Конструктивные решения наружных стен энергоэффективных зданий

Отопление и вентиляция жилых зданий

Учебно - методическое пособие к практическим занятиям

По дисциплине

«Инженерные сети. Теплогазоснабжение и вентиляция»

(примеры расчетов)

Самара 2011

Составители: Дежурова Наталья Юрьевна

Нохрина Елена Николаевна

УДК 624.022

Отопление и вентиляция жилых зданий: учебно-методическое пособие к контрольной работе и практическим занятиям по дисциплине «Инженерные сети. Теплогазоснабжение и вентиляция» / сост.:
Н.Ю. Дежурова, Е.Н. Нохрина; Самарский гос. арх.-строит. ун-т. – Самара, 2011. – 64 с.

Изложена методика проведения практических занятий и выполнения контрольных работ по курсу «Инженерные сети и оборудование зданий» Теплогазоснабжение и вентиляция. Данное учебное пособие дает широкий выбор вариантов конструктивных решений наружных стен, вариантов планов типовых этажей, приведены справочные данные для проведения расчетов.

Предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения
специальности 270102.65 «Промышленное и гражданское строительство», а также могут быть использованы студентами специальности 270105.65 «Городское строительство и хозяйство».

Оглавление

1 Требования к оформлению и содержание контрольной
работы (практических занятий) и исходные данные ……………………

2 Конструктивные решения наружных стен
энергоэффективных зданий ………………………………………………

3 Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций……

3.1 Теплотехнический расчет наружной стены (пример расчета)……

3.2 Теплотехнический расчет чердачного перекрытия
(пример расчета)…………………………………………………….

3.3 Теплотехнический расчет чердачного перекрытия
(пример расчета) ……………………………………………………

4 Расчет теплопотерь помещениями здания ……………………………

4.1 Расчет потерь теплоты помещениями здания (пример расчета)…

5 Разработка системы центрального отопления ……………………….

6 Расчет нагревательных приборов …………………………………….

6.1 Пример расчета нагревательных приборов ……………………..

7 Конструктивные решения вентиляции жилого дома ………………

7.1 Аэродинамический расчет естественной вытяжной

вентиляции ………………………………………………………..

7.2 Расчет каналов естественной вентиляции ………………………

Библиографический список ………………………………………….

Приложение А Карта зон влажности …………………….………….

Приложение Б Условия эксплуатации ограждающих конструкций
в зависимости от влажностного режима помещений и зон влажности ………………………………………..

Приложение В Теплофизические характеристики материалов …….

Приложение Г Варианты секций типового этажа …………………

Приложение Д Значения коэффициента затекания воды в приборных узлах с радиаторами секционными и панельными ….

Приложение Е Тепловой поток 1 м открыто проложенных вертикальных гладких металлических труб, окрашенных масляной краской, q, Вт/м ………………………………………

Приложение Ж Таблица для расчета круглых стальных воздуховодов при t_в = 20 º С …………………………………………

Приложение З Поправочные коэффициенты на потери давления на трение, учитывающие шероховатость материала
воздуховодов …………………………………………

Приложение И Коэффициенты местных сопротивлений для различных

элементов воздуховодов ……………………………..

1 Требования к оформлению и содержание контрольной
работы (практических занятий) и исходные данные

Контрольная работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

Все необходимые исходные данные принимаются по таблице 1 в соответствии с последней цифрой шифра студента.

Расчетно-пояснительная записка содержит следующие разделы:

1. Климатические данные

2. Выбор ограждающих конструкций и их теплотехнический
расчет

3. Расчет теплопотерь помещениями здания

4. Разработка схемы центрального отопления (размещение нагревательных приборов, стояков, магистралей и узла управления)

5. Расчет нагревательных приборов

6. Конструктивное решение системы естественной вентиляции

7. Аэродинамический расчет системы вентиляции.

Пояснительная записка выполняется на листах формата А4 или тетради в клетку.

Графическая часть выполняется на миллиметровочной бумаге, вклеивается в тетрадь и содержит:

1. План секции типового этажа М 1: 100 (см. приложение)

2. План подвала М 1: 100

3. План чердака М 1: 100

4. Аксонометрическая схема системы отопления М 1: 100.

План подвала и чердака вычерчиваются на основании плана
типового этажа.

Контрольная работа предусматривает расчет двухэтажного жилого дома, расчеты производятся для одной секции. Система отопления – однотрубная с верхней разводкой, тупиковая.

Таблица 1

Исходные данные для выполнения контрольной работы

	Исходные данные	Численные значения в зависимости от последней цифры шифра
	Номер варианта плана секции типового этажа (приложение Г)
	Высота этажа (от пола до пола)	2, 7	3, 0	3, 1	3, 2	2, 9	3, 0	3, 1	2, 7	3, 2	2, 9
	Вариант конструкции наружной стены (таблица 2)
	Город   Параметры	Москва	Санкт-Петербург	Калининград	Чебоксары	Нижний Новгород	Воронеж	Саратов	Волгоград	Оренбург	Пенза
	, º С	-28	-26	-19	-32	-31	-26	-27	-25	-31	-29
	, º С	-3, 1	-1, 8	1, 1	-4, 9	-4, 1	-3, 1	-4, 3	-2, 4	-6, 3	-4, 5
	, сут
	, м/с	4, 9	4, 2	4, 1	5, 0	5, 1	5, 1	5, 6	8, 1	5, 5	5, 6
	Ориентация по сторонам света	С	Ю	З	В	СВ	СЗ	ЮВ	ЮЗ	В	З
	Толщина междуэтажного перекрытия	0, 3	0, 25	0, 22	0, 3	0, 25	0, 22	0, 3	0, 25	0, 22	0, 3
	Кухни с плитой двухкомфорочной трехкомфорочной четырехкомфорочной	+ - -	- + -	- - +	+ - -	- + -	- - +	+ - -	- + -	+ - -	- + -

Размер окон 1, 8 × 1, 5 (для жилых комнат); 1, 5 × 1, 5 (для кухни)

Размер наружной двери 1, 2 × 2, 2

Конструктивное решение перекрытий над неотапливаемым подвалом и теплым чердаком принять по аналогии с примером расчета.

Климатические характеристики района строительства приведенные в таблице 1, выписываются из СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» [1]:

1) средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0, 92, [1] (табл. 1 графа 5);

2) средняя температура отопительного периода [1] (табл. 1
графа 12);

3) продолжительность отопительного периода [1] (табл. 1
графа 11);

4) максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь [1] (талб. 1 графа 19).

Теплофизические характеристики материалов ограждения принимаются в зависимости от условий эксплуатации конструкции, которые определяются влажностным режимом помещения и зоной влажности места строительства.

Влажностный режим жилого помещения принимаем нормальным, исходя из заданной температуры +20 º С и относительной влажности внутреннего воздуха 55 %.

По карте приложение А и приложение Б определяем условия
эксплуатации ограждающих конструкций. Далее по приложению В принимаем основные теплофизические характеристики материалов слоев ограждения, а именно коэффициенты:

теплопроводности , Вт/(м·º С);

теплоусвоения , Вт/(м²·º С);

паропроницаемости , мг/(м·ч·Па).

Таблица 2

Варианты конструктивных решений наружных стен

	Вариант 1 1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон ; 3 слой – цементно-песчаный раствор; 4 слой – фактурный слой фасадной системы
	Вариант 2   1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон ; 3 слой – цементно-песчаный раствор; 4 слой – фактурный слой фасадной системы
	Вариант 3   1 слой–известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон 3 слой – цементно-песчаный раствор; 4 слой – фактурный слой фасадной системы
	Вариант 4   1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – кладка из силикатного кирпича; 3 слой – монолитный керамзитобетон ; 4 слой – цементно-песчаный раствор; 5 слой – фактурный слой фасадной системы
	Вариант 5   1слой–известково-песчаный раствор; 2 слой – кладка из керамического кирпича; 3 слой – монолитный керамзитобетон, ; 4 слой – цементно-песчаный раствор; 5 слой – фактурный слой фасадной системы
	Вариант 6   1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон, ; 3 слой – кладка из керамического кирпича
	Вариант 7   1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон, ; 3 слой – кладка из керамического кирпича
	Вариант 8   1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон, ; 3 слой – кладка из силикатного кирпича
	Вариант 9   1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – монолитный керамзитобетон, ; 3 слой – кладка из силикатного кирпича
	Вариант 10 1 слой – известково-песчаный раствор; 2 слой – кладка из силикатного кирпича; 3 слой – монолитный керамзитобетон, ; 4 слой – кирпичная кладка из керамического кирпича

Таблица 3

Значения коэффициента теплотехнической однородности

№ п/п	Вид конструкции наружной стены	r
	Однослойные несущие наружные стены	0, 98 0, 92
	Однослойные самонесущие наружные стены в монолитно-каркасных зданиях	0, 78 0, 8
	Двухслойные наружные стены с внутренним утеплителем	0.82 0, 85
	Двухслойные наружные стены с невентилируемыми фасадными системами типа ЛАЭС	0, 92 0, 93
	Двухслойные наружные стены с вентилируемым фасадом	0, 76 0, 8
	Трёхслойные наружные стены с использованием эффективных утеплителей	0, 84 0, 86

Конструктивные решения наружных стен энергоэффективных зданий

Конструктивные решения наружных стен энергоэффективных зданий, применяемые при строительстве жилых и общественных
сооружений, можно разделить на 3 группы (рис.1):

1) однослойные;

2) двухслойные;

3) трехслойные.

Однослойные наружные стены выполняются из ячеистобетонных блоков, которые, как правило, проектируют самонесущими с поэтажным опиранием на элементы перекрытия, с обязательной защитой от внешних атмосферных воздействий путем нанесения штукатурки,
облицовки и т.д. Передача механических усилий в таких конструкциях осуществляется через железобетонные колонны.

Двухслойные наружные стены содержат несущий и теплоизоляционный слои. При этом утеплитель может быть расположен как
снаружи, так и изнутри.

В начале реализации программы энергосбережения в Самарской области в основном применялось внутреннее утепление. В качестве теплоизоляционного материала использовались пенополистирол и плиты из штапельного стекловолокна «URSA». Со стороны помещения утеплители защищались гипсокартоном или штукатуркой. Для
защиты утеплителей от увлажнения и накопления влаги устанавливалась пароизоляция в виде полиэтиленовой пленки.

Рис. 1. Виды наружных стен энергоэффективных зданий:

а – однослойная, б – двухслойные, в – трехслойные;

1 – штукатурка; 2 – ячеистый бетон;

3 – защитный слой; 4 – наружная стена;

5 – утеплитель; 6 – фасадная система;

7 – ветрозащитная мембрана;

8 – вентилируемый воздушный зазор;

9 – декоративная панель; 10 – кронштейн;

11 – облицовочный кирпич; 12 – гибкие связи;

13 – керамзитобетонная панель; 14 – фактурный слой.

При дальнейшей эксплуатации зданий выявилось много дефектов, связанных с нарушением воздухообмена в помещениях, появлением темных пятен, плесени и грибков на внутренних поверхностях наружных стен. Поэтому в настоящее время внутреннее утепление используется лишь при установке приточно-вытяжной механической вентиляции. В качестве утеплителей применяются материалы с низким водопоглощением, например, пеноплекс и напыляемый пенополиуретан.

Системы с наружным утеплением имеют ряд существенных
преимуществ. К ним относятся: высокая теплотехническая однородность, ремонтопригодность, возможность реализации архитектурных решений различной формы.

В практике строительства находят применение два варианта
фасадных систем: с наружным штукатурным слоем; с вентилируемым воздушным зазором.

При первом варианте исполнения фасадных систем в качестве
утеплителей в основном используются плиты пенополистирола.
Утеплитель от внешних атмосферных воздействий защищен базовым клеевым слоем, армированной стеклосеткой и декоративным слоем.

В вентилируемых фасадах используется лишь негорючий утеплитель в виде плит из базальтового волокна. Утеплитель защищен от
воздействия атмосферной влаги фасадными плитами, которые крепятся к стене с помощью кронштейнов. Между плитами и утеплителем предусматривается воздушный зазор.

При проектировании вентилируемых фасадных систем создается наиболее благоприятный тепловлажностный режим наружных стен, так как водяные пары, проходящие через наружную стену, смешиваются с наружным воздухом, поступающим через воздушную прослойку, и выбрасываются на улицу через вытяжные каналы.

Трехслойные стены, возводимые ранее, применялись, в основном, в виде колодцевой кладки. Они выполнялись из мелкоштучных изделий, расположенных между наружным и внутренним слоями утеплителя. Коэффициент теплотехнической однородности конструкций относительно невелик (r < 0, 5) из-за наличия кирпичных перемычек. При реализации в России второго этапа энергосбережения достичь требуемых значений приведенного сопротивления теплопередаче с помощью
колодцевой кладки не представляется возможным.

В практике строительства широкое применение нашли трехслойные стены с использованием гибких связей, для изготовления которых применяется стальная арматура, с соответствующими антикоррозионными свойствами стали или защитных покрытий. В качестве внутреннего слоя используется ячеистый бетон, а теплоизоляционных материалов – пенополистирол, минеральные плиты и пеноизол. Облицовочный слой выполняется из керамического кирпича.

Трехслойные бетонные стены при крупнопанельном домостроении применяются давно, но с более низким значением приведенного
сопротивления теплопередаче. Для повышения теплотехнической
однородности панельных конструкций необходимо использовать
гибкие стальные связи в виде отдельных стержней или их комбинаций. В качестве промежуточного слоя в таких конструкциях чаще применяется пенополистирол.

В настоящее время широкое применение находят трехслойные
сэндвич-панели для строительства торговых центров и промышленных объектов.

В качестве среднего слоя в таких конструкциях применяются
эффективные теплоизоляционные материалы – минвата, пенополистирол, пенополиуретан и пеноизол. Трехслойные ограждающие конструкции отличаются неоднородностью материалов в сечении, сложной геометрией и стыками. По конструктивным причинам для образования связей между оболочками необходимо, чтобы более прочные материалы проходили через теплоизоляцию или заходили в нее, нарушая тем самым однородность теплоизоляции. В этом случае образуются так называемые мостики холода. Типичными примерами таких мостиков холода могут служить обрамляющие ребра в трехслойных панелях с эффективным утеплением жилых зданий, угловое крепление деревянным брусом трехслойных панелей с облицовками из древесностружечной плиты и утеплителями и т.д.

3 Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R₀ следует принимать в соответствии с заданием на проектирование, но не менее требуемых значений R₀^тр, определяемых, исходя из санитарно-гигиенических условий, по формуле (1), и условий энергосбережения по таблице 4.

Таблица 4

Требуемоеприведенное сопротивление теплопередаче

ограждающих конструкций зданий

1. Определяем требуемое сопротивление теплопередаче ограждения, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий:

(1)

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху, таблица 6 [2];

расчетная температура внутреннего воздуха, °С;

расчетная зимняя температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0, 92 [1];

нормируемый температурный перепад, °С, таблица 5 [2];

коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый по табл. 7 [2], Вт/(м²·º С).

2. Определяем требуемое приведенное сопротивление теплоотдаче ограждения, исходя из условия энергосбережения [2].

Градусосутки отопительного периода (ГСОП) следует определять по формуле:

ГСОП= , (2)

где средняя температура, º С, и продолжительность отопительного периода со средней суточной температурой воздуха 8 º С [1]. Величина требуемого приведенного сопротивления теплопередаче определяется по табл. 4

Величины приведенного сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций следует принимать равными не ниже
значений, определенных по формуле (3) для стен жилых и общественных зданий, либо по формуле (4) – для остальных ограждающих
конструкций:

(3)

(4)

где – нормируемые сопротивления теплопередаче, соответствующие требованиям второго этапа энергосбережения, (м²·°С)/Вт.

3. Находим приведенное сопротивление теплопередаче
ограждающей конструкции по формуле

, (5)

где R₀^усл. – сопротивление теплопередаче глади наружной стены без учёта влияния наружных углов, стыков и перекрытий, оконных откосов и теплопроводных включений, (м²·°С)/Вт;

r – коэффициент теплотехнической однородности, определяемый согласно таблице 2.

Определяем величину R₀^усл для многослойной наружной стены

(м²·°С)/Вт, (6)

где R_к – термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м²·°С)/Вт;

– коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции, определяемый по таблице 7 [2], Вт/(м²·°С); 23 Вт/(м²·°С).

(м²·°С)/Вт, (7)

где R₁, R₂, …R_n – термические сопротивления отдельных слоев конструкции, (м²·°С)/Вт.

Термическое сопротивление R, (м²·°С)/Вт, слоя многослойной
ограждающей конструкции следует определять по формуле

(8)

где толщина слоя, м;

расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м·°С) (приложение В).

Величину r предварительно задаем в зависимости от конструкции проектируемой наружной стены.

4. Сравниваем сопротивление теплопередаче с требуемыми значениями, исходя из комфортных условий и условий энергосбережения, выбирая большее значение .

Должно соблюдаться неравенство

Если оно выполняется, то конструкция отвечает теплотехническим требованиям. В противном случае нужно увеличить толщину утеплителя и повторить расчет.

По фактическому сопротивлению теплопередаче R₀^усл находят
коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции K, Вт/(м²·º С), по формуле

. (9)