Топлотехнически изчисление на сграда: специфика и формули за извършване на изчисления + практически примери

При експлоатация на сградата нежелателни са както прегряването, така и замръзването. Определянето на златната среда ще позволи топлотехническото изчисление, което е не по-малко важно от изчисляването на икономичността, здравината, огнеустойчивостта и дълготрайността.

Въз основа на топлотехническите норми, климатичните характеристики, паропропускливостта и влагопропускливостта се осъществява изборът на материали за изграждане на ограждащите конструкции. Как да се извърши това изчисление, ще разгледаме в статията.

Цел на топлотехническото изчисление

От топлотехническите особености на капиталните ограждения на сградата зависи много. Това са и влажността на конструктивните елементи, и температурните показатели, които влияят върху наличието или отсъствието на конденз по вътрешните преградни стени и подовите плочи.

Изчислението ще покаже дали ще се поддържат стабилни температурни и влажностни характеристики при плюсова и минусова температура. В списъка на тези характеристики влиза и такъв показател като количеството топлина, което се губи през ограждащите конструкции на сградата през студения период.

Не може да се започне проектирането, без да разполагаме с всички тези данни. Въз основа на тях се избират дебелината на стените и подовите плочи, последователността на слоевете.

По регламент ГОСТ 30494-96 температурните стойности вътре в помещенията. Средно тя е равна на 21⁰. При това относителната влажност трябва да пребивава в комфортни граници, а това е средно 37%. Най-голямата скорост на движение на въздушната маса е 0,15 м/с

Топлотехническото изчисление си поставя цели да определи:

1. Идентични ли са конструкциите с заявените изисквания от гледна точка на топлинната защита?
2. Доколко напълно се осигурява комфортен микроклимат вътре в сградата?
3. Осигурява ли се оптимална топлинна защита на конструкциите?

Основният принцип е спазване на баланса на разликата в температурните показатели на атмосферата на вътрешните конструкции на огражденията и помещенията. Ако не се спазва, топлината ще се поглъща от тези повърхности, а вътре температурата ще остане много ниска.

Върху вътрешната температура не трябва да влияят съществено промените в топлинния поток. Тази характеристика се нарича топлоустойчивост.

Чрез извършване на топлинно изчисление се определят оптималните граници (минимална и максимална) на размерите на стените и подовите плочи по дебелина. Това гарантира експлоатацията на сградата за продължителен период както без екстремно замръзване на конструкциите, така и без прегряване.

Параметри за извършване на изчисленията

За да се извърши топлинното изчисление, са необходими изходни параметри.

Те зависят от редица характеристики:

1. Предназначението на постройката и нейния тип.
2. Ориентацията на вертикалните ограждащи конструкции спрямо посоките на света.
3. Географските параметри на бъдещия дом.
4. Обемът на сградата, нейната етажност, площ.
5. Типовете и размерните данни на вратите и прозоречните отвори.
6. Видът на отоплението и неговите технически параметри.
7. Броят на постоянните обитатели.
8. Материалът на вертикалните и хоризонталните ограждащи конструкции.
9. Подовата плоча на горния етаж.
10. Оборудването с топла вода.
11. Видът на вентилацията.

При изчислението се вземат предвид и други конструктивни особености на строежа. Въздухопропускливостта на ограждащите конструкции не трябва да допринася за прекомерно охлаждане вътре в дома и да намалява топлозащитните характеристики на елементите.

Загубите на топлина се причиняват и от преовлажняване на стените, а освен това това води до влага, която влияе отрицателно на дълготрайността на сградата.

В процеса на изчисление, на първо място, се определят топлотехническите данни на строителните материали, от които се изработват ограждащите елементи на строежа. Освен това подлежи на определяне приведеното съпротивление на топлопреминаване и съответствието му с нормативната стойност.

Формули за извършване на изчислението

Загубите на топлина, които домът губи, могат да бъдат разделени на две основни части: загуби през ограждащите конструкции и загуби, причинени от функционирането на вентилационната система. Освен това топлина се губи при изхвърляне на топла вода в канализационната система.

Загуби през ограждащите конструкции

За материалите, от които са изградени ограждащите конструкции, трябва да се намери стойността на показателя за топлопроводимост Кт (W/m х градус). Те са налични в съответните справочници.

Сега, като се знае дебелината на слоевете, по формулата: R = S/Кт, се изчислява термичното съпротивление на всяка единица. Ако конструкцията е многослойна, всички получени стойности се събират.

Размерите на топлинните загуби най-лесно се определят чрез събиране на топлинните потоци през ограждащите конструкции, които всъщност образуват тази сграда.

Ръководейки се от тази методика, се взема предвид фактът, че материалите, изграждащи конструкциите, имат различна структура. Също така се отчита, че топлинният поток, преминаващ през тях, има различна специфика.

За всяка отделна конструкция топлинните загуби се определят по формулата:

Q = (A / R) х dT

Тук:

• А — площ в m².
• R — съпротивление на конструкцията на топлопреминаване.
• dT — разлика в температурите отвън и отвътре. Тя трябва да се определи за най-студения 5-дневен период.

Извършвайки изчислението по този начин, може да се получи резултат само за най-студения петдневен период. Общите топлинни загуби за целия студен сезон се определят, като се вземе предвид параметърът dT, като се отчита не най-ниската, а средната температура.

Доколко се усвоява топлината, както и топлоотдаването, зависи от влажността на климата в региона. Поради тази причина при изчисленията се прилагат карти на влажността.

След това се изчислява количеството енергия, необходимо за компенсиране на топлинните загуби, които са станали както през ограждащите конструкции, така и през вентилацията. То се обозначава със символа W.

За това има формула:

W = ((Q + Qв) × 24 × N)/1000

В нея N е продължителността на отоплителния период в дни.

Недостатъци на изчислението по площ

Изчислението, основано на площния показател, не се отличава с голяма точност. Тук не е взет предвид такъв параметър като климат, температурни показатели както минимални, така и максимални, влажност. Поради пренебрегването на много важни моменти изчислението има значителни грешки.

Често, опитвайки се да ги покрият, в проекта се предвижда „резерв“.

Ако все пак за изчислението е избран този начин, трябва да се вземат предвид следните нюанси:

1. При височина на вертикалните ограждения до три метра и наличие на не повече от два отвора на една повърхност, резултатът е по-добре да се умножи по 100 W.
2. Ако в проекта е предвиден балкон, два прозореца или лоджия, се умножава средно по 125 W.
3. Когато помещенията са промишлени или складови, се прилага множител 150 W.
4. В случай на разположение на радиаторите близо до прозорците, тяхната проектна мощност се увеличава с 25%.

Формулата по площ има следния вид:

Q = S × 100 (150) W.

Тук Q е комфортното ниво на топлина в сградата, S е отоплителната площ в м². Числата 100 или 150 са специфичната стойност на топлинната енергия, изразходвана за отопление на 1 м².

Загуби чрез вентилация на къщата

Ключовият параметър в този случай е кратността на въздухообмена. При условие, че стените на дома са паропропускливи, тази стойност е равна на единица.

Проникването на студен въздух в дома се осъществява чрез приточна вентилация. Смукателната вентилация способства за отвеждането на топлия въздух. Намалява загубите през вентилацията рекуператорът-топлообменник. Той не допуска отвеждането на топлината заедно с изходящия въздух, а входящите потоци ги загрява.

Предвижда се пълно обновяване на въздуха вътре в сградата за един час. Сградите, построени по стандарт DIN, имат стени с пароизолация, поради което тук кратността на въздухообмена се приема равна на две.

Има формула, по която се определят топлинните загуби чрез вентилационната система:

Qв = (V × Kв : 3600) × P × C × dT

Тук символите означават следното:

1. Qв — топлинни загуби.
2. V — обем на помещението в мᶾ.
3. P — плътност на въздуха. Стойността ѝ се приема равна на 1,2047 kg/mᶾ.
4. Kв — кратност на въздухообмена.
5. C — специфичен топлинен капацитет. Той е равен на 1005 J/(kg·°C).

Въз основа на това изчисление може да се определи мощността на топлогенератора на отоплителната система. В случай на твърде висока стойност на мощността, изход от ситуацията може да бъде вентилационно устройство с рекуператор. Нека разгледаме няколко примера за къщи от различни материали.

Пример за топлотехническо изчисление №1

Ще изчислим жилищна къща, намираща се в 1 климатичен район (Русия), подрайон 1В. Всички данни са взети от таблица 1 на СНиП 23-01-99. Най-студената температура, наблюдавана в продължение на пет дни с осигуреност 0,92 — tн = -22⁰С.

В съответствие с СНиП отоплителният период (zоп) продължава 148 денонощия. Средната температура през отоплителния период при среднодневни температурни показатели на въздуха навън 8⁰ — тот = -2,3⁰. Температурата навън през отоплителния сезон — tht = -4,4⁰.

Топлинните загуби на къщата са изключително важен момент на етапа на нейното проектиране. От резултатите от изчислението зависи както изборът на строителни материали, така и изолацията. Нулеви загуби няма, но трябва да се стремим те да бъдат максимално целесъобразни.

Предвидено е условие, че в стаите на къщата трябва да бъде осигурена температура 22⁰. Къщата има два етажа и стени с дебелина 0,5 м. Височината ѝ е 7 м, размерите в план — 10 х 10 м. Материалът на вертикалните ограждащи конструкции е топла керамика. За нея коефициентът на топлопроводност е 0,16 W/m x C.

Като външна изолация с дебелина 5 cm е използвана минерална вата. Стойността на Кт за нея е 0,04 W/m x C. Броят на прозоречните отвори в къщата е 15 бр. по 2,5 m² всеки.

Топлинни загуби през стените

Първо трябва да се определи топлинното съпротивление както на керамичната стена, така и на изолацията. В първия случай R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 кв. м x С/Вт. Във втория — R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 кв. м x С/Вт. Като цяло за вертикалната ограждаща конструкция: R = R1 + R2 = 3.125 + 1.25 = 4.375 кв. м x С/Вт.

Тъй като топлинните загуби са право пропорционални на площта на ограждащите конструкции, изчисляваме площта на стените:

А = 10 х 4 х 7 – 15 х 2,5 = 242,5 м²

Сега може да се определят топлинните загуби през стените:

Qс = (242,5 : 4.375) х (22 – (-22)) = 2438,9 Вт.

Топлинните загуби през хоризонталните ограждащи конструкции се изчисляват аналогично. Накрая всички резултати се сумират.

Ако има сутерен, топлинните загуби през фундамента и пода ще бъдат по-малки, тъй като в изчислението участва температурата на почвата, а не на външния въздух.

Ако сутеренът под пода на първия етаж се отоплява, подът може да не се изолира. Стените на сутерена все пак е по-добре да се облекат с изолация, за да не излиза топлината в почвата.

Определяне на загубите чрез вентилация

За да се опрости изчислението, не се взема предвид дебелината на стените, а просто се определя обемът на въздуха вътре:

V = 10х10х7 = 700 мᶾ.

При кратност на въздухообмена Kв = 2, топлинните загуби ще бъдат:

Qв = (700 х 2) : 3600) х 1,2047 х 1005 х (22 – (-22)) = 20 776 Вт.

Ако Кв = 1:

Qв = (700 х 1) : 3600) х 1,2047 х 1005 х (22 – (-22)) = 10 358 Вт.

Ефективната вентилация на жилищни сгради се осигурява от роторни и пластинчати рекуператори. КПД на първите е по-висок, той достига до 90%.

Пример за топлотехническо изчисление №2

Необходимо е да се направи изчисление на загубите през стена от тухла с дебелина 51 см. Тя е изолирана с 10-сантиметров слой от минерална вата. Отвън – 18⁰, отвътре – 22⁰. Размерите на стената са 2,7 м височина и 4 м дължина. Единствената външна стена на помещението е ориентирана на юг, няма външни врати.

За тухлата коефициентът на топлопроводност Кт = 0,58 Вт/мºС, за минералната вата – 0,04 Вт/мºС. Термично съпротивление:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 кв. м х С/Вт. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 кв. м х С/Вт. Като цяло за вертикалната ограждаща конструкция: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 кв. м х С/Вт.

Площта на външната стена А = 2,7 х 4 = 10,8 м²

Загуби на топлина през стената:

Qс = (10,8 : 3,379) х (22 – (-18)) = 127,9 Вт.

За изчисляване на загубите през прозорците се прилага същата формула, но термичното им съпротивление обикновено е посочено в паспорта и не е необходимо да се изчислява.

При топлоизолацията на дома прозорците са „слабото звено“. През тях излиза доста голяма част от топлината. Намаляват загубите многослойните стъклопакети, топлоотразяващите фолиа, двойните рами, но дори и това няма да помогне да се избегнат топлинните загуби напълно.

Ако в дома има прозорци с размери 1,5 х 1,5 м², енергоспестяващи, ориентирани на север, а термичното съпротивление е равно на 0,87 м²°С/Вт, то загубите ще бъдат:

Qо = (2,25 : 0,87) х (22 – (-18)) = 103,4 т.

Пример за топлотехническо изчисление №3

Ще извършим топлинен разчет на дървена сграда от трупи с фасад, издигнат от борови трупи с дебелина на слоя 0,22 м. Коефициентът за този материал е К=0,15. В тази ситуация топлинните загуби ще бъдат:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 м² х ⁰С/Вт.

Най-ниската температура на петдневката е -18⁰, за комфорт в дома е зададена температура 21⁰. Разликата ще бъде 39⁰. Ако се изхожда от площ от 120 м², ще се получи резултат:

Qс = 120 х 39 : 1,47 = 3184 Вт.

За сравнение ще определим загубите на тухлена къща. Коефициентът за силикатна тухла е 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 м² х ⁰С/Вт.
Qс = 120 х 39 : 0,306 = 15 294 Вт.

При еднакви условия дървената къща е по-икономична. Силикатната тухла за изграждане на стени тук изобщо не е подходяща.

Дървената постройка има висока топлоемкост. Нейните ограждащи конструкции дълго запазват комфортна температура. Все пак, дори къща от трупи трябва да се изолира и е по-добре да се направи това и отвътре, и отвън.

Строителите и архитектите препоръчват задължително да се прави топлинен разчет при инсталиране на отопление за правилен подбор на оборудване и на етапа на проектиране на дома за избор на подходяща изолационна система.

Пример за топлоизчисление №4

Къщата ще бъде построена в Московска област. За изчислението е взета стена, създадена от пеноблокове. Като изолация е използван екструдиран пенополистирол. Облицовката на конструкцията е мазилка от двете страни. Нейната структура е варово-пясъчна.

Пенополистиролът има плътност 24 кг/мᶾ.

Относителните показатели на влажността на въздуха в стаята са 55% при средна температура 20°. Дебелина на слоевете:

• мазилка — 0,01 м;
• пенобетон — 0,2 м;
• пенополистирол — 0,065 м.

Задачата е да се намери необходимото съпротивление на топлопреминаване и фактическото. Необходимото Rтр се определя, като се заменят стойностите в израза:

Rтр=a х ГСОП+b

където ГСОП е градусодни на отоплителния сезон, а a и b са коефициенти, взети от таблица №3 на Сборник правила 50.13330.2012. Тъй като сградата е жилищна, a е равно на 0,00035, b = 1,4.

ГСОП се изчислява по формула, взета от същия СП:

ГОСП = (tв – тот) х zот.

В тази формула tв = 20°, тот = -2,2°, zот — 205 — отоплителен период в денонощия. Следователно:

ГСОП = (20 – (-2,2)) х 205 = 4551°С х ден;

Rтр = 0,00035 х 4551 + 1,4 = 2,99 м2 х °С/Вт.

Използвайки таблица №2 от СП50.13330.2012, се определят коефициентите на топлопроводимост за всеки пласт на стената:

• λб1 = 0,81 Вт/м ⁰С;
• λб2 = 0,26 Вт/м ⁰С;
• λб3 = 0,041 Вт/м ⁰С;
• λб4 = 0,81 Вт/м ⁰С;

Пълното условно съпротивление на топлопреминаване Rо е равно на сумата от съпротивленията на всички слоеве. Изчислява се по формулата:

Тази формула е взета от СП 50.13330.2012. Тук 1/ав е противодействието на топлинното възприемане на вътрешните повърхности. 1/ан — същото за външните, δ / λ е термичното съпротивление на слоя.

След заместване на стойностите се получава: Rо усл. = 2,54 м2°С/Вт. Rф се определя чрез умножаване на Rо по коефициента r, равен на 0.9:

Rф = 2,54 х 0,9 = 2,3 м2 х °С/Вт.

Резултатът задължава да се измени конструкцията на ограждащия елемент, тъй като фактическото топлинно съпротивление е по-малко от изчисленото.

Съществуват множество компютърни услуги, които ускоряват и опростяват изчисленията.

Топлотехническите изчисления са пряко свързани с определянето на точката на оросяване. Какво е това и как да намерите нейната стойност ще научите от препоръчаната от нас статия.

Изводи и полезно видео по темата

Извършване на топлотехническо изчисление с помощта на онлайн калкулатор:

Правилно топлотехническо изчисление:

Грамотно топлотехническо изчисление ще позволи да се оцени резултативността на изолацията на външните елементи на къщата, да се определи мощността на необходимото отоплително оборудване.

Като резултат, може да се спести при покупка на материали и нагревателни уреди. По-добре е предварително да се знае дали техниката ще се справи с отоплението и климатизацията на сградата, отколкото да се купува всичко на сляпо.

Оставете, моля, коментари, задавайте въпроси, публикувайте снимки по темата на статията в разположения по-долу блок. Разкажете за това как топлотехническото изчисление ви помогна да изберете отоплително оборудване с необходимата мощност или система за изолация. Не е изключено вашата информация да е полезна на посетителите на сайта.