Расчет тепловлажностного режима плоской чердачной неэксплуатируемой крыши

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

ИНЖЕНЕРНО-СТОРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Гражданское строительство и прикладная экология»

Отделение энергетических и промышленно-гражданских сооружений

Задание на курсовую работу по дисциплине «Физика среды и ограждающих конструкций»

Расчет тепловлажностного режима плоской чердачной неэксплуатируемой крыши

Работу выполнила: студентка гр.2015/2

Морозова Наталья

Проверил: доц. Барабанщиков Ю.Г.

Санкт-Петербург

апрель, 2013г.



1. Исходные данные

Техническое задание.В связи с неудовлетворительным тепло-влажностным режимом здания необходимо произвести утепление плоской чердачной неэксплуатируемой крыши. С этой целью выполнить расчеты термического сопротивления, теплоустойчивости, воздухо- и паропроницаемости ограждающих конструкций здания с оценкой возможности конденсации влаги в толще ограждений. Установить необходимую толщину теплоизоляционного слоя, необходимость применения ветро- и пароизоляции, порядок расположения слоев в конструкции. Разработать проектное решение, отвечающее требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» к ограждающим конструкциям. Расчеты выполнить в соответствии со сводом правил по проектированию и строительству СП 23-101-2004 "Проектирование тепловой защиты зданий".

7-этажное жилое здание расположено в городе Грозный.

Климатические параметры. Согласно СНиП 23-02-2003 и ГОСТ 30494-96 расчетную среднюю температуру внутреннего воздуха принимаем равной чердачный теплоустойчивость крыша воздухопроницаемость

t_int = 21,5 °С.

Согласно СНиП 23-01-99 принимаем:

1) расчетную температуру наружного воздуха в холодный период года для условий города Грозный:

t_ext = -18 °С;

2) продолжительность отопительного периода

z_ht = 160 сут.;

3) среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период

t_ht = 0,9 °С.

Коэффициенты теплоотдачи. Значения коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности ограждений принимаем: для стен, полов и гладких потолков б_int = 8,7 Вт/(м²·єС).

Значения коэффициента теплоотдачи наружной поверхности ограждений принимаем: для стен и покрытий б_ext =23; перекрытий чердачных б_ext=12 Вт/(м²·єС);

Нормируемое сопротивление теплопередаче. Градусо-сутки отопительного периода G_d определяются по формуле: G_d =(t_int - t_ht)z_ht,

G_d = 3024 °С·сут.

Поскольку значение G_d отличается от табличных значений, нормативное значение R_req определяем по формуле: R_req=aG_d+b,

Согласно СНиП 23-02-2003 для полученного значения градусо-суток нормируемое сопротивление теплопередаче R_req, м²·°С/Вт, составляет:

- для наружных стен 2,46;

- покрытий и перекрытий над проездами 3,71;

- перекрытий чердачных 3,26;

- окон и балконных дверей 0,38.



2. Теплотехнический расчет плоской чердачной неэксплуатируемой крыши

2.1 Характеристика покрытия

Покрытие корпуса представляет собой железобетонную плиту. Теплоизоляция выполнена из пенополивинилхлоридных плит. Пароизоляция в виде полиэтиленовой пленки в два слоя, расположена под теплоизоляцией. На облицовку потолка из пенополистирольной плитки нанесен известковый штукатурный раствор. Характеристики материалов покрытия - плотность г₀, коэффициент теплопроводности в сухом состоянии . При этом в расчетах используем коэффициенты теплопроводности материалов _W для условий эксплуатации Б, (для влажных условий эксплуатации), рассчитываем по формуле - л_w=л_о(1+вW), . Имеем:

- для железобетонной плиты

г₀ =2500 кг/м³,

₀=1,69 Вт/(м С),

_W =1,69(1+0,069·3)=2,04 Вт/(м·°С),

м=0,03 мг/(м·ч·Па);

- для полиэтиленовой пленки:

г₀ = 930 кг/м³,

₀=_W =0,12 Вт/(м·°С),

м=0,000022 мг/(м·ч·Па);

- для плит из пенополистирола (марка пенопласта ПСБ-С-50):

г₀ =50 кг/м³,

₀ =0,04 Вт/(м·°С),

_W =0,04(1+0,035Ч10)=0,054 Вт/(м·°С),

м=0,02 мг/(м·ч·Па);

-для цементно-песчаной стяжки:

г₀ =1200 кг/м³,

₀=0,35 Вт/(м С),

_W =0,35(1+0,164·4)=0,58 Вт/(м·°С),

м=0,14 мг/(м·ч·Па);

-для плит из пенополивинилхлорида:

г₀ =125 кг/м³,

₀=0,052Вт/(м С),

_W =0,052(1+0,023·10)=0,064 Вт/(м·°С),

м=0,23 мг/(м·ч·Па);

- для известкового штукатурного раствора:

г₀ =900 кг/м³,

₀=0,16Вт/(м С),

_W =0,16(1+0,052·12)=0,26 Вт/(м·°С),

м=0,16 мг/(м·ч·Па);

2.2 Расчет сопротивления теплопередаче

R=д/л_w, Щ = д/,

Таблица 1 Приведенное сопротивление теплопередаче кровли

№ слоя	Материал слоя	Толщина д, м	Расчетные коэффициенты	Расчетные сопротивления
			Теплопроводности л, Вт/(м К)	Паропроницаемости µ, мг/(м·ч·Па)	Теплопередаче R, (м2·°С)/Вт	Паропроницанию Щ, м2·ч·Па/мг
1	Облицовка из пенополистирольной плитки	0,008	0,054	0,02	0,148	0,400
2	Штукатурный раствор	0,026	0,26	0,16	0,1	0,163
3	Железобетонная плита	0,115	2,04	0,03	0,056	3,833
4	Пароизоляция (п/э пленка в 2 слоя)	0,0002	0,12	0,000022	0	0
5	Цементно-песчаная стяжка	0,046	0,58	0,14	0,079	0,329

Термическое сопротивление покрытия (без дополнительного утепления) определяем как сумму термических сопротивлений отдельных слоев.

R_о =1/8,7+0,148+0,056+0,079+0,100++1/12= R_req=3,26 м²·°С/Вт,

где - это толщина теплоизоляционного слоя из пенополивинилхлорида

Найдем толщину теплоизоляционного слоя:

0,17м=170мм

Плиты из пенополивинилхлорида выпускаются толщиной от 35 до 70 мм с шагом 10 мм. Принимаем стандартную толщину плит 60 мм. Таким образом, дополнительная теплоизоляция будет уложена в три слоя.

Проверка выполнения требований по энергосбережению. Расчетная схема крыши приведена на рис.1. Произведем расчет общего приведенного сопротивления теплопередаче покрытия при выбранной толщине теплоизоляции. Результаты расчета приведены в таблице:

Таблица 2

№ слоя	Материал слоя	Толщина д, м	Расчетные коэффициенты	Расчетные сопротивления
			Теплопроводности л, Вт/(м К)	Паропроницаемости µ, мг/(м·ч·Па)	Теплопередаче R, (м2·°С)/Вт	Паропроницанию Щ, м2·ч·Па/мг
1	Пенополистирольная плитка	0,008	0,054	0,02	0,148	0,400
2	Штукатурный раствор	0,026	0,26	0,16	0,1	0,163
3	Железобетонная плита	0,115	2,04	0,03	0,056	3,833
4	Пароизоляция (п/э пленка в 2 слоя)	0,0002	0,12	0,000022	0	0
5	Плиты из пенополивинилхлорида	0,180	0,064	0,23	2,81	0,783
6	Цементно-песчаная стяжка	0,046	0,58	0,14	0,079	0,329



Сопротивление теплопередаче покрытия после утепления составит:

R_o=1/8,7+0,148+0,056+0,079+0,100+2,81+1/12=3,39м²·°С/Вт.

Согласно СНиП 23-02-2003 для полученного выше значения градусо-суток нормируемое сопротивление теплопередаче покрытия составляет:

R^c_req =3,26 м²·°С/Вт

Как видно из таблицы 2 , покрытие удовлетворяет требованиям по теплозащите (R_o> R^c_req) при толщине теплоизоляционного слоя 60 мм, уложенного в три слоя.

Проверка выполнения требований по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям в помещении. Расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены Дt₀ составляет

Дt₀=n(t_int - t_ext)/(R_o·б_int)=1,0(21,5+18)/(3,39 ·8,7)=1,34 єС.

Согласно СНиП 23-02-2003 для покрытий жилых зданий допустим перепад температуры Дt₀ не более Дt_n=3,0 єС. Таким образом, второе условие (Дt₀?Дt_n) выполнено.

Проверим третье условие (ф_int>t_рос), т.е. возможна ли конденсация влаги на внутренней поверхности покрытия при расчетной температуре наружного воздуха

t_ext = -18 °С. Температуру внутренней поверхности ф_int, С, ограждающей конструкции (без теплопроводного включения) определяем по формуле

ф_int= t_int -Дt₀=21,5-1,34=20,16 °С.

Упругость водяного пара в помещении е_int равна:

е_int = ц_intЕ/100=54·2581/100=1394 Па,

Точка росы при максимальной упругости пара Па составляет

t_рос =11,9 °С.

Поскольку ф_int>t_рос, то условие отсутствия конденсации пара на внутренней поверхности наружной стены выполняется.



2.3 Теплоустойчивость чердачной неэксплуатируемой крыши в холодный период года

Поскольку в здании предусмотрено стационарное электро-теплоаккумуляционное отопление, то согласно СНиП 23-02-2003 нормируемое значение амплитуды суточных колебаний температуры составляет А_t^req=2,5 єС.

А_t^des? А_t^req.

Для материала каждого слоя определяем коэффициент теплоусвоения материала s и показатель тепловой инерции D.

D=Rs

D = D₁ + D₂ +...+ D_n,

Таблица 3. Коэффициенты теплоусвоения и показатели тепловой инерции слоев покрытия

№ слоя	Материал слоя	Плотность г0, кг/м3	Коэффициент теплопроводности лW, Вт/(м·єС)	Удельная теплоемкость c, Дж/(кг·єС)	Коэффициент теплоусвоения s, Вт/(м2·°С)	Сопротивление теплопередаче R, м2·°С/Вт	Показатель тепловой инерции D
1	Облицовка из пенополистирольной плитки (ПСБ-С-50)	50	0,054	1340	0,51	0,148	0,08
2	Штукатурка	900	0,26	840	3,78	0,1	0,38
3	Железобетон	2500	2,04	840	17,65	0,056	0,99
4	Пароизоляция (п/э пленка)	930	0,12	1570	3,57	0,0002	0
5	Теплоизоляционные плиты из пенополивинилхлорида	125	0,064	1260	0,73	2,81	2,05
6	Цементно-песчаный раствор	1200	0,58	840	6,52	0,079	0,52
Сумма	4,02

Из табл. 3 следует, что зона резких колебаний расположена в трех первых слоях ограждения, поэтому коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения определяется по формуле:

Y_int=(R₁S₁²+Y₂)/(1+ R₁Y₂)=0,148?+ / 1+0,148?=3,433Вт/(м²·°С).

Y₂₌=

Коэффициент теплопоглощения поверхности ограждения вычисляем по формуле:

В=1/(1/'_int +1/Y_int)=1/(1/(4,5+3,5)+1/3,433)=2,41 Вт/(м²·°С).

Амплитуду колебаний температуры воздуха в помещении рассчитываем по формуле:

A_t^des = m (t_int - t_ext)/ВR_о=0,1(21,5+18)/2,41·3,39=0,22 °С,

Полученное значение амплитуды суточных колебаний температуры воздуха в чердачной неэксплуатируемой крыше A_t^des =0,22 °С меньше нормируемого значения этой величины А_t^req=2,5 єС, следовательно ограждение удовлетворяет требованиям СНиП по теплоустойчивости в холодное время года.



2.4 Воздухопроницаемость чердачной неэксплуатируемой крыши

Сопротивление воздухопроницанию покрытий жилых и общественных зданий J^des должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию J^req , которое составляет:

J^req= Дp/G_n

J^req= 18,19/0,5=36,38 м²·ч·Па/кг.

При этом нормируемая воздухопроницаемость покрытия принята равной 0,5 кг/(м²·ч). Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях покрытия получена по формуле:

Дp=0,55·24(13,58-11,76)+0,03·13,58·3,5²=18,19 Па.

Высота здания H=24 м складывается из высоты семи этажей по 3 м и высоты крыши, которая может быть принята равной высоте этажа. Удельные веса, наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, определяем по формулам:

г_ext =3463/(273+t_ext),

г_int=3463/(273+t_int).

г_ext =3463/(273-18)=13,58,

г_int=3463/(273+21,5)=11,76.

Сопротивление покрытия воздухопроницанию J^des, м²·ч·Па/кг, определяем по формуле

J^des= J₁+ J₂+ J₃+…+ J_n,

Результаты расчета представлены в табл. 4.



Таблица 4. Характеристика слоев покрытия воздухопроницанию

№ слоя	Материал слоя	Плотность г0, кг/м3	Толщина д, м	Сопротивление воздухопроницанию Jdes, м2·ч·Па/кг
1	Облицовка из пенополистирольной плитки (ПСБ-С-50)	50	0,008	79
2	Штукатурка	900	0,026	142
3	Железобетон	2500	0,115	19620
4	Пароизоляция (п/э пленка)	930	0,002	2000
5	Теплоизоляционные плиты из пенополивинилхлорида	125	0,180	9,6
6	Цементно-песчаный раствор	1200	0,046	373
Сумма	22224

Поскольку J^des>> J^req , то требование СНиП 23-02-2003 к конструкции покрытия по воздухопроницаемости выполнено.

2.5 Сопротивление покрытия паропроницанию

Расчетная температура t_int, °C, и относительная влажность внутреннего воздуха _int, %: для жилых помещений t_int = 21,5 °С (согласно ГОСТ 30494), _int = 54 % (согласно СНиП 23-02-2003).

Расчетная зимняя температура t_ext", °C, и относительная влажность наружного воздуха _ext, %, принимаются равными, соответственно, средней месячной температуре и средней относительной влажности наиболее холодного месяца. Для города Грозный наиболее холодный месяц январь. Согласно табл. П.13 и П.2 приложения

t_ext" = -3,8 °С;

_ext = 89 %.

Согласно СНиП 23-02-2003 плоскость возможной конденсации в многослойной конструкции совпадает с наружной поверхностью утеплителя.

При t_int = 21,5 °С, Е_int = 2592 Па.

При _int = 54 %, е_int = (54/100)·2592 = 1399 Па;

Парциальное давление водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации определяем по формуле:

Е = (Е₁z₁ + E₂z₂ + Е₃z₃) / 12,

Сопротивление теплопередаче внутренней поверхности покрытия, равно

R_sj=1/_int=1/8,7 = 0,115 м²·°С·Вт;

Термическое сопротивление ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации

R_e =0,148+0,1+0,056+2,81= 3,1 м²·°С·Вт

Сопротивление покрытия теплопередаче равно

R_o=3,39 м²·°С·Вт.

Продолжительность и соответствующие температуры зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов для климатических условий города Грозный составляют:

1) весенне-осенний период (январь, февраль, март, ноябрь, декабрь):

z₁ = 5 мес;

t₁ = [-3,8 - 2,0 + 2,8+4,5-0,7] / 5 = 0,8 °С;

₁ = 21,5 - (21,5 - 0,8) (0,115 + 3,1) / 3,39= -13,3 °С;

Е₁ = 190 Па;

2) летний период (апрель, май, июнь, июль, август, сентябрь, октябрь):

z₂ = 7 мес;

t₂ = (10,3+16,9+21,2+23,9+23,2+17,8+10,4) / 7 = 17,7 °С;

₂ = 21,5 - (21,5 - 17,67) (0,115 + 3,1) / 3,39 = 9,97 °С.

Е₂ = 1211 Па.



Таблица 5.

Период	ti, °С	z, мес	i С	Е, Па
Весенне-осенний (декабрь, январь, февраль, март,ноябрь)	0,8	5	-13,3	190
Летний (апрель, май, июнь, июль, август ,сентябрь, октябрь)	17,7	7	9,97	1211

Результаты расчета температуры в плоскости возможной конденсации

Парциальное давление водяного пара Е в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации ограждающей конструкции составляет

Е = (190·5 + 1211·7) / 12 = 1347Па.

Щ_e=7,3 м²·ч·Па/мг.

Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период считаем равным парциальному давлению насыщенного пара E_ext^ср при средней месячной температуре за годовой период, которая в нашем случае составляет 10,4 єС:

e_ext^ср= 1262 Па.

Определяем нормируемое сопротивление паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги за годовой период эксплуатации:

Щ_req^*= (1399 - 1347) 7,3 / (1347 - 1262) = 4,47 м²·ч·Па/мг.

Для расчета нормируемого сопротивления паропроницанию Щ_req^** из условия ограничения влаги за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха берем продолжительность и среднюю температуру этого периода равными:

z₀ = 90 сут,

t₀ = -2,2 °С.

Температуру ₀ в плоскости возможной конденсации для периода z₀ определяем по формуле:

₀ = t_int - ( t_int - t₀)(R_si+R_e)/R_o,

₀ = 21,5 - (21,5 + 2,2) (0,115 + 3,10) / 3,39 = -0,98 °С.

Парциальное давление водяного пара Е₀ в плоскости возможной конденсации определяем по графику на рис. 3 при ₀ = -0,98 °С:

Е₀ = 561 Па.

Среднюю упругость водяного пара наружного воздуха периода месяцев с отрицательными средними месячными температурами e₀^ext принимаем равной упругости насыщенного пара при температуре t₀ = -2,2 °С:

e₀^ext= 511Па.

Коэффициент определяем по формуле :

= 0,0024 (561 - 511)90/7,3=1,48.

Предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в выбранном нами утеплителе (плит из пенополивинилхлорида), согласно СНиП 23-02-2003, составляет W_av=25%.

Определим Щ_req^** по формуле:

Щ_req^**=0,0024·90(1394-561)/(125·0,12·25+1,48) = 0,48 м²·ч·Па/мг.

Щ_req^***= 0,0012 (е_int -e₀^ext)=0,0012(1394-511)=1,0648 м²·ч·Па/мг.

Определяем сопротивление слоев покрытия паропроницанию Щ по формуле

Щ = д/, результаты сводим в табл. 6.



Таблица 6. Характеристика слоев и сопротивление покрытия паропроницанию

№ слоя	Материал слоя	Плотность г0, кг/м3	Толщина д, м	Расчетный коэффициент паропроницаемости м, мг/(м·ч·Па)	Расчетное сопротивление паропроницанию Щ, м2·ч·Па/мг
1	Пенополистирол	50	0,008	0,02	0,4
2	Штукатурка	900	0,26	0,16	1,6
3	ж/б плита	2500	0,115	0,03	3,8
4	Пароизоляция (п/э пленка 2 слоя)	930	0,0002	0,000022	9,1
5	Теплоизоляция	125	0,180	0,23	0,8
6	Цементно-песчаная стяжка	1200	0,046	0,14	0,3
Сумма	0,6		16,0

Сопротивление покрытия паропроницанию Щ_о определяем по формуле

Щ_о = Щ_int+ Щ ₁+ Щ ₂+…+ Щ _n+ Щ _ext

с учетом сопротивления влагообмену у внутренней и наружной поверхностей:

Щ_о = 26,6·10^-3+16,0+13,3·10^-3= 16,04 м²·ч·Па/мг.

При сравнении полученного значения Щ_о с нормируемыми значениями устанавливаем, что

Щ_о > Щ_req^*> Щ_req^** (16,04 > 4,47 > 0,48).

Следовательно, покрытие удовлетворяет требованиям СНиП 23-02-2003 в отношении сопротивления паропроницанию.

Расчет распределения парциального давления водяного пара по толщине покрытия и определение возможности образования в покрытии конденсата. Определяем парциальное давление водяного пара внутри и снаружи покрытия:

t_int = 21,5 °С; _int = 54%;

е_int = (54/100)·2592 = 1399 Па;

t_ext = -3,8 °С;

_ext = 89 %.

e_ext = (89/100)410 =365 Па.

Определяем температуры _i на границах слоев по формуле

_i = t_int - ( t_int - t_ext)(R_si+R_i)/R_o ,

нумеруя от внутренней поверхности к наружной, и по этим температурам определяем максимальное парциальное давление водяного пара Е_i по графикам зависимости E=f(t) на рис. 2 и 3.

_int = 21,5 - (21,5 + 3,8) (0,115) / 3,39= 20,6 °С;

Е^ф_int =2431 Па;

₁₂ = 21,5 - (21,5 + 3,8) (0,115 + 0,148) / 3,39= 19,5 °С;

Е₁₂ = 2261 Па;

₂₃ = 21,5 - (21,5 + 3,8) (0,115 + 0,248) / 3,39= 18,8 °С;

Е₂₃ = 2150Па;

₃₄ = 21,5 - (21,5 + 3,8) (0,115 + 0,304) / 3,39=18,4°С;

Е₃₄ = 2121 Па;

₄₅ = 21,5 - (21, + 3,8) (0,115 + 0,304) / 3,39= 18,4°С;

Е₄₅ =2121 Па;

₅₆ = 21,5 - (21,5 + 3,8) (0,115 + 3,114) / 3,39= -2,6 °С;

Е₄₅ =495 Па;

_ext = 21,5 - (21,5 + 3,8) (0 ,115 + 3,193) / 3,39= -3,2 °С;

Е_ext = 459 Па;

Рассчитаем действительные парциальные давления e_i водяного пара на границах слоев по формуле

е_i = е_int - (е_int - е_ext)(Щ _int+УЩ _i)/Щ ₀,

и установим распределение точек росы по толщине ограждения (по координате x). Результаты расчета представлены в табл. 7

Таблица 7.Результаты оценки возможности конденсации пара внутри покрытия

Граница слоев	x, м	Ri, (м2·°С)/Вт	i, °С	Ei, Па	Щi, м2·ч·Па/мг	еi, Па	tрос, °С
int-1	0	0	20,6	2431	0	1399	11,9
1-2	0,008	0,148	19,5	2261	0,4	1371	11,6
2-3	0,026	0,248	18,8	2150	2,0	1268	10,4
3-4	0,115	0,304	18,4	2121	5,8	1023	7,2
4-5	0,0002	0,304	18,4	2121	14,9	438	-4,1
5-6	0,046	3,114	-2,6	495	15,5	398	-4,9
6-ext	0,339	3,19	-3,2	459	16,0	365	-6,1

Нанесем на график (рис. 4) значения температур в толще покрытия и точек росы.



Заключение

Выполненные теплотехнические расчеты показали, что существующая ограждающая конструкция не удовлетворяет требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» по сопротивлению теплопередаче. Принятое на основании теплотехнических расчетов конструктивное решение бесчердачного перекрытия позволяет исключить указанные недостатки.

Нормируемое сопротивление теплопередаче: R_req=3,26 м²·°С/Вт

Сопротивление теплопередаче после утепления: R_o=5,2м²·°С/Вт

Утепленное бесчердачная эксплуатируемая кровля также удовлетворяет требованиям по теплоустойчивости, воздухо- и паропроницаемости. Условия для конденсации влаги в данной конструкции исключены, как в ее толще, так и на внутренней поверхности.



Размещено на Allbest.ru

...