Главная

Контакты

Случайная статья

• Автоматизация
• Антропология
• Археология
• Архитектура
• Биология
• Ботаника
• Бухгалтерия
• Военная наука
• Генетика
• География
• Геология
• Демография
• Деревообработка
• Журналистика
• Зоология
• Изобретательство
• Информатика
• Искусство
• История
• Кинематография
• Компьютеризация
• Косметика
• Кулинария
• Культура
• Лексикология
• Лингвистика
• Литература
• Логика
• Маркетинг
• Математика
• Материаловедение
• Медицина
• Менеджмент
• Металлургия
• Метрология
• Механика
• Музыка
• Науковедение
• Образование
• Охрана Труда
• Педагогика
• Полиграфия
• Политология
• Право
• Предпринимательство
• Приборостроение
• Программирование
• Производство
• Промышленность
• Психология
• Радиосвязь
• Религия
• Риторика
• Социология
• Спорт
• Стандартизация
• Статистика
• Строительство
• Технологии
• Торговля
• Транспорт
• Фармакология
• Физика
• Физиология
• Философия
• Финансы
• Химия
• Хозяйство
• Черчение
• Экология
• Экономика
• Электроника
• Электротехника
• Энергетика

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Министерство образования и науки Украины

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

Специальности: 6. 120100; 6. 092100

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПО КУРСУ

«СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА»

                                                                                       Утверждено

                                                                                        на заседании кафедры

                                                                               архитектурных конструкций

Протокол № 1 от 31 августа 2007

Харьков ХГТУСА 2008

Методические указания и задания к выполнению теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций по курсу «Строительная теплофизика» для студентов специальностей: 6. 120100;                     6. 092100 /Составители: В. А. Хренов, Н. Э. Поляк, Е. Л. Янтовская - Харьков, ХГТУСА, 2008. - с. 44.

Рецензент В. О. Егоров

Кафедра архитектурных конструкций

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для выполнения курсовых работ по строительной климатологии и теплотехнике для студентов архитектурного факультета всех специальностей, изучающих курс «Строительная физика». Также могут быть использованы студентами факультета ПГС для расчета наружных ограждающих конструкций при выполнении курсового и дипломного проекта и студентами экологами для выполнения климатического паспорта города и расчетов по инсоляции.

Курсовая работа для студентов – архитекторов включает:

1 Исходные данные.

2 Составление климатического паспорта города.

3 Определение утепляющих слоев наружной стены жилых или промышленных зданий и чердачного (надподвального) перекрытия для зимних условий.

4 Построение одномерных температурных полей с указанием глубины промерзания для наружной стены и перекрытия.

5 Выполнение расчета наружных стен на теплоустойчивость в условиях жаркого климата.

Исходные данные для расчетов принимаются студентами в соответствии с вариантами. Конструктивные варианты студенты принимают по приложению А в соответствии с номером по списочному составу группы. Город и климатические параметры для расчетов по приложению Б, В студенты принимают по первой букве своей фамилии.

Студенты – экологи пользуются главой «Климатический паспорт города» и частью 2 «Инсоляция» по выданным вариантам индивидуальных заданий.

В дипломном проектировании исходные данные теплотехнических расчетов зависят от назначения здания, проектируемых ограждающих конструкций и климатического района. Для Украины используют [1; 3]. Для стран СНГ – [2; 4].

1 КЛИМАТИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ ГОРОДА

При проектировании городов и зданий, их строительстве и эксплуатации учитывают климатические параметры комплексно. Однако, общие справочные материалы имеют много параметров и разбросаны по многим справочникам и таблицам.

С методикой климатического районирования тесно связана методика учета местных климатических факторов, которые не могут быть указаны в Государственных нормах, поэтому для проектирования, в каком-либо регионе целесообразно объединить все климатические параметры в единый климатический паспорт.

Климатический паспорт города (региона) объединяет в единое целое

параметры климатических факторов, классифицирует их по видам метеорологических показателей и выполняется в виде таблиц, графиков, диаграмм.

Климатический паспорт города должен включать:

1 Страна.

   2 Город

3 Географическая широта.

4 Температура наружного воздуха: ⁰С

А – средняя по месяцам:

Б – средняя годовая;

В – абсолютная минимальная;

Г – абсолютная максимальная;

Д – средняя максимальная наиболее жаркого месяца;

Е – наиболее холодных суток, обеспеченностью 0, 98; 0, 92;

Ж – наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0, 98; 0, 92;

З – средняя наиболее холодного периода;

И - средняя наиболее холодного месяца;

К - средняя наиболее жаркого месяца;

Л – максимальная амплитуда суточных колебаний наружного воздуха в июле, А _tн;

М – значение суммарной солнечной суточной радиации поступающей в июле на вертикальную поверхность(прямая /рассеянная) для южного, восточного и западного фасадов, Вт/м² Ю -; В -; З -;

5 Среднемесячная влажность воздуха г/м³ (ГПа):

А - наиболее холодного месяца;

Б - наиболее жаркого месяца;

В - средняя по месяцам:

6 Повторяемость направления ветра в %, и средняя скорость (м/с) в наиболее холодный и жаркий месяц по сторонам света.

