Теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций.

При установившихся условиях теплопередачи через плоскую теплофизически однородную ограждающую конструкцию передача тепла с одного участка ограждения на другой соседний не происходит, и температура в ограждении изменяется только в одном направлении (по нормальным сечениям конструкции от внутренней до наружной поверхности).

Реальные ограждающие конструкции зданий часто неоднородны в теплофизическом отношении, поскольку имеют углы, проемы и стыки различных элементов. Распределение температур таких неоднородных участков более сложно, т. к. возможна передача тепла от одного сечения конструкции к другим сечениям (рис. 2.1). В результате тепло распространяется в двух направлениях «X», «Y». В связи с этим в углах стен около проемов и стыков одномерное распределение температур нарушается.

На рис 2.1 показано распределение температур в наружном углу стены, установленное при помощи электроинтегратора. Из рисунка видно, что температура в углу ниже температуры поверхности участка стены удаленного от угла.

 

 

Рисунок 2.1 - Примеры неоднородных участков и конструкций.

 

а) передача тепла менее утепленным участкам ограждающих конструкций и искажение одномерного распределения у стыков панелей;

б) схема ограждающей конструкции с теплопроводным включением;

в) распределение температур в наружном углу стены, установленная при помощи электроинтеграторов;

г) кирпичная стена колодцевой кладки (колодцы заполнены шлакобетонном);

д) расчетная схема неоднородной ограждающей конструкции;

е) многопустотная плита перекрытия (покрытие).

Понижение температуры может достигать 4-7 °C и служит причиной отсыревания стен в наружных углах здания.

Причины понижения температур на внутренних поверхностях наружных углов следующее:

- неравенство площадей тепловосприятия и теплоотдачи, вытекающей из геометрической формы угла;

- изменение коэффициента тепловосприятия α _B на внутренней поверхности наружного угла из-за уменьшения лучистого теплообмена и ослабления конвективных токов воздуха.

Понижение температур на внутренней поверхности ограждающей конструкции имеет место также на участках, выполненных из более теплопроводных материалов (рис.2.1б). Оно допускается только в помещениях с нормальной влажностью (не более, чем 1-2°C) во избежание конденсации влаги на переохлажденных участках ограждения.

Расчет сопротивления теплопередачи указанных конструкций по формуле (1.2) может дать результат, сильно отличающийся от действительного значения R_O этих конструкций.

Приближенный теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций состоит в определении средней величины термического сопротивления по значениям термических сопротивлений отдельных участков ограждения.

Поскольку в неоднородной конструкции основное направление потока тепла (от внутренней поверхности ограждения к наружной) искривляется из-за различной теплопроводности отдельных элементов, теплофизический расчет приходится выполнять в два этапа, рассматривая конструкцию:

1) в направлении, параллельном основному потоку тепла;

2) в направлении перпендикулярном к этому потоку.

Для первого расчета ограждающая конструкция мысленно разрезается плоскостями параллельно потоку тепла, на отдельные участки с разными теплофизическими свойствами. В конструкции (рис.2.1д) это будут участки I, II, III с площадями на поверхности F_I, F_II, F_III и термическими сопротивлениями R_I, R_II, R_III. Термическое сопротивление каждого участка находят по формуле (1.2):

,

Среднее значение термического сопротивления по первому расчету, т.е. в направлении параллельном потоку тепла будет:

м²·°С/Вт, (2.1)

где R_I, R_II, R_III - термические сопротивления выделенных участков;

F_I, F_II, F_III - соответственно их площади по поверхности.

 

Для второго расчета ограждающая конструкция мысленно разрезается на отдельные слои плоскостями перпендикулярными тепловому потоку. Эти слои на расчетной схеме неоднородной ограждающей конструкции обозначенной 1, 2, 3. Термическое сопротивление однородных слоев (1, 3) определяется по формуле:

,

где δ (м) - толщина слоя;

λ (Вт/(м ·°С)) - коэффициент теплопроводности.

Для определения термического сопротивления второго слоя состоящего из разных материалов с разными площадями по поверхности предварительно определяется средняя величина коэффициента теплопроводности второго слоя по формуле:

Вт/(м²·°С), (2.2)

где - коэффициенты теплопроводности отдельных материалов второго слоя;

- площади по поверхности материалов второго слоя.

Тогда термическое сопротивление второго слоя выполненного из различных материалов равно:

, (2.3)

Термическое сопротивление ограждающей конструкции по второму расчету, т.е. в направлении, перпендикулярном к потоку тепла будет равно:

 

м²·°С/Вт, (2.4)

 

R_ll (термическое сопротивление параллельно тепловому потоку) обычно превышает действительную величину термического сопротивления, а (термическое сопротивление перпендикулярно тепловому потоку) получается меньше реальной величины.

Средняя или приведенная величина между первым расчетом (R_ll) и вторым расчетом ( ) определяется по формуле:

 

м²·°С/Вт, (2.5).

Расчетная величина общего сопротивления ограждения теплопередачи:

 

м²·°С/Вт, (2.5).

Полученная величина R₀ должна быть сопоставлена с величиной , т.е. основное условие расчета:

.

Важной особенностью расчета неоднородных конструкций является не только определение термического сопротивления параллельно и перпендикулярно тепловому потоку, но и то, что перед расчетом задается конкретной толщиной утеплителя, определяют приведенное термическое сопротивление конструкции, а в конечном итоге сопротивлением теплопередачи этой конструкции и сравнивают результат с требуемым термическим сопротивлением (большим из двух требуемых). Если полученное сопротивление теплопередаче оказалось меньше требуемой величины, принимают большую конкретную толщину утеплителя, определяют новое значение сопротивление теплопередаче и сравнивают с требуемым. И так до тех пор, пока не будет достигнуто равенство в пределах инженерной ошибки.

 

ПРИМЕР №2.1

 

Задание: Рассчитать толщину утеплителя совмещенной кровли общественного здания в климатических условиях г. Краснодара.

Рисунок 2.2 – Схема конструкции совмещенной кровли (а) и расчетная схема

железобетонной плиты (б)

 

Климатические характеристики района строительства:

1.Температура наружного воздуха t_H=(-19 °С).

2.Температура внутреннего воздуха t_B=+20 °С.

3.Нормативный температурный перепад Δ t_B=4 °С.

4.Средняя температура наружного воздуха за отопительный период t_от.пер=+1, 5 °С.

5. Продолжительность отопительного периода z=152 сут.

Теплотехнические характеристики материалов:

Условия эксплуатации «А»

1.Железобетонная плита:

плотность γ =2500 кг/м³

коэффициент теплопроводности λ =1, 92 Вт/(м·°С)

2.Утеплитель – пенобетон:

плотность γ =400 кг/м³

коэффициент теплопроводности λ =0, 14 Вт/(м·°С)

3.Выравнивающий слой – цементно-песчаный раствор:

плотность γ =1800 кг/м³

коэффициент теплопроводности λ =0, 76 Вт/(м·°С)

 

РЕШЕНИЕ.

 

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче совмещенного покрытия, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий.

 

м²·°С/Вт

Требуемое сопротивление теплопередаче, исходя из условий энергосбережения находим по таблице № 1^Б (СНиП II-3-79*) предварительно определив градусосутки отопительного периода для района строительства.

откуда м²·°С/Вт (найдено с помощью интерполяции)

Сопротивление теплопередаче данной конструкции совмещенного покрытия складывается из сопротивлений теплопередаче всех слоев и сопротивлений теплопереходу.

Термическое сопротивление пароизоляционного и водоизоляционного слоев ввиду их незначительных величин относим в запас.

Для упрощения расчета круглые отверстия – пустоты панели диаметром 159 мм заменяем равновеликими по площади квадратными со сторонами:

м

Термическое сопротивление покрытия в направлении параллельном движению теплового потока вычисляем для двух участков.

Для участка I (два слоя железобетона толщиной 0, 04 м с коэффициентом теплопроводности 1, 92 Вт/(м²·°С) и воздушная прослойка 0, 14 м) термическое сопротивление равно:

м²·°С/Вт,

где 0, 15 м²·°С/Вт - термическое сопротивление замкнутой горизонтальной воздушной прослойки при потоке тепла снизу вверх по приложению 4 (3).

Площадь по поверхности I участка равна м².

Для участка II (слой железобетона толщиной 0, 22м) термическое сопротивление равно

Площадь по поверхности II участка равна м².

Среднее термическое сопротивление по первому расчету (параллельно тепловому потоку)

м²·°С/Вт.

Расчет конструкции в направлении перпендикулярном тепловому потоку:

Разделим конструкцию плоскостями перпендикулярными тепловому потоку на 3 слоя.

Термическое сопротивление первого и третьего слоев состоящих из железобетона равно:

м²·°С/Вт.

Для определения термического сопротивления второго слоя плиты перекрытия необходимо вычислить среднее значение коэффициента теплопроводности:

,

где - коэффициенты теплопроводности материалов рассматриваемого слоя;

- площади по поверхности участков материалов входящих в рассматриваемый слой.

Конструкция этого слоя состоит из воздушной прослойки толщиной 0, 14м и железобетона толщиной 0, 045м.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки равен:

Вт/м·°С.

Средний коэффициент теплопроводности второго участка перпендикулярно тепловому потоку:

Вт/м²·°С.

Среднее термическое сопротивление второго слоя:

 

м²·°С/Вт.

Термическое сопротивление перекрытия перпендикулярно тепловому потоку равно:

м²·°С/Вт.

Разница между R_ll и составляет , что вполне допустимо.

Приведенное термическое сопротивление многопустотной железобетонной панели равно:

 

м²·°С/Вт.

Определив приведенное термическое сопротивление многопустотной железобетонной панели мы закончили расчет неоднородной конструкции, которая представляет собой только один элемент совмещенного покрытия. Далее определяют толщину утеплителя, рассматривая совмещенное, как многослойную конструкцию покрытия.

Сопротивления теплопередаче совмещенного покрытия равно:

 

; ; м.

 

Таким образом, толщина пенобетона составляет м.

 

 

ПРИМЕР №2.2

 

Задание: Рассчитать толщину утеплителя в кирпичной стене колодцевой кладки жилого дома в климатических условиях г. Краснодара.

 

Рисунок 2.3 - Схема наружной стены

Климатические характеристики района строительства

(взяты по СНКК 23-302-2000):

1.Температура наружного воздуха t_H=(-19 °С).

2.Температура внутреннего воздуха t_B=+20 °С.

3.Нормативный температурный перепад Δ t_B=4 °С.

4.Средняя температура наружного
воздуха за отопительный период t_от.пер=2 °С.

5.Градусосутки отопительного периода - 2682

Теплотехнические характеристики материалов:

Условия эксплуатации «А»

1. Кирпич керамический пустотный:

плотность γ =1600 кг/м³

коэффициент теплопроводности λ =0, 58 Вт/(м·°С)

2. Утеплитель – пенобетон:

плотность γ =300 кг/м³

коэффициент теплопроводности λ =0, 11 Вт/(м·°С)

3. Внутренняя штукатурка – известково-песчаный раствор:

плотность γ =1600 кг/м³

коэффициент теплопроводности λ =0, 7 Вт/(м·°С)

 

РЕШЕНИЕ.

 

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче наружной стены жилого дома, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий.

м²·°С/Вт

Требуемое сопротивление теплопередаче, исходя из условий энергосбережения находим по таблице № 1^Б (СНиП II-3-79*) предварительно определив градусосутки отопительного периода для района строительства.

Градусосутки по СНКК-23-302-2000 составляют 2682 откуда требуемое сопротивление теплопередаче составляет 2, 338 м²·°С/Вт.

 

Мысленно разделим конструкцию плоскостями параллельными тепловому потоку на участках I, II, III.

Каждый участок представляет собой однородную или многослойную конструкцию.

Определим термическое сопротивление выделенных участков.

м²·°С/Вт;

м²·°С/Вт.

Площади по поверхностям равны:

м²; м²

Термическое сопротивление стены параллельно тепловому потоку:

м²·°С/Вт

На втором этапе расчета мысленно разделим кирпичную стену колодцевой кладки плоскостями перпендикулярными тепловому потоку на участки 1, 2, 3.

Термическое сопротивление конструкции перпендикулярно тепловому потоку равно:

м²·°С/Вт; м²·°С/Вт;

,

где м²; м²;

м²;

 

Вт/м²·°С.

 

м²·°С/Вт;

м²·°С/Вт.

 

Приведенное термическое сопротивление:

Учитывая что внутренняя поверхность стены должна быть отштукатурена, определим сопротивление теплопередаче стены и сравним с требуемым значением

м²·°С/Вт.

 

, т.е. конструкция стены указанной толщины не удовлетворяет требованиям по теплозащите.

 

 

Рисунок 2.4 – Схема наружной стены

 

 

Увеличиваем толщину утеплителя и соответственно стены, учитывая скачкообразность приращения. Принимаем следующую толщину 640+120=770мм.

Сопротивление теплоотдаче стены параллельно тепловому потоку:

 

м²·°С/Вт;

м²·°С/Вт.

Среднее значение сопротивления теплоотдаче определяем по формуле:

м²·°С/Вт

Сопротивление теплопередаче стены перпендикулярно тепловому потоку определяем по формуле:

м²·°С/Вт; м²·°С/Вт;

;

Вт/м²·°С.

м²·°С/Вт;

м²·°С/Вт.

 

Приведенное термическое сопротивление:

Учитывая термическое сопротивление внутренней штукатурки и сопротивления теплопереходу, определим сопротивление теплопередачи конструкции и сравним с требуемым сопротивлением.

,

т.е. стена удовлетворяет предъявляемым требованиям.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: