Разработка подсистемы САПР теплосберегающих элементов коттеджей

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Строительство


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Начиная строительство, владелец будущего коттеджа должен задумываться не только над архитектурным обликом и планировкой своего дома, но и о грядущих расходах, связанных с эксплуатацией здания и о затратах на отопление. Основным показателем качества дома является его объемно-планировочное решение, такая компоновка помещений и их размеры, которые создают наилучшие условия проживания. Очень важно при этом обеспечить комфортную температуру воздуха внутри помещения, его влажность и скорость движения. В холодный период года такие условия удается создать отоплением дома. Но при этом часть тепла все же уходит наружу через стены, крышу, пол первого этажа. Причем чем больше поверхность ограждений, соприкасающихся с наружным воздухом, тем потери тепла больше и затраты на отопление выше. Тепло потери измеряют в Вт (ккал/ч). Индивидуальный дом имеет удельные затраты на отопление в 2−2,5 раза выше, чем многоэтажный, многосекционный дом. Снизить потери тепла можно за счет увеличения толщины наружных ограждений или использования высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Можно уменьшить потери тепла и оптимальными объемно-планировочными пропорциями дома. Наиболее важным является площадь поверхности наружных ограждений, приходящаяся на 1 кв. м объема дома или на 1 кв. м общей площади. Такое отношение площади наружного ограждения к общей площади называется коэффициентом компактности К3. Чем меньше значение Кз, тем затраты на отопление будут меньше. Обычно К3 = 0,8−1,3. Из геометрии известно, что наименьшую поверхность имеют шар, затем куб и прямоугольный параллепипед. Знание этого используют проектировщики и для снижения теплопотерь здания, иногда выполняя план дома в форме окружности, квадрата. Целью данной дипломной работы является разработка подсистемы САПР теплосберегающих элементов коттеджей.

1. Анализ предметной области

1. 1 Теплопотери дома

Выбор теплоизоляции, вариантов отделок стен для большинства заказчиков-застройщиков задача сложная. Слишком много противоречивых проблем требуется решить одновременно. В настоящее время теплосбережение энергоресурсов приобрело большое значение. Согласно СНиП II-3−79* «Строительная теплотехника"[4], сопротивление теплопередаче определяется исходя из:

- санитарно-гигиенических и комфортных условий

- условий энергосбережения (второе условие).

Для Тамбова и ее области требуемое теплотехническое сопротивление стены по первому условию составляет 1,1 °С·м. кв. /Вт, а по второму условию:

- для дома постоянного проживания 3,33 °С·м. кв./ Вт,

- для дома сезонного проживания 2,16 °С·м. кв./ Вт.

Таблица 1.1 — толщин и термических сопротивление материалов для условий Тамбова и Тамбовской области.

Наименование материала стены

Толщина стены и соответствующее ей термическое сопротивление

Необходимая толщина по первому условию (R=1,1 °С·м. кв./ Вт) и второму условию (R=3,33 °С·м. кв./ Вт)

Полнотелый керамический кирпич

510 мм, R=1,1 °С·м. кв. /Вт

510 мм

1550 мм

Керамзитобетон (плотность 1200 кг/куб.м.)

300 мм, R=0,8 °С·м. кв. /Вт

415 мм

1250 мм

Деревянныйбрус

150 мм, R=1,0 °С·м. кв. /Вт

165 мм

500 мм

Деревянный щит с заполнением минеральной ватой М 100

100 мм, R=1,33 °С·м. кв. /Вт

85 мм

250 мм

Таблица 1.2 — минимального приведенного сопротивления теплопередаче наружных конструкций в домах Тамбовской области.

Наружная стена

Окно, балконная дверь

Покрытие

Перекрытие чердачное

Перекрытие над холодными подвалом подполом

По первому условию

1,1

-

1,8

1,63

1,62

По второму условию

3,33

0,53

4,70

4,15

4,15

Из этих таблиц видно, что большинство загородного жилья в Тамбовской области не удовлетворяют требованиям по теплосбережению, при этом даже первое условие 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 II-3−79*[4]. Из вышеизложенного материала следует вывод. Для правильного выбора мощности котла и обогревательных приборов, необходимо рассчитать реальные Тепло потери помещений 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.

R = ДT/q, (1. 1)

где q — это количество тепла, которое теряет квадратный метр ограждающей поверхности. Его измеряют в ваттах на квадратный метр (Вт/м2); ДT — 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.)

Рисунок 1.1 — 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 1. 3 — Сопротивление теплопередачи различных материалов при ДT = 50 °C (Тнар. = -30 °С, Твнутр. = 20 °C.)

