отрицательной |
положительной |
отрицательной |
|
|
|
|
|
0,01 |
0,13 |
0,15 |
0,14 |
0,15 |
0,02 |
0,14 |
0,15 |
0,15 |
0,19 |
0,03 |
0,14 |
0,16 |
0,16 |
0,21 |
0,05 |
0,14 |
0,17 |
0,17 |
0,22 |
0.1 |
0,15 |
0,18 |
0,18 |
0,23 |
0,15 |
0,15 |
0,18 |
0,19 |
0,24 |
0,2 - 0,3 |
0,15 |
0,19 |
0,19 |
0,24 |