Определение и назначение теплотехнического расчета

Теплопередача (R): Перенос теплоты от одной окружающей среды через ограждающую конструкцию к другой окружающей среде, единица измерения (м°С/Ват).

Тепловизионное обследование зданий

Наружная ограждающая конструкция здания: Конструктивный элемент здания, защищающий внутреннее пространство, в котором поддерживаются требуемые параметры микроклимата, от воздействий наружной среды.

Линейная теплотехническая неоднородность: Линейная зона примыкания двух ограждающих конструкций, влияющего на изменение теплового потока, проходящего через наружное ограждение (стык между соседними панелями, угол, образованный из двух наружных ограждений или наружного ограждения с внутренним, откос проема, соединительное ребро внутри ограждения и др.).

Коэффициент теплотехнической однородности (r): Безразмерный показатель, оценивающий снижение уровня теплозащиты ограждения вследствие наличия в нем различного вида теплотехнических неоднородностей (соединительных элементов облицовок ограждения, пронзающих теплоизоляционные слои, стыков между элементами ограждающих конструкций с примыканием к ним внутренних ограждений, откосов, угловых соединений, в том числе примыканий стен к покрытиям, перекрытиям над холодными пространствами, мест закрепления в стенах балконных плит и т.п.) и численно выражаемый отношением приведенного сопротивления теплопередаче ограждения к сопротивлению теплопередаче его зоны, удаленной от теплопроводных включений.
r — коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции, учитывающий влияние стыков, откосов проемов, обрамляющих ребер, гибких связей и других теплопроводных включений (см. таблицу 1).

Таблица №1 — Коэффициенты теплотехнической однородности ограждающей конструкции

В каждом регионе для жилых зданий и сооружений существует своё сопротивление теплопередаче, которое экспериментально проверено и экономически обосновано. Это тот эталон, к которому необходимо стремиться и за чертой которого идёт нецелесообразный расход денежных средств на утепление дома, которые никогда себя не оправдают.

Карта сопротивления теплопередаче по регионам России

В строительных материалах  указывают коэффициент теплопроводности, так как стена и другие ограждающие конструкции имеют большой вариативности конструкции и могут состоять как из 1-го так и более слоёв. А коэффициент теплопередачи расчитываеться индивидуально по Формуле(1). См. ниже.

Таблица №2 Коэффициенты теплопроводности строительных материалов

Что касается готовых изделий, таких как окна и двери, то в их характеристиках зачастую указывается коэффициент теплопередачи. И как видно из таблицы (3) тепловая защита окон втрое ниже, чем у стен. Именно поэтому окна являются одним из весомых факторов теплопотерь дома (до 35%), несмотря на то, что площадь окон составляет всего 5-10% от всей площади периметра ограждающей конструкции.

Таблица №3 Теплопередача окон и дверей

Методы расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций. Примеры расчета.

Основными уравнениями для расчета теплопотерь являются:

Формула 1 Термическое сопротивление ограждающей конструкции.

Где:
δ — толщина слоя ограждающей конструкции (м).
λ — коэффициент теплопроводности материала слоя, (Вт/[м·°С]), рассчитывается, или принимаемый по таблице №2.

Если ограждающая конструкция состоит из нескольких слоев (многослойные стены), термическое сопротивление ограждающих конструкций является суммой термических сопротивлений каждого слоя (Облицовочного + Утеплителя + несущей стены …).

Формула 2

Где:
R1 – Термическое сопротивление облицовочного слоя,
R2 – термическое сопротивление слоя утеплителя,
R3 – термическое сопротивление несущих стен,
Rn – термическое сопротивление остальных конструкций, в том числе штукатурки и отделочного покрытия и т.п.
r — коэффициент однородности, см. по таблице №1.

Теплопотери через ограждающую конструкции рассчитываться по формуле 3.

Где:
△t — Разница температур наружного и внутреннего воздуха(°С), (°К).
R — термическое сопротивление ограждающей конструкции (Ват/[м•°С]).

Общие теплопотери дома являются суммой всех теплопотерь дома – стен, окон, кровли, фундамента, вентиляции, и определяться по формуле 4.

Ещё одна формула, которая понадобится для теплового расчёта это теплоёмкость материала (формула 5).

Где:
m – масса материала (кг),
С – теплоемкость (Ват/кг•°С),
△t – Разница температур (°С).

Пример расчета теплопотерь дома

Имеем дом общей площадью — 200м2.
Размер по наружным стенам 11х11м2 с площадь наружных стен — 238 м2.
Площадь окон – 26м2.
Высота — 2 этажа.
Кровля холодная утеплена по перекрытию 2-го этажа 200 мм минеральной ваты.
Материал стен –Кирпич керамический полнотелый толщиной 380мм.
Утепление стен — 150мм минеральной ваты.

Цель:
1. Рассчитать теплопередачу дома через ограждающую конструкцию стен и подтвердить соответствию тепловой защите здания.
2. Рассчитать толщины эффективного утеплителя для (стен, кровли, пола) и их соответствии нормам.
3. Рассчитать теплопотери дома и необходимую мощность газового котла, подобрать мощность радиаторов в каждом помещении.

Решение:

1. Рассчитаем термическое сопротивление ограждающей конструкции (стены) по Формуле 1

R = δ/ λ (м²·°C/Ват)

Для несущей стены:
R1 = 0,38/0,5 = 0,76 (м²•°C/Ват)
Для утеплителя:
R2 = 0,15/0,055 = 2,73 (м²•°C/Ват)

Рассчитываем суммарное тепловое сопротивление стены по Формуле 2

ΣR = R1 + R2 = 0,76 + 2,73 = 3,49 (м2•°C/Ват)

С учётом r-коэффициента теплотехнической однородности ограждающей конструкции по таблице (1)

ΣR_стены = ΣR*r = 3.49*0.9 = 3.14 (м2•°C/Ват)

Что с учётом штукатурного слоя в 20мм соответствует 3,15 (м2•°C/Ват) и полностью
удовлетворяет условиям тепловой защите здания в Московской области, которое по
карте сопротивления теплопередаче по регионам России составляет 3,15 (м2•°C/Ват).

2. По карте сопротивления теплопередаче по pегионам России:

— тепловое сопротивление для кровли = 4,15 (м2•°C/Ват),
— тепловое сопротивление для покрытий = 4,7 (м2•°C/Ват).

По Формуле 1 выводим уравнение: δ= R•λ

λ — из таблицы №2

Для расчёта толщины утеплителя кровли из минеральной ваты.

δ = R•λ = 4,15•0,055 = 0,228 м = 22,8 см

Для расчёта толщины утеплителя пола фундамента на грунте из Пенополестирола.

δ = R•λ = 4,7•0,041 = 0,193 м = 19,3 см

3. Рассчитываем теплопотери дома.

Из условия:
— Площадь наружных стен — 238 м².
— Площадь окон — 26м2; дверей — 2 м².
— Площадь утепления кровли — 121 м².
— Площадь утепления фундамента — 121 м².

По Формуле 3

Q = (△t / R) • S (Ват/м²)

рассчитываем теплопотери:

△t — принимаем равную 47,25 °C (температура воздуха внутри помещений +20°С, температура наружного воздуха -27,25°C)

1. Теплопотери стен:

Q_стен = (47,25 /3,15) • 238 = 3570 (Ват/м²)

2. Теплопотери окон и дверей: Из условия, окна с двухкамерным стеклопакетом заполненные
воздухом и двери с утеплением 50мм. По «Таблице №3 теплопередача окон и дверей»
принимаем Rокон = 0,65(Ват/м²), Rдверей = 0,9(Вт/²).

Q_окон = (47,25/0,65) • 26 = 1 890 (Вт/м²)

Q_дверей = (47,25/0,9) • 2 = 105 (Ват/м²)

3. Теплопотери кровли: R = 4.7 (Ват/м²). Из пункта №2 данного расчёта.

Q_кровля = (47,25/4,15) • 121 = 1 377 (Ват/м²)

4. Теплопотери фундамента: R = 4.15 (Ват/м²). Из пункта №2 данного расчёта.

Q_{фундамента} = (47,25/3,7) • 121 = 1216 (Ват/м²)

5. Теплопотери через вентиляцию:

Q = C• ρ• V₁ •
(t₁-t₂)

С= 0,278 ват/м³ — Удельная теплоёмкость воздуха

ρ = 1,275 кг/м³ — Плотность воздуха

V = 11*11*6 = 726м³ — Объём воздуха

(t₁-t₂) = 47,25 °C — Разница температур воздуха (внутри и снаружи помещения)

Q = 0,278*1,275*762*47,25 = 12 762 Ват/час «Без рекуператора»

Q = (0,278*1,275*762*47,25) -75% = 3 190 Ват/час «С рекуператором»

По Формуле 4 общие теплопотери дома в самую холодную пятидневку равны:

ΣQ = Q_стен + Q_{окон и дверей} + Q_кровли + Q_{фундамента} + Q_вент. (Ват/час)

ΣQ = 3 570 + 1 890 + 105 + 1 377 + 1216 + 12762 = 20920 (Ват/час)

ΣQ = 3 570 + 1 890 + 105 + 1 377 + 1216 + 3190 = 11348 (Ват/час)

При условии подключения 7 000 ватного бойлера на горячее водоснабжение, и общие теплопотери дома мы получим потребление тепла нашего дома в 27 920 (Ват/час) и 18 348 (Ват/час). Это соответствует газовому котлу мощностью 28 Кват и 18 КВат.

Таким же образом рассчитав отдельно все помещения, мы получим мощность радиаторов,
тёплых полов, конвекторов, необходимую для обогрева данного помещения.

Если в расчёт в место △t мы подставим значение среднесуточной разницы температур за отапливаемые период и умножим на количество часов данного периода, то Мы получим расход энергии за отапливаемый период. И в дальнейшем Мы можем рассчитать финансовые затраты на обогрев дома за отопительный период.

Расчет энергетической эффективности здания

Из условия:

Площадь
наружных стен — 238 м².
Площадь окон — 26 м²; дверей — 2м ².
Площадь утепления кровли — 121 м².
Площадь утепления фундамента — 121 м².

t_ср. = – 3,1°С Средняя температура за отапливаемый
период (в Москве) табличное значение.

t₁ = +20°С Температура внутри помещения.

△t = t_ср. + t₁ = 3,1 + 20 = 23,1°C

По формуле 3

Q = (△t/R)•S (Ват/м²) рассчитываем теплопотери:

1. Теплопотери стен за 1 час.

Q_стен = (23,1/3,15)•238 = 1 745 (Ват/час)

2. Теплопотери окон и дверей: Из условия, окна с двухкамерным стеклопакетом заполненные воздухом и двери с утеплением 50мм. по «Таблице №3 теплопередача окон и дверей» принимаем R_окон = 0,65(Ват/м² ). R_дверей = 0,9 (Вт/м² ).

Q_окон = (23,1/0,65)•26 = 924 (Вт/час)
Q_дверей = (23,1/0,9)•2 = 51 (Ват/час)

3. Теплопотери кровли: R = 4.7 (Ват/м²). Из пункта №2 данного расчёта.

Q_кровля = 23,14,15 •121 = 673 (Ват/час)

4. Теплопотери фундамента: R = 4.15 (Ват/м2). Из пункта №2 данного расчёта.

Q_{фундамента} = 23,13,7•121 = 755 (Ват/час)

5. Теплопотери через вентиляцию:

Q = C•ρ•V1•(t1-t2)
С = 0,278 Ват/м³
V = 11 • 11 • 6 = 726 м³
P = 1,275 кг/ м³

Q = 0,278•762•1,275
• 23,1 = 5 944,33 Ват/час

По Формуле 4 определяем средние теплопотери дома за отопительный период, в 1 час.

ΣQ = Q_стен + Q_{окон и дверей} + Q_кровли + Q_{фундамента} + Q_вент (Ват/час)

Теплопотери дома без рекуператора воздуха

ΣQ = 1 745 + 924 + 51 + 673 + 755 + 5 944,33 = 10 092,33 (Ват/час)

Определяем теплопотери дома на 1м2 поверхности пола.

Q1_м = 10 092,3/200 = 50,46 Ват

Определяем тепло потери дома на 1м² поверхности пола за весь отопительный период.

214 дней отопительного периода в Москве (табличное значение)

Q = Q1_м(Ват)•24(часа)•214(дня) = 50,46•24•214 = 259 171 Ват = 259,17 КВат

По таблице №4 «Классы энергетической эффективности зданий» данный дом относится к классу энергоэффективности «Е» Пониженный.

Теплопотери дома с рекуператором воздуха

Q_вент = 5 944,33 — 75% = 1486 (Ват/час)

ΣQ = 1 745 + 924 +51+673+755+1486 = 5 634 (Ват/час)

Определяем тепло потери дома на 1м2 поверхности пола.

Q1м = 5 634 /200 = 28,17 (Ват/час*м2)

Определяем тепло потери дома на 1м2 поверхности пола за весь отопительный период.

214 дней отопительного периода в Москве (табличное значение)

Q = Q1м(Ват)*24(часа)*214(дня) = 28,17 *24*214 = 144 683 Ват = 144,68 КВат

По таблице №4 «Классы энергетической эффективности зданий» данный дом относиться к классу энерго-эффективности «С» Повышенный.

Таблица №4 Классы энергетической эффективности зданий, сооружений, домов, квартир A++, A+, B, C , D , E, F, G

Для расчета удельного расхода энергии необходимого для обогрева дома на весь отопительный период, используем формулу:

ΣQ_год = Q*S (КВат*ч в год)

ΣQ_год = 144,68 *200 = 28 936 (КВат*ч в год)

Расчет динамики охлаждения дома

Имеем дом площадью 200м², размером 11*11 мп.
Масса наружных стен составляет – 160 000кг.
Масса внутренних стен составляет – 80 000кг.
Масса бетона в нутрии помещения составляет — 50 000 кг.

Рассчитываем среднеарифметическую температуру наружных стен при уличной температуре -27,25°C и внутренней = 20°C

Для утеплителя:

R2 = 2,457 (м2•°C/Ват). С учётом коэффициент теплотехнической однородности – r см. выше.

ΣR=3,15 (м2•°C/Ват). С учётом коэффициента теплотехнической однородности –r см. выше

С помощью пропорции определяем температуру на стыке утеплителя и кирпича.

3,15 (м²•°C/Ват) – 47,25°C

2,457 (м²•°C/Ват) – △t °C

△t = 2,457•47,25/3,15 – 27,25= 9,6°C

Среднеарифметическая температура наружной стены равна:

t ср. = (20 + 9,6)/2 = 14,8°C

По формуле 5 рассчитываем теплоёмкость конструкции:

Для наружных стен. Qн.с.

С — теплоёмкость полнотелого кирпича 880 (Дж/кг•°C) или 0,244 (Ват/кг•°C)

С — теплоёмкость полнотелого железо бетона 840 (Дж/кг•°C) или 0,232 (Ват/кг•°C)

△tнс = 14,8+27,25= 42,05°C

Qн.с.= C•m•△t = 0,244•160 000•42,05 = 1 641 730 (Ват•кг•°C) или 1 641,73(КВат•кг•°C)

Рассчитываем теплоёмкость конструкции внутренних стен:

Qв.с. = C•m•△t = 0,244•80 000•47,25 = 922 320 (Ват•кг•°C) или 922,32(КВат•кг•°C)

Рассчитываем теплоёмкость конструкции перекрытий:

Qпр.= C•m•△t = 0,232•50 000•47,25 = 548 100 (Ват•кг•°C) или 548,100(КВат•кг•°C)

Рассчитаем суммарную теплоёмкость дома.

∑Qдома = 1 641 730 + 922 320 + 548 100 = 3 112 150 (Ват•кг•°C) или 3112,15 (КВат•кг•°C)

Общие теплопотери дома в самую холодную пятидневку равны (из расчёта) см. выше.

ΣQ = 8158 (Ват/час).

Рассчитаем количество тепла, которое остаётся у дома спустя 1 час.

Q1ч = ∑Qдома — ΣQ = 3 112 150 – 8158 = 3 103 992 (Ват•кг•°C)

Температура, на которую остынет дом спустя 1 час.

τ = (8158/3 112 150) • 47,25 = 0,124°C

(в последствии данная величина будет уменьшаться по экспоненте).

Температура, на которую остынет дом за первые сутки.

T = 0,124*24 = 2,98°C

Собрав все данные в таблицу и многократно повторив расчёт с учетом падения температуры и уменьшения количества тепла, расходуемого домом, мы получили диаграмму динамики охлаждении дома, из которой видно, что в течении 9 дней дом остывает до температуры 0,8°C.

Таблица №5. Зависимость падения температуры и кол-ва тепла от времени, при отключении дома от отопления при температуре наружного воздуха -27,25°C.

Как видно из теплового расчёта, хорошо утеплённый дом это комфорт и залог экономии денежных средств на отоплении дома.

Расчет динамики охлаждения теплоаккумулятора

Представим себе дом 200 м² (пункт 2), из керамического полнотелого кирпича. В доме установлен теплоаккумулятор объёмом 2000 литров (2 м²). Дом утеплён 100мм Экстрадированным пена поле стиролом.

Температура воздуха внутри помещений +20°С

Температура теплоносителя +70°С

V-2000литров.

Теплоёмкость воды -1,163 ( Ват/л •°C).

Расчитать:
— Динамику охлаждения теплоаккумулятора без работы (естественное охлаждение) до температуры +20°C.
— Динамику охлаждения теплоаккумулятора при работе в самую холодную пятидневку до температуры +20°C.

Расчёт (1):

Разница температур △t = 70-20 = 50°C

R — Находим по Формуле 1.

R = δ/ λ = 0,1/0,05 = 2 (м²·°C/Ват)

S — из условия задачи площадь стен теплоаккомулятора =7,5 м²

По формуле 5 рассчитываем теплоёмкость заряженного теплоаккумулятора.

Q₁ = C*m*△t = 1,163*2000*(70-20) = 116 300(Ват•л•°C).

Из формулы 3 выводим R — термическое сопротивление.

По формуле 3 определяем количество тепла, расходуемого за 1 час неработающего
тепло аккумулятора (естественное охлаждение).

Q₂ = (△t /R) • S = (50/2) •7,5 = 187,5 (Ват/м² ).

Рассчитываем количество тепла, оставшееся спустя 1 час (естественного охлаждения).

Q₃ = Q₁ — Q₂ = 116 300 — 187,5 = 116 112,5

Определяем остаточную температуру тепло аккумулятора.

τ = (116 112,5/116 300) • 50 = 49,919 °C

Последующее охлаждение тепло аккумулятора будет происходить более замедленными темпами, так как перепад температур — будет со временем падать, на графика функции зависимости времени и температуры это падение будет происходить по экспоненте.

Расчёт (2):

Динамика охлаждения теплоаккумулятора при работе в самую холодную пятидневку до температуры +20°C.

В случае работающего тепло аккумулятора падением температуры при естественном охлаждении за время его работы можно пренебречь.

И расчёт получит следующий вид:

ΣQ — из предыдущего расчёта см. выше.

τ = Q₁/ ΣQ = 116 300/8158 = 14,5 часа

За 14 часов и 30 минут теплоаккумулятор остынет до температуры окружающей среды +20°C.

Повышение энергетической эффективности новых и существующих зданий

1. Уменьшение площади ограждающей конструкции (стены, кровля, фундамент).

2. Оптимизировать форму здания. Наиболее эффективная форма здания сферическая и квадратная.

3. Отсутствие выступающих элементов за тепловой контур здания, таких как: эркер, экседра, балконы, что является мостиками холода.

4. Уменьшить площадь окон, в совокупности с применением энергоэффективных стеклопакетов с заполнением инертными газами.

5. Ориентация дома по сторонам света.

6. Жилые комнаты размещать внутри здания, лестничные марши, гардеробы, бойлерную и технические помещения размещать у ограждающих дом капитальных стен.

7. Утепление кровли по перекрытию.

8. Строительство цокольного этажа как буферное пространство, препятствующее теплопотерям дома через фундамент.

9. Применение элементов умного дома и автоматизации отопления с датчиками наружного воздуха и комнатных термостатов.

При замене светопрозрачных конструкций на более энергоэффективные следует предусматривать дополнительные мероприятия с целью обеспечения требуемой воздухопроницаемости этих конструкций.

Литература: ГОСТы, СНИПы, СП

1. ГОСТ Р 54851-2011. Конструкции строительные ограждающие неоднородные. Расчет приведенного сопротивления теплопередаче.

2. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий.

3. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика.