Строительная теплофизика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Факультет инженерных систем и экологии

Специальность: теплогазоснабжение и вентиляция

Кафедра теплоэнергетики

Курсовая работа

по дисциплине «Строительная теплофизика»

Казань, 2012

Содержание

1. Исходные данные

2. Расчет теплового режима ограждения

2.1 Расчет толщины утепляющего слоя

2.2 Расчет сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции

2.3 Расчет стационарного температурного поля в ограждении

2.4 Расчет теплоустойчивости наружных ограждений в теплый период

3. Расчет влажностного режима наружных ограждений

3.1 Проверка внутренней поверхности наружных ограждений на возможность конденсации влаги

3.2 Проверка ограждение на паропроницание

3.3 Расчет конденсации влаги в толще ограждения

Список использованной литературы

1. Исходные данные

Район строительства - г.

Тип здания - жилое пятиэтажное

Конструкция многослойного наружного ограждения:

Рис. 1 Конструкция наружного ограждения: «+», «-» - соответственно внутренняя и наружная части ограждений, дi - толщина i- го слоя ограждения

Характеристика материалов ограждающей конструкции

Характеристики материалов в сухом состоянии и его расчетные коэффициенты приведены в таблице 1. Расчетные коэффициенты теплопроводности и теплоусвоения S указаны с учетом зоны влажности района строительства и влажностного режима помещений.

Согласно приложению В [5] г. Самара располагается в сухой зоне влажности. Влажностный режим помещения при проектировании жилых зданий принимается нормальным (относительная влажность помещений в = 50ч60% при tв = 12ч24 С. По таблице 2 [8] расчетные значения коэффициентов принимаем по параметрам А.

Таблица 1 Теплофизические характеристики материала конструкции наружных ограждений

Номера слоев	Материал слоя	Толщина слоя, м	Характеристики материала в сухом состоянии	Расчетные коэффициенты (при условиях эксплуатации)
			плотность г0, кг/м3	удельная теплоемкость с0, кДж/кг·С	коэффициент теплопроводности 0, Вт/м·С	теплопроводности 0, Вт/м·С	теплоусвоения S, Вт/м2·С	паропроницаемости , мг/м·ч·Па
						А	А	А,Б
1	цементно-песчаный раствор	0,015	1800	0,84	0,58	0,76	9,60	0,09
2	керамзитобетон	0,12	1000	0,84	0,27	0,33	5,03	0,14
3	пенополиуретан (ТУ В-56-70, ТУ 67-98-75, ТУ 67-87-75)	?	40	1,47	0,029	0,04	0,40	0,05
4	керамзитобетон	0,08	1000	0,84	0,27	0,33	5,03	0,14

2. Расчет теплового режима ограждения

2.1 Расчет толщины утепляющего слоя

Мерой теплозащитных качеств ограждения является общее сопротивление теплопередачи R0 [(м2·С)/Вт], на величину которой можно влиять через толщины теплоизоляционного слоя 3 = ут.

Архитектурно-строительные решения по ограждающим конструкциям проектируемого здания должны быть такими, чтобы R0 было равным экономически целесообразному сопротивлению теплопередаче, определенному из условия обеспечения наименьших приведенных затрат, но не менее требуемого сопротивления теплопередаче по санитарно-гигиеническим условиям.

Расчет выполняется в следующей последовательности:

а) Определяем требуемое сопротивление, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий по формуле:

(1.1)

где tв - расчетная температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая в зависимости от назначения помещения;

tн - расчетная зимняя температура, °С, равная температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [таблица 1, 4];

n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху[таблица 6, 5];

Дtн - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции [таблица 5, 5];

бв - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения [таблица 7, 5];

Расчетная зимняя температура для г. Самара по СНиП 23-01-99* Строительная климатология tн = -30С. Расчетную температуру внутреннего воздуха примем согласно таблице 4 [8] tв = 20С. Нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности наружной стены Дtн = 4,0С. Коэффициент n для наружной стены равен n =1, а коэффициент теплоотдачи бв = 8.7 Вт/(м·С)

м·С/Вт

б) Градусосутки отопительного периода Dd определяются по формуле:

(1.2)

где tот.пер. - средняя температура отопительного периода;

z от.пер. - продолжительность отопительного периода.

Значения tот.пер. и z от.пер. определяются по таблице 1 [4] для периода со средней суточной температурой воздуха 8С и для г. Самара составляют:

tот.пер. = -3,5С

z от.пер. = 208 сут.

Dd = (20-(-3,5)·208 = 4888 С·сут.

в) Определяем значения по условиям энергосбережения. Так как значение Dd отличается от данных таблицы 4 [5], значение сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций определяем по формуле:

= a· Dd + b (1.3)

где a, b - коэффициенты, значения которых принимаются по данным таблицы 4 [5].

= 0,00035· 4888 + 1,4 = 3,11 м·С/Вт

г) Сравнивая значения сопротивления теплопередачи, полученный в п. а) и в) в качестве расчетного значения принимается наибольшая величина. Таким образом:

? = 3,11 м·С/Вт

д) С другой стороны, общее термическое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции определяется по формуле:

R0 = Rв + Rк + Rн = бв-1 + Rк + бн-1 (1.4)

где бн - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения [таблица 8, 7] бн = 23 Вт/(м·С);

Rк, Rв, Rн - соответственно термическое сопротивление: теплопроводности ограждающей конструкции, теплоотдачи от внутреннего воздуха (при tв>фв) к внутренней поверхности ограждающей конструкции (или сопротивление тепловосприятию), теплоотдачи от поверхности наружной стенки к наружному воздуху (при tн>фн). Здесь фв и фн - температура внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции

Для многослойной конструкции Rк определяется по формуле:

(1.5)

где i - толщина i - го слоя ограждающей конструкции;

лi - коэффициент теплопроводности материала i - го слоя ограждения.

Приравнивая правую часть к величине R0, полученной в г) получаем выражение R3 для определения предварительной толщины слоя утеплителя 3.

(1.6)

м·С/Вт

Толщина утеплителя составит:

3 = 3· R3 (1.7)

3 = 0,04·2,33 = 0,093 м

Вычисленное значение д3 корректируем в соответствии с требованиями унификации конструкции ограждений, поэтому принимаем ближайшее большое стандартное значение д3 = 0,10 м.

е) по формуле (1.4) уточняется общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех слоев ограждения

м·С/Вт

Проверяем условие. Так как 3,28 > 3,11, то условие выполняется.

ж) Приведенное сопротивление теплопередаче определяется выражением

(1.8)

где r - коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции; принимается по табл. 6а*[6], r = 0,60.

м·С/Вт

ж) Коэффициент теплопередачи определяется по уравнению:

(1.9)

Вт/(м2·С)

2.2 Расчет сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции

В целях экономии топливно-энергетических ресурсов наружные ограждающие конструкции должны иметь сопротивление воздухопроницанию Rи [(Па·м2·ч)/кг] не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию, определяемого по формуле:

(1.10)

где Gн - нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м2•ч), принимаемая по таблице 11 [5], для наружных стен жилых зданий составляет Gн = 0,5 кг/(м2·ч);

ДР - разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций, определяется по формуле:

(1.11)

здесь Н - высота здания, м (при высоте этажа равной 3 м и количестве этажей равным 5 H = 15 м);

v - максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых 16% и более. Определяется по приложению 4 [3] и составляет для г. Самара v = 5,4м/с

гн, гв- удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, определяется по формуле:

(1.12)

где t - температура воздуха: внутреннего (для определения гв) - согласно указаниям п. 2.2. [6]; наружного(для определения гн) - равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.

Н/м3

Н/м3

Тогда разность давлений равна:

ДР = 0,55·15·(14,25-11,82) +0,03·14,25·5,42 = 32,51Па

Требуемое сопротивление воздухопроницанию:

(Па·м2·ч)/кг

Значение Rи определяется по формуле:

(1.13)

где Rиi - сопротивление воздухопроницанию отдельного i - го слоя ограждающей конструкции, (м2 · ч · Па)/кг, принимается по приложению 6 [8]:

Rи1 = 373 (Па·м2·ч)/кг Rи3 = 79 (Па·м2·ч)/кг

Rи2 = 53 (Па·м2·ч)/кг Rи4 = 53 (Па·м2·ч)/кг

Rи = 373+25+79+17 = 494 (Па·м2·ч)/кг

Полученное значение больше требуемого сопротивления воздухопроницанию, следовательно условие выполняется.

2.3 Расчет стационарного температурного поля в ограждении

При проектировании и выборе конструкций ограждения необходимо знать распределение температуры в его толще и на поверхности. Это дает возможность определить условия конденсации влаги в толще конструкции, правильно назначить место расположения пароизоляционных слоев.

При стационарном режиме теплопередачи через ограждения температура в любой плоскости x определяется по формуле:

(1.14)

где Rв-х - сопротивление теплопередаче от внутренней среды до сечения х.

Для построения графика одномерного стационарного поля в ограждении достаточно определить t на поверхностях ограждения и в плоскостях соприкосновения слоев из разного материала:

С

С

С

С

С

Температурное поле в ограждении рассчитано и построено без учета воздухопроницания, так как для рассматриваемой конструкции . Графически расчеты представлены на рис. 1. (см. приложение).

2.4 Расчет теплоустойчивости наружных ограждений в теплый период

Проверка наружных ограждений на теплоустойчивость осуществляется в районах со среднемесячной температурой воздуха в июле 21С и выше. По таблице 1 [3] среднемесячная температура наружного воздуха за июль для г. Самара составляет tн= 20,7С.

3. Расчет влажностного режима наружных ограждений

3.1 Проверка внутренней поверхности наружных ограждений на возможность конденсации влаги

Конденсация влаги из внутреннего воздуха на внутренней поверхности наружного ограждения, особенно при резких повышениях температур, является основной причиной увлажнения наружных ограждений. Для устранения такой конденсации влаги необходимо добиваться, чтобы температура на внутренней поверхности фвп и в толще ограждения превышала температуру точки росы фр на 2ч3°С, т.е. должно соблюдаться условие фвп > фр+ 2ч3°С. Расчет выполняется в следующей последовательности: а) Определяем температуру внутренней поверхности фвп:

(2.1)

где tв - расчетная температура внутреннего воздуха; tн - расчетная зимняя температура; n - коэффициент для наружной стены равен n =1;

Rв = бв-1

С

б) Температура точки росы фр для данного состояния внутреннего воздуха фв определяется по формуле [9]:

(2.2)

где eв - действительная упругость (парциальное давление) водяных паров [Па], определяется по величине относительной влажности воздуха в помещении по формуле:

(2.3)

где в - относительная влажность воздуха в помещении, для жилых помещений принимается 55 %;

Ев - максимальная упругость (парциальное давление) водяного пара, принимаемая по приложению 7 [8] соответственно температуре воздуха помещения.

Для температуры воздуха в помещении tв = 20С, Ев = 2338 Па.

Тогда:

Па

С

в) Наиболее вероятно появление конденсата влаги у наружных углов стены, где фуг всегда ниже, чем на других участках внутренней поверхности ограждения фвп. При значении R0ф = 3,28 м·С/Вт, значение фуг находим из графика [рис.3-27, 1]. По значению Rв/R0ф определяем изменение относительной избыточной температуры уг = 0,12. Исходя из того, что

(2.4)

значение фуг найдем по формуле:

(2.5)

С

г) Проведем сравнение полученных значений фвп и фуг с фр:

фвп > фр+ 2ч3°С или 18,25°С > 10,48°С + 2ч3°С

фуг > фр+ 2ч3°С или 14°С > 10,48°С + 2ч3°С

следовательно, конденсации на внутренней поверхности ограждения не будет.

3.2 Проверка ограждение на паропроницание

При разности парциальных давлений водяных паров внутреннего и наружного воздуха в толще ограждения возникает поток водяного пара (диффузия), который направлен в сторону меньшего давления. Свойства материалов пропускать водяные пары называется паропроницаемостью.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции Rп (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее наибольшего из следующих требуемых сопротивлений паропроницанию:

а) исходя из указаний норм о недопустимости систематического накопления влаги в ограждениях за годовой период в процессе эксплуатации по формуле:

(2.6)

где eв - упругость водяного пара внутреннего воздуха при расчетной температуре и влажности воздуха, находится по формуле (2.3);

eн - средняя упругость водяного пара наружного воздуха за годовой период;

Е - упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации;

Rпн - сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции, расположенной между наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации.

Величина eн определяется по графам 2-13 приложения 3 [3]. Данные для г. Самара приведены в таблице 2.

Таблица 2

месяц	I	II	III	IV	V	Vi	VII	VIII	IX	X	XI	XII
упругость водяного пара, гПа	2,2	2,2	3,5	6,2	8,5	12,1	14,6	13,3	9,6	6,3	4,2	2,9
средняя температура наружного воздуха, °С	-13,8	-13	-6,8	4,6	14	18,7	20,7	19	12,4	4,2	-4,1	-10,7

eн = (2,2+2,2+3,5+6,2+8,5+12,1+14,6+13,3+9,6+6,3+4,2+2,9)/12 = 7,13 гПа = 713 Па

Упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации Е определяется по формуле:

(2.7)

где Z1, Z2, Z3 - определяются по графам 2-13 таблицы1 [3] с учетом следующих указаний: зимний период включает месяцы со средними температурами воздуха ниже - 5 °С; к весенне-осеннему периоду относятся месяцы со средними температурами наружного воздуха от - 5, до + 5 °С, к летнему периоду - выше + 5 °С. Данные для г. Самара приведены в таблице 2;

Е1, Е2, Е3 - упругости водяного пара, определяются по средним температурам зимнего, весенне-осеннего и летнего периода соответственно. Средние температуры наружного воздуха месячных периодов определяются по графам 2-13 таблицы 1 [3]. По этим температурам определяются температуры в плоскости возможной конденсации t3 ? ф3 по формуле (1.14). Исходя из полученных данных, по приложению 7 [8] определяются значения Еi.

К зимнему периоду Z1 относятся январь, февраль, март, декабрь (Z1=4). Средняя температура наружного воздуха в этот период составляет:

tср1 = (-13,8-13-6,8-10,7)/4 = -11,075°С

°С

Е1 = 299 Па

К весенне-осеннему периоду Z2 относятся апрель, октябрь, ноябрь (Z2=3). Средняя температура наружного воздуха в этот период составляет:

tср2 = (4,6+4,2-4,1)/3 = 1,57°С

°С

Е2 = 766 Па

К летнему периоду Z3 относятся май, июнь, июль, август, сентябрь (Z3=5). Средняя температура наружного воздуха в этот период составляет:

tср3 = (14+18,7+20,7+19+12,4)/5 = 16,96°С

°С

Е3 = 1964 Па

Таким образом, упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации составляет:

Па

Сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции, расположенной между наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации для многослойной конструкции можно определить как:

Rпн ? 4/4 (2.8)

Rпн ? 0,08/0,14 ? 0,57 (м2·ч·Па)/мг

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции соответственно:

(м2·ч·Па)/мг

б) исходя из условия ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха по формуле:

(2.9)

где z0 - продолжительность периода влагонакопления, принимаемая равной периоду с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха, принимаемая по прил [3] z0 = 154 сут;

Е0 - максимальная упругость водяного пара в плоскости возможной конденсации, Па, определяемая при средней температуре наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами,

гw - плотность материала увлажняемого слоя, принимаемая равной г0 = 40 кг/м3;

w - толщина увлажняемого слоя, принимаемая равной толщине теплоизоляционного слоя многослойной конструкции, т.е. w = 3 = 0,1 м;

ДWср - предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя, принимаемое по таблице 14* [6] ДWср = 25%;

з - безразмерный коэффициент, определяется по формуле:

(2.10)

где ено - средняя упругость водяного пара наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами, определяется по приложению 3 [3].

eно = (2,2+2,2+3,5+4,2+2,9)/5 = 3 гПа = 300Па

Е0 определяется при средней температуре наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами:

tср = (-13,8-13-6,8-4,1-10,7)/5 = -9,68°С

Е0 = 266 Па

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции соответственно составит:

(м2·ч·Па)/мг

Сравнивая значения сопротивления паропроницанию, полученный в п. а) и б) в качестве расчетного значения принимается наибольшая величина. Таким образом:

= 2,99 (м2·ч·Па)/мг

в) для многослойной ограждающей конструкции Rп определяется как сумма сопротивлений паропроницанию всех слоев (до плоскости возможной конденсации):

(2.11)

где - толщина слоя;

- коэффициент паропроницаемости (таблица 1 исходных данных).

(м2·ч·Па)/мг

Ограждение должно удовлетворять условию Rп > Rптр. В рассматриваемом случае 3,02 > 2,99, следовательно ограждение обладает достаточным сопротивлением паропроницанию.

3.3 Расчет конденсации влаги в толще ограждения

Расчет влажностного режима ограждения при стационарных условиях диффузии водяного пара производится графическим методом для периода с отрицательными и для периода с положительными температурами наружного воздуха.

Для выяснения вопроса, будет ли происходить в ограждении конденсация влаги или нет, необходимо построить линию падения упругости водяного пара е и линию падения максимальной упругости водяного пара Е от сопротивления паропроницанию Rп.

Общее сопротивление паропроницанию ограждения Rпо определяется по формуле:

(2.12)

где Rпн - сопротивление влагообмену у наружной поверхности принимаемый равным Rпн = 0,01333 (м2 • ч • Па)/мг;

Rпв - сопротивление влагообмену у внутренней поверхности ограждения, приближенно может быть определено по формуле:

(2.13)

(м2·ч·Па)/мг

Тогда:

(м2·ч·Па)/мг

Упругость водяного пара в любом сечении толщи ограждения ех вычисляется по формуле:

(2.14)

где ен - принимается как среднее значение за соответствующий период года;

Rп-х - сумма сопротивлений паропроницанию слоев ограждения от внутренней поверхности до рассматриваемой плоскости х.

На глади внутренней поверхности и наружной поверхностей ограждения высчитываются по формуле (2.14) есв и есн (на графике е(Rп) эти точки соединяются прямой штриховой линией).

для периода с отрицательными наружными температурами:

Па

Па

для периода с положительными наружными температурами:

Па

Па

Для построения линии падения максимальной упругости Е(Rп) вычисляются температуры на границах и промежутках слоев ограждения по формуле:

(2.15)

где tнср - принимается как наружная средняя температура воздуха за соответствующий период года.

для периода с отрицательными наружными температурами:

С

С

С

С

С

для периода с положительными наружными температурами:

С

С

С

С

С

По вычисленном температурам по приложению 7 [8] определяются значения максимальной упругости водяного пара Е(tx) для каждого слоя ограждающей конструкции.

для периода с отрицательными наружными температурами:

E1 = 2197 Па, E2 = 2169 Па, E3 = 1974 Па, E4 = 321 Па, E5 = 291 Па

для периода с положительными наружными температурами:

E1 = 2295 Па, E2 = 2285 Па, E3 = 2225 Па, E4 = 1411 Па, E5 = 1375 Па

Результаты расчета графически представлены на рис. 2 и 3 (см. приложение).

Линии Е и е на рис. 2 и рис. 3 не пересекаются, значит конденсации водяного пара в толще ограждения в период с отрицательными и положительными температурами не будет.

ограждение воздухопроницание конденсация

Список использованной литературы

1. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов., М., Высшая школа, 1982 г.

2. Еремкин А.И., Королев Т.И., Тепловой режим зданий: Учебное пособие.- М.: издательство АБС, 2000 г.

3. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика. М., 1983 г.

4. СНиП 23-01-99* Строительная климатология, М., 2008 г.

5. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. М., 2004 г.

6. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника. М., 1995 г.

7. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты здания., М., 2004 г.

8. Строительная теплофизика: Методические указания к курсовой работе для студентов специальности 270109/ Сост.: Р.А. Садыков, Р.В. Иванова. - Казань: КГАСУ, 2008.

9. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М., Стройиздат, 1973 г.

Размещено на Allbest.ru