В процессе эксплуатации зданий крайне важно избегать как перегревания, так и переохлаждения. Поиск оптимального температурного баланса осуществляют с помощью теплотехнического расчета, который так же важен, как и анализ экономической целесообразности, прочности, огнестойкости и долговечности конструкций.
Выбор строительных материалов для ограждающих элементов основывается на теплотехнических нормах, климатических условиях, а также паро- и влагопроницаемости. В этой статье мы рассмотрим, как правильно провести этот расчет.
Краткое содержание статьи
Цель теплотехнического расчета
Теплотехнические особенности капитальных ограждений напрямую влияют на ряд факторов, таких как уровень влажности конструктивных элементов и температурные параметры, что, в свою очередь, определяет вероятность появления конденсата на межкомнатных перегородках и перекрытиях.
Расчет позволяет выяснить, сохранятся ли стабильные температурные и влажностные показатели как при положительных, так и при отрицательных температурах. Кроме того, в этот список входит и величина тепловых потерь, которые происходят через конструкции здания в зимний период.
Проектирование здания невозможно без наличия всех необходимых данных. На основе этих данных устанавливают необходимую толщину стен и перекрытий, а также последовательность их слоев.
Согласно требованиям ГОСТ 30494-96, средняя температура в помещениях должна составлять примерно 21⁰C. При этом относительная влажность должна находиться в комфортных пределах, обычно около 37%. Также максимальная скорость движения воздуха не должна превышать 0,15 м/с.
Цели теплотехнического расчета включают:
- Соответствует ли конструкция заданным требованиям в плане тепловой защиты?
- Степень обеспечения комфортного микроклимата внутри здания?
- Насколько эффективно обеспечена тепловая защита конструкций?
Ключевым принципом является соблюдение баланса между температурами наружных условий и внутренних конструкций ограждений. Невыполнение этого условия может привести к тому, что тепло будет поглощаться поверхностями, тогда как внутренняя температура останется на низком уровне.
Изменения в тепловом потоке не должны существенно сказываться на температуре внутри помещений. Данная характеристика называется теплоустойчивостью.
Проведение теплотехнического расчета позволяет определить оптимальные пределы (минимальные и максимальные) толщин стен и перекрытий. Это обеспечивает длительную эксплуатацию здания без риска серьезных промерзаний или перегрева конструкций.
Параметры для выполнения расчетов
Для осуществления теплотехнического расчета необходимы исходные параметры.
Они зависят от множества факторов:
- Назначение и тип здания.
- Ориентация вертикальных ограждений относительно сторон света.
- Географическое расположение будущего объекта.
- Объем здания, его этажность, площадь.
- Типы и размеры оконных и дверных проемов.
- Система отопления и ее технические характеристики.
- Число постоянных жильцов.
- Материалы, используемые в вертикальных и горизонтальных ограждениях.
- Перекрытие верхнего этажа.
- Наличие системы горячего водоснабжения.
- Тип вентиляции.
При расчете учитываются и другие конструктивные особенности здания. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций не должна способствовать чрезмерному охлаждению внутри дома и снижать его теплотехнические характеристики.
Избыточная влажность стен также приводит к потере тепла, что в свою очередь может вызвать сырость и негативно сказаться на долговечности здания.
В процессе расчета сначала определяются теплотехнические параметры строительных материалов, из которых изготовлены ограждающие элементы. Кроме этого, необходимо установить эффективное сопротивление теплопередаче, которое должно соответствовать нормативным требованиям.
Формулы для производства расчета
Потери тепла в доме можно разделить на две основные категории: утечки через ограждающие конструкции и утечки, вызванные работой вентиляционной системы. Также следует учитывать потери при сбросе горячей воды в канализацию.
Потери через ограждающие конструкции
Для материалов, используемых в ограждающих конструкциях, необходимо определить их теплопроводность (Кт) в Вт/(м·°C), значение которой можно найти в специальных справочниках.
Зная толщину слоев, рассчитывают термическое сопротивление каждого элемента по формуле: R = S/Кт. Если конструкция состоит из нескольких слоев, то полученные значения складываются.
Для определения размера тепловых потерь можно просто суммировать тепловые потоки через ограждающие конструкции, формирующие само здание.
При использовании данной методики учитывается, что материалы, составляющие конструкции, имеют различную структуру. Также принимается во внимание, что поток тепла, проходящий через них, может иметь разные особенности.
Для каждой конструкции расчет теплопотерь можно выполнить по формуле:
Q = (A / R) х dT
- A — площадь конструкции в м².
- R — сопротивление конструкции теплопередаче.
- dT — разница температур снаружи и изнутри, которую следует рассчитывать на основе самого холодного пятидневного периода.
Такой расчет дает результаты только для самого холодного пятидневного периода. Общие теплопотери за весь холодный сезон вычисляются с учетом параметра dT, принимая среднюю температуре, а не минимальную.
Степень усвоения тепла и отдача тепла также зависят от уровня влажности в регионе. Поэтому при расчетах используют карты влажности.
Далее рассчитывается количество энергии, необходимое для восполнения потерь тепла через ограждающие конструкции и вентиляцию. Это значение обозначается символом W.
Для этого используется формула:
W = ((Q + Qв) х 24 х N)/1000
Где N — продолжительность отопительного сезона в днях.
Недостатки расчета по площади
Расчет, основанный на площадных данных, не обладает высокой точностью. Здесь не учитываются такие параметры, как климатические условия, температурные колебания и уровень влажности. В связи с игнорированием многих важных аспектов расчет может содержать серьезные ошибки.
Для устранения таких погрешностей в проекте часто закладывается «запас».
Если все же используется данный способ расчета, необходимо учитывать следующие моменты:
- При высоте вертикальных ограждений до трех метров и присутствии не более двух проемов на одной стороне результат следует увеличить на 100 Вт.
- Если проект включает балкон, два окна или лоджию, умножают результат в среднем на 125 Вт.
- Для производственных или складских помещений используется множитель 150 Вт.
- В случае расположения радиаторов рядом с окнами, их проектная мощность допускается увеличивать на 25%.
Формула для расчета по площади выглядит следующим образом:
Q=S х 100 (150) Вт.
Где Q — комфортный уровень тепловой энергии в здании, S — площадь с отоплением в м². Числа 100 или 150 — это удельная величина тепловой энергии, необходимая для нагрева 1 м².
Потери через вентиляцию дома
В этом случае ключевой параметр — это кратность воздухообмена. Если стены дома имеют паро- и влагопроницаемость, то этот показатель равен единице.
Холодный воздух проникает в дом через приточную вентиляцию, в то время как вытяжная вентиляция способствует выходу теплого воздуха. Использование рекуператоров и теплообменников сокращает потери тепла за счет торможения его выхода с отработанным воздухом, в то время как входящие потоки преднагреваются.
Предполагается полное обновление воздуха внутри дома за один час. Здания, построенные по стандарту DIN, имеют стены с пароизоляцией, поэтому в таких случаях кратность воздухообмена принимается равной двум.
Для расчета потерь тепла через вентиляцию существует следующая формула:
Qв = (V х Кв : 3600) х Р х С х dT
Здесь обозначения имеют следующее значение:
- Qв — потери тепла.
- 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).
В результате этого расчета можно определить мощность теплогенератора для отопительной системы. Если значение мощности оказывается слишком высоким, решение может заключаться в установке вентиляционной системы с рекуперацией. Рассмотрим несколько примеров расчетов для домов из различных материалов.
Пример теплотехнического расчета №1
Рассмотрим жилой дом, расположенный в первом климатическом районе (Россия), подрайон 1В. Все данные взяты из таблицы 1 СНиП 23-01-99. Наиболее низкая температура, зафиксированная на протяжении пяти дней с обеспеченностью 0,92 — tн = -22⁰C.
Согласно СНиП, отопительный сезон (zоп) продолжается 148 дней. Средняя температура в отопительный период, исходя из среднесуточных температур наружного воздуха, составляет 8⁰C — tот = -2,3⁰C. Температура снаружи в отопительный сезон — tht = -4,4⁰C.
Теплопотери здания — это важный аспект на этапе его проектирования. Результаты расчета влияют на выбор строительных материалов и утеплителей. Невозможно добиться идеальных нулевых потерь, но стремиться к разумному минимуму — задача, которая всегда стоит перед проектировщиками.
Учитывается, что в помещениях дома должна поддерживаться температура 22⁰C. Дом состоит из двух этажей с толщиной стен 0,5 м. Общая высота — 7 м, размеры в плане — 10 х 10 м. Материал вертикальных ограждений — теплая керамика с коэффициентом теплопроводности, равным 0,16 Вт/(м·°C).
В качестве внешнего утеплителя применена минеральная вата толщиной 5 см с теплопроводностью Кт = 0,04 Вт/(м·°C). Количество оконных проемов в доме — 15, каждый площадью 2,5 м².
Теплопотери через стены
Для начала необходимо вычислить тепловое сопротивление как для керамической стены, так и для утеплителя. В первом случае R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 кв. м x °С/Вт. Во втором же — R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 кв. м x °С/Вт. В итоге, тепловое сопротивление для вертикальной ограждающей конструкции составит: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 кв. м x °С/Вт.
Учитывая, что теплопотери имеют прямую зависимость от площади ограждающих конструкций, рассчитаем площадь стен:
A = 10 x 4 x 7 — 15 x 2,5 = 242,5 м²
Теперь можно вычислить теплопотери через стены:
Qc = (242,5 : 4,375) x (22 — (-22)) = 2438,9 Вт.
Аналогично определяются теплопотери сквозь горизонтальные конструкции. Все полученные результаты суммируются.
Если в здании имеется подвал, то теплопотери через фундамент и пол будут менее значительными, поскольку учитывается температура грунта, а не внешнего воздуха.
Если подвал над обогреваемым полом первого этажа, то утепление пола может не понадобиться. Однако стенам подвала желательно добавить утепление, чтобы предотвратить утечку тепла в грунт.
Расчет потерь через вентиляцию
Для упрощения расчетов в этом этапе не учитывают толщину стен, просто определяя объем воздуха внутри:
V = 10 x 10 x 7 = 700 м³.
При коэффициенте воздухообмена Кв = 2, потери тепла составят:
Qв = (700 x 2) : 3600 x 1,2047 x 1005 x (22 — (-22)) = 20 776 Вт.
Qв = (700 x 1) : 3600 x 1,2047 x 1005 x (22 — (-22)) = 10 358 Вт.
Для обеспечения эффективной вентиляции в жилых домах рекомендуется использовать роторные и пластинчатые рекуператоры, поскольку КПД у первых может достигать 90%.
Пример расчета теплотехнических потерь №2
Необходимо провести расчет теплопотерь через кирпичную стену толщиной 51 см, утепленную 10-сантиметровым слоем минеральной ваты. Снаружи температура составляет 18°C, внутри — 22°C. Высота стены равна 2,7 м, а длина — 4 м. Единственная наружная стена помещения располагается на южной стороне, при этом внешних дверей нет.
Для кирпича определяется коэффициент теплопроводности Кт = 0,58 Вт/м²С, а для минеральной ваты — 0,04 Вт/м²С. Расчет термического сопротивления выглядит следующим образом:
R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 кв. м x °С/Вт. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 кв. м x °С/Вт. В общем итоге для данной вертикальной конструкции: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 кв. м x °С/Вт.
Площадь наружной стены А = 2,7 x 4 = 10,8 м²
Потери тепла через стену составляют:
Qc = (10,8 : 3,379) x (22 — (-18)) = 127,9 Вт.
При определении потерь через окна используется аналогичная формула, однако термическое сопротивление окон обычно уже указано в паспорте, поэтому вычислять его не требуется.
Окна являются «слабым звеном» в теплоизоляции дома, через них уходит достаточно значительная часть тепла. Уменьшение потерь можно достичь за счет мультистеклопакетов, теплоотражающих пленок и двойных рам, но полного устранения потерь не удастся избежать.
Если в здании имеются энергосберегающие окна размерами 1,5 x 1,5 м², ориентированные на север, и термическое сопротивление равно 0,87 м²°C/Вт, тогда потери составят:
Qo = (2,25 : 0,87) x (22 — (-18)) = 103,4 Вт.
Пример расчета теплотехнических потерь №3
Проведем расчет теплопотерь деревянного бревенчатого здания, фасад которого выполнен из сосновых бревен толщиной 0,22 м. Коэффициент теплопроводности данного материала равен K=0,15. В этом случае теплопотери будут составлять:
R = 0,22 : 0,15 = 1,47 м² x °С/Вт.
Самая низкая температура за последние пять дней составила -18°C, в то время как комфортная температура в доме задана на уровне 21°C. Разница составляет 39°C. При площади 120 м², получаем следующее значение:
Qc = 120 x 39 : 1,47 = 3184 Вт.
Для сравнения определим теплопотери кирпичного дома. Для силикатного кирпича коэффициент теплопроводности составляет 0,72.
R = 0,22 : 0,72 = 0,306 м² x °С/Вт.
Qc = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 Вт.
В одинаковых условиях деревянный дом демонстрирует более высокую экономическую эффективность. Использование силикатного кирпича для строительства стен в данном случае нецелесообразно.
Деревянные конструкции обладают высокой теплоемкостью, что позволяет долго сохранять комфортную температуру. Тем не менее, даже бревенчатый дом требует утепления, и желательно делать это как изнутри, так и снаружи.
Строители и архитекторы настоятельно рекомендуют проводить теплотехнический расчет при установке системы отопления, чтобы правильно подобрать оборудование, а также на этапе проектирования дома для выбора соответствующей системы утепления.
Пример расчета теплозащиты №4
Проект будет осуществляться в Московской области, для которого взята стена из пеноблоков. В качестве утеплителя используется экструдированный пенополистирол, а отделка выполнена через штукатурку с обеих сторон. Материал штукатурки — известково-песчаная смесь.
Пенополистирол имеет плотность 24 кг/м³.
Относительная влажность воздуха в помещении составляет 55% при усредненной температуре 20°C. Толщина различных слоев такова:
- штукатурка — 0,01 м;
- пенобетон — 0,2 м;
- пенополистирол — 0,065 м.
Цель состоит в том, чтобы определить необходимое и фактическое сопротивление теплопередаче. Необходимое Rтр вычисляется с использованием следующей формулы:
Rтр=a x ГСОП+b
где ГОСП представляет собой градусо-сутки отопительного сезона, а a и b — коэффициенты, взятые из таблицы №3 Свода Правил 50.13330.2012. Так как здание является жилым, то a устанавливается на уровне 0,00035, а b равен 1,4.
ГСОП рассчитывается следующим образом:
ГОСП = (tв — tот) x zот.
В этой формуле tв = 20°C, tот = -2,2°C, zот — 205 — количество дней отопительного периода. Таким образом:
ГСОП = (20 — (-2,2)) x 205 = 4551°C x сут.;
Rтр = 0,00035 x 4551 + 1,4 = 2,99 м² x °С/Вт.
На основании таблицы №2 СП50.13330.2012 определяем коэффициенты теплопроводности каждого слоя стены:
- λб1 = 0,81 Вт/м °С;
- λб2 = 0,26 Вт/м °С;
- λб3 = 0,041 Вт/м °С;
- λб4 = 0,81 Вт/м °С.
Общее условное сопротивление теплопередаче Rо равно сумме сопротивлений всех слоев. Его расчет производится по следующей формуле:
Эта формула также взята из СП 50.13330.2012. Здесь 1/ав представляет собой сопротивление тепловосприятию внутренних поверхностей. 1/ан — аналогичное для наружных, δ / λ — термическое сопротивление слоя.
Подставив значения, получаем: Rо усл. = 2,54 м²°C/Вт. Rф определяется путем умножения Rо на коэффициент r, что равен 0,9:
Rф = 2,54 x 0,9 = 2,3 м² x °С/Вт.
Полученный результат требует пересмотра конструкции ограждающего элемента, поскольку фактическое тепловое сопротивление меньше расчетного.
Существует множество компьютерных программ, которые упрощают и ускоряют подобные расчеты.
Теплотехнические расчеты непосредственно связаны с оценкой точки росы. Что это такое и как вычислить ее значение, вы сможете узнать из рекомендованной статьи.
Выводы и полезное видео по теме
Для выполнения теплотехнического расчета с помощью онлайн-калькулятора:
Корректный теплорасчет:
Выполненный правильно теплотехнический расчет позволит оценить эффективность утепления внешних частей дома и определить требуемую мощность отопительного оборудования.
Это поможет сэкономить на покупке материалов и обогревательных приборов. Лучше заранее определить, сможет ли технология обеспечить необходимый обогрев и кондиционирование здания, чем покупать всё наугад.
Если у вас есть комментарии, вопросы или фотографии по теме статьи, оставляйте их в блоке ниже. Поделитесь, как теплотехнический расчет помог вам выбрать оборудование нужной мощности или систему утепления. Возможно, ваша информация будет полезна другим посетителям нашего сайта.
