Расчёт тепловой защиты помещения

Министерство  образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский  государственный 

архитектурно-строительный университет

 

 

Кафедра физики

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Расчёт тепловой защиты помещения

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Бойко Д.П.

Шифр: 11-228

Группа: 2-СЗ-2

Проверил:___________________

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Содержание

 

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

1. Выборка исходных данных…………………………………….…………….6

2. Определение точки росы…………………………………….……………….8

3. Определение нормы тепловой  защиты………………………….…………..9

4. Расчёт толщины утеплителя……………………………………….………..10

5. Проверка внутренней поверхности  ограждения на выпадение росы…....12

6. Проверка на выпадение росы  в толще ограждения……………………….13

7. Проверка влажностного режима……………………………………………16

8. Проверка ограждения на воздухопроницание……………………………..18

Заключение……………………………………………………………………..20

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

     Строительная физика – прикладная область физики, рассматривающая физические явления и процессы в конструкциях зданий, связанные с переносом тепла, звука и света, а также явления и процессы в помещениях здания, связанные с распространением звука и света.

      Основная задача строительной  физики – обоснование применения  в строительстве материалов и  конструкций, выбора размеров  и формы помещений, которые  обеспечили бы оптимальные температурно-влажностные,  акустические и светотехнические  условия в помещениях соответственно  их функциональному назначению. Предмет изучения «Строительной  физики» – вопросы теплопередачи,  воздухопроницаемости и влажностного  состояния конструкций, вопросы  звукоизоляции, акустики и светотехники, рассматриваемые соответственно  в разделах строительная теплотехника, строительная и архитектурная  акустика, строительная светотехника (т. е. явлений, непосредственно воспринимаемых органами чувств человека и определяющих гигиенические качества окружающей его среды). Строительная физика совокупность научных дисциплин (разделов прикладной физики, рассматривающих физические явления и процессы, связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, и разрабатывающих методы соответствующих инженерных расчётов. Получают развитие и др. разделы С. ф. — теория долговечности строительных конструкций и материалов, строительная климатология, строительная аэродинамика. Вопросы прочности, жёсткости и устойчивости зданий и сооружений рассматриваются в особом разделе прикладной физики — строительной механике.

        Методы и выводы строительной теплотехники используются при проектировании ограждающих конструкций, которые предназначены для создания необходимых температурно-влажностных и санитарно-гигиенических условий (с учётом действия систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) в жилых, общественных и производственных зданиях. Значение строительной теплотехники особенно возросло в связи с индустриализацией строительства, значительным увеличением масштабов применения (в разнообразных климатических условиях) облегчённых конструкций и новых строительных материалов.

Задача  обеспечения необходимых теплотехнических качеств наружных ограждающих конструкций  решается приданием им требуемых  теплоустойчивости и сопротивления  теплопередаче. Допустимая проницаемость  конструкций ограничивается заданным сопротивлением воздухопроницанию. Нормальное влажностное состояние конструкций  достигается уменьшением начального влагосодержания материала и  устройством влагоизоляции, а в слоистых конструкциях, кроме того, — целесообразным расположением конструктивных слоев, выполненных из материалов с различными свойствами.

 Сопротивление теплопередаче должно быть достаточно высоким, с тем, чтобы в наиболее холодный период года обеспечивать гигиенически допустимые температурные условия на поверхности конструкции, обращенной в помещение. Теплоустойчивость конструкций оценивается их способностью сохранять относительное постоянство температуры в помещениях при периодических колебаниях температуры воздушной среды, граничащей с конструкциями, и потока проходящего через них тепла. Степень теплоустойчивости конструкции в целом в значительной мере определяется физическими свойствами материала, из которого выполнен внешний слой конструкции, воспринимающий резкие колебания температуры. При расчёте теплоустойчивости применяются методы, основанные на решении дифференциальных уравнений для периодически изменяющихся условиях теплообмена. Нарушение одномерности передачи тепла внутри ограждающих конструкций в местах теплопроводных включений, в стыках панелей и углах стен вызывает нежелательное понижение температуры на поверхностях конструкций, обращенных в помещение, что требует соответствующего повышения их теплозащитных свойств. Методы расчёта в этих случаях связаны с численным решением дифференциального уравнения двумерного температурного поля (уравнения Лапласа).

Основы строительной физики должны быть учтены при выборе

конструкций и строительных материалов, поскольку  их воздействие 

является  взаимным. Примером может служить  определение конструкции стен или  кровли. Часто встречающаяся ошибка состоит  в том, что в процессе проектирования не учитывают положений строительной физики. Это приводит к непроизводительным потерям времени и труда, поскольку готовый проект дополнительно проверяется на соответствие требованиям строительной физики. Выявленные после такой проверки изменения могут коренным образом изменить проектную концепцию. Таким образом, рациональным должно быть только совместное решение задач строительной физики и непосредственно задач проектирования.

Расчеты по строительной физике. Использование  положений 

строительной  физики архитекторами и инженерами дает им возможность приближенными  расчетами определять различные  физические воздействия, например, при  оценке изолирующей способности, температуры  на границе слоев, давления пара, количества конденсирующейся влаги, а также  получать характеристики звукоизоляции, затенения или аккумулирующей способности  помещений. Важно, чтобы такие методы расчета, оставаясь приближенными,

обеспечили  достаточно надежные решения.

Результаты  расчета зависят от принятых предпосылок  и условий  соответствующих способов расчета. Каждый проектировщик должен поэтому знать, где лежат границы и недостатки таких приближенных расчетов. При необходимости максимальной экономии средств, особенно при осуществлении крупных проектов, для производства точных расчетов необходимо привлекать инженера — специалиста по строительной физике.

 

 

    1. Выборка исходных данных.

Исходные  данные по СНиП 2-3-79

Пункт строительства: г.Бузулук, Оренбургской обл.

 

1.1. Средние месячные температуры, упругости водяных паров воздуха и максимальные амплитуды колебания температуры воздуха:

Величина

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

tH, oC

-14,4

-14,1

-7,8

-4,6

13,9

18,9

21,0

19,0

12,2

3,0

-4,4

-11,0

Φ, %

80

79

82

72

56

57

62

62

68

76

82

83

eH, %

200

200

320

640

880

1220

1450

1300

930

620

400

280

Аtн, оС

11,1

11,2

1,5

11,2

13,0

12,1

11,0

13,1

11,9

11,0

10,7

12,7


 

    1. Температура воздуха, ˚C

абсолютно минимальная                                   - 48˚C

средняя наиболее холодных суток                   - 37˚C

средняя наиболее холодной пятидневки        −28˚C

средняя  отопительного периода tо.п.                –6.5˚C

 

    1. Продолжительность периодов, сут
  • влагонакопления Zвн = 155 с.
  • отопительного периода Zо.п. = 204 c.

 

1.г. Повторяемость [П] и скорость [n] ветра

Месяц

Характеристика

Румб

С

СВ

В

ЮВ

Ю

ЮЗ

З

СЗ

0Январь

П, %

7

7

8

31

20

12

7

8

n, м/с

3,2

4,3

3,4

4,8

6,4

6,5

5,5

4,0

Июль

П, %

22

13

11

9

7

5

9

24

n, м/с

3,9

3,3

2,9

2,9

3,0

3,7

3,8

3,7


 

1.д. Интенсивность солнечной радиации в июле, Вт/м2

    • на фасад западной ориентации:
    • максимальная    783
    • средняя              197
    • на горизонтальную поверхность: 
    • максимальная     842
    • средняя               328

 

 

1.2. Параметры микроклимата помещения.

 

1. Объект строительства: Здание жилое

2. Относительная влажность воздуха j = 55%.

3. Температура внутреннего воздуха помещения tв. = 21оС.

