Теплотехнический расчёт стены

Теги: #ЛИРА-САПР #теплопроводность #верификация

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/м³
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]:

D_d = (t_int - t_ht) z_ht

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].

D_d = (20–(-8))*241=6748 °С•сут

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

R_req = a D_d + b

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 м²*°С/Вт,

Определение приведённого сопротивления теплопередаче стены

Согласно п.Е.2 СП 50.13330.2012 сопротивление теплопередачи многослойных ограждающих конструкций вычисляется по формуле:

где α_в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²*°С), принимаемый по табл. 4 СП 50.13330.2012;
α_н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкций для условий холодного периода, Вт/(м²*°С), принимаемый по таблице 6 СП 50.13330.2012;

R_s — термическое сопротивление слоя однородной части фрагмента (м²*°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

Температурный перепад:

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

Моделирование однородной стены в ЛИРА САПР. Решение стационарной задачи

Схема ограждающей конструкции:

Поперечный разрез стены

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

Шаг 1 геометрия

Окно задания параметров генерации балки-стенки

КЭ-модель

При создании КЭ-модели для расчёта задачи теплопроводности необязательно выполнять сгущение сетки КЭ для достижения более точного результата.

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.

Элементы конвекции

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.

При решении стационарной задачи, характеристики С и R0 допускается принимать равными 1.

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.

Коэффициент для внутренней поверхности ограждения — таблица 4, СП 50.13330.2012
Коэффициент для наружной поверхности ограждения — таблица 6, СП 50.13330.2012

КЭ-модель. Назначены жёсткости слоям стены. Параметры жёсткости элементов конвекции

Шаг 4 Внешняя нагрузка

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

Задание температуры воздуха

Просмотр результатов.

Результаты расчёта. Изополя температур.

Результаты расчёта. Мозаика температур.

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.

Чертёж ограждающей конструкции

Определение приведённого сопротивления теплопередаче с учётом неоднородностей

Приведённое сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания R^пр₀, (м²*°C)/Вт, следует определять по формуле:

где R^усл₀ — осреднённое по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, (м²*°C)/Вт;
l_j — протяжённость линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м²;
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 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт./м²;
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 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м²/м²;

где A_i — площадь i-й части фрагмента, м²;
U_i — коэффициент теплопередачи i-й части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент i-го вида), Вт/(м²*°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*d²/4*(1000/50)=1.41372 см²/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 см²/м

d_ут, 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 см²/м

d_ут, 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, см²/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 м²*°С/Вт.

КЭ-модель стены с теплопроводными включениями

Просмотр результатов

Результаты расчёта неоднородной конструкции. Изополя температур.

Результаты расчёта неоднородной конструкции. Мозаика температур.

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:

Параметр	Результаты ручного расчёта	Результаты ЛИРА-САПР	Погрешность
Расчётное сопротивление теплопередаче однородной стены (м²*°С)/Вт	4.694	4.695	-0.021304%
Расчётное сопротивление теплопередаче стены с теплопроводными включениями (м²*°С)/Вт	3.58627	3.605	0.5222696562%