Теплотехнический расчет наружных ограждений

3.1. Ограждающая конструкция должна иметь сопротивление теплопередаче не менее требуемого

Требуемое – это минимально допустимое сопротивление теплопередаче для рассматриваемого ограждения. Для ограждающих конструкций помещений приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждений следует принимать не менее нормируемого значения, определяемого по СП 50.13330.2012 [4] и приведенного в Приложении 6.

Нормируемое (требуемое) сопротивление теплопередаче наружных ограждений выбирается по условиям необходимости энергосбереженияза отопительный период. В таблице Приложения 6 величины требуемых сопротивлений теплопередаче , м^2.оС/Вт, приводятся в зависимости от назначения здания, назначения ограждения и числа градусо-суток отопительного периода ГСОП, ^оС^.сут. Градусо-сутки отопительного периода ГСОП, ^оС^.сут, определяют по формуле:

 

ГСОП =(t_в-t_о.п.)^.z_{о.п .}, (1)

 

где t_в - расчетная температура внутреннего воздуха для основных помещений здания, ^оС, по п. 2.1;

t_о.п, z_о.п – средняя температура, ^оС, и продолжительность, сут, отопительного периода в районе строительства, принимаемые по [3] в соответствии с п. 2.2.

 

Если при выполнении расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания выполняются требования [4], нормируемое значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции может быть понижено:

, (2)

где - базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, м²· ^oС/Вт, следует принимать по Приложению 6;

m_р – коэффициент, учитывающий особенности региона строительства принимаемый для стен , для светопрозрачных конструкций , для остальных ограждающих конструкций .

 

В случаях реконструкции зданий, для которых по архитектурным или историческим причинам невозможно утепление стен снаружи, нормируемое значение сопротивления теплопередаче стен допускается определять по формуле [4]

, (3)

 

где a _в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·°С), принимаемый по [4], Приложение 7;

D t^н - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха t_в и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции - t _в, °С, принимаемый по 4, Приложение 8;

t_в – то же, что в формуле (1);

t_н - расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, °С, принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СП 131.13330 [3], Приложение 4.

 

Нормируемое значение сопротивления теплопередаче входных дверей и ворот должно быть не менее стен зданий, определяемого по формуле (3).

Если температура воздуха двух соседних помещений отличается больше, чем на 8^оС, то минимально допустимое приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, разделяющих эти помещения (кроме светопрозрачных), следует определять по формуле (3) принимая за величину t_н расчётную температуру воздуха в более холодном помещении.

Расчетную температуру воздуха в теплом чердаке, техническом подполье, остекленной лоджии или балконе при проектировании допускается принимать на основе расчета теплового баланса.

В случаях, когда средняя наружная или внутренняя температура для отдельных помещений отличается от принятых в расчете ГСОП, базовые значения требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций, определенные по Приложению 6, умножаются на коэффициент n_t, который рассчитывается по формуле

, (4)

где , - средняя температура внутреннего и наружного воздуха для данного помещения, ^оС;

t_в, t_о.п – то же, что в формуле (1).

 

n_t – коэффициент положения ограждающей конструкции относительно наружного воздухза.

3.2. Расчет приведенного сопротивления теплопередаче

Расчет основан на представлении фрагмента теплозащитной оболочки зданияв виде набора независимых элементов, каждый из которых влияет на тепловые потери через фрагмент. Удельные потери теплоты, обусловленные каждым элементом, находятся на основе сравнения потока теплоты через узел, содержащий элемент, и через тот же узел, но без исследуемого элемента. В соответствии с последними нормативными документами этот метод должен применяться к расчету всех наружных ограждающих конструкций. Но особенно актуален он в применении к наружным стенам.

Так как современные наружные стены зданий являются слоистыми конструкциями, между слоями имеются связи, которые можно в расчете представлять в виде штыря определенного диаметра, выполненного, как правило, из металла с большой теплопроводностью. Расстановка этих точечных связей по площади наружной стены может быть равномерной и неравномерной. Рассматриваемый метод состоит в учете дополнительных теплопотерь через одну связь определенного диаметра и материала и умножении этой добавки на число таких связей.

Примером линейной неоднородности является узел примыкания окна к стене, в котором одномерное температурное поле меняется на трехмерное. Протяженность каждого оконного откоса (периметр окна) считается достаточно длинной, чтобы не учитывать углы откосов. Тогда температурное поле откоса можно считать двухмерным (сечение поперек откоса). Определение дополнительных теплопотерь через поперечное сечение откоса на длине 1 м является промежуточной целью расчета. Результат получается умножением полученных дополнительных теплопотерь на длину всех откосов данной конструкции всех окон во фрагменте наружной стены.

Приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания , м^{2 о}С/Вт, следует определять по формуле

 

(5)

где – осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, м^{2 о}С/Вт;

l_j – протяженность линейной неоднородности j -го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м²;

Y_j – удельные потери теплоты через линейную неоднородность j -ого вида, Вт/(м^оС), полученные расчетом двухмерного температурного поля, например, методом конечных разностей в прямоугольных координатах. При упрощенном расчете принимается по Приложению 9;

n_k – количество точечных неоднородностей k -го вида, приходящихся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт/м²;

χ_k – удельные потери теплоты через точечную неоднородность k- го вида, Вт/^оС, полученные расчетом трехмерного температурного поля, например, методом конечных разностей в цилиндрических координатах. При упрощенном расчете принимается по Приложению 9;

a_i – площадь плоского элемента конструкции i – го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м²/м²;

 

(6)

 

где A_i – площадь i -той части фрагмента, м²;

U_i - коэффициент теплопередачи однородной i -той части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент i – го вида), Вт/(м^{2 о}С).

 

(7)

 

Коэффициент теплотехнической однородности, r, вспомогательная величина, характеризующая эффективность утепления конструкции, определяется по формуле

(8)

Величина определяется осреднением по площади значений условных сопротивлений теплопередаче всех частей фрагмента теплозащитной оболочки здания

, (9)

где -условное сопротивление теплопередаче однородной части фрагмента теплозащитной оболочки здания i -го вида, м^{2 о}С/Вт, которое определяется либо экспериментально либо расчетом по формуле

 

, (10)

 

где a _в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·°С), по [4] или по Приложению 7;

a _н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·°С), по [4] или по Приложению 10;

R_s - термическое сопротивление слоя однородной части фрагмента, (м²×°С)/Вт; определяемое для невентилируемых воздушных прослоек по таблице Е.1 СП 50.13330.2012 [4], Приложение 11, для материальных слоев по формуле

(11)

δ _s - толщина слоя, м;

λ _s - теплопроводность материала слоя, Вт/(м ^оС), принимаемая по результатам испытаний в аккредитованной лаборатории; при отсутствии таких данных расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м^.оС) в зависимости от тепловлажностных условий эксплуатации ограждающей конструкции А или Б, принимается по [4] или в соответствии с Приложением 12. При этом расчетную относительную влажность внутреннего воздуха при определении влажностного режима помещения для поверочного теплотехнического расчета наружных ограждений следует принимать по примечанию к п. 2.2.

 

3.3. Для учета цементных или клеевых швов в кладке из блоков, с коэффициентом теплопроводности значительно ниже, чем у материала блока, можно делать расчет по п. 3.7. Еще более упрощенно можно принимать среднюю теплопроводность кладки в один ряд по толщине

 

, (12)

 

где λ_бл, λ_шв – расчетные коэффициенты теплопроводности соответственно материала блоков и материала швов, Вт/(м^.оС); принимаются по п. 3.2.

δ_кл1, δ_кл1– длина и высота блоков, м³.

δ_шва – толщина шва, м.

3.4. Расчет удельных потерь теплоты через линейную теплотехническую неоднородность

Удельные потери теплоты через линейную теплотехническую неоднородность определяются по результатам расчета двухмерного температурного поля узла конструкций при температуре внутреннего воздуха t_в и температуре наружного воздуха t_н.

, (13)

 

где t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, ^оС;

t_н – расчетная температура наружного воздуха, ^оС;

– дополнительные потери теплоты через линейную теплотехническую неоднородность j -го вида, приходящиеся на 1 п.м, Вт/м, определяемые по формуле

(14)

 

где –потери теплоты через расчетную область с линейной теплотехнической неоднородностью j -го вида, приходящиеся на 1 п.м стыка, являющиеся результатом расчета температурного поля, Вт/м;

Q_j,1, Q_j,2 – потери теплоты через участки однородных частей фрагмента, вошедшие в расчетную область при расчете температурного поля области с линейной теплотехнической неоднородностью j -го вида, Вт/м, определяемые по формулам:

(15)

 

где S_j,1, S_j,2 – площади однородных частей конструкции, вошедшие в расчетную область при расчете температурного поля, м².

При этом величина S _j,1 + S_j,2 равна площади расчетной области при расчете температурного поля.

Ψ _j –удельные линейные потери теплоты через линейную теплотехническую неоднородность j -го вида, Вт/(м°С).

3.5. Расчет удельных потерь теплоты через точечную теплотехническую неоднородность

Удельные потери теплоты через точечную теплотехническую неоднородность k -го вида определяются по результатам расчета трехмерного температурного поля участка конструкции, содержащего точечную теплотехническую неоднородность, по формуле

, (16)

 

где – дополнительные потери теплоты через точечную теплотехническую неоднородность k -го вида, Вт, определяемые по формуле

 

, (17)

 

где – потери теплоты через узел, содержащий точечную теплотехническую неоднородность k -го вида, являющиеся результатом расчета температурного поля, Вт;

- потери теплоты через тот же узел, не содержащий точечную теплотехническую неоднородность k -го вида, являющиеся результатом расчета температурного поля, Вт.

Результатом расчета температурного поля узла конструкции является распределение температур в сечении узла, в том числе по внутренней и наружной поверхностям.

Поток теплоты через внутреннюю поверхность узла определяется по формуле

 

(18)

 

Поток теплоты через наружную поверхность узла определяется по формуле

 

, (19)

 

t_в, t_н расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха соответственно, ^оС;

, - осредненные по площади температуры внутренней и наружной поверхностей узла ограждающей конструкции соответственно, ^оС;

α_в, α_н - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей узла конструкции соответственно, Вт/(м^2оС), по п. 3.2.;

S_в, S _н - площади внутренней и наружной поверхностей узла ограждающей конструкции, м².

3.6. Последовательность расчета.

1. Выделяют фрагмент ограждающей конструкции. Определяют его площадь. Перечисляют из каких плоских элементов он состоит. Какие линейные теплотехнические неоднородности в этом фрагменте. Какие точечные теплотехнические неоднородности в этом фрагменте. Данные заносят в столбец 1 табл. 1

2. Определяют абсолютные размеры (геометрические характеристики) теплотехнических неоднородностей. Данные заносят в столбец 2 табл. 1.

3. Определяют удельные потери теплоты. При этом используют таблицу Приложения 7. Данные заносят в столбец 3 табл. 1.

4. Определяют относительные геометрические характеристики. Данные заносят в столбец 4 табл. 1.

5. Находят удельные потоки теплоты, обусловленные элементом. Данные заносят в столбец 5 табл. 1.

6. По формуле (5) рассчитывают приведенное сопротивление теплопередаче.

 

Таблица 1

Элемент	Абсолютная геометрическая характеристика	Удельные потери теплоты	Относительная геометрическая характеристика	Удельный поток теплоты, обусловленный элементом
	Аi, L j, Nk	Ui, Ψ j, χk	аi, l j, nk	Ui аi, Ψ j l j, χk nk

 

3.7. Сопротивление теплопередаче неутепленных полов или стен по грунту (не содержащих в своем составе утепляющих слоев из материалов с коэффициентом теплопроводности λ ≤ 1,2 Вт/(м^.оС)) R_н.п, м^2.оС/Вт, определено для каждой зоны неутепленного пола, выделяемой в соответствие с п. 6.4.2 настоящего учебного пособия. Его значения равны:

- для I зоны R_I=2,1 м^2.оС/Вт,

- для II зоны R_II=4,3 м^2.оС/Вт,

- для III зоны R_III=8,6 м^2.оС/Вт,

- для IV зоны R_IV=14,2 м^2.оС/Вт.

Если в конструкции пола, расположенного на грунте, имеются утепляющие слои, такой пол считается утепленным, его сопротивление теплопередаче R_у.п, м^2.оС/Вт,_. рассчитывается как сумма сопротивлений теплопередаче соответствующей неутепленной зоны и термических сопротивлений утепляющих слоев:

 

R_у.п.= R_н.п.+Σ(δ_у.с/λ_у.с), (20)

где

R_н.п.- сопротивление теплопередаче рассматриваемой зоны неутепленного пола, м^2.оС/Вт;

δ_у.с, λ_у.с - толщины, м, и коэффициенты теплопроводности, Вт/(м^.оС), материалов утепляющих слоев.

Для полов на лагах сопротивление теплопередаче R_л, м^2.оС/Вт, рассчитывают по формуле:

R_л =1,18^.R_у.п. (21)

 

3.8. Приведенное сопротивление теплопередаче окон, витражей, зенитных и других световых фонарей, балконных и наружных дверей принимается на основании сертификационных испытаний. При отсутствии результатов сертификационных испытаний приведенные сопротивления теплопередаче для окон, витражей, зенитных и других световых фонарей, балконных дверей можно принимать по [4] или по Приложению 13.

3.9. Процедура определения толщины утепляющего слоя.

Формула для расчета приведенного сопротивления теплопередаче определяется из формулы (5) с учетом требования равенства или превосходства значения приведенного сопротивления теплопередаче расчетной ограждающей конструкции над требуемым:

(22)

 

В результате подстановки (5) в (22) и ряда преобразований получаем толщину утеплителя равной:

, (23)

 

где l_j,n_k, χ_k, ψ_j – то же, что в формуле (5);

α_в, α_н – коэффициенты теплоотдачи соответственно на внутренней и наружной поверхностях расчетной ограждающей конструкции, Вт/(м^2.оС); определяются по [] и Приложениям 7 и 10;

δ₁, δ₂,... – толщины всех слоев в ограждающей конструкции, кроме слоя утеплителя, м;

λ₁, λ₂,.... – теплопроводности всех слоев в ограждающей конструкции, кроме слоя утеплителя, Вт/(м^.оС), определяемые по п. 3.2.