Тепловой расчет здания

Тепловой расчет здания

Исходные данные

Основные исходные данные

Число этажей - 2

Высота этажа - 3 м

Ориентация входа - восток

Система отопления - водяная двухтрубная тупиковая с верхним расположением подающей магистрали.

Отопительные приборы - радиаторы типа М-140-АО

Расчётная температура воды в теплосети - Т_Г = 133 ^oC, Т₀ = 70 ^oC

Перепад давления на вводе в здание - 75 кПа

Вентиляционные каналы - приставные

Климатические характеристики района строительства

Климатические характеристики района строительства, необходимые для теплотехнического расчета ограждающих конструкций и систем отопления и вентиляции представлены в виде таблицы 2.1.

Таблица 2.1

Где:

t_H5 - средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 ([1], таблица 1);

t_XM - средняя температура наружного воздуха за отопительный период со средней суточной температурой воздуха ≤8 ^oC ([1], таблица 1);

j_XM - средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца ([1], таблица 1);

t_ОТ.ПЕР - температура наружного воздуха наиболее холодного месяца ([1], таблица 1);

Z_ОТ.ПЕР - продолжительность отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ≤8 ^oC ([1], таблица 1);

V_B - расчетная скорость ветра, равная максимальной из средних скоростей по румбам за январь ([1], таблица 1);

Зона влажности принимается в соответствии с картой зон влажности.

Расчетные параметры воздуха в помещениях

Средняя оптимальная температура воздуха в помещениях t_B, принятая по [4], приведена в таблице 2.2.

Таблица 2.2

1. Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций здания

Целью теплотехнического расчета является определение коэффициента теплопередачи отдельных ограждающих конструкций здания исходя из обеспечения требований теплозащиты здания.

1.1 Теплотехнические показатели материальных слоев наружной стены

Заданная конструкция стены представлена на рис. 3.1. Теплотехнические показатели материальных слоев наружной стены выбраны по приложению 3 [2] и приведены в таблице 3.1.

. Керамзитобетон

. Пенобетон

. Термозитобетон

. Раствор цементно-песчаный

Примечание: х - расчётная толщина утеплителя

*Примечание: условия эксплуатации ограждений приняты по приложению 2 [2] с учетом того, что в помещении нормальный влажностный режим (см. таблицу 1, [2])

1.2 Определение приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждений и толщины слоя утеплителя наружной стены

Приведенное сопротивление теплопередаче R₀^ПР следует принимать не менее требуемых значений, определяемых исходя из санитарно-гигиенических условий (R₀^ТР) и условий энергосбережения (R₀^Э):

R₀^ПР ≥ R₀^Э, R₀^ТР, где

R₀^Э - экономически целесообразное сопротивление теплопередаче;

R₀^ТР - минимальное требуемое из комфортных условий сопротивление теплопередаче;

R₀^Э и R₀^ТР определяются в соответствии с [2].

Требуемое сопротивление теплопередаче R₀^ТР (м²×^oC/Вт) ограждающих конструкций (кроме окон и дверей) рассчитывается по формуле:

где

t_В = 20 ^oC - расчетная температура внутреннего воздуха, принята по [5];

t_н5 = -39 ^oC - средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки (см. таблицу 2.1);

D t^Н - нормативный температурный перепад между температурой воздуха в помещении и внутренней поверхности наружного ограждения; принимается по таблице 2*, [2];

n - коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху; принимается по таблице 3*, [2];

a_В-коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения; принимается по таблице 4*, [2].

Значения D t^Н, n, a_В, а также a_Н - коэффициента теплоотдачи наружной поверхности ограждения, принимаемого по таблице 6*, [2], сведены в таблицу.

помещение теплотехнический отопление здание

Вычисляем R₀^ТР для трёх типов ограждающих конструкций по формуле 3.1:

Наружная стена: м²×^oC/Вт

Покрытие и перекрытие чердачное м²×^oC/Вт

Перекрытие над подвалом м²×^oC/Вт

R₀^Э находим с помощью линейной интерполяции в соответствии с найденным значением ГСОП, которое вычисляется по формуле 3.2:

ГСОП = (t_В - t_ОТ.ПЕР.)× Z_ОТ.ПЕР.

где ГСОП - градусо-сутки отопительного периода

Вычисляем ГСОП по формуле 3.2:

ГСОП = (20 - (-7.7)) × 221=6121,7

В соответствии с полученным значением ГСОП, по таблице 1а найдем R₀^Э

Значения R₀^Э и R₀^ТР представим в таблице.

R₀^ПР для наружной стены принимаем равным R₀^Э = 3,54 м²×^oC/Вт.

Теперь вычислим необходимую толщину х слоя утеплителя в наружной стене.

R₀^Р, м²×^oC/Вт - расчетное сопротивление теплопередаче наружного ограждения (стены), вычисляется по формуле 3.3 [2]:

где

r - коэффициент теплотехнической однородности конструкции, принимаемый по приложению 13 [2] или ГОСТ 26254-84. По указанию преподавателя в данной работе r = 1;

R_Ti - термическое сопротивление теплопередаче отдельного материального слоя, м²×^oC/Вт, которое определяется по формуле 3.4 [2]:

где

d_i - толщина i-ого слоя конструкции, м;

l_i - теплопроводность i-ого слоя конструкции, Вт/м×^oC

Тогда термическое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя R_УТ, определяем по формуле

Откуда,

м²×^oC/Вт

Толщина утеплителя из формулы 3.4 равна:

d^Р_УТ = 2,33×0,14 = 0,326 м, с округлением принимаем окончательную толщину утеплителя равной d^ОК_УТ = 0,33 м.

В соответствие с этим найдём R₀^Р.ОК из формулы 3.3:

м²×^oC/Вт

Коэффициент теплопередачи наружной стены находится по формуле

(3.6)

Вт /м²×^oC

1.3 Проверка отсутствия конденсации водяных паров в толще наружной стены

Конденсация водяных паров в толще ограждающей конструкции возможна, если в любом сечении ограждения, перпендикулярном направлению теплового потока, парциальное давление водяного пара e_x больше парциального давления водяного пара, соответствующего состоянию насыщения воздуха Е_х.

Для нахождения Е_х необходимо определить распределение температуры по сечению стены. Для этого рассчитаем температуру t_xi на границах слоев, а также в середине слоя утеплителя в толще наружной стены по формуле:

где

- сопротивление теплопередаче от воздуха помещения до рассматриваемого сечения Х, м²×^oC/Вт, определяемое по формуле

Сечения нумеруются последовательно, начиная с сечения на границе воздуха помещения и стены

Расчёт t_xi представим в виде таблицы:

Определим парциальное давление водяного пара, соответствующего состоянию насыщения воздуха в соответствии с полученными значениями t_xi с помощью линейной интерполяции известных значений (см. [2]):

Е_В=2338,5 Па, Е₁=2170,55 Па, Е₂=2133,6 Па, Е₃=1240,88 Па, Е₄=515,71 Па, Е₅=193,72 Па, Е₆=155,62 Па, Е_Н=150,74 Па.

Рассчитаем парциальные давления водяных паров в наружном и внутреннем слоях воздуха по формуле 3.5

e=E × j где

j - относительная влажность воздуха, доли единицы

е_В= Е_В × j_В = 2338,5 × 0,55 = 1286,18 Па

е_Н= Е_Н × j_ХМ = 150,74 × 0,79 = 119,08 Па

Определим распределение парциального давления водяных паров в характерных сечениях стены, которое вычисляется по формуле:

где

R_ОП - общее сопротивление паропроницанию конструкции стены, м²×ч×Па/мг, определяемое по формуле:

где

R_ПВ = 0,0267 м²×ч×Па/мг - сопротивление влагообмену на внутренней поверхности ограждения,

R_ПН = 0,0053 м²×ч×Па/мг - сопротивление влагообмену на внешней поверхности ограждения,

m_i - коэффициент паропроницаемости материала, кг/м×ч×Па, см. Таблицу 3.1.

Рассчитаем R_ОП:

кг/м×ч×Па

Вернемся к формуле 3.6, в которой:

сопротивление паропроницанию от воздуха помещения до рассматриваемого сечения Х, м²×ч×Па/мг, определяемое по формуле

Расчёт е_xi представим в виде таблицы:

По результатам расчётов на рис. 3.2 построены графики:

˗        распределения температуры (t, ^oC),

˗        парциального давления водяного пара (е, Па)

˗        давления насыщенного пара (Е, Па).

В заштрихованной области парциальное давление водяного пара больше давления насыщенного пара: е_x > E_x, эта область является зоной возможной конденсации водяных паров.

Плоскость возможной конденсации совпадает с наружной поверхностью утеплителя. Необходимо определить допустимость конденсации.

Конденсация водяных паров допустима, если сопротивление паропроницанию R_Пх ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации, т.е. R_Пх=5,255 м²×ч×Па/мг) должно быть не менее требуемого R^ТР_П1 сопротивления паропроницанию [2].

Требуемое сопротивление паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации определяется по формуле:

где_ПН = 0,0053 + 0,909 = 0,914 м²×ч×Па/мг - сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции, расположенной между наружной поверхностью ограждающей конструкции и плоскостью возможной конденсации, определяемое в соответствии с формулой 3.8 и таблицей 3.5;

е_В = 1286,18 Па - упругость водяного пара внутреннего воздуха при расчетной температуре и влажности этого воздуха, Па (см. формулу 3.5);

е_НГ - средняя упругость водяного пара наружного воздуха за годовой период, определяемая согласно [1];

Е_Г упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за

годовой приод эксплуатации, определяемая по формуле:

Е_Г = (Е_З × z_З + Е_ВО × z_ВО + Е_Л × z_Л)/12

в которой_З, z_ВО, z_Л - продолжительность, соответственно, зимнего (с t_H < -5 ^oC), весенне-осеннего (-5 ^oC < t_H < 5 ^oC) и летнего (t_H > 5 ^oC) периодов, мес;

Е_З, Е_ВО, Е_Л - упругости водяного пара, принимаемые по температуре в плоскости возможной конденсации, определяются при средней температуре наружного воздуха, соответственно, зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов.

Среднемесячные температуры в районе строительства представлены в таблице 3.6 (см. [1])

z_З = 6 мес, z_ВО = 2 мес, z_Л = 5 мес_З = (-17,5 - 16,1 - 9,1 - 7,9 - 15,0) / 5 = -13,12 ^oC,_ВО = (2,1 + 2,5) / 2 = 2,30 ^oC,_Л = (11,4 + 17,7 + 19,8 + 16,9 + 10,8) / 5 = 15,32 ^oC

Для нахождения Е_х необходимо определить температуру в сечении 5 стены в зависимости от температуры наружного воздуха. Для этого рассчитаем температуру t_xi на границах слоев, а также в середине слоя утеплителя в толще наружной стены по формуле 3.7:

Е_З, Е_ВО, Е_Л находим с помощью интерполяции известных значений (см. [2]) для найденных значений температур:

Е_З = 222,03 Па, Е_ВО = 721,79 Па, Е_Л = 1742,04 Па

Тогда по формуле 3.9:

Е_Г = (222,03 × 5 + 721,79 × 2 + 1742,04 × 5) / 12 = 938,66 Па

Упругость водяного пара наружного воздуха по месяцам в районе строительства представлены в таблице:

Тогда е_НГ = (150 + 170 + 270 + 520 + 770 + 1230 + 1570 + 1370 + 940 + 560 + 300 + 190) / 12 = 670 Па.

А, значит,

м²×ч×Па/мг,

Так как R_Пх=5,255 м²×ч×Па/мг > R^ТР_П1 = 1,182 м²×ч×Па/мг, то меры по дополнительной пароизоляции не требуются.

1.4 Выбор заполнения световых проемов по сопротивлению воздухопроницанию

Сопротивление воздухопроницанию R_И устанавливаемых окон и балконных дверей жилых и общественных зданий должно быть не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию R_И^ТР, м²×ч×Па/кг, определяемого по формуле:

где

G_H = 6 кг/(м²×ч) - нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций (окон в деревянных переплетах), принимаемая по таблице 12* [2];

Δp₀ = 10 Па - разность давления воздуха, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию R_И.

Δp - разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждающих конструкций, Па, определяется по формуле:

где

H - высота здания от середины окна первого этажа до устья вентиляционной шахты, м;

V_B - см. таблицу 2.1    

H = H_Э + 0,3 + H_Э + 0,5 + H_Ш - (0,8+0,5×1,8) = 3+0,3+3+3,6+0,5-1,7=8,7 м

ρ_Н, ρ_В - плотности воздуха соответственно при температуре t_H5 и t_B, кг/м³,

определяемые по формуле:

ρ = 353 / (273 + t)        

ρ_Н = 353 / (273 + (-39)) = 1,509 кг/м³, ρ_В = 353 / (273 + 20) = 1,205 кг/м³

Теперь мы можем найти Δp, а потом и R_И^ТР:

Δp = 5,4 × 8,7 × (1,509 - 1,205) + 0,3 × 1,509 × 5,9² = 30,04 Па

м²×ч×Па/кг

Принимаем тройное остекление в деревянных переплетах с двумя уплотненными пенополиуретаном притворами:

R_И = 0,44 м²×ч×Па/кг;

R_ОК = 0,52 м²×^oC/Вт - сопротивление окон теплопередаче,

К = 1/ R_ОК = 1 / 0,52 = 1,923 Вт/(м²×^oC)

1.5 Расчет коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций

Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции определяется по формуле:

К=1/R₀

для наружной стены К = 0,281 Вт/(м²×^oC) (см. пункт 3.2)

˗        для чердачного перекрытия К=1/4,66=0,215 Вт/(м²×^oC), см. таблицу 3.3

˗        для перекрытия над подвалом К=1/4,66=0,215 Вт/(м²×^oC), см. таблицу 3.3

˗        для окон К = 1 / 0,52 = 1,923 Вт/(м²×^oC)

˗        для двойных наружных дверей К = 2,3 Вт/(м²×^oC)

˗        для одинарных наружных дверей К = 2,9 = 0,478 Вт/(м²×^oC)

˗        для люка на чердак К = 4,6 Вт/(м²×^oC)

˗        для внутренних стен в подвале К = 0,281 Вт/(м²×^oC)

˗        для неутепленного пола на грунте: 1-ая зона - 0,48 Вт/(м²×^oC), 2-ая зона - 0,23 Вт/(м²×^oC), 3-я зона - 0,12Вт/(м²×^oC), 4-ая зона - 0,07 Вт/(м²×^oC)

2. Определение тепловой мощности системы отопления

Нумеруем помещения трехзначным числом (первая цифра - этаж, вторая и третья - номер комнаты) с левого верхнего угла здания и далее по часовой стрелке.

Тепловая мощность системы отопления определяется для каждого помещения:

рядовая и угловая комната: Q_ЖК = Q_ТП + Q_И(В) - Q_Б

кухня: Q_К = Q_ТП + Q_И - Q_Б

лестничная клетка: Q_ЛК = Q_ТП + Q_И

Q_ТП - теплопотери через ограждающие конструкции, Вт;

Q _И(В) - большее значение из теплозатрат на подогрев воздуха, поступающего вследствие инфильтрации Q_И или необходимого для компенсации нормируемой естественной вытяжки из помещений квартиры Q_В, Вт;

Q_И - теплопотери на нагрев инфильтрующегося воздуха, Вт;

Q_В - теплопотери на нагрев вентиляционного воздуха, Вт;

Q_Б - бытовые тепловыделения в помещение, Вт.

2.1 Расчет тепловых потерь через ограждающие конструкции

Теплопотери через ограждающие конструкции помещения, разность температур воздуха по обе стороны которых больше 3 ^oC, находят по формуле:

где

К₀ - коэффициент теплопередачи отдельной ограждающей конструкции,

t_H - расчетная температура холодного периода года (t_H5) при расчете теплопотерь через наружные ограждения или температура более холодного помещения при расчете теплопотерь через внутренние ограждения;

t_B - принимается по таблице 2.2;

А - площадь ограждения, м²;

b - коэффициент, учитывающий добавочные потери, принимается в долях от основных теплопотерь. Добавочные теплопотери на ориентацию наружных стен, окон и дверей в долях от основных принимают в зависимости ориентации:

север, северо-восток, северо-запад - 0,1,

запад и юго-восток - 0,05,

юго-запад и юг - 0.

Добавочные потери теплоты, связанные с поступлением холодного воздуха через наружные двери, принимают в размере 0,27×Н для двойных дверей с тамбуром между ними и 0,22×Н для одинарных, где H - высота здания от уровня земли до устья вентиляционной шахты, Н = 1 + 3 + 3 + 0,5 + 3,6 = 11,1 м.

.2 Теплозатраты на подогрев инфильтрующегося воздуха

Теплозатраты Q_И на подогрев воздуха, поступающего преимущественно через заполнения световых проемов, Вт, рассчитываются по формуле:

где

с = 1,005 кДж / (кг×^оС) - массовая теплоемкость воздуха,

к = 1 - коэффициент, учитывающий дополнительный нагрев воздуха встречным тепловым потоком;

А₀ - площадь всех окон в помещение, м²,

G₀ - количество воздуха, поступающего в помещение в течение часа через 1 м² окна, кг/м²×ч, определяемое по формуле :

где

R_и = 0,44 м²×ч×Па/кг - сопротивление воздухопроницанию окна (см. п. 3.4),

Δp_i - расчетная разность давлений, которая с достаточной степенью

точности рассчитывается по формуле:

∆p = 9.81×(H - h_i) × (ρ_н - ρ_в) + 0.5 ×ρ_н×V_в² × (e_e,п - e_e,р) ×k_i - P_ei

где

H = 11,1 м - высота здания от уровня средней планировочной отметки земли до устья шахты (см. п. 4.1);

h_i - расчётная высота от уровня земли до верха окон, балконных дверей, дверей, ворот, проемов или до оси горизонтальных или середины вертикальных стыков стеновых панелей соответствующего этажа, м;

V = V_В = 5,9 м/с - скорость ветра, принимаемая равной V_В из таблицы 2.1;

ρ_н = 1,509 кг/м³, ρ_в = 1,205 кг/м³ - плотности соответственно наружного воздуха и воздуха в помещении, см. п. 3.4.

с_e,п, с_e,р - аэродинамические коэффициенты соответственно для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания, принимаемые по [6] и в данном случае равны 0,8 и 0,6 соответственно.

k_i - коэффициент учёта изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты рассматриваемого этажа здания над уровнем земли, принимаемый по [6]; для малоэтажных зданий можно принять k_i = 0,65.

P_ei - расчётные потери давления в естественной вытяжной системе, принимаемые равными расчётному естественному давлению, Па, вычисляемому по формуле:

p_ei = 9.81× ΔH_i × (ρ_S - ρ_B)

где

ΔH_i - разность отметок устья вытяжной шахты и середины вытяжной решетки, м.

ρ_S - плотность воздуха при температуре 5^оС, определяется по формуле 3.12:

ρ_s= 353 / (273 + 5) = 1,27 кг/м³

Расчет теплозатрат на подогрев инфильтрующегося воздуха представлен в виде таблицы.

2.3 Расчет теплозатрат на подогрев воздуха необходимого дли компенсации естественной вытяжки из жилых комнат

Теплозатраты на подогрев воздуха необходимого для компенсации естественной вытяжки из жилых комнат Q_В рассчитываются по формуле 4.5:

Q_в=0.278× с× ρ_в× l_n× (t_В - t_Н5) × A_n

с = 1,005 кДж / (кг×^оС) - из пункта 4.2;

А_n - площадь пола жилой комнаты, м²;

l_n - удельный нормативный расход приточного воздуха, принимаемый равным 3 м³/чел. на 1 м² жилых помещений, если общая площадь квартиры не более 20 м²/чел. [3].

Расчет представлен в виде таблицы 4.3.

2.4 Бытовые тепловыделения

Бытовые тепловыделения (теплопоступления) Q_Б, Вт, рассчитываются для жилых комнат и кухонь по формуле 4.6:

_Б = 17 × A_n

где_n - площадь пола жилой комнаты или кухни, м²

Расчет также представлен в таблице

2.5 Тепловая мощность системы отопления

Тепловая мощность системы отопления рассчитывается на основе балансовых уравнений для каждого помещения, поэтажно и по всему зданию. Расчет приведен в таблице.

Определим также удельную отопительную характеристику жилого здания q_УД, Вт/(м³×^оС) по формуле:

где

V_ЗД - объем надземной части здания по наружным размерам без чердака, м³;

Список литературы

1.   СНиП 23-01-99*. Строительная климатология /Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2000.

2.      СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника /Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2000.

.        СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

.        ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

.        Еремкин А.И., Королева Т.И. Тепловой режим зданий: Учебное пособие. - М.: АСВ, 2000.

.        СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1996.

.        СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

.        СНиП 2.08.01-89*. Жилые здания /Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1999.