4. Расчитыаваемое ограждение:

1– раствор гипсовый;

2  – кирпич глиняный на цементно- шлаковом растворе (1700 кг/м3);

3 - маты минераловатные

(50 кг/м3);

4–  воздушная прослойка

5 – кирпич  глиняный на цементно- песчаном  растворе (1800 кг/м3 )

Рис.

 

 

 

1.3. Теплофизические характеристики  материалов.

Исходя из заданной температуры внутреннего  воздуха и относительной влажности, по табл.1 [1] определяем, что влажностной режим помещения – нормальный

По карте  прил. 1 [1] находим зону влажности населённого пункта:3 -я зона, то есть зона сухая

По прил. 2 [1] выходит, что влажностные условия эксплуатации ограждающей конструкции будущей постройки – А

Значения  характеристик материалов заданной конструкции (из прил. 3 [1]):

№ слоя

Материал слоя

№ позиции по прил. 3

Плотность r, кг/м3

Коэффициенты

Теплопроводности l, Вт/(м×К)

Паропроницания m, мг/(м×ч×Па)

1

Раствор гипсоперлитовый

78

600

0,19

0,17

2

Кирпич глиняный на цементно- шлаковом растворе

85

1700

0,64

0,12

3

Маты  минераловатные

131

50

0,052

0,53

4

Воздушная прослойка

-

-

0,17

∞

5

кирпич глиняный на цементно- песчаном раствор

84

1800

0,70

0,11


 

 

2. Определение  точки росы.

2.1. Исходя из заданной температуры по таблице прил. 1 [2], находим упругость водяных паров, насыщающих воздух: Ев = 2486 Па.

 

2.2. Фактическая упругость водяных паров при заданной относительной влажности:

, Па

(Па)

 

2.3. Точка росы по прил.1 [2] обратным ходом: tр = 11,6оС.

 

 

 

 

3. Определение  нормы тепловой защиты.

Для расчёта  толщины утепляющего слоя нужно  определить сопротивление теплопередачи  ограждающей конструкции, исходя из требований санитарных норм Roc и энергосбережения Rоэ.

 

3.1. Определение нормы тепловой защиты по условию энергосбережения.

Градусо-сутки отопительного периода:

 

5610 ˚C

 

Нормативное сопротивление теплопередачи по условию энергосбережения:

, м2К/Вт

где R = 1,4 и b = 0,00035 (из табл. 1[2] методичка)

 (м2К/Вт)

 

3.2. Определение нормы тепловой защиты по условию санитарии:

Из таблиц и приложений [1] имеем:

  • Максимально допустимый перепад между температурой воздуха в помещении и температурой на внутренней поверхности ограждающей конструкции: Dtн = 4оС.
  • Корректирующий множитель для степени контактности ограждения с наружным воздухом: n = 1.
  • Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции: aв = 8,7 Вт/(м2К).

Вычисляем нормативное  сопротивление по условию санитарии:

 , м2К/Вт

(м2К/Вт)

 

 

 

3.3. Норма тепловой защиты.

Из вычисленных  ранее сопротивлений теплоотдачи  : экономической и санитарной   к реализации выбираем наибольшее из них, и называем его требуемым сопротивлением: м2К/Вт

 

4. Расчёт толщины  утеплителя.

За утепляющий слой принимаем слой с незаданной толщиной  d. Поэтому в данной части расчёта, его характеристики будут фигурировать с индексом  ут вместо номера  i.

 

4.1. Из таблицы 6 [1] определяем коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения внешней среде: aн = 23 Вт/(м2К).

Вычисляем сопротивление  теплообмену:

    • на внутренней поверхности: a (Вт/(м2К))
    • на наружной поверхности: (Вт/(м2К))

 

4.2. Термическое сопротивление слоёв с известными толщинами:

l , м2К/Вт

l(м2К/Вт) - Раствор гипсоперлитовый

l(м2К/Вт) - Кирпич глиняный на цементно- шлаковом растворе

l(м2К/Вт) - Воздушная прослойка

l (м2К/Вт) - кирпич глиняный на цементно- песчаном раствор

 

4.3. Вычислим минимально допустимое термическое сопротивление утеплителя:

S м2К/Вт

S (м2К/Вт)

где S – суммарное сопротивление слоев с известными величинами

 

4.4. Найдём толщину слоя утеплителя:

l  (м) = 12,6 см, округлив толщину до унифицированного значения (для минераловатных слоёв – 2 см), получим:

14 см = 0,14м.

 

4.5. Термическое сопротивление утеплителя:

l (м2К/Вт).

 

4.6. Общее термическое сопротивление ограждения:

S , м2К/Вт

 

(м2К/Вт).

 

5. Проверка внутренней  поверхности ограждения на выпадение  росы.

5.1. Температура на внутренней поверхности ограждения:

9,45  (оС)

Температура внутренней поверхности ограждения должна быть не ниже температуры точки  росы внутреннего воздуха, при расчётной  зимней температуре наружного воздуха (п. 2.10 [1]). Т.к температура внутренней поверхности ограждения (оС),а температуры точки росы внутреннего воздуха =11,6 (оС) следовательно   - и условие соблюдено и выпадение росы не возможно

 

5.2. Термическое сопротивление конструкции:

(м2К/Вт).

 

5.3. Температура в углу стыковки наружных стен:

(оС)

>;    - условие п. 2.10 [1] соблюдено.

 

 

 

6. Проверка на  выпадение росы в толще ограждения.

6.1. Определить сопротивление паропроницанию каждого слоя:

, м2чПа/мг

(м2чПа/мг) - Раствор гипсоперлитовый

(м2чПа/мг) - Кирпич глиняный на цементно- шлаковом растворе

(м2чПа/мг) – Маты  минераловатны 

(м2чПа/мг) - кирпич глиняный на цементно- песчаном раствор

 

и конструкции  в целом:

 0,047+2,083+0,264+1,091=3,485 (м2чПа/мг)

 

6.2. Температура на наружной поверхности ограждения:

 (оС), которой соответствует  максимальная упругость водяных паров в воздухе:                  Ев = 2351Па.

 

6.3. Графически определить изменение температуры по толщине -ограждения при средней температуре самого холодного месяца-: t = -14,4оС

График №1. Распределение температур.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Проверка влажностного  режима.

7.1. Средние температуры:

- зимнего периода, охватывающего  месяцы со средними температурами  ниже   -5 °С

tзим = (-14,4-14,1-7,8-11)/4= - 11,8 °С

 

- весенне-осеннего периода,  включающего месяцы со средними  температурами от -5 °С до +5 °С

tво = (4,6+3+(-4,4))/3= 1,1 °С

 

- летнего периода, охватывающего  месяцы со средними температурами  более +5 °С

tл = (13,9+18,9+21+19+12,2)/5  =17,2 °С

 

- периода влагонакопления,  к которому относятся месяцы  со средними температурами 0 °С и ниже

tвл = (-14,4-14,1-7,8-4,4-11) / 5 = - 10,3 °С

 

7.2. Графическим способом находим значение температур в плоскости возможной конденсации, а по ним определяем, пользуясь прилож. 1 и 2 [2], значение E.

 

Период и его индекс

Месяц

Число месяцев

Наружная температура

В плоскости конденсации

t, oC

Е, Па

1- зимний

1,2,3,12

4

-11,8

-6,3

359,5

2- весенне-осенний

4,10,11

3

1,1

4,5

842

3- летний

5,6,7,8,9

5

17,2

17,3

1974

0- влагонакопления

1,2,3,11,12

5

-10,3

-5,1

398


 

7.3. Вычислим среднегодовую упругость насыщающих воздушных паров в плоскости возможной конденсации:

, Па 

Где, z- число месяцев

 

 

 

 

 

7.4. Среднегодовая упругость водяных паров в наружном воздухе:

, Па

(Па)

 

7.5. Вычислим требуемое сопротивление паропроницанию внутренних слоёв конструкции, при котором обеспечивается накопление влаги в увлажняемом слое из года в год:

 

< Rпв = 2,224 (м2чК/Вт) – располагаемое значение сопротивления паропроницанию значительно больше требуемого, то есть паропроницание внутренних слоёв обеспечено.

- сопротивление паропроницанию наружного слоя

7.6. Определяем среднюю упругость водяных паров в наружнов воздухе для периода влагонакопления:

(Па)

 

7.7. Вычислим требуемое сопротивление пароницанию внутренних слоёв конструкции, ограничивающих приращение влажности (в увлажняемом слое) в допустимых пределах:

 

 

 < Rпв = 2,224 (м2чК/Вт) – Таким образом, сопротивление ограждающей конструкции оказалось ниже требуемых значений, дефицит  ∆Rпв = 7,96 – 2,224 = 5,736 м2 ч Па/мг. Необходимо восполнить дефицит по прил. 11(СНиП II-3-79*, Согласно полученному значению дефицита подберем в качестве устройства пароизоляции полиэтиленовую пленку толщиной 8 мм сопротивление паропроницания которой м2чПа/мг, следовательно , что в пределах нормы. Расположим его между III и IVслоями ограждающей конструкции

 

 допустимое приращение среденей влажности (СНиП II-3-79*, табл. 14);

 

8. Проверка ограждения  на воздухопроницание.

8.1.  Плотность воздуха в помещении ρв при заданной температуре tв и на улице ρн при температуре самой холодной пятидневки

 

где, P – барометрическое давление, равное 101кПа

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль К)

Т – температура воздуха, К

 

    • в помещении:

( )

    • на улице:

  ( )

 

8.2.Тепловой перепад давления:

(Па)

Где, g – ускорение свободного падения, 9.81

Н – высота здания, м

 

 

8.3.Расчетная скорость ветра в январе месяце: n = 4,8 м/с (П = 31%)

8.4. Ветровой перепад давления:

n (Па)

Суммарный перепад:

(Па)

 

8.5. Допустимая воздухопроницаемость стен здания:

Gн  = 0,5 кг/(м2×ч) [1, табл.12]

 

8.6. Требуемое (минимально допустимое) сопротивление инфильтрации

(м2×ч×Па/мг)

8.7. Сопротивление воздухопроницания, которым обладают слои по прил. 9 [1]:

Номер слоя

Материал

Толщина слоя, мм

Пункт приложения 9

Сопротивление м2×ч×Па/мг

1

Раствор гипсоперлитовый

8

31

75,7

2

Кирпич глиняный на цементно- шлаковом растворе

250

7

9

3

Маты  минераловатные

80

25

2,6

4

Полиэтиленовая пленка

7

-

-

5

Воздушная прослойка

50

-

-

6

кирпич глиняный на цементно- песчаном раствор

120

6

2


 

 

 

 

 

8.8. Располагаемо сопротивление воздухопроницанию:

> (м2×ч×Па/мг) –

т.к > , то сопротивление слоев конструкций воздухопроницанию отвечает всем требоаниям.

 

Заключение.

Условия, при которых конструкция  будет отвечать нормативным требованиям  по тепловой защите, влажностному режиму поверхности и толщи, по инфильтрации.

Выходные данные для смежных  расчетов сооружения:

 

 

  • общеая толщина ограждения (стены) 516мм.
  • Общее термическое сопротивление:

Rо= 3,593м2×К/Вт

  • Коэффициент теплопередачи:

К=

  • Действующий перепад давлений:

 

  • Масса 1 м2 ограждения:

 кг/м2

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

  1. СНиП ІІ-3-79 «Строительная теплотехника».
  2. «Расчёт тепловой защиты помещения». Методические указания. СПбГАСУ. СПб. 2000.
  3. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
  4. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат, 1983,136с.

 


Расчёт тепловой защиты помещения