Расчет теплозащиты здания в г. Нерчинск

Расчет теплозащиты здания в г. Нерчинск

Курсовая работа

«Расчет теплозащиты здания в г. Нерчинск»

ДС.270800.Ст-310701.10.13КР

Введение

теплозащита ограждающий конструкция здание

Объект данной курсовой работы - ограждающие конструкции, контактирующие с внешней средой.

Цель - усвоение теоретического материала и приобретение навыков анализа соответствия строительных конструкций требованиям строительных теплотехнических норм.

Исходные данные принимаются в зависимости от назначения здания и климата района строительства для варианта №8.

Необходимый справочный материал берется в методических указаниях к курсовой работе и практическим занятиям «Расчет теплозащиты зданий».

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Объект - жилое помещение (междуэтажное расположение).

Город - Нерчинск, Россия.

Схема ограждающих конструкций (рис. 1)

,4 -асбестоцементный лист (r = 1800);

- минераловатные плиты мягкие (r = 100);

- воздушная прослойка

План жилой комнаты( рис. 2)

Схема междуэтажных перекрытий (рис. 3)

Характеристика климата

Температура наружного воздуха:

Холодной пятидневки tХП= -440С

Средняя температура отопительного периода tОП= -15,1 0С

Относительная влажность воздуха jj = 55 %.

Продолжительность отопительного периода ZОП=230 сут

Расчетная температура внутреннего воздуха tв принимается для жилых комнат согласно [1] в холодный период года равной +18 оС при температуре холодной пятидневки tн³-30 0С и +20 оС при tн <-30 0С.

 tв=20 оС, так как температура холодной пятидневки tн³-30 0С

Теплотехнические показатели строительных материалов принимаются в зависимости от условий эксплуатации ограждающих конструкций. При зоне влажности 3 и влажный режим «нормальный», условия эксплуатации - Б.

Для заданной конструкции НС коэффициенты теплопроводности и теплоусвоения при условии эксплуатации - Б.

Термическое сопротивление воздушной прослойки Rвп=0,16 Вт/(м×0С)

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Согласно строительным нормам [2] сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R0 следует принимать равным большему из двух: (требуемое сопротивление теплопередаче по санитарно-гигиеническим условиям) и (сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения).

Требуемое сопротивление теплопередаче

Сопротивление теплопередаче  является наименьшим, при котором обеспечивается допустимая по санитарно-гигиеническим требованиям минимальная температура внутренней поверхности ограждения при расчетной зимней температуре наружного воздуха, и рассчитывается по формуле:

,(1)

 м2 оС / Вт

Требуемое сопротивление теплопередаче окон  принимается согласно [2] в зависимости от разности температур внутреннего воздуха и средней температуры наиболее холодной пятидневки (tв - tн) по табл. П.7.2.

При tв - tн = 64  м2 оС / Вт. Тройное остекление в деревянном переплете (спаренный и одинарный).

Сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения

Сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения  принимается по таблице ( Сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения) в зависимости от величины градусо-суток отопительного периода В :

В = (tв - tоп ) Zоп,

где tоп - средняя температура наружного воздуха за отопительный период, оС;оп - продолжительность отопительного периода, сут.

В = (20+15,1)*230=8073

Принимаем значение равное 8 тысячам градусо-суток.

=4,2 м2 оС / Вт

=0,5 м2 оС / Вт

Определение толщины утепляющего слоя

Расчетное сопротивление теплопередаче  ограждающей конструкции принимается равным большему из полученных значений и  . Из уравнения (2) находится термическое сопротивление слоя утеплителя Riут , по величине которого можно определить толщину утепляющего слоя конструкции:

 = 1 /aaв +R1+…+ Riут + …+ Rn +1/aaн,(2)

где R1 … Riут … Rn - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, определяемые для всех слоев (за исключением воздушных прослоек) как Ri = di / li , м2. оС / Вт. Термическое сопротивление замкнутых вертикальных воздушных прослоек при толщине 0,03...0,05 м можно принять согласно [2] Rвп = 0,16 м2 оС / Вт;

di - толщина i -го слоя, м;

li - коэффициент теплопроводности материала i -го слоя, Вт/(м. оС);н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции; для зимних условий согласно [2] для поверхностей, соприкасающихся с наружным воздухом, aaн =23 Вт /(м2 .оС).

Rв+d1 / l1+d2ут / l2+Rвп+d4ут / l4+ Rвп+d6ут / l6+d7 / l7+Rн = Ro

d2ут=0,02 (м)

ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ПОМЕЩЕНИЯ

Тепловой режим помещения, как правило, нестационарный. Это связано с изменениями температуры наружного воздуха, теплоотдачи систем отопления, тепловыделений от оборудования, теплопоступлений от солнечной радиации.

Способность ограждающих конструкций помещения уменьшать колебания температуры внутреннего воздуха при периодических тепловых потоках называется теплоустойчивостью помещения.

Оценку теплоустойчивости помещения производят по величине амплитуды колебания температуры внутреннего воздуха. При регулировании систем центрального отопления допустимая амплитуда колебания температуры воздуха в помещении Аtв составляет ± 1,5 оС, при печном отоплении ± 3 оС. При аварийном режиме и дежурном отоплении температура внутреннего воздуха не должна опускаться ниже + 5 оС, а допустимая амплитуда изменения температуры внутреннего воздуха не должна превышать величину (tв - 5) / 2.

В курсовой работе необходимо определить амплитуду изменения температуры внутреннего воздуха для заданной комнаты при регулировании работы системы центрального отопления пропусками при tн = 0 0С. Режим регулирования принять следующий: m = 3 часа - натоп (система отопления работает), n = 3 часа - пропуск (система отопления отключена).

Величина Аtв рассчитывается по формуле

Аtв = ± 0,7 MQср / SBiFi ,(3)

ср = (m Qмакс + n Qмин) / (m + n) =(Qмакс + Qмин)/2= Qмакс/2;

Qмакс = Qтп;мин = 0;тп = Qнс + Qок = Fнс*(tв-tн)/R0нс + Fок*(tв-tн)/R0ок;тп = 1/4,2 *6,3*20 + 1/0,53*2,7*20= 30+101,9=131,9 Вт;ср=131,9/2=65,95 Вт;

М= Qмакс/2 Qср =1;

Коэффициенты теплопоглощения В внутренних поверхностей ограждений в Вт/(м2×оС) находятся по формуле

B = 1/(1/aв + 1/Yв) ,(4)

Способ определения величины Yв зависит от положения границы слоя резких колебаний температуры. Инерционность слоя резких колебаний численно равна единице (DРК = 1). Здесь используется показатель инерционности D, определяемый как

D = R*S,

где S - коэффициент теплоусвоения материала, Вт/(м2. оС).

Если тепловая инерция первого от внутренней поверхности слоя ограждающей конструкции D1 = R1S1 > 1, граница слоя резких колебаний температуры находится в пределах первого слоя ограждения. В этом случае затухание колебаний температуры по толщине ограждения определяется только теплотехническими свойствами материала первого слоя и Yв = S1.

Если тепловая инерция первого слоя D1 < 1, следует рассчитать тепловую инерцию второго слоя D2 = R2S2 и определить тепловую инерцию первых двух слоев D1+D2. При D1 + D2 > 1 граница слоя резких колебаний температуры находится в пределах второго слоя конструкции и на затухание колебаний температуры оказывают влияние теплотехнические свойства материалов и первого и второго слоев. Поэтому

,

Для других случаев положения границы слоя резких колебаний температуры величина Yв может быть определена по методике, приведенной в [3].

Исходные данные для расчета

Расчет инерционности и коэффициента теплоусвоения ограждений

= SтаблSтабл

=6 часов= R*S=di / li *S1z

ВП:D1=0,006*2*8,12/0,52=0,187<1 следовательно, рассчитываем D2=0,38*2*10,9/1,86=4,454+D2=0,187+4,454=4,641>1

 Вт/(м×0С)=1/(1/8,7+1/19,85)=6,049 Вт/(м×0С)=6,049*15,3=92,55 Вт/0C

ВП:D1=0,006*2*8,12/0,52=0,187<1 следовательно, рассчитываем D2=0,1*2*17,9/1,86=1,925+D2=0,187+1,925=2.112>1

 Вт/(м×0С)=1/(1/8,7+1/27,49)=6,609 Вт/(м×0С)=6,609*15,3=101,118 Вт/0C

ДО:D1=0,04*2*4,54/0,18=2,018>1

=S1z=2*4,54=9,08 Вт/(м×0С)=1/(1/8,7+1/9,08)=4,443 Вт/(м×0С)=4,443*3,6=15,99 Вт/0C

ПЛ:D1=0,04*2*4,54/0,18=2,018>1

=S1z=2*4,54=9,08 Вт/(м×0С)=1/(1/8,7+1/9,08)=4,443 Вт/(м×0С)=4,443*17,1=75,98Вт/0C

ПТ:D1=0,005*2*11,1/0,93=0,119<1 следовательно, рассчитываем D2=0,22*2*17/2,04=3,67+D2=0,119+3,67=3,789>1

 Вт/(м×0С)=1/(1/8,7+1/30,986)=6,793 Вт/(м×0С)=6,793*17,1=116,16 Вт/0C

Результаты расчета теплопоглощения

Амплитуда колебания температуры воздуха в помещении

Аtв = ± 0,7 *1*65,95/401,798= ±0,1150C< ±1,50C

Амплитуда колебания меньше допустимого, значит режим регулирования отпуска тепла допустим.

ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ ОГРАЖДЕНИЯ

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции должно быть не ниже требуемого, определяемого по теплотехническим нормам [2].

Расчет возможного влажностного режима заданной конструкции ограждения предлагается провести, исходя из стационарного режима и учитывая только диффузию водяных паров через ограждение [2,3]. В результате расчета необходимо сделать вывод о возможности конденсации водяных паров в толще ограждения.

Сначала необходимо найти распределение температуры по толщине ограждения при температуре наружного воздуха tн, равной температуре наиболее холодной пятидневки tхп. Искомые температуры можно определить аналитическим или графическим методом.

В первом случае расчет выполняется по формуле

,(13)

или ,(14)

гдеtx- температура в сечении x, 0C;в- расчетная температура внутреннего воздуха, 0C;- общее сопротивление теплопередаче ограждения, м2×0C /Вт;

- сумма термических сопротивлений на участке от воздуха помещения до рассматриваемого сечения, м2×0C /Вт;

q = (tв-tн)/R0- теплопотери через 1 м2 поверхности стены, Вт/м2.

Общее сопротивление теплопередаче

= 4,2 м2×0C /Вт.

Для расчета температуры внутренней поверхности ограждения tв сумма термических сопротивлений на участке от воздуха помещения до внутренней поверхности стены равна Rв .Тогда

tв = 20 ­-64*0,115/4,2 = 18,25 0С.

Температура на границе первого и второго слоев

t1 = 20 - 64(0,115+0,0116) /4,2= 18,07 0С.

Аналогично для остальных температур:

t2 = 20 - 64*(0,115+0,0116+3,86)/4,2 = -40,75 0С,

t3 = 20 - 64*(0,115+0,0116+3,86+0,16)/4,2 = -43,19 0С,

Температура на наружной поверхности

tн = 20 - 64*(0,115+0,0116+3,86+0,16+0,0116)/4,2 = -43,360С.

Эта же задача может быть решена графическим методом (рис. 4). На миллиметровой бумаге по горизонтальной оси откладываются значения термических сопротивлений Rв, R1, ..., Rн, а по вертикальной оси - значения температур в масштабе. Со стороны RB наносится точка tв, а со стороны Rн-точка tн и соединяются прямой линией.

Значения температур на границах слоев определяются точками пересечения наклонной линии изменения температуры с вертикальными линиями, проходящими через границы термических сопротивлений соответствующих слоев.

График изменения температуры по толщине ограждения наносится также на чертеж ограждения, выполненный в масштабе 1:5 (рис. 5). На чертеже в нижней части строится шкала значений парциальных давлений водяных паров в масштабе и производится построение линии максимальных парциальных давлений Е, значения которых определяются в зависимости от температур в слоях ограждения по формуле М.И. Фильнея [6] в диапазоне температур 0...100 оС :

,(15)

где Е - парциальное давление насыщенного водяного пара, Па;- температура пара (воздуха), оС.

График изменения действительных парциальных давлений водяных паров по толщине ограждения может быть построен по вычисленным их значениям в характерных точках ограждения:

,(16)

Или

,(17)

гдеев, ен- действительные парциальные давления водяных паров во внутреннем и наружном воздухе, Па: ев = jвЕв;ен = jнЕн;

jв, jн- относительная влажность внутреннего и наружного воздуха (0,6 и 0,8 соответственно);

Ев, Ен- максимальное парциальное давление водяного пара, рассчитанное при температурах tВ и tН соответственно, Па;по- общее сопротивление паропроницанию ограждения, м2×ч×Па/мг;

- сумма сопротивлений паропроницанию на участке от внутренней поверхности ограждения до рассматриваемого сечения, м2×ч×Па/мг;

m = (eв - ен)/Rпо- расход пара, проходящего через 1 м2 поверхности

ограждения, мг/(м2×ч).

Общее сопротивление паропроницанию принятой конструкции ограждения состоит из сопротивлений паропроницанию отдельных слоев конструкции ограждения: Rпо = Rп1+...+Rпn, где Rпi = δi/μi - сопротивление паропроницанию слоя ограждения; di - толщина слоя ограждения, м; mi - коэффициент паропроницаемости материала слоя, мг/(м×ч×Па), принимаемый по таблице Физических характеристик строительных материалов.

Максимальные парциальные давления водяного пара:

=2089 Па,

=2065 Па,

=1227 Па,

=614 Па,

=288 Па,

=126 Па,

=51Па,

=15 Па.

=13,5 Па.

=13,2 Па.

dно=0,006+0,02+0,05+0,006=0,082 м

Действительные парциальные давления водяного пара:

ев = jвЕв=1407 Па (jв=0,6),

ен = jнЕн=9,8 Па (jн =0,8),

= ∑Rп=∑ δi/μi

=0,06/0,03+0,02/0,12+0,06/0,03=4,17 м2×ч×Па/мг.

Па,

Па,

Па,

ВОЗДУХОПРОНИЦАНИЕ

Под влиянием ветра и теплового напора через щели, поры, неплотности, имеющиеся в наружных ограждениях, в помещения может проникать наружный воздух. Это явление, называемое инфильтрацией, приводит к увеличению затрат на отопление, так как часть тепла идет на нагревание инфильтрующегося воздуха. С целью уменьшения и наиболее точного учета этих затрат производят проверку соответствия ограждающих конструкций требованиям строительных норм по инфильтрации и расчет количества тепла на нагревание проникающего в помещение воздуха.

При выполнении расчетов в этом разделе количество этажей в здании принять равным 10, а номер этажа расчетного помещения - по последней цифре номера задания.

Проверка ограждающих конструкций на инфильтрацию

Требуемое сопротивление инфильтрации для стен и окон определяется по формулам [2]:

,(18)

,(19)

Разность давлений воздуха, под действием которой происходит инфильтрация, определяется по формуле

,(20)

гдеH - высота здания, принимаемая равной 30 м;

gН, gВ - удельный вес наружного и внутреннего воздуха, Н/м3, определяемый как

g = 3463 / (273+t) при подстановке tН для gН и tВ для gВ;

v - скорость ветра по [5], для расчетов принять n = 5 м/с.

gн=3463/(273+(-44))=15,12 Н/м2

gв=3463/(273+20)=11,82 Н/м2

P=0,55*30*(15,12-11,82)+0,03*15,12*52=65,79 Па

=65,79/0,5=131,58 м2×ч×Па/кг

=65,792/3/6=2,5 м2×ч×Па2/3/кг

Рассчитанные значения сопоставляются с фактическими значениями , определяемыми в зависимости от вида ограждения.

Для наружных стен фактическое сопротивление воздухопроницанию определяется как

Rи,нс = Rи1+Rи2+...+ Rиn,

гдеRи1, Rи2, ..., Rиn- сопротивления воздухопроницанию слоев ограждения, определяемые как RИ = d / i, м2×ч×Па/кг; d- толщина слоя ограждения, м; i- коэффициент воздухопроницания материала слоя, кг/(м×ч×Па), принимаемый по табл. Физических характеристик строительных материалов.

Rи,нс=0,006/(0,03*10-3)+0,02/(0*10-3)+ 0,006/(0,03*10-3)=400 м2×ч×Па/кг

Для заполнений окон сопротивление воздухопроницанию принимается по табл. Сопротивлений воздухопроницанию световых проемов.

Rи,ок=2,57 м2×ч×Па2/3/кг

На основании сопоставления значений требуемых и фактических сопротивлений воздухопроницанию проверяется выполнение условий

и,нс ≥ ;Rи,ок ≥

и делается вывод о соответствии запроектированной конструкции действующим нормативам. Условие выполняется, а значит запроектированная конструкция соответствует действующим нормативам.

По условия воздухопроницания мы выбираем тройное остекление в раздельных и спаренных переплетах с 3 уплотненными притворами, сопротивлением равным 2,57 м2×ч×Па2/3/кг

Расчет затрат тепла на инфильтрацию

В этом разделе работы необходимо определить затраты тепла на нагревание инфильтрующегося воздуха, затраты тепла на компенсацию тепловых потерь через наружные ограждения (стены и окна) и определить долю затрат тепла на инфильтрацию от общих теплопотерь помещения.

Расход тепла на нагрев инфильтрующегося воздуха Qи определяется по формуле [1]:

,

гдес - удельная теплоемкость воздуха; с = 1000 Дж/(кг×0С);нс, Gок- расходы воздуха, инфильтрующегося через наружные стены

и окна, кг/(м2×ч);нс, Fок- площади наружных стен и остекления, м2;

Анс, Аок- коэффициенты, учитывающие действие встречного теплового

потока; Анс = 0,8; А ок = 0,6;В - температура внутреннего воздуха,0С:Н- расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем

отопления и вентиляции в холодный период года, принимаемая равной

средней температуре наиболее холодной пятидневки (tН = tХП),0С.

Фактический расход инфильтрующегося воздуха рассчитывается для наружных стен и остекления по формулам:

;,

гдеDРФ- фактическая разность давлений воздуха, Па;и,нс; Rи,ок- фактические сопротивления инфильтрации.

Фактическая разность давлений находится по выражению

∆Pф = (H - h)(γн - γв) + 0,05 γн v2(Cн - Cз)k ,

гдеh- расстояние от уровня земли до оси рассчитываемого ограждения, м;

для 10 этажа h=3*10-1,5=28,5 мН, С3- значения ветровых коэффициентов на наветренной и заветренной сторонах здания по [6]; в расчетах принять СН = 0,8; С3 = - 0,6;- коэффициент, учитывающий высоту здания и тип местности по [5];

 в расчетах принять k = 1.

DРФ=(30-28,5)*(15,12-11,82)+0,05*15,12*52*(0,8-(-0,6))*1=31,41 Па

=31,412/3/2,57=3,92 кг/(м2*ч)и=1000/3600*(0,079*6,3*0,8+3,92*2,7*0,6)*(20+44)=119,97 Вт

После определения Qи следует рассчитать потери тепла через наружные ограждения расчетного помещения QТП:

ТП = QТП,НС + QТП,ОК = (Fнс/Rо,нс + Fок/Rо,ок)(tв - tн),

гдеRО,НС; RО,ОК- общие сопротивления теплопередаче для наружных стен и остекления.

ТП=(Fок/Rо,ок+Fнс/Rо,нс)*(tв-tн)=(2,7/0,53 + 6,3/4,2)*64=422 Вт

Общие теплопотери расчетного помещения Q0 равны сумме теплопотерь через наружные ограждения и потерь тепла на инфильтрацию:

Q0 = QТП + QИ,

Q0=422+119,97=441,97 Вт.

а доля затрат тепла на инфильтрацию в общих теплопотерях составити/Qо=119,97/441,97*100%=27%

Заключение

Согласно строительным нормам сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R0 следует принимать равным большему из двух: (требуемое сопротивление теплопередаче по санитарно-гигиеническим условиям) и (сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения).

Тепловой режим помещения, как правило, нестационарный. Это связано с изменениями температуры наружного воздуха, теплоотдачи систем отопления, тепловыделений от оборудования, теплопоступлений от солнечной радиации.

Способность ограждающих конструкций помещения уменьшать колебания температуры внутреннего воздуха при периодических тепловых потоках называется теплоустойчивостью помещения. Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции должно быть не ниже требуемого, определяемого по теплотехническим нормам.

Расчет возможного влажностного режима заданной конструкции ограждения предлагается провести, исходя из стационарного режима и учитывая только диффузию водяных паров через ограждение. В результате расчета необходимо сделать вывод о возможности конденсации водяных паров в толще ограждения.

Под влиянием ветра и теплового напора через щели, поры, неплотности, имеющиеся в наружных ограждениях, в помещения может проникать наружный воздух. Это явление, называемое инфильтрацией, приводит к увеличению затрат на отопление, так как часть тепла идет на нагревание инфильтрующегося воздуха. С целью уменьшения и наиболее точного учета этих затрат производят проверку соответствия ограждающих конструкций требованиям строительных норм по инфильтрации и расчет количества тепла на нагревание проникающего в помещение воздуха. При выполнении расчетов в этом разделе количество этажей в здании принять равным 10, а номер этажа расчетного помещения - по последней цифре номера задания.

Список использованной литературы

РАСЧЕТ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ: Методические указания к курсовой работе и практическим занятиям / Ю.И.Толстова, Р.Н. Шумилов. Екатеринбург: УрФУ, 2012.-32 с.