Расчет толщины утепляющего слоя


Федеральное агентство  по образованию РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 

 

 

 

КАФЕДРА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО

СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОФИЗИКЕ

 

№ ЗАЧЕТНОЙ КНИЖКИ 0703031

 

 

 

 

 

 

 

                                                                      Выполнила:    

                                                                      ст. группы 07-302

                                                                       Закирова Л.Г.

                                                                       Проверил:                       

                                                                       Иванова Р.В.

 

 

 

 

 

 

Казань 2008

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………..3

 

Задание к курсовой работе……………………………………………………….3

 

1. Расчет теплового  режима ограждения………………………………………..6

 

1.1. Расчет толщины  утепляющего слоя………………………………………...6

 

1.2. Расчет сопротивления  воздухопроницанию ограждающей  конструкции…………………………………………………………………….....9

 

1.3. Расчет стационарного температурного поля в ограждении……………...11

 

2. Расчет влажностного  режима наружных ограждений……………………...12

 

2.1. Проверка внутренней  поверхности наружных ограждений……………...12

 

2.2. Проверка ограждения  на паропроницания………………………………..13

 

2.3. Расчет конденсации влаги в толще ограждения…………………………..16

 

Список использованной литературы…………………………………………...21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Строительная теплофизика  рассматривает вопросы теплопередачи, воздухопроницания и  влажностного режима ограждений в связи с процессами тепло- и массообмена, обусловленными действием внешних климатических факторов и работой систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. В настоящее время ее значение усиливается в связи с широким применением индустриальных конструкций из современных материалов, повышением требований к комфортности внутреннего климата помещений, а также развитием строительства с резко выраженными климатическими воздействиями.

Курсовая работа по строительной теплофизике  включает расчет теплового и влажностного режимов ограждающих конструкций, поскольку от них в первую очередь зависит тепловой режим в помещении. Она выполняется в соответствии с требованиями СНиП [4-8], цель которой – закрепить и развить знания, полученные при изучении теоретического курса.

 

ЗАДАНИЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

 

Рассчитать многослойное наружное ограждение для пятиэтажного жилого здания (рис. 1).

 

 

Рис.1. Конструкция наружного  ограждения

«+», «- » - соответственно внутренняя и наружная части ограждений,

δi – толщина i- го слоя ограждения, i =

№ зачетной книжки 0705064

Варианты заданий приведены  в табл. 1 [9]. Район строительства принимается по последней цифре шифра зачетной книжки, толщины слоев и номер материала – по предпоследней.

Район строительства  – г. Пермь. Номера материалов:

1 – 74; 2 – 91; 3 – 136; 4 – 91.

Номер материала слоя соответствует номеру материала по прил. 1 [9]. В этом же прил. 1 [9] находим характеристики материала в сухом состоянии и его расчетные коэффициенты. Расчетные коэффициенты  теплопроводности  λ, Вт / (м · оС) и теплоусвоения S, Вт / (м2 · оС) принимаем по цифре Б с учетом зоны влажности и  влажностного режима помещения.

Зону влажности по схематической карте принимаем  нормальной, влажностный режим - нормальный. Для жилых зданий принимается режим нормальный.

Для удобства дальнейших расчетов тепла все исходные и  выбранные из СНиП теплофизические  характеристики свести в табл. 1.

 

Табл.1

Город

Номера слоев

Материал слоя

Характеристики материала в сухом состоянии

индекс «0»

Расчетные коэффициенты

(при условиях эксплуатации)

Плотность

γо ,

кг/м3

Удельная теплоемкость

со

кДж/кг·оС

Коэффициент теплопроводности

λо,

Вт/м·оС

теплопроводности

λ,

Вт/м · оС

Теплоусвоения

s,

Вт/м2 · оС

паропроницаемости

μ,

мг/м · ч · Па

Пермь

1

Штукатурка цементно-песч.раствором  по каменной или кирпичной кладке

1400

0,84

0,41

0,64

8,11

0,11

2

Кирпичная кладка из кирпича керам. пустотного плотностью 1400 кг/ м3    (брутто) на цементно-песчаном растворе              

1600

0,88

0,47

0,64

8,48

0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Плиты мягкие, полужесткие и жесткие  минераловатные на синтетическом и  битумном связующих (ГОСТ 9573-82, ГОСТ 10140-80, ГОСТ 12394-66)

50

0,84

0,048

0,06

0,48

0,60

4

Кирпичная кладка из кирпича керамического пустотного плотностью 1400 кг/ м3    (брутто) на цементно-песчаном растворе              

1600

0,88

0,47

0,64

8,48

0,14


 

 

  1. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ОГРАЖДЕНИЯ
  2. Расчет толщины утепляющего слоя

 

Мерой теплозащитных  качеств ограждения является общее сопротивление теплопередачи (м2 · с)/Вт,  на величину которой можно влиять через толщины теплоизоляционного слоя , где индекс «ут» - утеплитель.

Архитектурно-строительные решения по ограждающим конструкциям проектируемого здания должны быть такими, чтобы было равным экономически целесообразному сопротивлению теплопередаче , определенному из условия обеспечения наименьших приведенных затрат, но не менее требуемого сопротивления теплопередаче по санитарно-гигиеническим условиям.

 

Порядок расчета

 

а) Определяем требуемое сопротивление, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий по формуле:

 

  ,                      (1.1)                                                            

 

где – расчетная температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая по таблице 4 в зависимости от назначения помещения.   Для жилой средней комнаты квартиры;

– расчетная зимняя температура, °С, равная температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [7, табл.1]. Для г. Пермь ;

n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху [3, табл.  3*], , для наружной стены n = 1;

Δtн – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции , °С; по прил. 2 [9] ;

αв – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2·оС); по прил. 3 [9] .

 

 

 

 

Тогда:

 

б) Градусо-сутки отопительного  периода (ГСОП) Dd определяем по формуле:

 

 ,                                   (1.2)                                                 

 

где tот.пер. – средняя температура отопительного периода, оС, [7, табл.1]. ;

Zот.пер. – продолжительность отопительного периода (сут.) со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8 оС [7, табл. 1]. ;

Получаем:

в) По табл. 2 в зависимости  от ГСОП определяется Roтр  по условиям энергосбережения.

 

Табл.2

Здания и помещения

Градусо-

сутки отопительного периода, °С·сут

Приведенное сопротивление  теплопередаче ограждающих конструкций

Rтр (гсоп), м2 · °С/Вт

стен

1. Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2.1

2.8

3.5

4.2

4.9

5.6

2. Общественные, кроме  указанных выше, административные и бытовые, за исключением помещений с влажным или мокрым режимом

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1.6

2.4

3.0

3.6

4.2

4.8


 

Из табл. 2 для Dd=5931.1 ( ) имеем ;

Roтр=а*Dd+b

а=0.00035

b=1,4

Roтр=0.00035*5931.1+1.4=3.476

г) Сравниваем Roтр, полученные в а) и в) и выбираем большее по величине; принимая его как Ro общее в дальнейших расчетах:

.

д) С другой стороны общее термическое  сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции можно определить и по формуле:

 

,        (1.3)

 

где αн – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/м оС, принимаемый по прил. 4 [9]:

Rк , Rв , Rн - соответственно термическое сопротивление: теплопроводности ограждающей конструкции (о.к.), теплоотдачи от внутреннего воздуха (при ) к внутренней поверхности о.к. (или сопротивление тепловосприятию), теплоотдачи от поверхности наружной стенки к наружному воздуху (при ). Здесь - температура внутренней и наружной поверхности о.к.

Для многослойной конструкции Rк определяется по формуле:

 

   ,                 (1.4)

                                                                   

где δi – толщина i – го слоя ограждающей конструкции, м;

λi – коэффициент теплопроводности материала i – го слоя ограждения.

Приравнивая правую часть (1.3) к выбранной величине Roтр, получим выражение для определения предварительной толщины слоя утеплителя δут, м:

 

  ,        (1.5)

 

 

 

Значения λ слоев принимаются по табл. 1. Вычисленное значение δ3  корректируем в соответствии с требованиями унификации конструкции ограждений

 

д) По формуле (1.3) уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех слоев ограждения:

 

,     (1.6)

и проверяем условие 

 

. Т.к. 3,471>3,316, то условие выполняется.

 

е) Приведенное сопротивление теплопередаче определяется выражением:

 

  ,            (1.7)                                                                               

 

где  r – коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции; принимается по табл. 6а*[4], принимаем

           

ж) Коэффициент теплопередачи  определяют по уравнению:

 

,  Вт/(м2·°С) .                                            (1.8)

=1/2,083=0.48

                                               

  • Расчет сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции.

    •  

     

    В целях экономии топливно-энергетических ресурсов наружные ограждающие конструкции должны иметь сопротивление воздухопроницанию

     не менее требуемого сопротивления  воздухопроницанию , определяемого по формуле:

    ,                                                                     (1.9)

     

    где Gн – нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м2∙ч), принимаемая по прил. 5 [9]:

    ΔР – разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций, Па, определяем по формуле:

     

    ,                                   (1.10)

     

    Здесь  Н – высота здания, м (высоту одного этажа принять равной 3 м),

                 Н = 3 м * 5 этажей = 15 м.

    – максимальная из средних скоростей  ветра по румбам за январь. По [2, прил. 5] для г. Пермь v=5 м/с;

    - удельный вес соответственно  наружного и внутреннего воздуха,  Н/м3, определяемый по формуле:

     

    ,                                                                                 (1.11)

     

    где t - температура наружного или внутреннего воздуха как в разделе 1.1.

              

    Тогда разность давлений равна:

     Па.

    Требуемое сопротивление воздухопроницанию:

    (м2 · ч · Па)/кг определяем по формуле:

     

    ,                                                                          (1.12)

     

    где Ru,i – сопротивление воздухопроницанию отдельного i - го  слоя ограждающей конструкции, (м2 · ч · Па)/кг, принимается по прил. 6 [9]:

    Так как  то ограждающая конструкция удовлетворяет требованиям воздухопроницаемости.

     

  • Расчет стационарного температурного поля в ограждении

    •  

    При проектировании и  выборе конструкций ограждения необходимо знать распределение температуры  в его толще и на поверхности. Это дает возможность определить условия конденсации влаги в  толще конструкции, правильно назначить  место расположения пароизоляционных слоев.

    При стационарном режиме теплопередачи  через ограждения температура в любой плоскости x определяется по формуле:

    ,                                                                 (1.13)

     

    где - сопротивление теплопередаче от внутренней среды до сечения х (м2 · К/Вт).

    Для построения графика  одномерного стационарного поля в ограждении достаточно определить t на поверхностях ограждения и в плоскостях соприкосновения слоев из разного материала:

    Строим графики распределения  температуры в ограждении без  учета воздухопроницания.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    1. РАСЧЕТ ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ
    2. 2.1. Проверка внутренней поверхности наружных ограждений на возможность конденсации влаги

    Конденсация влаги из внутреннего воздуха на внутренней поверхности наружного ограждения, особенно при резких повышениях температур, является основной причиной увлажнения наружных ограждений. Для устранения такой конденсации влаги необходимо добиваться, чтобы температура на внутренней поверхности τвп , °С, и в толще ограждения превышала температуру точки росы τр , °С, на 2   3 °С, т.е. должно соблюдаться условие τвп > τр+ °С.

     

    Расчет

    а) Определяем температуру внутренней поверхности τвп :

        ,                                                      (2.1)

    б) Температура точки  росы τр , °С, для данного состояния внутреннего воздуха tв, °С, определяется по формуле:

                                 (2.2)

    где eв – действительная упругость водяных паров, Па, определяется по величине относительной влажности воздуха в помещении по формуле:

    ,                                                                                     (2.3)

    где - относительная влажность воздуха в помещении, %, для жилых помещений принимается 55 %;

    - максимальная упругость водяного  пара, принимаемая по прил. 1 соответственно температуре воздуха помещения; для температуры   Па. Тогда:

     

    в) Наиболее вероятно появление  конденсата влаги у наружных углов  стены, где  всегда ниже, чем на других участках внутренней поверхности ограждения , °С.

      ,   из графика                                            (2.4)

    г) Сравниваем  и с : ,

    следовательно, конденсат  на внутренней поверхности ограждения выпадать не будет.

     

    2.2. Проверка  ограждения на паропроницание

     

    месяцы

    I

    II

    III

    IV

    V

    VI

    VII

    VIII

    IX

    X

    XI

    XII

    Темпер

    -17

    -14,8

    -7,9

    1,4

    8,0

    14,4

    16,9

    14,3

    8,0

    -0,3

    -8,3

    -14,4

    Упругость

    200

    190

    290

    520

    740

    1115

    1370

    1290

    930

    580

    350

    230


    При разности парциальных  давлений водяных паров внутреннего и наружного воздуха в толще ограждения возникает поток водяного пара (диффузия), который направлен в сторону меньшего давления. Свойства материалов пропускать водяные пары называется паропроницаемостью.

    Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее наибольшего из следующих требуемых сопротивлений паропроницанию:

    а) исходя из указаний норм о недопустимости систематического накопления влаги в ограждениях за годовой период в процессе эксплуатации по формуле:

    ,                                               (2.5)

    б) исходя из условия ограничения  влаги в ограждающей конструкции  за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха по формуле:

    ,                                     (2.6)

    В формулах (2.5) и (2.6):

    - упругость водяного пара  внутреннего воздуха при расчетной  температуре и влажности воздуха, из (2.3) Па;

    - средняя упругость водяного  пара наружного воздуха за  годовой период, по [7, прил.3, по графам 2 – 13]

     Па;

    Е – упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемая по формуле:

    ,          (2.7)

    где Z1, Z2, Z3 – определяются по [7, табл.1, графа 2  13] с учетом следующих указаний: зимний период включает месяцы со средними температурами воздуха ниже – 5 °С; к весенне-осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха от – 5, до + 5 °С, к летнему периоду – выше + 5 °С. Имеем:

    Е1, Е2, Е3 – упругости водяного пара, определяются по средним температурам зимнего, весенне-осеннего и летнего периода соответственно. Средние температуры наружного воздуха месячных периодов определяются по графам 2 13 табл.1 [7]. По этим температурам определяются температуры в плоскости возможной конденсации по формуле (1.12). И по этим температурам по приложению определяются Е:

    Соответственно, упругости  водяного пара равны:

     

     

    Тогда упругость водяного пара в плоскости возможных конденсаций  за годовой период:

    .

    Соответственно, сопротивление  паропроницанию:

    - сопротивление паропроницанию  части ограждающей конструкции, расположенной между наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации:

                                                                                                  (2.8)

    Здесь - коэффициент паропроницаемости, принимаемый по табл. 1.

    - продолжительность периода  влагонакопления, принимаемая равной  периоду с отрицательными среднемесячными  температурами наружного воздуха [7], сут.

    - упругость водяного пара  в плоскости возможной конденсации,  Па, определяемая при средней  температуре наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами,

    - плотность материала увлажняемого  слоя, кг/м3, принимаемая равной по [4, прил. 3*];

    - толщина увлажняемого слоя, принимаемая равной толщине теплоизоляционного слоя многослойной конструкции, т.е.

    - предельно допустимое приращение  расчетного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя, %, принимаемое по [3, табл. 14*], ;

    - определяется по формуле:

    ,             (2.9)

    где - средняя упругость водяного пара наружного воздуха, Па, периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, принимаемая равной

    Тогда:

     и сопротивление паропроницанию:

    Принимаем максимальным из двух сопротивлений паропроницанию.

    Для многослойной ограждающей  конструкции  определяется как сумма сопротивлений паропроницанию всех слоев:

    ,                                       (2.10)

    где - толщина слоя, м;

    - коэффициент паропроницаемости, мг/м ∙ч ∙ Па, принимаемый по [4, прил. 3*].

     

    Т.к. , то ограждение обладает достаточным сопротивлением паропроницанию.

     

      1. Расчет конденсации влаги в толще ограждения

    Расчет влажностного режима ограждения при стационарных условиях диффузии водяного пара производится графическим методом для периода с отрицательными и для периода с положительными температурами наружного воздуха.

    Для выяснения вопроса, будет ли происходить в ограждении конденсация влаги или нет, необходимо построить линию падения упругости водяного пара е и линию падения максимальной упругости водяного пара Е. Вычерчиваются в масштабе сопротивлений паропроницанию вертикальный разрез и наносятся вычисленные е и Е.

    Сопротивление паропроницанию ограждения (м2 ∙ ч ∙ Па)/мг определяется по формуле:

    ,       (2.11)

    где - сопротивление влагообмену у внутренней поверхности ограждения (м2 ∙ ч ∙ Па)/мг; приближенно может быть определено по формуле:

    ,       (2.12)

    Здесь - сопротивление влагообмену у наружной поверхности принимаемый равным 0,01333 (м2 ∙ ч ∙ Па)/мг.

    По приложению 3 [7] принимается  значение как среднее за зимний период, - вычисляется в 2.1, Упругость водяного пара в любом сечении толщи ограждения ех вычисляется по формуле:

    ,      (2.13)

    где - сумма сопротивлений паропроницанию слоев ограждения от внутренней поверхности до рассматриваемой плоскости х, (м2 ∙ ч ∙ Па)/мг.

    Вычисляем и , наносим на график и соединяем со штриховой линией:

    Для построения линии  падения максимальной упругости Е сначала вычисляют температуры на границах слоев ограждения, по формуле:

    ,        (2.14)

    где - средняя температура воздуха за соответствующий период, для периода с отрицательными температурами , для периода с положительными температурами .

    Тогда для периода  с отрицательными температурами:

    По вычисленным температурам по прил. 7 определяется Е, который наносим на график:

     

    Для периода с положительными температурами:

     

     

     

    Тогда упругости водяного пара:

    Т.к. в период отрицательных  температур линии е и Е пересекаются, то может иметь место выпадение конденсата внутри ограждения. В этом случае из точек и проводим касательные к линии Е. Точки касания и выделяем зону конденсации влаги в ограждении. Линия - - - представляет собой линию действительного падения упругости водяного пара в ограждении.

    При  наличии зоны конденсации необходимо определить количество влаги, конденсирующейся в ограждении при стационарных условиях диффузии водяного пара. Количество пара, поступающего к зоне конденсации из помещения, вычисляется по формуле:

    ,                                                                           (2.15)

    где =3,146 - сопротивление паропроницанию от внутренней поверхности до границы зоны конденсации, (м2 ∙ ч ∙ Па)/мг.

    Расчет толщины утепляющего слоя