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

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: