Курсовая работа: Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций зданий

Федеральное агентство по образованию

Филиал государственного образовательного учреждения

«Воронежский государственный архитектурно строительный университет»

в городе Борисоглебске

Кафедра теплогазоснабжения, отопления и вентиляции.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: « Строительная теплофизика»

На тему: «Теплотехнический расчет наружных

ограждающих конструкций зданий»

Выполнил: студент гр.331

Крицкий В.Н.

Руководитель: преподаватель

Глушков А. Ю.

Борисоглебск 2009

Содержание

1.Введение…………………………………………………………………..

2. Исходные данные ……………………………………………………….

3. Расчет теплозащитных характеристик

наружных ограждений ………………………..

4.Анализ теплового режима наружного ограждения…………………….

5.Проверка наружных ограждений на паропроницаемость……………………..

6.Проверка наружных ограждений на теплоустойчивость………………….

7. Проверка наружных ограждений на воздухопроницаемость………

8.Общие выводы по курсовой работе…………………………………….

9.Список используемых источников……………………………………….

Введение.

Целью курсовой работы является углубление и обобщение теоретических зданий, полученных при изучении дисциплины «Строительная теплофизика»,освоение методики и приобретение практических навыков при выполнении теплотехнического расчёта наружных ограждающих конструкций отапливаемых зданий.

Курсовая работа состоит из шести разделов, в которых показаны методики определения климатологической характеристики района строительства и определение теплофизических свойств материалов; описываются принципы расчёта теплозащитных характеристик наружных ограждений; показан анализ теплового режима ограждений, способы их проверки на паропроницаемость, теплоустойчивость и воздухопроницаемость.

1. Исходные данные для выполнения курсовой работы

1.1 Район строительства: город Ростов-на-Дону

вариант №1
Варианты ограждающих конструкций:

- наружная стена - вариант №1

- покрытие - вариант №1

-пол первого этажа - вариант №1

Назначение: жилое.

Расчётные параметры внутреннего воздуха:

- температура t_в =18 °C.

- относительная влажность φ_в =60%.
Режим эксплуатации здания: нормальный.

1.2 Климатологическая характеристика района строительства

Климатологическую характеристику г. Ростов-на-Дону определяем по СНиП 23-01-99 [2] или по прил. 2 и данные вносим в таблицу №1

Таблица №1

Климатологическая характеристика г. Ростов-на-Дону

1.3 Теплофизические свойства материалов

По [4, прил.1] определяем зону влажности г. Ростов-на-Дону – сухая, затем по [4, прил.2] определяем условия эксплуатации ограждающих конструкций – А.

Характеристики строительных материалов, выбранных наружных ограждений определяем по [4, прил.3] и сводим в табл. 2

Таблица №2

2. Расчёт теплозащитных характеристик наружных ограждений

Расчёт теплозащитных характеристик производим для наружной стены, чердачного покрытия и перекрытия над подвалом (пол первого этажа) по следующему алгоритму:

1. Определяем сопротивление теплопередачи наружногоограждения, требуемого по санитарно-гигиеническим нормам:

(1)

где

t_в – расчётная температура внутреннего воздуха , °C

t_н – расчётная зимняя температура наружного воздуха , °С;

n - коэффициент ,принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по [4, табл. 3]

α_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по [ 4, табл.4]

∆t^н — нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции. Принимается по [4, табл. 4]

2. Определяем сопротивление теплопередачи наружного ограждения, требуемое из условий энергосбережения по [4, табл.1,б] или табл.3

Для определения необходимого сопротивления теплопередачи наружного ограждения для жилых зданий, требуемого из условий энергосбережения, можно использовать следующую зависимость:

(2)

Z_о.п. – продолжительность отопительного периода, сут/год;

а, в - интерполяционные коэффициенты, принимаемые по таблице 4;

t_{o .п.} - средняя температура за отопительный период ,°C

Таблица №3

3. В качестве расчётного требуемого термического сопротивления теплопередачи наружного ограждения выбираем большее значение из требуемых термических сопротивлений, рассчитанных по формулам (1),(2).

4. Определяем термическое сопротивление материальных слоёв конструкции многослойного ограждения без теплоизоляционного слоя:

(3)

R_в - сопротивление конвективному теплообмену между воздухом помещения и внутрен­ней поверхностью ограждения, (m² °C) / Bt, определяемое по формуле

, (4)

Где α_н – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Bt / (m² °C), определяемая по [ 4,табл.4];

R_mi - термическое сопротивление i-гo материального слоя в конструкции многослойного ограждения ,м^{2 o} C/Bт , определяемое по формуле

(5)

R_н – сопротивление конвективному теплообмену между поверхностью наружного ограждения и наружным воздухом, Bt / (m² °C), определяемое по формуле

(6)

где α_н —коэффициент теплоотдачи для зимних условий наружной поверхности ограждающей конструкции, Bt / (m² °C)

5. Определяем требуемое термическое сопротивление утеплителя в наружном ограждении:

R^тр _ут =R₀ ^тр + R₀ (7)

6. Определяем требуемую толщину теплоизоляционного слоя:

(8)

λ_УТ – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/м°С;

Округляем требуемую толщину теплоизоляционного слоя до строительной величины, кратной 5, так чтобы выполнялось следующее условие: δ_ут >= δ_ут ^тр .

7. Определяем фактическое термическое сопротивление теплоизоляционного слоя:

R_ут ^ф = δ_ут / λ_ут (9)

8. Определяем фактическое сопротивление теплопередачи наружного ограждения:

(10)

9. Определяем толщину ограждения:

(11)

Если толщина наружной стены превышает 1м, а толщина чердачного покрытия и перекрытия над подвалом 1,5, то необходимо для заданного района строительства принять другой утеплитель с меньшим коэффициентом теплопроводности.

Расчёт теплозащитных характеристик наружных ограждений сводим в таблицу 4.

Расчёт теплозащитных характеристик наружных ограждений

Таблица №4

Вывод : так как выполняются следующие условия: δ_ут ^ф ≥δ_ут ^тр , R_ут ^ф ≥ R_ут ^тр , R₀ ^ф ≥R₀ ^ТР ,то запроектированные ограждающие конструкции удовлетворяют санитарно-гигиеническим условиям и условиям энергосбережения.

3. Анализ теплового режима наружного ограждения.

Целью расчёта является определение температур на внутренней поверхности наружных ограждений, в толще ограждающих конструкций на стыке материальных слоёв, а также построение графиков распределения температур по сечению ограждающих конструкций в координатах (t_xi , x_i ), (t_xi ,R_mxi ) для определения плоскости (ПВК) и зоны возможного промерзания (ЗВП), т.е. области, где температура ниже или равна 0.

Анализ теплового режима производим для наружной стены, чердачного покрытия и перекрытия первого этажа по следующему алгоритму.

1.Определяем сопротивление теплопередачи, м^2° С/Вт, для части ограждения от внутреннего воздуха до сечения наружного ограждения с координатой (x_i , м:х₁ = δ₁ , х₂ = х₁ + δ₂ , x_i = x_{i -1} + δ₁ )

R_mxi =R_в +R_{m 1} +…+R_{mi ,} (12)

2. Определяем плотность теплового потока через ограждение при расчётной температуре наружного воздуха, Вт/м² :

, (13)

3.Определяем расчётную температуру на внутренней поверхности наружного ограждения, °С

τ_в , (14)

4. Определяем расчётные температуры на наружной поверхности i-ого слоя сечения наружного ограждения с координатой х_i , °С :

t_xi (15)

5. Определяем температуру в наружном углу помещения, °С:

(16)

6. Определяем температуру точки росы внутреннего воздуха с параметрами (t_в ,φ_в ), °С:

(17)

е_в – фактическая упругость водяного пара во внутреннем воздухе с параметрами (t_в ,φ_в ),.Па, определяется как

(18)

Е(t_в ) – упругость насыщенного пара при температуре воздуха внутри помещения, Па, определяется как

(19)

Для всех ограждений должно выполняться следующее условие:

τ_в >= t_р

t_у >=t_р (20)

Графики распределения температур по сечению ограждающей конструкции в координатах (t_xi , x_i ), (t_xi ,R_mxi ) см. рис. 4-6

Вывод: Так как выполняется условие τ_в >= t_р ,

t_у >= t_р

то ограждающие конструкции обеспечивают удовлетворительный тепловой режим здания, конденсационное увлажнение внутренней поверхности отсутствует.

Расчётный анализ теплового режима

Таблица №5

Графики распределения температур по сечению ограждающей конструкции в координатах (t_xi , x_i ), (t_xi ,R_mxi ) см. рис. 4-6

Вывод : Так как выполняется условие τ_в ≥ t_р ,

t_у ≥ t_р

то ограждающие конструкции обеспечивают удовлетворительный тепловой режим здания, конденсационное увлажнение внутренней поверхности отсутствует.

4.Проверка наружных ограждений на проницаемость.

Целью расчёта является определение диффузионного потока пара через многослойную конструкцию, а также степень насыщения пара в толще ограждения, в результате чего находят плоскость (ПВК) и зону возможной конденсации (ЗВК) и делают соответствующий вывод.

Проверку на паропроницаемость производим для наружной стены и чердачного покрытия по следующему алгоритму.

1.Определяем сопротивление паропроницанию для части ограждения от внутреннего воздуха до сечения с координатой х_i , [Па/(мг/м² ч)]:

R_nxi =R_{n в} +R_{n 1} +…+ R_ni (21)

где R_{n в} – сопротивление массообмену на внутренней поверхности наружного ограждения, R_{n в} =0,0267, [Па/(мг/м² ч)]; R_ni – сопротивление паропроницанию i-ого слоя [Па/(мг/м² ч)], определяется как

R_ni = δ_i /µ_i , (22)

2. Определяем сопротивление диффузионному паропроницанию наружного ограждения, [Па/(мг/м² ч)] :

, (23)

R_пн – сопротивление массообмену на наружной поверхности ограждения.

R_пн =0,0052 , Па/(мг/м² ч);

3.Определяем среднюю плотность потока пара, []

, (24)

где – упругость насыщенного пара в наружном воздухе. Па, определяем как

, (25)

Е_хм - упругость насыщенного пара в наружном воздухе при t_хм , Па, если t_хм >=0, то Е_хм определяем по формуле (19); если t_хм <0, то

, (26)

4. Определяем упругость пара, диффундирующего через наружное ограждение в сечениях многослойной конструкции с координатой x_i , Па:

, (27)

5. Определяем среднюю плотность теплового потока при среднемесячной температуре наиболее холодного месяца, :

(28)

6. Определяем температурное поле на стыке материальных слоёв в сечениях с координатой х_i , °C;

(29)

Значение температуры t_i откладывается на графиках (см. рис . 1-2).

7. Определяем упругость насыщенного пара в сечениях ограждающей конструкции при соответствующем значении t_i , если t_i >=0то Е_i определяется по формуле (19), если t_i <0, то по формуле (26).

По полученным значениям строим графики для определения положения плоскости (ПВК) и зоны возможной конденсации (ЗВК) (рис.3). По координате x_max строим плоскость возможной конденсации для наружной стены и чердачного покрытия на графиках распределения температур по сечению ограждающих конструкций.

8. При теплотехническом расчёте необходимо выполнить требования: сопротивление паропроницаемости части ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации должно быть не менее наибольшего из двух сопротивлений паропроницанию :

а) из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации

(30)

Где Е- упругость насыщенного пара в ПВК, Па, определяем как

(31)

Где Е₁ ,Е₂ ,Е₃ – упругости насыщенного водяного пара, Па, принимаемые по температуре в плоскости возможной конденсации , определяемой при средней температуре наружного воздуха соответственно зимнего , весеннее-осеннего и летнего периодов; z₁ ,z₂ ,z₃ – продолжительность зимнего, весеннее-осеннего и летнего периодов, определяемая согласно [2] с учётом следующих условий:

1)к зимнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха ниже минус 5 °C;

2)к весеннее-осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха от минус 5 до плюс 5°C;

3) к летнему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха выше плюс 5°C;

б) из условия ограничения накопления влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха

(32)

Где Е₀ -упругость насыщенного пара в ПВК определяемое при средней температуре периода месяцев отрицательными среднемесячными температурами по формуле (26), Па; ρ_ω ,δ_ω – плотность и толщина материала увлажняемого слоя соответственно, кг/м³ и м; ∆ω_ср - предельно допустимое приращение расчётного влагосодержания увлажняемого материала, % определяем по [4табл.14]; η- коэффициент , определяем как

(33)

Где е₀ – средняя упругость водяного пара наружного воздуха, Па, периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, определяемая согласно [2]. Результаты расчётов проверки наружных ограждений на паропроницаемость сводим в табл. 6

Результаты проверки наружных ограждений на паропроницаемость

Таблица №6

Вывод: в ходе расчёта влажного режима была определена упругость пара, диффузирующего через многослойные конструкции наружной стены и чердачного покрытия (рис. 7,8). Наиболее подвержена протеканию влаги и её накоплению наружная стена в теплоизоляционном слое. Однако проверка на паропроницаемость показала, что данную конструкцию наружной стены можно использовать в Ростов-на-Дону

5. Проверка наружных ограждений на теплоустойчивость.

Теплоустойчивость – это свойство ограждения сохранять относительное постоянство температуры на его внутренней поверхности при изменении тепловых воздействий снаружи. Проверке подлежат наружные стены с показателем тепловой инерции ограждения D₀ ≤4, а также покрытия -D₀ ≤S.

Проверку на теплоустойчивость проводим для наружной стены и чердачного покрытия по следующему алгоритму.

1. Определяем показатель тепловой инерции i-ого слоя наружного ограждения

(34)

2. Определяем показатель тепловой инерции ограждения

D_i = (35)

3. Определить коэффициент теплоусвоения наружной поверхности i-ого слоя наружного ограждения, Вт/м² °C;

при D₀ ≥1, у_i =S_i , (36)

при D₀ <1, (37)

где ,- коэффициент теплоусвоения наружной поверхности соответственно i-го и (i-1) слоёв ограждающей конструкции, Вт/м² °C; для первого слоя =α_в .

4. Определяем коэффициент затухания температурных колебаний в i-том слое многослойной конструкции

(38)

5. Определяем расчётный коэффциент сквозного затухания температурных колебаний наружного ограждения:

(39)

R_нт –термическое сопротивление конвективному теплообмену, ограждения с наружным воздухом, м² °C/Вт , определяется как

(40)

α_НТ – коэффициент теплообмена наружной поверхности ограждения с наружным воздухом в летних условиях, , определяется как

(41)

6. Определяем расчётную амплитуду колебаний температуры наружного воздуха в июле, °С:

(42)

ρ_ср – коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью ограждения определяем по [4,прил.7];

I_max , I_ср – соответственно максимальное и среднее значения суммарной солнечной радиации (прямой и косвенной),

7. Определяем допустимую амплитуду колебаний температуры внутренней поверхности наружного ограждения, °С:

(43)

8. Определяем расчётную амплитуду температурных колебаний внутренней поверхности наружного ограждения, °С:

(44)

При этом должно выполняться условие А_{t м} ≤А^тр _{t вв}

Результаты расчёта проверки наружной стены и чердачного покрытия на теплоустойчивость сводим в таблицу 7

Результаты проверки ограждений на теплоустойчивость

Таблица №7

Вывод: фактические амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности наружной стены и чердачного покрытия меньше предельно допустимых, следовательно, здание является достаточно теплоустойчивым и тепловой комфорт помещений не нарушается.

6. Проверка наружных ограждений на воздухопроницаемость.

Расчёт производим для наружной стены и окна по следующему алгоритму.

1. Определяем разность давлений, действующих на наружную и внутреннюю поверхности ограждения, Па:

(45)

g– ускорение свободного падения, м/с

H– высота здания,м

ρ_н , ρ_в– плотность воздуха соответственно при температурах t_н и t_в . Рассчитывается по формуле

, (46)

2. Определяем требуемое сопротивление воздухопроницанию,

для наружной стены R_u ^тр =∆Р/G_в ^н (47)

для окон (48)

где G_в ^н ,G^н – нормативная воздухопроницаемость наружной стены и окна соответственно, кг/м² ч, принимаем по [4, табл. 12]

3.Определяем фактическое сопротивление воздухопроницанию ограждения, (м² чПа)/кг:

(49)

R_ui – сопротивление воздухопроницанию i-го слоя ограждающей конструкции, (м² чПа)/кг, принимаем для наружной стены по [4, прил.9], для окон по [4,прил.10].

При этом должно выполняться следующее условие: R_u ≥ R_u ^тр

Для окон определяем фактическую воздухопроницаемость

(50)

Результаты расчёта ограждений на воздухопроницаемость сводим в табл.9

Результаты проверки наружных ограждений на воздухопроницаемость

Вывод: Так как условие для наружной стены и окон ≥ выполняется, то данные ограждающие конструкции можно использовать при строительстве в г. Ростов-на-Дону

Общие выводы по курсовой работе

В ходе теплотехнического расчёта наружных ограждений жилого здания были выполнены.

1. Расчёт теплотехнических характеристик наружных ограждений, входе которого определена толщина теплоизоляционного слоя для г. Воронеж, толщины самих ограждений и фактические сопротивления теплопередачи наружных ограждений с учётом санитарно-гигиенических требований и условий энергосбережения:

- Наружная стена(НС) δ_ут ^ф =0,5 м ≥δ_ут ^тр =0,49м

- R₀ ^ф =3,675 Вт/ м² °С≥ R₀ ^тр = 2,513Вт/ м² °С

- Чердачное перекрытие (ПТ) δ_ут ^ф =0,4м ≥δ_ут ^тр =0,37м

- R₀ ^ф =4,801 Вт/ м² °С≥ R₀ ^тр =3,79Вт/ м² °С

- Перекрытие над подвалом (ПЛ) δ_ут ^ф =0,4 м ≥δ_ут ^тр =0,36м

- R₀ ^ф =5,071 Вт/ м² °С≥ R₀ ^тр =3,331Вт/ м² °С.

2. Анализ теплового режима наружного ограждения, при котором определены

температуры в толще ограждения, ПВП и ЭВП. Расчёты показали, что температуры на внутренней поверхности и в углу помещения меньше температуры точки росы, значит, увлажнение внутренней поверхности ограждений отсутствует:

НС- τ_в =16,75°С ≥ t_р =6,3°С

t_у =18,97°С≥ t_р =6,3°С

ПТ - τ_в =17,14°С ≥ t_р =6,3°С

t_у =20,86°С≥ t_р =6,3°С

ПЛ τ_в =17,46°С ≥ t_р =6,3°С

t_у =21,31°С≥ t_р =6,3°С

3. Проверка наружной стены и чердачного покрытия на паропроницаемость показала, что конструкция чердачного покрытия является наилучшей для г. Воронежа, так как отсутствует ПВК. Для наружной стены проверка на паропроницаемость показала:

R_{n ,вк= 34,25} ≥ R_{n 1} ^тр = 34,25 ;

R_{n ,вк= 39,25} ≥ R_{n 1} ^тр = 39,25 .

4. Проверка наружной стены и чердачного покрытия на теплоустойчивость ,которая показала, допустимой, следовательно, здание является ,что фактическая амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности наружного ограждения меньше предельно допустимой, следовательно, здание является достаточно теплоустойчивым и тепловой комфорт помещения не нарушается:

НС- А_{t вв} ^тр =1,69°С >А_{t вв} =0,0006°С

ПТ- А_{t вв} ^тр =1,69°С >А_{t вв} =0,0012°С

5. Проверка наружной стены и окна на воздухопроницаемость показала, что заданные конструкции можно использовать при строительстве в жилых зданиях:

НС- R_u = 59606 (м² чПа)/кг > R_u ^тр =92,3 (м² чПа)/кг

окно- R_u = 0,44 (м² чПа)/кг> R_u ^тр =0,46(м² чПа)/кг

Список используемых источников.

1. Богословский В.Н. "Строительная теплофизика." Учебник для ВУЗОВ 2-е издание. М.: Высшая школа, 1982.– 415с.

2. Фоки К.Ф. "Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. –М.: Стройиздат,1973. – 287с.

3. Новосельцев Б.П., Петров В.Р. Задание к курсовой работе "Теплотехнический расчет наружных ограждений" и к курсовому проекту "Отопление гражданского здания". ВИСИ–Воронеж, 1992. –20с.

4. СНиП II-3-79**. "Строительная теплотехника". Госстрой СССР. –М.:

Стройиздат.1986.–40с.

5. СНиП 2.01.01-82. "Строительная климатология и геофизика. Госстрой СССР. –М.:

Стройиздат. 1983. – 136с.