По данным климатических параметров, выбранных при помощи [1], построить график расчетных температур, распределения среднемесячной

температуры и абсолютной влажности наружного воздуха по месяцам, розы ветров по повторяемости и скорости. Примеры приведены на рисунках 1. 1; 1. 2; 1. 3.

Рисунок 1. 1 - Распределение среднемесячной температуры и абсолютной влажности наружного воздуха по месяцам для г. Алма-Ата

Рисунок 1. 2 - График расчетных температур наружного воздуха

для г. Алма-Ата

Рисунок 1. 3 - Розы ветров по повторяемости и по скорости

для г. Краснодар

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УТЕПЛЯЮЩИХ СЛОЕВ НАРУЖНОЙ

СТЕНЫ И ЧЕРДАЧНОГО (НАДПОДВАЛЬНОГО)

ПЕРЕКРЫТИЯ ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ

Знание основ строительной теплотехники необходимо для обоснованного рационального проектирования ограждающих конструкций.

От теплотехнических качеств наружных ограждающих зданий зависят:

а) постоянство температуры и влажности воздуха в помещении в холодное время года и предупреждение понижения температуры ниже требуемой по санитарно-гигиеническим условиям;

б) температура внутренней поверхности ограждения, которая влияет на образование на этой поверхности нежелательного конденсата;

в) влажностный режим наружных ограждений, влияющий на их теплозащитные качества и долговечность здания в целом;

г) количество теплопотерь здания в холодные периоды года, от которых зависит расход энергоресурсов на его отопление.

Наружные ограждающие конструкции в разных географических пунктах подвергаются различным физико-климатическим воздействиям, от которых зависят процессы теплопередачи и изменения влажностного состояния конструкций. Поэтому при определении сопротивления теплопередачи конструкции в расчетах учитывают отрицательные температуры, характерные для данного климатического района, а цель теплотехнических расчетов – обеспечение необходимых тепловлагозащит-

ных качеств конструкций.

При разности температур наружного воздуха и температуры помещения зданий в зимнее время теплопередача происходит через наружные ограждения здания из помещения к наружному воздуху. При этом потери тепла здания восполняются системами отопления.

Теплообмен может осуществляться в виде теплопроводности, конвекции и излучения. Включающий все виды теплообмена перенос тепла от одной воздушной среды к другой при разной их температуре и давлении через разделяющее их плоское ограждение является теплопередачей.

При переходе тепла через ограждающую конструкцию здания происходит понижение температуры от значения температуры внутреннего воздуха помещения до величины температуры наружного воздуха.

Процесс теплообмена между ограждением и воздушной средой является теплоотдачей, а между воздушной средой и ограждением – тепловосприятием.

Выбор расчетных зимних температур наружного воздуха для определения требуемого сопротивления теплопередаче зависит от степени массивности конструкции. Менее массивные конструкции охлаждаются быстрее и наоборот. Процесс охлаждения легких конструкций может завершиться в течение суток.

Степень массивности ограждающих конструкций определяется согласно характеристике тепловой инерции – свойству ограждающих конструкций сохранять или медленно изменять существующее распределение температуры внутри конструкции при колебаниях температуры наружного воздуха. Чем массивнее конструкция, тем меньше будут отражаться на ее внутренней поверхности температурные колебания наружного воздуха. Показатель тепловой инерции зависит от толщины конструктивных слоев, их коэффициента теплопроводности и коэффициента теплоусвоения материала.

Одной из основных теплофизических характеристик материала является теплопроводность – способность материала проводить тепло через свою массу. Для строительных материалов она зависит, в основном, от химического состава, структуры, плотности, влажностного и температурного состояния. Степень теплопроводности материала характеризуется его коэффициентом теплопроводности, т. е. количеством тепла, проходящим за один час через 1 м² однородного ограждения толщиной 1 м при разности температур на его поверхностях, равной 1 ⁰С.

Коэффициент теплоусвоения материала характеризует его способность и более или менее интенсивно воспринимать тепло при колебаниях температуры на его поверхности.

В основу теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций положен принцип, при котором их сопротивление теплопередаче должно быть не менее требуемого сопротивления теплопередачи по санитарно-гигиеническим условиям. Расчет выполняется на основании [1; 4].

Требуемое сопротивление теплопередаче наружных ограждений R (м²× ⁰С/Вт), которое необходимо для обеспечения нормального микроклимата в помещениях по санитарно-гигиеническим условиям зависит, в основном, от климатического района, назначения здания и определяется из выражения:

                               ,                                        (2. 1)

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

t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С, принимаемая в зависимости от назначения помещений и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений;

t_н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, ⁰С, принимаемая согласно [1] с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций;

D t^н – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимается по [4, табл. 2];

a_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по [4, табл. 4].

Термическое сопротивление R (м²× ⁰С/Вт) слоя ограждающих конструкций

                                         ,                                            (2. 2)

где d - толщина слоя, м;

l - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя,      Вт/м × ⁰С, принимаемый по [4, прил. 3].

Сопротивление теплопередаче R₀ (м²× ⁰С/Вт) многослойной ограждающей конструкции

                        ,                              (2. 3)

где a_в – см. формулу (2. 1);

R_1, R_2, R_n – термическое сопротивление слоев ограждающих конструкций, м²× ⁰С/Вт, определяемые по формуле (2. 2);

a_н – коэффициент теплопередачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/м × ⁰С, принимаемый по       [4, табл. 6].

Расчетная зимняя температура наружного воздуха принимается в зависимости от значения тепловой инерции ограждения

     ,                         (2. 4)

где R_1, R_2, R_n – термическое сопротивление слоев ограждающих конструкций, м² × ⁰С/Вт, определяемые по формуле (2. 2);

S_1, S_2, S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала слоев ограждающей конструкции, Вт/м × ⁰С, принимаемый по [4, прил. 3].

При определении требуемого сопротивления теплопередаче температура наружного воздуха принимается при тепловой инерции D ограждающих конструкций:

- до 1, 5 – средняя температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0, 98;

- свыше 1, 5 до 4, 0 - средняя температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0, 92;

- свыше 4 до 7, 0 - средняя температура наиболее холодных трех суток обеспеченностью 0, 92;

- свыше 7, 0 - средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0, 92.

В тоже время, учитывая необходимость экономии энергоресурсов, Приказом Госкомитета Украины по делам градостроительства и архитектуры 1996 г. было утверждено «Изменение № 1 к СниП II-3-79** «Строительная теплотехника». В 2006 году были выпущены Державні будівельні норми Украини «Теплова ізоляція будівель» (ДБН В. 2. 6-31: 2006 [3]).

По [3] для наружных ограждающих конструкций отапливаемых зданий и сооружений, а также внутренних ограждений, которые разделяют помещения, температура воздуха в которых отличается на 3⁰С и больше обязательно выполнение условий

                                                                                            (2. 5)

где R_{Σ пр} – суммарное сопротивление теплопередаче непрозрачной ограждающей конструкции, м²·К/Вт;

   R_{q min} – минимальное допустимое значение сопротивления теплопередаче непрозрачной ограждающей конструкции, м²·К/Вт.

Минимально допустимые значения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции жилых и общественных зданий R_{q min}, м²·К/Вт в зависимости от вида ограждающих конструкций и температурной зоны Украины приведены в таблице 2. 1 или таблица 1 [3].

Минимально допустимые значения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции промышленных зданий R_{q. min}, м²·К/Вт в зависимости от вида ограждающих конструкций, тепловлажностного режима и климатической зоны Украины определяется по таблице 2. 2 или таблица 2 [3].

Таблица 2. 1

Продолжение таблицы 2. 1

Примечание. *Для домов приусадебного типа и домов до 4-х этажей включительно.

Таблица 2. 2

Допустимая по санитарно-гигиеническим условиям разница между температурой внутреннего воздуха и приведенной температурой внутренней поверхности ограждающих конструкций составляет

                                                   Δ t_пр ≤ Δ t_ср.                                                (2. 6)

где Δ t_пр – температурный период между температурой внутри помещения и приведенной температурой внутренней поверхности ограждающей конструкций, ⁰С;

Δ t_ср – допустимая по санитарно-гигиеническим требованиям разность между температурой воздуха внутри помещения и приведенной температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, ⁰С, принимаемая в зависимости от назначения здания и вида ограждающих конструкций по таблице 2. 3 или таблице 3 [3].

Таблица 2. 3

Определение температурных зон заданного района строительства производится по карте-схеме температурных зон Украины рис. 2. 1.

Рисунок 2. 1 Карта-схема температурных зон Украины

При отсутствии на карте-схеме города строительства температурная зона определяется по количеству градусо-суток (г. -с. ) отапливаемого периода по формуле

                                         S = (t_в – t_{о. п}) · Z_{о. п}                                      (2. 7)

где S - количество градусо-суток отапливаемого периода, определяемое по расчетным данным [1];

t_в – расчетная температура внутреннего воздуха для жилых, общественных и административных помещений принимается 20 ⁰С; для промышленных зданий – 18 ⁰С;

t_{о. п} – средняя температура относительного периода города строительства, принимаемая при температуре наружного воздуха ≤ 8 ⁰С [1];

Z_{о. п} – продолжительность отопительного периода суток [1].

Для стран СНГ расчет теплозащитных качеств наружных ограждений выполняется по СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника» [4]. Климатические параметры приведены в СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» [2].

Расчет утепляющего слоя чердачного (надподвального) перекрытия выполняется в том же порядке и по тем же формулам, что и для наружных стен.

Расчет утепляющих слоев наружных стен жилых, общественных и административных зданий приведен в примере 1; промышленных зданий в примере 2.

Пример 1 Расчетным путем определить толщину утепляющего слоя наружной стены гражданских зданий для зимних условий в соответствии с исходными данными и рисунком 2. 2.

Исходные данные.

Город – Чугуев, Харьковской области.

Здание – жилой дом.

d₁ – наружная штукатурка - цементно-песчаный раствор, толщиной 0, 02 м, g = 1800 кг/м³; λ – 0, 70 Вт/м⁰С.

d₂ – кирпичная кладка из глиняного кирпича толщиной 0, 38 м, g = 1600 кг/м³; λ – 0, 58 Вт/м⁰С.

d₃ – перлитопластобетон g = 200 кг/м³; λ – 0, 052 Вт/м⁰С

    Рисунок 2. 2  

d₄ – внутренняя штукатурка - сложный раствор, толщиной 0, 015 м,

g = 1600 кг/м³; λ – 0, 70 Вт/м⁰С.

Для жилого дома принимаем расчетную температуру воздуха в помещении 20 ⁰С.

Расчет производим в соответствии с ДБН «Теплова ізоляція» [3].

Для определения климатической зоны г. Чугуева Харьковской области

определяем количество градусо-суток отопительного периода

г. -с.,

где t_{о. п.} и Z_{о. п.} температура и продолжительность отопительного периода приняты при средней суточной температуре наружного воздуха ≤ 8 ⁰С.

Следовательно, город Чугуев Харьковской области относится к I климатической зоне, для которой R_{q min} = 2. 8 м²·К/Вт.

Общее сопротивление теплопередаче стены составляет:

,

где a_в – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности стены, принимаемый по таблице 4 [4], равный 8, 7 Вт/м² × ⁰С;

d – толщины слоев стены, м.;

l - расчетные коэффициенты теплопроводности слоев материала стены в зависимости от материалов, его плотности (кг/м³) и условий эксплуатации, зависящих от влажностного режима помещений и зон влажности климатического района (А или Б) принимаемые по таблице 3 [4];

a_н – коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной поверхности стены принимаемые по табл. 6 [2], равный 23, 0 Вт/м² × ⁰С.

Соответственно

Сопротивление теплопередачи наружной стены R₀ следует принимать не менее нормативного сопротивления теплопередачи R_{q min}, т. е. R₀ ³ R_{q min}.

Таким образом  м²× ⁰С/Вт,

откуда d₃ = 0, 10 м.

Следовательно, для обеспечения требуемых санитарно-гигиенических условий в помещении толщина утепляющего слоя из перлитопластобетона должна быть не менее 0, 10 м.

Пример 2 Расчетным путем определить толщину утепляющего слоя в трехслойных наружных стеновых панелях промышленного здания для зимних условий в г. Запорожье в соответствии с исходными данными и  рисунком конструкции 2. 3.

Исходные данные:

Город Запорожье.

Здание – промышленное здание.

1- и 3 слоя - железобетонная скорлупа толщиной 0, 04 и 0, 06 м, плотностью g = 2500 кг/м³;

λ – 1, 92 Вт/м⁰С;

2 слой – пенополистирол плотностью g = 150 кг/м³, λ – 0, 05 Вт/м⁰С.

.

    Рисунок 2. 3

Работа легкая, тепловлажностной режим – нормальный, температура воздуха в помещении 18 ⁰С.

По карте-схеме температурных зон Украины г. Запорожье относится ко II климатической зоне. Для наружных ограждающих конструкций предварительно при D ≤ 1, 5 значение R_{q min} принимаем 1, 8 м²× ⁰С/Вт.

Общее сопротивление наружной стены определяем из выражения (2. 3)

,

где - l_в = 8, 7 Вт/м²× ⁰С – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, принимаемый по [4];

a_н = 23, 0 Вт/м² × ⁰С. – коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружных стеновых ограждений [4];

d – толщины слоев стены, м.;

l - расчетные коэффициенты теплопроводности материалов конструкции, определяемой по [4].

По ДБН [3] определяем толщину утепляющего слоя наружной стены промышленного здания.

Общее сопротивление теплопередаче стены определяем по формуле (2. 3)

,

где a_в a_н d_n l _n - см. выше.

Для обеспечения теплозащитных качеств наружной стены необходимо условие

, откуда d₂ = 0, 08 м.

Для определения правильно принятого R_{q min} в зависимости от показателя тепловой инерции D определяем по формуле 2. 4

Таким образом R_{q min} по ДБН [3], предварительно принятое 1, 8 м²× ⁰С/Вт является неверным.

Выполняем перерасчет при котором R_{q min} при показателе тепловой инерции D > 1, 5 для II температурной зоны соответствует 1, 3 м²× ⁰С/Вт.

Следовательно,  откуда d₂ = 0, 06 м.

Поэтому для обеспечения теплозащитных качеств наружных стен промышленного здания при указанных выше условиях толщина утепляющего слоя должна быть не менее 0, 06 м.

3 ПОСТРОЕНИЕ ОДНОМЕРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

Стационарные условия теплопередачи характеризуются постоянством во времени величины теплового потока и температуры в ограждении, которые по своей расчетной схеме представляют собой плоскую конструкцию (стенку, плиту), ограниченную с обеих сторон параллельными плоскостями.

При установившихся условиях теплопередачи внутри однородного ограждения (при различных температурах воздуха у его поверхностей) градиент температуры является величиной постоянной. В многослойных ограждающих конструкциях значение температуры может быть вычислено аналитическим путем в любой плоскости, при этом градиент температуры пропорционален термическому сопротивлению слоя.

Эта зависимость положена в основу более простого графического метода определения температуры внутри ограждения (рис. 3. 1).

Для построения одномерного температурного поля на крайней слева вертикальной линии в произвольном масштабе строим температурную шкалу (рис. 3. 2). По горизонтальной оси, соответствующей нулевой температуре, откладываем последовательно в принятом масштабе все термические сопротивления слоев конструкции, начиная с R_В и заканчивая R_Н, так что сумма всех отрезков дает в том же масштабе величину сопротивления теплопередаче R₀.

Через полученные точки проводим вертикальные линии и на крайних вертикалях откладываем с одной стороны ( у прямой соответствующей R_В) в масштабе отрезок, соответствующий температуре внутреннего воздуха t_В, а с другой – (у отрезка, соответствующего R_Н) в том же масштабе отрезок соответствующий наружной температуре t_Н. Положительные температуры откладываем вверх от горизонтальной оси, а отрицательные – вниз.

Полученные точки t_В и t_Н соединяем прямой линией.

Рисунок 3. 1 - Распределение температуры в ограждении в зависимости

от термического сопротивления слоев

Рисунок 3. 2 - Одномерное температурное поле наружной стены

Рисунок 3. 3 - Одномерное температурное поле чердачного перекрытия

Точка пересечения этой прямой с вертикальными линиями на границах слоев ограждения обозначает границы, выражающие значения температур на

границах слоев ограждения. Тепловой поток, проходящий через ограждение, одинаков по величине в любом слое ограждения, следовательно, в построении графика термических сопротивлений показанном на рис. 3. 2, уклон температурной линии одинаков, поскольку горизонтальные размеры на нем выражаются в термических сопротивлениях слоев, т. е. они как бы приведены к однородной конструкции.

Рядом с графиком термических сопротивлений строим в масштабе разрез стены. Переносим характерные точки с границ слоев термических сопротивлений параллельно линии нулевой температуры до пересечения с линиями границ слоев конструкции. При переносе температурной линии на чертеж конструкции уклон ее различен, так как горизонтальные размеры слоев конструкции, которые построены в масштабе толщины (метры) не соответствуют горизонтальным размерам сопротивлений. Температурная линия представляет ломаную линию, наклон которой будет в слоях материала различен.

Аналогично производится построение одномерного температурного поля чердачного (надподвального) перекрытия (рис. 3. 3).

На температурных полях указывается зона промерзания ограждений, проводя вертикальную линию через точку пересечения кривой распределения температур в конструкциях с координатой, обозначающей температуру 0 ⁰С.

Исходные данные для построения одномерных температурных полей и чердачного (надподвального) перекрытия принимаются из предыдущих соответствующих расчетов.

4 РАСЧЕТ НАРУЖНЫХ СТЕН НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ

В УСЛОВИЯХ ЖАРКОГО КЛИМАТА

Для районов с жарким климатом при проектировании ограждающих конструкций необходим расчет колебаний температуры на их внутренней поверхности при изменениях температуры наружного воздуха, т. е. расчет их теплоустойчивости при значительных тепловых воздействиях.

Защита от перегрева солнцем в летнее время, влияющая на санитарно-гигиеническое состояние воздушной среды помещений, в первую очередь зависит от теплофизических качеств материалов наружных ограждений.

Перемещение тепла в среде возможно только при разности температур в отдельных ее точках, причем оно происходит в направлении от большей к меньшей температуре. При разности температур между воздухом в помещениях здания и окружающем его наружным воздухом теплопередача происходит через наружные ограждения (стены, окна, покрытия и др. ).

В южных климатических районах солнечная радиация вызывает периодические колебания температуры наружной поверхности ограждений, которые приводят к колебаниям температуры также и на их внутренней поверхности. Это, в свою очередь, приводит к изменению температуры воздуха в помещениях, амплитуда которой зависит от теплотехнических качеств материалов наружных ограждений, характеризуемых их теплоустойчивостью.

Теплоустойчивость ограждающих конструкций – свойство сохранять относительное постоянство температуры на поверхности, обращенной в помещение, при периодическом воздействии на поверхность конструкций колебаний температур воздушной среды.

Чем меньше при одной и той же величине колебания температур воздушной среды снаружи будут амплитуды колебания температур на внутренней поверхности ограждения, тем оно считается более теплоустойчивым. Чем больше затухают амплитуды колебания температур в ограждающей конструкции, тем лучшими теплозащитными качествами эта конструкция обладает. От теплоустойчивости ограждений зависит возможность поддержания в помещении постоянных, мало изменяющихся во времени температуры и относительной влажности воздуха.

Затухание амплитуд температурных колебаний наружного воздуха внутри конструкций есть отношение амплитуды А_tн колебаний температуры наружного воздуха с учетом солнечной радиации к затухшей (наименьшей) амплитуде А_tв колебаний температуры внутренней поверхности ограждений. Расчет затухания колебаний температур необходим для наружных ограждений зданий в южных районах, прогреваемых солнечными лучами при повышении в дневное время температуры наружного воздуха.

Теплоустойчивость ограждающих конструкций зависит в основном от теплоемкости слоя резких колебаний, для которого показатель тепловой инерции Д  1. Слой резких колебаний непосредственно прилегает к поверхности ограждений, воспринимающей периодические колебания температуры воздушной среды. В нем происходит наиболее заметное затухание амплитуды колебания температуры. Толщина слоя резких колебаний увеличивается с увеличением периода колебаний теплового потока и уменьшается с его уменьшением. Теплотехнические свойства материала слоя резких колебаний существенно влияют на величину коэффициента теплоусвоения поверхностей ограждения Y.

Затухание температурных колебаний в слоях ограждающих конструкций также зависит от соседних слоев, расположенных вслед за рассматриваемой на пути движения тепловой волны. Расчет затухания температурных волн внутри многослойной ограждающей конструкции необходимо начинать с конструктивного последнего слоя на пути движения тепловой волны (т. Е. с поверхности конструкции, обращенной в помещение) и переходить последовательно от слоя к слою, непосредственно воспринимающему периодические колебания температур.

В климатических районах со среднемесячной температурой июля 21 ⁰С и выше амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций (наружных стен с тепловой инерцией менее 4 и покрытий менее 5) А_tв жилых зданий, детских учреждений и здравоохранения, производственных зданий, где по условиям технологии необходимо поддерживать постоянную температуру и влажность воздуха, не должна быть более требуемой амплитуды А , ⁰С

                                                ,                                            (4. 1)

Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций, ⁰С, определяется по формуле:

                                              ,                                      (4. 2)

где А  - расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха, ⁰С, определяемая по формуле (4. 3);

n - затухание расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха А  в ограждающей конструкции, определяется по формуле (4. 4).

Расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха ⁰С, определяется по формуле:

                     ,                       (4. 3)

где А_tн – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле, ⁰С, принимаемая по [1];

r - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по [4, прил. 7];

I_max, I_ср – соответственно максимальное и среднее значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м², принимаемые согласно [1, прил. 6] для наружных стен, как для вертикальных поверхностей западной ориентации, и для покрытий – по [1, прил. 5], как для горизонтальной поверхности;

a_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям, Вт/м^2× × ⁰С, определяемый по формуле (4. 13).

Затухание расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей конструкции, состоящей из однородных слоев, следует определять по формуле:

  (4. 4)

При определении затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха n порядок нумерации слоев принят в направлении от внутренней поверхности к наружной.

Для расчетов двухслойных ограждающих конструкций формула (4. 4) будет иметь вид

    ,                      (4. 5)

для трехслойных ограждающих конструкций

                        (4. 6)

В формулах (4. 4) – (4. 6):

е=2, 718 – основание натуральных логарифмов;

Д – тепловая инерция ограждающей конструкции, определяемая по формуле (4. 7);

S₁, S₂, S₃, S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/м²× ⁰С, принимаемые по [4, прил. 3];

Y₁, Y₂, Y₃, Y_N коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/м²× ⁰С, определяемые по формулам (1. 4. 10 – 1. 4. 12);

a_В – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемые по [4, табл. 4];

a_Н  - то же, что в формуле (4. 3).

Для определения коэффициентов теплоусвоения наружной поверхности отдельных слоев ограждающей конструкции следует предварительно вычислить тепловую инерцию по формуле:

                                                                                        (4. 7)

Тепловая инерция ограждающей конструкции в целом

                           ,                 (4. 8)

где R₁, R₂, R_n - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м²× ⁰С/Вт, определяемый по формуле (4. 9);

S₁, S₂, S_n – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала

отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/м²× ⁰С, принимаемые по [4, прил. 3].

Термическое сопротивление слоя ограждающей конструкции, м²× ⁰С/Вт,

                                                    ,                                           (4. 9)

где d - толщина слоя;

l - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/м²× ⁰С, принимаемые по [4, прил. 3].

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя Y, Вт/м²× ⁰С, с тепловой инерцией Д ³ 1 следует принимать равным расчетному коэффициенту теплоусвоения S материала этого слоя конструкции по [4, прил. 3].

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя Y, с тепловой инерцией Д < 1 следует определять путем расчета, начиная с первого слоя (считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции):

а) для первого слоя

                                          ,                                     (4. 10)

б) для второго слоя

                                           ,                             (4. 11)

в) для третьего слоя

                                            ,                            (4. 12)

где R₁, R₂, R₃ - термические сопротивления соответственных слоев ограждающей конструкции, определяемые по формуле (4. 9);

S₁, S₂, S₃ – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала соответствующих слоев, ограждающей конструкции принимаемые по [4, прил. 3];

a_В – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемые по [4, табл. 4];

Y₁, Y₂, Y₃, - коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности соответствующих слоев ограждающей конструкции, Вт/м²× ⁰С.

Коэффициент теплопередачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям, ограждающей конструкции, следует определять по формуле:

                                       ,                                 (4. 13)

где V – максимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль по [1, прил. 4], но не менее 1 м/с.

После выполнения расчета необходимо сопоставить требуемую амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции А  с расчетной проектируемой А_tв. При А_tв < А  ограждающая конструкция удовлетворяет защитным качествам и обеспечивает требуемые санитарно-гигиенические условия в помещениях в летнее время. При А_tв > А  теплоустойчивость наружных ограждений не удовлетворяет нормативным требованиям и помещения зданий будут перегреваться. В этом случае необходимо увеличить толщину теплоизолирующего слоя ограждающей конструкции или принять утеплитель с меньшим коэффициентом теплопроводности и расчет на теплоустойчивость повторить.

Расчет на теплоустойчивость наружных стен и покрытий зданий выполняется в одинаковой последовательности по приведенным выше формулам.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТА НАРУЖНОГО ОГРАЖДЕНИЯ НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ В ЛЕТНИЙ ПЕРИОД

1 Определить необходимые для расчета в заданном климатическом районе среднемесячную температуру наружного воздуха t_н за июль по [1], минимальную из средних скоростей ветра V в июле по румбам по            [1, прил. 4].

2 По формуле (4. 13) следует вычислить коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции a_н по летним условиям.

3 При тепловой инерции слоев конструкции ограждения более единицы коэффициенты теплоусвоения Y принять равными расчетному коэффициенту теплоусвоения S материала по [4, прил. 3]. При тепловой инерции слоев менее единицы коэффициенты теплоусвоения слоев необходимо рассчитать по формулам (4. 10) ¸ (4. 12).

4 Затухание расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха n в зависимости от количества слоев ограждающей конструкции найти по формулам (4. 4) ¸ (4. 6). При определении n значения е^{Д/Ö 2} можно принять в зависимости от величины Д по прил. Д.

5 Максимальную амплитуду суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле А_tн, определить по [1] или по прил. В.

6 Максимальное и среднее значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), для вертикальных поверхностей западной ориентации I  и I  вычислить по [1, прил. 6] или по прил. В, для горизонтальных поверхностей I  и I  - по [1, прил. 5] или по прил. Б.

7 Коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции r принять по [4, прил. 7].

8 Определить расчетную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха А  по формуле (4. 3).

9 Амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности ограждения А_tв найти по формуле (4. 2).

10 Вычислить требуемую амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции А  по формуле (4. 1).

11 Сравнить расчетную амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности конструкции А_tв с требуемой А  и сделать вывод о соответствии ограждения теплоустойчивости в летнее время.

Пример 3 Исходные данные

г. Херсон.

Если толщина утепляющего слоя наружной стены неизвестна, необходимо определить ее из условий санитарно-гигиенических требований для зимних условий или принять по конструктивным соображениям.

Выполняем проверку на теплоустойчивость в летнее время наружной

стеновой панели жилого дома, так как среднемесячная температура наружного воздуха в июле для г. Херсона по прил. В t_н = 23 ⁰С > 21 ⁰С и тепловая инерция Д = 2, 24 < 4.

Минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль            (1, прил. В), V = 3. 3 м/с.

Коэффициент теплопередачи наружной поверхности ограждающей конструкции a_н по летним условиям

 Вт/м²× ⁰С.

Определяем коэффициенты теплоусвоения наружных поверхностей слоев конструкции. Поскольку тепловая инерция слоев менее 1, коэффициент теплоусвоения:

для первого слоя

;

для второго слоя

;

для третьего слоя

;

где R₁ =0, 04; R₂ =0, 67; R₃ =0, 03, м²× ⁰С/Вт,

S₁ = 19. 98, S₂ = 1, 46, S₃ = 19. 98, Вт/м²× ⁰С,

a_в = 8, 7 Вт/м²× ⁰С.

Затухание расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей трехслойной конструкции

При определении n значение е^{Д/Ö 2}, интерполируя, принимаем равным 4, 96 (прил. Г).

Максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле А_tн = 16, 4 ⁰С  ([1] или по прил. В).

Максимальное и среднее значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) для вертикальных поверхностей западной ориентации I  = 752 Вт/м², I  = 182 Вт/м² ([1, прил. 6] или прил. В).

Коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции для бетона r = 0, 7 [4, прил. 7].

Расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха

Амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции

 ⁰С

Требуемая амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции

 ⁰С

Сравнивая расчетную амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции А_tв =1, 08 ⁰С с требуемой          А  = 2, 5 ⁰С делаем вывод, что рассматриваемая ограждающая конструкция удовлетворяет теплозащитным качествам на теплоустойчивость в летнее время.

Если ограждающая конструкция не удовлетворяет теплозащитным качествам, т. е. А_tв> А  необходимо увеличить толщину тепло-изолирующего слоя и расчет на теплоустойчивость повторить.

Приложение А

Таблица А1 - Задание для теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций

Продолжение таблицы А1

Продолжение таблицы А1

Продолжение таблицы А1

Продолжение таблицы А1

Приложение Б

Таблица Б1 - Температура наружного воздуха в зимнее время для расчета требуемого сопротивления теплопередаче [2]

Приложение Г

Таблица Г1 - Теплотехнические показатели строительных материалов и конструкций [4]

Продолжение таблицы Г1

Продолжение таблицы Г1

Продолжение таблицы Г1

Приложение Д

Значение вспомогательного коэффициента К = е^{Ö 2}

в зависимости от величины тепловой инерции

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Заварина М. В. Строительная климатология. - Л.: Стройиздат, 1975. - с. 312.

2 Гусев Н. М. Основы строительной физики. - М.: Стройиздат, 1975. - с. 439.

3. Ильинский В. М. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1974.

4 Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - М.: Стройиздат, 1973.

5 СНиП 2. 01. 01. 82 Строительная климатология и геофизика. Госстрой СССР. – М.: Стройиздат, 1983. - с. 137.

6 СНиП 23-01-99* Строительная климатология. - М. Госстрой России. 2004. - с. 70.

7 ДБН В. 2. 6-31: 2006. Теплова ізоляція будівель. - К. Мін. буд. України, 2006. - с. 65.

8 СНиП II-3-79** Строительная теплотехника. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1986. - с. 38.

Навчальне видання

Методичні вказівки та завдання до виконання теплотехнічного розрахунку з курсу «Будівельна фізика» для студентів спеціальності 6. 120100; 6. 092100.

Укладачі: Хренов Віктор Архипович

 Поляк Надія Едуардівна

 Янтовська Олена Леонідівна

Відповідальний за випуск В. В. Калюжний

Редактор О. О. Тіліженко

План 2008, поз. 58                   Формат 60х84 1/16            Папір друк. №2

Підп. до друку                          Обл. -вид. арк. 2, 0

Надруковано на ризографі.      Умов. друк. арк. 1, 80

Тираж 100 прим.                        Зам. № 1357                      Безкоштовно.

_________________________________________________________________

ХДТУБА, 61002, Харків, вул. Сумська, 40

Підготовлено та надруковано РВВ Харківського державного технічного

університету будівництва та архітектури