1. Исходные данные

Техническое задание. В связи с неудовлетворительным тепло-влажностным режимом здания необходимо произвести утепление его стен и мансардной крыши. С этой целью выполнить расчеты термического сопротивления, теплоустойчивости, воздухо- и паропроницаемости ограждающих конструкций здания с оценкой возможности конденсации влаги в толще ограждений. Установить необходимую толщину теплоизоляционного слоя, необходимость применения ветро- и пароизоляции, порядок расположения слоев в конструкции. Разработать проектное решение, отвечающее требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» к ограждающим конструкциям. Расчеты выполнить в соответствии со сводом правил по проектированию и строительству СП 23-101-2004 "Проектирование тепловой защиты зданий".

 Общая характеристика здания. Двухэтажное жилое здание с мансардой расположено в пос. Свирица Ленинградской области. Общая площадь наружных ограждающих конструкций – 585,4 м²; общая площадь стен 342,5 м²; общая площадь окон 51,2 м²; площадь крыши – 386 м²; высота подвала – 2,4 м.

Конструктивная схема здания включает несущие стены, железобетонные перекрытия из многопустотных панелей, толщиной 220 мм и бетонный фундамент. Наружные стены выполнены из кирпичной кладки и оштукатурены изнутри и снаружи строительным раствором слоем около 2 см. 

Покрытие здания имеет стропильную конструкцию со стальной фальцевой кровлей, выполненной по обрешетке с шагом 250 мм. Утеплитель толщиной 100 мм выполнен из минераловатных плит, уложенных между стропилами

В здании предусмотрено стационарное электро-теплоаккумуляционное отопление. Подвал имеет техническое назначение.

Климатические параметры. Согласно СНиП 23-02-2003 и ГОСТ 30494-96 расчетную среднюю температуру внутреннего воздуха принимаем равной

t_int = 20 °С.

Согласно СНиП 23-01-99 принимаем:

1) расчетную температуру наружного воздуха в холодный период года для условий пос. Свирица Ленинградской области

t_ext = -29 °С;

2) продолжительность отопительного периода

z_ht = 228 сут.;

3) среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период

t_ht = -2,9 °С.

Коэффициенты теплоотдачи. Значения коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности ограждений принимаем: для стен, полов и гладких потолков α_int = 8,7 Вт/(м²·ºС).

Значения коэффициента теплоотдачи наружной поверхности ограждений принимаем: для стен и покрытий α_ext =23; перекрытий чердачных α_ext=12 Вт/(м²·ºС);

Нормируемое сопротивление теплопередаче. Градусо-сутки отопительного периода G_d определяются по формуле (1)

G_d = 5221 °С·сут.

Поскольку значение G_d отличается от табличных значений, нормативное значение R_req определяем по формуле (2).

Согласно СНиП 23-02-2003 для полученного значения градусо-суток нормируемое сопротивление теплопередаче R_req,м²·°С/Вт, составляет:

- для наружных стен 3,23;

- покрытий и перекрытий над проездами 4,81;

- ограждений над неотапливаемыми подпольями и подвалами 4,25;

- окон и балконных дверей 0,54.

2. Теплотехнический расчет наружных стен

2.1. Сопротивление наружных стен теплопередаче

Наружные стены выполнены из пустотелого керамического кирпича и имеют толщину 510 мм. Стены оштукатурены изнутри известково-цементным раствором толщиной 20 мм, снаружи – цементным раствором той же толщины.

Характеристики данных материалов – плотность γ₀, коэффициент теплопроводности в сухом состоянии l₀ и коэффициент паропроницаемости μ – принимаем по табл. П.9 приложения. При этом в расчетах используем коэффициенты теплопроводности материалов l_W для условий эксплуатации Б, (для влажных условий эксплуатации), которые получаем по формуле (2.5). Имеем:

- для известково-цементного раствора

γ₀ = 1700 кг/м³,

l₀=0,52,

l_W =0,52(1+0,168·4)=0,87 Вт/(м·°С),

μ=0,098 мг/(м·ч·Па);

- для кирпичной кладки из пустотелого керамического кирпича на цементно-песчаном растворе

γ₀ = 1400 кг/м³,

l₀=0,41,

l_W =0,41(1+0,207·2)=0,58 Вт/(м·°С),

μ=0,16 мг/(м·ч·Па);

- для цементного раствора

γ₀ = 1800 кг/м³,

l₀=0,58,

l_W =0,58(1+0,151·4)=0,93 Вт/(м·°С),

μ=0,09 мг/(м·ч·Па).

Сопротивление теплопередаче стены без утепления равно

R_о = 1/8,7 + 0,02/0,87 + 0,51/0,58 + 0,02/0,93 + 1/23 = 1,08 м²·°С/Вт.

При наличии оконных проемов, образующих откосы стены, коэффициент теплотехнической однородности кирпичных стен, толщиной 510 мм принимаем r = 0,74.

Тогда приведенное сопротивление теплопередаче стен здания, определяемое по формуле (2.7), равно

R^r_о=0,74·1,08=0,80 м²·°С/Вт.

Полученное значение намного ниже нормативного значения сопротивления теплопередаче, поэтому необходимо устройство наружной теплоизоляции и последующее оштукатуривание защитным и декоративным составами штукатурного раствора с армированием стеклосеткой.

Для возможности просыхания теплоизоляции закрывающий ее штукатурный слой должен быть паропроницаемым, т.е. пористым с малой плотностью. Выбираем поризованный цементно-перлитовый раствор, имеющий следующие характеристики:

γ₀ = 400 кг/м³,

l₀ = 0,09 Вт/(м·°С),

l_W =0,09(1+0,067·10)=0,15 Вт/(м·°С),

μ = 0,53 мг/(м·ч·Па).

Суммарное сопротивление теплопередаче добавляемых слоев теплоизоляции R_т и штукатурной обделки R_ш должно быть не менее

 R_т+R_ш=3,23/0,74-1,08=3,28 м²·°С/Вт.

Предварительно (с последующим уточнением) принимаем толщину штукатурной обделки 10 мм, тогда сопротивление ее теплопередаче равно

R_ш=0,01/0,15=0,067 м²·°С/Вт.

При использовании для теплоизоляции минераловатных плит производства ЗАО «Минеральная вата» марки Фасад Баттс r₀=145 кг/м³, l₀=0,033,  l_W =0,045 Вт/(м·°С) толщина теплоизоляционного слоя составит

δ=0,045·(3,28-0,067)=0,145 м.

Плиты Rockwool выпускаются толщиной от 40 до 160 мм с шагом 10 мм. Принимаем стандартную толщину теплоизоляции 150 мм. Таким образом, укладка плит будет производиться в один слой.

Проверка выполнения требований по энергосбережению. Расчетная схема стены представлена на рис. 1. Характеристика слоев стены и общее сопротивление стены теплопередаче без учета пароизоляции приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристика слоев стены и общее сопротивление стены теплопередаче

Сопротивление теплопередаче стен здания после утепления составит:

R_o=1/8,7+4,32+1/23=4,48 м²·°С/Вт.

С учетом коэффициента теплотехнической однородности наружных стен (r = 0,74) получаем приведенное сопротивление теплопередаче

R_o^r = 4,48·0,74=3,32 м²·°С/Вт.

Полученное значение R_o^r = 3,32 превышает нормативное R_req=3,23, так как фактическая толщина теплоизоляционных плит больше расчетной. Такое положение отвечает первому требованию СНиП 23-02-2003 к термическому сопротивлению стены – R_о ≥R_req.

Проверка выполнения требований по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям в помещении. Расчетный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены Δt₀ составляет

Δt₀=n(t_int – t_ext)/(R_o^r·α_int)=1,0(20+29)/(3,32·8,7)=1,7 ºС.

Согласно СНиП 23-02-2003 для наружных стен жилых зданий допустим перепад температуры не более 4,0 ºС. Таким образом, второе условие (Δt₀≤Δt_n) выполнено.

Проверим третье условие (τ_int>t_рос), т.е. возможна ли конденсация влаги на внутренней поверхности стены при расчетной температуре наружного воздуха t_ext = -29 °С. Температуру внутренней поверхности τ_int ограждающей конструкции (без теплопроводного включения) определяем по формуле

τ_int= t_int –Δt₀=20–1,7=18,3 °С.

. Упругость водяного  пара в помещении е_int равна

е_int = φ_int×Е/100=55·2102/100=1156 Па,

Точка росы при максимальной упругости пара 1156 Па составляет

t_рос = 9,1 °С.

Поскольку τ_int>t_рос, то условие отсутствия конденсации пара на внутренней поверхности наружной стены выполняется.

2.2. Теплоустойчивость стен в холодный период года

 Поскольку в здании предусмотрено стационарное электро-теплоаккумуляционное отопление, то согласно СНиП 23-02-2003 нормируемое значение амплитуды суточных колебаний температуры составляет А_t^req=2,5 ºС.

Для материала каждого слоя определяем коэф­фициент теплоусвоения материала s по формуле (3.1) и показатель тепловой инерции D по формуле (3.3). Результаты расчета сводим в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Коэф­фициенты теплоусвоения и показатели тепловой инерции слоев стены

Из табл. 2.2 следует, что зона резких колебаний расположена в двух первых слоях ограждения, поэтому коэффициент теплоусвоения  внутренней поверхности ограждения определяется по формуле (3.6)

Y_int=(R₁s₁²+s₂)/(1+ R₁s₂)=(0,023·9,50²+7,21)/(1+0,023·7,21)=6,37 Вт/(м²·°С).

Коэффициент теплопоглощения поверхности ограждения вычисляем по формуле (3.12):

В=1/(1/a'_int +1/Y_int)=1/(1/5,7+1/6,37)=3,01 Вт/(м²·°С).

Амплитуду колебаний температуры воздуха в помещении рассчитываем по формуле (3.11)

A_t^des = m× (t_int – t_ext)/ВR_о^r=0,25(20+29)/3,01·3,32=1,23 °С,

где m – коэффициент неравномерности отопительного прибора принят равным 0,25.

Полученное значение амплитуды суточных колебаний температуры воздуха в помещении A_t^des =1,23 °С меньше нормируемого значения этой величины А_t^req=2,5 ºС, следовательно ограждение удовлетворяет требованиям СНиП по теплоустойчивости в холодное время года.

2.3. Воздухопроницаемость наружных стен

Сопротивление воздухопроницанию стен жилых и общественных зданий J^des должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию J^req (4.1), которое составляет:

J^req= 24,6/0,5=51,6 м²·ч·Па/кг.

При этом нормируемая воздухопроницаемость стен принята равной 0,5 кг/(м²·ч). Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях стены получена по формуле (4.2):

Δp=0,55·9,9(14,19-11,82)+0,03·14,19·5,5²=25,8 Па.

Высота здания H=9,9 м складывается из высоты двух этажей по 3,3 м и высоты крыши, которая для мансардной крыши может быть принята равной высоте этажа. Удельные веса, наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, определяем по формулам (4.3) и (4.4), соответственно, равными

γ_ext =3463/(273-29)=14,19,

γ_int=3463/(273+20)=11,82.

Сопротивление воздухопроницанию стены J^des, м²·ч·Па/кг, определяем по формуле (4.5). Результаты расчета представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Характеристика слоев стены и их сопротивление стены воздухопроницанию

Проведенный расчет показывает, что требование СНиП 23-02-2003 к конструкции стены по воздухопроницаемости выполнено, т. к. J^des>> J^req.

2.4. Сопротивление наружных стен паропроницанию

Расчетная температура t_int, °C, и относительная влажность внутреннего воздуха j_int, %: для жилых помещений t_int = 20 °С (согласно ГОСТ 30494), j_int = 55 % (согласно СНиП 23-02-2003).

Расчетная зимняя температура t_ext", °C, и относительная влажность наружного воздуха j_ext, %, принимаются равными, соответственно, средней месячной температуре и средней относительной влажности наиболее холодного месяца. Для пос. Свирица Ленобласти наиболее холодный месяц январь. Согласно табл. П.13 и П.2 приложения

t_ext" = -9,8 °С;  j_ext = 86 %.

Оценим паропроницаемость стены при отсутствии пароизоляции.

Согласно СНиП 23-02-2003 (п. 9.1, примечание 3) плоскость возможной конденсации в многослойной конструкции совпадает с наружной поверхностью утеплителя.

Сопротивление паропроницанию Ω₀, м²·ч·Па/мг, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее нормируемых сопротивлений паропроницанию Ω_req^* и Ω_req^**, определяемых по формулам (5.1) и (5.2). Для определения парциального давления насыщенного пара в зависимости от температуры по данным табл. П.8 приложения строим два графика E=f(t) отдельно для отрицательных и положительных температур (рис.2 и 3).

При t_int = 20 °С, Е_int = 2338 Па.

При j_int = 55 %, е_int = (55 / 100)·2338 = 1286 Па;

Парциальное давление водяного пара, Па, в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации определяем по формуле (5.5):

Е = (Е₁z₁ + E₂z₂ + Е₃z₃) / 12.

Продолжительность зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов (z₁, z₂, z₃) и их средние температуры t₁, t₂, t₃, определяем по табл. П.13 приложения, а значения температур в плоскости возможной конденсации t₁, t₂, t₃, соответствующие этим периодам, по формуле (5.6).

Сопротивление теплопередаче внутренней поверхности стены, равно R_sj=1/a_int=1/8,7 = 0,115 м²·°С·Вт;

Термическое сопротивление ограждения в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации

R_e = 0,023+0,879+0,022+3,333 = 4,26 м²·°С·Вт.