Теплотехнический расчет ограждающих конструкций: пример расчета и оформления. Формула теплотехнического расчета ограждающих конструкций

Создание комфортных условий для проживания или трудовой деятельности является первостепенной задачей строительства. Значительная часть территории нашей страны находится в северных широтах с холодным климатом. Поэтому поддержание комфортной температуры в зданиях всегда актуально. С ростом тарифов на энергоносители снижение расхода энергии на отопление выходит на первый план.

Климатические характеристики

Выбор конструкции стен и кровли зависит прежде всего от климатических условий района строительства. Для их определения необходимо обратиться к СП131.13330.2012 «Строительная климатология». В расчетах используются следующие величины:

• температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, обозначается Тн;
• средняя температура, обозначается Тот;
• продолжительность, обозначается ZOT.

На примере для Мурманска величины имеют следующие значения:

• Тн=-30 град;
• Тот=-3.4 град;
• ZOT=275 суток.

Кроме того, необходимо задать расчетную температуру внутри помещения Тв, она определяется в соответствии с ГОСТом 30494-2011. Для жилья можно принять Тв=20 град.

Чтобы выполнить теплотехнический расчет ограждающих конструкций, предварительно вычисляют величину ГСОП (градусо-сутки отопительного периода):
ГСОП = (Тв – Тот) х ZOT.
На нашем примере ГСОП=(20 - (-3,4)) х 275 = 6435.

Основные показатели

Для правильного выбора материалов ограждающих конструкций необходимо определить, какими теплотехническими характеристиками они должны обладать. Способность вещества проводить тепло характеризуется его теплопроводностью, обозначается греческой буквой l (лямбда) и измеряется в Вт/(м х град.). Способность конструкции удерживать тепло характеризуется её сопротивлением теплопередаче R и равняется отношению толщины к теплопроводности: R = d/l.

В случае если конструкция состоит из нескольких слоёв, сопротивление рассчитывается для каждого слоя и затем суммируется.

Сопротивление теплопередачи является основным показателем наружной конструкции. Его величина должна превышать нормативное значение. Выполняя теплотехнический расчет ограждающих конструкций здания, мы должны определить экономически оправданный состав стен и кровли.

Значения теплопроводности

Качество теплоизоляции определяется в первую очередь теплопроводностью. Каждый сертифицированный материал проходит лабораторные исследования, в результате которых определяется это значение для условий эксплуатации «А» или «Б». Для нашей страны большинству регионов соответствуют условия эксплуатации «Б». Выполняя теплотехнический расчет ограждающих конструкций дома, следует использовать именно это значение. Значения теплопроводности указывают на этикетке либо в паспорте материала, но если их нет, можно воспользоваться справочными значениями из Свода правил. Значения для наиболее популярных материалов приведены ниже:

• Кладка из обыкновенного кирпича - 0,81 Вт(м х град.).
• Кладка из силикатного кирпича - 0,87 Вт(м х град.).
• Газо- и пенобетон (плотностью 800) - 0,37 Вт(м х град.).
• Древесина хвойных пород - 0,18 Вт(м х град.).
• Экструдированный пенополистирол - 0,032 Вт(м х град.).
• Плиты минераловатные (плотность 180) - 0,048 Вт(м х град.).

Нормативное значение сопротивления теплопередаче

Расчётное значение сопротивления теплопередаче не должно быть меньше базового значения. Базовое значение определяется по таблице 3 СП50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». В таблице определены коэффициенты для расчета базовых значений сопротивления теплопередаче всех ограждающих конструкций и типов зданий. Продолжая начатый теплотехнический расчет ограждающих конструкций, пример расчета можно представить следующим образом:

• Рстен = 0,00035х6435 + 1,4 = 3,65 (м х град/Вт).
• Рпокр = 0,0005х6435 + 2,2 = 5,41 (м х град/Вт).
• Рчерд = 0,00045х6435 + 1,9 = 4,79 (м х град/Вт).
• Рокна = 0,00005х6435 + 0,3 = 0,62 (м х град/Вт).

Теплотехнический расчет наружной ограждающей конструкции выполняется для всех конструкций, замыкающих «теплый» контур – пол по грунту или перекрытие техподполья, наружные стены (включая окна и двери), совмещенное покрытие или перекрытие неотапливаемого чердака. Также расчет необходимо выполнять и для внутренних конструкций, если перепад температур в смежных комнатах составляет более 8 градусов.

Теплотехнический расчет стен

Большинство стен и перекрытий по своей конструкции многослойны и неоднородны. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций многослойной структуры выглядит следующим образом:
R= d1/l1 +d2/l2 +dn/ln,
где n - параметры n-го слоя.

Если рассматривать кирпичную оштукатуренную стену, то получим следующую конструкцию:

• наружный слой штукатурки толщиной 3 см, теплопроводность 0,93 Вт(м х град.);
• кладка из полнотелого глиняного кирпича 64 см, теплопроводность 0,81 Вт(м х град.);
• внутренний слой штукатурки толщиной 3 см, теплопроводность 0,93 Вт(м х град.).

Формула теплотехнического расчета ограждающих конструкций выглядит следующим образом:

R=0,03/0,93 + 0,64/0,81 + 0,03/0,93 = 0,85(м х град/Вт).

Полученное значение существенно меньше определенного ранее базового значения сопротивления теплопередаче стен жилого дома в Мурманске 3,65 (м х град/Вт). Стена не удовлетворяет нормативным требованиям и нуждается в утеплении. Для утепления стены используем минераловатные плиты толщиной 150 мм и теплопроводностью 0,048 Вт(м х град.).

Подобрав систему утепления, необходимо выполнить проверочный теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета приведён ниже:

R=0,15/0,048 + 0,03/0,93 + 0,64/0,81 + 0,03/0,93 = 3,97(м х град/Вт).

Полученная расчётная величина больше базовой - 3,65 (м х град/Вт), утеплённая стена удовлетворяет требованиям норм.

Расчёт перекрытий и совмещённых покрытий выполняется аналогично.

Теплотехнический расчёт полов, соприкасающихся с грунтом

Нередко в частных домах или общественных зданиях полы первых этажей выполняются по грунту. Сопротивление теплопередаче таких полов не нормируется, но как минимум конструкция полов не должна допускать выпадения росы. Расчет конструкций, соприкасающихся с грунтом, выполняется следующим образом: полы разбиваются на полосы (зоны) шириной по 2 метра, начиная с внешней границы. Таких зон выделяется до трех, оставшаяся площадь относится к четвертой зоне. Если в конструкции пола не предусмотрен эффективный утеплитель, то сопротивление теплопередаче зон принимается следующим:

• 1 зона – 2,1 (м х град/Вт);
• 2 зона – 4,3 (м х град/Вт);
• 3 зона – 8,6 (м х град/Вт);
• 4 зона – 14,3 (м х град/Вт).

Нетрудно заметить, что чем дальше участок пола находится от внешней стены, тем выше его сопротивление теплопередаче. Поэтому зачастую ограничиваются утеплением периметра пола. При этом к сопротивлению теплопередаче зоны добавляется сопротивление теплопередаче утепленной конструкции.
Расчет сопротивления теплопередаче пола необходимо включать в общий теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета полов по грунту рассмотрим ниже. Примем площадь пола 10 х 10, равную 100 м кв.

• Площадь 1 зоны составит 64 м кв.
• Площадь 2 зоны составит 32 м кв.
• Площадь 3 зоны составит 4 м кв.

Среднее значение сопротивления теплопередаче пола по грунту:
Рпола = 100 / (64/2,1 + 32/4,3 + 4/8,6) = 2,6 (м х град/Вт).

Выполнив утепление периметра пола пенополистирольной плитой толщиной 5 см, полосой шириной 1 метр, получим среднее значение сопротивления теплопередаче:

Рпола = 100 / (32/2,1 + 32/(2,1+0,05/0,032) + 32/4,3 + 4/8,6) = 4,09 (м х град/Вт).

Важно отметить, что подобным образом рассчитываются не только полы, но и конструкции стен, соприкасающихся с грунтом (стены заглубленного этажа, теплого подвала).

Теплотехнический расчет дверей

Несколько иначе рассчитывается базовое значение сопротивления теплопередаче входных дверей. Для его расчета понадобится сначала вычислить сопротивление теплопередаче стены по санитарно-гигиеническому критерию(невыпадению росы):
Рст = (Тв – Тн)/(ДТн х ав).

Здесь ДТн – разница температур между внутренней поверхностью стены и температурой воздуха в комнате, определяется по Своду правил и для жилья составляет 4,0.
ав – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, по СП составляет 8,7.
Базовое значение дверей берется равным 0,6хРст.

Для выбранной конструкции двери требуется выполнить проверочный теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета входной двери:

Рдв = 0,6 х (20-(-30))/(4 х 8,7) = 0,86 (м х град/Вт).

Этому расчетному значению будет соответствовать дверь, утепленная минераловатной плитой толщиной 5 см. Её сопротивление теплопередаче составит R=0,05 / 0,048=1,04 (м х град/Вт), что больше расчетного.

Комплексные требования

Расчеты стен, перекрытий или покрытия выполняются для проверки поэлементных требований нормативов. Сводом правил также установлено комплектное требование, характеризующее качество утепления всех ограждающих конструкций в целом. Эта величина называется «удельная теплозащитная характеристика». Без ее проверки не обходится ни один теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Пример расчета по СП приведен ниже.

Коб = 88,77 / 250 = 0,35, что меньше нормируемого значения 0,52. В данном случае площади и объем приняты для дома размерами 10 х 10 х 2,5 м. Сопротивления теплопередачи – равные базовым величинам.

Нормируемое значение определяется в соответствии с СП в зависимости от отапливаемого объёма дома.

Помимо комплексного требования, для составления энергетического паспорта также выполняют теплотехнический расчет ограждающих конструкций, пример оформления паспорта дан в приложении к СП50.13330.2012.

Коэффициент однородности

Все приведенные выше расчеты применимы для однородных конструкций. Что на практике встречается довольно редко. Чтобы учесть неоднородности, снижающие сопротивление теплопередаче, вводится поправочный коэффициент теплотехнической однородности – r. Он учитывает изменение сопротивления теплопередаче, вносимые оконными и дверными проемами, внешними углами, неоднородными включениями (например перемычками, балками, армирующими поясами), мостики холода и пр.

Расчет этого коэффициента достаточно сложен, поэтому в упрощенном виде можно воспользоваться примерными значениями из справочной литературы. Например, для кирпичной кладки – 0,9, трехслойных панелей – 0,7.

Эффективное утепление

Выбирая систему утепления дома, легко убедиться, что выполнить современные требования тепловой защиты без использования эффективного утеплителя практически невозможно. Так, если использовать традиционный глиняный кирпич, потребуется кладка толщиной в несколько метров, что экономически нецелесообразно. Вместе с тем низкая теплопроводность современных утеплителей на основе пенополистирола либо каменной ваты позволяет ограничиться толщинами в 10-20 см.

Например, чтобы достичь базового значения сопротивления теплопередаче 3,65 (м х град/Вт), потребуется:

• кирпичная стена толщиной 3 м;
• кладка из пенобетонных блоков 1,4 м;
• минераловатный утеплитель 0,18 м.