1. Фізика теплотехнічних процесів
2. Поняття опору теплопередачі
3. Фактори, що впливають на тепловтрати
4. Диференційовані схеми розрахунку
5. приклад розрахунку

Щоб ваш будинок не виявився бездонною ямою для витрат на опалення, пропонуємо вивчити базові напрямки теплотехнічних досліджень і методологію розрахунків. Без попереднього розрахунку теплової проникності і влагонакопления втрачається вся суть житлового будівництва.

Фізика теплотехнічних процесів

Різні галузі фізики мають багато схожого в описі явищ, які ними вивчаються. Так і в теплотехніці: принципи, що описують термодинамічні системи, наочно перегукуються з основами електромагнетизму, гідродинаміки і класичної механіки. Зрештою, мова йде про опис одного і того ж світу, тому не дивно, що моделі фізичних процесів характеризуються деякими загальними рисами в багатьох областях досліджень.

Суть теплових явищ зрозуміти легко. Температура тіла або ступінь його нагрівання є не що інше, як міра інтенсивності коливань елементарних частинок, з яких це тіло складається. Очевидно, що при зіткненні двох частинок та, у якій енергетичний рівень вище, буде передавати енергію частинки з меншою енергією, але ніколи навпаки. Однак це не єдиний шлях обміну енергією, передача можлива також за допомогою квантів теплового випромінювання. При цьому базовий принцип обов'язково зберігається: квант, випромінювань менш нагрітих атомом, не в змозі передати енергію більш гарячої елементарної частинки. Він просто відбивається від неї і або пропадає безслідно, або передає свою енергію іншому атому з меншою енергією.

Термодинаміка хороша тим, що відбуваються в ній, абсолютно наочні і можуть інтерпретуватися під виглядом різних моделей. Головне - дотримуватися базові постулати, такі як закон передачі енергії і термодинамічної рівноваги. Так що якщо ваше уявлення відповідає цим правилам, ви легко зрозумієте методику теплотехнічних розрахунків від і до.

Поняття опору теплопередачі

Здатність того чи іншого матеріалу передавати тепло називається теплопровідністю. У загальному випадку вона завжди вище, чим більша щільність речовини і чим краще його структура пристосована для передачі кінетичних коливань.

Порівняння енергоефективності різних будівельних матеріалів

Величиною, обернено пропорційною теплової провідності, є термічний опір. У кожного матеріалу це властивість приймає унікальні значення в залежності від структури, форми, а також ряду інших факторів. Наприклад, ефективність передачі тепла в товщі матеріалів і в зоні їх контакту з іншими середовищами можуть відрізнятися, особливо якщо між матеріалами є хоча б мінімальна прошарок речовини в іншому агрегатному стані. Кількісно термічний опір виражається як різниця температур, розділена на потужність теплового потоку:

Rt = (T2 - T1) / P

де:

• Rt - термічний опір ділянки, К / Вт;
• T2 - температура початку ділянки, К;
• T1 - температура кінця ділянки, К;
• P - тепловий потік, Вт.

В контексті розрахунку тепловтрат термічний опір відіграє визначальну роль. Будь-яка конструкція, що обгороджує може бути представлена ​​як плоскопаралельна перепона на шляху теплового потоку. Її загальний термічний опір складається з опорів кожного шару, при цьому всі перегородки складаються в просторову конструкцію, що є, власне, будівлею.

Rt = l / (λ · S)

де:

• Rt - термічний опір ділянки кола, К / Вт;
• l - довжина ділянки теплової ланцюга, м;
• λ - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт / (м · К);
• S - площа поперечного перерізу ділянки, м2.

Фактори, що впливають на тепловтрати

Теплові процеси добре корелюють з електротехнічними: в ролі напруги виступає різниця температур, теплової потік можна розглядати як силу струму, ну а для опору навіть свого терміну вигадувати не потрібно. Також в повній мірі справедливо і поняття найменшого опору, що фігурує в теплотехніці як містки холоду.

Якщо розглядати довільний матеріал в розрізі, досить легко встановити шлях теплового потоку як на мікро-, так і на макрорівні. У якості першої моделі приймемо бетонну стіну, в якій за технологічною необхідністю виконані наскрізні кріплення сталевими стрижнями довільного перетину. Сталь проводить тепло трохи краще бетону, тому ми можемо виділити три основних теплових потоку:

• через товщу бетону
• через сталеві стрижні
• від сталевих стрижнів до бетону

Тепловтрати через містки холоду в бетоні

Модель останнього теплового потоку найбільш цікава. Оскільки сталевий стрижень прогрівається швидше, то ближче до зовнішньої частини стіни буде спостерігатися різниця температур двох матеріалів. Таким чином, сталь не тільки «перекачує» тепло назовні сама по собі, вона також збільшує теплову провідність прилеглих до неї мас бетону.

У пористих середовищах теплові процеси протікають схожим чином. Практично всі будівельні матеріали складаються з розгалуженою павутини твердої речовини, простір між якими заповнений повітрям. Таким чином, основним провідником тепла служить твердий, щільний матеріал, але за рахунок складної структури шлях, по якому поширюється теплота, виявляється більше поперечного перерізу. Таким чином, другий фактор, що визначає термічний опір, це неоднорідність кожного шару і захисної конструкції в цілому.

Зменшення тепловтрат і зміщення точки роси в утеплювач при зовнішньому утепленні стіни

Третім фактором, що впливає на теплопровідність, ми можемо назвати накопичення вологи в порах. Вода має термічний опір в 20-25 разів нижче, ніж у повітря, таким чином, якщо вона наповнює пори, в цілому теплопровідність матеріалу стає навіть вище, ніж якби пір взагалі не було. При замерзанні води ситуація стає ще гірше: теплопровідність може зрости до 80 разів. Джерелом вологи, як правило, служить кімнатне повітря і атмосферні опади. Відповідно, три основні методи боротьби з таким явищем - це зовнішня гідроізоляція стін, використання парозахисту і розрахунок влагонакопления, який обов'язково проводиться паралельно прогнозування тепловтрат.

Диференційовані схеми розрахунку

Найпростіший спосіб встановити розмір теплових втрат будівлі - підсумовувати значення теплового потоку через конструкції, якими ця будівля утворено. Така методика повністю враховує різницю в структурі різних матеріалів, а також специфіку теплового потоку крізь них і в вузлах примикання однієї площини до іншої. Такий дихотомический підхід сильно спрощує завдання, адже різні огороджувальні конструкції можуть істотно відрізнятися в пристрої систем теплозахисту. Відповідно, при роздільному дослідженні визначити суму тепловтрат простіше, адже для цього передбачені різні способи обчислень:

• Для стін витоку теплоти кількісно рівні загальної площі, помноженої на відношення різниці температур до теплового опору. При цьому обов'язково береться до уваги орієнтація стін по сторонах світу для обліку їх нагрівання в денний час, а також продувність будівельних конструкцій.
• Для перекриттів методика та ж, але при цьому враховується наявність горищного приміщення і режим його експлуатації. Також за кімнатну температуру приймається значення на 3-5 ° С вище, розрахункова вологість теж збільшена на 5-10%.
• Тепловтрати через підлогу розраховують зонально, описуючи пояса по периметру будівлі. Пов'язано це з тим, що температура грунту під підлогою вище у центру будівлі в порівнянні з фундаментної частиною.
• Тепловий потік через скління визначається паспортними даними вікон, також потрібно враховувати тип примикання вікон до стін і глибину укосів.

Q = S · (Δ T / Rt)

де:

• Q -теплові втрати, Вт;
• S - площа стін, м2;
• ΔT - різниця температур всередині і зовні приміщення, ° С;
• Rt - опір теплопередачі, м2 · ° С / Вт.

приклад розрахунку

Перш ніж перейти до демонстраційного прикладу, відповімо на останнє запитання: як правильно розрахувати інтегральне термічний опір складних багатошарових конструкцій? Це, звичайно, можна зробити вручну, благо, що в сучасному будівництві використовується не так багато типів несучих підстав і систем утеплення. Однак врахувати при цьому наявність декоративного оздоблення, інтер'єрної та фасадної штукатурки, а також вплив всіх перехідних процесів та інших факторів досить складно, краще скористатися автоматизованими обчисленнями. Один з кращих мережевих ресурсів для таких завдань - smartcalc.ru , Який додатково складає діаграму зміщення точки роси в залежності від кліматичних умов.

Для прикладу візьмемо довільне будівлю, вивчивши опис якого читач зможе судити про набір вихідних даних, необхідних для розрахунку. Є одноповерховий будинок правильної прямокутної форми розмірами 8,5х10 м і висотою стель 3,1 м, розташований в Ленінградській області. У будинку виконаний неутеплені підлогу по грунту дошками на лагах з повітряним зазором, висота підлоги на 0,15 м перевищує позначку планування грунту на ділянці. Матеріал стін - шлаковий моноліт товщиною 42 см з внутрішньої цементно-вапняної штукатуркою товщиною до 30 мм і зовнішньої шлакової-цементною штукатуркою типу «шуба» товщиною до 50 мм. Загальна площа скління - 9,5 м2, в якості вікон використаний двокамерний склопакет в теплозберігаючі профілі з усередненим термічним опором 0,32 м2 · ° С / Вт. Перекриття виконано на дерев'яних балках: знизу поштукатурені по дранці, заповнене доменним шлаком і зверху приховано глиняній стяжкою, над перекриттям - горище холодного типу. Завдання розрахунку тепловтрат - формування системи теплозахисту стін.

Підлога

Насамперед визначаються теплові втрати через підлогу. Оскільки їх частка в загальному відтоку тепла найменша, а також з причини великої кількості змінних (щільність і тип ґрунту, глибина промерзання, масивність фундаменту і т. Д.), Розрахунок тепловтрат проводиться за спрощеною методикою з використанням наведеного опору теплопередачі. По периметру будівлі, починаючи від лінії контакту з поверхнею землі, описується чотири зони - оперізують смуги шириною по 2 метри. Для кожної із зон приймається власне значення наведеного опору теплопередачі. У нашому випадку є три зони площею по 74, 26 і 1 м2. Нехай вас не бентежить загальна сума площ зон, яка більша за площу будівлі на 16 м2, причина тому - подвійний перерахунок пересічних смуг першої зони в кутах, де тепловтрати значно вище в порівнянні з ділянками уздовж стін. Застосовуючи значення опору теплопередачі в 2,1, 4,3 і 8,6 м2 · ° С / Вт для зон з першої по третю, ми визначаємо тепловий потік через кожну зону: 1,23, 0,21 і 0,05 кВт відповідно .

стіни

Використовуючи дані про місцевість, а також матеріали і товщину шарів, якими утворені стіни, на згаданому вище сервісі smartcalc.ru потрібно заповнити відповідні поля. За результатами розрахунку опір теплопередачі виявляється рівним 1,13 м2 · ° С / Вт, а тепловий потік через стіну - 18,48 Вт на кожному квадратному метрі. При загальній площі стін (за вирахуванням скління) в 105,2 м2 загальні тепловтрати через стіни складають 1,95 кВт / ч. При цьому втрати тепла через вікна складуть 1,05 кВт.

Перекриття та покрівлю

Розрахунок тепловтрат через горищне перекриття також можна виконати в онлайн-калькуляторі, вибравши потрібний тип огороджувальних конструкцій. В результаті опір перекриття теплопередачі складає 0,66 м2 · ° С / Вт, а втрати тепла - 31,6 Вт з квадратного метра, тобто 2,7 кВт з усією площі огороджувальної конструкції.

Разом сумарні тепловтрати згідно з розрахунками становлять 7,2 кВт · год. При досить низьку якість будівельних конструкцій будівлі цей показник очевидно сильно нижче реального. Насправді такий розрахунок ідеалізовано, в ньому не враховані спеціальні коефіцієнти, продувність, конвекційна складова теплообміну, втрати через вентиляцію і вхідні двері. Насправді, через неякісну установки вікон, відсутність захисту на примиканні покрівлі до мауерлату і поганий гідроізоляції стін від фундаменту реальні тепловтрати можуть бути в 2 або навіть 3 рази більше розрахункових. Проте, навіть базові теплотехнічні дослідження допомагають визначитися, чи будуть конструкції будинку, що будується відповідати санітарним нормам хоча б у першому наближенні.

тепловтрати будинку

Наостанок дамо одну важливу рекомендацію: якщо ви дійсно хочете отримати повне уявлення про тепловий фізики конкретного будинку, необхідно використовувати розуміння описаних в цьому огляді принципів і спеціальну літературу. Наприклад, дуже гарною підмогою в цій справі може стати довідковий посібник Олени Малявіною «Тепловтрати будівлі», де досить докладно пояснена специфіка теплотехнічних процесів, дані посилання на необхідні нормативні документи, а також наведені приклади розрахунків і вся необхідна довідкова інформація.

рмнт.ру

05.03.18