Теплотехнический расчет окон и балконных дверей

СТРОИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА

 

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

 

Дисциплина – «Строительная физика»

Специальности – 270102 «Промышленное и гражданское строительство»

270105 «Городское строительство и хозяйство»

270114 «Проектирование зданий»

 

Печатается по решению редакционно-
издательского совета ОрелГТУ

 

 

Орел 2008

Автор: ассистент кафедры ГСиХ Е. А. Блинников

 

Рецензент: доцент кафедры ГСиХ Г. Н. Музалевская

 

 

Методические указания предназначены для студентов 3-го курса строительных специальностей. Они содержат лабораторные работы, направленные на освоение студентами рационального проектирования ограждающих конструкций зданий и сооружений различного типа в соответствии с требованиями к теплозащите и звукоизоляции зданий; рассмотрено определение типа и количества осветительных приборов для помещений различного назначения.

 

Издание 2-е, переработанное и дополненное

 

 

Редактор

Технический редактор

 

Орловский государственный технический университет

Лицензия ИД №00670 от 05.01.2000 г.

 

Подписано к печати г. Формат 60x84 1/16.

Печать офсетная. Уч.-изд. л.. Усл. печ. л.. Тираж экз.

Заказ №________

 

Отпечатано с готового оригинал-макета

на полиграфической базе ОрелГТУ,

302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

 

 

© ОрелГТУ, 2008

© Блинников Е.А.

Содержание

Введение
Лабораторная работа № 1. Определение требуемого сопротивления теплопередачи ограждающей конструкции
Лабораторная работа № 2. Защита ограждающей конструкции от переувлажнения
Лабораторная работа № 3. Расчет искусственного освещения методом коэффициента использования
Лабораторная работа № 4. Расчет искусственного освещения методом удельной мощности
Лабораторная работа № 5. Определение расчетной звукоизолирующей характеристики ограждающей конструкции
Лабораторная работа № 6. Определение индекса звукоизоляции ограждающей конструкции
Ссылочные нормативные документы
Рекомендуемая литература
Приложение А. Нормируемые теплотехнические показатели строительных материалов и изделий
Приложение Б. Значения упругости насыщенного водяного пара е, Па, для различных значений температуры при В = 100,7 кПа
Приложение В. Сопротивление паропроницанию листовых материалов и тонких слоев пароизоляции
Приложение Г. Приведенное сопротивление теплопередаче , коэффициент затенения непрозрачными элементами , коэффициент относительного пропускания солнечной радиации окон, балконных дверей и фонарей

 

Введение

 

В практике проектирования строительных зданий и сооружений возникает необходимость обеспечить требуемые параметры микроклимата помещений, создать комфортные условия жизнедеятельности и отдыха людей, снизить неблагоприятные внешние шумы, запроектировать оптимальные осветительные установки искусственного освещения и оконные проемы с соответствующим заполнением для естественного освещения. Кроме того, в зальных помещениях нужно создать акустически благоприятную обстановку для восприятия звука. Решением данных вопросов и занимается строительная физика – прикладная область физики, рассматривающая физические явления и процессы в конструкциях зданий, связанные с переносом тепла, звука и света, а также явления и процессы в помещениях здания, связанные с распространением звука и света.

Основной задачей строительной физики является обоснование применения в строительстве материалов и конструкций, выбора размеров и формы помещений, которые обеспечили бы оптимальные температурно-влажностные, акустические и светотехнические условия в помещениях соответственно их функциональному назначению.

Предмет изучения «Строительной физики» – вопросы теплопередачи, воздухопроницаемости и влажностного состояния конструкций, вопросы звукоизоляции, акустики и светотехники, рассматриваемые соответственно в разделах строительная теплотехника, строительная и архитектурная акустика, строительная светотехника.

При выполнении данных лабораторных работах студент приобретает навыки расчета ограждающих конструкций в области теплотехники и звукоизоляции, а также научится определять необходимые параметры осветительных установок для различных типов помещений.

Лабораторная работа № 1

 

1 Определение требуемого сопротивления теплопередачи
ограждающих конструкций

 

1.1 Цель работы: необходимо запроектировать рациональную конструкцию стены, чердачного перекрытия и окон с соблюдением требуемых СНиП 23-02 показателей «а» и «б» теплозащиты зданий и сооружений.

 

Содержание работы

 

Проектирование теплозащиты здания по показателям «а» и «б» выполняется в следующей последовательности:

а) выбирают требуемые наружные климатические параметры;

б) выбирают параметры воздуха из условий комфортности внутри здания в зависимости от назначения здания;

в) определяют согласно п. 5.3 (или п. 5.4 – в зависимости от типа здания)
СНиП 23-02 требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен, покрытий (чердачных перекрытий), цокольных перекрытий, окон и фонарей в зависимости от градусо-суток отопительного периода климатического района строительства;

г) разрабатывают или выбирают конструктивные решения наружных ограждений; при этом для неоднородных ограждений определяют их приведенное сопротивление теплопередаче (или используют сертифицированные значения приведенного сопротивления теплопередаче для светопрозрачных конструкций), добиваясь выполнения условия .

 

Климатические параметры

Расчетную температуру наружного воздуха , °С, следует принимать по средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 согласно СНиП 23-01 для соответствующего городского или сельского населенного пункта. При отсутствии данных для конкретного пункта расчетную температуру следует принимать для ближайшего населенного пункта, который указан в СНиП 23-01.

Продолжительность отопительного периода , сут, и среднюю температуру наружного воздуха , °C, в течение отопительного периода следует принимать согласно СНиП 23-01 (таблица 1, графы 13 и 14 – для медицинских и детских учреждений, графы 11 и 12 – в остальных случаях) для соответствующего города или населенного пункта. При отсутствии данных для конкретного пункта расчетные параметры отопительного периода следует принимать для ближайшего населенного пункта, который указан в СНиП 23-01. Величину градусо-суток в течение отопительного периода следует вычислять по формуле

, (1.1)

где – расчетная температура воздуха внутри здания, °С.

Внутренние условия

Параметры воздуха внутри жилых и общественных зданий из условия комфортности следует определять для холодного периода года согласно таблице 1.1. Расчетная относительная влажность воздуха внутри жилых и общественных зданий должна быть не выше значений, приведенных в таблице 1.1.

Обеспеченность условий эксплуатации ограждающих конструкций следует устанавливать в зависимости от влажностного режима помещений и зон влажности следующим образом:

– определяют зону влажности (влажная, нормальная, сухая) согласно приложению В СНиП 23-02; при этом в случае попадания населенного пункта на границу зон влажности следует выбирать более влажную зону;

– определяют влажностный режим помещений (сухой, нормальный, влажный или мокрый) в зависимости от расчетной относительной влажности и температуры внутреннего воздуха в соответствии с п. 4.3 СНиП 23-02;

– устанавливают условия эксплуатации ограждающих конструкций (А, Б) в зависимости от влажностного режима помещений и зон влажности в соответствии с п. 4.4 СНиП 23-02.

 

Таблица 1.1 – Оптимальная температура и допустимая относительная влажность воздуха внутри здания для холодного времени года

N п.п.	Тип здания	Температура воздуха внутри здания , °С	Относительная влажность внутри здания ,%, не более
	Жилые	20-22
	Поликлиники и лечебные учреждения	21-22
	Дошкольные учреждения	22-23
Примечания 1 Для зданий, не указанных в таблице, температуру воздуха , относительную влажность воздуха внутри зданий и соответствующую им температуру точки росы следует принимать согласно ГОСТ 30494 и нормам проектирования соответствующих зданий. 2 Параметры микроклимата специальных общеобразовательных школ-интернатов, детских дошкольных и оздоровительных учреждений следует принимать в соответствии с действующими санитарными правилами и нормами Министерства здравоохранения.

 

Температура внутренних поверхностей наружных ограждений здания, где имеются теплопроводные включения (диафрагмы, сквозные включения цементно-песчаного раствора или бетона, межпанельные стыки, жесткие соединения и гибкие связи в многослойных панелях, оконные обрамления и т.д.), в углах и в оконных откосах, не должна быть ниже, чем температура точки росы воздуха внутри здания (таблица 1.2) при расчетной относительной влажности и расчетной температуре внутреннего воздуха (таблица 1.1).

 

Таблица 1.2 – Температура точки росы воздуха внутри здания для холодного периода года

Тип здания	Температура точки росы , °С
1. Жилые, школьные и другие общественные здания (кроме приведенных в 2 и 3)	10,7 (11,6 в районах с расчетной температурой наиболее холодной пятидневки минус 31 °С и ниже)
2. Поликлиники и лечебные учреждения	11,6
3. Детские дошкольные учреждения	12,6

 

Расчетные характеристики строительных материалов и конструкций

При проектировании теплозащиты используют следующие расчетные показатели строительных материалов и конструкций (для условий эксплуатации А или Б):

– коэффициент теплопроводности , Вт/ (м×°С);

– термическое сопротивление воздушных прослоек , м²×°С/Вт;

– сертифицированные значения приведенного сопротивления теплопередаче окон, балконных дверей, фонарей , м²×°С/Вт.

 

Расчет приведенного сопротивления теплопередаче

Наружные ограждающие конструкции зданий должны удовлетворять:

– требуемому сопротивлению теплопередаче для однородных конструкций наружного ограждения – по , для неоднородных конструкций – по приведенному сопротивлению теплопередаче , при этом должно соблюдаться условие

(или ) ;

– минимальной температуре, равной температуре точки росы , согласно таблице 1.2 при расчетных условиях внутри помещения на всех участках внутренней поверхности ограждений с температурами ; при этом должно соблюдаться условие .

Приведенное сопротивление теплопередаче для наружных стен следует рассчитывать для фасада здания либо для одного промежуточного этажа с учетом откосов проемов без учета их заполнений с проверкой условия на невыпадение конденсата на участках в зонах теплопроводных включений.

Термическое сопротивление , м²×°С/Вт, однородного слоя многослойной ограждающей конструкции, а также однослойной ограждающей конструкции следует определять по формуле

, (1.2)

где – толщина слоя, м;

– расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м×°С).

Термическое сопротивление ограждающей конструкции , м²×°С/Вт, с последовательно расположенными однородными слоями следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоев

, (1.3)

где – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м²×°С/Вт, определяемые по формуле (4);

– термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, определяется по таблице 1.3.

Примечание. Слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом, и наружной поверхностью ограждающей конструкции, не учитываются.

 

Таблица 1.3 – Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Толщина воздушной прослойки, м	Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки , м^2×°С/Вт
горизонтальной при потоке тепла снизу вверх и вертикальной	горизонтальной при потоке тепла сверху вниз
при температуре воздуха в прослойке
положительной	отрицательной	положительной	отрицательной
0,01	0,13	0,15	0,14	0,15
0,02	0,14	0,15	0,15	0,19
0,03	0,14	0,16	0,16	0,21
0,05	0,14	0,17	0,17	0,22
0,1	0,15	0,18	0,18	0,23
0,15	0,15	0,18	0,19	0,24
0,2-0,3	0,15	0,19	0,19	0,24
Примечание. При оклейке одной или обеих поверхностей воздушной прослойки алюминиевой фольгой термическое сопротивление следует увеличивать в 2 раза.

 

Сопротивление теплопередаче , м²×°С/Вт, однородной однослойной или многослойной ограждающей конструкции с однородными слоями следует определять по формуле

, (1.4)

где , (1.5)

– коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²×°С), определяется по таблице 7 СНиП 23-02;

, (1.6)

– коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода года, Вт/(м²×°С), определяется по таблице 1.4.

 

Таблица 1.4 – Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода года

Наружная поверхность ограждающих конструкций	Коэффициент теплоотдачи для зимних условий, , Вт/(м^2 °С)
1. Наружных стен, покрытий, перекрытий над проездами и над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне
2. Перекрытий над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом, перекрытий над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне
3. Перекрытий чердачных и над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах, а также наружных стен с воздушной прослойкой, вентилируемой наружным воздухом
4. Перекрытий над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенных выше уровня земли, и над неотапливаемыми техническими, подпольями, расположенными ниже уровня земли

 

При наличии в ограждающей конструкции прослойки, вентилируемой наружным воздухом, , равно 10,8 Вт/(м²×°С).

Проверяют условие по формуле

, (1.7)

где – нормативный температурный перепад, принимаемый согласно таблице 5 СНиП 23-02.

Если условие не выполняется, то следует увеличить сопротивление теплопередаче до значения, обеспечивающего это условие.

Температуру внутренней поверхности , °С, однородной однослойной или многослойной ограждающей конструкции с однородными слоями следует определять по формуле

, (1.8)

где n – коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху и приведенный в таблице 6 СНиП 23-02.

 

Порядок выполнения работы

Каждый студент получает индивидуальное задание, в котором указываются населенный пункт, назначение и конструктивное решение здания. В соответствии с исходными данными необходимо подобрать толщину утеплителя и выполнить проверку обеспечения показателей «а» и «б» теплозащиты зданий и сооружений.

 

Пример расчета. Исходные данные: район строительства – г. Орел; здание – жилое, панельное. Техэтаж и подполье неотапливаемые, кровля из штучных материалов, подвал со световыми проемами в стенах. Утеплитель стен – пенополистирол, утеплитель чердачного перекрытия – минераловатные плиты.

 

По СНиП 23-01 определяем следующие характеристики:

Расчетная температура наружного воздуха (температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92) = – 26 ºС.

Продолжительность отопительного периода (продолжительность периода со средней температурой 8 ºС) = 205 сут.

Средняя температура отопительного периода (средняя температура воздуха периода со средней температурой 8 ºС) = – 2,7 ºС.

По СНиП 23-02 определяем: зона влажности – нормальная, условия эксплуатации – Б.

 

Последовательность теплотехнического расчета стены:

 

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче:

,

.

Конструируем наружную стену (рисунок 1.1) и определяем ее параметры (таблица 1.5).

 

Таблица 1.5 – Характеристика наружной стены

Материал слоя	, кг/м^3	, Вт/(м×°С)	, м	, м^2×°С/Вт
1 Наружный железобетонный слой		2,04	0,065	0,032
2 Теплоизоляционный слой – пенополистирол (ГОСТ 15588)		0,05	0,19	3,800
3 Внутренний железобетонный слой		2,04	0,1	0,049
	3,881

 

Рисунок 1.1 – Конструкция наружной стены

В таблице 1.5 толщину утеплителя определяем по формуле:

где – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций;

— коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции;

– коэффициент теплотехнической однородности железобетонной трехслойной панели.

В соответствии с ГОСТ 15588 принимаю толщину утеплителя 190 мм.

Определяем условное сопротивление теплопередаче наружной стены :

,

где – термическое сопротивление ограждающей конструкции.

Определяем приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены с учетом наличия стыков из железобетона :

.

Температурный перепад :

.

Поскольку условия соблюдается, принятая конструкция стены является удовлетворительной.

 

Последовательность теплотехнического расчета чердачного перекрытия:

 

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче:

.

Конструируем чердачное перекрытие (рисунок 1.2) и определяем его параметры (таблица 1.6).

 

Таблица 1.6 – Характеристика чердачного перекрытия

Материал слоя	, кг/м^3	, Вт/(м×°С)	, м	, м^2×°С/Вт
1 Железобетонный слой		2,04	0,2	0,098
2 Цементно-песчаный раствор		0,93	0,015	0,016
3 Теплоизоляционный слой – жесткие минераловатные плиты (ГОСТ 9573)		0,08	0,3	3,75
4 Пароизоляция из поливинилхлоридной пленки	–	–	–	–
5 Цементно-песчаный раствор		0,93	0,05	0,054
	3,918

 

Рисунок 1.2 – Конструкция чердачного перекрытия

 

В таблице 1.6 толщину утеплителя определяем по формуле:

где ;

.

В соответствии с ГОСТ 9573 принимаю толщину утеплителя 300 мм.

Определяем сопротивление теплопередаче перекрытия :

,

.

Температурный перепад :

.

Поскольку условия соблюдается, принятая конструкция перекрытия является удовлетворительной.

 

Лабораторная работа № 2

 

Содержание работы

 

Расчет нормируемого сопротивления паропроницанию ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) производят по СНиП 23-02 с учетом следующих требований.

Парциальное давление насыщенного водяного пара , Па, принимают:

для помещений без агрессивной среды - по таблицам Б.1 и Б.2, приложения Б;

по температуре в плоскости возможной конденсации , определяемой при средней температуре наружного воздуха соответственно холодного, переходного, теплого периодов и периода месяцев с отрицательными средними месячными температурами - по формуле

, (2.1)

где - средняя температура наружного воздуха -го периода, °С, определяемая по формуле

, (2.2)

где - средняя месячная температура воздуха -го месяца, °С;

- число месяцев -го периода;

- термическое сопротивление слоя ограждающей конструкции от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации, м²·°C/Вт,

- сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м²·°С/Вт.

Индексы =1, 2, 3, 0 относятся соответственно к холодному, переходному, теплому периодам и периоду месяцев с отрицательными средними месячными температурами.

Сопротивление паропроницанию , м²·ч·Па/мг, однослойной или отдельного слоя многослойной ограждающей конструкции следует определять по формуле

, (2.3)

где - толщина слоя ограждающей конструкции, м;

- расчетный коэффициент паропроницаемости материала слоя ограждающей конструкции, мг/(м·ч·Па), принимаемый по приложению А.

Сопротивление паропроницанию многослойной ограждающей конструкции (или ее части) равно сумме сопротивлений паропроницанию составляющих ее слоев.

Сопротивление паропроницанию листовых материалов и тонких слоев пароизоляции следует принимать по приложению В.

Примечания

1 Сопротивление паропроницанию воздушных прослоек в ограждающих конструкциях следует принимать равным нулю независимо от расположения и толщины этих прослоек.

2 Для обеспечения нормируемого сопротивления паропроницанию ограждающей конструкции следует определять сопротивление паропроницанию конструкции в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации.

3 В помещениях с влажным или мокрым режимом следует предусматривать пароизоляцию теплоизолирующих уплотнителей сопряжений элементов ограждающих конструкций (мест примыкания заполнений проемов к стенам и т.п.) со стороны помещений; сопротивление паропроницанию в местах таких сопряжений проверяется из условия ограничения накопления влаги в сопряжениях за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха на основании расчета температурного и влажностного полей.

Значения температуры в плоскости возможной конденсации следует определять по формуле

, (2.4)

где , - расчетные температуры соответственно внутреннего и наружного воздуха (среднесезонная или средняя за период влагонакопления), °С;

- сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м²·°С/Вт;

, (2.5)

где - сумма термических сопротивлений слоев конструкции, расположенных между внутренней поверхностью и плоскостью возможной конденсации, м²·°С/Вт.

Независимо от результатов расчета нормируемые сопротивления паропроницанию и (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) во всех случаях должны приниматься не более 5 м²·ч·Па/мг.

 

Порядок выполнения работы

Каждый студент проверяет по требованиям паропроницания конструкцию наружной стены, разработанную в лабораторной работе № 1.

 

Пример расчета. Определить возможность конденсатообразования и накопления влаги внутри многослойной стены производственного здания. Место строительства – г. Тверь. Расчетная температура и влажность внутреннего воздуха .

Конструкцию и теплотехнические характеристики материалов панели см. рисунок 2.1.

 

1 - цементно-песчаная стяжка ;
2 - минераловатная плита на битумной связке , , ;
3 - кирпичная кладка .

Рисунок 2.1 – Конструкция многослойной стены с минераловатной теплоизоляцией

 

Коэффициент однородности r = 0,95. Сопротивление теплопередачи стены .

Климатические параметры:

– продолжительность со среднесуточной температурой
(СНиП 23-01, таблица 1);

– значения среднемесячных температур и давления водяных паров наружного воздуха (таблица 2.1), определяем по СНиП 23-01, таблицы 3 и 5а.

 

Таблица 2.1

Месяц
	-10,5	-9,4	-4,6	+4,1	11,2	15,7	17,3	15,8	10,2	4,0	-1,3	-6,6
	2,8	2,9	3,8	6,1	9,0	12,4	14,7	13,9	10,3	7,1	5,0	3,7

– среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха, Па, за годовой период, (таблица 5а СНиП 23-01); .

 

Последовательность расчета стены по паропроницанию:

 

Определяем сопротивления паропроницанию слоев конструкции от наружной и внутренней поверхностей до плоскости возможной конденсации:

;

Сопротивление теплопередаче слоев стены от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации с учетом коэффициента однородности конструкции:

Определяем продолжительность сезонов и среднемесячные температуры по СНиП 23-01.

Зима (январь, февраль, декабрь):

.

Весна — осень (март, апрель, октябрь, ноябрь):

.

Лето (май, июнь, июль, август, сентябрь):

Определяем для этих средних температур значение температуры в плоскости возможной конденсации:

Находим соответствующие температуре значения упругости водяного пара (приложение Б):

.

Находим среднее значение упругости водяного пара за год:

.

Определяем значения :

Определяем:

т.е. из условия недопустимости накопления влаги за годовой период дополнительной пароизоляции не требуется.

Проверяем условие ограничения влаги в стене за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха.

Для этого находим упругость водяного пара наружного воздуха за период :

.

Средняя температура наружного воздуха за тот же период:

.

Температура внутренней поверхности стены:

этой температуре соответствует .

.

.

.

т.е.: устройства пароизоляции между несущим и теплоизоляционным слоями не требуется.

 

Лабораторная работа № 3

 

3 Расчет искусственного освещения методом
коэффициента использования

 

3.1 Цель работы: рассчитать методом коэффициента использования количество светильников искусственного освещения для помещения соответственно его функциональному назначению.

 

Содержание работы

 

Коэффициент использования U_oy определяется как отношение светового потока, падающего на расчетную плоскость, к световому потоку источников света. Он зависит от светораспределения светильников и их размещения в помещении; от размеров освещаемого помещения и отражающих свойств его поверхностей; от отражающих свойств рабочей поверхности.

Требуемый световой поток в помещении находится по формуле:

, (3.1)

где E_н - нормируемое значение освещенности;

К_з – коэффициент запаса по СНиП 23-05;

S – освещаемая площадь;

z = E_ср / E_мин; E_ср, E_мин – среднее и минимальное значения освещенности;

U_oy - коэффициент использования светового потока;

Число светильников n в помещении определяют по формуле:

, (3.1а)

где Ф_л – световой поток лампы, лм;

η_л – световая отдача, лм/Вт (9÷19 лм/Вт – для ламп накаливания, 40÷104 лм/Вт – для люминесцентных ламп), см. также таблицу 3.1;

W_л – мощность лампы, Вт.