Расчет тепловой энергии помещения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию и науке

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра строительной физики и химии

Дисциплина: строительная физика

Курсовая работа

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПОМЕЩЕНИЯ

Выполнил студент группы 1-СУЗС-2

Востриков В. О.

Научный руководитель: старший преподаватель

Меллех Т. Х.

Санкт-Петербург 2014



Введение

Обитаемое здание, где бы оно ни находилось на нашей планете, обязано выполнять по отношению к человеку роль холодильника, оптимально охлаждающего человека в любое время года.

Интенсивность охлаждения зависит от одежды и физической активности (характера деятельности) человека и предопределяется поддержанием в помещении параметров теплового микроклимата:

· температуры воздуха - t_в;

· относительной влажности воздуха - ц_в;

· скорость движения (подвижности) воздуха - v_в;

· радиационной температуры помещения - t_в;

Оптимальное значение параметров устанавливают и рекомендуют врачи гигиенисты. Строительные Нормы и Правила приводят эти рекомендации, но не в полном объеме из-за того, что для контроля радиационной температуры нет массовой измерительной аппаратуры. Поэтому этот параметр не нормируется, хотя его влияние на охлаждение человеческого тела весьма значительно. Вместо него СНиП СНиП II-3-79^*. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с. рекомендуют не превышать в помещениях предельно допустимых перепадов температур Дt^н (которые называются нормативными) между воздухом помещения и поверхностями его ограждающих конструкций: стен, потолка, пола. Так, в жилых помещениях этот перепад не должен превышать:

· для стен - 4 ? С

· для потолка - 3 ? С

· для пола - 2 ? С СНиП II-3-79^*, табл.2^*, с.4. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с

На окна правило перепадов не распространяется, а потому на них допускается выпадение не только росы, но и инея, что в еще большей степени усугубляет в помещении радиационный дискомфорт.

Отсутствие действительного контроля за радиационной температурой помещения является крупным недостатком существующего СНиП II-3-79^*.

Обеспечение оптимальных параметров теплового микроклимата в помещениях достигается обоснованной тепловой защитой от внешних погодных воздействий и работой отопительно-вентиляционных установок, мощность которых определяется исходя из приточно-сточных балансов тепла, влаги и воздуха, составляемых для помещения. Таким образом, расчет тепловой защиты помещения всегда опережает проектирование отопительной системы и определяет нагрузки на несущие конструкции.

Концентрация водяных паров в воздухе помещения, как правило, выше, чем на улице. Они могут конденсироваться и выпадать в виде росы не только на внутренней поверхности ограждающей конструкции, но и в ее толще при диффузии водяных паров на улицу. Поэтому конструкции проверяют на возможность выпадения росы на поверхности и в толще. Наиболее вероятными местами выпадения росы являются поверхности холодных углов, теплопроводных включений, панелей и колонн, насыщенных металлической арматурой и т.п. Их температура не должна быть выше точки росы. Если из-за высокой влажности (в банях, прачечных и т.п.) выпадение росы неизбежно, то поверхность надо облицовывать водонепроницаемыми материалами. Если же роса выпадает в толще ограждения и с эти можно смириться, то следует проверять влажностный режим увлажняемого слоя. Во-первых, материал, в котором выпадает роса, должен в благоприятное время года успевать высохнуть, чтобы не было прироста влажности. Это условие называется ненакоплением влаги. Во-вторых, к концу периода влагонакопления, охватывающего месяцы с температурой 0 ? С и ниже, прирост влажности не должен превысить допустимого значения, в противном случае, возникает временное снижение теплозащитных свойств конструкции, что не позволит поддерживать тепловой микроклимат помещения на должном уровне. Для выполнения второго условия слой, в котором возможно выпадение росы, проверяют на допустимое увлажнение.

Параметры микроклимата снижаются при инфильтрации через конструкцию холодного воздуха с улицы, поэтому величина инфильтрации ограничивается СНиП II-3-79^* и подлежит проверке.

В результате расчетов получают минимально допустимую толщину конструкции ограждения, отвечающую всем вышеперечисленным требованиям. Проектировать конструкцию тоньше нормативно обусловленного значения нельзя, а толще можно, если этого требуют условия энергосбережения. Иными словами, из двух вышеперечисленных значений сопротивлений теплопередачи: экономической R_оэ и санитарной R_ос к исполнению принимается наибольшее из них, обозначаемое в дальнейшем как требуемое R_о^тр.

Для более глубокого и конкретного усвоения процесса теплотехнического проектирования зданий необходимо для заданного района строительства рассчитать предложенную конструкцию, руководствуясь излагаемой далее методикой.



Выборка исходных данных

Климат местности

1. Средние месячные температуры, упругости водяных паров воздуха е_н:

Вели- чина	Месяц
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
tн, ? С	-20,9	-18,3	-9,7	1,0	8,4	14,8	17,6	15,0	8,1	0,5	-10,8	-18,7
ен, %	110	120	230	400	620	1120	1490	1340	840	500	250	150

2. Температура воздуха, ? С:

- средняя наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92: t_х5 = -37

- средняя отопительного периода, который охватывает дни со среднесуточными температурами ? 8 ? С: t_от = -8,9

3. Продолжительность периодов, сут.:

- влагонакопления с температурами ? 0 ? С: z₀ = 176

- отопительного: z_от = 241

4. Повторяемость [П] и скорость [v] ветра:

Месяц	Характеристика	Румб
		С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
Январь	П, %	6	9	14	34	3	1	7	26
	v, м/с	1,3	1,0	1,6	2,9	2,1	0,7	2,0	2,8
Июль	П, %	4	2	5	32	9	6	18	24
	v, м/с	2,0	1,3	1,8	2,2	1,7	1,4	2,3	3,0



Параметры микроклимата помещения

1. Назначение помещения: клуб

2. Температура внутреннего воздуха: t_в = 19 ? С

3. Относительная влажность внутреннего воздуха: ц_в = 55%

4. Разрез рассчитываемого ограждения:

1 - штукатурка известково-песчаная 2 - бетон на вулканическом шлаке (1600 кг/м³) 3 - пенопласт (80 кг/ м³) 4 - воздушная прослойка 5 - кирпич глиняный на цементно-песчаном растворе (1800 кг/м³)

Теплофизические характеристики материалов

Характеристики материалов зависят от их эксплуатационной влажности, на которую влияют влажность воздуха в помещении и на улице, которым надо дать оценку Здесь и далее данные приведены из СНиП II-3-79^*. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с..

1. Влажностный режим помещения нормальный

2. Зона влажности, в которой находится данный населенный пункт (Иркутск): сухая.

3. Влажностные условия эксплуатации ограждающей конструкции: А.

4. Значения характеристик материалов составляющих данную конструкцию: см. приложение 1.

Определение точки росы

2.1. При температуре t_в = 19 ? C при заданной относительной влажности ц_в = 55% упругость насыщающий воздух водяных паров Е_в = 2197 Па

2.2. По формуле е_в = ц_в*Е_в/100 вычислим фактическую упругость водяных паров:

е_в = 55*2197/100 = 1208 (Па)

2.3. При е_в = 1208 Па точка росы t_p = 9,8 ? С

Определение нормы тепловой защиты

Для расчета толщины утепляющего слоя необходимо определить сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции исходя из требований санитарных норм R_ос и энергосбережения R_оэ.

Определение нормы тепловой защиты по условию энергосбережения

3.1.1. Определяем градусо-сутки отопительного периода по формуле:

ГСОП = Х = (t_в - t_от)_*z_от, где

t_в - расчетная температура внутреннего воздуха, ? С

t_от - средняя температура отопительного периода, ? С

z_от - продолжительность отопительного периода, сут.

ГСОП = Х = (19 - (-8,9))_*176 = 4910,4

3.1.2. Нормативное значение приведенного сопротивления теплопередачи по условию энергосбережения определяются в зависимости от назначения ограждающей конструкции, условий эксплуатации и градусо-суток отопительного периода:

R_оэ = R + в_*Х, м²_*К/Вт

В нашем случае имеем R = 1,2 м²_*К/Вт и в = 0,0003 м²/Вт_*сут

R_оэ = 1,2 + 0,0003_*4910,4 = 2,673 (м²_*К/Вт)

Определение норм тепловой защиты по условию санитарии

3.2.1. Нормативный перепад между температурой воздуха в помещении и температурой на внутренней поверхности ограждающей конструкции: Дt^н = 4,5 ? С

3.2.2. Корректирующий множитель n, учитывающий степень контактности ограждения с наружным воздухом: n = 1

3.2.3. Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции: б_в = 8,7 Вт/(м²_*К)

3.2.4. Вычислим нормативное сопротивление теплопередаче по условию санитарии по формуле

R_ос = (t_в - t_x5)_*n / (б_в*Дt), м²_*К/Вт

R_ос = (19 - (-37))_*1 / (8,7_*4,5) = 1,430 (м²_*К/Вт)



Норма тепловой защиты

Из вычисленных значений сопротивлений теплопередачи за требуемое возьмем значение экономическое сопротивление, так как оно больше санитарного. Следовательно, R_оэ = R_о^тр = 2,673 м²_*К/Вт

Расчет толщины утеплителя

Утепляющим слоем считается тот из представленных слоев, для которого не задана толщина д.

4.1. Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения внешней среде: б_н = 23 Вт/(м²_*К)

4.2. Вычислим сопротивление теплообмену: R = 1/б:
- для внутренней поверхности:

R_в = 1/8,7 = 0,115 (м²_*К/Вт)

- для наружной поверхности: R_н = 1/23 = 0,043 (м²_*К/Вт)

4.3. Определим термические сопротивления слоев конструкции с известными толщинами по формуле

R_i = д_i / л_i

R₁ = 0,01/0,76 = 0,013 (м²_*К/Вт)

R₂ = 0,3/0,64 = 0,469 (м²_*К/Вт)

R₄ = 0,170 (м²_*К/Вт) из СНиП СНиП II-3-79^*, прил. 4. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.

R₅ = 0,12/0,7 = 0,171(м²_*К/Вт)

4.4. Вычислим минимально допустимое термическое сопротивление утеплителя по формуле

R_ут^тр = R_о^тр - (R_в + R_н + ?R_{i из}), где

?R_{i из} - суммарное сопротивление слоев с известными толщинами.

R_ут^тр = 2,673 - (0,115 + 0,043 + (0,013 + 0,469 + 0,170 + 0,171)) = 1,692 (м²_*К/Вт)

4.5. Вычислим толщину утепляющего слоя по формуле

д_уп = л_уп*R_ут

д_уп = 0,05_*1,692 = 0,085 (м)

4.6. Округлим толщину утеплителя до унифицированного значения, кратного строительному модулю. Для минераловатных слоев округляем до значения, кратного 2 см.

д_уп = 0,085 (м) ? 0,100(м) ?100 (мм)

4.7. Вычислим термическое сопротивление утеплителя (после унификации) по формуле

R_ут = д_ут / л_ут

R_ут = 0,100/0,05 = 2,000 (м²_*К/Вт)

4.8. Определим общее термическое сопротивление ограждения с учетом унификации по формуле

R_o = R_в + R_н + R_ут + ?R_{i из}

R_o = 0,115 + 0,043 + 2,000 + (0,013 + 0,469 + 0,170 + 0,171) = 2,981 (м²_*К/Вт)

Проверка внутренней поверхности ограждения на выпадение росы

5.1. Вычислим температуру на внутренней поверхности ограждения по формуле

ф_в = t_в - (t_в - t_н)/R_о*R_в

ф_в = 19 - (19 - (-37))/2,981_*0,115 = 16,8 ? С

Так как ф_в > t_p, то выпадение росы на внутренней поверхности ограждения невозможно СНиП II-3-79^*, п. 2.10. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.

5.2. Определим термическое сопротивление конструкции по формуле R = ?R_i

R = 0,013 + 0,469+ 2,000 + 0,170 + 0,171= 2,823 (м²_*К/Вт)

5.3. Вычислим температуру в углу стыковки наружных стен по формуле

ф_у = ф_в - (0,175 - 0,039_*R)_*(t_в - t_н) для R = 0,6....2,2 м²_*К/Вт. R возьмем 2,2 м²_*К/Вт

ф_у = 16,8 - (0,175 - 0,039_*2,2)_*(19 - (-37)) = 11,8 ? С

Так как ф_у > t_p, то выпадение росы на внутренней поверхности ограждения невозможно.

Проверка на выпадение росы в толще ограждения

6.1. Определим сопротивление паропроницанию каждого слоя по формуле

R_пi = д_i / м_i и конструкции в целом по формуле R_п = ?R_пi
R_п1 = 0,01 / 0,09 = 0,111 (м²_*ч_*Па/мг)

R_п2 = 0,3 / 0,075 = 4 (м²_*ч_*Па/мг)

R_п3 = 0,1 / 0,23 = 0,435 (м²_*ч_*Па/мг)

R_п4 = 0,05 / ? = 0

R_п5 = 0,12 / 0,11 = 1,091 (м²_*ч_*Па/мг)

R_п = 0,111 + 4 + 0,435 + 0 + 1,091 = 5,637 (м²_*ч_*Па/мг)

6.2. Вычислим температуру на поверхности ограждения по формуле

ф_вI = t_в - (t_в - t_нI)/R_о*R_в, где

t_нI - температура самого холодного месяца

ф_вI = 19 - (19 - (-20,9))/2,981_*0,115 = 17,5 ? С

6.3. При температуре ф_вI = 17,5 ? С максимальная упругость Е_в^* = 1999 Па

влажность точка роса энергосбережение

Проверка влажности режима ограждения

7.1. Средние температуры:

- зимнего периода: t_зим = - 15,7 ? С

- весенне-осеннего периода: t_во = 0,8 ? С

- летнего периода: t_л = 12,8 ? С

- периода влагонакопления: t_вл = - 15,7 ? С

Период и его индекс	Месяцы	Число месяцев	Наружная температура периода	В плоскости конденсации
				t, ? С	Е, Па
1 - зимний	ноябрь-март	5	-15,7	-13,2	194
2 - весенне-осенний	апрель, октябрь	2	0,8	1,8	695
3 - летний	май-сентябрь	5	12,8	13,2	1516
0 - влагонакопления	ноябрь-март	5	-15,7	-13,2	194

7.3. Вычислим среднегодовую упругость насыщающих водяных паров в плоскости возможной конденсации по формуле

Е = (Е_1*z₁ + Е_2*z₂ + Е_3*z₃)/12

Е = (194_*5 + 695_*2 + 1516_*5)/12 = 828 (Па)

7.4. Определим среднегодовую упругость водяных паров в наружном воздухе по формуле

е_нг = ?е_i / 12

е_нг = 7170/12 = 598 (Па)

7.5. Вычислим требуемое сопротивление паропроницанию внутренних слоев конструкции, при котором обеспечивается ненакопление влаги в увлажняемом слое из года в год по формуле

R_пв^тр-1 = (е_в - Е)/(Е - е_нг)_*R_пн

R_пв^тр-1 = (1208 - 828)/(828 - 598)_*1,091 = 1,803 (м²_*ч_*Па/мг)

Т.к. R_пв > R_пв^тр-1, то влага не будет накапливаться в увлажняемом слое

7.6. Определим среднюю упругость водяных паров в наружном воздухе для периода влагонакопления по формуле е_о = ?е_нiо / z_о, где

e_нiо - среднемесячные упругости для месяцев, имеющих температуры t_н ? 0 ? С

z₀ - число таких месяцев в периоде

е_о = 860/5 = 172 (Па)

7.7. Вычислим требуемое сопротивление паропроницанию внутренних слоев конструкции, ограничивающих приращение влажности (в увлажняемом слое) в допустимых пределах по формуле:

R_пв^тр-2 = (е_в - Е_о)/((Е_о - е_о)/R_пн + с_*д_*Дщ_ср / (100_*z_о))

R_пв^тр-2 = (1208 - 828)/((828 - 172)/1,091 + 1800_*10⁶_*0,1_*1,5/(100_*176_*24) = 0,306 (м²_*ч_*Па/мг)

R_пв^тр-2 < R_пв, сопротивление паропроницанию внутренних слоев конструкции, ограничивающих приращение влажности, находится в допустимых пределах.

