Теплотехнический расчет ограждающих конструкций

В связи с достаточно суровым климатом на почти всей территории нашей необъятной страны и регулярным ростом тарифов на электроэнергию актуальность издержек на отопление помещений выходит на первый план. Ведь создание комфортных условий в жилых и коммерческих помещениях является базовой задачей любого строительства недвижимости.

Для определения оптимальной конструкции стен и кровли необходимо учитывать климатические нормы региона строительства, которые указаны в своде правил «Строительной климатологии» СП131.13330.2012. Тематические расчеты опираются на следующие параметры:

– Тн – температура самой холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92;

– Тот – среднее значение температуры за период;

– ZOT – продолжительность периода.

Например, для Мурманска вышеуказанные параметры составляют: Тн – «-30 град. Цельсия», Тот – «-3,4 град. Целься», ZOT – 275 суток. Есть еще параметр «температура внутри помещения», который обозначается как «Тв» и определяется в соответствии с ГОСТ 30494-2011. Для жилья можно применить Тв равным 20 градусам Цельсия. А для производства вычислений, связанных с теплотехническим расчетом ограждающих конструкций (ТТРОК) необходимо первоначально определить величину градусо-суток отопительного периода (ГСОП) по формуле: ГСОП = (Тв – Тот) х ZOT. Если применить данные для Мурманска, то получится значение ГСПО = (20 – (-3,4) х 275 = 6435.

Основные показатели

Выбор материалов ограждающих конструкций напрямую зависит от их теплотехнических характеристик. Параметр «теплопроводность» (в формулах обозначается греческой буквой лямбда «I» и измеряется в Вт / (м х град. Цельсия)) характеризует способность материала пропускать тепловую энергию. А «сопротивление теплопередаче» (обозначается буквой «R») характеризует способность строительной конструкции удерживать тепло. Формула определения этой величины: R = d/I.

Сопротивление теплопередаче для многослойных материалов рассчитывается как сумма величин для каждого слоя. Этот показатель является ключевым для наружной конструкции, и его значение в обязательном порядке должно быть выше, чем норматив. ТТРОГ своей целью ставит удостоверение экономически обоснованного состава стен и кровли.

Качество изоляции, определяющееся в приоритетном порядке тепловодностью, подтверждается соответствующими сертификатами, в которых ей присваивается категория «А» или «Б». Климатические условия в нашей стране, как правило, относятся к условиям эксплуатации именно категории «Б». В паспорте материала или на самой маркировке указывается значение теплопроводности. Кстати, в Своде правил приводятся эти параметры для основного перечня строительных материалов. Так, кладке обычного кирпича соответствует значение 0,81 Вт (м х град. Цельсия), кладке из силикатного кирпича – 0,87, газо- и пенобетону с плотностью «800» – 0,37, древесине хвойных пород – 0,18, экструдированному пенополистиролу – 0,032, а плитам минераловатным – 0,048.

Расчетное значение параметра «сопротивление теплопередаче» также не может быть меньше норматива, указанного в таблице 3 «Тепловой защиты зданий» СП50.13330.2012. Если продолжить начатый ТТРОК, то получится: Рстен = 0,00035 х 6435 + 1,4 = 3,65 (м х град/Вт). Рпокр = 0,0005 х 6435 + 2,2 = 5,41 (м х град/Вт). Рокн = 0,00005 х 6435 + 0,3 = 0,62 (м х град/Вт). Рчерд = 0,00045 х 6435 + 1,9 = 4, 79 (м х град/Вт).

ТТРОК производится для всех конструкций, которые замыкают «теплый контур»: наружные стены, включая двери и окна, пол по грунту или перекрытие техподполья, совмещенное покрытие или перекрытие чердака, если он не отапливается. А при перепаде температур в смежных помещениях, который превышает восемь градусов Цельсия, аналогичный расчет производится и для внутренних конструкций.

Теплотехнический расчет стен

Так как в основной своей массе стены и перекрытия имеют вид многослойной конструкции, то для выполнения ТТРОК следует пользоваться формулой: R = d1/I1 + d2/I2 + dn/In, где n – значения n-го слоя. Таким образом, для кирпичной оштукатуренной стены с трехсантиметровым внешним слоем штукатурки и ее теплопроводностью 0,93 Вт (м х град. Цельсия), кладкой из полнотелого глиняного кирпича 64 см с теплопроводностью 0,81 Вт (м х град. Цельсия) и трехсантиметровым внутренним слоем штукатурки с теплопроводностью опять же 0,93 Вт (м х град. Цельсия) получится следующий расчет:

R = 0,03/0,93 + 0,64/0,81 + 0,03/0,93 = 0,85 (м х град/Вт). Если сравнить это значение с базовым нормативом для стен жилых зданий в Мурманске, который равен 3,65 (м х град. Цельсия), то налицо существенное несоответствие. Такая стена никоим образом не сможет удовлетворять нормативным требованиям, и для нее требуется значительное утепление. Как вариант, в данном случае можно использовать минераловатные плиты (толщина 15 см и теплопроводность 0,048 Вт (м х град. Цельсия). После нового расчета получает результат: R = 0,15/0,048 + 0,003/0,93 + 0,64/0,81 + 0,03/0,93 = 3,97 (м х град/Вт). Налицо соответствие базовым стандартам по утеплению стен в Мурманске.

Теплотехнический расчет полов и дверей

Несмотря на то, что сопротивление теплопередаче у полов первых этажей, выполненных по грунту, не нормируется, нужно все-таки учитывать исключение ситуации, когда конструкция допускает выпадение росы. Для этого расчет производится таким образом, что полы делятся на зоны, ширина которых составляет по два метра, начиная с внешней стороны. Если полы не содержат в своей конструкции мощный утеплитель, то необходимо учитывать следующие параметры сопротивления теплопередаче (м х град/Вт): 1 зона – 2,1; 2 зона – 4,3; 3 зона – 8,6; 4 зона – 14,3. В данном случае параметр «сопротивление теплопередаче» непосредственной зоны добавляется к аналогичному показателю утепленной конструкции. А расчет сопротивления теплопередаче пола в обязательном порядке включается в общий ТТРОК.

Если принять в расчет, что площадь пола (10 х 10 ) равна 100 м2, и разбивка по зонам будет произведена следующим образом: площадь первой зоны 64 м2, второй – 32 м2 и третьей – 4 м2, – то среднее значение сопротивления теплопередаче пола по грунту будет определяться:

Рпола = 100 / (64/2,1 + 32/4,3 + 4/8,6) = 2,6 (м х град/Вт).

Если выполнить утепление пола плитой из пенополистирола, ширина которой составляет один метр, а толщина пять сантиметров, то сопротивление теплопередаче пола по грунту уже составит следующее значение:

Рпола = 100 / (32/2,1 + 32/(2,1 + 0,05/0,032) + 32/4,3 + 4/8,6) = 4,09 (м х град/Вт).

Здесь следует отметить, что данные расчеты актуальны и для стен домов, конструкция которых подразумевает соприкосновение с грунтом (теплые подвалы, заглубленные этажи и т.п.).

При расчете сопротивления теплопередаче входных дверей необходимо учитывать аналогичный показатель для стены, где расположена дверь, по такому санитарно-гигиеническому показателю, как невыпадение росы. Он рассчитывается следующим образом: Рст = (Тв – Тн) / (ДТн х ав), где ДТн – разница температур между внутренней поверхностью двери и комнатной температурой, определяется по Своду правил (СП) (4,0 для жилья); ав – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены (8,7 по СП). В качестве базового берется значение дверей, равное 0,6 х Рст.

Проверочный ТТРОК будет выглядеть следующим образом:

Рдв = 0,6 х (20-(-30)) / (4 х 8,7) = 0,86 (м х град/Вт).

Комплексные требования

Помимо поэлементных расчетов для стен, покрытия и перекрытий СП предусматривает также и комплексные требования для всей ограждающей конструкции в целом, которые определяются специальным параметром «удельная теплозащитная характеристика».

Также для составления энергетического паспорта выполняется ТТРОК согласно приложению к СП50.13330.2012. Кроме того, вышеприведенные примеры расчетов соответствуют исключительно однородным конструкциям, что в реальной жизни встречается достаточно редко. Поэтому следует принимать в расчет, что неоднородности строительных конструкций определяются специальным параметром «r» (поправочным коэффициентом теплотехнической однородности), который учитывает различные изменения сопротивления теплоотдаче, связанные с неоднородными включениями в общую конструкцию. Так как сами расчеты представляются достаточно сложными, то для приблизительной оценки достаточно пользоваться справочными данными. Например, для трехслойных панелей этот параметр имеет значение «0,7», а для кирпичной кладки – «0,9».

Проанализировав современные требования по тепловой защите строительных конструкций, можно уверенно констатировать, что любые объекты, выполненные с использованием традиционных материалов, нуждаются в эффективном утеплителе.