Подсчет теплопотерь. Расчёт теплопотерь ограждающими конструкциями

Выбор теплоизоляции, вариантов утепления стен, перекрытий и других огрождающих конструкций для большинства заказчиков-застройщиков задача сложная. Слишком много противоречивых проблем требуется решить одновременно. Данная страничка поможет Вам во всем этом разобраться.

В настоящее время теплосбережение энергоресурсов приобрело большое значение. Согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», сопротивление теплопередаче определяется по одному из двух альтернативных подходов:

• предписывающему (нормативные требования предьявляются к отдельным элементам теплозащиты здания: наружным стенам, полам над не отапливаемым пространствами, покрытиям и чердачным перекрытиям, окнам, входным дверям и т.п.)
• потребительскому (сопротивление теплопередачи ограждения может быть снижено по отношению к предписывающему уровню при условии, что проектный удельный расход тепловой энергии на отопление здания ниже нормативного).

Санитарно-гигиенические требования должны выполняться всегда.

К ним относятся

Требование, что бы перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности огрождающих конструкций не превышали допустимых значений. Максимальные допустимые значения перепада для наружной стены 4°С, для покрытия и чердачного перекрытия 3°С и для перекрытия над подвалами и подпольями 2°С.

Требование, что бы температура на внутренней поверхности ограждения была выше температуры точки росы.

Для Москвы и ее области требуемое теплотехническое сопротивление стены по потребительскому подходу составляет 1,97 °С·м. кв./Вт, а по предписывающему подходу:

• для дома постоянного проживания 3,13 °С·м. кв./ Вт,
• для административных и других общественных зданий в т.ч. зданий сезонного проживания 2,55 °С·м. кв./ Вт.

Таблица толщин и термических сопротивление материалов для условий Москвы и ее области.

Наименование материала стены	Толщина стены и соответствующее ей термическое сопротивление	Необходимая толщина по потребительскому подходу (R=1,97 °С·м. кв./ Вт) и по предписывающему подходу (R=3,13 °С·м. кв./ Вт)
Полнотелый сплошной глиняный кирпич (плотность 1600 кг/м. куб)	510 мм (кладка в два кирпича), R=0,73 °С·м. кв./Вт	1380 мм 2190 мм
Керамзитобетон (плотность 1200 кг/м. куб.)	300 мм, R=0,58 °С·м. кв./Вт	1025 мм 1630 мм
Деревянный брус	150 мм, R=0,83 °С·м. кв./Вт	355 мм 565 мм
Деревянный щит с заполнением минеральной ватой (толщины внутренней и наружной обшивки из досок по 25 мм)	150 мм, R=1,84 °С·м. кв./Вт	160 мм 235 мм

Таблица требуемых сопротивлений теплопередаче огрождающих конструкций в домах Московской области.

Наружная стена	Окно, балконная дверь	Покрытие и перекрытия	Перекрытие чердачное и перекрытия над неотапливаемыми подвалами	Входной двери
По предписывающему подходу
3,13	0,54	3,74	3,30	0,83
По потребительскому подходу
1,97	0,51	4,67	4,12	0,79

Из этих таблиц видно, что большинство загородного жилья в Подмосковье не удовлетворяют требованиям по теплосбережению, при этом даже потребительский подход несоблюдается во многих вновь строящихся зданиях.

Поэтому, подбирая котел или обогревательные приборы только по указанным в их документации способности обогреть определенную площадь, Вы утверждаете, что Ваш дом построен со строгим учетом требований СНиП 23-02-2003.

Из вышеизложенного материала следует вывод. Для правильного выбора мощности котла и обогревательных приборов, необходимо рассчитать реальные теплопотери помещений Вашего дома.

Ниже мы покажем несложную методику расчета теплопотерь Вашего дома.

Дом теряет тепло через стену, крышу, сильные выбросы тепла идут через окна, в землю тоже уходит тепло, существенные потери тепла могут приходиться на вентиляцию.

Тепловые потери в основном зависят от:

• разницы температур в доме и на улице (чем разница больше, тем потери выше),
• теплозащитных свойств стен, окон, перекрытий, покрытий (или, как говорят ограждающих конструкций).

Ограждающие конструкции сопротивляются утечкам тепла, поэтому их теплозащитные свойства оценивают величиной, называемой сопротивлением теплопередачи.

Сопротивление теплопередачи показывает, какое количество тепла уйдет через квадратный метр ограждающей конструкции при заданном перепаде температур. Можно сказать и наоборот, какой перепад температур возникнет при прохождении определенного количества тепла через квадратный метр ограждений.

где q - это количество тепла, которое теряет квадратный метр ограждающей поверхности. Его измеряют в ваттах на квадратный метр (Вт/м. кв.); ΔT - это разница между температурой на улице и в комнате (°С) и, R - это сопротивление теплопередачи (°С/ Вт/м. кв. или °С·м. кв./ Вт).

Когда речь идет о многослойной конструкции, то сопротивление слоев просто складываются. Например, сопротивление стены из дерева, обложенного кирпичом, является суммой трех сопротивлений: кирпичной и деревянной стенки и воздушной прослойки между ними:

R(сумм.)= R(дерев.) + R(воз.) + R(кирп.).

Распределение температуры и пограничные слои воздуха при передаче тепла через стену

Расчет на теплопотери проводят для самого неблагоприятного периода, которым является самая морозная и ветреная неделя в году.

В строительных справочниках, как правило, указывают тепловое сопротивление материалов исходя из этого условия и климатического района (или наружной температуры), где находится Ваш дом.

Таблица - Сопротивление теплопередачи различных материалов при ΔT = 50 °С (Т нар. = -30 °С, Т внутр. = 20 °С.)

Материал и толщина стены	Сопротивление теплопередаче R m ,
Кирпичная стена толщиной в 3 кирпича (79 см) толщиной в 2,5 кирпича (67 см) толщиной в 2 кирпича (54 см) толщиной в 1 кирпич (25 см)	0,592 0,502 0,405 0,187
Сруб из бревен Ø 25 Ø 20	0,550 0,440
Сруб из бруса толщиной 20 см толщиной 10 см	0,806 0,353
Каркасная стена (доска + минвата + доска) 20 см	0,703
Стена из пенобетона 20 см 30 см	0,476 0,709
Штукатурка по кирпичу, бетону, пенобетону (2-3 см)	0,035
Потолочное (чердачное) перекрытие	1,43
Деревянные полы	1,85
Двойные деревянные двери	0,21

Таблица - Тепловые потери окон различной конструкции при ΔT = 50 °С (Т нар. = -30 °С, Т внутр. = 20 °С.)

Тип окна R T q , Вт/м2 Q , Вт Обычное окно с двойными рамами 0,37 135 216 Стеклопакет (толщина стекла 4 мм) 4-16-4 4-Ar16-4 4-16-4К 4-Ar16-4К 0,32 0,34 0,53 0,59 156 147 94 85 250 235 151 136 Двухкамерный стеклопакет 4-6-4-6-4 4-Ar6-4-Ar6-4 4-6-4-6-4К 4-Ar6-4-Ar6-4К 4-8-4-8-4 4-Ar8-4-Ar8-4 4-8-4-8-4К 4-Ar8-4-Ar8-4К 4-10-4-10-4 4-Ar10-4-Ar10-4 4-10-4-10-4К 4-Ar10-4-Ar10-4К 4-12-4-12-4 4-Ar12-4-Ar12-4 4-12-4-12-4К 4-Ar12-4-Ar12-4К 4-16-4-16-4 4-Ar16-4-Ar16-4 4-16-4-16-4К 4-Ar16-4-Ar16-4К 0,42 0,44 0,53 0,60 0,45 0,47 0,55 0,67 0,47 0,49 0,58 0,65 0,49 0,52 0,61 0,68 0,52 0,55 0,65 0,72 119 114 94 83 111 106 91 81 106 102 86 77 102 96 82 73 96 91 77 69 190 182 151 133 178 170 146 131 170 163 138 123 163 154 131 117 154 146 123 111 Примечание . Четные цифры в условном обозначении стеклопакета означают воздушный зазор в мм; . Символ Ar означает, что зазор заполнен не воздухом, а аргоном; . Литера К означает, что наружное стекло имеет специальное прозрачное теплозащитное покрытие.

Как видно из предыдущей таблицы, современные стеклопакеты позволяют уменьшить теплопотери окна почти в два раза. Например, для десяти окон размером 1,0 м х 1,6 м экономия достигнет киловатта, что в месяц дает 720 киловатт-часов.

Для правильного выбора материалов и толщин ограждающих конструкций применим эти сведения к конкретному примеру.

В расчете тепловых потерь на один кв. метр участвуют две величины:

• перепад температур ΔT,
• сопротивления теплопередаче R.

Температуру в помещении определим в 20 °С, а наружную температуру примем равной -30 °С. Тогда перепад температур ΔT будет равным 50 °С. Стены выполнены из бруса толщиной 20 см, тогда R= 0,806 °С·м. кв./ Вт.

Тепловые потери составят 50 / 0,806 = 62 (Вт/м. кв.).

Для упрощения расчетов теплопотерь в строительных справочниках приводят теплопотери разного вида стен, перекрытий и т.д. для некоторых значений зимней температуры воздуха. В частности, даются разные цифры для угловых помещений (там влияет завихрение воздуха, отекающего дом) и неугловых, а также учитывается разная тепловая картина для помещений первого и верхнего этажа.

Таблица - Удельные теплопотери элементов ограждения здания (на 1 кв.м. по внутреннему контуру стен) в зависимости от средней температуры самой холодной недели в году.

Характеристика ограждения Наружная температура, °С Теплопотери, Вт Первый этаж Верхний этаж Угловая комната Неугл. комната Угловая комната Неугл. комната Стена в 2,5 кирпича (67 см) с внутр. штукатуркой -24 -26 -28 -30 76 83 87 89 75 81 83 85 70 75 78 80 66 71 75 76 Стена в 2 кирпича (54 см) с внутр. штукатуркой -24 -26 -28 -30 91 97 102 104 90 96 101 102 82 87 91 94 79 87 89 91 Рубленая стена (25 см) с внутр. обшивкой -24 -26 -28 -30 61 65 67 70 60 63 66 67 55 58 61 62 52 56 58 60 Рубленая стена (20 см) с внутр. обшивкой -24 -26 -28 -30 76 83 87 89 76 81 84 87 69 75 78 80 66 72 75 77 Стена из бруса (18 см) с внутр. обшивкой -24 -26 -28 -30 76 83 87 89 76 81 84 87 69 75 78 80 66 72 75 77 Стена из бруса (10 см) с внутр. обшивкой -24 -26 -28 -30 87 94 98 101 85 91 96 98 78 83 87 89 76 82 85 87 Каркасная стена (20 см) с керамзитовымзаполнением -24 -26 -28 -30 62 65 68 71 60 63 66 69 55 58 61 63 54 56 59 62 Стена из пенобетона (20 см) с внутр. штукатуркой -24 -26 -28 -30 92 97 101 105 89 94 98 102 87 87 90 94 80 84 88 91 Примечание Если за стеной находится наружное неотапливаемое помещение (сени, застекленная веранда и т. д.), то потери тепла через нее составляют 70% от расчетных, а если за этим неотапливаемым помещением не улица, а еще одно помещение наружу (например, сени, выходящие на веранду), то 40% от расчетного значения.

Таблица - Удельные теплопотери элементов ограждения здания (на 1 кв.м. по внутреннему контуру) в зависимости от средней температуры самой холодной недели в году.

Характеристика ограждения	Наружная температура, °С	Теплопотери, кВт
Окно с двойным остеклением	-24 -26 -28 -30	117 126 131 135
Сплошные деревянные двери (двойные)	-24 -26 -28 -30	204 219 228 234
Чердачное перекрытие	-24 -26 -28 -30	30 33 34 35
Деревянные полы над подвалом	-24 -26 -28 -30	22 25 26 26

Рассмотрим пример расчета тепловых потерь двух разных комнат одной площади с помощью таблиц.

Пример 1.

Угловая комната (первый этаж)

Характеристики комнаты:

• этаж первый,
• площадь комнаты - 16 кв.м. (5х3,2),
• высота потолка - 2,75 м,
• наружных стен - две,
• материал и толщина наружных стен - брус толщиной 18 см, обшит гипсокартонном и оклеен обоями,
• окна - два (высота 1,6 м, ширина 1,0 м) с двойным остеклением,
• полы - деревянные утепленные, снизу подвал,
• выше чердачное перекрытие,
• расчетная наружная температура -30 °С,
• требуемая температура в комнате +20 °С.

Площадь наружных стен за вычетом окон:

S стен (5+3,2)х2,7-2х1,0х1,6 = 18,94 кв. м.

Площадь окон:

S окон = 2х1,0х1,6 = 3,2 кв. м.

Площадь пола:

S пола = 5х3,2 = 16 кв. м.

Площадь потолка:

S потолка = 5х3,2 = 16 кв. м.

Площадь внутренних перегородок в расчете не участвует, так как через них тепло не уходит - ведь по обе стороны перегородки температура одинакова. Тоже относится и к внутренней двери.

Теперь вычислим теплопотери каждой из поверхностей:

Q суммарные = 3094 Вт.

Заметим, что через стены уходит тепла больше чем через окна, полы и потолок.

Результат расчета показывает теплопотери комнаты в самые морозные (Т нар.= -30 °С) дни года. Естественно, чем теплее на улице, тем меньше уйдет из комнаты тепла.

Пример 2

Комната под крышей (мансарда)

Характеристики комнаты:

• этаж верхний,
• площадь 16 кв.м. (3,8х4,2),
• высота потолка 2,4 м,
• наружные стены; два ската крыши (шифер, сплошная обрешетка, 10 см минваты, вагонка), фронтоны (брус толщиной 10 см, обшитый вагонкой) и боковые перегородки (каркасная стена с керамзитовым заполнением 10 см),
• окна - четыре (по два на каждом фронтоне), высотой 1,6 м и шириной 1,0 м с двойным остеклением,
• расчетная наружная температура -30°С,
• требуемая температура в комнате +20°С.

Рассчитаем площади теплоотдающих поверхностей.

Площадь торцевых наружных стен за вычетом окон:

S торц.стен = 2х(2,4х3,8-0,9х0,6-2х1,6х0,8) = 12 кв. м.

Площадь скатов крыши, ограничивающих комнату:

S скатов.стен = 2х1,0х4,2 = 8,4 кв. м.

Площадь боковых перегородок:

S бок.перегор = 2х1,5х4,2 = 12,6 кв. м.

Площадь окон:

S окон = 4х1,6х1,0 = 6,4 кв. м.

Площадь потолка:

S потолка = 2,6х4,2 = 10,92 кв. м.

Теперь рассчитаем тепловые потери этих поверхностей, при этом учтем, что через пол тепло не уходит (там теплое помещение). Теплопотери для стен и потолка мы считаем как для угловых помещений, а для потолка и боковых перегородок вводим 70-процентный коэффициент, так как за ними располагаются неотапливаемые помещения.

Суммарные теплопотери комнаты составят:

Q суммарные = 4504 Вт.

Как видим, теплая комната первого этажа теряет (или потребляет) значительно меньше тепла, чем мансардная комната с тонкими стенками и большой площадью остекления.

Чтобы такое помещение сделать пригодным для зимнего проживания, нужно в первую очередь утеплять стены, боковые перегородки и окна.

Любая ограждающая конструкция может быть представлена в виде многослойной стены, каждый слой которой имеет свое тепловое сопротивление и свое сопротивление прохождению воздуха. Сложив тепловое сопротивление всех слоев, получим тепловое сопротивление всей стены. Также суммируя сопротивление прохождению воздуха всех слоев, поймем, как дышит стена. Идеальная стена из бруса должна быть эквивалентна стене из бруса толщиной 15 - 20 см. Приведенная ниже таблица поможет в этом.

Таблица - Сопротивление теплопередаче и прохождению воздуха различных материалов ΔT=40 °С (Т нар. =-20 °С, Т внутр. =20 °С.)

Слой стены	Толщина слоя стены	Сопротивление теплопередаче слоя стены		Сопротивл. воздухопро- ницаемости эквивалентно брусовой стене толщиной (см)
		Ro,	Эквивалент кирпичной кладке толщиной (см)
Кирпичная кладка из обычного глиняного кирпича толщиной: 12 см 25 см 50 см 75 см	12 25 50 75	0,15 0,3 0,65 1,0	12 25 50 75	6 12 24 36
Кладка из керамзитобетонных блоков толщиной 39 см с плотностью: 1000 кг / куб м 1400 кг / куб м 1800 кг / куб м	39	1,0 0,65 0,45	75 50 34	17 23 26
Пено- газобетон толщиной 30 см плотностью: 300 кг / куб м 500 кг / куб м 800 кг / куб м	30	2,5 1,5 0,9	190 110 70	7 10 13
Брусовал стена толщиной (сосна) 10 см 15 см 20 см	10 15 20	0,6 0,9 1,2	45 68 90	10 15 20

Для объективной картины теплопотерь всего дома необходимо учесть

1. Потери тепла через контакт фундамента с мерзлым грунтом обычно принимают 15% от потерь тепла через стены первого этажа (с учетом сложности расчета).
2. Потери тепла, связанные с вентиляцией. Эти потери рассчитываются с учетом строительных норм (СНиП). Для жилого дома требуется около одного воздухообмена в час, то есть за это время необходимо подать тот же обьем свежего воздуха. Таким образом, потери связанные с вентиляцией, составляют немногим меньше сумме теплопотерь приходящиеся на ограждающие конструкции. Получается, что потери тепла через стены и остекление составляет только 40%, а потери тепла на вентиляцию 50%. В европейских нормах вентиляции и утепления стен, соотношение тепловых потерь составляют 30% и 60%.
3. Если стена «дышит», как стена из бруса или бревна толщиной 15 - 20 см, то происходит возврат тепла. Это позволяет снизить тепловые потери на 30%, поэтому полученную при расчете величину теплового сопротивления стены следует умножить на 1,3 (или соответственно уменьшить теплопотери).

Суммировав все теплопотери дома, Вы определите, какой мощности генератор тепла (котел) и отопительные приборы необходимы для комфортного обогрева дома в самые холодные и ветряные дни. Также, расчеты подобного рода покажут, где «слабое звено» и как его исключить с помощью дополнительной изоляции.

Рассчитать расход тепла можно и по укрупненным показателям. Так, в одно- и двухэтажных не сильно утепленных домах при наружной температуре -25 °С требуется 213 Вт на один квадратный метр общей площади, а при -30 °С - 230 Вт. Для хорошо утепленных домов - это: при -25 °С - 173 Вт на кв.м. общей площади, а при -30 °С - 177 Вт.

1. Стоимость теплоизоляции относительно стоимости всего дома существенно мала, однако при эксплуатации здания основные затраты приходятся именно на отопление. На теплоизоляции ни в коем случае нельзя экономить, особенно при комфортном проживании на больших площадях. Цены на энергоносители во всем мире постоянно повышаются.
2. Современные строительные материалы обладают более высоким термическим сопротивлением, чем материалы традиционные. Это позволяет делать стены тоньше, а значит, дешевле и легче. Все это хорошо, но у тонких стен меньше теплоемкость, то есть они хуже запасают тепло. Топить приходиться постоянно - стены быстро нагреваются и быстро остывают. В старых домах с толстыми стенами жарким летним днем прохладно, остывшие за ночь стены «накопили холод».
3. Утепление необходимо рассматривать совместно с воздухопроницаемостью стен. Если увеличение теплового сопротивления стен связано со значительным уменьшением воздухопроницаемости, то не следует его применять. Идеальная стена по воздухопроницаемости эквивалентна стене из бруса толщиной 15…20 см.
4. Очень часто, неправильное применение пароизоляции приводит к ухудшению санитарно-гигиенических свойств жилья. При правильно организованной вентиляции и «дышащих» стенах она излишня, а при плохо воздухопроницаемых стенах это ненужно. Основное ее назначение это предотвращение инфильтрации стен и защита утепления от ветра.
5. Утепление стен снаружи существенно эффективнее внутреннего утепления.
6. Не следует бесконечно утеплять стены. Эффективность такого подхода к энергосбережению - не высока.
7. Вентиляция - вот основные резервы энергосбережения.
8. Применив современные системы остекления (стеклопакеты, теплозащитное стекло и т.п.), низкотемпературные обогревающие системы, эффективную теплоизоляцию ограждающих конструкций, можно сократить затраты на отопление в 3 раза.

Варианты дополнительного утепления конструкций зданий на базе строительной теплоизоляции типа «ISOVER», при наличии в помещениях систем воздухообмена и вентиляции.

Как правильно расставить отопительные приборы и повысить их эффективность

Теплопотери дома

Теплопотери определены для отапливаемых помещений 101, 102, 103, 201, 202 согласно плана этажей.

Основные теплопотери , Q (Вт), вычисляются по формуле:

Q = K × F × (t int - t ext) × n,

где: К – коэффициент теплопередачи ограждающей конструкцией;

F – площадь ограждающих конструкций;

n – коэффициент, учитывающий положение ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, приняты согласно табл. 6 «Коэффициент, учитывающий зависимость положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху» СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». Для перекрытия над холодными подвалами и чердачными перекрытиями согласно п. 2 n = 0,9.

Общие теплопотери

Согласно п. 2а прил. 9 СНиП 2.04.05-91* добавочные теплопотери рассчитываются в зависимости от ориентации: стены, двери и окна, обращенные на север, восток, северо-восток и северо-запад в размере 0,1, на юго-восток и запад - в размере 0,05; в угловых помещениях дополнительно - по 0,05 на каждую стену, дверь и окно, обращённые на север, восток, северо-восток и северо-запад.

Согласно п. 2г прил. 9 СНиП 2.04.05-91* добавочные теплопотери для двойных дверей с тамбурами между ними принимаются равными 0,27 H, где H – высота здания.

Теплопотери на инфильтрацию для жилых помещений, согласно прил. 10 СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», приняты по формуле

Q i = 0,28 × L × p × c × (t int - t ext) × k,

где: L – расход удаляемого воздуха, не компенсируемый приточным воздухом: 1м 3 /ч на 1м 2 пло щади жилых помещений и кухни объемом более 60 м 3 ;

c – удельная теплоемкость воздуха, равная 1кДж / кг × °С;

p – плотность наружного воздуха при t ext равная 1,2 кг / м 3 ;

(t int - t ext) – разность внутренней и наружной температур;

k – коэффициент теплопередачи – 0,7.

Q 101 = 0,28 × 108,3 м 3 × 1,2кг / м 3 × 1кДж / кг × °С × 57 × 0,7 = 1452,5 Вт ,

Q 102 = 0,28 × 60,5м 3 × 1,2кг / м 3 × 1кДж / кг × °С × 57× 0,7 = 811,2 Вт ,

Бытовые поступления тепла рассчитываются из расчёта 10 Вт/м 2 поверхности пола жилых помещений.

Расчётные теплопотери помещения определены как Q расч = Q + Q i - Q быт

Ведомость расчёта теплопотерь помещений

№ помещения

Наименование помещения

Наименование ограждающей конструкции

Ориентация помещения

Размер ограждения, F , м 2

Площадь ограждения (F ), м 2

Коэффициент теплопередачи, кВт/м 2 ° C

t вн - t нар , ° C

Коэффициент, n

Основные теплопотери (Q осн. ),Вт

Добавочные теплопотери %

Коэффициент добавок

Общие теплопотери, (Q общ ), Вт

Расход тепла на инфильтрацию, (Q i ), Вт

Бытовые тепло- поступления, Вт

Расчетные теплопотери, (Q расч. ), Вт

На ориентацию

прочие

Жилая комната

Σ 1138,4

Жилая комната

Σ 474,3

Жилая комната

Σ 1161,4

Жилая комната

Σ 491,1

Лестничная клетка

Σ 2225,2

НС – наружная стена, ДО – двойное остекление, ПЛ – пол, ПТ – потолок, НДД – наружная двойная дверь с тамбуром

Ниже приведен довольно простой расчет теплопотерь зданий, который, тем не менее, поможет достаточно точно определить мощность, требуемую для отопления Вашего склада, торгового центра или другого аналогичного здания. Это даст возможность еще на стадии проектирования предварительно оценить стоимость отопительного оборудования и последующие затраты на отопление, и при необходимости скорректировать проект.

Куда уходит тепло? Тепло уходит через стены, пол, кровлю и окна. Кроме того тепло теряется при вентиляции помещений. Для вычисление теплопотерь через ограждающие конструкции используют формулу:

Q – теплопотери, Вт

S – площадь конструкции, м2

T – разница температур между внутренним и наружным воздухом, °C

R – значение теплового сопротивления конструкции, м2 °C/Вт

Схема расчета такая – рассчитываем теплопотери отдельных элементов, суммируем и добавляем потери тепла при вентиляции. Все.

Предположим мы хотим рассчитать потери тепла для объекта, изображенного на рисунке. Высота здания 5…6 м, ширина – 20 м, длинна – 40м, и тридцать окон размеров 1,5 х 1,4 метра. Температура в помещении 20 °С, внешняя температура -20 °С.

Считаем площади ограждающих конструкций:

пол: 20 м * 40 м = 800 м2

кровля: 20,2 м * 40 м = 808 м2

окна: 1,5 м * 1,4 м * 30 шт = 63 м2

стены: (20 м + 40 м + 20 м + 40м) * 5 м = 600 м2 + 20 м2 (учет скатной кровли) = 620 м2 – 63 м2 (окна) = 557 м2

Теперь посмотрим тепловое сопротивление используемых материалов.

Значение теплового сопротивления можно взять из таблицы тепловых сопротивлений или вычислить исходя из значения коэффициента теплопроводности по формуле:

R – тепловое сопротивление, (м2*К)/Вт

? – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м2*К)

d – толщина материала, м

Значение коэффициентов теплопроводности для разных материалов можно посмотреть .

пол: бетонная стяжка 10 см и минеральная вата плотностью 150 кг/м3. толщиной 10 см.

R (бетон) = 0.1 / 1,75 = 0,057 (м2*К)/Вт

R (минвата) = 0.1 / 0,037 = 2,7 (м2*К)/Вт

R (пола) = R (бетон) + R (минвата) = 0,057 + 2,7 = 2,76 (м2*К)/Вт

кровля:

R (кровля) = 0.15 / 0,037 = 4,05 (м2*К)/Вт

окна: значение теплового сопротивления окон зависит от вида используемого стеклопакета
R (окна) = 0,40 (м2*К)/Вт для однокамерного стекловакета 4–16–4 при?T = 40 °С

стены: панели из минеральной ваты толщиной 15 см
R (стены) = 0.15 / 0,037 = 4,05 (м2*К)/Вт

Посчитаем тепловые потери:

Q (пол) = 800 м2 * 20 °С / 2,76 (м2*К)/Вт = 5797 Вт = 5,8 кВт

Q (кровля) = 808 м2 * 40 °С / 4,05 (м2*К)/Вт = 7980 Вт = 8,0 кВт

Q (окна) = 63 м2 * 40 °С / 0,40 (м2*К)/Вт = 6300 Вт = 6,3 кВт

Q (стены) = 557 м2 * 40 °С / 4,05 (м2*К)/Вт = 5500 Вт = 5,5 кВт

Получаем, что суммарные теплопотери через ограждающие конструкции составят:

Q (общая) = 5,8 + 8,0 + 6,3 + 5,5 = 25,6 кВт / ч

Теперь о потерях на вентиляцию.

Для нагрева 1 м3 воздуха с температуры – 20 °С до + 20 °С потребуется 15,5 Вт.

Q(1 м3 воздуха) = 1,4 * 1,0 * 40 / 3,6 = 15,5 Вт, здесь 1,4 – плотность воздуха (кг/м3), 1,0 – удельная теплоёмкость воздуха (кДж/(кг К)), 3,6 – коэффициент перевода в ватты.

Осталось определиться с количеством необходимого воздуха. Считается, что при нормальном дыхании человеку нужно 7 м3 воздуха в час. Если Вы используете здание как склад и на нем работают 40 человек, то вам нужно нагревать 7 м3 * 40 чел = 280 м3 воздуха в час, на это потребуется 280 м3 * 15,5 Вт = 4340 Вт = 4,3 кВт. А если у Вас будет супермаркет и в среднем на территории находится 400 человек, то нагрев воздуха потребует 43 кВт.

Итоговый результат:

Для отопления предложенного здания необходима система отопления порядка 30 кВт/ч, и система вентиляции производительностью 3000 м3 /ч с нагревателем мощность 45 кВт/ч.

Принято считать, что для средней полосы России мощность отопительных систем должна рассчитываться исходя из соотношения 1 кВт на 10 м 2 отапливаемой площади. Что говорится в СНиП и каковы реальные расчетные теплопотери домов, построенных из различных материалов?

СНиП указывает на то, какой дом можно считать, скажем так, правильным. Из него мы позаимствуем строительные нормы для Московского региона и сравним их с типичными домами, построенными из бруса, бревна, пенобетона, газобетона, кирпича и по каркасным технологиям.

Как должно быть по правилам (СНиП)

Однако взятые нами значения в 5400 градусо-суток для московского региона являются пограничными к значению 6000, по которому в соответствии со СНиПом сопротивление теплопередаче стен и кровли должно составлять 3,5 и 4,6 м 2 ·°С/Вт соответственно, что эквивалентно 130 и 170 мм минеральной ваты с коэффициентом теплопроводности λА=0,038 Вт/(м·°К).

Как в реальности

Зачастую люди строят «каркасники», бревенчатые, брусовые и каменные дома исходя из доступных материалов и технологий. Например, чтобы соответствовать СНиП, диаметр бревен сруба должен быть больше 70 см, но это абсурд! Потому чаще всего строят так, как удобнее или как больше нравится.

Для сравнительных расчетов мы воспользуемся удобным калькулятором теплопотерь, который расположен на сайте его автора. Для упрощения расчетов возьмем одноэтажное прямоугольное помещение со сторонами 10 х 10 метров. Одна стена глухая, на остальных по два небольших окна с двухкамерными стеклопакетами, плюс одна утепленная дверь. Крыша и потолок утеплены 150 мм каменной ваты, как наиболее типичный вариант.

Кроме теплопотерь через стены есть еще понятие инфильтрации – проникновения воздуха через стены, а также понятие бытового тепловыделения (от кухни, приборов и т.п.), которое по СНиП приравнивается к 21 Вт на м 2 . Но мы это учитывать сейчас не будем. Равно как и потери на вентиляцию, потому как это требует и вовсе отдельного разговора. Разница температур принята за 26 градусов (22 в помещении и -4 снаружи – как усредненное за отопительный сезон в московском регионе).

Итак, вот итоговая диаграмма сравнения теплопотерь домов из различных материалов :

Пиковые теплопотери рассчитаны для наружной температуры -25°С. Они показывают, какой максимальной мощности должна быть система отопления. «Дом по СНиП (3,5, 4,6, 0,6)» – это расчет исходя из более строгих требований СНиП к тепловому сопротивлению стен, кровли и пола, который применим к домам в чуть более северных регионах, нежели чем Московская область. Хотя, зачастую, могут применяться и к ней.

Главный вывод – если при строительстве вы руководствуетесь СНиП, то мощность отопления следует закладывать не 1 кВт на 10 м 2 , как принято считать, а на 25-30% меньше. И это еще без учета бытового тепловыделения. Однако соблюсти нормы не всегда получается, а детальный расчет отопительной системы лучше доверить квалифицированным инженерам.

Также вам может быть интересно :
—
—
—

Чтобы ваш дом не оказался бездонной ямой для расходов на отопление, предлагаем изучить базовые направления теплотехнических изысканий и методологию расчётов.

Чтобы ваш дом не оказался бездонной ямой для расходов на отопление, предлагаем изучить базовые направления теплотехнических изысканий и методологию расчётов.

Без предварительного расчёта тепловой проницаемости и влагонакопления теряется вся суть жилищного строительства.

Физика теплотехнических процессов

Различные области физики имеют много схожего в описании явлений, которые ими изучаются. Так и в теплотехнике: принципы, описывающие термодинамические системы, наглядно перекликаются с основами электромагнетизма, гидродинамики и классической механики. В конце концов, речь идёт об описании одного и того же мира, поэтому не удивительно, что модели физических процессов характеризуются некоторыми общими чертами во многих областях исследований.

Суть тепловых явлений понять легко. Температура тела или степень его нагрева есть не что иное, как мера интенсивности колебаний элементарных частиц, из которых это тело состоит. Очевидно, что при столкновении двух частиц та, у которой энергетический уровень выше, будет передавать энергию частице с меньшей энергией, но никогда наоборот.