Проверка ограждения на воздухопроницание

8.1. Определим плотность воздуха с_в в помещении при заданной температуре t_в и на улице с_н при температуре самой холодной пятидневки, используя формулу

с = м_*Р/(R_*T), где

м - молярная масса воздуха, равная 0,029 кг/моль

P - барометрическое давление, равное 101кПа

R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль_*К)

T - температура воздуха в Кельвинах.

с_в = 0,029_*101000/(8,31_*(19+273)) = 1,207 (кг/м³)

с_н = 0,029_*101000/(8,31_*(-37+273)) = 1,494 (кг/м³)

8.2. Вычислим тепловой перепад давления по формуле

ДР_т = 0,56_*(с_н - с_в)_*g_*H, где

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²

Н - высота здания

ДР_т = 0,56_*(1,494 - 1,207)_*9,81_*31 = 49 (Па)

8.3. Расчетная скорость ветра н = 2,9 м/с

8.4. Вычислим ветровой перепад давления по формуле ДР_в = 0,3_*с_н* н² и суммарный (расчетный) перепад, действующий на ограждение по формуле

ДР = ДР_т + ДР_в

ДР_в = 0,3_*1,494_* (2,9)² = 4 (Па)

ДР = 49 + 4 = 53 (Па)

8.5. Допустимая воздухопроницаемость ограждения G^н = 0,5 кг/(м²_*ч)

8.6. Определим требуемое (минимально допустимое) сопротивление инфильтрации по формуле

R_и^тр = ДР/G^н

R_и^тр = 53/0,5 = 162 (м²_*ч_*Па/кг)

Номер слоя	Материал	Толщина слоя, мм	Пункт приложения 9	Сопротивление Rиi, м2*ч*Па/кг
1	Штукатурка известково-песчаная	10	31	142
2	Бетон на вулканическом шлаке	300	29	42
3	Пенопласт	100	Примечание 2	0
4	Воздушная прослойка	50	Примечание 2	0
5	Кирпич глинный на цементно-песчаном растворе	120	6	2

8.8. Найдем располагаемое сопротивление воздухопроницанию по формуле

R_и = ?R_нi. Сопротивление воздухопроницанию слоев ограждающих конструкций (стен, покрытий), расположенных между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитывается СНиП II-3-79^*, п. 5.4. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28с.

R_н = 142 + 42 = 184 (м²_*ч_*Па/кг)

R_и > R_и^тр, конструкция удовлетворяет допустимым нормам

Сопротивление воздухопроницанию Rиi, м2*ч*Па/кг	142	42	0	0	2
Сопротивление паропроницанию Rпi, м2*ч*Па/мг	0,111	4,000	0,435	0	1,091
Коэффициент паропроницаемости м, мг/м2*ч*Па	0,09	0,075	0,23	?	0,11
Термическое сопротивление слоев Ri, м2*К/Вт	0,013	0,469	2,000	0,170	0,171
Коэффициент теплопроводности л, Вт/(м*°С)	0,76	0,64	0,05	-	0,7
Толщина слоя д, мм	10	300	100	50	120
Плотность с, кг/м3	1800	1600	80	1,225	1800
№ по СНиП	71	12	146	-	84
Материал	штукатурка известково-песчаная	бетон на вулканическом шлаке	пенопласт	воздушная прослойка	кирпич глиняный на цементно-песчаном растворе
№ слоя	1	2	3	4	5



Заключение

- Общая толщина ограждения (стены): 580 мм

- Масса 1 м² ограждения: у = 722 кг/м²

- Сопротивление теплопередаче: R_о = 2,981 м²_*К/Вт

- Коэффициент теплопередачи: К = 0,335 Вт/ м²_*К

- Действующий перепад давления: ДР = 53 Па



Список использованной литературы

1) СНиП II-3-79^*. Строительная теплотехника. М.: Минстрой Россия, 1995, 28 с.

2) СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат, 1983, 136 с.

3) Фокин К.Ф. Строитеьная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: Стройиздат, 1973, 240 с.

Размещено на Allbest.ru

...