Тепло-влажностное состояние ограждающих конструкций и микроклимат помещений

1. Исходные данные.

Таблица 1.1. Параметры  климата в городе.

Наименова-ние	Условия эксплуатации конструкции				n, дней		Стоимость тепловой энергии, Ст, гр/кДж год
Нижний Новгород	Б	-30	-33	-4,7	218	1,0	17

 

Таблица 1.2. Параметры  микроклимата в помещении.

N			а, м	в, м
2	14	45	8	19	22

 

Рис.1.1. План расчётного помещения.

2. Теплотехнический расчёт и выбор конструкции стены с оптимальным сопротивлением теплопередачи.

Наружные ограждающие  конструкции зданий защищают микроклимат  в помещении от воздействия внешней  среды. В зимний период года они сохраняют тепло, в летнее время защищают от воздействия солнечной радиации. Чем больше сопротивление теплопередаче наружного ограждения, тем лучше их теплозащитные свойства, но тем дороже, собранное из этих конструкций здание. Чем меньше это сопротивление, тем дешевле обходится строительство здания, но больше затраты на эксплуатацию систем отопления и кондиционирование воздуха в этом здании.

Согласно этому оптимальное  сопротивление теплопередачи будет  у той конструкции, у которой  приведённые затраты минимальные. Для определения минимальных приведённых затрат, , проводиться теплотехнический расчёт стены двух конструкций. Первый вариант с утеплителем, второй без него (). Расчёт выполняется по следующей методике:

Задаёмся средней массивностью ограждения, , и опрделяем расчётную температуру .

 

 

Определяем требуемое  термическое сопротивление, , которое необходимо обеспечить для соблюдения санитарных норм в помещении:

 

Где - коэффициент положения конструкции в пространстве, ;

- коэффициент  тепловосприятия поверхности ограждения, ;

- нормативный  температурный перепад, ⁰С, .

 

Определяем сопротивление  теплопередаче стены, при котором  будет её промерзание:

 

Находим нормативное сопротивление  теплопередаче , для этого вычисляем число градус дней, ГСОП, по формуле:

 

Для города Нижнего Новгорода 

По значению ГСОП и разновидности  конструкции, находим нормативное  сопротивление теплопередаче 

1. Расчёт утеплённой конструкции.

Таблица 2.1. Теплотехнические показатели материалов стены.

№	Материал
1	ДСП	800	0,23	6,13	0,12	0,02	300
2	Туфобетон	1800	0,99	12,79	0,09	0,15	61
3	Мин. вата	75	0,064	0,61	0,49	0,02	285
4	Туфобетон	1800	0,99	12,79	0,09	0,15	61

Находим минимальную толщину  утеплителя, которая обеспечивает и округляет её в большую сторону с точностью до сотых долей метра.

 

Где - коэффициент теплоотдачи для зимних условий, .

 

Вычислим фактическое  сопротивление теплопередачи стены  по формуле:

 

 

Определяем капитальные затраты, , на строительство здания из стен данной конструкции:

 

Где – цена одного квадратного метра стены,

 

Где - транспортные расходы. Принимаются условно 15

- стоимость монтажа  конструкций. Принимаем условно  28

В нашем примере:

 

 

 

 

Находим затраты на возмещение теплоты, теряемое зданием в процессе эксплуатации, , при данной конструкции стен.

 

Где согласно исходным данным (табл. 1.1 и 1.2)

 

Определяем приведённые  затраты на сооружение и эксплуатацию стен данной конструкции, :

 

Для нахождения оптимального значения сопротивления теплопередачи, повторяем выше приведённый расчёт, увеличивая толщину утеплителя с  шагом 0,01 метр. Расчёт продолжаем до тех  пор пока значение приведённых затрат не начнёт в трёх значениях увеличиваться. Для сравнения и наглядности  картины необходимо провести расчёт стены, как при возможном её промерзании, так и при соблюдении нормативного сопротивления теплопередачи. Результаты расчёта представлены в таблице  ниже.

Таблица 2.2. Результаты теплотехнического расчёта утеплённой стены.

№							Сопротивление конструкции
0	0	0,548	48,30	142,90	191,20	-	При промерзании
1	0,02	0,861	56,65	90,95	147,60	-24,37	Требуемое, рекомендованное
2	0,03	1,017	60,83	77,00	137,83	-5,97
3	0,04	1,173	65,00	66,76	131,76	-3,97
4	0,05	1,330	69,18	58,88	128,06	-2,62	Оптимальное
5	0,06	1,486	73,35	52,70	126,05	-1,60
6	0,07	1,642	77,53	47,69	125,22	-0,87
7	0,08	1,798	81,70	43,56	125,26	-0,31
8	0,09	1,955	85,88	40,06	125,94	0,08
9	0,10	2,111	90,05	37,10	127,15	0,43
10	0,11	2,267	94,23	34,54	128,77	0,67	Нормативное

Приведённые затраты считаются  равно-экономичными, если отличие их друг от друга не превышают двух процентов. В этом случае за оптимальную  толщину утеплителя принимается меньшая ближайшая толщина. Учитывая выше сказанное, из таблицы 2.2 выбираем оптимальную толщину утеплителя, , при которой оптимальное сопротивление теплопередачи , а минимальное приведённые затраты

Рисунок 2.1. Зависимость приведённых затрат на сооружение и эксплуатацию здания от толщены расчётного слоя ограждающей конструкции.

1 – точка промерзания; 2 – точка минимального требуемого  сопротивления теплопередачи; 3 –  точка оптимального требуемого  сопротивления теплопередачи; 4 –  точка нормативного сопротивления  теплопередачи.

Выводы:

1. Удельные потери тепла, , на один квадратный метр наружного ограждения определяется из выражения:

 

2. По ценам, которые приведены в методических указаниях, нормативное сопротивление теплопередачи стены значительно завышено. Оптимальная толщина утеплителя в три раза меньше нормативной толщины.
3. Конструкция стены, которая рассчитана по минимальному требуемому сопротивлению теплопередачи, имеет высокие приведенные затраты и является экономически не оправданной.

Для удобства выполнения дальнейших расчётов необходимо основные теплотехнические характеристики оптимальной конструкции  стены представить в виде таблицы.

Таблица 2.3. Сводные  характеристики оптимальной конструкции  ограждения.

0,03	1,330	0,75	128,06	33,08

 

2. Проверка внутренней поверхности стены наружного угла на конденсацію влаги.

Конденсация водяных паров на внутренней поверхности стен и покрытий вызывает их увлажнение, что в свою очередь приводит к ухудшению санітарно-гигиенических условий, увеличивает потери тепла помещением, вызывает появление плесени и грибков, а также вызывает отслаивание декоративних слоїв ограждения.

Конденсация влаги на поверхности не будет происходить, если её температура хотя бы на один градус выше температуры точки росы, то есть соблюдается условие:

 

Где - температура, соответственно на внутренней поверхности стены и угла;

- температура  точки росы внутреннего воздуха.

Для проверки этого условия определяем температуру на внутренней поверхности гладкой стены, , из выражения:

 

Температура на внутренней поверхности по оси наружного  угла, определяется по формуле:

 

 

 

Для определениятемпературы точки росы внутреннего воздуха  предварительно находим абсолютную упругость водяных паров, , при температуре воздуха в помещении :

 

Определяем действительную упругость водяных паров, , в воздухе помещения из выражения:

 

Тогда температура точки росы , , может быть найдена из уравнения:

 

Где - значения коэффициентов, которые равны

Влагосодержание, , определяется из выражения:

 

В нашем примере,

 

 

 

 

Сравним температуру на поверхности гладкой стены,, и в углу помещения, , с температурой точки росы:

 

Согласно условию на внутренней поверхности стены и угла будет возникать конденсация водяных паров. Для предотвращения увлажнения стен можно повести следующие мероприятия:

1. Увеличить воздухообмен;
2. Увеличить сопротивление теплопередачи стены;
3. Уменьшить влагопоступление;
4. Предусмотреть пароизоляцию за фактурным слоем.
5. Организовать обдув стены тёплым воздухом или установить вдоль стены отопительные приборы.
6. Внутреннюю поверхность стены покрыть гидроизоляционным слоем.

В курсовой работе рассматриваются  первый и второй варианты.

По первому  варианту мероприятий. В помещении необходимо увеличить воздухообмен в раз.

 

Где – первоначальный и рекомендуемый воздухообмен,

- влагосодержание  соответственно при первоначальном  и рекомендуемом воздухообмене, 

- влагосодержание  наружного воздуха в зимний период года. В данной работе принимаем равным .

Для решения данного уравнения  находим рекомендуемую температуру  точки росы воздуха в помещении, при которой не будет конденсации  паров на внутренней поверхности  угла.

 

По этой температуре определяем упругость водяных паров , влагосодержание и относительную влажность воздуха при сохранении расчётной температуры .

 

 

 

Более широкий диапазон связи  между  и удобней рассматривать пользуясь диаграммой.

В нашем примере:

 

 

 

Тогда,

 

Если запотевание происходит только на внутренней поверхности угла, то его можно утеплить следующим  образом:

Рисунок 2.2. Схема  утепления угла.

Где – теплопроводность теплоизоляции, .

 

Вывод:

Для исключения конденсации  влаги на внутренней поверхности  угла при заданных параметрах микроклимата, необходимо увеличить воздухообмен в 1,83 раза. При этом, относительная влажность воздуха в помещении будет снижена до 48,9 %, а температура воздуха остаётся .

По второму  варианту мероприятий.

Необходимо увеличить  сопротивление теплопередаче стены. Рекомендуемое сопротивление теплопередаче  стены, , при котором не будет происходить конденсация, может быть найдено из выражения:

 

В нашем примере:

 

Из табл.2.2 определяем большее  стандартное значение толщины утеплителя, при котором . В нашем случае: .

Выбор первого или второго  мероприятия, которое предотвращает  увлажнение угла стены, зависит от величин  их приведенных затрат «П». К реализации принимается то мероприятие, у которого меньше приведенные затраты. В данной работе этот расчёт не предусмотрен.

3. Проверка конструкции ограждения на паропроницаемость.

Воздух в помещениях зимой  обычно более влажный, чем наружный. Вследствие разности парциальных давлений водяных паров и температуры  внутреннего и наружного воздуха, а также из-за воздухопроницаемости конструкций, происходит перенос влаги  через ограждения. Порой это приводит к накоплению влаги внутри конструкции. Увлажнение материала ограждения приводит к увеличению теплопроводности конструкции  и перерасходу тепловой энергии системами отопления. Кроме того, сырье конструкции ухудшают санитарно-гигиенические условия в помещениях, а их промерзание может вызвать разрушение стен.

Рисунок 2.3. Разрез расчётной стены.

1 – облицовка; 2,4 – несущий  слой; 3 – теплоизоляция.

Сопротивление паропроницанию, , ограждающей констукции в пределах от внутренней  поверхности до плоскости возможной конденсации должно отвечать неравенству:

 

Где - требуемого сопротивления паропроницанию из условия эксплуатации. Значение этого сопротивления определяется из формулы:

 

- требуемое сопротивление  паропроницанию из условия ограничения  влаги в ограждении за период  с отрицательными среднемесячными  температурами наружного воздуха.  Величина этого сопротивления  вычисляется по формуле:

 

Где в формулах приняты  следующие обозначения:

- упругость водяных  паров внутреннего воздуха, в  нашем примере 

- сопротивление  паропроницанию части ограждения, расположенной между наружной  поверхностью конструкции и плоскостью  возможной конденсации. Значение  этого сопротивления определяется  из выражения:

 

Где – соответственно, коэффициенты паропроницаемости каждого слоя и его толщина, начиная от наружной поверхности до плоскости возможной конденсации. Для нашего примера,

- средняя упругость  водяного пара наружного воздуха  за годовой период. Для Нижнего  Новгорода 

- продолжительность  периода влагонакопления, которая принимается равной периоду с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха,

- упругость водяных  паров в плоскости возможной  конденсации, которая определяется  при средней температуре наружного  воздуха, , за период с отрицательными среднемесячными температурами. В нашем примере , и находим значение из формулы:

 

- плотность материала  теплоизоляции, 

- толщина теплоизоляции.  Согласно нашим расчётам 

- предельно допустимое  приращение расчётного массового  отношения влаги в материале  теплоизоляции, за период влагонакопления  ,

- упругость водяных паров  в плоскости возможной конденсации  паров за годовой период эксплуатации  ограждения. Её значение определяем  из выражения:

 

Где - упругости водяных паров, соответственно зимнего, весеннее-осеннего и летнего периодов года. Значения упругости водяных паров в плоскости возможной конденсации определяем по температуре наружного воздухам , в соответствующий период года;

- продолжительность  месяцев зимнего, весеннее-осеннего  и летнего периодов.  Для Нижнего  Новгорода  и значения средней температуры наружного воздуха по периодам года .

Температура в плоскости  возможной конденсации  определяется по формуле:

 

 

 

 

Для летнего периода года температуру в плоскости возможной  конденсации следует принимать  не ниже средней температуры наружного  воздуха, а упругость водяных  паров внутри помещения , не ниже средней упругости водяных паров наружного воздуха за этот период.

Для примера, который рассмотрен в курсовой работе, определяем упругость  водяных паров в плоскости  возможной конденсации по периодам года.

 

 

 

Тогда, значение среднегодовой  упругости водяных паров определяем по формуле:

 

 – коэффициент, который  определяется по формуле:

 

Где - средняя упругость водяных паров наружного воздуха за период с отрицательными среднемесячными температурами. Для данного примера

 

Вычисляем значение требуемого сопротивления паропроницанию,

 

Так как 

Вычисляем требуемое сопротивление 

 

Определяем сопротивление  паропроницанию части стены, расположенной между внутренней её поверхностью и плоскостью возможной конденсации,

 

В нашем примере,

 

, то есть сопротивление паропроницанию внутренней конструкции стены, не удовлетворяет требованиям СНиП II-3-79**.

