Теплотехнический расчет зданий: особенности и формулы расчетов + практические примеры

Для нормальной эксплуатации зданий важно избежать как перегрева, так и промерзания. Определить оптимальный температурный режим поможет теплотехнический расчет, который так же важен, как и расчеты по экономичности, прочности, огнестойкости и долговечности материалов.

При выборе строительных материалов для ограждающих конструкций учитываются теплотехнические нормы, климатические параметры, а также характеристики паро- и влагопроницаемости. В данной статье мы рассмотрим, как именно провести этот расчет.

Назначение теплотехнического расчета

Теплотехнические характеристики капитальных ограждений играют ключевую роль. Они влияют на уровень влажности конструкций и температурные режимы, что, в свою очередь, может приводить к образованию конденсата на перегородках и перекрытиях.

Расчеты позволят узнать, удастся ли поддерживать стабильные температуры и уровень влажности как в условиях плюсовой, так и минусовой температур. К числу таких параметров относится и объем тепла, который может теряться ограждающими конструкциями в холодный период.

Начинать проектирование без этих данных недопустимо, так как именно они определяют толщину стен и перекрытий, а также порядок укладки различных слоев.

Согласно требованиям ГОСТ 30494-96, температурный уровень в помещениях должен составлять в среднем 21°C. Относительная влажность при этом должна находиться в комфортных пределах — около 37%. Предел скорости движения воздуха не должен превышать 0,15 м/с.

Главные задачи теплотехнического расчета заключаются в том, чтобы определить:

1. Соответствуют ли конструкции заявленным теплоизоляционным требованиям?
2. Насколько эффективно создается комфортный микроклимат внутри помещений?
3. Гарантируется ли должная тепловая защита ограждений?

Ключевым принципом является соблюдение температурного баланса между наружной атмосферой и внутренними конструкциями. Игнорирование этого фактора приводит к тому, что тепло будет поглощаться ограждениями, а температура внутри помещения останется низкой.

Изменения в тепловом потоке не должны значительно влиять на температуру воздуха внутри. Эта способность называется теплоустойчивостью.

С помощью теплотехнического расчета устанавливаются оптимальные пределы для толщины стен и перекрытий, что гарантирует долговременную эксплуатацию здания без риска сильных промерзаний или перегрева.

Параметры, необходимые для расчетов

Для корректного теплорасчета требуется набор исходных параметров.

Эти параметры зависят от ряда факторов:

1. Назначение и тип здания.
2. Ориентация вертикальных ограждающих конструкций относительно сторон света.
3. Географические особенности местоположения будущего здания.
4. Объем, этажность и площадь строения.
5. Характеристики дверных и оконных проемов.
6. Тип и технические параметры системы отопления.
7. Число постоянных жильцов.
8. Материалы, из которых построены вертикальные и горизонтальные ограждения.
9. Конструкция перекрытия последнего этажа.
10. Наличие системы горячего водоснабжения.
11. Тип вентиляционной системы.

Также важно учитывать другие конструктивные особенности здания. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций не должна приводить к значительным потерям тепла и ухудшению теплоизоляционных свойств.

Избыточная влажность стен может приводить к потере тепла и образованию сырости, что негативно сказывается на долговечности здания.

В процессе расчета в первую очередь определяются теплотехнические характеристики используемых стройматериалов, а также их приведенное сопротивление теплопередаче и соответствие нормативам.

Формулы для расчетов

Потери тепла в здании можно разделить на две основные категории: утечки через ограждающие конструкции и потери, связанные с работой вентиляционной системы. Тепло также теряется при сбросе теплой воды в канализацию.

Потери через ограждающие конструкции

Для определения значений теплопроводности материалов ограждений необходимо знать коэффициент теплопроводности Кт (Вт/м·°C), который можно найти в актуальных справочниках.

Узнав толщину слоев, используйте формулу: R = S / Кт, чтобы найти термическое сопротивление каждого элемента. Если конструкция состоит из нескольких слоев, необходимо суммировать все найденные значения.

Определить величину тепловых потерь проще всего, суммируя тепловые потоки, проходящие через ограждающие конструкции здания.

При этом нужно учитывать, что материалы конструкций имеют различные структуры, а специфичность теплового потока может варьироваться.

Для каждой конкретной конструкции потери тепла можно рассчитать по формуле:

Q = (A / R) х dT

• A — площадь в м².
• R — сопротивление конструкции к теплопередаче.
• dT — разница температур между внешней и внутренней средой. Этот параметр следует определять для наиболее холодного пятидневного периода.

Полученное значение даст результат только для наименее теплого пятидневного периода. Общие теплопотери за весь зимний сезон можно определить, учитывая средние значения параметра dT, а не только минимальные.

Степень тепловой аккумуляции и отдачи во многом зависит от уровня влажности в регионе, поэтому для расчетов полезно руководствоваться картами влажности.

Затем следует рассчитать количество энергии, необходимое для компенсации потерь тепла как через ограждающие конструкции, так и через вентиляцию. Это значение обозначается буквой W.

Формула выглядит следующим образом:

W = ((Q + Qв) х 24 х N) / 1000

Где N — это продолжительность отопительного сезона в днях.

Недостатки расчета по площади

Метод расчета, основанный на площади, не отличается высокой точностью. При этом не учитываются такие важные параметры, как климатические условия, температурные максимумы и минимумы, уровень влажности, что в значительной мере приводит к ошибкам.

В стремлении компенсировать эти недостатки, в проекте часто вводят «запас».

Если все же был выбран именно этот метод, необходимо учесть следующие нюансы:

1. Для высоты вертикальных ограждений до трех метров с двумя проемами на одной плоскости рекомендуется умножать на 100 Вт.
2. Если в проект входит балкон, два окна или лоджия, умножать следует на 125 Вт.
3. Для промышленных или складских помещений используется множитель 150 Вт.
4. При установке радиаторов вблизи окон их расчетная мощность увеличивается на 25%.

Формула расчета по площади имеет следующий вид:

Q = S х 100 (150) Вт.

Здесь Q — это требуемый уровень тепла в здании, S — площадь, подлежащая отоплению в м². Значения 100 или 150 — это удельные показатели тепловой энергии, необходимой для нагрева 1 м².

Потери через вентиляцию

Ключевым параметром в данном случае является кратность воздухообмена. При условии, что стены дома пропускают влагу, эта величина равна единице.

Проникновение холодного воздуха происходит через приточную вентиляцию, а вытяжная вентиляция способствует выходу теплого воздуха. Условия потерь через вентиляцию можно улучшить с помощью рекуператоров-теплообменников, которые предотвращают уход тепла вместе с выходящим воздухом, а входящие потоки нагреваются.

Предполагается полное обновление воздуха в помещении в течение одного часа. Здания, построенные по стандарту DIN, имеют пароизолированные стены, поэтому кратность воздухообмена в них принимается равной двум.

Существует формула для определения теплопотерь через вентиляционную систему:

Qв = (V х Кв : 3600) х Р х С х dT

Где обозначения имеют следующие значения:

1. Qв — теплопотери.
2. V — объем комнаты в м³.
3. Р — плотность воздуха, принимаемая равной 1,2047 кг/м³.
4. Кв — кратность воздухообмена.
5. С — удельная теплоемкость, равная 1005 Дж/кг·°C.

В результате такого расчета можно определить необходимую мощность теплогенератора отопительной системы. Если мощность оказывается слишком высокой, то выгодным выходом может стать установка вентиляционной системы с рекуператором. Рассмотрим несколько примеров для зданий, построенных из различных материалов.

Пример теплотехнического расчета №1

Рассчитаем теплотехнические параметры жилого дома, расположенного в первом климатическом районе России, подрайон 1В. Все данные взяты из таблицы 1 СНиП 23-01-99. Самая низкая температура, наблюдаемая в течение пяти дней с обеспеченностью 0,92, составила tн = -22°C.

Согласно СНиП, отопительный период (zоп) длится 148 дней. Средняя температура в этот период с учетом наружных условий составляет -2,3°C, а температура внешней среды в отопительный сезон — tht = -4,4°C.

Учет теплопотерь в проектировании дома очень важен. Результаты расчетов влияют на выбор как строительных материалов, так и утеплителя. Полного отсутствия потерь добиться невозможно, но к этому следует стремиться, чтобы они были минимально приемлемыми.

Предполагается, что температура в жилых помещениях должна составлять 22°C. Дом имеет два этажа с толщиной стен в 0,5 м. Высота строения достигает 7 м, а размеры в плане составляют 10 х 10 м. Для стен выбрана теплая керамика с коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/м·°C.

В качестве наружного утеплителя, толщина которого составляет 5 см, применена минеральная вата, имеющая коэффициент теплопроводности Кт равный 0,04 Вт/м·°С. В доме предусмотрено 15 оконных проемов, площадь каждого составляет 2,5 м².

Теплопотери через стены

Сначала необходимо вычислить термическое сопротивление как для керамической стены, так и для утеплителя. В случае с керамикой оно вычисляется по формуле R1 = 0,5 : 0,16, что равно 3,125 м²·°С/Вт. Для утеплителя R2 будет равно 0,05 : 0,04, что составляет 1,25 м²·°С/Вт. В итоге общее значение для вертикальной ограждающей конструкции составит: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 м²·°С/Вт.

Так как тепловые потери зависят от площади ограждающих конструкций, посчитаем площадь стен:

A = 10 х 4 х 7 – 15 х 2,5 = 242,5 м²

Теперь можно рассчитать количество теряемого тепла через стены:

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

Расчет теплопотерь через горизонтальные ограждающие конструкции производится аналогичным образом. В конечном итоге все результаты суммируются.

Если в наличии имеется подвал, то потери тепла через фундамент и пол будут ниже, так как в расчет берется температура земли, а не наружного воздуха.

Если под полом первого этажа располагается отапливаемый подвал, утепление пола становится необязательным. Тем не менее, стены подвала стоит утеплить, чтобы предотвратить уход тепла в грунт.

Расчет потерь через вентиляцию

Для упрощения вычислений не учитывают толщину стен, а просто вычисляют объем воздуха внутри:

V = 10 х 10 х 7 = 700 м³.

При уровне воздухообмена Кв = 2, потери тепла составят:

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.

Эффективную вентиляцию в жилых домах обеспечивают роторные и пластинчатые рекуператоры, где КПД первых может достигать 90%.

Пример теплотехнического расчета №2

Необходимо выполнить расчет потерь тепла через кирпичную стену, толщина которой составляет 51 см. Она утеплена 10-сантиметровым слоем минеральной ваты. Внешняя температура — 18°C, внутренняя — 22°C. Размеры стены: высота 2,7 м, длина 4 м. Эта стена расположена на юг, и в ней нет внешних дверей.

Коэффициент теплопроводности для кирпича составляет Кт = 0,58 Вт/м²·°С, для минеральной ваты — 0,04 Вт/м²·°С. Теперь определим термическое сопротивление:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 м²·°С/Вт, R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 м²·°С/Вт. Общее термическое сопротивление для вертикальной ограждающей конструкции: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 м²·°С/Вт.

Площадь наружной стены A = 2,7 х 4 = 10,8 м².

Теперь calculate теплопотери через стену:

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

Для расчета теплопотерь через окна используется та же формула, но термическое сопротивление обычно указано в паспорте, так что рассчитывать его не требуется.

В теплоизоляции дома окна являются «слабой точкой». Через них уходит значительная часть тепла. Снижение потерь можно достичь с помощью многослойных стеклопакетов, теплоотражающих пленок и двойных рам, однако полностью избежать теплопотерь не получится.

Если у дому установлены энергосберегающие окна размером 1,5 х 1,5 м², обращенные на север, с термическим сопротивлением 0,87 м²·°С/Вт, потери составляют:

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

Пример теплотехнического расчета №3

В этом примере выполним расчет теплопотерь деревянного бревенчатого здания, фасад которого выполнен из сосновых бревен толщиной 0,22 м. Коэффициент теплопроводности для такого материала составляет К = 0,15. В данной ситуации теплопотери рассчитываются следующим образом:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 м²·°С/Вт.

Низшая температура пятидневного периода — -18°C, при этом внутри дома необходимая температура составляет 21°C. Разница температур равняется 39°C. При площади 120 м², получим следующие потери:

Qс = 120 х 39 : 1,47 = 3184 Вт.

Теперь сравним с потерями в кирпичном доме, где для силикатного кирпича коэффициент составляет 0,72.

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

Оценив оба варианта, становится очевидным, что деревянный дом является более экономичным вариантом. Силикатный кирпич не подходит для строительства стен в данном случае.

Деревянная конструкция обладает высокой теплоемкостью, что позволяет долго сохранять комфортную температуру внутри. Тем не менее, бревенчатые дома также нужно утеплять, и лучше проводить утепление как снаружи, так и изнутри.

Специалисты в области строительства и архитектуры настоятельно рекомендуют проводить теплотехнические расчеты при организации отопительных систем, чтобы правильно подбирать оборудование, а также на стадии проектирования для выбора наиболее подходящей системы утепления.

Пример теплорасчета №4

Запланировано строительство дома в Московской области. Для расчетов используется стена из пеноблоков, утепленная экструдированным пенополистиролом. Конструкция отделана штукатуркой с обеих сторон, основа которой — известково-песчаный раствор.

Плотность пенополистирола составляет 24 кг/м³.

Относительная влажность воздуха в помещении достигает 55% при средней температуре 20°C. Толщина слоев следующая:

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

Необходимо установить нужное сопротивление теплопередаче. Необходимое Rтр рассчитывается, подставляя данные в формулу:

Rтр = a х ГОСП + b

где ГОСП — это градусо-сутки отопительного сезона, а a и b — коэффициенты, полученные из таблицы №3 Свода Правил 50.13330.2012. Поскольку здание является жилым, a равен 0,00035, b — 1,4.

ГСОП вычисляется по формуле:

ГСОП = (tв – tот) х zот.

В этой формуле tв = 20°C, tот = -2,2°C, zот — 205 — количество суток в отопительный период. Получаем:

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

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

С использованием таблицы №2 СП50.13330.2012 определяем коэффициенты теплопроводности для каждого слоя стены:

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

Полное условное сопротивление теплопередаче Rо рассчитывается как сумма сопротивлений всех слоев. Формула выглядит так:

Эта формула также взята из СП 50.13330.2012. Здесь 1/ав означает противодействие тепловосприятию внутренних поверхностей, а 1/ан — наружных, δ / λ — термическое сопротивление слоя

Подставляя значения, получаем: Rо условное = 2,54 м²·°С/Вт. Rф можно определить, умножив Rо на коэффициент r, который равен 0.9:

Rф = 2,54 х 0,9 = 2,3 м²·°С/Вт.

Такой результат требует изменения конструкции ограждающего элемента, поскольку фактическое тепловое сопротивление оказывается ниже расчетного.

Существуют разнообразные компьютерные эксперты, которые могут ускорить и упростить процесс расчетов.

Теплотехнические расчеты неразрывно связаны с определением точки росы. Что это такое и как ее рассчитать, вы можете узнать из нашей рекомендованной статьи.

Заключение и полезные видеоматериалы по теме

Реализация теплотехнического расчета с помощью онлайн-калькулятора:

Правильный теплотехнический расчет:

Правильное выполнение теплотехнического расчета позволяет оценить эффективность утепления внешних конструкций дома и определить необходимую мощность отопительного оборудования.

В конечном итоге это позволяет сэкономить на покупке материалов и отопительных приборов. Лучше заранее знать, сможет ли оборудование справиться с обогревом и вентиляцией здания, чем осуществлять покупки без предварительных расчетов.

Пожалуйста, оставьте свои комментарии, задавайте вопросы и делитесь фотографиями, относящимися к теме статьи, в блоке ниже. Расскажите, как теплотехнический расчет помог вам в выборе отопительного оборудования нужной мощности или системы утепления. Возможно, ваша информация будет полезной для других пользователей сайта.

Видео:

Выплаты за совмещение должностей: формула и пример расчета