Теплотехнический расчет неоднородных ограждающих конструкций

Теоретические предпосылки расчета

Цель и теоретические предпосылки расчета неоднородных ОК практически не отличаются от аналогичных, принимаемых при расчете однородных ОК. Исключение составляет предположение об одномерности температурного поля конструкции, которое в этом случае может изменяться не только по толщине, но и по площади конструкции.

Определение требуемого значения приведенного сопротивления теплопередаче выполняется также как и при расчете однородных ОК (см. раздел 1).

Определение приведенного сопротивления теплопередаче неоднородной ОК

Как и при расчете однородной ОК приведенное сопротивление теплопередаче определяется по формуле, аналогичной (4):

. (7)

Но приведенное термическое сопротивление неоднородной ОК в этой формуле определяется по достаточно сложной приближенной методике:

1) - Плоскостями, параллельными направлению теплового потока, ограждающая конструкция (или ее часть) условно разрезается на n теплотехнически однородных участков, каждый из которых может являться либо однослойным, либо многослойным (состоящим по своей толщине из нескольких материалов).

- Рассчитывается термическое сопротивление каждого участка R_i: по формуле (5) – для многослойных, по формуле (6) – для однослойных.

- Вычисляется термическое сопротивление ОК R_а по формуле

. (8)

Здесь F_i – площади отдельных участков конструкции (или ее части), м².

2) - Плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, ограждающая конструкция (или ее часть, принятая для расчета R_а) условно разрезается на m однослойных участков, каждый из которых теплотехнически может быть либо однородным (состоящим по своей длине из одного материала), либо неоднородным.

- Термические сопротивления однородных участков вычисляются по формуле (6).

- Термических сопротивлений неоднородных участков считаются по формуле (8), т.е. для этих участков повторяется процедура, описанная в п. 1.

- Рассчитывается термическое сопротивление ОК R_б, как сумма термических сопротивлений отдельных однослойных участков.

3) Приведенное термическое сопротивление ОК определяется по формуле

. (9)

Как уже сказано, данная методика является приближенной. Если ОК не является плоской или величина R_а превышает величину R_б более чем на 25 %, то эта методика даст неверный результат. В этом случае определение следует производить на основании расчета температурного поля конструкции [1].

Пример 2. Теплотехнический расчет неоднородной ОК

Задание: подобрать утеплитель для наружной стены жилого здания в г. Москве. Стена выполнена в виде облегченной (колодцевой) кладки толщиной в 2 кирпича с утепляющим слоем. Наружный и внутренний слои кладки имеют толщину ½ кирпича. Перевязка между наружным и внутренними слоями осуществляется через 3 кирпича (между гранями стенок колодцев). Кирпич силикатный на цементно-песчаном растворе. Ориентировочно принять в качестве утеплителя керамзитовый гравий плотностью 800 кг/м³. Отделочными слоями пренебречь.

 

1. Определяем требуемое приведенное сопротивление ОК теплопередаче, как это показано в примере расчета однородной ОК.

В дальнейший расчет вводим значение , полученное из условия энергосбережения, как максимальное.

2. Условия эксплуатации ОК (как и в том же примере) Б.

3. По приложению 2 принимаем расчетные коэффициенты теплопроводности использованных в конструкции материалов:

кирпич силикатный на цементно-песчаном растворе - l_кирп=0,87 Вт/м×°С;

керамзитовый гравий плотностью 800 кг/м³ - l_утепл=0,23 Вт/м×°С;

Так как методика расчета не позволяет непосредственно подобрать толщину или коэффициент теплопроводности утеплителя, действуем методом подбора, принимая вначале утеплитель, оговоренный в задании.

Для расчета принимаем часть конструкции, заключающую в себе стенку «колодца» и по половине «колодца» с каждой стороны. По высоте конструкция однородная, поэтому расчет проводим для участка высотой 1 м.

4. Плоскостями, параллельными направлению теплового потока, разрезаем конструкцию на 3 теплотехнически однородных участка, из которых 1 ^й и 3 ^й являются многослойными (и одинаковыми в данном случае), а 2 ^й – однослойным.

4.1. Определяем термические сопротивления участков:

для однослойного участка 2 по формуле (6):

;

для одинаковых трехслойных участков 1 и 3 по формуле (5)

.

4.2. Определяем термическое сопротивление ОК R_а по формуле (8). Так как расчет ведется для участка конструкции высотой 1 м, площади участков численно равны их длине.

.

5. Плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, разрезаем конструкцию на 3 однослойных участка (условно обозначим их как 4 ^й, 5 ^й и 6 ^й), из которых 4 ^й и 6 ^й являются теплотехнически однородными (и одинаковыми в данном случае), а 5 ^й – неоднородным.

5.1. Вычисляем термические сопротивления каждого участка:

для теплотехнически однородных участков по формуле (6):

;

для неоднородного участка следует воспользоваться процедурой, примененной в п. 4:

5.1.1. Рассматривая только этот участок, плоскостями, параллельными направлению теплового потока, разрезаем его на три однородных однослойных участка (5-1, 5-2 и 5-3, участки 5-1 и 5-3 одинаковы).

5.1.2. Определяем термическое сопротивление каждого участка по формуле (6):

 

 

; .

5.1.3. Определяем термическое сопротивление 5-го участка по формуле (8):

.

5.2. Определяем термическое сопротивление ОК R_б как сумму сопротивлений отдельных участков:

.

6. Оценим применимость данной методики в нашем случае. , что менее допустимых 25 %. Кроме того, конструкция стены плоская. Таким образом, расчетная методика применима в данном случае.

7. Вычисляем приведенное термическое сопротивление ОК по формуле (9):

.

8. Вычисляем общее сопротивление ОК теплопередаче по формуле (7):

.

9. Вывод: применение в данной конструкции в качестве утеплителя керамзитового гравия плотностью 800 кг/м³ не обеспечивает достаточное для жилого здания в г. Москве сопротивление теплопередаче:

.

Требуется применить более эффективные в теплотехническом отношении материалы, или увеличить толщину кладки, или увеличить расстояние между стенками «колодцев».

Примечание. При выполнении данной работы студенты должны подобрать конструкцию ограждения, удовлетворяющую теплотехническим требованиям. За более конкретными рекомендациями по изменению исходной конструкции следует обратиться к преподавателю.

Определение возможности образования конденсата на внутренней поверхности ОК