Однако это не единственный путь обмена энергией, передача возможна также посредством квантов теплового излучения. При этом базовый принцип обязательно сохраняется: квант, излученный менее нагретым атомом, не в состоянии передать энергию более горячей элементарной частице. Он попросту отражается от неё и либо пропадает бесследно, либо передаёт свою энергию другому атому с меньшей энергией.

Термодинамика хороша тем, что происходящие в ней процессы абсолютно наглядны и могут интерпретироваться под видом различных моделей. Главное - соблюдать базовые постулаты, такие как закон передачи энергии и термодинамического равновесия. Так что если ваше представление соответствует этим правилам, вы легко поймёте методику теплотехнических расчётов от и до.

Понятие сопротивления теплопередаче

Способность того или иного материала передавать тепло называется теплопроводностью. В общем случае она всегда выше, чем больше плотность вещества и чем лучше его структура приспособлена для передачи кинетических колебаний.

Величиной, обратно пропорциональной тепловой проводимости, является термическое сопротивление. У каждого материала это свойство принимает уникальные значения в зависимости от структуры, формы, а также ряда прочих факторов. Например, эффективность передачи тепла в толще материалов и в зоне их контакта с другими средами могут отличаться, особенно если между материалами есть хотя бы минимальная прослойка вещества в другом агрегатном состоянии. Количественно термическое сопротивление выражается как разница температур, разделённая на мощность теплового потока:

Rt = (T2 – T1) / P

где:

• Rt - термическое сопротивление участка, К/Вт;
• T2 - температура начала участка, К;
• T1 - температура конца участка, К;
• P - тепловой поток, Вт.

В контексте расчёта теплопотерь термическое сопротивление играет определяющую роль. Любая ограждающая конструкция может быть представлена как плоскопараллельная преграда на пути теплового потока. Её общее термическое сопротивление складывается из сопротивлений каждого слоя, при этом все перегородки складываются в пространственную конструкцию, являющуюся, собственно, зданием.

Rt = l / (λ·S)

где:

• Rt - термическое сопротивление участка цепи, К/Вт;
• l - длина участка тепловой цепи, м;
• λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К);
• S - площадь поперечного сечения участка, м2.

Факторы, влияющие на теплопотери

Тепловые процессы хорошо коррелируют с электротехническими: в роли напряжения выступает разница температур, тепловой поток можно рассматривать как силу тока, ну а для сопротивления даже своего термина придумывать не нужно. Также в полной степени справедливо и понятие наименьшего сопротивления, фигурирующего в теплотехнике как мостики холода.

Если рассматривать произвольный материал в разрезе, достаточно легко установить путь теплового потока как на микро-, так и на макроуровне. В качестве первой модели примем бетонную стену, в которой по технологической необходимости выполнены сквозные крепления стальными стержнями произвольного сечения. Сталь проводит тепло несколько лучше бетона, поэтому мы можем выделить три основных тепловых потока:

• через толщу бетона
• через стальные стержни
• от стальных стержней к бетону

Модель последнего теплового потока наиболее занимательна. Поскольку стальной стержень прогревается быстрее, то ближе к наружной части стены будет наблюдаться разница температур двух материалов. Таким образом, сталь не только «перекачивает» тепло наружу сама по себе, она также увеличивает тепловую проводимость прилегающих к ней масс бетона.

В пористых средах тепловые процессы протекают похожим образом. Практически все строительные материалы состоят из разветвлённой паутины твёрдого вещества, пространство между которым заполнено воздухом.

Таким образом, основным проводником тепла служит твёрдый, плотный материал, но за счёт сложной структуры путь, по которому распространяется теплота, оказывается больше поперечного сечения. Таким образом, второй фактор, определяющий термическое сопротивление, это неоднородность каждого слоя и ограждающей конструкции в целом.

Третьим фактором, влияющим на теплопроводность, мы можем назвать накопление влаги в порах. Вода имеет термическое сопротивление в 20–25 раз ниже, чем у воздуха, таким образом, если она наполняет поры, в целом теплопроводность материала становится даже выше, чем если бы пор вообще не было. При замерзании воды ситуация становится ещё хуже: теплопроводность может возрасти до 80 раз. Источником влаги, как правило, служит комнатный воздух и атмосферные осадки. Соответственно, три основных метода борьбы с таким явлением - это наружная гидроизоляция стен, использование парозащиты и расчёт влагонакопления, который обязательно производится параллельно прогнозированию теплопотерь.

Дифференцированные схемы расчёта

Простейший способ установить размер тепловых потерь здания - суммировать значения теплового потока через конструкции, которыми это здание образовано. Такая методика полностью учитывает разницу в структуре различных материалов, а также специфику теплового потока сквозь них и в узлах примыкания одной плоскости к другой. Такой дихотомический подход сильно упрощает задачу, ведь разные ограждающие конструкции могут существенно отличаться в устройстве систем теплозащиты. Соответственно, при раздельном исследовании определить сумму теплопотерь проще, ведь для этого предусмотрены различные способы вычислений:

• Для стен утечки теплоты количественно равны общей площади, умноженной на отношение разницы температур к тепловому сопротивлению. При этом обязательно берётся во внимание ориентация стен по сторонам света для учёта их нагрева в дневное время, а также продуваемость строительных конструкций.
• Для перекрытий методика та же, но при этом учитывается наличие чердачного помещения и режим его эксплуатации. Также за комнатную температуру принимается значение на 3–5 °С выше, расчётная влажность тоже увеличена на 5–10%.
• Теплопотери через пол рассчитывают зонально, описывая пояса по периметру здания. Связано это с тем, что температура грунта под полом выше у центра здания по сравнению с фундаментной частью.
• Тепловой поток через остекление определяется паспортными данными окон, также нужно учитывать тип примыкания окон к стенам и глубину откосов.

Q = S · (ΔT / Rt)

где:

• Q -тепловые потери, Вт;
• S - площадь стен, м2;
• ΔT - разница температур внутри и снаружи помещения, ° С;
• Rt - сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт.

Пример расчёта

Прежде чем перейти к демонстрационному примеру, ответим на последний вопрос: как правильно рассчитать интегральное термическое сопротивление сложных многослойных конструкций? Это, конечно, можно сделать вручную, благо, что в современном строительстве используется не так много типов несущих оснований и систем утепления. Однако учесть при этом наличие декоративной отделки, интерьерной и фасадной штукатурки, а также влияние всех переходных процессов и прочих факторов достаточно сложно, лучше воспользоваться автоматизированными вычислениями. Один из лучших сетевых ресурсов для таких задач - smartcalc.ru, который дополнительно составляет диаграмму смещения точки росы в зависимости от климатических условий.

Для примера возьмём произвольное здание, изучив описание которого читатель сможет судить о наборе исходных данных, необходимых для расчёта. Имеется одноэтажный дом правильной прямоугольной формы размерами 8,5х10 м и высотой потолков 3,1 м, расположенный в Ленинградской области.

В доме выполнен неутеплённый пол по грунту досками на лагах с воздушным зазором, высота пола на 0,15 м превышает отметку планирования грунта на участке. Материал стен - шлаковый монолит толщиной 42 см с внутренней цементно-известковой штукатуркой толщиной до 30 мм и наружной шлаково-цементной штукатуркой типа «шуба» толщиной до 50 мм. Общая площадь остекления - 9,5 м2, в качестве окон использован двухкамерный стеклопакет в теплосберегающем профиле с усреднённым термическим сопротивлением 0,32 м2·°С/Вт.

Перекрытие выполнено на деревянных балках: снизу оштукатурено по дранке, заполнено доменным шлаком и сверху укрыто глиняной стяжкой, над перекрытием - чердак холодного типа. Задача расчёта теплопотерь - формирование системы теплозащиты стен.

Пол

Первым делом определяются тепловые потери через пол. Поскольку их доля в общем оттоке тепла наименьшая, а также по причине большого числа переменных (плотность и тип грунта, глубина промерзания, массивность фундамента и т. д.), расчёт теплопотерь проводится по упрощённой методике с использованием приведённого сопротивления теплопередаче. По периметру здания, начиная от линии контакта с поверхностью земли, описывается четыре зоны - опоясывающих полосы шириной по 2 метра.

Для каждой из зон принимается собственное значение приведённого сопротивления теплопередаче. В нашем случае имеется три зоны площадью по 74, 26 и 1 м2. Пусть вас не смущает общая сумма площадей зон, которая больше площади здания на 16 м2, причина тому - двойной пересчёт пересекающихся полос первой зоны в углах, где теплопотери значительно выше по сравнению с участками вдоль стен. Применяя значения сопротивления теплопередаче в 2,1, 4,3 и 8,6 м2·°С/Вт для зон с первой по третью, мы определяем тепловой поток через каждую зону: 1,23, 0,21 и 0,05 кВт соответственно.

Стены

Используя данные о местности, а также материалы и толщину слоёв, которыми образованы стены, на упомянутом выше сервисе smartcalc.ru нужно заполнить соответствующие поля. По результатам расчёта сопротивление теплопередаче оказывается равным 1,13 м2·°С/Вт, а тепловой поток через стену - 18,48 Вт на каждом квадратном метре. При общей площади стен (за вычетом остекления) в 105,2 м2 общие теплопотери через стены составляют 1,95 кВт/ч. При этом потери тепла через окна составят 1,05 кВт.

Перекрытие и кровля

Расчёт теплопотерь через чердачное перекрытие также можно выполнить в онлайн-калькуляторе, выбрав нужный тип ограждающих конструкций. В результате сопротивление перекрытия теплопередаче составляет 0,66 м2·°С/Вт, а потери тепла - 31,6 Вт с квадратного метра, то есть 2,7 кВт со всей площади ограждающей конструкции.

Итого суммарные теплопотери согласно расчётам составляют 7,2 кВт·ч. При достаточно низком качестве строительных конструкций здания этот показатель очевидно сильно ниже реального. На самом деле такой расчёт идеализирован, в нём не учтены специальные коэффициенты, продуваемость, конвекционная составляющая теплообмена, потери через вентиляцию и входные двери.

В действительности, из-за некачественной установки окон, отсутствия защиты на примыкании кровли к мауэрлату и плохой гидроизоляции стен от фундамента реальные теплопотери могут быть в 2 или даже 3 раза больше расчётных. Тем не менее, даже базовые теплотехнические исследования помогают определиться, будут ли конструкции строящегося дома соответствовать санитарным нормам хотя бы в первом приближении.

Напоследок дадим одну важную рекомендацию: если вы действительно хотите получить полное представление о тепловой физике конкретного здания, необходимо использовать понимание описанных в этом обзоре принципов и специальную литературу. Например, очень хорошим подспорьем в этом деле может стать справочное пособие Елены Малявиной «Теплопотери здания», где весьма подробно объяснена специфика теплотехнических процессов, даны ссылки на необходимые нормативные документы, а также приведены примеры расчётов и вся необходимая справочная информация.опубликовано

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .