Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций зданий Федеральное агентство по образованию Филиал государственного образовательного учреждения «Воронежский государственный архитектурно строительный университет» в городе Борисоглебске Кафедра теплогазоснабжения, отопления и вентиляции. по дисциплине: « Строительная теплофизика» На тему: «Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций зданий» Выполнил: студент гр.331 Крицкий В.Н. Руководитель: преподаватель Глушков А. Ю. Борисоглебск 2009 Содержание 1.Введение………………………………………………………………….. 2. Исходные данные ………………………………………………………. 3. Расчет теплозащитных характеристик наружных ограждений ……………………….. 4.Анализ теплового режима наружного ограждения……………………. 5.Проверка наружных ограждений на паропроницаемость…………………….. 6.Проверка наружных ограждений на теплоустойчивость…………………. 7. Проверка наружных ограждений на воздухопроницаемость……… 8.Общие выводы по курсовой работе……………………………………. 9.Список используемых источников………………………………………. Введение. Целью курсовой работы является углубление и обобщение теоретических зданий, полученных при изучении дисциплины «Строительная теплофизика»,освоение методики и приобретение практических навыков при выполнении теплотехнического расчёта наружных ограждающих конструкций отапливаемых зданий. состоит из шести разделов, в которых показаны методики определения климатологической характеристики района строительства и определение теплофизических свойств материалов; описываются принципы расчёта теплозащитных характеристик наружных ограждений; показан анализ теплового режима ограждений, способы их проверки на паропроницаемость, теплоустойчивость и воздухопроницаемость. 1. Исходные данные для выполнения курсовой работы 1.1 Район строительства: город Ростов-на-Дону вариант №1 Варианты ограждающих конструкций: - наружная стена - вариант №1 - покрытие - вариант №1 -пол первого этажа - вариант №1 Назначение: жилое. Расчётные параметры внутреннего воздуха: - температура tв =18 °C. - относительная влажность φв =60%. Режим эксплуатации здания: нормальный. 1.2 Климатологическая характеристика района строительства Климатологическую характеристику г. Ростов-на-Дону определяем по СНиП 23-01-99 [2] или по прил. 2 и данные вносим в таблицу №1 Таблица №1 Климатологическая характеристика г. Ростов-на-Дону № Наименование вели­чины Обозначение Размерность Числовое значение Примечание 1 Средняя температура наиболее холодной пя­тидневки tx5 °C -22 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 2 Средняя температура наиболее холодного месяца tx м °C -33 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 3 Средняя относитель­ная влажность наружного воздуха φхм % 85 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 4 Средняя температура за отопительный период tоп °C -0,6 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 5 Продолжительность отопительного периода Zоп сут/год 102 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 6 Средняя температура периода с отрицательными среднемесячными температурами tо °C -3,6 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 7 Продолжительность периода с отрицательными среднемесячными температурами Zo сут/год 171 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 8 Средняя температура самого жаркого месяца (июль) tt м °C 29,1 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 9 Максимальная ампли­туда Температурных колебаний колебаний температуры в ию­ле At н °С 12,2 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 10 Максимальная из средних скоростей ветра по румбам в январе Vхм м/с 4,4 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 11 Минимальная из сред­них скоростей ветра по румбам в июле Vтм м/с 3,6 СНиП 23-01-99 [2,табл 1] 12 Максимальное из средних значений сум­марной солнечной ра­диации: а) на горизонталь­ную поверхность б) на вертикальную поверхность Jmax Jср Jmax Jср Вт/м2 733 328 370 149 СНиП 2.01.01-82 [3,прил 5] СНиП 2.01.01-82 [3,прил 7] 13 Средняя температура наружного воздуха по месяцам t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 °С -5,7 -4,8 0,6 9,4 16,2 20,2 23,0 22,1 16,3 9,2 2,5 -2,6 СНиП 2.01.01-82 [2,табл 3] 1.3 Теплофизические свойства материалов По [4, прил.1] определяем зону влажности г. Ростов-на-Дону – сухая, затем по [4, прил.2] определяем условия эксплуатации ограждающих конструкций – А. Характеристики строительных материалов, выбранных наружных ограждений определяем по [4, прил.3] и сводим в табл. 2 Таблица №2 Наименование N по прил. 3 δ, мм ρ, кг/м3 ΔW% λ , Вт/(м°С) S Вт/(м2о С) μ, мг/м*ч*Па Наружная стена. 1.Цементно- песчаный р-р 183 20 1800 2 0,76 9,6 0,09 2.Бетон аглопоритобетон 136 200 1800 5 0,85 10,82 0,075 З. Вермикулитобетон 144 ?X 600 8 0,16 2,87 0,15 4. Бетон аглопоритобетон 136 150 1800 5 0,85 10,82 0,075 5.Цементно- песчаный р-р 183 15 1800 2 0,76 9,6 0,09 Чердачное перекрытие 1. Ж/б пустотная панель 181 220 2500 2 1,92 17,98 0,03 2. Рубероид 204 1,5 600 0 0,17 3,53 - 3. Вермикулит вспученный 78 ?X 200 1 0,09 1,08 0,23 4. Цементно-песчанная стяжка 183 30 1800 2 0,76 9,6 0,09 Пол первого этажа. 1. Ж/б плита 181 120 2500 2 1,92 17,98 0,03 2. Вермикулит вспученный 78 ?X 200 1 0,09 1,08 0,23 3. Стяжка из листового- асфальта бетона 203 15 2100 0 1,05 16,43 0,008 4. Прослой из холодной мастики 200 1 1400 0 0,27 6,8 0,008 5. Паркет (дуб поперёк волокон) 176 18 700 10 0,18 5,0 0,05 2. Расчёт теплозащитных характеристик наружных ограждений Расчёт теплозащитных характеристик производим для наружной стены, чердачного покрытия и перекрытия над подвалом (пол первого этажа) по следующему алгоритму: 1. Определяем сопротивление теплопередачи наружногоограждения, требуемого по санитарно-гигиеническим нормам: (1) где tв – расчётная температура внутреннего воздуха , °C tн – расчётная зимняя температура наружного воздуха , °С; n - коэффициент ,принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по [4, табл. 3] αв - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по [ 4, табл.4] ∆tн — нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции. Принимается по [4, табл. 4] 2. Определяем сопротивление теплопередачи наружного ограждения, требуемое из условий энергосбережения по [4, табл.1,б] или табл.3 Для определения необходимого сопротивления теплопередачи наружного ограждения для жилых зданий, требуемого из условий энергосбережения, можно использовать следующую зависимость: (2) Zо.п. – продолжительность отопительного периода, сут/год; а, в - интерполяционные коэффициенты, принимаемые по таблице 4; to .п. - средняя температура за отопительный период ,°C Таблица №3 Обозначение Наружная стена Покрытие Перекрытие над подвалом Окно а 1,4 2,2 1,9 0,3 в 0,35 0,5 0,45 0,025 3. В качестве расчётного требуемого термического сопротивления теплопередачи наружного ограждения выбираем большее значение из требуемых термических сопротивлений, рассчитанных по формулам (1),(2). 4. Определяем термическое сопротивление материальных слоёв конструкции многослойного ограждения без теплоизоляционного слоя: (3) Rв - сопротивление конвективному теплообмену между воздухом помещения и внутрен­ней поверхностью ограждения, (m2 °C) / Bt, определяемое по формуле , (4) Где αн – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Bt / (m2 °C), определяемая по [ 4,табл.4]; Rmi - термическое сопротивление i-гo материального слоя в конструкции многослойного ограждения ,м2 o C/Bт , определяемое по формуле (5) Rн – сопротивление конвективному теплообмену между поверхностью наружного ограждения и наружным воздухом, Bt / (m2 °C), определяемое по формуле (6) где αн —коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной поверхности ограждающей конструкции, Bt / (m2 °C) 5. Определяем требуемое термическое сопротивление утеплителя в наружном ограждении: Rтр ут =R0 тр + R0 (7) 6. Определяем требуемую толщину теплоизоляционного слоя: (8) λУТ – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/м°С; Округляем требуемую толщину теплоизоляционного слоя до строительной величины, кратной 5, так чтобы выполнялось следующее условие: δут >= δут тр . 7. Определяем фактическое термическое сопротивление теплоизоляционного слоя: Rут ф = δут / λут (9) 8. Определяем фактическое сопротивление теплопередачи наружного ограждения: (10) 9. Определяем толщину ограждения: (11) Если толщина наружной стены превышает 1м, а толщина чердачного покрытия и перекрытия над подвалом 1,5, то необходимо для заданного района строительства принять другой утеплитель с меньшим коэффициентом теплопроводности. Расчёт теплозащитных характеристик наружных ограждений сводим в таблицу 4. Расчёт теплозащитных характеристик наружных ограждений Таблица №4 № п/п Наименование величин Обозна-чение Размер-ность Расчетная формула Результаты расчета Примечания Н.С. ПТ ПЛ 1. Расчётная температура внутреннего воздуха tв °C - 18 18 18 По заданию 1. Расчётная зимняя температура наружного воздуха tн °C - -22 -22 -22 По [4,табл. 3] 1. Коэффициент расчётной разницы уменьшения температуры n - - 1 0,9 0,6 По [4,табл. 2] 1. Нормативный температурный перепад ∆t °C - 4 3 2 По [4,табл. 4] 1. Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности αв Вт/м°С 8,7 8,7 8,7 1. Сопротивление теплопередачи наружного ограждения, требуемого по санитарно- гигиеническим условиям R01 ТР м2 °С Вт (1) 1,15 1,379 1,379 2. Интерполяционный коэффициент а - - 1,4 2,2 1,9 Табл. 3 2. Интерполяционный коэффициент в - - 0,35 0,5 0,45 Табл. 3 2. Продолжительность отопительного периода Zоп сут/год - 171 171 171 2. Средняя температура за отопительный период t оп °C - -0,6 -0,6 -0,6 2. Требуемое сопротивление теплопередаче наружного ограждения по условиям энергосбережения R02 ТР м2 °С Вт (2) 2,513 3,79 3,331 3. Расчётное требуемое сопротивление теплопередачи R0 ТР м2 °С Вт - 2,513 3,79 3,331 4. Термическое сопротивление i-го слоя без утеплителя Rm 1 м2 °С Вт (5) 0,026 0,116 0,228 Rm 2 0,17 0,0088 - Rm 3 - - 0,014 Rm 4 0,176 0,039 0,003 Rm 5 0,0197 - 0,1 4. Термическое cопротивление конвективному теплообмену между воздухом помещения и внутренней поверхностью ограждения Rв м2 °С Вт (4) 0,115 0,115 0,115 4. Коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной поверхности ограждающей конструкции αн Вт/м°С - 23 12 6 По [4,табл. 6] 4. Термическое сопротивление конвективному теплообмену между поверхностью наружного ограждения с наружным воздухом Rн м2 °С Вт ° (6) 0,044 0,083 0,17 4. Термическое сопротивление материальных слоёв конструкции многослойного ограждения без теплоизоляционного слоя Ro м2 °С Вт (3) 0,55 0,361 0,631 5. Требуемое термическое сопротивление утеплителя в наружном ограждении Rут тр м2 °С Вт (7) 3,063 4,151 3,962 6. Требуемая толщина теплоизоляционного слоя δут тр м (8) 0,49 0,37 0,36 6. Фактическая толщина теплоизоляционного слоя δут ф м - 0,5 0,4 0,4 7. Фактическое термическое сопротивление теплоизоляционного слоя Rут ф м2 °С Вт (9) 3,125 4,44 4,44 8. Фактическое сопротивление теплопередачи наружного ограждения R0 ф м2 °С Вт (10) 3,675 4,801 5,071 9. Фактическая толщина ограждения δ м (11) 0,885 0,65 0,98 Вывод : так как выполняются следующие условия: δут ф ≥δут тр , Rут ф ≥ Rут тр , R0 ф ≥R0 ТР ,то запроектированные ограждающие конструкции удовлетворяют санитарно-гигиеническим условиям и условиям энергосбережения. 3. Анализ теплового режима наружного ограждения. Целью расчёта является определение температур на внутренней поверхности наружных ограждений, в толще ограждающих конструкций на стыке материальных слоёв, а также построение графиков распределения температур по сечению ограждающих конструкций в координатах (txi , xi ), (txi ,Rmxi ) для определения плоскости (ПВК) и зоны возможного промерзания (ЗВП), т.е. области, где температура ниже или равна 0. Анализ теплового режима производим для наружной стены, чердачного покрытия и перекрытия первого этажа по следующему алгоритму. 1.Определяем сопротивление теплопередачи, м2° С/Вт, для части ограждения от внутреннего воздуха до сечения наружного ограждения с координатой (xi , м:х1 = δ1 , х2 = х1 + δ2 , xi = xi -1 + δ1 ) Rmxi =Rв +Rm 1 +…+Rmi , (12) 2. Определяем плотность теплового потока через ограждение при расчётной температуре наружного воздуха, Вт/м2 : , (13) 3.Определяем расчётную температуру на внутренней поверхности наружного ограждения, °С τв , (14) 4. Определяем расчётные температуры на наружной поверхности i-ого слоя сечения наружного ограждения с координатой хi , °С : txi (15) 5. Определяем температуру в наружном углу помещения, °С: (16) 6. Определяем температуру точки росы внутреннего воздуха с параметрами (tв ,φв ), °С: (17) ев – фактическая упругость водяного пара во внутреннем воздухе с параметрами (tв ,φв ),.Па, определяется как (18) Е(tв ) – упругость насыщенного пара при температуре воздуха внутри помещения, Па, определяется как (19) Для всех ограждений должно выполняться следующее условие: τв >= tр tу >=tр (20) Графики распределения температур по сечению ограждающей конструкции в координатах (txi , xi ), (txi ,Rmxi ) см. рис. 4-6 Вывод: Так как выполняется условие τв >= tр , tу >= tр то ограждающие конструкции обеспечивают удовлетворительный тепловой режим здания, конденсационное увлажнение внутренней поверхности отсутствует. Расчётный анализ теплового режима Таблица №5 № п/п Наименование величин Обозначение Размер-ность Расчет-ная формула Результаты расчета Примечания Н.С. Покр. Пол 1. Координата сечения ограждения х1 м - 0,02 0,22 0,12 х2 0,22 0,2215 0,52 х3 0,77 0,7215 0,535 х4 0,92 0,75 0,536 х5 0,935 0,554 1. Сопротивление теплопередаче для части ограждения от внутреннего воздуха до сечения наружного ограждения с координатой Xi Rmx1 Rmx2 Rmx3 Rmx4 Rmx5 м2 °С Вт (12) 0,141 0,311 3.436 3,612 3,6317 0,231 0,239 4,6798 5,06 0,343 4,783 4,797 4,8 4,9 2. Плотность теплового потока q Вт/м2 (13) 10,88 7,49 4,73 3. Расчётная температура на внутренней поверхности наружного ограждения τв °C (14) 16,75 17,14 17,46 4. Расчётная температура на наружной поверхности i-ого слоя t1 t2 t3 t4 t5 °C (15) 16,46 14,62 -19,38 -21,29 -21,51 16,27 16,2 -17,05 -19,9 - 16,38 -4,62 -4,68 -4,7 -5,177 5. Температура в наружном углу помещения tу °C (16) 18,97 20,86 21,31 6. Упругость насыщенного водяного пара при температуре воздуха внутри помещения Ев Па (19) 1898,3 1898,3 1898,3 6. Фактическая упругость водяного пара при температуре воздуха внутри помещения ев Па (18) 949,15 949,15 949,15 6. Температура точки росы внутреннего воздуха tр °C (17) 6,3 6,3 6,3 Графики распределения температур по сечению ограждающей конструкции в координатах (txi , xi ), (txi ,Rmxi ) см. рис. 4-6 Вывод : Так как выполняется условие τв ≥ tр , tу ≥ tр то ограждающие конструкции обеспечивают удовлетворительный тепловой режим здания, конденсационное увлажнение внутренней поверхности отсутствует. 4.Проверка наружных ограждений на проницаемость. Целью расчёта является определение диффузионного потока пара через многослойную конструкцию, а также степень насыщения пара в толще ограждения, в результате чего находят плоскость (ПВК) и зону возможной конденсации (ЗВК) и делают соответствующий вывод. Проверку на паропроницаемость производим для наружной стены и чердачного покрытия по следующему алгоритму. 1.Определяем сопротивление паропроницанию для части ограждения от внутреннего воздуха до сечения с координатой хi , [Па/(мг/м2 ч)]: Rnxi =Rn в +Rn 1 +…+ Rni (21) где Rn в – сопротивление массообмену на внутренней поверхности наружного ограждения, Rn в =0,0267, [Па/(мг/м2 ч)]; Rni – сопротивление паропроницанию i-ого слоя [Па/(мг/м2 ч)], определяется как Rni = δi /µi , (22) 2. Определяем сопротивление диффузионному паропроницанию наружного ограждения, [Па/(мг/м2 ч)] : , (23) Rпн – сопротивление массообмену на наружной поверхности ограждения. Rпн =0,0052 , Па/(мг/м2 ч); 3.Определяем среднюю плотность потока пара, [ ] , (24) где – упругость насыщенного пара в наружном воздухе. Па, определяем как , (25) Ехм - упругость насыщенного пара в наружном воздухе при tхм , Па, если tхм >=0, то Ехм определяем по формуле (19); если tхм <0, то , (26) 4. Определяем упругость пара, диффундирующего через наружное ограждение в сечениях многослойной конструкции с координатой xi , Па: , (27) 5. Определяем среднюю плотность теплового потока при среднемесячной температуре наиболее холодного месяца, : (28) 6. Определяем температурное поле на стыке материальных слоёв в сечениях с координатой хi , °C; (29) Значение температуры ti откладывается на графиках (см. рис . 1-2). 7. Определяем упругость насыщенного пара в сечениях ограждающей конструкции при соответствующем значении ti , если ti >=0то Еi определяется по формуле (19), если ti <0, то по формуле (26). По полученным значениям строим графики для определения положения плоскости (ПВК) и зоны возможной конденсации (ЗВК) (рис.3). По координате xmax строим плоскость возможной конденсации для наружной стены и чердачного покрытия на графиках распределения температур по сечению ограждающих конструкций. 8. При теплотехническом расчёте необходимо выполнить требования: сопротивление паропроницаемости части ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации должно быть не менее наибольшего из двух сопротивлений паропроницанию : а) из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации (30) Где Е- упругость насыщенного пара в ПВК, Па, определяем как (31) Где Е1 ,Е2 ,Е3 – упругости насыщенного водяного пара, Па, принимаемые по температуре в плоскости возможной конденсации , определяемой при средней температуре наружного воздуха соответственно зимнего , весеннее-осеннего и летнего периодов; z1 ,z2 ,z3 – продолжительность зимнего, весеннее-осеннего и летнего периодов, определяемая согласно [2] с учётом следующих условий: 1)к зимнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха ниже минус 5 °C; 2)к весеннее-осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха от минус 5 до плюс 5°C; 3) к летнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха выше плюс 5°C; б) из условия ограничения накопления влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха (32) Где Е0 -упругость насыщенного пара в ПВК определяемое при средней температуре периода месяцев отрицательными среднемесячными температурами по формуле (26), Па; ρω ,δω – плотность и толщина материала увлажняемого слоя соответственно, кг/м3 и м; ∆ωср - предельно допустимое приращение расчётного влагосодержания увлажняемого материала, % определяем по [4табл.14]; η- коэффициент , определяем как (33) Где е0 – средняя упругость водяного пара наружного воздуха, Па, периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, определяемая согласно [2]. Результаты расчётов проверки наружных ограждений на паропроницаемость сводим в табл. 6 Результаты проверки наружных ограждений на паропроницаемость Таблица №6 № п/п Наименование величин Обозна -чение Размер-ность Расчетная формула Числовое значение Примечание НС ПТ 1 Сопротивление массообмену на внутренней поверхности наружного ограждения - 0,0267 0,0267 1. Сопротивление массообмену на наружной поверхности ограждения -