Теплотехнический расчет здания: специфика и формулы выполнения вычислений практические примеры

Утечки тепла, которые производится в домах, можно класифицировать на две основные категории: потери через ограждающие конструкции и утечки, связанные с работой вентиляционной системы. Кроме этого, дополнительная потеря тепла происходит, когда теплая вода сбрасывается в систему канализации.

Теплотехнический расчет наружных стен

Когда разрабатывается проект дома, особое внимание следует уделить теплотехническому расчету наружных стен. Это необходимо для избежания дополнительных затрат в будущем, которые могут возникнуть из-за экономии на материалах или неправильного выбора ширины и типов ограждающих конструкций.

Давайте обозначим ключевые вводные данные:

Место строительства: Тюмень и окрестности
Назначение здания: жилое

Оптимальная температура воздуха в жилом помещении в зимний период согласно ГОСТ 30494-96, таблица 1, составляет от +20 до +25 градусов. Для расчетов мы берем минимально допустимую:

Расчетная температура наружного воздуха t_ext определяется по таблице 1, столбец 5 СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Также, в 11 столбце этой же таблицы указывается продолжительность отопительного периода, когда среднесуточная температура опускается ниже +8 °C:

В 12 столбце содержится информация о средней температуре наружного воздуха за отопительный период.

Эти величины являются постоянными для нашего региона. Инвестиции в улучшение теплоизоляции конструкции помогут значительно сократить ежегодные расходы на обогревательные источники, будь то газ, дрова или электричество. Не стоит полагаться лишь на собственный опыт или воспоминания о климатических условиях, так как они могут быть неточными и кратковременными, а здание должно служить как минимум 50 лет.

Для определения градусо-суток отопительного периода (ГСОП):

Нормативное значение приведенного сопротивления теплопередаче:

R_req = a × D_d + b = 0,00035 × 6120 + 1,4 =

Необходимое сопротивление тепловой защите:

R_0тр = 3,542 м² × °С/Вт

Данный показатель будет служить основным критерием сравнения всех тепловых сопротивлений, полученных для стен из различных материалов, предназначенных для города Тюмени. Для других регионов данный показатель нужно пересчитывать на основе действующих СНИП.

Кроме этих данных будет необходимо учесть толщины слоев конструкций и их коэффициенты теплопроводности λ_i. Обычно подобные данные публикуются производителями строительных материалов, либо их усредненные значения можно найти в приложении 3 СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника».

В этом случае в качестве утеплителя мы возьмем газоблок Поревит толщиной 200 мм. Следует проверить, обеспечит ли он достаточный уровень утепления.

Название материала	Ширина, м	λ1, Вт/(м × °С)	R1, м2 ×°С/Вт
Кирпич фасадный (бессер)	0,08	0,96	0,08 / 0,96 = 0,083
Воздух	0,02	—	—
Поревит БП-200 (D500)	0,2	0,12	0,2 / 0,12 = 1,666
Кирпич несущий	0,12	0,87	0,12 / 0,87 = 0,138
Штукатурка	0,02	0,87	0,02 / 0,87 = 0,023

Лирическое отступление

Некоторые могут возразить, что существуют строения со стенами, выполненными из чистого Поревита толщиной 300 мм, и в них тепло. Это действительно так. Однако стоит заметить, что не всегда температура на улице удерживается на минимальном уровне, и в течение 7–10 морозных дней можно находиться в прохладном здании. В таких условиях возможно достичь комфортной температуры в помещении, увеличив расход тепловой энергии (газ, дрова, электричество).

Полученный показатель лишь указывает на рекомендованную толщину стен, соблюдение которой приведет к поддержанию заданной температуры в помещениях при условии соблюдения технологических стандартов для возведения других ограждающих конструкций: пол, потолок, окна и двери.

Цель теплотехнического расчета

От теплотехнических характеристик капитальных ограждений здания зависит много аспектов, включая влажность строительных элементов, температурные параметры, которые влияют на наличие или отсутствие конденсата на межкомнатных перегородках и перекрытиях.

Расчет позволяет определить, будут ли поддерживаться стабильные температурные и влажностные условия при плюсовых и минусовых температурах. К таким параметрам также относится количество тепла, теряющегося через ограждающие конструкции в холодное время года.

Недопустимо начинать проектирование, не имея всех этих данных. На их основе выбираются необходимые толщины стен и перекрытий, последовательность слоев.

Согласно нормам ГОСТ 30494-96 температурные значения внутри помещений в среднем составляют 21°. При этом относительная влажность должна находиться в комфортных пределах, что составляет в среднем 37%. Наибольшая скорость перемещения воздушных масс — 0,15 м/с.

Теплотехнический расчет имеет несколько целей:

1. Проверить, соответствуют ли конструкции заявленным требованиям по тепловой защите;
2. Оценить, насколько полно обеспечивается комфортный микроклимат внутри здания;
3. Убедиться, что конструкции имеют оптимальную тепловую защиту.

Принципиально важным является соблюдение баланса между температурными показателями атмосферы, внутренними конструкциями ограждений и помещениями. Если данный баланс нарушен, то тепло будут поглощать поверхности стен, а температура в самом помещении останется очень низкой.

Изменения теплового потока не должны существенно влиять на температуру внутри. Эта характеристика известна как теплоустойчивость.

Через тепловой расчет определяются оптимальные пределы (минимальные и максимальные) для толщины стен и перекрытий. Это обеспечивает возможность длительной эксплуатации строения без риска экстремальных промерзаний элементов или перегревов.

Параметры для выполнения расчетов

Для успешного выполнения теплоизоляционного расчета понадобятся исходные данные.

Они зависят от множества характеристик:

1. Назначение и тип строения;
2. Ориентация вертикальных ограждающих конструкций относительно сторон света;
3. Географические параметры места будущего строительства;
4. Объем здания, его этажность и площадь;
5. Типы и размеры дверных и оконных проемов;
6. Вид отопления и его технические параметры;
7. Количество постоянных жильцов;
8. Материал вертикальных и горизонтальных ограждающих конструкций;
9. Перекрытия верхнего этажа;
10. Система горячего водоснабжения;
11. Тип вентиляции.

При расчете также учитываются другие конструктивные особенности здания. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций должна предотвращать чрезмерное охлаждение внутри дома и поддерживать теплоизоляционные характеристики элементов.

Переувлажнение стен тоже приводит к потерям тепла, что влечет за собой возникновение сырости, способной отрицательно сказаться на долговечности здания.

В процессе расчета в первую очередь определяются теплотехнические показатели строительных материалов, используемых для ограждающих элементов. В дополнение, определяется приведенное сопротивление теплопередачи, а также его соответствие нормативным значениям.

Теплотехнический расчет – что это

Теплотехнический расчет позволяет определить оптимальную толщину стен ограждающих и несущих конструкций, обеспечивающую долговременную эксплуатацию без промерзания и перегрева перекрытий и перегородок. Иными словами, эта процедура дает возможность вычислить фактическую или предполагаемую тепловую нагрузку здания, которая будет считаться нормой.

При анализе учитываются данные:

• Конструкция помещения – наличие перегородок, теплоотражающих элементов, высота потолков и так далее;
• Климатические особенности данной местности – предельные максимальные и минимальные температуры, скорость и усилие температурных колебаний;
• Расположение здания относительно сторон света, что включает в себя поглощение солнечного тепла, а также время суток, когда здание максимально чувствительно к солнечному теплу;
• Механические нагрузки и физические свойства строительных объектов;
• Параметры влажности воздуха, наличие либо отсутствие защиты стен от влаги, использование герметиков, а также пропиток, способствующих их герметичности;
• Работа либо естественной, либо искусственной вентиляции, парниковый эффект, паропроницаемость и другие факторы.

При этом оценка этих характеристик должна соответствовать ряду норм, включая уровень сопротивления теплопередаче, воздухопроницаемости и так далее. Рассмотрим их подробнее.

Проектирование в ZWCAD кейсов наружных инженерных сетей: систем водоснабжения, канализации, газоснабжения и теплоснабжения.

Требования по теплотехническому расчету помещения и сопутствующая документация

Государственные контрольно-надзорные органы, ответственные за регламентацию строительства, в том числе за обеспечение соблюдения норм техники безопасности, составили СНиП № 23-02-2003, где подробно описаны нормы проведения мероприятий по тепловой защите зданий.

Этот документ предлагает инженерные решения, которые помогут оптимизировать расход теплоэнергии, необходимой для обогрева помещений (жилищных и промышленных) в зимний период. Все рекомендации и требования разработаны с учетом процессов вентиляции, воздухосодержания, а также принимая во внимание такие аспекты, как место расположения точек поступления тепла.

СНиП является юридическим документом федерального уровня. Региональная документация представлена в виде ТСН – территориально-строительных норм.

Не все строения подпадают под действие этих норм. В частности, требования не распространяются на те объекты, которые отапливаются нерегулярно или вообще не имеют системы отопления. Обязательный теплотехнический расчет необходим для следующих типов зданий:

• жилые, как частные, так и многоквартирные дома;
• общественные и муниципальные здания, такие как офисы, школы, больницы, детские сады и прочие;
• производственные предприятия, заводы, элеваторы;
• аграрные объекты, включая любые отапливаемые постройки сельского назначения;
• складские сооружения, включая амбары и склады.

В указанном документе прописаны нормы, касающиеся всех тех компонентов, которые включены в теплотехнический анализ.

К требованиям к конструкциям относятся:

• Теплоизоляция. Это не только сохранение тепла в зимние месяцы и недопущение переохлаждений или промерзаний, но также и защита от перегрева в летний период. Следовательно, изоляция должна быть обоюдной – предотвращать внешние воздействия и сохранять тепло внутри.
• Допустимые значения перепада температур между атмосферой внутри здания и терморежимом внутренних конструкций. Это условие предотвращает появление конденсата на стенах, а также негативное влияние на здоровье людей в помещениях.
• Теплоустойчивость, подразумевающая температурную стабильность и недопущение резких колебаний в температуре воздуха.
• Воздухопроницаемость. В этом вопросе важен баланс. С одной стороны, нельзя допустить переохлаждения постройки из-за чрезмерной теплоотдачи, с другой стороны, необходимо предупредить появление парникового эффекта, который возникает при использовании синтетических, «недышащих» утеплителей.
• Отсутствие сырости. Повышенная влажность становится не только причиной возникновения плесени, но также и показателем, которое приводит к значительным потерям теплоэнергии.

Необходимые для расчета нормативные документы:

• СНиП 23-02-2003 (СП 50.13330.2012). «Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция от 2012 года.
• СНиП 23-01-99* (СП 131.13330.2012). «Строительная климатология». Актуализированная редакция от 2012 года.
• СП 23-101-2004. «Проектирование тепловой защиты зданий».
• ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

Исходные данные для расчета:

1. Сначала определяем климатическую зону, где собираемся строить дом. Открываем СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» и находим таблицу 1. В ней находим свой город (или ближайший к месту строительства) и, например, для деревни, расположенной рядом с г. Муром, возьмем показатели для г. Мурома из столбца 5 — «Температура воздуха наиболее холодной пятидневки, с обеспеченностью 0,92», которая равна «-30°С»;
2. Затем определяем продолжительность отопительного периода, открыв столбец 11 в таблице 1 СНиП 23-01-99*, где при средней суточной температуре наружного воздуха 8°С эта продолжительность составляет zht = 214 суток;
3. Затем определяем среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период, для чего снова обращаемся к таблице 1 СНиП 23-01-99* и выбираем значение в столбце 12, равное tht = -4,0°С.
4. Оптимальная температура внутри помещения принимается по таблице 1 в ГОСТ 30494-96: tint= 20°С;

После этого необходимо определить конструктивные решения самой стены. Ранее дома часто строили из одного материала (кирпич, камень и так далее), что делало стены очень толстыми и массивными. Однако с развитием технологий появились новые материалы с отличными показателями теплопроводности, позволившие существенно сократить толщину стен с помощью дополнительного теплоизолирующего слоя. Так сформировались многослойные конструкции стен.

В многослойной стене как минимум три основных слоя:

• 1 слой — несущая стена, предназначенная для передачи нагрузки от вышележащих конструкций на фундамент;
• 2 слой — теплоизоляция, которая должна максимально удерживать тепло внутри дома;
• 3 слой — декоративный и защитный, который делает фасад дома привлекательным и защищает утеплитель от внешних воздействий (дождя, снега, ветра и так далее);

Для нашего примера рассматривать будем следующий состав стены:

• 1 слой — несущая стена выполняется из газобетонных блоков толщиной 400 мм (проектируем конструктивно с учетом того, что балки перекрытия будут опираться на неё);
• 2 слой — теплоизоляционный слой, который будет рассчитываться в ходе теплотехнического расчета;
• 3 слой — облицовочный силикатный кирпич толщиной 120 мм;
• 4 слой — внутренний слой, который будет покрыт штукатуркой из цементно-песчаного раствора толщиной 20 мм.

Теплотехнический расчет.

Переходим непосредственно к теплотехническому расчету, а именно — нужно определить толщину второго слоя (утеплителя) в соответствии с условиями места строительства.
Перв шаг — устанавливаем нормы тепловой защиты с учетом требований санитарных норм.
Согласно формуле 3 из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» рассчитывается нормативное сопротивление теплопередаче, которое можно выразить так:

где:
n = 1 — коэффициент, принятый по таблице 6 из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для наружных стен (хотя в последнем актуализированном СП данный коэффициент упразднен);

t_int = 20°С — оптимальная температура в помещении, полученная из исходных данных;

t_ext = -30°С — температура наиболее холодной пятидневки, из исходных данных;

Δt_n = 4°С — это показатель нормируется по таблице 5 из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и определяет температурный перепад между температурой воздуха внутри помещения и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции (стены);

α_int = 8,7 Вт/(м²×°С) — коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимается из таблицы 7 СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для наружных стен.

Приступаем к расчету:
мы получили сопротивление теплопередаче из санитарных норм R_req = 1.437 м²×℃/Вт;

На втором этапе определяем сопротивление теплопередаче с точки зрения энергосбережения.

Чтобы рассчитать градусо-сутки отопительного периода, применяем формулу согласно пункту 5.3 в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»:

D_d = (t_int — t_ht)×z_ht = (20 + 4,0)×214 = 5136°С×сут

Примечание: градусо-сутки также обозначаются как ГСОП.

Далее, согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», в зависимости от градусо-суток региона строительства, рассчитываем нормативное значение приведенного сопротивления теплопередаче по следующей формуле:

R_req = a×D_d + b = 0,00035 × 5136 + 1,4 = 3,1976 м²×℃/Вт,

где: D_d — градусо-сутки отопительного периода в г. Муром,

a и b — коэффициенты, принимаемые по таблице 4, столбец 3 СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для стен жилого здания.
Таким образом, мы получили второе значение сопротивления теплопередаче, исходя из показателей энергоэффективности R_req = 3,198 м²×℃/Вт;

Для дальнейшего анализа стены мы берем наибольшее значение из двух вычисленных показателей R_req (1,437 и 3,198), обозначив его как R_треб = 3,198 м²×℃/Вт;

Теперь перейдем к определению толщины утеплителя.

Для каждого слоя многослойной стены рассчитаем термическое сопротивление по формуле:

где:
δ_i — толщина слоя, мм;
λ_i — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя в Вт/(м × °С).

Определяем термическое сопротивление для каждого слоя:
1 слой (газобетонные блоки): R₁ = 0,4/0,29 = 0,116 м²×°С/Вт.
3 слой (облицовочный силикатный кирпич): R₃ = 0,12/0,87 = 0,104 м²×°С/Вт.
4 слой (штукатурка): R₄ = 0,02/0,87 = 0,023 м²×°С/Вт.

Слои конструкции

№	Тип	Материалы	Толщина, мм	λ	μ (Rп)	Управление
Внутри
Снаружи
Вставить слой	Информация

• Конструкция — в таблицу добавляются материалы, составляющие слои выбранной ограждающей конструкции. Для выбранных слоев можно определить тип из следующих вариантов:
  • Однородный — слой, состоящий из одного материала, без теплопроводных включений.
  • Неоднородный — слой, в котором есть теплопроводные включения, влияние которых определяется коэффициентом односродности. Значения этого коэффициента обычно представлены в специальных справочных таблицах.
  • Каркас — слой с деревянным каркасом. Возможно задание ширины каркаса и шага между его элементами.
  • Перекрестный каркас — слой с деревянным каркасом, расположенном перепендикулярно основному каркасу.
  • Кладка — слой, состоящий из штучных элементов кладки и швов с раствором. Возможно задание геометрических размеров элементов кладки и толщины швов.
• Перемещение слоя — при наличии нескольких слоев возможно их перемещение относительно друг друга с помощью кнопок «Переместить внутрь» и «Переместить наружу».
• Включение/выключение слоя — позволяет временно исключить слой из расчетов, не удаляя его из конструкции, с кнопками «Включить слой»/ «Выключить слой».
• Редактирование параметров материала — если нужного материала нет в справочнике, можно выбрать другой материал и в всплывающем окне задать необходимые параметры. Кнопка «Изменить характеристики».
• Удаление слоя — удаляет слой из ограждающей конструкции. Кнопка «Удалить слой».

Внутри: 20°С (55%) Снаружи: -10°С (85%)

• Температура внутри помещения — для определения тепловых потерь через ограждающую конструкцию.
• Влажность внутри помещения — для помещений с типом «Ненормированное» при оценке защиты от переувлажнения.

№	Тип	Толщина	Материал	λ	R	Tmax	Tmin
Термическое сопротивление Rа
Термическое сопротивление Rб
Термическое сопротивление ограждающей конструкции
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R
Требуемое сопротивление теплопередаче
Санитарно-гигиенические требования Rс
Нормируемое значение поэлементных требований Rэ
Базовое значение поэлементных требований Rт

Расчет защиты от переувлажнения осуществляется методом безразмерных величин.

Координата плоскости максимального увлажнения	X	0	мм
Сопротивление паропроницанию от внутренней поверхности конструкции до плоскости максимального увлажнения	Rп(в)	0	(м²•ч•Па)/мг
Сопротивление паропроницанию от плоскости максимального увлажнения до внешней поверхности конструкции	Rп(н)	0	(м²•ч•Па)/мг
Условие недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации	Rп.тр(1)	0	(м²•ч•Па)/мг
Условие ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха	Rп.тр(2)	0	(м²•ч•Па)/мг

Образование конденсата в проветриваемом чердачном перекрытии или вентилируемом зазоре кровли:

Сопротивление паропроницанию конструкции	Rп	0	(м²•ч•Па)/мг
Требуемое сопротивление паропроницанию	Rп.тр	0	(м²•ч•Па)/мг

Слои конструкции (изнутри наружу):

№	Толщина	Материал	μ	Rп	X	Rп(в)	Rп.тр(1)	Rп.тр(2)