Расчет тепловой защиты помещения. 4
Федеральное агентство по образованию и науке
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра строительной физики и химии
Курсовая работа
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПОМЕЩЕНИЯ
Выполнил студент
Востриков В. О.
Научный
руководитель:
Меллех Т. Х.
Санкт-Петербург
2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................
1. Выборка исходных данных.......
1.1. Климат местности..............
1.2. Параметры микроклимата
помещения.....................
1.3. Теплофизические
2. Определение точки росы........
3. Определение нормы тепловой
защиты........................
3.1. Определение нормы тепловой защиты по условию энергосбережения.......8
3.2. Определение норм тепловой
защиты по условию санитарии...
3.3 Норма тепловой защиты.........
4. Расчет толщины утеплителя.....
5. Проверка внутренней
поверхности ограждения на
6. Проверка на выпадение
росы в толще ограждения.......
7. Проверка влажности
режима ограждения.............
8. Проверка ограждения
на воздухопроницание..........
Заключение....................
Список использованной литературы....................
ВВЕДЕНИЕ
Обитаемое здание, где бы оно ни находилось на нашей планете, обязано выполнять по отношению к человеку роль холодильника, оптимально охлаждающего человека в любое время года.
Интенсивность охлаждения зависит от одежды и физической активности (характера деятельности) человека и предопределяется поддержанием в помещении параметров теплового микроклимата:
- температуры воздуха – tв;
- относительной влажности воздуха – φв;
- скорость движения (подвижности) воздуха – vв;
- радиационной температуры помещения – tв;
Оптимальное значение параметров устанавливают и рекомендуют врачи гигиенисты. Строительные Нормы и Правила приводят эти рекомендации, но не в полном объеме из-за того, что для контроля радиационной температуры нет массовой измерительной аппаратуры. Поэтому этот параметр не нормируется, хотя его влияние на охлаждение человеческого тела весьма значительно. Вместо него СНиП1 рекомендуют не превышать в помещениях предельно допустимых перепадов температур Δtн (которые называются нормативными) между воздухом помещения и поверхностями его ограждающих конструкций: стен, потолка, пола. Так, в жилых помещениях этот перепад не должен превышать:
- для стен – 4 ̊ С
- для потолка – 3 ̊ С
- для пола – 2 ̊ С2
На окна правило перепадов не распространяется, а потому на них допускается выпадение не только росы, но и инея, что в еще большей степени усугубляет в помещении радиационный дискомфорт.
Отсутствие действительного контроля за радиационной температурой помещения является крупным недостатком существующего СНиП II-3-79*.
Обеспечение оптимальных параметров теплового микроклимата в помещениях достигается обоснованной тепловой защитой от внешних погодных воздействий и работой отопительно-вентиляционных установок, мощность которых определяется исходя из приточно-сточных балансов тепла, влаги и воздуха, составляемых для помещения. Таким образом, расчет тепловой защиты помещения всегда опережает проектирование отопительной системы и определяет нагрузки на несущие конструкции.
Концентрация водяных паров в воздухе помещения, как правило, выше, чем на улице. Они могут конденсироваться и выпадать в виде росы не только на внутренней поверхности ограждающей конструкции, но и в ее толще при диффузии водяных паров на улицу. Поэтому конструкции проверяют на возможность выпадения росы на поверхности и в толще. Наиболее вероятными местами выпадения росы являются поверхности холодных углов, теплопроводных включений, панелей и колонн, насыщенных металлической арматурой и т.п. Их температура не должна быть выше точки росы. Если из-за высокой влажности (в банях, прачечных и т.п.) выпадение росы неизбежно, то поверхность надо облицовывать водонепроницаемыми материалами. Если же роса выпадает в толще ограждения и с эти можно смириться, то следует проверять влажностный режим увлажняемого слоя. Во-первых, материал, в котором выпадает роса, должен в благоприятное время года успевать высохнуть, чтобы не было прироста влажности. Это условие называется ненакоплением влаги. Во-вторых, к концу периода влагонакопления, охватывающего месяцы с температурой 0 ̊ С и ниже, прирост влажности не должен превысить допустимого значения, в противном случае, возникает временное снижение теплозащитных свойств конструкции, что не позволит поддерживать тепловой микроклимат помещения на должном уровне. Для выполнения второго условия слой, в котором возможно выпадение росы, проверяют на допустимое увлажнение.
Параметры микроклимата снижаются при инфильтрации через конструкцию холодного воздуха с улицы, поэтому величина инфильтрации ограничивается СНиП II-3-79* и подлежит проверке.
В результате расчетов получают минимально допустимую толщину конструкции ограждения, отвечающую всем вышеперечисленным требованиям. Проектировать конструкцию тоньше нормативно обусловленного значения нельзя, а толще можно, если этого требуют условия энергосбережения. Иными словами, из двух вышеперечисленных значений сопротивлений теплопередачи: экономической Rоэ и санитарной Rос к исполнению принимается наибольшее из них, обозначаемое в дальнейшем как требуемое Rотр.
Для более глубокого и конкретного усвоения процесса теплотехнического проектирования зданий необходимо для заданного района строительства рассчитать предложенную конструкцию, руководствуясь излагаемой далее методикой.
ВЫБОРКА ИСХОНЫХ ДАННЫХ
Климат местности
1. Средние месячные температуры, упругости водяных паров воздуха ен:
Вели- чина |
Месяц | |||||||||||
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII | |
tн, ̊ С |
-20,9 |
-18,3 |
-9,7 |
1,0 |
8,4 |
14,8 |
17,6 |
15,0 |
8,1 |
0,5 |
-10,8 |
-18,7 |
ен, % |
110 |
120 |
230 |
400 |
620 |
1120 |
1490 |
1340 |
840 |
500 |
250 |
150 |
2. Температура воздуха, ̊ С:
- средняя наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92: tх5 = -37
- средняя отопительного
периода, который охватывает дни
со среднесуточными
3. Продолжительность периодов, сут.:
- влагонакопления с
- отопительного: zот = 241
4. Повторяемость [П] и скорость [v] ветра:
Месяц |
Характеристика |
Румб | |||||||
С |
СВ |
В |
ЮВ |
Ю |
ЮЗ |
З |
СЗ | ||
Январь |
П, % |
6 |
9 |
14 |
34 |
3 |
1 |
7 |
26 |
v, м/с |
1,3 |
1,0 |
1,6 |
2,9 |
2,1 |
0,7 |
2,0 |
2,8 | |
Июль |
П, % |
4 |
2 |
5 |
32 |
9 |
6 |
18 |
24 |
v, м/с |
2,0 |
1,3 |
1,8 |
2,2 |
1,7 |
1,4 |
2,3 |
3,0 | |
Параметры микроклимата помещения
1. Назначение помещения: клуб
2. Температура внутреннего воздуха: tв = 19 ̊ С
3. Относительная влажность внутреннего воздуха: φв = 55%
4. Разрез рассчитываемого ограждения:
1 – штукатурка известково-
2 – бетон на вулканическом шлаке (1600 кг/м3)
3 – пенопласт (80 кг/ м3)
4 – воздушная прослойка
5 – кирпич глиняный на цементно-песчаном растворе (1800 кг/м3)
Теплофизические характеристики материалов
Характеристики материалов зависят от их эксплуатационной влажности, на которую влияют влажность воздуха в помещении и на улице, которым надо дать оценку3.
1. Влажностный режим помещения нормальный
2. Зона влажности, в которой находится данный населенный пункт (Иркутск): сухая.
3. Влажностные условия эксплуатации ограждающей конструкции: А.
4. Значения характеристик материалов составляющих данную конструкцию: см. приложение 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ РОСЫ
2.1. При температуре tв = 19 ̊ C при заданной относительной влажности φв = 55% упругость насыщающий воздух водяных паров Ев = 2197 Па
2.2. По формуле ев = φв*Ев/100 вычислим фактическую упругость водяных паров:
ев = 55*2197/100 = 1208 (Па)
2.3. При ев = 1208 Па точка росы tp = 9,8 ̊ С
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
Для расчета толщины утепляющего слоя необходимо определить сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции исходя из требований санитарных норм Rос и энергосбережения Rоэ.
Определение нормы тепловой защиты по условию энергосбережения
3.1.1. Определяем градусо-сутки отопительного периода по формуле:
ГСОП = Х = (tв – tот)*zот, где
tв – расчетная температура внутреннего воздуха, ̊ С
tот – средняя температура отопительного периода, ̊ С
zот – продолжительность отопительного периода, сут.
ГСОП = Х = (19 – (-8,9))*176 = 4910,4
3.1.2. Нормативное значение приведенного
сопротивления теплопередачи по условию
энергосбережения определяются в зависимости
от назначения ограждающей конструкции,
условий эксплуатации и градусо-суток
отопительного периода:
Rоэ = R + β*Х, м2*К/Вт
В нашем случае имеем R = 1,2 м2*К/Вт и β = 0,0003 м2/Вт*сут
Rоэ = 1,2 + 0,0003*4910,4 = 2,673 (м2*К/Вт)
Определение норм тепловой защиты по условию санитарии
3.2.1. Нормативный перепад между температурой воздуха в помещении и температурой на внутренней поверхности ограждающей конструкции: Δtн = 4,5 ̊ С
3.2.2. Корректирующий множитель n, учитывающий степень контактности ограждения с наружным воздухом: n = 1
3.2.3. Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции: αв = 8,7 Вт/(м2*К)
3.2.4. Вычислим нормативное сопротивление теплопередаче по условию санитарии по формуле Rос = (tв – tx5)*n / (αв*Δt), м2*К/Вт
Rос = (19 – (-37))*1 / (8,7*4,5) = 1,430 (м2*К/Вт)
Норма тепловой защиты
Из вычисленных значений сопротивлений теплопередачи за требуемое возьмем значение экономическое сопротивление, так как оно больше санитарного. Следовательно, Rоэ = Rотр = 2,673 м2*К/Вт
РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ УТЕПЛИТЕЛЯ
Утепляющим слоем считается тот из представленных слоев, для которого не задана толщина δ.
4.1. Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения внешней среде: αн = 23 Вт/(м2*К)
4.2. Вычислим сопротивление теплообмену:
R = 1/α:
- для внутренней поверхности: Rв = 1/8,7 = 0,115
(м2*К/Вт)
- для наружной поверхности: Rн = 1/23 = 0,043 (м2*К/Вт)
4.3. Определим термические сопротивления слоев конструкции с известными толщинами по формуле Ri = δi / λi
R1 = 0,01/0,76 = 0,013 (м2*К/Вт)
R2 = 0,3/0,64 = 0,469 (м2*К/Вт)
R4 = 0,170 (м2*К/Вт) из СНиП4
R5 = 0,12/0,7 = 0,171(м2*К/Вт)
4.4. Вычислим минимально допустимое термическое сопротивление утеплителя по формуле Rуттр = Rотр – (Rв + Rн + ∑Ri из), где
∑Ri из – суммарное сопротивление слоев с известными толщинами.
Rуттр = 2,673 – (0,115 + 0,043 + (0,013 + 0,469 + 0,170 + 0,171)) = 1,692 (м2*К/Вт)
4.5. Вычислим толщину утепляющего слоя по формуле δуп = λуп*Rут
δуп = 0,05*1,692 = 0,085 (м)
4.6. Округлим толщину утеплителя
до унифицированного значения, кратного
строительному модулю. Для минераловатных
слоев округляем до значения, кратного
2 см.
δуп = 0,085 (м) ≈
0,100(м) ≈100 (мм)
4.7. Вычислим термическое сопротивление утеплителя (после унификации) по формуле Rут = δут / λут
Rут = 0,100/0,05 = 2,000 (м2*К/Вт)
4.8. Определим общее термическое сопротивление ограждения с учетом унификации по формуле Ro = Rв + Rн + Rут + ∑Ri из
Ro = 0,115 + 0,043 + 2,000 + (0,013 + 0,469 + 0,170 + 0,171) = 2,981 (м2*К/Вт)
ПРОВЕРКА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОГРАЖДЕНИЯ НА ВЫПАДЕНИЕ РОСЫ
5.1. Вычислим температуру на внутренней поверхности ограждения по формуле
τв = tв – (tв – tн)/Rо*Rв
τв = 19 – (19 –
(-37))/2,981*0,115 = 16,8 ̊ С
Так как τв > tp , то выпадение
росы на внутренней поверхности ограждения
невозможно5.
5.2. Определим термическое сопротивление конструкции по формуле R = ∑Ri
R = 0,013 + 0,469+ 2,000 + 0,170 + 0,171= 2,823 (м2*К/Вт)
5.3. Вычислим температуру в углу стыковки наружных стен по формуле
τу = τв – (0,175 - 0,039*R)*(tв – tн) для R = 0,6....2,2 м2*К/Вт. R возьмем 2,2 м2*К/Вт
τу = 16,8 - (0,175 – 0,039*2,2)*(19 – (-37)) = 11,8 ̊ С
Так как τу > tp , то выпадение росы на внутренней поверхности ограждения невозможно.
ПРОВЕРКА НА ВЫПАДЕНИЕ РОСЫ В ТОЛЩЕ ОГРАЖДЕНИЯ
6.1. Определим сопротивление паропроницанию каждого слоя по формуле
Rпi = δi / μi и конструкции
в целом по формуле Rп = ∑Rпi
Rп1 = 0,01 / 0,09 =
0,111 (м2*ч*Па/мг)
Rп2 = 0,3 / 0,075 = 4 (м2*ч*Па/мг)
Rп3 = 0,1 / 0,23 = 0,435 (м2*ч*Па/мг)
Rп4 = 0,05 / ∞ = 0
Rп5 = 0,12 / 0,11 = 1,091 (м2*ч*Па/мг)
Rп = 0,111 + 4 + 0,435 + 0 + 1,091 = 5,637 (м2*ч*Па/мг)
6.2. Вычислим температуру на поверхности ограждения по формуле
τвI = tв – (tв – tнI)/Rо*Rв, где
tнI – температура
самого холодного месяца
τвI = 19 – (19 –
(-20,9))/2,981*0,115 = 17,5 ̊ С
6.3. При температуре τвI = 17,5 ̊ С максимальная упругость Ев* = 1999 Па
ПРОВЕРКА ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА ОГРАЖДЕНИЯ
7.1. Средние температуры:
- зимнего периода: tзим = - 15,7 ̊ С
- весенне-осеннего периода: tво = 0,8 ̊ С
- летнего периода: tл = 12,8 ̊ С
- периода влагонакопления: tвл = - 15,7 ̊ С
7.2.
Период и его индекс |
Месяцы |
Число месяцев |
Наружная температура периода |
В плоскости конденсации | |
t, ̊ С |
Е, Па | ||||
1 – зимний |
ноябрь-март |
5 |
-15,7 |
-13,2 |
194 |
2 – весенне-осенний |
апрель, октябрь |
2 |
0,8 |
1,8 |
695 |
3 – летний |
май-сентябрь |
5 |
12,8 |
13,2 |
1516 |
0 - влагонакопления |
ноябрь-март |
5 |
-15,7 |
-13,2 |
194 |
7.3. Вычислим среднегодовую упругость
насыщающих водяных паров в плоскости
возможной конденсации по формуле Е = (Е1*z1 + Е2*z2 + Е3*z3)/12
Е = (194*5 + 695*2 + 1516*5)/12 = 828 (Па)
7.4. Определим среднегодовую упругость водяных паров в наружном воздухе по формуле енг = ∑еi / 12
енг = 7170/12 = 598 (Па)
7.5. Вычислим требуемое сопротивление паропроницанию внутренних слоев конструкции, при котором обеспечивается ненакопление влаги в увлажняемом слое из года в год по формуле Rпвтр-1 = (ев – Е)/(Е – енг)*Rпн
Rпвтр-1 = (1208 – 828)/(828 – 598)*1,091 = 1,803 (м2*ч*Па/мг)
Т.к. Rпв > Rпвтр-1, то влага не будет накапливаться в увлажняемом слое
7.6. Определим среднюю упругость водяных паров в наружном воздухе для периода влагонакопления по формуле ео = ∑енiо / zо, где
eнiо – среднемесячные упругости для месяцев, имеющих температуры tн ≤ 0 ̊ С
z0 – число таких месяцев в периоде
ео = 860/5 = 172 (Па)
7.7. Вычислим требуемое сопротивление паропроницанию внутренних слоев конструкции, ограничивающих приращение влажности (в увлажняемом слое) в допустимых пределах по формуле: Rпвтр-2 = (ев – Ео)/((Ео – ео)/Rпн + ρ*δ*Δωср / (100*zо))
Rпвтр-2 = (1208 –
828)/((828 – 172)/1,091 + 1800*106*0,1*1,5/(100*176*24) = 0,306 (м2*ч*Па/мг)
Rпвтр-2 < Rпв, сопротивление
паропроницанию внутренних слоев конструкции,
ограничивающих приращение влажности,
находится в допустимых пределах.
ПРОВЕРКА ОГРАЖДЕНИЯ НА ВОЗДУХОПРОНИЦАНИЕ
8.1. Определим плотность воздуха ρв в помещении при заданной температуре tв и на улице ρн при температуре самой холодной пятидневки, используя формулу
ρ = μ*Р/(R*T), где
μ – молярная масса воздуха, равная 0,029 кг/моль
P – барометрическое давление, равное 101кПа
R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль*К)
T – температура воздуха в Кельвинах.
ρв = 0,029*101000/(8,31*(19+273)) = 1,207 (кг/м3)
ρн = 0,029*101000/(8,31*(-37+273)) = 1,494 (кг/м3)
8.2. Вычислим тепловой перепад давления по формуле ΔРт = 0,56*(ρн - ρв)*g*H, где
g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2
Н – высота здания
ΔРт = 0,56*(1,494 – 1,207)*9,81*31 = 49 (Па)
8.3. Расчетная скорость ветра ν = 2,9 м/с
8.4. Вычислим ветровой перепад давления по формуле ΔРв = 0,3*ρн* ν2 и суммарный (расчетный) перепад, действующий на ограждение по формуле ΔР = ΔРт + ΔРв
ΔРв = 0,3*1,494* (2,9)2 = 4 (Па)
ΔР = 49 + 4 = 53 (Па)
8.5. Допустимая воздухопроницаемость ограждения Gн = 0,5 кг/(м2*ч)
8.6. Определим требуемое (минимально допустимое) сопротивление инфильтрации по формуле Rитр = ΔР/Gн
Rитр = 53/0,5 = 162 (м2*ч*Па/кг)
8.7.
Номер слоя |
Материал |
Толщина слоя, мм |
Пункт приложения 9 |
Сопротивление Rиi, м2*ч*Па/кг |
1 |
Штукатурка известково-песчаная |
10 |
31 |
142 |
2 |
Бетон на вулканическом шлаке |
300 |
29 |
42 |
3 |
Пенопласт |
100 |
Примечание 2 |
0 |
4 |
Воздушная прослойка |
50 |
Примечание 2 |
0 |
5 |
Кирпич глинный на цементно-песчаном растворе |
120 |
6 |
2 |
8.8. Найдем располагаемое сопротивление воздухопроницанию по формуле
Rи = ∑Rнi. Сопротивление воздухопроницанию слоев ограждающих конструкций (стен, покрытий), расположенных между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитывается6.
Rн = 142 + 42 = 184 (м2*ч*Па/кг)
Rи > Rитр, конструкция удовлетворяет допустимым нормам
Сопротивление воздухопроницанию Rиi, м2*ч*Па/кг |
142 |
42 |
0 |
0 |
2 |
Сопротивление паропроницанию Rпi, м2*ч*Па/мг |
0,111 |
4,000 |
0,435 |
0 |
1,091 |
Коэффициент паропроницаемости μ, мг/м2*ч*Па |
0,09 |
0,075 |
0,23 |
∞ |
0,11 |
Термическое сопротивление слоев Ri, м2*К/Вт |
0,013 |
0,469 |
2,000 |
0,170 |
0,171 |
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м*°С) |
0,76 |
0,64 |
0,05 |
- |
0,7 |
Толщина слоя δ, мм |
10 |
300 |
100 |
50 |
120 |
Плотность ρ, кг/м3 |
1800 |
1600 |
80 |
1,225 |
1800 |
№ по СНиП |
71 |
12 |
146 |
- |
84 |
Материал |
штукатурка известково-песчаная |
бетон на вулканическом шлаке |
пенопласт |
воздушная прослойка |
кирпич глиняный на цементно-песчаном растворе |
№ слоя |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Общая толщина ограждения (стены): 580 мм
- Масса 1 м2 ограждения: σ = 722 кг/м2
- Сопротивление теплопередаче: Rо = 2,981 м2*К/Вт
- Коэффициент теплопередачи: К = 0,335 Вт/ м2*К
- Действующий перепад давления: ΔР = 53 Па
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.
2) СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат, 1983, 136с.
3) Фокин К.Ф. Строитеьная
теплотехника ограждающих
1 СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.
2 СНиП II-3-79*, табл.2*, с.4. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с
3 Здесь и далее данные приведены из СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.
4 СНиП II-3-79*, прил. 4. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.
5 СНиП II-3-79*, п. 2.10. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с
6 СНиП II-3-79*, п. 5.4. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с