Для выполнения требований необходимо увеличить сопротивление  паропроницанию путём установки перед теплоизоляцией пароизоляционного слоя с общим сопротивлением . Значение сопротивления дополнительного слоя пароизоляции определяется из формулы:

 

В нашем примере,

 

В связи с тем, что найденное  значение сопротивления дополнительного  слоя пароизоляции отрицательное, следовательно пароизоляция не требуется.

4. Определение основных теплотехнических параметров ограждающих конструкций и теплопотерь помещения.

В этом разделе необходимо определить коэффициенты теплопередачи  кровли, окон и, после уточнения найденных  значений, определить теплопотери помещения.

1. Расчёт толщины утеплителя кровли.

Для определения действительного термического сопротивления кровли находим по числу ГСОП, минимальное нормативное значение сопротивления теплопередаче . Для нашего примера, при . уточняем конструкцию кровли и сводим исходные данные по конструкции кровли в таблицу 2.4.

Таблица 2.4. Теплотехнические показатели материалов кровли.

№ слоя	Материал
1	ДСП	800	0,230	6,13	0,020
2	Плита ж/б	2400	1,860	17,88	0,220
3	Рубероид	600	0,170	3,53	0,004
4	Мин. Вата	75	0,064	0,61
5	Раствор песчанно-цементный	1800	0,930	11,09	0,050
6	Рубероид	600	0,170	3,53	0,008
7	Битум	1000	0,170	4,56	0,010

Рисунок 2.4. Разрез кровли.

Определяем минимальную  толщину утеплителя кровли по формуле:

 

В нашем примере,

 

Округлим полученную толщину  в большую сторону до стандартного ближайшего значения и получим . Находим действительное термическое сопротивление кровли, , которое согласно формуле равно:

 

В нашем примере,

 

При этом коэффициент теплопередачи  кровли будет равен:

 

2. Подбор конструкции окон и определение коэффициентов теплопередачи пола.

Конструкция окон подбирается  следующим образом. По числу градус дней находим минимальное нормативное сопротивление теплопередачи . в нашем примере, при

Из перечня конструкции  окон выбираем ту, у которой  Основные конструкции окон и их термическое сопротивление согласно перечню следующие:

• Одинарное остекление в деревянном переплёте
• Двойное остекление в деревянных спаренных переплётах
• Двойное остекление в деревянных раздельных переплётах
• Тройное остекление в деревянных раздельно-спаренных переплётах

В нашем примере выбираем тройное остекление в деревянных раздельно-спаренных переплётах

Согласно заданию, в курсовой работе рассматриваются не утеплённые полы, для которых коэффициент  теплопередачи определяется по зонам  термической однородности. Для первой зоны для второй зоны , для третьей зоны , и для четвёртой .

3. Расчёт теплопотерь помещения.

Для расчёта систем отопления, вентиляции и кондиционирования  воздуха необходимо знать, сколько  тепла теряет каждое помещение. Теплопотери помещения, складываются из теплопотерь через отдельные ограждающие конструкции, , которые вычисляются с точностью до 10 Вт по формуле:

 

Где - коэффициент теплопередачи ограждения;

- площадь ограждения;

- коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери на ветер. При скорости ветра, до 5 м/с

- коэффициент учитывающий положение конструкции в пространстве.

Тепло в помещении также расходуется на подогрев инфильтрующегося воздуха, , которое вычисляется по формуле:

 

Где - площадь пола расчётного помещения;

- высота помещения.

 

Результаты расчёта теплопотерь представляем в виде таблицы 2.5.

Таблица 2.5. Теплопотери расчётного помещения.

	Вид огражде-ния
+14	Н.С.С.	3	8	18	44	0,750	13,50	1,05	623,7	3191,25	6762	9953,25
	2 О.К.	1,5	2	6		1,820	10,90		503,58
	Н.С.З.	3	19	57		0,750	42,80		1977,36
	Кровля	8	19	152		0,366	55,63		50,06
	Пол I	-	-	54		0,465	25,10		22,59
	II	-	-	42		0,232	9,74		8,77
	III	-	-	34		0,116	3,94		3,55
	IV	-	-	26		0,070	1,82		1,64

 

5. Анализ тепловой обстановки в отапливаемом помещении.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха  должны обеспечивать в закрытых помещениях требуемые микроклиматические условия. Микроклиматические условия в помещении характеризуются температурой воздуха, , средней радиационной температурой на внутренней поверхности ограждения, , подвижностью, и относительной влажностью воздуха . В зависимости от тяжести выполняемых человеком работ, нормами регламентируются определённые сочетания этих величин. Не соблюдение этих рекомендаций вызывает дискомфортное состояние человека, что в свою очередь приводит к заболеваниям, снижению производительности труда людей, к нарушению технологических процессов. Таким образом, при проектировании любой системы отопления, вентиляции или кондиционирования воздуха необходимо обязательно проверять воздействие этих систем на основные показатели микроклимата помещения.