ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

​THERMAL ENGINEERING CALCULATION OF ENCLOSING STRUCTURES

Anastasia Mudryakova

Student, Department of Industrial Heat Power Engineering, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute (National Research University),

Russia, Smolensk

Elizaveta Semenkova

Student, Department of Industrial Heat Power Engineering, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute (National Research University),

Russia, Smolensk

Irina Kabanova

scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute (National Research University),

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Одной из актуальных задач при строительстве и реконструкции зданий является обеспечение максимальной энергоэффективности ограждающих конструкций. С этой целью рассматриваются варианты применения различных современных строительных и теплоизоляционных материалов, в том числе с достаточно сложной конструкцией. В рамках исследования было выполнено сопоставление методов расчета сопротивления теплопередаче многослойной ограждающей конструкции с неоднородной сложной структурой. На основе вариантных расчетов по применяемым материалам была предложена структура кладки с максимальным термическим сопротивление при минимальной погрешности расчетов теплопотерь ограждающей конструкции стены.

ABSTRACT

One of the urgent tasks in the construction and reconstruction of buildings is to ensure maximum energy efficiency of enclosing structures. For this purpose, options for the use of various modern construction and thermal insulation materials, including those with a rather complex design, are being considered. As part of the study, a comparison of methods for calculating the heat transfer resistance of a multilayer enclosing structure with an inhomogeneous complex structure was performed. On the basis of variant calculations based on the materials used, a masonry structure with maximum thermal resistance with a minimum error in calculating the heat loss of the enclosing wall structure was proposed.

Ключевые слова: наружные ограждающие конструкции, теплопроводность, термическое сопротивление теплопередаче, тепловые потери, коэффициент теплопроводности, строительные материалы, энергосбережение.

Keywords: external enclosing structures, thermal conductivity, thermal resistance to heat transfer, thermal losses, coefficient of thermal conductivity, building materials, energy saving.

Для обеспечения нормального температурно-влажностного режима в помещениях различного назначения их внутренний объем отделяют от окружающей среды ограждающими строительными конструкциями – стенами и покрытиями, защищающими от атмосферных воздействий (низких температур, осадков, ветра, солнечной радиации, а также агрессивных сред). Наружные ограждающие конструкции оказывают сопротивление переходу тепловой энергии, воздуха, водяных паров из одной среды в другую, тем самым препятствуя выравниванию их параметров: температуры, влажности, давления. Соответственно, при помощи ограждающих конструкций, благодаря которым работа систем отопления и кондиционирования действует экономично и экологически безопасно обеспечивается теплозащита здания. Но, к сожалению, через ограждающие конструкции происходят теплопотери.

Потери тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции здания являются одним из основных компонентов в структуре затрат тепловой энергии здания на отопление и составляют более 50% всех потерь тепловой энергии, расходуемой на отопление в течение отопительного периода [1]. Для того, чтобы восполнить потери тепловой энергии, к зданию необходимо подвести тепло, то есть подключить его к системе теплоснабжения. Чем выше уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций, тем меньше оказываются тепловые потери в здании через оболочку, а значит, меньше количество энергии требуется подвести к зданию.

В то же время экономия от снижения энергопотребления зависит от климатических условий района строительства (чем суровее климат, тем эффективнее теплозащита, тем больше экономия тепла).

Таким образом, исследование параметров энергосбережения и комфортного микроклимата в жилых домах в настоящее время является актуальной задачей.

В зависимости от района расположения того или иного здания, ограждающие конструкции могут быть выполнены из одного материала - однослойные стены, или из нескольких видов материалов, такие конструкции называют слоистыми.

Методика теплотехнического расчета ограждающих конструкций заключается в определении минимального достаточного значения сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции. При этом расчетное значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции должно быть не менее величины, требуемой по санитарно-гигиеническим и строительно-техническим показателям.

Термическое сопротивление ограждающей конструкции R зависит исключительно от теплопроводности материалов, составляющих ограждение, а также от структуры самого ограждения. Для определения сопротивления необходимо знать коэффициенты теплопроводности λ материалов, составляющих ограждение, их расположение, и размеры отдельных элементов.

Термическое сопротивление ограждающей конструкции в обычном традиционном расчете определяется как сумма термических сопротивлений отдельных слоев:

                                    (1)

где R₁, R₂, R₃, … R_n – термическое сопротивление отдельных слоев, м²*°С/Вт; δ₁, δ₂, δ₃, … δ_n - толщина отдельных слоев конструкции, м; λ₁, λ₂, λ₃, … λ_n – коэффициенты теплопроводности отдельных слоев, Вт/(м*°С); n – число слоев, составляющих ограждение. [2]

Рисунок 1. Многослойная стеновая панель

Поскольку современный мир не стоит на месте, в строительной практике часто встречаются более сложные конструкции, однородность материала  в которых нарушена как в параллельном,  так и в перпендикулярном направлениях к тепловому потоку. Такие ограждения можно рассматривать состоящими из нескольких слоев, расположенных перпендикулярно тепловому потоку, но с нарушением однородности материала в одном или нескольких слоях. В этом случае  была предложена методика расчета таких конструкций [3].

Согласно [3] в ограждающей конструкции выделяется отдельный фрагмент кладки, учитывающий особенности материалов и их кладки. Затем данный конструктивный элемент разрезается плоскостями, параллельными напралению теплового потока, на элементы состоящие из одного или нескольких слоев, однородность материалов в которых не нарушена. В этом случае термическое сопротивление всех слоев определяется по формуле:

                                                                                (2)

где F_I, F_II, F_III… - площади, занимаемые отдельными элементами поверхности ограждения, м².

При определении площадей отдельных элементов  целесообразно выделить только площадь последовательно повторяющуюся и отражающую соотношение площадей, поэтому нет необходимости брать в расчет все поверхности. Термическое сопротивление, полученое в случае разреза конструкции плоскостями, параллельными тепловому потоку, всегда оказывается больше дейстительного значения.

После чего конструкция разрезается плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, слоями, состоящими из одного или нескольких материалов, с нарушением однородности.  Для слоя с нарушенной однородностью определяем среднее значение коэффициента теплопроводности по формуле:

                                                             (3)

Термическое сопротивление всей конструкции определяется по формуле (1). Полученное термическое сопротивление всегда меньше действительного значения.

Общее значение термического сопротивления конструкции по формуле:

                                                                                    (4)

Описанный метод расчета является приближенным, и его точность будет тем меньше, чем больше разница в величинах R_II и R.

Задачей исследования является определение конструктивного решения по ограждающим стенам зданий с учетом современных строительных материалов, обеспечивающих наибольшие значения термического сопротивления с применением выше рассмотренной методики. Объектом исследования является стена комбинированной кладки (рис. 2).

Для начала рассчитаем термическое сопротивление теплопередаче по формуле (1) для слоев конструкции, однородность материалов в которых не нарушена.

Таблица 1

Кирпичная кладка.

Рисунок 2. Вертикальный разрез кирпичной стены комбинированной кладки

Таблица 2

Кирпичная кладка с заполнением.

В этом случае сопротивления теплопередаче по этим двум слоям получились достаточно разными. Поэтому для оценки теплопотерь данной конструкции целесообразно воспользоваться рассмотренной методикой.

Рассчитаем эту же конструкцию по данному методу.

• Термическое сопротивление стены, разрезанной параллельно направлению теплового потока: R=0,852
• Термическое сопротивление стены, разрезанной перпендикулярно направлению теплового потока: R=0,818 

Окончательное значение сопротивления теплопередачи конструкции рассчитываем по формуле (4) R=0,829 . Полученное значение находится в диапазоне ранее рассчитанных сопротивлений слоев конструкции, однородность материалов в которых не нарушена. Этот метод позволяет более точно определить термическое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, поскольку расчет стены ведется относительно направления теплового потока в двух направлениях: параллельном и перпендикулярном, причем при расчетах чем меньше будет разность между значениями R_II и R , тем точнее будут расчеты по общим теплопотерям ограждения.

Рассмотрим несколько вариантов конструкции стен с точки зрения обеспечения максимальных теплозащитных свойств и минимальной погрешности при проектных расчетах (табл.3). Подберем такие строительные материала для кладки наружной ограждающей конструкции, чтобы сопротивления теплопередаче при параллельном и перпендикулярном направлении тепловому потоку были практически одинаковыми.

Таблица 3

Варианты ограждающих конструкций стен

В табл. 3 представлены результаты расчетов термического сопротивления нескольких возможных конструкций стен. Следует отметить, что величина термического сопротивления ограждения, конечно, в первую очередь зависит от материала заполнения, теплопроводность которого должна быть наименьшей (вариант кладки №1). Но при этом следует учитывать особенности кладки, а именно площадей слоев кладки, а также выполнение условий по обеспечению требуемых параметров по несущей способности ограждения, которая определятся с учетом очень многих параметров в соответствии со строительными нормами и правилами.

Таким образом, окончательное решение вопроса по конструктивному исполнению ограждающих конструкций стен должно рассматриваться на основе комплексной оценки различных вариантов.

Список литературы:

1. Гагарин В.Г. Проблемы нормирования теплозащиты и потребления энергии в строительстве//Докл. на семинаре в НИИСФ РААСН (27.10.2015 г.)
2. Теплопередача: Учебник для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. – 5-е изд.,стереотипное. – ООО «ТИД «Арис», 2014. – 416 с., ил.
3. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / Под ред. Ю. А. Табунщикова, В. Г. Гагарина. – 5-е изд., пересмотр. – М.:АВОК – ПРЕСС, 2006. – 256с.