Определить теплопроводность стены при

Рассчет теплопроводности стен: таблица теплосопротивления материалов

Во многих случаях при выборе материала для строительства дома мы не вникаем, каково теплосопротивление строительных материалов, а полагаемся на «народные» методики. Самые популярные из них: «как у соседа», «как раньше», «смотри, какой толстый слой», и – венец искусства – «вроде, должно быть нормально». Что ж, ваш дом – вам и решать, какому методу отдать предпочтение. Но чтобы точно ответить на вопрос, достаточно ли тепло будет в вашем доме зимой (и достаточно ли прохладно в летний зной), нужно знать теплосопротивление стены. Откуда его можно узнать, как считать теплопроводность стены и как это поможет при ответе на ваш вопрос? Давайте разберемся по порядку.

Итак, немного теории, чтобы определиться с терминами и понять, как рассчитать теплосопротивление стены.

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью.
Итак, теплопроводность – это количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.
Теплосопротивление – величина обратная теплопроводности. (Хорошо проводит тепло – значит, слабо теплу сопротивляется. Следовательно, обладает высокой теплопроводностью и низким теплосопротивлением).
То есть, при строительстве лучше использовать материалы с низкой теплопроводностью (высоким теплосопротивлением) для лучшего сохранения тепла.

Как рассчитать теплопроводность стены?

Чтобы рассчитать теплосопротивление слоя нужно его толщину в метрах разделить на коэффициент теплосопротивления материалов, из которых он выполнен.
Как рассчитать коэффициент теплопроводности? Эти расчеты делаются в лабораторных условиях. Тем не менее, узнать его несложно: нормальный производитель всегда предоставляет эти данные, указан он и в СНиПе в разделе «Строительная теплотехника», правда, там представлены не все современные материалы. Если вы хотите знать теплосопротивление материалов, таблица с некоторыми из них представлена на данной странице.

Как пользоваться коэффициентом теплопроводности? В СНИПе указано два режима эксплуатации А и Б. Режим А подходит для сухих помещений (влажность меньше 50%) и для районов, удаленных от морских берегов. Для московского региона, например, подходит режим А. Таким образом, теплосопротивление стен по регионам может отличаться.

Теплосопротивление слоя =	толщина слоя (м)
	Коэффициент теплопроводности материала ( )

Теплосопротивление многослойной конструкции считается как сумма теплосопротивлений каждого слоя. (В случае с одним слоем все просто – его теплосопротивление и будет теплосопротивлением всей конструкции.)

Теплосопротивление конструкции = теплососпротивление слоя 1 + теплосоротивление слоя 2 + и т.д.

Единицы измерения теплосопротивления —

Рассмотрим, как рассчитать толщину стены по теплопроводности на конкретных примерах.

Пример 1

Стена толщиной в полтора кирпича, или, если перевести в международную систему измерения, 0,37 метра (37 сантиметров). Как посчитать теплопроводность стены?

Все, кто имел опыт работы с кирпичом, знают, что кирпич может быть разным. И коэффициент теплопроводности кирпичной кладки, соответственно, тоже разный. Кроме того, теплопроводность кирпичной стены на обычном цементно-песчаном растворе будет ниже, чем коэффициент отдельного кирпича. Как посчитать коэффициент теплопроводности стены в таком случае? Для расчетов будет правильно использовать именно значение для кладки.

Вид кирпича	Коэффициент теплопро- водности*,	Кирпичная кладка на цементно-песчаном растворе, плотность 1800 кг/м³*	Теплосопроти- вление стены толщи- ной 0,37 м,
Красный глиняный (плотность 1800 кг/м³)	0,56	0,70	0,53
Силикатный, белый	0,70	0,85	0,44
Керамический пустотелый (плотность 1400 кг/м³)	0,41	0,49	0,76
Керамический пустотелый (плотность 1000 кг/м³)	0,31	0,35	1,06

(*из межгосударственного стандарта ГОСТ 530-2007)

Итак, мы убедились, что не все кирпичи одинаковы. И теплопроводность кирпичной кладки в зависимости от вида кирпича может отличаться в 2 раза. Ваш дом из какого кирпича? А мы рассмотрим самый лучший результат (плотность кирпичной кладки полтора керамических пустотелых кирпича). В данном случае теплосопротивление кирпича 1,06 . Запомним результат и перейдем к следующему примеру.

Пример 2

Допустим, мы хотим построить дачный домик из бруса сечением 15 см. Снаружи и изнутри отделаем вагонкой. Что получим? Коэффициент теплосопротивления дерева поперек волокон (данные из СНиПов) составляет 0,14 . Теперь делаем расчет теплосопротивления стены: толщину материала разделим на коэффициент теплопроводности.

Для бруса (это 0,15 м дерева) теплосопротивление составит (0,15/0,14) 1,07 .

Для вагонки (толщина 20 мм или 0,02 м) – 0,143 . Да, вагонка с двух сторон, значит 0.143 х 2 = 0,286 . Справедливости ради заметим, что на практике теплосопротивлением вагонки чаще всего пренебрегают, так как на стыках она имеет еще меньшую толщину, следовательно, меньшее теплосопротивление материала.

Запомним общее расчетное теплосопротивление стены из 15-исантиметрового бруса, обшитого изнутри и снаружи вагонкой, –
1,356 .

Чтобы не было необходимости делать расчёт теплосопротивления стены для каждого материала, в приведенной здесь таблице мы собрали данные по теплосопротивлению материалов, часто используемых при строительстве домов.

Таблица теплосопротивления материалов

Материал	Толщина материала (мм)	Расчетное теплосо- противлениеа (м² * °С / Вт)
Брус	100	0,71
Брус	150	1,07
Кладка из красного кирпича (плотность 1800 кг/м³)	380 (полтора кирпича)	0,53
Кладка из белого силикатного кирпича	380 (полтора кирпича)	0,44
Кладка из керамического пустотелого кирпича (плотность 1400 кг/м³)	380 (полтора кирпича)	0,76
Кладка из керамического пустотелого кирпича (плотность 1000 кг/м³)	380 (полтора кирпича)	1,06
Кладка из красного кирпича (плотность 1800 кг/м³)	510 (два кирпича)	0,72
Кладка из белого силикатного кирпича	510 (два кирпича)	0,6
Кладка из керамического пустотелого кирпича (плотность 1400 кг/м³)	510 (два кирпича)	1,04
Кладка из керамического пустотелого кирпича (плотность 1000 кг/м³)	510 (два кирпича)	1,46
Кладка на клей из газо- пенобетонных блоков (плотность 400 кг/м³)	200	1,11
Кладка на клей из газо- пенобетонных блоков (плотность 600 кг/м³)	200	0,69
Кладка на клей керамзитобетонных блоков на керамзитовом песке и керамзитобетоне (плотность 800 кг/м³)	200	0,65
Теплоизоляционные материалы
Плиты из каменной ваты ROCKWOOL ФАСАД БАТТС	50	1,25
Ветрозащитные плиты Изоплат	25	0,45
Теплозащитные плиты Изоплат	12	0,27

Снова обратимся к СНиПам: теплосопротивление наружной стены, например, в Московской области должно быть не меньше 3 . Помните цифры, которые мы получили? В Российской Федерации нет районов, для которых эта величина составляла хотя бы 1,5 (не говоря уже о значениях еще ниже). Для сравнения приведем такие данные: в Германии эта норма определена не менее 3,4 , в Финляндии — не менее 5 (это, разумеется, уже не по нашим СНиПам, а по их регламентирующим документам).

Эти требования — для домов постоянного проживания. Если дом (как написано в СНиПах) предназначен для сезонного проживания, либо отапливается менее 5 дней в неделю, эти требования на него не распространяются.
Итак мы можем сделать вывод, что в домах со стенами в 1,5 кирпича, либо из бруса в 15 см проживать постоянно… нежелательно. Но ведь живем же! Да, только цена отопления 1 м³ из года в год становится все выше. Со временем все домовладельцы перейдут к эффективному утеплению домов — экономические соображения заставят заранее рассчитать теплопроводность стены и выбрать наилучшее техническое решение.

Источник

Теплотехнический расчёт стены

Теплотехнический расчёт однородной наружной стены здания

Исходные данные

Назначение здания — административное.
Расчетная температурой наружного воздуха в холодный период года, text = -40 °С;
Расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, tint = +20 °С;
Средняя температура наружного воздуха отопительного периода, tht = -8 °С;
Продолжительность отопительного периода, zht = 241 сут.;
Нормальный влажностный режим помещения и условия эксплуатации ограждающих конструкций — А (сухой режим помещения в нормальной зоне влажности).
Коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, n = 1;
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, αext = 23 Вт/(м²•°С);
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, αint = 8.7 Вт/(м²•°С);
Состав наружной стены:

№ слоя	Слой	δ, мм	λ, Вт/(м °С)	γ, кг/м 3
1	Кладка из кирпича керамического пустотного	120	0.64	1300
2	Минераловатный утеплитель	150	0.039	60
3	Кладка из кирпича керамического полнотелого	380	0.81	1600
4	Штукатурка ц.п.	20	0.91	1800

Определение требуемого сопротивления теплопередаче

Определим величину градусо-суток Dd в течение отопительного периода по формуле 1 [СП 23-101-2004]:

где t_int — расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания [табл.1, СП 23-101-2004];
t_ht — средняя температура наружного воздуха отопительного периода [табл.1, СП 23-101-2004];
z_ht — продолжительность отопительного периода [табл.1, СП 23-101-2004].

Определим требуемое значение сопротивления теплопередачи Rreq по табл. 3 [СП 50.13330.2012]

где D_d — градусо-сутки отопительного периода;
а=0,0003 [табл.3, СП 50.13330.2012]
b=1,2 [табл.3, СП 50.13330.2012]

R_req = 0.0003*6748+1.2=3.2244 м 2 *°С/Вт,

Определение приведённого сопротивления теплопередаче стены

где α_в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 *°С), принимаемый по табл. 4 СП 50.13330.2012;
α_н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкций для условий холодного периода, Вт/(м 2 *°С), принимаемый по таблице 6 СП 50.13330.2012;

R_s — термическое сопротивление слоя однородной части фрагмента (м 2 *°С)/Вт, определяемое по формуле:

δ_s — толщина слоя, м;
λ_s — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м*°С), принимаемый согласно приложения Т СП 50.13330.2012.
y_s уэ — коэффициент условий эксплуатации материала слоя, доли ед. При отсутствии данных принимается равным 1.

Расчетное значение сопротивления теплопередаче, R₀:

R₀ > R_req — Условие выполняется

Толщина конструкции, ∑t =675 мм;

Определение температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции

Значение выразим из формулы (5.4) СП 50.13330.2012

Δt н > Δt, 4.5 °C > 1.469 °C — условие выполняется.

Моделирование однородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Схема ограждающей конструкции:

Создаём задачу в 15-м признаке схемы. Рассмотрим участок стены, длиной 1 м

Шаг 1 геометрия

Шаг 2 Создание элементов конвекции

Моделируем стержни по наружной и внутренней граням стены. Стержням следует присвоить тип КЭ №1555. Они являются своего рода граничными условиями и, в то же время, воспринимают температуру воздуха.

Шаг 3 характеристики материалов

В окне задания типов жёсткости следует создать жёсткость: пластины Теплопроводность (пластины). В окне характеристик жёсткости вводятся параметры Н — толщина пластины, К — коэффициент теплопроводноти, С — коэффициент теплопоглощения, R0 — удельный вес.

Характеристики слоёв стены:
Кирпич облицовочный пустотелый Н=100 см, К=0.64 Дж/(м*с*°С);
Теплоизоляция Н=100 см, К=0.039 Дж/(м*с*°С);
Кирпич полнотелый Н=100 см, К=0.81 Дж/(м*с*°С);
Штукатурка ц.п. Н=100 см, К=0.76 Дж/(м*с*°С);

Для элементов конвекции, следует создать типы жёсткости Конвекция (двухузловые). Для таких элементов задаются коэффициенты конвекции внутреннего и внешнего слоя.

Шаг 4 Внешняя нагрузка

Через внешнюю нагрузку задаётся температура воздуха для элементов конвекции. Для этого, в разделе нагрузки, нужно открыть Заданная t.

Температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 18.531 °С (результат замера температуры в узле).

Определение сопротивления теплопередачи конструкции по результатам расчёта ЛИРА САПР

Сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5.4) СП 50.13330.2012:

Теплотехнический расчёт наружной стены здания с учётом неоднородности

Исходные данные

Для расчёта принимается конструкция стены, рассмотренная в предыдущем примере. Неоднородностью будет выступать кладочная сетка, служащая для крепления облицовки к несущему слою кладки. Параметры сетки: d=3 мм, шаг стержней 50х50 мм.

Определение приведённого сопротивления теплопередаче с учётом неоднородностей

Приведённое сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания R пр ₀, (м 2 *°C)/Вт, следует определять по формуле:

где R усл ₀ — осреднённое по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, (м 2 *°C)/Вт;
l_j — протяжённость линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м 2 ;
Ψ_I — удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м*°С);
n_k — количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт./м 2 ;
χ_k — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/°С;
a_i — площадь плоского элемента конструкции i-го вида, приходящаяся на 1 м 2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м 2 /м 2 ;

где A_i — площадь i-й части фрагмента, м 2 ;
U_i — коэффициент теплопередачи i-й части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент i-го вида), Вт/(м 2 *°С);

Определение удельных потерь теплоты кладочной сетки

Кладочная сетка, через которую осуществляется связь между облицовкой и несущим слоем, является линейной неоднородностью. Удельные потери теплоты через линейную неоднородность, определяются по СП 230.1325800.2015, приложение Г.7 Теплозащитные элементы, образуемые различными видами связей в трёхслойных железобетонных панелях.

Удельное сечение металла на 1 м.п. в рассматриваемом примере составит S*(1000/50)=3.14159*d 2 /4*(1000/50)=1.41372 см 2 /м

Удельные потери теплоты будут определяться по интерполяции между значениями, найденными по таблицам Г.42 и Г.43 СП 230.1325800.2015

Таблица Г.42 — Удельные потери теплоты Ψ, Вт/(м*°С). Сетка с удельным сечением металла на 1 п.м 0,53 см 2 /м

dут, мм	λ0 = 0,2	λ0 = 0,6	λ0 = 1,8
50	0,005	0,008	0,011
80	0,005	0,007	0,009
100	0,004	0,007	0,008
150	0,004	0,005	0,006

Таблица Г.43 — Удельные потери теплоты Ψ, Вт/(м*°С). Сетка с удельным сечением металла на 1 п.м 2,1 см 2 /м

dут, мм	λ0 = 0,2	λ0 = 0,6	λ0 = 1,8
50	0,018	0,031	0,043
80	0,018	0,028	0,035
100	0,017	0,026	0,031
150	0,015	0,021	0,024

Обозначения в таблицах:
— толщина слоя утеплителя d_ут, мм;
— теплопроводность основания λ₀, Вт/(м*°С), для кирпичной кладки из полнотелого керамического кирпича принимается λ₀ = 0.56;
— удельное сечение металла на 1 м.п. сетки, см 2 /м.

Потери теплоты по таблице Г.42:

Потери теплоты по таблице Г.43:

Итоговое значение потерь теплоты:

Суммарная протяжённость линейных неоднородностей Σl_j = 2 м.

Подставив полученные значения в формулу (Е.1), получим:

Моделирование неоднородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Для построения модели неоднородной стены, принимается модель, созданная на предыдущем этапе. Теплопроводные включения моделируются как стержневые элементы теплопроводности, которые пересекают три слоя стены: кладка, теплоизоляция, облицовка. Стержни расположены с шагом 40 см по высоте. Теплопроводность арматурной стали 58 м 2 *°С/Вт.

Температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 18.087 °С. (среднее значение температуры на внутренней поверхности стены).

Определение сопротивления теплопередачи конструкции по результатам расчёта ЛИРА САПР

Сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5.4) СП 50.13330.2012:

Сравнение результатов расчёта

Сравнение будем выполнять в табличной форме:

Источник