Расчет многослойного наружного ограждения для пятиэтажного здания

Министерство образования РФ Казанский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра теплоэнергетики КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: Теплофизика зданий Расчет многослойного наружного ограждения для пятиэтажного здания Казань — 2014

Введение

Задание к курсовой работе

1. Расчет теплового режима ограждения

1.1 Расчет толщины утепляющего слоя

1.2 Расчет сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции

1.3 Расчет стационарного температурного поля в ограждении

1.4 Расчет теплоустойчивости наружных ограждений в теплый период

2. Расчет влажностного режима наружных ограждений

2.1 Проверка внутренней поверхности наружных ограждений на возможность конденсации влаги

2.2 Проверка ограждения на паропроницания

2.3 Расчет конденсации влаги в толще ограждения Приложение 1

Приложение 2

Строительная теплофизика рассматривает вопросы теплопередачи, воздухопроницания и влажностного режима ограждений в связи с процессами теплои массообмена, обусловленными действием внешних климатических факторов и работой систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. В настоящее время ее значение усиливается в связи с широким применением индустриальных конструкций из современных материалов, повышением требований к комфортности внутреннего климата помещений, а также развитием строительства с резко выраженными климатическими воздействиями.

Курсовая работа по строительной теплофизике включает расчет теплового и влажностного режимов ограждающих конструкций, поскольку от них в первую очередь зависит тепловой режим в помещении. Она выполняется в соответствии с требованиями СНиП [2−5], цель которой — закрепить и развить знания, полученные при изучении теоретического курса.

Задание к курсовой работе

Рассчитать многослойное наружное ограждение для пятиэтажного здания.

Рис. 1. Конструкция наружного ограждения

««, «-» — соответственно внутренняя и наружная части ограждений, д_i — толщина iго слоя ограждения, i =

Район строительства город Саранск.

Номера материалов:

1 слой -70,

2слой — 94,

3слой — 139,

4слой — 94

Толщина слоя: д₁ = 0,02 м; д₂ = 0,38 м; д₄ = 0,12 м.

Номер материала слоя соответствует номеру материала [1, приложение 1]. В этом же приложении 1 находим характеристики материала в сухом состоянии и его расчетные коэффициенты. Расчетные коэффициенты теплопроводности л, Вт / (м ^оС) и теплоусвоения S, Вт / (м^{2 о}С) принимаем по цифре, А с учетом зоны влажности по [5, приложении 1*] и влажностного режима помещения [1, таблица 2]. Зону влажности по схематической карте принимаем сухой, влажностный режим — нормальный. Для жилых зданий принимается режим нормальный.

Для удобства дальнейших расчетов тепла все исходные и выбранные из СНиП теплофизические характеристики необходимо свести в табл. 1.

Таблица 1

1. Расчет теплового режима ограждения

1.1 Расчет толщины утепляющего слоя

Мерой теплозащитных качеств ограждения является общее сопротивление теплопередачи R₀ [(м²??C)/Вт], на величину которой можно влиять через толщины теплоизоляционного слоя д_ут = д₃, где индекс «ут» — утеплитель.

Архитектурно-строительные решения по ограждающим конструкциям проектируемого здания должны быть таким, чтобы R₀ было равным экономически целесообразному сопротивлению теплопередаче, определенному из условия обеспечения наименьших приведенных затрат, но не менее требуемого сопротивления теплопередаче по санитарно — гигиеническим условиям.

Порядок расчета

а) Определяется требуемое сопротивление, исходя из санитарно — гигиенических и комфортных условий по формуле:

(1.1)

где t_в — расчетная температура внутреннего воздуха [?C], принимается в зависимости от назначения помещения. Помещение: жилая средняя комната квартиры или общежития, с расчетной температурой t_в = 20? C;

t_н — расчетная зимняя температура, равная температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [4, таблица 3.1], для города Саранск t_н = -30?C;

n — коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций (ОК) по отношению к наружному воздуху [6, таблица 3*], n є [0,4; 1], для наружной стены n = 1;

Дt^н — нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой поверхности ОК, [1, приложение 2],

Дt^н = 4? C;

б_в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения [Вт/(м²??C)], [1, приложение 3], б_в = 8,7 Вт/(м²??C).

(м²??C)/Вт.

б) Градусосутки отопительного периода (ГСОП)? D_d следует определять по формуле:

(1.2)

где t_от.пер — средняя температура отопительного периода [3, таблица 1],

t_от.пер=-4,5?C.

Z_от.пер — продолжительность отопительного периода (сут.) со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8? C [4, таблица 3.1], Z_от.пер=209сут.

?C?сут.

в) По [1, таблица 5] в зависимости от ГСОП определяется по условиям энергосбережения.

(1.3)

a = 0,35, b = 1,4

г) Сравнивая значения, полученные в а) и в), выбираем наибольшее из них, принимая ?. ?=3,192 м²??C/Вт д) С другой стороны, общее термическое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции определяется по формуле:

(1.4)

где — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, принимаемый по [1, приложение 4], Вт/м²??C.

— соответственно термическое сопротивление: теплопроводности ОК, теплоотдачи от внутреннего воздуха (при t_в > ф_в) к внутренней поверхности ОК (или сопротивление тепловосприятию), теплоотдачи от поверхности наружной стенки к наружному воздуху (при ф_н > t_н). Здесь ф_в, ф_н — температура внутренней и наружной поверхностей ОК.

Для многослойной конструкции определяется по формуле:

м²??C/Вт

где д_i — толщина i-го слоя ограждающей конструкции;

л_i -коэффициент теплопроводности материала i-го слоя ограждения.

Приравнивая правую часть (1.3) к выбранной величине max, получим выражение R₃ для определения предварительной толщины слоя утеплителя д_ут:

м²??C/Вт.

м Вычисленное значение д₃ корректируем в соответствии с требованиями унификации конструкции ограждений: примем 2 слоя толщиной 100 мм и 70 мм. Тогда R_ут = 0.17 / 0. 056 = 3,036 м²??C/Вт.

е) По формуле (1.3) уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех слоев ограждения :

(1.5)

м²??C/Вт.

и проверяем условие (i = 1,2), 4,093 м²??C/Вт? 3,192 м²??C/Вт, следовательно условие выполняется.

ж) Приведенное сопротивление теплопередаче определяется выражением

(1.6)

м²??C/Вт где r — коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции; принимается по [5, таблица 6а*], для кирпичной кладки r = 0,8.

Условие:, т. е. 3,27?3,192 выполняется.

з) Коэффициент теплопередачи определяют по уравнению:

; (м² °С)/Вт (1.7)

1.2 Расчет сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции

В целях экономии топливно — энергетических ресурсов наружные ограждающие конструкции должны иметь сопротивление воздухопроницанию не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию, определяемого по формуле:

(м²??C)/Вт (1.8)

где G^Н — нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций [кг/(м²?ч)], принимаемая по [1, приложение 5], G^Н = 0,5 кг/(м²?ч).

ДР — разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ОК [Па] определяется по формуле:

(1.9)

здесь Н — высота здания, м (высота одного этажа принимается равной 3 м), H = 3?5 = 15 м.

V — максимальная из средних скоростей, м/с ветра по румбам за январь, повторяемость которых 16% и более [4, таблица 3.1], для города Саратов V = 5,6 м/с. (Здесь взят город Саратов, т.к. в СНиПе 23−01−99*. «Строительная климатология» значения для города Саранск нет. Поэтому был выбран ближайший город).

г_н, г_в — удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха [Н/м³], определяемый по формуле:

Н/м³ (1.10)

где t — температура воздуха: внутреннего (для определения г_в) — согласно указаниям п. 2.2 [6]; наружного (для определения г_н) — равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.

Н/м³,

Н/м³.

Па.

(Па?м²?ч)/кг.

Значение R_И определяются по формуле:

(1.11)

где R_Иi — сопротивление воздухопроницанию отдельного i-го слоя ОК принимается по [1, приложение 6].

(Па?м²?ч)/кг,

(Па?м²?ч)/кг,

(Па?м²?ч)/кг,

(Па?м²?ч)/кг.

(Па?м²?ч)/кг.

Если ?, то ОК удовлетворяет требованиям воздухопроницаемости.

Так как 68,16 (Па?м²?ч)/кг? 402,56 (Па?м²?ч)/кг, то ограждающая конструкция удовлетворяет требованиям воздухопроницаемости.

1.3 Расчет стационарного температурного поля в ограждении

При проектировании и выборе конструкций ограждения необходимо знать распределение температуры в его толще и на поверхности. Это дает возможность определить условия конденсации влаги в толще конструкции, правильно назначить место расположения пароизоляционных слоев.

При стационарном режиме теплопередачи через ограждения температура в любой плоскости X определяется по формуле:

°С (1.12)

где R_в-х — сопротивление теплопередаче от внутренней среды до сечения X.

Для построения графика одномерного стационарного поля в ограждении достаточно определить t на поверхностях ограждения и в плоскостях соприкосновении слоев из разного материала [рис.1, приложение 1].

Для построения графика распределения температуры от сопротивления теплопередачи необходимо знать t на поверхностях в ограждении и в плоскостях соприкосновения слоев из разного материала [рис. 2, приложение 2].

°С где R_в-х — сопротивление теплопередаче от наружной среды до сечения X.

c — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг •°С)

C = 1,002 кДж/(кг•°С) Найдем новое значение G (нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций).

кг/(м²?ч).

кг/(м²?ч).

1.4 Расчет теплоустойчивости наружных ограждений в теплый период

Проверка наружных ограждений на теплоустойчивость осуществляется в районах со среднемесячной температурой воздуха в июле 21⁰С и выше, и если тепловая инерция ограждающей конструкции D? 4.

Теплоустойчивость — свойство ограждения сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности при колебаниях внешних тепловых воздействий и обеспечивать комфортные условия в помещении.

По данным [4,таблица 5.1] среднемесячная температура наружного воздуха за июль для города Саранск =19,2 ⁰С. Определим инерцию ограждающей конструкции.

(1.13)

где R_i — термическое сопротивление отдельного i-го слоя ограждающей конструкции, (м²•°С)/Вт;

S_i — расчетный коэффициент теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²•°С), определяемый по формуле:

(1.14)

где л_i — коэффициент теплопроводности материала i-го слоя ограждения, Вт/(м²•°С);

c_i — удельная теплоемкость материала, кДж/(кг•°С);

г_i — плотность материала, кг/м³.

Таким образом, выполняется два условия:

1. Среднемесячная температура в июле ниже 21 °C;

2. D? 4

Значит, расчет на теплоустойчивость ограждающей конструкции проводить не нужно.

2. Расчет влажностного режима наружных ограждений

2.1 Проверка внутренней поверхности наружных ограждений на возможность конденсации влаги

Конденсация влаги из внутреннего воздуха на внутренней поверхности наружного ограждения, особенно при резких повышениях температур, является основной причиной увлажнения наружных ограждений. Для устранения такой конденсации влаги необходимо добиваться, чтобы температура на внутренней поверхности ф_вп и в толще ограждения превышала температуру точки росы ф_р на

2 ч 3? C, т. е. должно соблюдаться условие:

ф_вп > ф_р + (2 ч 3)°C

Порядок расчета

1) Определяем температуру внутренней поверхности ф_вп

. (2.1)

2) Температура точки росы ф_р для данного состояния внутреннего воздуха ф_в определяется по формуле:

(2.2)

где — действительная упругость (парциальное давление) водяных паров [Па], определяется по величине относительной влажности воздуха в помещении по формуле:

(2.3)

где — относительная влажность воздуха в помещении, %, для жилых помещений принимается 55%;

Е_В — максимальная упругость (давление насыщения) водяного пара, принимаемая по [1, приложение 7] соответственно температуре воздуха внутри помещения, Па.

Па

3) Наиболее вероятно появление конденсата влаги у наружных углов стены, где ф_уг всегда ниже, чем на других участках внутренней поверхности ограждения ф_вп. При значениях, ф_уг находится из графика [7, рис.3−27].

из графика (2.4)

г) Сравниваем и с: ,

Следовательно, конденсат на внутренней поверхности ограждения выпадать не будет.

2.2 Проверка ограждения на паропроницание

При разности парциальных давлений водяных паров внутреннего и наружного воздуха в толще ограждения возникает поток водяного пара (диффузия), который направлен в сторону меньшего давления. Свойства материалов пропускать водяные пары называется паропроницаемостью.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции R_п (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее наибольшего из следующих требуемых сопротивлений паропроницанию:

а) Исходя из указаний норм о недопустимости систематического накопления влаги в ограждениях за годовой период в процессе эксплуатации по формуле:

(2.5)

б) Исходя из условия ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха по формуле:

тепловой влажностный ограждающий утепляющий

. (2.6)

В формулах (2.5) и (2.6):

— упругость водяного пара внутреннего воздуха при расчетной температуре и влажности воздуха, находится по формуле (2.3), =1285,9Па;

— средняя упругость водяного пара наружного воздуха за годовой период [4, приложение 7,1, по графам 2 ч13];

Па Е — максимальная упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемая по формуле:

(2.7)

где Z_1, Z₂, Z₃ — определяются по [4, таблица 5.1, графа 2ч13] с учетом следующих указаний: зимний период включает месяцы со средними температурами воздуха ниже -5 ?С; к весеннее — осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами воздуха от -5, до +5 ?С, к летнему периоду — выше +5 ?С:

Z₁ = 4 мес.,

Z₂ = 3мес.,

Z₃ = 5мес.

?С;

?С;

?С;

Температура на поверхности ПМУ:

Е₁, Е₂, Е₃ — максимальные упругости водяного пара, определяются по средним температурам зимнего, весеннее — осеннего и летнего периодов соответственно. Средние температуры наружного воздуха месячных периодов определяются по графам 2 ч 13 таблицы 5.1. По этим температурам для каждого периода года определяются температуры в плоскости возможной конденсации t₃? ф₃. Далее по вычисленным температурам по [1, приложение 7] определяется Е_i.

Е₁ = 276 Па;

Е₂ =705 Па;

Е₃ = 1777 Па.

Далее находится максимальная упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации:

Па Определим плоскость максимального увлажнения для периода с отрицательными среднемесячными температурами. Для этого для каждого слоя многослойной конструкции необходимо вычислить значение комплекса f_i (t_м.у), характеризующего температуру в плоскости максимального увлажнения.

(2.8)

где R_оп — общее сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции.

(м²•ч•Па)/мг. (2.9)

— условное сопротивление теплопередаче однородной многослойной ограждающей конструкции, (м²•°С/Вт).

t_{н. отр —} средняя температура наружного воздуха для периода с отрицательными среднемесячными температурами, °С.

e_в — упругость водяного пара внутреннего воздуха при расчетной температуре и влажности воздуха.

e_{н. отр} — среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, Па.

µ_{i -} расчетные коэффициенты теплопроводности, Вт/(м²•°С), и паропроницаемости, мг/ (м²•ч•Па), материала соответствующего слоя.

По полученным значениям f_i (t_м.у) по таблице 11 определяются значения температур в плоскости максимального увлажнения t_м.у для каждого слоя многослойной конструкции.

Далее определяем значения температур на границах слоев конструкции по следующей формуле:

(2.10)

где R_B-X — сопротивление теплопередаче от внутренней среды до сечения X.

Составим следующую таблицу:

Для определения слоя, в котором находится плоскость максимального увлажнения, производится сравнение полученных значений t_м.у с температурами на границах слоев конструкции. Внутри ограждающей конструкции плоскость максимального увлажнения не наблюдается, поэтому она будет находиться с наружной стороны ограждающей конструкции.

R_пн — сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции, расположенной между плоскостью возможной конденсации и наружной поверхностью, (м²? ч? Па) / мг.

R_ПН=0, так как поверхность максимального увлажнения находится на наружной поверхности стены.

Z₀ — продолжительность периода влагонакопления, сут., принимаемая равной периоду с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха [4, таблица 5.1, графа 2ч13], Z₀ = 151 сут.

Е₀ — максимальная упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации, определяемая при средней температуре наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами.

t_{н. отр}=-8,3°С, тогда Е₀=301,5 Па.

г_w — плотность материала увлажняемого слоя, принимаемая равной г₀ по [5, приложение 3*], г_w = г₀ = 1500 кг/м³.

д_w — толщина увлажняемого слоя, принимаемая равной толщине теплоизоляционного слоя для многослойной ОК, д_w = 0;

ДWср — предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя [%], принимаемое по [5, таблица 14*], ДWср = 2,0%.

з — безразмерный коэффициент, определяется по формуле:

(2.11)

Так как R_ПН=0, то з>?.

Сопротивление паропроницанию ОК за годовой период в процессе эксплуатации:

Так как з>?, то

Если > (i = 1,2), то ограждение обладает достаточным сопротивлением паропроницанию. В данном случае это условие всегда будет выполняться, так как при любом з .

2.3 Расчет конденсации влаги в толще ограждения

Расчет влажностного режима ограждения при стационарных условиях диффузии водяного пара производится графическим методом для периодов с отрицательными и положительными температурами наружного воздуха.

Для выяснения вопроса, будет ли происходить в ограждении конденсация влаги или нет, необходимо построить линию падения упругости водяного пара и линию падения максимальной упругости водяного пара Е от сопротивления паропроницанию R_П.

Общее сопротивление паропроницанию ограждения R_ПО определяется по формуле:

(2.12)

гдесопротивление влагообмену у внутренней поверхности ограждения; приближенно можно определить по формуле:

(2.13)

— сопротивление влагообмену у наружной поверхности можно принять равным 0,1 333 (м²?ч?Па)/мг.

(м²•ч•Па)/мг.

(м²•ч•Па)/мг.

По приложению 3 принимается значение как среднее за зимний период, — вычисляется по формуле (2.3), Упругость водяного пара в любом сечении толщи ограждения е_х вычисляется по формуле:

(2.14)

где — сумма сопротивлений паропроницанию слоев ограждения от внутренней поверхности до рассматриваемой плоскости Х, (м² • ч • Па)/мг.

Вычисляем и, наносим на график и соединяем со штриховой линией:

Для построения линии падения максимальной упругости Е (R_П) сначала вычисляют температуры на границах и промежутках слоев ограждения по формуле:

(2.15)

где — наружная средняя температура воздуха за соответствующий период года. Для холодного периода:

;

По вычисленным температурам по [1, приложение 7] определяются значения максимальной упругости водяного пара Е (t_х) для каждого слоя ОК.

Е₁ = 2225 Па;

Е₂ = 2115 Па;

Е₃ = 1629 Па;

Е₄ = 347,5 Па;

Е₅ = Е_СН= 309 Па.

Из-за большой толщины во втором слое построим дополнительные точки.

Е'=1865 Па;

Е^«=1705 Па.

Для теплого периода:

?С;

По вычисленным температурам по [1, приложение 7] определяются значения максимальной упругости водяного пара Е (t_х) для каждого слоя ОК.

Е₁ = 2309 Па;

Е₂ = 2281 Па;

Е₃ = 2129 Па;

Е₄ = 1497 Па;

Е₅ = 1431 Па.

Т.к. в период отрицательных температур линии е и Е пересекаются, то возможна конденсация паров влаги внутри ограждающей конструкции. В этом случае из точек и проводим касательные к линии Е. Точки касания и выделяют в ограждающей конструкции «зону конденсации» водяного пара. Сопряженные точки —- представляет собой кривую действительного падения упругости водяного пара в ограждении.

При наличии зоны конденсации необходимо определить количество влаги, конденсирующейся в ограждении при стационарных условиях диффузии водяного пара. Количество пара, поступающего к зоне конденсации из помещения, вычисляется по формуле:

(2.16)

где — сумма сопротивлений паропроницанию отдельных слоев ограждающей конструкции от внутренней поверхности до границы зоны конденсации, (м² • ч • Па)/мг.

=3,534 (м² • ч • Па)/мг.

Тогда для периода с отрицательными температурами:

(мг/м²?ч).

Количество пара, уходящего из зоны конденсации наружу, вычисляется по формуле:

(2.17)

где — сумма сопротивлений паропроницанию отдельных слоев ОК от правой границы зоны конденсации (Е_КН) — до наружной поверхности, мг/м²?ч.

мг/м²?ч.

Удельное количество конденсирующейся влаги:

мг/м²?ч.

Для периода с положительными температурами:

мг/м²?ч.

мг/м²?ч.

Высыхание будет идти в обоих направлениях, по направлению к наружной и внутренней поверхности ограждения:

Так как-то годовой баланс влаги в ограждении будет нормальным, Соотношение удельных потоков фактически выражает соотношение удельных скоростей процессов сорбции и десорбции влаги (сушки) в ограждающей конструкции.

Список литературы

1. Строительная теплофизика: Методические указания к курсовой работе для студентов спец. 290 700 / Сост.: Р. А. Садыков, Р. В. Иванова — Казань: КГАСУ, 2008. — 39 с

2. СНиП 23−02−2003. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция — М.: НИИСФ РААСН, 2012. — 95 с.

3. СНиП 2.01.01−82. Строительная климатология и геофизика.- М.: Стройиздат, 1983. — 136 с.

4. СНиП 23−01−99*. Строительная климатология. Актуализированная версия — М.: НИИСФ РААСН при участии ФГБУ ГГО им. А. И. Воейкова Росгидромета ФБУ, НИЦ «Строительство», 2012. — 108 с.

5. СНиП 11−3-79*.Строительная теплотехника / Минстрой России. — М.: ГП ЦПП, 1996. — 29 с.

6. Ильинский В. М. Строительная теплофизика.- М.: Высшая школа, 1974. — 319 с.

7. Богословский В. Н. Строительная теплофизика.- М.: Высшая школа, 1982. — 415 с.