При эксплуатации зданий крайне важно предотвратить как перегрев, так и замерзание. Оптимальные условия обеспечит теплотехнический анализ, который столь же необходим, как и расчеты на экономичность, прочность, огнестойкость и долговечность.
В соответствии с теплотехническими нормами, климатическими условиями и показателями паро- и влагопроницаемости осуществляется выбор материалов для ограждающих конструкций. В данной статье мы рассмотрим, как произвести этот расчет.
Краткое содержание статьи
Задачи теплотехнического анализа
Теплотехнические параметры капитальных ограждений здания влияют на множество факторов: от влажности его конструктивных компонентов до температурных режимов, что, в свою очередь, определяет вероятность конденсата на перегородках и перекрытиях.
Расчеты помогут определить, будут ли сохраняться стабильные температурные и влажностные параметры как в условиях плюсовой, так и минусовой температуры. В этом контексте также актуален показатель теплопотерь через ограждающие конструкции в холодный сезон.
Проектирование без этих данных не имеет смысла. Исходя из них, принимаются решения о толщине стен, перекрытий и последовательности их слоев.
Согласно стандарту ГОСТ 30494-96, комфортные температурные значения внутри помещений обычно составляют около 21°C, а относительная влажность должна находиться в пределах 37%. Максимальная скорость движения воздуха не должна превышать 0,15 м/с.
Основными задачами теплотехнического анализа являются:
- Соответствует ли тепловая защита конструкций установленным требованиям?
- Насколько полно обеспечивается комфортный микроклимат в здании?
- Насколько эффективна тепловая защита конструкций?
Ключевым принципом является соблюдение температурного баланса между атмосферными условиями и внутренними конструкциями ограждений. В противном случае поверхности будут поглощать тепло, и температура внутри останется низкой.
Изменения теплового потока не должны существенно влиять на внутренний температурный режим, что называется теплоустойчивостью.
Ход теплотехнического анализа позволит выделить оптимальные диапазоны (минимальные и максимальные) толщины стен и перекрытий, что гарантирует надежную эксплуатацию строения без проблем, связанных с промерзанием или перегревом конструкций.
Показатели для расчетов
Для выполнения теплотехнического расчета необходимы исходные данные.
Эти параметры зависят от нескольких факторов:
- Назначение и тип здания.
- Ориентация вертикальных ограждающих конструкций относительно сторон света.
- Географические особенности местоположения.
- Объем здания, его этажность и площадь.
- Типы и размеры оконных и дверных проемов.
- Система отопления и её технические характеристики.
- Количество постоянных жильцов.
- Материалы ограждающих вертикальных и горизонтальных конструкций.
- Перекрытие верхнего этажа.
- Система горячего водоснабжения.
- Тип вентиляции.
При расчетах учитываются также и прочие конструктивные особенности здания. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций не должна приводить к избыточному охлаждению внутреннего пространства и снижению характеристик теплоизоляции элементов.
Переувлажнение стен также является источником теплопотерь и может вызвать сырость, что негативно сказывается на долговечности здания.
В процессе расчета в первую очередь определяются теплотехнические характеристики строительных материалов, используемых для создания ограждающих конструкций. Кроме этого, рассматривается приведенное сопротивление теплопередаче и его соответствие нормативным значениям.
Формулы для расчетов
Теплопотери, возникающие в доме, могут быть разделены на две основные категории: потери через ограждающие конструкции и потери, связанные с работой вентиляционной системы. Также следует учесть тепло, теряемое с горячей водой, сбрасываемой в канализацию.
Потери через ограждающие конструкции
Для строительных материалов ограждающих конструкций необходимо определить показатель теплопроводности Кт (Вт/м·°C), который можно найти в специальных справочниках.
Зная толщину слоев, используется формула: R = S/Кт, которая позволяет рассчитать термическое сопротивление каждого элемента. При многослойной конструкции результаты складываются.
Размеры тепловых потерь могут быть определены путем суммирования тепловых потоков через ограждающие элементы, которые представляют собой само здание.
При этом учитывается, что материалы, из которых созданы конструкции, имеют разную структуру, а также то, что потоки тепла проходят через них с различной интенсивностью.
Для каждого конкретного элемента теплопотери определяются по формуле:
Q = (A / R) х dT
- А — площадь в м².
- R — сопротивление конструкции к теплопередаче.
- dT — разница температур внутри и снаружи. Необходимо определять ее для самого холодного 5-дневного периода.
Мы можем получить результат только для самого холодного пятидневного отрезка. Общие теплопотери за весь зимний период рассчитываются, принимая во внимание температуру не минимального, а среднего значения.
Степень усвоения тепла и теплоотдача зависят от уровня влажности в регионе, поэтому в расчетах используют специальные карты влажности.
После этого вычисляют необходимую энергию для покрытия потерь тепла, которые уходят как через ограждения, так и через вентиляцию, обозначаемую буквой W.
Для расчета используется следующая формула:
W = ((Q + Qв) х 24 х N) / 1000
В данном уравнении N — продолжительность отопительного периода в днях.
Недостатки расчетов по площади
Расчеты, основанные на площади, зачастую не отличаются высокой точностью. Отклонения возникают из-за игнорирования таких важных параметров, как климатические условия, температурные колебания, как минимума, так и максимума, а также влажности. Учитывая это, расчеты могут иметь значительные ошибки.
В стремлении компенсировать такие неточности проектировщики часто закладывают дополнительные «запасы».
Если выбран именно этот подход, следует учитывать следующие моменты:
- При высоте вертикальных ограждений до трех метров и наличии не более двух проемов на одной поверхности, результат обычно умножается на 100 Вт.
- Если в проект включены балкон, два окна или лоджия, то произведение будет в среднем 125 Вт.
- Для промышленных или складских помещений следует использовать множитель 150 Вт.
- При расположении радиаторов вблизи окон их проектная мощность увеличивается на 25%.
Формула по площади выглядит следующим образом:
Q = S х 100 (150) Вт.
Где Q — необходимое количество тепла для комфортной температуры в здании, а S — площадь, требующая отопления, в м². Числа 100 или 150 — это удельная величина тепловой энергии, которая расходуется для нагрева 1 м².
Потери через вентиляцию
Ключевым показателем в данном случае является кратность воздухообмена. Если стены дома паропроницаемы, эта величина составляет единицу.
Холодный воздух попадает в дом через приточную вентиляцию, в то время как вытяжная вентиляция отвечает за удаление теплого воздуха. Системы с рекуперацией, такие как теплообменники, позволяют снизить потери тепла, не позволяя теплу уходить вместе с вытяжным воздухом, а подогревая входящий поток.
Полное обновление воздуха внутри здания предполагается каждый час. Здания, сконструированные в соответствии со стандартами DIN, имеют стены с пароизоляцией, поэтому здесь кратность воздухообмена обычно принимается равной двум.
Существует формула, по которой можно вычислить теплопотери через вентиляцию:
Qв = (V х Кв : 3600) х Р х С х dT
Где обозначения означают следующее:
- Qв — теплопотери через вентиляцию.
- V — объем комнаты в м³.
- Р — плотность воздуха, принимаемая равной 1,2047 кг/м³.
- Кв — кратность воздухообмена.
- С — удельная теплоемкость, равная 1005 Дж/кг·°C.
По результатам этого расчета можно определить мощность котла для системы отопления. Если расчеты показывают избыточную мощность, целесообразно рассмотреть установку системы вентиляции с рекуперацией. Далее приведем несколько примеров теплотехнического анализа для строений из различных материалов.
Пример теплотехнического анализа №1
Рассмотрим жилое здание, расположенное в первом климатическом районе (Россия), подрайон 1В. Все данные извлечены из таблицы 1 СНиП 23-01-99. Минимально наблюдаемая температура в течение пяти дней с обеспеченностью 0,92 составляет tн = -22°C.
Согласно СНиП, отопительный период (zоп) продолжается 148 дней. Средняя температура на протяжении отопительного периода, когда среднесуточные показатели наружной температуры составляют 8°C, равна tот = -2,3°C. Температура на улице в отопительный сезон составляет tht = -4,4°C.
Теплопотери здания играют ключевую роль на этапе проектирования. Результаты расчетов повлияют на выбор как строительных материалов, так и утеплителей. Полной изоляции не существует, но необходимо стремиться к максимально эффективному уменьшению теплопотерь.
Задача состоит в том, чтобы обеспечить в комнатах дома температуру 22°C. Здание состоит из двух этажей, его стены имеют толщину 0,5 м. Высота сооружения равна 7 м, в плане размеры составляют 10 на 10 м. Для вертикальных ограждающих конструкций выбрана теплая керамика, для которой коэффициент теплопроводности составляет 0,16 Вт/м·°C.
В качестве наружного изоляционного материала используется минеральная вата толщиной 5 см, которая имеет значение коэффициента теплопроводности (Кт) равное 0,04 Вт/м∙С. В доме имеется 15 оконных проемов, площадь каждого из которых составляет 2,5 м².
Теплопотери через стены
Сначала необходимо вычислить термическое сопротивление как для керамической стены, так и для теплоизоляционного слоя. Для керамической стены: R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 м²∙С/Вт. Для теплоизоляции: R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 м²∙С/Вт. Таким образом, общее термическое сопротивление вертикальной ограждающей конструкции составит: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 м²∙С/Вт.
Так как теплопотери зависят от площади ограждений, проведем расчет площади стен:
А = 10 х 4 х 7 – 15 х 2,5 = 242,5 м²
Теперь рассчитаем потерю тепла через стены:
Qс = (242,5 : 4,375) х (22 – (-22)) = 2438,9 Вт.
Аналогично рассчитываются теплопотери через горизонтальные конструкции. В итоге начисленные значения суммируются.
Если в доме имеется подвал, то теплопотери через фундамент и пол будут меньше, поскольку учитывается температура грунта, а не наружного воздуха.
Если пол первого этажа находится над отапливаемым подвалом, утепление пола не требуется. Важно, однако, утеплить стены подвала, чтобы обеспечить сохранение тепла.
Оценка потерь через вентиляцию
Для упрощения расчетов обычно игнорируют толщину стен и просто подсчитывают объем воздуха внутри:
V = 10 х 10 х 7 = 700 м³.
При коэффициенте воздухообмена Кв = 2, теплопотери составят:
Qв = (700 х 2) : 3600 х 1,2047 х 1005 х (22 – (-22)) = 20 776 Вт.
Также возможно рассчитать потери при Кв = 1:
Qв = (700 х 1) : 3600 х 1,2047 х 1005 х (22 – (-22)) = 10 358 Вт.
Эффективную вентиляцию в жилых домах обеспечивают ротационные и пластинчатые рекуператоры, причем у роторных КПД достигает 90%.
Пример теплотехнического расчета №2
Необходимо произвести расчет теплопотерь через кирпичную стену толщиной 51 см, утепленную 10-сантиметровым слоем минеральной ваты. На улице температура 18⁰, внутри — 22⁰. Размеры стены составляют 2,7 м в высоту и 4 м в длину. Наружная стена ориентирована на юг, а внешних дверей нет.
Для кирпича коэффициент теплопроводности Кт = 0,58 Вт/м²С, для минеральной ваты — 0,04 Вт/м²С. Определим термическое сопротивление:
R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 м²∙С/Вт; R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 м²∙С/Вт. Общее термическое сопротивление будет равно: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 м²∙С/Вт.
Площадь наружной стены А = 2,7 х 4 = 10,8 м²
Теперь рассчитаем потери тепла через стену:
Qс = (10,8 : 3,379) х (22 – (-18)) = 127,9 Вт.
Для расчета потерь тепла через окна используется аналогичная формула, но термическое сопротивление окон обычно указано в их техническом паспорте, поэтому дополнительные вычисления не требуются.
Окна в теплоизоляции дома могут считаться «слабым местом», так как через них уходит значительная доля тепла. Снизить теплопотери помогут многослойные стеклопакеты, теплоотражающие пленки и двойные рамы, однако полностью избежать теплопотерь не удастся.
Если в доме установлены энергосберегающие окна размером 1,5 х 1,5 м², направленные на север, с термическим сопротивлением 0,87 м²С/Вт, то потери могут составить:
Qо = (2,25 : 0,87) х (22 – (-18)) = 103,4 Вт.
Пример теплотехнического расчета №3
Здесь будет осуществляться тепловой расчет деревянного строения, выполненного из сосновых бревен толщиной 0,22 м. Для этого материала коэффициент теплопроводности составляет К=0,15. Проводим расчет потерь тепла:
R = 0,22 : 0,15 = 1,47 м²∙С/Вт.
Минимальная температура за последние пять дней составила -18⁰, а оптимальная температура для проживания в доме равна 21⁰. Разница составляет 39⁰. При площади 120 м² получаем результат:
Qс = 120 х 39 : 1,47 = 3184 Вт.
Для сравнения рассчитает потери тепла в кирпичном доме, где коэффициент для силикатного кирпича равен 0,72.
R = 0,22 : 0,72 = 0,306 м²∙С/Вт.
Qс = 120 х 39 : 0,306 = 15 294 Вт.
При одинаковых условиях деревянный дом оказывается более энергоэффективным. Силикатный кирпич не подходит для возведения стен в данном случае.
Деревянные конструкции обладают высокой теплоемкостью, что позволяет им долго удерживать комфортную температуру. Тем не менее, даже такие дома нуждаются в утеплении, и лучше всего осуществить его как снаружи, так и изнутри.
Строители и архитекторы настоятельно рекомендуют выполнять теплотехнические расчеты перед установкой отопительного оборудования, а также на этапе проектирования для выбора наилучшей системы утепления.
Пример теплорасчета №4
В Московской области планируется строительство дома, в котором для стен используются пеноблоки, утепленные экструдированным пенополистиролом, с отделкой штукатуркой с обеих сторон. Технология отделки — известково-песчаная.
Пенополистирол имеет плотность 24 кг/м³.
Относительная влажность в помещении составляет 55% при средней температуре 20⁰. Толщина отдельных слоев следующая:
- штукатурка — 0,01 м;
- пенобетон — 0,2 м;
- пенополистирол — 0,065 м.
Цель — определить необходимое и фактическое сопротивление теплопередаче. Для этого вычисляем требуемое Rтр, подставляя значения в выражение:
Rтр=a х ГСОП+b
где ГОСП — это градусо-сутки отопительного сезона, а a и b — коэффициенты, взятые из таблицы №3 Свода Правил 50.13330.2012. Так как здание жилое, a = 0,00035, b = 1,4.
ГСОП вычисляется по формуле:
ГОСП = (tв – tот) х zот.
В данном отношении tв = 20⁰, tот = -2,2⁰, zот = 205 — продолжительность отопительного периода в днях. Таким образом:
ГСОП = (20 – (-2,2)) х 205 = 4551⁰С х сут.;
Rтр = 0,00035 х 4551 + 1,4 = 2,99 м²∙С/Вт.
Обратившись к таблице №2 СП50.13330.2012, определяются коэффициенты теплопроводности для каждого слоя стены:
- λб1 = 0,81 Вт/м²∙С;
- λб2 = 0,26 Вт/м²∙С;
- λб3 = 0,041 Вт/м²∙С;
- λб4 = 0,81 Вт/м²∙С.
Полное условное сопротивление теплопередаче Rо равно сумме сопротивлений всех слоев. Оно рассчитывается по формуле:
— где 1/ав — это сопротивление теплопередаче внутренних поверхностей. 1/ан — то же для наружных.
Подставив все значения, получаем: Rо усл. = 2,54 м²∙°С/Вт. Фактическое сопротивление Rф определяется как произведение Rо на коэффициент r, равный 0,9:
Rф = 2,54 х 0,9 = 2,3 м²∙°С/Вт.
Полученный результат указывает на необходимость модификации конструкции ограждающего элемента, так как фактическое сопротивление ниже расчетного.
Существует множество программных решений, способствующих ускорению и упрощению теплотехнических расчетов.
Теплотехнические расчеты также непосредственно связаны с определением точки росы. Чтобы узнать, что это такое и как ее рассчитать, рекомендую ознакомиться с нашей статьей на эту тему.
Заключение и полезное видео по теме
Выполнение теплотехнического расчета с использованием онлайн-калькулятора:
Корректный теплотехнический расчет:
Профессиональный теплотехнический расчет поможет оценить эффективность утепления внешних элементов здания и подобрать мощность требуемого отопительного оборудования.
Таким образом, это может способствовать экономии при закупке материалов и отопительных приборов. Лучше заранее знать, будет ли аппаратура эффективно обогревать и кондиционировать здание, чем совершать покупки наугад.
Оставляйте ваши комментарии, задавайте вопросы и делитесь фотографиями по теме в комментариях ниже. Расскажите о том, как настоящие теплотехнические расчеты помогли вам в выборе оборудования для обогрева нужной мощности или системы утепления. Возможно, ваши советы будут полезны другим посетителям сайта.
