ГлавнаяПри постановке задачи проектирования теплозащиты здания следует планировать получение результатов необходимых для последующей работы над проектом. К ним в первую очередь, относятся величины приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций каждого отапливаемого помещения здания, используемые для проектирования системы отопления. Второй задачей является оценка и получение данных для проектирования энергосберегающих мероприятий.
На современном уровне, основной особенностью развития отопительной и вентиляционной техники является возможность автоматического регулирования температуры внутреннего воздуха и остальных параметров микроклимата, как в конкретных помещениях, так и в целом в здании. Автоматизация инженерных систем зданий, также как и повышение теплозащиты ограждающих конструкций преследует одну цель - обеспечение требований внутреннего климата помещений.
В силу уникальности оборудования и программного обеспечения, затраты на системы автоматизации и их эксплуатацию могут быть весьма значительными. В тоже время, с весенними и осенними перетопами зданий, имеющими центральное теплоснабжение, справиться может только автоматика.
Повышение сопротивления теплопередаче ограждений так же затратно. Оно, вследствие массового использования теплоизоляционных материалов, ведёт к удорожанию строительства и снижению долговечности зданий.
При решении задач экономии теплоты в зданиях целесообразно повышение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен до R = 3,0...3,2 м2*°С/Вт. Это связано с тем, что увеличение толщины утеплителя вызовет конструктивные изменения всех узлов стены, в результате чего интенсифицируется перенос теплоты через теплопроводные включения. Данный вывод подтверждают результаты исследований теплопотерь через 1 м2 ограждающей конструкции в зависимости от приведенного сопротивления теплопередаче, для климатических условий Москвы.
Различие в теплопотерях через ограждающую конструкцию при значениях приведенного сопротивления теплопередаче R > 3,0 м2*°С/Вт небольшое (рис. 4.2), поэтому на удельный расход тепловой энергии для отопления здания изменение приведенного сопротивления теплопередаче стен в указанных пределах сказывается незначительно.
Характер зависимости, приведенной на рисунке 4.2, показывает, что чем выше достигнутый уровень теплозащиты, тем меньший эффект даёт дальнейшее его повышение.
Из выше изложенного вытекает, что повышение теплозащиты и автоматизацию инженерных систем зданий следует проектировать комплексно, на основании грамотного инженерного и экономического расчётов, иначе их результаты могут быть противоположны ожидаемым.
При использовании формулы (4.1) в расчётах теплопотерь, величина приведенного сопротивления теплопередаче должна быть не менее нормативного значения RТпр > RТн, принимаемого для данного вида ограждающей конструкции по действующим нормативным документам. Расчёт RТпр может быть выполнен для ограждающей конструкции в целом или для характерного «расчётного участка», имеющего максимальное количество теплопроводных включений. В качестве «расчётного участка» может быть выбран участок наружной стены с проёмами и внутренними стенами, участок совмещенного покрытия с узлами сопряжения с наружными стенами, участок перекрытия отапливаемых подвалов и т.д. Полученные величины RТпр «расчётного участка» принимаются за расчётные значения для каждого вида конструкции.
Подобный подход, несмотря на расширяющиеся возможности программного обеспечения, является наиболее реальным и малозатратным. Отсутствует необходимость прямым расчётом определять приведенное сопротивление в целом каждой ограждающей конструкции здания. Этим обеспечивается поддержание требуемых нормативных теплозащитных характеристик и параметров микроклимата в основной части помещений здания. Для помещений с наружными ограждающими конструкциями, имеющими более высокие теплозащитные характеристики, обеспечение нормативных параметров микроклимата (недопущение перетопов) будет выполняться с помощью автоматического регулирования, как расхода, так и температуры теплоносителя системы отопления.
Определение приведенного сопротивления теплопередаче «расчётного участка» ограждающей конструкции со сложными теплопроводными включениями возможно по результатам расчётов температурных полей отдельных выделенных фрагментов с последующим усреднением полученных результатов по его поверхности. При выборе границ фрагментов следует учитывать взаимное влияние отдельных теплопроводных включений на температурное поле «расчётного участка».
Для принятого «расчётного участка» ограждающей конструкции с площадью внутренней поверхности Fру, можно записать
где Qру - мощность теплового потока через расчётный участок, Вт;
Qфр_1, Qфр_2 ... Qфр_n - мощности теплового потока через выделенные фрагменты расчётного участка с теплопроводными включениями, Вт.
Т.е. при разбиении выбранного расчётного участка ограждающей конструкции на «n» характерных фрагментов и последующим определении сопротивления теплопередаче для каждого фрагмента, сопротивление теплопередаче расчётного участка конструкции в целом рассчитывается по формуле:
где Fфр и Rфр - площадь (м2) и сопротивление теплопередаче (м2*°С/Вт) n-го фрагмента расчётного участка ограждающей конструкции.
Определение сопротивления теплопередаче отдельных выделенных «n» фрагментов конструкций выполняется решением двухмерной или трёхмерной задачи переноса теплоты. Для этого численно решаются дифференциальные уравнения стационарной теплопроводности вида 4.4 с граничными условиями 111-рода:
где tпов - температура соответствующей поверхности ограждения, °С;
tсp - температура среды, омывающей соответствующую поверхность, °С;
Л1 - теплопроводность материала, Вт/(м*°С);
а0 - коэффициент теплоотдачи соответствующей поверхности, Вт/(м2*°С).
Основы методов расчёта температурного (и влажностного) полей в строительной теплофизике заложены трудами: Богословского В.H., Власова О.Е., Гагарина В.Г., Лыкова А.В., Мачинского В.Д., Одельского Э.Х., Перехоженцева А.Г., Ушкова Ф.В., Фокина К.Ф., Франчука А.У., Шкловера А.М. и других учёных. Наиболее распространённой методикой служит их численное решение в конечных разностях. Обусловлено это, прежде всего простотой аппроксимации производных в дифференциальных уравнениях. Однако методу конечных разностей присущи и определенные недостатки, к которым, прежде всего, относится сложность аппроксимации граничных условий при наличии угловых точек на контуре исследуемой области, сложность учёта неоднородности материалов (в частности мелких деталей) и сложных геометрических форм. Указанного недостатка можно избежать при использовании более общего метода численного решения - метода конечных элементов. Метод конечных элементов является наиболее целесообразным при расчётах температурных полей узлов сложных строительных конструкций. Усовершенствованная методика компьютерного расчёта 3-х мерных стационарных полей ограждающих конструкций зданий, имеющих теплопроводные включения различной сложности, и позволяющая определить их приведенное сопротивление теплопередаче, изложена в работе.
Выполнение расчётов температурных полей конструкций является в той или иной степени приближенными. Точность результатов расчётов зависит от степени разбиения «расчётного участка» на элементарные участки и объёмы, от допустимой погрешности итерационных вычислений. Некоторые результаты расчётов приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен зданий приведены в работе.
Получив по решению уравнений (4.4) распределение температур по внутренней поверхности каждого из n-х фрагментов «расчётного участка» и используя известные заданные величины коэффициента теплообмена, определяются величины сопротивления теплопередаче каждого n-го фрагмента по формуле (4.9):
де аВ - принятый коэффициент теплообмена внутренней поверхности фрагмента ограждающей конструкции, Вт/(м2*°С);
тВ_n ср - средняя температура на внутренней поверхности n-го фрагмента ограждающей конструкции, °С.
Особенностью формулы (4.6) является то, что при вычислении приведенного сопротивления теплопередаче расчетного участка ограждения можно учитывать перенос теплоты не только через точечные теплопроводные включения, но и через фрагменты конструкций с краевыми зонами оконных, балконных и др. проёмов.
На рисунке 4.3,а представлен расчётный участок наружной стены с оконным проёмом площадью Fру = H*L, м2. На поверхности расчётного участка выделяется фрагмент №1 с площадью F1 = a*b, м2 ,без учёта площади примыкающего к нему откоса проёма Fom_1 = a*с, м2. Оставшаяся площадь расчётного участка разбивается на фрагменты 2 и 3.
По известным геометрическим размерам выполняется расчёт температурного поля фрагмента 1, с включенными в него откосом проёма и частью оконного блока (рис. 4.3, б).
По результатам расчёта температурного поля тепловой поток через выделенный фрагмент №1 «расчётного участка» равен:
где RT.1 пр — сопротивление теплопередаче фрагмента №1 наружной стены, определенное по формуле (4.9), м2*°С/Вт.
При расчёте температурного поля фрагмента №1 учитывались подвод теплоты через площадку стены F1 и через площадь откоса Fот_1, поэтому величина теплового потока через выделенный фрагмент №1 фактически равна) сумме тепловых потоков Q1 = Q1 + Qот 1, а выражение (4.10) можно записать в виде:
С помощью преобразований уравнения (4.11) получим
Здесь RТ.от.1 - условное сопротивление теплопередаче через площадь а*с, м откоса проёма, которое может быть определено как
или по уравнению (4.9), a RТ.гл - сопротивление теплопередаче по «глади стены».
Влияние переноса теплоты через откос проёма на величину сопротивления теплопередаче фрагмента 1 может быть также определено с использованием коэффициента теплотехнической однородности
Для фрагмента 2 площадью F2 = AхL, без учёта площади откосов проёма (рис. 4.4) приведенное сопротивление теплопередаче RT.2 пр с учётом влияния переноса теплоты через откосы, определяется по выражению:
где Fот-2 — площадь откосов оконного проёма фрагмента 2, м2.
Определение приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента 3 расчётного участка площадью F3 = LxN, м2 с учётом межэтажного диска перекрытия (рис. 4.5), выполняется по формуле:
где F3' = F3'' = MxL - площадь поверхности пола и потолка, м2;
Rпер' = Rпер'' - сопротивление теплопередаче участка диска фрагмента 3, м2*°С/Вт.
Коэффициент технической однородности фрагмента 3 равен
Определение приведенного сопротивления теплопередаче «расчётного участка» наружной стены с учётом переноса теплоты через откосы проёма и междуэтажный диск перекрытия выполняется по формуле
При оценке принимаемых конструктивных решений каждого вида ограждающих конструкций величину приведенного сопротивления теплопередаче с учётом теплопроводных включений удобно для «расчётного участка» определять как
где rn — коэффициент теплотехнической однородности теплопроводных включений.
Пример. Выполнить расчёт приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен жилого дома с уровнем теплозащиты Rт = 2,00 м2*°С/Вт. Наружные стены здания из ячеистобетонных блоков (5 = 400 мм, р = 500 кг/м3 , W = 12 %, Лкл = 0,205 Вт/(м*°С)) на клеевом растворе с наружной штукатуркой полимерцементным раствором толщиной 4 мм и внутренней известково-песчаным раствором толщиной bшт = 10 мм. Над оконными проёмами стены имеют перемычки (р = 700 кг/м3). Наружные стены в уровне дисков междуэтажные перекрытий, а также откосы проёмов снаружи стен, дополнительно утеплены плитами минераловатными толщиной 5 = 50 мм.
Фрагмент плана типового этажа с выделенным «расчётным участком» наружных стен показан на рис. 4.6. Сопротивление теплопередаче по «глади» стены - Rт.гл = 2,127 м2*°С/Вт.
Результаты расчётов температурных полей фрагментов и сечений наружных стен показаны на рис. 4.7-4.9. Удельные мощности теплового потока через участки наружных стен приведены в табл. 4.1, приведенные сопротивления теплопередаче и коэффициенты теплотехнической однородности в - табл. 4.2.
Результаты расчётов показывают на наличие значительных стоков теплоты через участки междуэтажного перекрытия и откосов проёмов, несмотря на их дополнительную теплозащиту (снаружи) минераловатными плитами. При это, коэффициент теплотехнической однородности с учётом влияния откосов проёма наружной стены, а также участков междуэтажного перекрытия r2 = 0,694, а приведенное сопротивление теплопередаче - RТ.пр д = 1,344 м2*°С/Вт, что значительно меньше величины сопротивления теплопередаче - RT = 2,0 м2*°С/Вт.