Материал и толщина стены

Сопротивление теплопередаче Rm,

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

O 25

O 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

Деревянныеполы

1,85

Двойныедеревянныедвери

0,21

Таблица 1.4 — Тепловые потери окон различной конструкции при ДT = 50 °C (Тнар. = -30 °С, Твнутр. = 20 °C.)

Типокна

RT

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

Примечания.

- 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 ДT,

- сопротивления теплопередаче R.

Температуру в помещении определим в 20 °C, а наружную температуру примем равной -30 °С. Тогда перепад температур ДT будет равным 50 °C. 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 Тепло потери 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 1.5 — Удельные Тепло потери элементов ограждения здания (на 1 кв.м. по внутреннему контуру стен) в зависимости от средней температуры самой холодной недели в году.

Характеристика ограждения

Наружная

темп- ра,

°С

Теплопотери, Вт/m2

Первыйэтаж

Верхнийэтаж

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 1.6 — Удельные Тепло потери 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, Вт/m2

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 тепловых потерь двух разных комнат одной площади с помощью таблиц. Пример 1. Угловая комната (первый этаж)

Рисунок 1.2 — Схема угловой комнаты

Характеристики комнаты: этаж первый, площадь комнаты — 16 кв.м. (5×3,2), 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. Рассчитаем площади теплоотдающих поверхностей.

Площадь наружных стен за вычетом окон:

Sстен (5+3,2)х2,7−2×1,0×1,6 = 18,94 кв. м.

Площадь окон:

Sокон = 2×1,0×1,6 = 3,2 кв. м.

Площадь пола:

Sпола = 5×3,2 = 16 кв. м.

Площадь потолка:

Sпотолка = 5×3,2 = 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 потери тепла каждой из поверхностей:

Qстен = 18,94×89 = 1686 Вт,

Qокон = 3,2×135 = 432 Вт,

Qпола = 16×26 = 416 Вт,

Qпотолка = 16×35 = 560 Вт.

Суммарные теплопотери комнаты составят: Qсуммарные = 3094 Вт.

Заметим, что через стены уходит тепла больше чем через окна, полы и потолок. Результат расчета показывает Тепло потери 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)

Рисунок 1.3 — Схема комнаты под крышей (мансарды)

Характеристики комнаты: этаж верхний, площадь 16 кв.м. (3,8×4,2), 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:

Sторц. стен = 2х (2,4×3,8−0,9×0,6−2×1,6×0,8) = 12 кв. м.

Площадь скатов крыши, ограничивающих комнату:

Sскатов. стен = 2×1,0×4,2 = 8,4 кв. м.

Площадь боковых перегородок:

Sбок. перегор = 2×1,5×4,2 = 12,6 кв. м.

Площадь окон:

Sокон = 4×1,6×1,0 = 6,4 кв. м.

Площадь потолка:

Sпотолка = 2,6×4,2 = 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.

Qторц. стен = 12×89 = 1068 Вт,

Qскатов. стен = 8,4×142 = 1193 Вт,

Qбок. перегор = 12,6×126×0,7 = 1111 Вт,

Qокон = 6,4×135 = 864 Вт,

Qпотолка = 10,92×35×0,7 = 268 Вт.

Суммарные теплопотери комнаты составят: Qсуммарные = 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 1.6 — Сопротивление теплопередаче и прохождению воздуха различных материалов ДT=40 °С (Тнар. =-20 °С, Твнутр. =20 °С.)

Слой стены

Толщина слоя стены (см)

Сопротивление теплопередаче слоя стены

Сопротивл. Воздухопроницаемости 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 отдельно учесть потери через стены, пол, потолок, окна. Конструкция стен предусматривает несколько слоев:

— гидроизоляция,

- утеплитель,

- несущаяконструкция,

- декоративнаяотделка.

Некоторые слои могут отсутствовать или выполнять несколько функций, например кирпичная кладка — несущая и утеплительная часть, а так же гидроизоляция. Выбор материалов для изготовления стен, полов и перекрытий в настоящий момент ограничен. Как правило, это: кирпичная кладка, железобетон, пенобетон, дерево. Следует расширить ассортимент за счет новых, современных материалов: минеральная вата, сайдинг, плитка. Таким образом, исходя из того, что для строительства коттеджа необходимо проделать огромный объем рутинной работы, а так же проектное решение, которое зависит только от опыта проектировщика, необходимо разработать систему автоматизированного проектирования для сокращения объема работы, оптимального выбора конструкционных материалов, учитывающую: различные варианты конструкций, современные материалы, а так же цену.

1. 2 Инженерная методика определения приведенных сопротивлений теплопередаче наружных стен со стержневыми связями

Выполнение современных российских норм теплозащиты для наружных стен возможно только с применением эффективных утеплителей. Для современных конструкций наружных стен характерно чередование таких утеплителей и тяжелых слоев. Внутреннее крепление слоев друг к другу выполняется с помощью регулярно уложенных теплопроводных металлических связей, нарушающих одномерность теплового потока через стену. Процесс теплопередачи в таких конструкциях трехмерен, т. к. распределение температуры в них определяется потоками теплоты не только перпендикулярными плоскости стены, но и вдоль плоскости стены. Подробный расчет теплопотерь через такие конструкции довольно трудоемок. Применяемая на практике экспертная оценка уменьшения сопротивления теплопередаче стены с помощью коэффициента теплотехнической однородности, как правило, бездоказательна. В связи с этим была предпринята попытка разработки простого инженерного метода расчета приведенного сопротивления теплопередаче стен со стержневыми металлическими связями. Целью выполненной работы являлось определение на основе решения трехмерного температурного поля зависимостей приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции от диаметра и шага раскладки металлических связей, коэффициентов теплопроводности материалов l и толщин d тяжелого внутреннего и утепляющего слоев. Расчет трехмерного температурного поля сводится к расчету множества дискретных значений температуры в трехмерной исследуемой области конечного размера, состоящей из участков с различной теплопроводностью, при известных условиях теплообмена на границах этой области, когда теплопроводность материала не зависит от искомых температур. Для расчетов трехмерного стационарного температурного поля, как правило, применяется метод конечных разностей, позволяющий с любой разумной точностью определить температурные и тепловые поля в толще и на поверхностях ограждений. Наиболее просто пространственная теплопроводность в многослойной стенке с единственным стержневым теплопроводным включением решается при описании задачи в цилиндрических координатах. Решение задачи выполнено в два этапа. На первом этапе в стене рассматривался регулярный осесимметричный элемент, осью симметрии которого является теплопроводная связь. Основным результатом расчета этого этапа являлось изменение температуры на внутренней поверхности стены в месте и вокруг теплопроводного включения. На втором этапе это распределение температуры являлось исходной информацией для получения методом суперпозиции температурного поля на внутренней поверхности при раскладке связей внутри стены с определенным шагом. По полученным температурам вычислялись тепловые потоки и коэффициенты теплотехнической однородности конструкции r, показывающие долю приведенного сопротивления теплопередаче конструкции со связями от условного сопротивления теплопередаче той же конструкции без связей.

Рисунок 1.4 — Зависимость коэффициента теплотехнической однородности r наружных стен со штукатурным фактурным слоем и ячеистобетонным внутренним слоем от диаметра и шага раскладки связей, коэффициента теплопроводности утеплителя и толщины его слоя:

а), г), ж) — при диаметре связи 3 мм;

б), д), з) — при диаметре связи 6 мм;

в), е), и) — при диаметре связи 8 мм;

а), б), в) — пришагах раскладки связей 300 мм;

г), д), и) — при шагах раскладки связей 500 мм;

ж), з), и) — при шагах раскладки связей 800 мм

Рисунок 1. 5-Исследование влияния различных факторов на приведенное сопротивление теплопередаче ограждения

Исследование проводилось на стенах, состоящих из тяжелого внутреннего слоя, наружной теплоизоляции, с внутренней штукатуркой, со штукатурным и кирпичным фасадными слоями. Факт влияния диаметра связей и шага их раскладки на коэффициент теплотехнической однородности r очевиден. Задачей расчета является количественная оценка этих факторов, кроме того, как было сказано выше, интерес вызывает зависимость r от толщин и коэффициентов теплопроводности материалов утеплителя и конструктивного слоев. На рис. 1.4 в качестве примера представлены результаты расчетов для стены из ячеистобетонных блоков с наружной штукатуркой по утеплителю. Для стен с кирпичным фасадом результаты практически идентичны. Рис. 1.4 свидетельствует о значительном влиянии каждого из упомянутых факторов на величину r, а значит, и на общее сопротивление теплопередаче. Чем лучше утеплитель и толще его слой, тем ниже коэффициент теплотехнической однородности стены. Сопротивление теплопередаче стены, тем не менее, возрастает. За определяющий фактор при построении кривых на рис. 1.4 принят коэффициент теплопроводности утепляющего слоя. Разумеется коэффициент теплопроводности внутреннего тяжелого слоя также оказывает влияние на величину r, однако, это влияние незначительно, что будет видно из дальнейшего изложения. Рис. 1.4 показывает, что при наиболее часто применяемых утеплителях, а с коэффициентом теплопроводности l< 0,55 Вт/(м * °С) коэффициент теплотехнической однородности конструкции принимает довольно низкие значения. Самое заметное влияние стержневые связи оказывают при кирпичных фасадах, когда диаметр связи равен 6 или даже 8 мм.

Рисунок 1. 6-Зависимость локальных коэффициентов теплотехнической однородности для тяжелых внутренних слоев и для фактурных слоев:

а), г), ж) — при диаметре связи 3 мм;

б), д), з) — при диаметре связи 6 мм;

в), е), и) — при диаметре связи 8 мм;

а), б), в) — при шагах раскладки связей 300 мм;

г), д), и) — при шагах раскладки связей 500 мм;

ж), з), и) — при шагах раскладки связей 800 мм

1.3 Предложение инженерного метода расчета сопротивления теплопередаче ограждения

Известно, что общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции без связей складывается из сопротивлений теплообмену на ее поверхностях и термических сопротивлений всех входящих в конструкцию слоев. Было бы удобно рассчитывать таким же образом ограждения с регулярными связями, уменьшая термическое сопротивление слоя, пронизанного связью, с помощью локального коэффициента теплотехнической однородности r. Тогда общее сопротивление теплопередаче можно рассчитать по формуле:

Где:

i — номер слоя без связи (i =1, 2, …, I; I — число слоев без связи);

j — номер слоя со связью (j = 1, 2, …, J; J — число слоев со связью);

бв, бн — коэффициент теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях, Вт/(м2 * °С);

д — толщина слоя, м;

l — коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м * °С).

Дальнейшие исследования были направлены на нахождение локальных коэффициентов r для утепляющих и конструктивных слоев ограждений. Попытка найти зависимости r от различных факторов с помощью расчетов однослойных конструкций привели к ошибочным результатам, т. к. искривление одномерного температурного поля обусловлено не только наличием связи в самом слое, но и искривлением поля в соседних слоях. Однако многослойные конструкции обычно состоят из внутренних конструктивных слоев, наружного утеплителя и фактурных слоев. Для такого случая и были проведены исследования. Рассчитывались стены с конструктивным и фактурным слоями, материал которых имеет коэффициент теплопроводности l от 0,26 до 2,04 Вт/ (м * °С) и с утепляющим слоем из материалов с l от 0,03 до 0,26 Вт/(м * °С). Расчеты показали, что в независимости от наличия или отсутствия внутренней штукатурки и от материала фактурного слоя локальные коэффициенты теплотехнической однородности могут быть обобщены для конструктивных и утепляющих слоев в зависимости только от диаметра и шага раскладки связи, коэффициента теплопроводности материала и толщины соответствующего слоя. Результаты обобщений для тяжелых внутренних и фактурных слоев показаны на рис. 1.2 и для теплоизоляционных слоев на рис. 1.3. Пользуясь представленными на рисунках значениями локальных коэффициентов r и предложенной формулой, можно рассчитать приведенное сопротивление теплопередаче многослойной конструкции, имеющей регулярно уложенные металлические связи. При несовпадении диаметра связи или шага раскладки нужные локальные значения r могут быть получены интерполяцией. Из рис. 1. 4, 1.6 видно, что локальные коэффициенты теплотехнической однородности для тяжелых слоев значительно выше, чем общие коэффициенты для конструкции в целом. Это объясняется тем, что в тяжелых слоях, у которых коэффициент теплопроводности достаточно велик, тепловой поток через толщу незначительно отличается от теплового потока, проходящего по стержневой связи. Из этого следует, что нетяжелые слои являются определяющими в искажении одномерности температурного поля при передаче теплоты через стену и уменьшении общего сопротивления теплопередаче конструкции. При сравнении рис. 1.7 и рис. 1.4 видно, что локальные коэффициенты теплотехнической однородности для утепляющих слоев ниже, чем общие коэффициенты r. То есть главную роль в искажении температурного поля и уменьшении общего сопротивления теплопередаче в конструкции со стержневыми связями играют утеплители.

Рисунок 1.7 — Зависимость локальных коэффициентов теплотехнической однородности для утепляющих слоев:

а), г), ж) — при диаметре связи 3 мм;

б), д), з) — при диаметре связи 6 мм;

в), е), и) — при диаметре связи 8 мм;

а), б), в) — при шагах раскладки связей 300 мм;

г), д), и) — при шагах раскладки связей 500 мм;

ж), з), и) — при шагах раскладки связей 800 мм

2. Технология постройки теплосберегающих элементов

Задача обеспечения необходимой прочности ограждающих конструкций на сегодняшний день имеет множество решений, но требования СНиП II-3−79 существенно ограничивают количество приемлемых вариантов, а в некоторых случаях на выбор конструкции стен оказывает влияние уровень затрат на приобретение материалов и стоимость выполнения работ.

Конструктивные решения стен можно разделить на две большие группы:

- однородные стены, для возведения которых используется один конструкционный материал по всей толщине в горизонтальном направлении;

- комбинированные стены, в конструкции которых применяется два (или более) строительных материала.

К первой группе относятся традиционно используемые в малоэтажном коттеджном строительстве кирпичные, каменные и деревянные (бревенчатые и брусовые) конструкции, а также стены из современных материалов, (блоки из легкого бетона, крупноформатные керамические блоки и т. п.), отличающихся более высокими теплоизоляционными характеристиками.

В комбинированных стенах применяется два и более основных строительных материала, выполняющих различные функции. Один материал может быть применен для возведения основной несущей конструкции, второй — использоваться как утеплитель, а третий — защищать сооружение от неблагоприятного воздействия атмосферных явлений. К таким конструкциям относятся дома, выполненные по каркасно-щитовой технологии, деревянные дома с кирпичной облицовкой, а также дома, утепленные с помощью штукатурных или вентилируемых фасадных систем. Подобных вариантов конструкций стен достаточно. Наиболее распространенные варианты стеновых конструкций с применением древесины.

2.1 Бревенчатые стены

Конструкция стен образуется бревнами, уложенными горизонтальными рядами и связанными между собой в углах врубками. Горизонтальный ряд бревен по всему периметру дома называется венцом, а вся конструкция стен дома — срубом. Необработанные бревна имеют форму конуса, поэтому при сборке сруба необходимо производить определенную селекцию материала. Профили угловых перевязок и горизонтальных стыков бревен отличаются достаточно сложной индивидуальной формой, а их выполнение на строительной площадке требует немалых трудозатрат и высокой квалификации исполнителей. Сруб из бревен естественной влажности желательно сначала собрать начерно (без уплотнения стыков) и позволить ему «выстояться» в течение определенного срока; лишь затем конструкция собирается начисто. Современные технологии позволили усовершенствовать и ускорить процесс возведения бревенчатых домов. Прежде всего, это коснулось геометрии исходного материала: обработанное в промышленных условиях бревно имеет идеальную цилиндрическую форму, что дает возможность изготавливать сруб в заводских условиях, производя выборки всех необходимых профилей на высокопроизводительном и точном оборудовании. Компьютерные технологии решили проблему проектирования и деталировки всей конструкции сруба. Таким образом, заказчик получает полный набор деталей дома, сборка которого занимает сравнительно немного времени и не требует привлечения плотников высокой квалификации. Существенный компонент технологии производства таких домов -промышленная сушка древесины, позволяющая производить отделочные работы сразу после сборки коробки. Если же фирма-поставщик предлагает комплект дома из материала естественной влажности, то внутренние отделочные работы следует производить несколько позже, лучше всего спустя год, хотя эксплуатировать дом можно сразу после постройки.

2.2 Стены из бруса

Технология возведения сооружений из бруса очень похожа на строительство бревенчатых домов. Отличия касаются в основном угловых стыков венцов, а прямоугольное сечение бруса существенно упрощает сборку конструкции. Еще более технологичным материалом является профилированный брус, форма поперечного сечения которого позволяет максимально уплотнить горизонтальные стыки между венцами. Необходимо учитывать тот факт, что при изготовлении бруса удаляется наиболее твердая наружная оболочка, поэтому брус (по сравнению с бревном) в большей степени подвержен поводкам, обусловленным изменением влажности материала, а мягкая древесина менее устойчива к атмосферным воздействиям. Такие стены более всего требуют наружной антисептической обработки. Увеличить срок службы брусовых домов можно путем обшивки стен досками, виниловым сайдингом или другими облицовочными материалами. Очень хороший эффект дает облицовка кирпичом. Работы по отделке фасада должны проводиться не менее чем через два года после окончания строительства, когда усадки конструкций стен практически прекращаются.

Наиболее совершенным материалом этой категории является клееный брус, у которого практически отсутствуют поводки, вызываемые изменением влажности древесины. Клееный брус обладает повышенными прочностными характеристиками, а незначительный уровень деформации дает возможность применять достаточно сложные профили, обеспечивающие герметичность горизонтальных стыков венцов даже без использования дополнительных уплотнителей. Этот материал поставляется только в сухом состоянии, собранная из него конструкция дает минимальные усадки, что позволяет производить внутренние и наружные отделочные работы сразу после строительства коробки. К недостаткам клееного бруса можно отнести сравнительно высокую стоимость, которая в 2−3 раза превышает стоимость оцилиндрованного бревна или обычного бруса.

Бревенчатые или брусовые стены совмещают функции конструкционного материала, воспринимающего эксплуатационные нагрузки, и теплоизолятора, уменьшающего потери тепла в холодное время года. Необходимый уровень теплозащиты, отвечающий требованиям СНиП II-3−79, обеспечивается при толщине деревянных стен не менее 250−260 мм, что требует значительных объемов древесины для строительства дома. В настоящее время стоимость 1 м³ пиломатериалов хорошего качества составляет 3000−3500 руб., а минимальная стоимость комплекта дома из оцилиндрованного бревна диаметром 220 мм оценивается в 200 у.е. /м2. Конечно, строгое соблюдение требований «Строительной теплотехники» актуально только для домов, предназначенных для постоянного проживания, но и при уменьшенной толщине стен строительство деревянного рубленого дома — затея не из дешевых.

Снизить расход древесины, а, следовательно, и стоимость квадратного метра жилья, позволяет использование дерева только в качестве конструкционного материала. Классическим примером такой технологии является каркасно-щитовая конструкция стен.

2. 3 Каркасно-щитовые конструкции

По расходу материалов и трудоемкости возведения каркасные стены являются самыми экономичными. Они требуют в 2−3 раза меньше древесины, чем бревенчатые или брусовые, и примерно во столько же раз легче. Из дерева собирается только каркас (скелет) дома, а для придания стенам необходимых теплоизоляционных свойств применяется эффективный утеплитель (минеральная вата, стекловолокно, пенополистирол), который заполняет пространство между силовыми элементами каркаса. Для устройства наружной обшивки могут быть использованы любые панельные материалы, пригодные для наружного применения (водостойкая фанера, фиброцементная плита, ЦСП или ОСВ плиты и т. д.), доска или вагонка, для внутренней — доска, фанера, гипсокартон. Наибольшее распространение такие конструкции получили в садово-дачном строительстве для возведения небольших домов летнего проживания. В последнее время эта технология, известная под названием «канадский дом», все шире применяется и для строительства коттеджей значительных размеров, рассчитанных на круглогодичное проживание. На строительном рынке представлено множество фирм, предлагающих сборные панельные дома, в основе которых лежит все та же каркасно-щитовая конструкция модулей (панелей), из которых собирается здание. Использование этой технологии позволяет существенно сократить сроки монтажа дома (на готовом фундаменте), а практически полное отсутствие усадки дает возможность приступать к отделочным работам сразу после возведения коробки. Следует отметить, что (при условии грамотного и качественного монтажа) каркасные дома успешно эксплуатируются не один десяток лет, по комфортности проживания почти не уступают рубленым домам и могут превосходить их по показателям энергосбережения.

К группе комбинированных конструкций на основе древесины относятся и сооружения из так называемого комбинированного клееного бруса, когда в середину материала вводится утеплитель, а наружная и внутренняя поверхности выполняются из дерева и имитируют брусовые или бревенчатые стены. Применение комбинированного клееного бруса позволяет снизить вес всей конструкции дома, сократить расход древесины и обеспечить необходимые теплоизоляционные характеристики при меньшей (по сравнению с цельнодеревянными) толщине стен.

Высокие теплоизолирующие свойства наружных стен здания позволяют не только уменьшить потери тепла в холодное время года, но и летом в жаркое время года позволяют оградить внутреннее пространство дома от излишнего притока тепла, что обеспечивает сохранение прохлады в жилище. Об этом стоит помнить и при строительстве небольшого садового домика и значительного по размерам загородного коттеджа.

2. 4 Кирпичные стены

Несмотря на появление большого количества современных материалов, при строительстве малоэтажных индивидуальных домов наиболее часто используется кирпич. Хорошо развитая производственная база, высокие эксплуатационные характеристики (долговечность и прочность), возможность создания сложных архитектурных форм и декоративных деталей при кладке стен, а также соображения престижа обеспечили этому материалу огромную популярность.

Наибольшее распространение получили два типа кирпича: керамический (глиняный) и силикатный, производимый из известково-песчаной смеси с различного рода добавками.

Силикатный кирпич пользуется невысокой популярностью, т.к. хорошо впитывает влагу и, как следствие, обладает сравнительно невысокой морозостойкостью. Кроме того, силикатный кирпич отличается от керамического повышенной плотностью и пониженными теплоизоляционными характеристиками, стеновые конструкции получаются более тяжелыми, что требует сооружения фундамента повышенной прочности.

Глиняный кирпич по структуре может быть полнотелым или пустотным. Пустоты в материале организуются при его формовании и могут быть сквозными или несквозными. Пустотные кирпичи легче полнотелых, а кладка из них обладает лучшими теплоизоляционными свойствами. Уменьшение массы кирпича, обусловленное наличием пустот, позволяет производить камни большего, чем стандартный (250×125×65 мм) размера. Использование полуторных (250×125×88 мм) и двойных (250×125×138 мм) кирпичей дает возможность снизить расход кладочного раствора, а также сократить время, необходимое для возведения стен.

Сплошная кирпичная стена, удовлетворяющая требованиям СНиП II-3−79, даже при использовании только пустотных крупноформатных кирпичей, должна иметь толщину 0,8−0,9 м. В то же время, конструктивная прочность ограждающих конструкций 1−3-этажного здания достигается при значительно меньшей толщине стен. Существует несколько путей минимизации объема используемого материала при одновременном обеспечении конструктивной прочности и требуемых теплоизоляционных характеристик сооружения:

- использование крупноформатных блоков из поризованной керамики со специально организованной пустотностью. Наличие микропор снижает плотность и улучшает теплоизоляционные характеристики керамики. При этом прочностные характеристики таких изделий достаточны для возведения несущих стеновых конструкций. Использование подобных материалов позволяет соблюсти последние требования строительной теплотехники при толщинах стен 51−64 см;

- применение колодцевых кладок с последующим заполнением образующихся полостей эффективным утеплителем. Между наружной (фасадной) кладкой, толщина которой, как правило, 125 мм, и внутренней (несущей), толщина которой выбирается из конструктивных соображений (чаще всего 250 мм), организуются связи из кирпичных перевязок. Такая конструкция позволяет уменьшить расход кирпича, а помещенный внутрь стены утеплитель обеспечивает необходимые теплофизические свойства. Общая толщина таких стен может составлять 51−64 см (в зависимости от толщины применяемого утеплителя);

- применение различных систем наружного утепления фасадов. В этом случае толщина кладки и материал (тип и сорт кирпича) выбираются только из соображений прочности конструкции, а необходимый уровень теплоизоляции обеспечивается системой утепления. Общая толщина стеновой конструкции с системой утепления может составить 40−45 см;

- использование новых марок кирпича, обладающих пониженной объемной плотностью и, как следствие, низким коэффициентом теплопроводности.

Кирпичный дом — это не только добротное строение, конструкция и материал стен которого позволяет использовать для оформления фасада и внутренней отделки весь имеющийся на сегодняшний день спектр отделочных материалов, но и самый дорогой вариант индивидуального дома. В начале текущего строительного сезона стоимость возведения коробки дома (без внутренней отделки) составляла 250−350 у.е. /м2. Следует быть готовым к тому, что за один сезон завершить строительство и внутреннюю отделку дома не удастся. Разделить процессы возведения коробки и внутренней отделки полезно и с той точки зрения, что вновь выстроенный дом может после первой зимы дать осадку, что приведет к повреждению дорогостоящей отделки.

2. 5 Стены из бетона

В настоящее время при строительстве малоэтажных и индивидуальных домов все шире применяются стеновые блоки из легкого бетона, отличающиеся по типу заполнителя и основного вяжущего, а также по способу производства. Наибольшую популярность среди изделий этой группы получили блоки из ячеистого бетона, получаемые путем автоклавного синтеза: газобетон, газосиликатобетон (газосиликат) и сланцезольный газобетон.

Современные линии по выпуску блоков из ячеистого бетона позволяют изготавливать изделия с высокой точностью соблюдения геометрических размеров, что, в свою очередь, дает возможность до минимума сократить толщину растворных швов при кладке стен. К числу основных характеристик ячеистых бетонов относятся их средняя плотность и прочность на сжатие. Установлены следующие марки по средней плотности:

- теплоизоляционный ячеистый бетон — 300−500 кг/м3;

- конструктивно-теплоизоляционный ячеистый бетон — 600−900 кг/м3;

- конструкционный ячеистый бетон — 1000−1200 кг/м3.

- прочность на сжатие — В1-В12,5.

Теплоизоляционные свойства этих материалов в 2−2,5 раза выше, чем у кирпича (в диапазоне плотностей 400−700 кг/м3), что позволяет (при собюдении СНиП II-3−79) выполнять стены здания меньшей толщины (в сравнении с кирпичом). При этом из-за небольшой плотности ячеистого бетона вся конструкция стен получается в 2−3 раза легче, что упрощает конструкцию фундамента и уменьшает его массу. Вследствие высокой пористости газобетонные изделия обладают повышенным влагопоглощением, поэтому фасад здания после окончания возведения стен необходимо покрывать составами, создающими на поверхности влагозащитную паропроницаемую пленку. В продаже имеется много подобных грунтовок, отвечающих требованиям ячеистых бетонов. По отзывам специалистов, комфортность проживания и внутренний микроклимат в домах из ячеистого бетона приближаются к показателям деревянных домов. Учитывая, что для возведения равноценных в отношении сбережения тепла стеновых конструкций газобетона понадобится в 1,5−2 раза меньше, чем кирпича, становится очевидным, что и затраты на строительство будут существенно ниже.

2. 6 Пенобетон (газобетон неавтоклавного синтеза)

Пенобетон отличается от ячеистого бетона меньшей прочностью на сжатие при одинаковых теплофизических параметрах. В диапазоне плотностей от 300 до 1200 кг/м3 предел прочности на сжатие составляет 0,25−12,5 МПа. Область применения пенобетона и изделий из него такая же, как у газобетона с той лишь разницей, что техология получения этого материала позволяет (при условии наличия необходимого оборудования) получать его непосредственно на строительной площадке, используя для заливки монолитных конструкций дома. Пенобетон применяется в качестве утеплителя кирпичных стен, выполненных колодцевой кладкой, перекрытий дома и т. д.

2. 7 Керамзитобетон

Сочетание легкого заполнителя (керамзита) с цементным тестом позволяет получать строительные блоки и другие конструкции малой плотности (800−1200 кг/м3). Производство керамзитобетонных блоков налажено на многих комбинатах железобетонных изделий, поэтому проблем с приобретением этого материала, как правило, не возникает. Следует учитывать, что при плотности 1200 кг/м3 коэффициент теплопроводности керамзитобетона немногим меньше, чем у пустотного кирпича, поэтому существенного выигрыша в толщине наружных стен ожидать не приходится. Стоимость 1 м³ керамзитобетонных блоков сравнима, а в некоторых случаях и превышает (в зависимости от изготовителя), стоимость 1 м³ керамического кирпича. Показатели прочности (при одинаковой плотности) керамзитобетона и ячеистого бетона одинаковы, как и коэффициенты влагопоглощения. Монтаж блоков аналогичен кирпичной кладке с применением цементных растворов. Этот материал, имеющий крупнопористую структуру, обусловленную присутствием керамзита, обрабатывается (пилится и штробится) хуже, чем ячеистый и пенобетон. Керамзитобетон и изделия из него меньшей плотности довольно редко встречаются на рынке материалов. Очень часто этот материал используется для возведения монолитных конструкций.

2.8 Полистиролбетон

Этот материал на основе цементного связующего и пенополистирольного наполнителя сочетает в себе прочность бетона, легкость обработки, присущую древесине, а также высокие тепло- и звукоизолирующие свойства, которыми отличается пенополистирол. Сплошные блоки из этого материала предназначены для устройства стен зданий различного назначения в соответствии с новыми требованиями СНиП II-3−79. Блоки выпускаются со средней плотностью 250−550 кг/м3, и по области применения подразделяются на теплоизоляционные (250−350 кг/м3), предназначенные для использования в самонесущих стенах и ненесущих конструкциях (в основном как утеплитель), и конструкционные (400−550 кг/м3), предназначенные для устройства несущих конструкций зданий и сооружений. Полистиролбетон допущен для возведения несущих стен жилых зданий до трех этажей с мансардой, что вполне достаточно для индивидуального строительства. Показатели прочности полистиролбетона на сжатие существенно (в 2−3 раза) выше, а водопоглощения ниже, чем у ячеистого бетона. Блоки выпускаются двух размеров — 1200×300×300 мм и 600×300×375 мм. Монтаж блоков с использованием цементного раствора или клеевой композиции аналогичен кирпичной кладке. Материал легко пилится, гвоздится, штробится и обладает высокой долговечностью (не менее 50 лет). К сожалению, стоимость полимербетона пока еще достаточно высока (2500 руб. /м3).

2. 9 Тяжелый бетон

Бетонные блоки (средняя плотность 2200−2500 кг/м3) наряду с высокой несущей способностью обладают низкими тепло- и звукоизолирующими свойствами. Для улучшения последнего показателя, при кладке стен применяют пустотные бетонные блоки с последующим заполнением пустот утеплителем, что позволяет получить характеристики теплопроводности, близкие к кирпичной кладке из пустотных камней. Часто пустотные блоки используют как несъемную опалубку, замоноличивая пространство внутри стены бетоном с металлическим армированием, но подобные конструкции требуют дополнительного утепления для повышения коэффициента термического сопротивления стены. В последние годы налажено широкомасштабное производство бетонных блоков с офактуренной наружной поверхностью, чаще всего имтирующей колотый камень, что позволяет получать интересные архитектурные решения фасада. Особенно актуально применение таких блоков для устройства цокольных частей здания, эксплуатируемых в наиболее неблагоприятных условиях. Такое решение гораздо более практично, чем штукатурная отделка или облицовка, а введение пигментов в исходный материал (бетон) позволяет получать различные цветовые решения отделки, не требующей в дальнейшем частого обновления (окраски).

2. 10 Монолитное домостроение

Эта технология, ранее использовавшаяся только в индустриальном строительстве, получает все более широкое распространение и в индивидуальном домостроении. В рамках этой технологии можно выделить два главенствующих направления: применение сборно-разборных опалубочных систем и несъемных опалубок из пенополистирола.

Сборно-разборные опалубки широко применяются при возведении многоэтажных зданий жилого и административного назначения. Существует два варианта конструкций домов, выполняемых подобным образом:

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой