Давным-давно здания и сооружения строились, не задумываясь о том, какими теплопроводными качествами обладают ограждающие конструкции. Другими словами, стены делались просто толстыми. И если вам когда-нибудь случалось быть в старых купеческих домах, то вы могли заметить, что наружные стены этих домов выполнены из керамического кирпича, толщина которых составляет порядка 1,5 метров. Такая толщина кирпичной стены обеспечивала и обеспечивает до сих пор вполне комфортное пребывание людей в этих домах даже в самые лютые морозы.
В настоящее же время все изменилось. И сейчас экономически не выгодно делать стены такими толстыми. Поэтому были придуманы материалы, которые могут ее уменьшить. Одни из них: утеплители и газосиликатные блоки. Благодаря этим материалам, например, толщина кирпичной кладки может быть снижена до 250 мм.
Теперь стены и перекрытия чаще всего делают 2-х или 3-х слойными, одним слоем из которых является материал с хорошими теплоизоляционными свойствами. А для того, чтобы определить оптимальную толщину этого материала, проводится теплотехнический расчет и определяется точка росы.
Как производится расчет по определению точки росы вы можете ознакомиться на следующей странице. Здесь же будет рассмотрен теплотехнический расчет на примере.
Необходимые нормативные документы
Для расчета потребуются два СНиПа, один СП, один ГОСТ и одно пособие:
- СНиП 23-02-2003 (СП 50.13330.2012). "Тепловая защита зданий". Актуализированная редакция от 2012 года .
- СНиП 23-01-99* (СП 131.13330.2012). "Строительная климатология". Актуализированная редакция от 2012 года .
- СП 23-101-2004. "Проектирование тепловой защиты зданий" .
- ГОСТ 30494-96 (заменен на ГОСТ 30494-2011 с 2011 года). "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях" .
- Пособие. Е.Г. Малявина "Теплопотери здания. Справочное пособие" .
Рассчитываемые параметры
В процессе выполнения теплотехнического расчета определяют:
- теплотехнические характеристики строительных материалов ограждающих конструкций;
- приведённое сопротивление теплопередачи;
- соответствие этого приведённого сопротивления нормативному значению.
Пример. Теплотехнический расчет трехслойной стены без воздушной прослойки
Исходные данные
1. Климат местности и микроклимат помещения
Район строительства: г. Нижний Новгород.
Назначение здания: жилое .
Расчетная относительная влажность внутреннего воздуха из условия не выпадения конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений равна - 55% (СНиП 23-02-2003 п.4.3. табл.1 для нормального влажностного режима).
Оптимальная температура воздуха в жилой комнате в холодный период года t int = 20°С (ГОСТ 30494-96 табл.1).
Расчетная температура наружного воздуха t ext , определяемая по температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 = -31°С (СНиП 23-01-99 табл. 1 столбец 5);
Продолжительность отопительного периода со средней суточной температурой наружного воздуха 8°С равна z ht = 215 сут (СНиП 23-01-99 табл. 1 столбец 11);
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период t ht = -4,1°С (СНиП 23-01-99 табл. 1 столбец 12).
2. Конструкция стены
Стена состоит из следующих слоев:
- Кирпич декоративный (бессер) толщиной 90 мм;
- утеплитель (минераловатная плита), на рисунке его толщина обозначена знаком "Х", так как она будет найдена в процессе расчета;
- силикатный кирпич толщиной 250 мм;
- штукатурка (сложный раствор), дополнительный слой для получения более объективной картины, так как его влияние минимально, но есть.
3. Теплофизические характеристики материалов
Значения характеристик материалов сведены в таблицу.
Примечание (*): Данные характеристики можно также найти у производителей теплоизоляционных материалов.
Расчет
4. Определение толщины утеплителя
Для расчета толщины теплоизоляционного слоя необходимо определить сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции исходя из требований санитарных норм и энергосбережения.
4.1. Определение нормы тепловой защиты по условию энергосбережения
Определение градусо-суток отопительного периода по п.5.3 СНиП 23-02-2003:
D d = ( t int - t ht ) z ht = (20 + 4,1)215 = 5182°С×сут
Примечание:
также градусо-сутки имеют обозначение - ГСОП.
Нормативное значение приведенного сопротивления теплопередаче следует принимать не менее нормируемых значений, определяемых по СНИП 23-02-2003 (табл.4) в зависимости от градусо-суток района строительства:
R req = a×D d + b = 0,00035 × 5182 + 1,4 = 3,214м 2 × °С/Вт ,
где: Dd - градусо-сутки отопительного периода в Нижнем Новгороде,
a и b - коэффициенты, принимаемые по таблице 4 (если СНиП 23-02-2003) или по таблице 3 (если СП 50.13330.2012) для стен жилого здания (столбец 3).
4.1. Определение нормы тепловой защиты по условию санитарии
В нашем случае рассматривается в качестве примера, так как данный показатель рассчитывается для производственных зданий с избытками явной теплоты более 23 Вт/м 3 и зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации (осенью или весной), а также зданий с расчетной температурой внутреннего воздуха 12 °С и ниже приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных).
Определение нормативного (максимально допустимого) сопротивления теплопередаче по условию санитарии (формула 3 СНиП 23-02-2003):
где: n = 1 - коэффициент, принятый по таблице 6 для наружной стены;
t int = 20°С - значение из исходных данных;
t ext = -31°С - значение из исходных данных;
Δt n = 4°С - нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимается по таблице 5 в данном случае для наружных стен жилых зданий;
α int = 8,7 Вт/(м 2 ×°С) - коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимается по таблице 7 для наружных стен.
4.3. Норма тепловой защиты
Из приведенных выше вычислений за требуемое сопротивление теплопередачи выбираем R req из условия энергосбережения и обозначаем его теперь R тр0 =3,214м 2 × °С/Вт .
5. Определение толщины утеплителя
Для каждого слоя заданной стены необходимо рассчитать термическое сопротивление по формуле:
где: δi- толщина слоя, мм;
λ i - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя Вт/(м × °С).
1 слой (декоративный кирпич): R 1 = 0,09/0,96 = 0,094 м 2 × °С/Вт .
3 слой (силикатный кирпич): R 3 = 0,25/0,87 = 0,287 м 2 × °С/Вт .
4 слой (штукатурка): R 4 = 0,02/0,87 = 0,023 м 2 × °С/Вт .
Определение минимально допустимого (требуемого) термического сопротивления теплоизоляционного материала (формула 5.6 Е.Г. Малявина "Теплопотери здания. Справочное пособие"):
где: R int = 1/α int = 1/8,7 - сопротивление теплообмену на внутренней поверхности;
R ext = 1/α ext = 1/23 - сопротивление теплообмену на наружной поверхности, α ext принимается по таблице 14 для наружных стен;
ΣR i = 0,094 + 0,287 + 0,023 - сумма термических сопротивлений всех слоев стены без слоя утеплителя, определенных с учетом коэффициентов теплопроводности материалов, принятых по графе А или Б (столбцы 8 и 9 таблицы Д1 СП 23-101-2004) в соответствии с влажностными условиями эксплуатации стены, м 2 ·°С/Вт
Толщина утеплителя равна (формула 5,7 ):
где: λ ут - коэффициент теплопроводности материала утеплителя, Вт/(м·°С).
Определение термического сопротивления стены из условия, что общая толщина утеплителя будет 250 мм (формула 5.8 ):
где: ΣR т,i - сумма термических сопротивлений всех слоев ограждения, в том числе и слоя утеплителя, принятой конструктивной толщины, м 2 ·°С/Вт.
Из полученного результата можно сделать вывод, что
R 0 = 3,503м 2 × °С/Вт > R тр0 = 3,214м 2 × °С/Вт → следовательно, толщина утеплителя подобрана правильно .
Влияние воздушной прослойки
В случае, когда в трехслойной кладке в качестве утеплителя применяются минеральная вата, стекловата или другой плитный утеплитель, необходимо устройство воздушной вентилируемой прослойки между наружной кладкой и утеплителем. Толщина этой прослойки должна составлять не менее 10 мм, а желательно 20-40 мм. Она необходима для того, чтобы осушать утеплитель, который намокает от конденсата.
Данная воздушная прослойка является не замкнутым пространством, поэтому в случае ее наличия в расчете необходимо учитывать требования п.9.1.2 СП 23-101-2004, а именно:
а) слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой и наружной поверхностью (в нашем случае - это декоративный кирпич (бессер)), в теплотехническом расчете не учитываются;
б) на поверхности конструкции, обращенной в сторону вентилируемой наружным воздухом прослойки, следует принимать коэффициент теплоотдачи α ext = 10,8 Вт/(м°С).
Примечание: влияние воздушной прослойки учитывается, например, при теплотехническом расчете пластиковых стеклопакетов.
Требуется определить толщину утеплителя в трехслойной кирпичной наружной стене в жилом здании, расположенном в г. Омске. Конструкция стены: внутренний слой – кирпичная кладка из обыкновенного глиняного кирпича толщиной 250 мм и плотностью 1800 кг/м 3 , наружный слой – кирпичная кладка из облицовочного кирпича толщиной 120 мм и плотностью 1800 кг/м 3 ; между наружным и внутренними слоями расположен эффективный утеплитель из пенополистирола плотностью 40 кг/м 3 ; наружный и внутренний слои соединяются между собой стеклопластиковыми гибкими связями диаметром 8 мм, расположенными с шагом 0,6 м.
1. Исходные данные
Назначение здания – жилой дом
Район строительства – г. Омск
Расчетная температура внутреннего воздуха t int = плюс 20 0 С
Расчетная температура наружного воздуха t ext = минус 37 0 С
Расчетная влажность внутреннего воздуха – 55%
2. Определение нормируемого сопротивления теплопередаче
Определяется по таблице 4 в зависимости от градусо-суток отопительного периода. Градусо-сутки отопительного периода, D d , °С×сут, определяют по формуле 1, исходя из средней температуры наружного воздуха и продолжительности отопительного периода.
По СНиП 23-01-99* определяем, что в г. Омске средняя температура наружного воздуха отопительного периода равна: t ht = -8,4 0 С , продолжительность отопительного периода z ht = 221 сут. Величина градусо-суток отопительного периода равна:
D d = (t int - t ht ) z ht = (20 + 8,4)×221 = 6276 0 С сут.
Согласно табл. 4. нормируемое сопротивление теплопередаче R reg наружных стен для жилых зданий соответствующее значению D d = 6276 0 С сут равно R reg = a D d + b = 0,00035×6276 + 1,4 = 3,60 м 2 0 С/Вт.
3. Выбор конструктивного решения наружной стены
Конструктивное решение наружной стены предложено в задании и представляет собой трехслойное ограждение с внутренним слоем из кирпичной кладки толщиной 250 мм, наружным слоем из кирпичной кладки толщиной 120 мм, между наружным и внутренним слоем расположен утеплитель из пенополистирола. Наружный и внутренний слой соединяются между собой гибкими связями из стеклопластика диаметром 8 мм, расположенными с шагом 0,6 м.
4. Определение толщины утеплителя
Толщина утеплителя определяется по формуле 7:
d ут = (R reg ./r – 1/a int – d кк /l кк – 1/a ext)× l ут
где R reg . – нормируемое сопротивление теплопередаче, м 2 0 С/Вт; r – коэффициент теплотехнической однородности; a int – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, Вт/(м 2 ×°С); a ext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м 2 ×°С); d кк – толщина кирпичной кладки, м ; l кк – расчетный коэффициент теплопроводности кирпичной кладки, Вт/(м×°С) ; l ут – расчетный коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м×°С) .
Нормируемое сопротивление теплопередаче определено: R reg = 3,60 м 2 0 С/Вт.
Коэффициент теплотехнической однородности для кирпичной трехслойной стены со стеклопластиковыми гибкими связями составляет около r=0,995 , и в расчетах может не учитываться (для информации – если применили стальные гибкие связи, то коэффициент теплотехнической однородности может достигать 0,6-0,7) .
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности определяется по табл. 7 a int = 8,7 Вт/(м 2 ×°С).
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности принимается по таблице 8 a е xt = 23 Вт/(м 2 ×°С).
Суммарная толщина кирпичной кладки составляет 370 мм или 0,37 м.
Расчетные коэффициенты теплопроводности используемых материалов определяются в зависимости от условий эксплуатации (А или Б). Условия эксплуатации определяются в следующей последовательности:
По табл. 1 определяем влажностный режим помещений: так как расчетная температура внутреннего воздуха +20 0 С, расчетная влажность 55%, влажностный режим помещений – нормальный;
По приложению В (карта РФ) определяем, что г. Омск расположен в сухой зоне;
По табл. 2 , в зависимости от зоны влажности и влажностного режима помещений, определяем, что условия эксплуатации ограждающих конструкций – А .
По прил. Д определяем коэффициенты теплопроводности для условий эксплуатации А: для пенополистирола ГОСТ 15588-86 плотностью 40 кг/м 3 l ут = 0,041 Вт/(м×°С) ; для кирпичной кладки из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м 3 l кк = 0,7 Вт/(м×°С) .
Подставим все определенные значения в формулу 7 и рассчитываем минимальную толщину утеплителя из пенополистирола:
d ут = (3,60 – 1/8,7 – 0,37/0,7 – 1/23)× 0,041 = 0,1194 м
Округляем полученное значение в большую сторону с точностью до 0,01 м: d ут = 0,12 м. Выполняем проверочный расчет по формуле 5:
R 0 = (1/a i + d кк /l кк + d ут /l ут + 1/a e)
R 0 = (1/8,7 + 0,37/0,7 + 0,12/0,041 + 1/23) = 3,61 м 2 0 С/Вт
5. Ограничение температуры и конденсации влаги на внутренней поверхности ограждающей конструкции
Δt o , °С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемых величин Δt n , °С, установленных в таблице 5 , и определен следующим образом
Δt o = n(t int – t ext )/( R 0 a int) = 1(20+37)/(3,61 х 8,7) = 1,8 0 С т.е. меньше, чем Δt n , = 4,0 0 С, определенное по таблице 5 .
Вывод: т олщина утеплителя из пенополистирола в трехслойной кирпичной стене составляет 120 мм. При этом сопротивление теплопередаче наружной стены R 0 = 3,61 м 2 0 С/Вт , что больше нормируемого сопротивления теплопередаче R reg . = 3,60 м 2 0 С/Вт на 0,01м 2 0 С/Вт. Расчетный температурный перепад Δt o , °С, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не превышает нормативное значение Δt n , .
Пример теплотехнический расчета светопрозрачных ограждающих конструкций
Светопрозрачные ограждающие конструкции (окна) подбирают по следующей методике.
Нормируемое сопротивление теплопередаче R reg определяется по таблице 4 СНиП 23-02-2003 (колонка 6) в зависимости от градусо-суток отопительного периода D d . При этом тип здания и D d принимают как в предыдущем примере теплотехнического расчета светонепрозрачных ограждающих конструкций. В нашем случае D d = 6276 0 С сут, тогда для окна жилого дома R reg = a D d + b = 0,00005×6276 + 0,3 = 0,61 м 2 0 С/Вт.
Выбор светопрозрачных конструкций осуществляется по значению приведенного сопротивления теплопередаче R o r , полученному в результате сертификационных испытаний или по приложению Л Свода правил . Если приведенное сопротивление теплопередаче выбранной светопрозрачной конструкции R o r , больше или равно R reg , то эта конструкция удовлетворяет требованиям норм.
Вывод: для жилого дома в г. Омске принимаем окна в ПВХ-переплетах с двухкамерными стеклопакетами из стекла с твердым селективным покрытием и заполнением аргоном межстекольного пространства у которых R о r = 0,65 м 2 0 С/Вт больше R reg = 0,61 м 2 0 С/Вт.
ЛИТЕРАТУРА
- СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
- СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты.
- СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.
- СНиП 31-01-2003. Здания жилые многоквартирные.
- СНиП 2.08.02-89 * . Общественные здания и сооружения.
Исходные данные
Место строительства – г. Омск
z ht = 221 суток
t ht = -8,4ºС.
t ext = -37ºС.
t int = + 20ºС;
влажность воздуха: = 55 %;
Условия эксплуатации ограждающих конструкций – Б. Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения а i nt = 8,7 Вт/м 2 °С.
a ext = 23 Вт/м 2 ·°С.
Необходимые данные о конструктивных слоях стены для теплотехнического расчёта сведены в таблицу.
1. Определение градусо-суток отопительного периода по формуле (2) СП 23-101-2004:
D d = (t int - t ht) z th = (20–(8,4))·221= 6276,40
2. Нормируемое значение сопротивления теплопередаче наружных стен по формуле (1)СП 23-101-2004:
R reg = a · D d + b =0,00035·6276,40+ 1,4 =3,6м 2 ·°С/Вт.
3. Приведенное сопротивление теплопередаче R 0 r наружных кирпичных стен с эффективным утеплителем жилых зданий рассчитывается по формуле
R 0 r = R 0 усл r,
где R 0 усл – сопротивление теплопередаче кирпичных стен, условно определяемое по формулам (9) и (11) без учета теплопроводных включений,м 2 ·°С/Вт;
R 0 r - приведенное сопротивление теплопередаче с учетом коэффициента теплотехнической однородности r , который для стен равен 0,74.
Расчёт ведётся из условия равенства
следовательно,
R 0 усл = 3,6/0,74 = 4,86м 2 ·°С /Вт
R 0 усл =R si +R k +R se
R k = R reg - (R si + R se)= 3,6- (1/8,7 + 1/23) = 3,45 м 2 ·°С /Вт
4. Термическое сопротивление наружной кирпичной стены слоистой конструкции может быть представлено как сумма термических сопротивлений отдельных слоев, т.е.
R к = R 1 + R 2 + R ут +R 4
5. Определяем термическое сопротивление утеплителя:
R ут = R к + (R 1 + R 2 + R 4) = 3,45– (0,037 + 0,79) = 2,62 м 2 ·°С/Вт.
6. Находим толщину утеплителя:
| Ри |
Принимаем толщину утеплителя 100 мм.
Окончательная толщина стены будет равна (510+100) = 610 мм.
Производим проверку с учетом принятой толщины утеплителя:
R 0 r = r (R si +R 1 + R 2 + R ут + R 4 + R se) = 0,74 (1/8,7 + 0,037 + 0,79 + 0,10/0,032+ 1/23) = 4,1м 2 ·°С/Вт.
УсловиеR 0 r = 4,1> = 3,6м 2 ·°С/Вт выполняется.
Проверка выполнения санитарно-гигиенических требований
тепловой защиты здания
1. Проверяем выполнение условия 
:
∆t = (t int – t ext)/R 0 r a int = (20-(37))/4,1·8,7 = 1,60 ºС
Согласно табл. 5СП 23-101-2004 ∆t n = 4 °С, следовательно, условие ∆t = 1,60< ∆t n = 4 ºС выполняется.
2. Проверяем выполнение условия 
:
] = 20 – =
20 – 1,60 = 18,40ºС
3. Согласно приложению Сп 23-101–2004 для температуры внутреннего воздуха t
int = 20 ºС и относительной влажности = 55 % температура точки росы t
d = 10,7ºС, следовательно, условие τsi = 18,40>t
d = 
выполняется.
Вывод . Ограждающая конструкция удовлетворяет нормативным требованиям тепловой защиты здания.
4.2 Теплотехнический расчет мансардногопокрытия.
Исходные данные
Определить толщину утеплителя чердачного перекрытия, состоящего из утеплителя δ = 200 мм, пароизоляции, проф. листа
Чердачное перекрытие:
Совмещённое покрытие:
Место строительства – г. Омск
Продолжительность отопительного периода z ht = 221 суток.
Средняя расчетная температура отопительного периода t ht = -8,4ºС.
Температура холодной пятидневки t ext = –37ºС.
Расчет произведен для пятиэтажного жилого дома:
температура внутреннего воздуха t int = + 20ºС;
влажность воздуха: = 55 %;
влажностный режим помещения – нормальный.
Условия эксплуатации ограждающих конструкций – Б.
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения а i nt = 8,7 Вт/м 2 °С.
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения a ext = 12 Вт/м 2 ·°С.
Наименование материала Y 0 , кг / м³ δ , м λ , мR , м 2 ·°С/Вт
1. Определение градусо-суток отопительного периода по формуле (2)СП 23-101-2004:
D d = (t int - t ht) z th = (20 –8,4) · 221=6276,4ºСсут
2. Нормирование значение сопротивления теплопередаче чердачного перекрытия по формуле (1) СП 23-101-2004:
R reg = a · D d + b , где а и b – выбираем по таблице 4 СП 23-101-2004
R reg = a · D d + b = 0,00045 · 6276,4+ 1,9 = 4,72м² · ºС / Вт
3. Теплотехнический расчет ведется из условия равенства общего термического сопротивления R 0 нормируемому R reg , т.е.
4. Из формулы (8) СП 23-100-2004 определяем термическое сопротивление ограждающей конструкции R k (м² · ºС / Вт)
R k = R reg - (R si + R se)
R reg = 4,72м² · ºС / Вт
R si = 1 / α int = 1 / 8,7 = 0,115 м² · ºС / Вт
R se = 1 / α ext = 1 / 12 = 0,083 м² · ºС / Вт
R k = 4,72– (0,115 + 0,083) = 4,52м² · ºС / Вт
5. Термическое сопротивление ограждающей конструкции (чердачного перекрытия) может быть представлена как сумма термических сопротивлений отдельных слоев:
R к = R жб + R пи + R цс + R ут → R ут = R к + (R жб + R пи + R цс) = R к - (d/ λ) =4,52 – 0,29 = 4,23
6. Используем формулу (6) СП 23-101-2004, определим толщину утепляющего слоя:
d ут = R ут · λ ут = 4,23· 0,032= 0,14 м
7. Принимаем толщину утепляющего слоя 150мм.
8. Считаем общее термическое сопротивление R 0:
R 0 = 1 / 8,7 + 0,005 / 0,17+0,15/0,032 + 1 / 12 = 0,115 + 4,69+ 0,083 =4,89м² · ºС / Вт
R 0 ≥ R reg 4,89 ≥ 4,72 удовлетворяет требованию
Проверка выполнения условий
1. Проверяем выполнение условия ∆t 0 ≤ ∆t n
Величину ∆t 0 определяем по формуле (4) СНиП 23-02-2003:
∆t 0 = n ·(t int - t ext) / R 0 · a int где, n – коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности к наружному воздуху по табл. 6
∆t 0 = 1(20+37) / 4,89 · 8,7 = 1,34ºС
Согласно табл. (5) СП 23-101-2004∆t n = 3 ºС, следовательно, условие ∆t 0 ≤ ∆t n выполняется.
2. Проверяем выполнение условия τ >t d
Значение τ рассчитываем по формуле (25) СП 23-101-2004
t si = t int – [n (t int –t ext )]/(R o a int )
τ = 20- 1(20+26) / 4,89· 8,7 = 18,66 ºС
3. Согласно приложению Р СП 23-01-2004 для температуры внутреннего воздуха t int = +20 ºС и относительной влажности φ = 55% температура точки росы t d = 10,7 ºС, следовательно, условие τ >t d выполняется.
Вывод: чердачное перекрытие удовлетворяет нормативным требованиям.
Пример теплотехнического расчета ограждающих конструкций
1. Исходные данные
Техническое задание. В связи с неудовлетворительным тепло-влажностным режимом здания необходимо произвести утепление его стен и мансардной крыши. С этой целью выполнить расчеты термического сопротивления, теплоустойчивости, воздухо- и паропроницаемости ограждающих конструкций здания с оценкой возможности конденсации влаги в толще ограждений. Установить необходимую толщину теплоизоляционного слоя, необходимость применения ветро- и пароизоляции, порядок расположения слоев в конструкции. Разработать проектное решение, отвечающее требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» к ограждающим конструкциям. Расчеты выполнить в соответствии со сводом правил по проектированию и строительству СП 23-101-2004 "Проектирование тепловой защиты зданий".
Общая характеристика здания. Двухэтажное жилое здание с мансардой расположено в пос. Свирица Ленинградской области. Общая площадь наружных ограждающих конструкций - 585,4 м 2 ; общая площадь стен 342,5 м 2 ; общая площадь окон 51,2 м 2 ; площадь крыши – 386 м 2 ; высота подвала - 2,4 м.
Конструктивная схема здания включает несущие стены, железобетонные перекрытия из многопустотных панелей, толщиной 220 мм и бетонный фундамент. Наружные стены выполнены из кирпичной кладки и оштукатурены изнутри и снаружи строительным раствором слоем около 2 см.
Покрытие здания имеет стропильную конструкцию со стальной фальцевой кровлей, выполненной по обрешетке с шагом 250 мм. Утеплитель толщиной 100 мм выполнен из минераловатных плит, уложенных между стропилами
В здании предусмотрено стационарное электро-теплоаккумуляционное отопление. Подвал имеет техническое назначение.
Климатические параметры. Согласно СНиП 23-02-2003 и ГОСТ 30494-96 расчетную среднюю температуру внутреннего воздуха принимаем равной
t int = 20 °С.
Согласно СНиП 23-01-99 принимаем:
1) расчетную температуру наружного воздуха в холодный период года для условий пос. Свирица Ленинградской области
t ext = -29 °С;
2) продолжительность отопительного периода
z ht = 228 сут.;
3) среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период
t ht = -2,9 °С.
Коэффициенты теплоотдачи. Значения коэффициента теплоотдачивнутренней поверхности ограждений принимаем:для стен, полов и гладких потолков α int = 8,7 Вт/(м 2 ·ºС).
Значения коэффициента теплоотдачи наружнойповерхности ограждений принимаем:для стен и покрытий α ext =23; перекрытий чердачных α ext =12 Вт/(м 2 ·ºС);
Нормируемое сопротивление теплопередаче. Градусо-сутки отопительного периода G d определяются по формуле (1)
G d = 5221 °С·сут.
Поскольку значение G d отличается от табличных значений, нормативное значение R req определяем по формуле (2).
Согласно СНиП 23-02-2003 для полученного значения градусо-суток нормируемое сопротивление теплопередаче R req , м 2 ·°С/Вт, составляет:
Для наружных стен 3,23;
Покрытий и перекрытий над проездами 4,81;
Ограждений над неотапливаемыми подпольями и подвалами 4,25;
Окон и балконных дверей 0,54.
2. Теплотехнический расчет наружных стен
2.1. Сопротивление наружных стен теплопередаче
Наружные стены выполнены из пустотелого керамического кирпича и имеют толщину 510 мм. Стены оштукатурены изнутри известково-цементным раствором толщиной 20 мм, снаружи – цементным раствором той же толщины.
Характеристики данных материалов – плотность γ 0 , коэффициент теплопроводности в сухом состоянии 0 и коэффициент паропроницаемости μ – принимаем по табл. П.9 приложения. При этом в расчетах используем коэффициенты теплопроводности материалов W для условий эксплуатации Б, (для влажных условий эксплуатации), которые получаем по формуле (2.5). Имеем:
Для известково-цементного раствора
γ 0 = 1700 кг/м 3 ,
W =0,52(1+0,168·4)=0,87 Вт/(м·°С),
μ=0,098 мг/(м·ч·Па);
Для кирпичной кладки из пустотелого керамического кирпича на цементно-песчаном растворе
γ 0 = 1400 кг/м 3 ,
W =0,41(1+0,207·2)=0,58 Вт/(м·°С),
μ=0,16 мг/(м·ч·Па);
Для цементного раствора
γ 0 = 1800 кг/м 3 ,
W =0,58(1+0,151·4)=0,93 Вт/(м·°С),
μ=0,09 мг/(м·ч·Па).
Сопротивление теплопередаче стены без утепления равно
R о = 1/8,7 + 0,02/0,87 + 0,51/0,58 + 0,02/0,93 + 1/23 = 1,08 м 2 ·°С/Вт.
При наличии оконных проемов, образующих откосы стены, коэффициент теплотехнической однородности кирпичных стен, толщиной 510 мм принимаем r = 0,74.
Тогда приведенное сопротивление теплопередаче стен здания, определяемое по формуле (2.7), равно
R r о =0,74·1,08=0,80 м 2 ·°С/Вт.
Полученное значение намного ниже нормативного значения сопротивления теплопередаче, поэтому необходимо устройство наружной теплоизоляции и последующее оштукатуривание защитным и декоративным составами штукатурного раствора с армированием стеклосеткой.
Для возможности просыхания теплоизоляции закрывающий ее штукатурный слой должен быть паропроницаемым, т.е. пористым с малой плотностью. Выбираем поризованный цементно-перлитовый раствор, имеющий следующие характеристики:
γ 0 = 400 кг/м 3 ,
0 = 0,09 Вт/(м·°С),
W =0,09(1+0,067·10)=0,15 Вт/(м·°С),
= 0,53 мг/(м·ч·Па).
Суммарное сопротивление теплопередаче добавляемых слоев теплоизоляции R т и штукатурной обделки R ш должно быть не менее
R т +R ш =3,23/0,74-1,08=3,28 м 2 ·°С/Вт.
Предварительно (с последующим уточнением) принимаем толщину штукатурной обделки 10 мм, тогда сопротивление ее теплопередаче равно
R ш =0,01/0,15=0,067 м 2 ·°С/Вт.
При использовании для теплоизоляции минераловатных плит производства ЗАО «Минеральная вата» марки Фасад Баттс 0 =145 кг/м 3 , 0 =0,033, W =0,045 Вт/(м·°С) толщина теплоизоляционного слоя составит
δ=0,045·(3,28-0,067)=0,145 м.
Плиты Rockwool выпускаются толщиной от 40 до 160 мм с шагом 10 мм. Принимаем стандартную толщину теплоизоляции 150 мм. Таким образом, укладка плит будет производиться в один слой.
Проверка выполнения требований по энергосбережению. Расчетная схема стены представлена на рис. 1. Характеристика слоев стены и общее сопротивление стены теплопередаче без учета пароизоляции приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Характеристика слоев стены и общее сопротивление стены теплопередаче
|
Материал слоя |
Плотность γ 0 , кг/м 3 |
Толщина δ, м |
Расчетный коэффициент теплопроводности λ W , Вт/(м К) |
Расчетное сопротивление теплопередаче R , м 2 ·°С)/Вт |
|
|
Внутренняя штукатурка (известково-цементный раствор) |
|||||
|
Кладка из пустотного керамического кирпича |
|||||
|
Внешняя штукатурка (цементный раствор) |
|||||
|
Минераловатный утеплитель ФАСАД БАТТС |
|||||
|
Штукатурка защитно-декоративная (цементно-перлитовый раствор) |
|||||
Сопротивление теплопередаче стен здания после утепления составит:
R o = 1/8,7+4,32+1/23=4,48 м 2 ·°С/Вт.
С учетом коэффициента теплотехнической однородности наружных стен (r = 0,74) получаем приведенное сопротивление теплопередаче
R o r = 4,48·0,74=3,32 м 2 ·°С/Вт.
Полученное значение R o r = 3,32 превышает нормативное R req =3,23, так как фактическая толщина теплоизоляционных плит больше расчетной. Такое положение отвечает первому требованию СНиП 23-02-2003 к термическому сопротивлению стены – R о ≥R req .
Проверка выполнения требований по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям в помещении. Расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены Δt 0 составляет
Δt 0 =n (t int – t ext )/(R o r ·α int )=1,0(20+29)/(3,32·8,7)=1,7 ºС.
Согласно СНиП 23-02-2003 для наружных стен жилых зданий допустим перепад температуры не более 4,0 ºС. Таким образом, второе условие (Δt 0 ≤Δt n ) выполнено.
П
роверим
третье условие (τ
int
>t
рос),
т.е. возможна ли конденсация влаги на
внутренней поверхности стены при
расчетной температуре наружного воздуха
t
ext
= -29 °С. Температуру
внутренней поверхности τ
int
ограждающей конструкции (без теплопроводного
включения) определяем по формуле
τ int = t int –Δt 0 =20–1,7=18,3 °С.
Упругость водяного пара в помещении е int равна
Создание комфортных условий для проживания или трудовой деятельности является первостепенной задачей строительства. Значительная часть территории нашей страны находится в северных широтах с холодным климатом. Поэтому поддержание комфортной температуры в зданиях всегда актуально. С ростом тарифов на энергоносители снижение расхода энергии на отопление выходит на первый план.
Климатические характеристики
Выбор конструкции стен и кровли зависит прежде всего от климатических условий района строительства. Для их определения необходимо обратиться к СП131.13330.2012 «Строительная климатология». В расчетах используются следующие величины:
- температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, обозначается Тн;
- средняя температура, обозначается Тот;
- продолжительность, обозначается ZOT.
На примере для Мурманска величины имеют следующие значения:
- Тн=-30 град;
- Тот=-3.4 град;
- ZOT=275 суток.
Кроме того, необходимо задать расчетную температуру внутри помещения Тв, она определяется в соответствии с ГОСТом 30494-2011. Для жилья можно принять Тв=20 град.
Чтобы выполнить теплотехнический расчет ограждающих конструкций, предварительно вычисляют величину ГСОП (градусо-сутки отопительного периода):
ГСОП = (Тв - Тот) х ZOT.
На нашем примере ГСОП=(20 - (-3,4)) х 275 = 6435.
Основные показатели
Для правильного выбора материалов ограждающих конструкций необходимо определить, какими теплотехническими характеристиками они должны обладать. Способность вещества проводить тепло характеризуется его теплопроводностью, обозначается греческой буквой l (лямбда) и измеряется в Вт/(м х град.). Способность конструкции удерживать тепло характеризуется её сопротивлением теплопередаче R и равняется отношению толщины к теплопроводности: R = d/l.
В случае если конструкция состоит из нескольких слоёв, сопротивление рассчитывается для каждого слоя и затем суммируется.
Сопротивление теплопередачи является основным показателем наружной конструкции. Его величина должна превышать нормативное значение. Выполняя теплотехнический расчет ограждающих конструкций здания, мы должны определить экономически оправданный состав стен и кровли.
Значения теплопроводности
Качество теплоизоляции определяется в первую очередь теплопроводностью. Каждый сертифицированный материал проходит лабораторные исследования, в результате которых определяется это значение для условий эксплуатации «А» или «Б». Для нашей страны большинству регионов соответствуют условия эксплуатации «Б». Выполняя теплотехнический расчет ограждающих конструкций дома, следует использовать именно это значение. Значения теплопроводности указывают на этикетке либо в паспорте материала, но если их нет, можно воспользоваться справочными значениями из Свода правил. Значения для наиболее популярных материалов приведены ниже:
- Кладка из обыкновенного кирпича - 0,81 Вт(м х град.).
- Кладка из силикатного кирпича - 0,87 Вт(м х град.).
- Газо- и пенобетон (плотностью 800) - 0,37 Вт(м х град.).
- Древесина хвойных пород - 0,18 Вт(м х град.).
- Экструдированный пенополистирол - 0,032 Вт(м х град.).
- Плиты минераловатные (плотность 180) - 0,048 Вт(м х град.).
Нормативное значение сопротивления теплопередаче
Расчётное значение сопротивления теплопередаче не должно быть меньше базового значения. Базовое значение определяется по таблице 3 СП50.13330.2012 « зданий». В таблице определены коэффициенты для расчета базовых значений сопротивления теплопередаче всех ограждающих конструкций и типов зданий. Продолжая начатый теплотехнический расчет ограждающих конструкций, пример расчета можно представить следующим образом:
- Рстен = 0,00035х6435 + 1,4 = 3,65 (м х град/Вт).
- Рпокр = 0,0005х6435 + 2,2 = 5,41 (м х град/Вт).
- Рчерд = 0,00045х6435 + 1,9 = 4,79 (м х град/Вт).
- Рокна = 0,00005х6435 + 0,3 = х град/Вт).
Теплотехнический расчет наружной ограждающей конструкции выполняется для всех конструкций, замыкающих «теплый» контур - пол по грунту или перекрытие техподполья, наружные стены (включая окна и двери), совмещенное покрытие или перекрытие неотапливаемого чердака. Также расчет необходимо выполнять и для внутренних конструкций, если перепад температур в смежных комнатах составляет более 8 градусов.
Теплотехнический расчет стен
Большинство стен и перекрытий по своей конструкции многослойны и неоднородны. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций многослойной структуры выглядит следующим образом:
R= d1/l1 +d2/l2 +dn/ln,
где n - параметры n-го слоя.
Если рассматривать кирпичную оштукатуренную стену, то получим следующую конструкцию:
- наружный слой штукатурки толщиной 3 см, теплопроводность 0,93 Вт(м х град.);
- кладка из полнотелого глиняного кирпича 64 см, теплопроводность 0,81 Вт(м х град.);
- внутренний слой штукатурки толщиной 3 см, теплопроводность 0,93 Вт(м х град.).
Формула теплотехнического расчета ограждающих конструкций выглядит следующим образом:
R=0,03/0,93 + 0,64/0,81 + 0,03/0,93 = 0,85(м х град/Вт).
Полученное значение существенно меньше определенного ранее базового значения сопротивления теплопередаче стен жилого дома в Мурманске 3,65 (м х град/Вт). Стена не удовлетворяет нормативным требованиям и нуждается в утеплении. Для утепления стены используем толщиной 150 мм и теплопроводностью 0,048 Вт(м х град.).
Подобрав систему утепления, необходимо выполнить проверочный теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета приведён ниже:
R=0,15/0,048 + 0,03/0,93 + 0,64/0,81 + 0,03/0,93 = 3,97(м х град/Вт).
Полученная расчётная величина больше базовой - 3,65 (м х град/Вт), утеплённая стена удовлетворяет требованиям норм.
Расчёт перекрытий и совмещённых покрытий выполняется аналогично.
Теплотехнический расчёт полов, соприкасающихся с грунтом
Нередко в частных домах или общественных зданиях выполняются по грунту. Сопротивление теплопередаче таких полов не нормируется, но как минимум конструкция полов не должна допускать выпадения росы. Расчет конструкций, соприкасающихся с грунтом, выполняется следующим образом: полы разбиваются на полосы (зоны) шириной по 2 метра, начиная с внешней границы. Таких зон выделяется до трех, оставшаяся площадь относится к четвертой зоне. Если в конструкции пола не предусмотрен эффективный утеплитель, то сопротивление теплопередаче зон принимается следующим:
- 1 зона - 2,1 (м х град/Вт);
- 2 зона - 4,3 (м х град/Вт);
- 3 зона - 8,6 (м х град/Вт);
- 4 зона - 14,3 (м х град/Вт).
Нетрудно заметить, что чем дальше участок пола находится от внешней стены, тем выше его сопротивление теплопередаче. Поэтому зачастую ограничиваются утеплением периметра пола. При этом к сопротивлению теплопередаче зоны добавляется сопротивление теплопередаче утепленной конструкции.
Расчет сопротивления теплопередаче пола необходимо включать в общий теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета полов по грунту рассмотрим ниже. Примем площадь пола 10 х 10, равную 100 м кв.
- Площадь 1 зоны составит 64 м кв.
- Площадь 2 зоны составит 32 м кв.
- Площадь 3 зоны составит 4 м кв.
Среднее значение сопротивления теплопередаче пола по грунту:
Рпола = 100 / (64/2,1 + 32/4,3 + 4/8,6) = 2,6 (м х град/Вт).
Выполнив утепление периметра пола пенополистирольной плитой толщиной 5 см, полосой шириной 1 метр, получим среднее значение сопротивления теплопередаче:
Рпола = 100 / (32/2,1 + 32/(2,1+0,05/0,032) + 32/4,3 + 4/8,6) = 4,09 (м х град/Вт).
Важно отметить, что подобным образом рассчитываются не только полы, но и конструкции стен, соприкасающихся с грунтом (стены заглубленного этажа, теплого подвала).
Теплотехнический расчет дверей
Несколько иначе рассчитывается базовое значение сопротивления теплопередаче входных дверей. Для его расчета понадобится сначала вычислить сопротивление теплопередаче стены по санитарно-гигиеническому критерию(невыпадению росы):
Рст = (Тв - Тн)/(ДТн х ав).
Здесь ДТн - разница температур между внутренней поверхностью стены и температурой воздуха в комнате, определяется по Своду правил и для жилья составляет 4,0.
ав - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, по СП составляет 8,7.
Базовое значение дверей берется равным 0,6хРст.
Для выбранной конструкции двери требуется выполнить проверочный теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета входной двери:
Рдв = 0,6 х (20-(-30))/(4 х 8,7) = 0,86 (м х град/Вт).
Этому расчетному значению будет соответствовать дверь, утепленная минераловатной плитой толщиной 5 см. Её сопротивление теплопередаче составит R=0,05 / 0,048=1,04 (м х град/Вт), что больше расчетного.
Комплексные требования
Расчеты стен, перекрытий или покрытия выполняются для проверки поэлементных требований нормативов. Сводом правил также установлено комплектное требование, характеризующее качество утепления всех ограждающих конструкций в целом. Эта величина называется «удельная теплозащитная характеристика». Без ее проверки не обходится ни один теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета по СП приведен ниже.
Коб = 88,77 / 250 = 0,35, что меньше нормируемого значения 0,52. В данном случае площади и объем приняты для дома размерами 10 х 10 х 2,5 м. Сопротивления теплопередачи - равные базовым величинам.
Нормируемое значение определяется в соответствии с СП в зависимости от отапливаемого объёма дома.
Помимо комплексного требования, для составления энергетического паспорта также выполняют теплотехнический расчет ограждающих конструкций, пример оформления паспорта дан в приложении к СП50.13330.2012.
Коэффициент однородности
Все приведенные выше расчеты применимы для однородных конструкций. Что на практике встречается довольно редко. Чтобы учесть неоднородности, снижающие сопротивление теплопередаче, вводится поправочный коэффициент теплотехнической однородности - r. Он учитывает изменение сопротивления теплопередаче, вносимые оконными и дверными проемами, внешними углами, неоднородными включениями (например перемычками, балками, армирующими поясами), и пр.
Расчет этого коэффициента достаточно сложен, поэтому в упрощенном виде можно воспользоваться примерными значениями из справочной литературы. Например, для кирпичной кладки - 0,9, трехслойных панелей - 0,7.
Эффективное утепление
Выбирая систему утепления дома, легко убедиться, что выполнить современные требования тепловой защиты без использования эффективного утеплителя практически невозможно. Так, если использовать традиционный глиняный кирпич, потребуется кладка толщиной в несколько метров, что экономически нецелесообразно. Вместе с тем низкая теплопроводность современных утеплителей на основе пенополистирола либо каменной ваты позволяет ограничиться толщинами в 10-20 см.
Например, чтобы достичь базового значения сопротивления теплопередаче 3,65 (м х град/Вт), потребуется:
- кирпичная стена толщиной 3 м;
- кладка из пенобетонных блоков 1,4 м;
- минераловатный утеплитель 0,18 м.