Теплотехнический анализ здания: особенности и вычислительные формулы с практическими примерами

В процессе эксплуатации зданий крайне важно избежать как перегрева, так и переохлаждения. Для достижения комфортных условий необходимо провести теплотехнический анализ, который так же важен, как и расчеты, касающиеся экономичности, прочности, огнестойкости и долговечности сооружений.

Выбор строительных материалов для ограждающих конструкций основывается на теплотехнических требованиях, климатических условиях, а также параметрах паро- и влагопроницаемости. В данной статье мы рассмотрим, как именно провести такие расчеты.

Основные задачи теплотехнического анализа

Теплотехнические характеристики несущих конструкций здания влияют на множество факторов, включая влажность материалов и температурные режимы, которые определяют наличие или отсутствие конденсата на перегородках и перекрытиях.

Расчет позволяет установить, будут ли поддерживаться требуемые температурные и влажностные условия как при положительных, так и при отрицательных температурах. Ключевым параметром является количество тепла, которое теряется через ограждающие конструкции в зимний период.

Проектирование без этих данных является невозможным. На их основании выбирается толщина стен и перекрытий, а также порядок расположения слоев.

Согласно стандарту ГОСТ 30494-96, температура в помещениях должна поддерживаться на уровне около 21°C, в то время как относительная влажность не должна выходить за пределы комфортных значений, составивших в среднем 37%. Максимальная скорость движения воздуха — 0,15 м/с.

Цели теплотехнического анализа включают:

1. Определение соответствия конструкций предъявляемым требованиям по тепловой защите.
2. Оценка качества обеспечения комфортного микроклимата внутри здания.
3. Установка уровня оптимальной тепловой защиты конструктивных элементов.

Ключевым моментом является обеспечение баланса температур внутренней среды и внешнего климата. При нарушении этого баланса теплотехнические элементы здания будут поглощать тепло, что приведет к снижению температуры внутри.

Изменения тепловых потоков не должны существенно влиять на внутренние температуры, поскольку этот параметр характеризуется понятием теплоустойчивости.

Через теплотехнический расчет определяются оптимальные размеры (в минимальных и максимальных значениях) толщины стен и перекрытий, что способствует долговечной эксплуатации зданий без риска перегрева или промерзания.

Необходимые параметры для теплотехнического расчета

Для выполнения теплотехнического анализа требуется ряд исходных данных.

Эти данные зависят от множества факторов, в том числе:

1. Назначения и типа строения.
2. Ориентации вертикальных ограждений по отношению к сторонам света.
3. Географического положения участка строительства.
4. Общего объема здания, количества этажей и площади.
5. Характеристик и размеров оконных и дверных проемов.
6. Системы отопления и её технических параметров.
7. Числа постоянных жителей.
8. Материалов, из которых выполнены вертикальные и горизонтальные ограждения.
9. Типа перекрытий верхнего этажа.
10. Наличия системы горячего водоснабжения.
11. Системы вентиляции.

Также учитываются и другие конструктивные особенности здания. Например, воздухопроницаемость ограждающих конструкций не должна способствовать чрезмерному охлаждению и снижению теплозащитных свойств элементов.

Чрезмерная влажность стен может привести к потере тепла и, как следствие, к образованию сырости, что негативно сказывается на долговечности здания.

Во время анализа в первую очередь определяется теплотехнические характеристики используемых материалов для ограждений. Кроме этого, следует установить эффективное сопротивление теплопередаче и его соответствие нормативам.

Выводимые формулы для расчета

Потери тепла в здании делятся на два основных типа: утечки через ограждающие конструкции и потери, связанные с работой системы вентиляции. Также существует потеря тепла при сливе горячей воды в канализацию.

Потери через ограждения

Для материалов ограждающих конструкций необходимо определить коэффициент теплопроводности (Кт в Вт/(м·°C)), который можно найти в специальных справочниках.

Зная толщину слоев, можно по формуле R = S/Кт вычислить термическое сопротивление каждого слоя. Если конструкция состоит из нескольких слоев, все значения суммируются.

Определить размеры потерь тепла проще всего, суммировав тепловые утечки через ограждающие конструкции здания.

При этом стоит учесть, что различные материалы имеют разные структуры и соответственно отличаются скоростью теплопередачи.

Для каждой конструкции потери тепла рассчитываются по формуле:

Q = (A / R) х dT

• А — площадь в м².
• R — теплопроводность конструкции.
• dT — температура на улице и в помещении. Этот параметр определяют для самого холодного пятидневного периода.

Таким образом, расчет можно проводить только для самого холодного периода в пять дней. Общие потери тепла за зиму определяются исходя из параметра dT с использованием средней температуры.

Влияние на усвоение тепла и теплоотдачу также оказывает влажность климатических условий региона, поэтому при расчетах используют данные о влажности.

Далее вычисляется количество энергии, необходимое для компенсации потерь тепла, вызванных утечками через конструктивные элементы и вентиляцию, что обозначается буквой W.

Формула для вычисления энергии выглядит так:

W = ((Q + Qв) х 24 х N)/1000

Где N — продолжительность отопительного периода в днях.

Недостатки расчета по площади

Расчет на основе площади не отличается высокой точностью. При этом не учитываются такие параметры, как климатические условия, минимальные и максимальные температурные значения, влажность, что приводит к значительным погрешностям.

В попытках минимизировать эти погрешности зачастую в проекте закладывают определенный запас.

Если для расчета выбран именно этот подход, следует учитывать следующие аспекты:

1. При высоте ограждений до трех метров и не более чем двух проемах на одной стене, рекомендует умножить результат на 100 Вт.
2. Если проект включает балкон с двумя окнами или лоджией, умножают на 125 Вт.
3. В случае промышленных или складских помещений применяют множитель 150 Вт.
4. Если радиаторы располагаются вблизи окон, их расчетная мощность увеличивается на 25%.

Формула для расчета выглядит следующим образом:

Q = S х 100 (150) Вт.

Где Q — комфортный уровень тепла внутри здания, S — площадь отапливаемого помещения в м². Значения 100 или 150 — это удельные показатели тепловой энергии, необходимой для нагрева 1 м².

Потери через вентиляцию

Ключевым параметром в этом контексте является частота воздухообмена. Если стены являются паропроницаемыми, этот коэффициент равен единице.

Холодный воздух попадает в здание через приточную вентиляцию, в то время как вытяжная система удаляет теплый воздух. Кроме того, потери могут быть снижены с помощью рекуператоров тепла, которые предотвращают утечку тепла с выходящим воздухом и нагревают поступающий.

Полное обновление воздуха в помещении предполагается за один час. Здания, строящиеся по нормам DIN, имеют пароизоляцию стен, следовательно, кратность воздухообмена принимается равной двум.

Формула для определения теплопотерь через вентиляцию имеет следующий вид:

Qв = (V х Кв : 3600) х Р х С х dT

Во этих обозначениях:

1. Qв — потеря тепла через вентиляцию.
2. V — объем помещения в м³.
3. Р — плотность воздуха, принимаемая равной 1,2047 кг/м³.
4. Кв — кратность воздухообмена.
5. С — удельная теплоемкость: 1005 Дж/(кг·°C).

После выполнения этого расчета становится возможным определить необходимую мощность отопительного котла. Если она оказывается слишком высокой, целесообразно рассмотреть установку вентиляционной системы с рекуперацией. Рассмотрим несколько примеров теплотехнического расчета для домов из различных материалов.

Пример теплотехнического расчета №1

Рассмотрим теплотехнический расчет жилого дома, расположенного в 1 климатической зоне России, подрайон 1В. Данные взяты из таблицы 1 СНиП 23-01-99. Минимальная температура в течение пяти дней с обеспечением 0,92 равна tн = -22°C.

Согласно СНиП, отопительный период продолжается 148 дней. Средняя температура за этот период при среднесуточных температурах наружного воздуха 8°C составляет tот = -2,3°C, а температура снаружи в отопительный период — tht = -4,4°C.

Теплопотери дома — это критически важный аспект на этапе его разработки. Результаты расчетов напрямую влияют на выбор строительных материалов и теплоизоляции. Полностью исключить потери невозможно, но важно стремиться к минимизации этих потерь до разумного уровня.

При этом необходимо обеспечить в помещениях уровня температуры около 22°C. Дом имеет два этажа, высота составляет 7 м, а его размеры в плане — 10 х 10 м, толщина стен равна 0,5 м. Материалом для вертикальных оградительных конструкций является теплоизоляционная керамика, с коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м·°C).

В качестве наружной теплоизоляции используется минеральная вата толщиной 5 см, обладающая коэффициентом теплопроводности Кт = 0,04 Вт/м×С. В доме имеется 15 оконных проемов, каждый из которых занимает площадь 2,5 м².

Теплопотери через стены

Для начала необходимо вычислить термическое сопротивление как для керамической стенки, так и для теплоизоляционного материала. Для первой R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 кв. м×С/Вт, а для второй R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 кв. м×С/Вт. Общее термическое сопротивление для вертикальной конструкции равно R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 кв. м×С/Вт.

Так как теплопотери пропорциональны площади стен, вычислим ее:

А = 10 х 4 х 7 – 15 х 2,5 = 242,5 м²

Теперь можно подсчитать тепловые потери через стены:

Qс = (242,5 : 4,375) х (22 – (-22)) = 2438,9 Вт.

Аналогичным образом рассчитываются теплопотери через горизонтальные конструкции. Все результаты складываются.

В случае наличия подвала теплопотери через пол и фундамент будут меньше, так как учитывается температура грунта, а не наружного воздуха.

Если подвал под первым этажом отапливается, утеплять пол не требуется. Однако стены подвала рекомендуется обшить утеплителем, чтобы минимизировать потерю тепла в грунт.

Оценка потерь через вентиляцию

Для упрощения расчетов толщину стен не принимают во внимание, а просто вычисляют объем воздуха внутри:

V = 10х10х7 = 700 м³.

При коэффициенте воздухообмена Кв = 2 потери тепла будут равны:

Qв = (700 х 2) : 3600 х 1,2047 х 1005 х (22 – (-22)) = 20 776 Вт.

Qв = (700 х 1) : 3600 х 1,2047 х 1005 х (22 – (-22)) = 10 358 Вт.

Для обеспечения эффективной вентиляции в жилых помещениях используют роторные и пластинчатые рекуператоры. У первых КПД выше и может достигать 90%.

Пример теплотехнического расчета №2

Необходимо произвести расчет теплопотерь через дерево, выполненное из кирпича толщиной 51 см и утепленное слоем минеральной ваты в 10 см. Внешняя температура составляет 18°C, а внутренняя — 22°C. Размеры стены составляют 2,7 м высоты и 4 м длины. Эта стенка единственная внешняя и ориентирована на юг, внешние двери отсутствуют.

Коэффициент теплопроводности кирпича равен Кт = 0,58 Вт/м²С, минеральной ваты — 0,04 Вт/м²С. Термическое сопротивление будет следующим:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 кв. м×С/Вт, R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 кв. м×С/Вт. Общее термическое сопротивление: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 кв. м×С/Вт.

Площадь внешней стены: А = 2,7 х 4 = 10,8 м²

Теперь вычисляем теплопотери через стену:

Qс = (10,8 : 3,379) х (22 – (-18)) = 127,9 Вт.

Расчет потерь тепла через окна осуществляется по аналогичной формуле, однако термическое сопротивление окон, как правило, указывается в паспорте, и его рассчитывать не нужно.

Окна в теплоизоляции дома – это «слабое звено». Они способствуют значительным потерям тепла. Для их уменьшения используют многослойные стеклопакеты, теплоотражающие пленки и двойные рамы, но это не исключает теплопотерей полностью.

Если в доме установлены энергосберегающие окна размерами 1,5 х 1,5 м², обращенные на север, и их термическое сопротивление равно 0,87 м²×°С/Вт, то потери составят:

Qо = (2,25 : 0,87) х (22 – (-18)) = 103,4 Вт.

Пример теплотехнического расчета №3

Рассмотрим тепловой расчет деревянного здания из бревен, где фасад состоит из сосновых бревен толщиной 0,22 м. Для данного материала коэффициент К = 0,15. В таких условиях теплопотери будут составлять:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 м²×°С/Вт.

Самая низкая температура в течение пяти дней составила -18°, тогда как комфортной температурой в доме считается 21°. Разница равняется 39°. При площади 120 м² расчет будет следующим:

Qс = 120 х 39 : 1,47 = 3184 Вт.

Для сравнения определим теплопотери кирпичного дома. Коэффициент для силикатного кирпича составляет 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 м²×°С/Вт.
Qс = 120 х 39 : 0,306 = 15 294 Вт.

На одинаковых условиях деревянный дом оказывается более экономичным. Силикатный кирпич в данном случае не является оптимальным вариантом для возведения стен.

Деревянное здание характеризуется высокой теплоемкостью, что позволяет его конструкции надолго удерживать комфортную температуру. Тем не менее, даже бревенчатый дом требует утепления, оптимально применяя утеплитель как снаружи, так и изнутри.

Специалисты в области строительства и архитектуры настоятельно рекомендуют проводить теплотехнический расчет во время проектирования систем отопления, чтобы подобрать соответствующее оборудование и выбрать эффективную систему утепления.

Пример теплорасчета №4

Проектируется дом в московском регионе. Для анализа была выбрана стена, изготовленная из пеноблоков, утепленная экструдированным пенополистиролом, а отделка выполнена известково-песчаной штукатуркой с обеих сторон.

Плотность пенополистирола равняется 24 кг/м³.

Относительная влажность воздуха в помещении составляет 55% при средней температуре 20°. Толщина каждого слоя конструкции:

• штукатурка — 0,01 м;
• пенобетон — 0,2 м;
• пенополистирол — 0,065 м.

Цель — найти необходимое и фактическое сопротивление теплопередаче. Для этого вычисляем Rтр, подставляя данные в формулу:

Rтр=a х ГСОП+b

где ГОСП — это градусо-сутки в отопительный период, а a и b — коэффициенты, указанные в таблице №3 Свода Правил 50.13330.2012. Поскольку здание является жилым, a = 0,00035, а b = 1,4.

ГСОП вычисляют по формуле:

ГОСП = (tв – tот) х zот.

где tв = 20°, tот = -2,2°, а zот = 205 — продолжительность отопительного периода в днях. Следовательно:

ГСОП = (20 – (-2,2)) х 205 = 4551° С х сут.;

Rтр = 0,00035 х 4551 + 1,4 = 2,99 м²×°С/Вт.

Учитывая данные из таблицы №2 СП50.13330.2012, определяем коэффициенты теплопроводности для каждого слоя:

• λб1 = 0,81 Вт/м°С;
• λб2 = 0,26 Вт/м°С;
• λб3 = 0,041 Вт/м°С;
• λб4 = 0,81 Вт/м°С.

Общее условное сопротивление теплопередаче Rо равно сумме сопротивлений всех слоев. Рассчитывается оно по формуле:

Коэффициент 1/ав — это сопротивление теплоотведению внутренних поверхностей, 1/ан — для наружных, а δ / λ — это сопротивление термическое слоя.

Подставив значения, получаем: Rо усл. = 2,54 м²°С/Вт. Фактическое сопротивление Rф вычисляется по формуле Rф = Rо × r, где r равен 0.9:

Rф = 2,54 х 0,9 = 2,3 м²×°С/Вт.

Полученные результаты указывают на необходимость изменения конструкции ограждающего элемента, поскольку фактическое тепло-сопротивление низкое по сравнению с расчетным.

Существуют различные компьютерные сервисы, которые могут значительно упростить и ускорить процесс расчетов.

Теплотехнические расчеты напрямую связаны с анализом точки росы. Вы можете узнать о том, что это такое и как определить ее значение, ознакомившись с рекомендованной статьей.

Заключение и полезное видео по теме

Выполнение теплотехнического расчета с использованием онлайн-калькулятора:

Правильное проведение теплотехнического расчета:

Качественный теплотехнический расчет поможет оценить эффективность утепления наружных элементов здания и корректно выбрать необходимую мощность отопительного оборудования.

Благодаря этому можно сэкономить при приобретении материалов и отопительных приборов. Лучше заранее удостовериться, что техника справится с обогревом и кондиционированием, чем действовать наугад.

Оставляйте комментарии, задавайте вопросы, делитесь фотографиями, ссылаясь на тему статьи в комментариях ниже. Расскажите, как теплотехнический расчет помог вам выбрать необходимое обогревательное оборудование или систему утепления. Ваша информация может оказаться полезной для других посетителей сайта.