Теплотехнический расчет конструкций: что это такое и как проводится

В климатических условиях северных географических широт для строителей и архитекторов крайне важен верно сделанный тепловой расчет здания. Полученные показатели дадут для проектирования необходимые сведения, в том числе и об используемых материалах для строительства, дополнительных утеплителях, перекрытиях и даже об отделке.

В целом теплорасчет влияет на несколько процедур:

• учет проектировщиками при планировании расположения комнат, несущих стен и ограждений;
• создание проекта отопительной системы и вентиляционных сооружений;
• подбор стройматериалов;
• анализ условий эксплуатации постройки.

Все это связано едиными значениями, полученными в результате расчетных операций. В этой статье мы расскажем, как сделать теплотехнический расчет наружной стены здания, а также приведем примеры использования этой технологии.

Задачи проведения процедуры

Ряд целей актуален только для жилых домов или, напротив, промышленных помещений, но большинство решаемых проблем подходит для всех построек:

• Сохранение комфортных климатических условий внутри комнат. В термин «комфорт» входит как отопительная система, так и естественные условия нагревания поверхности стен, крыши, использование всех источников тепла. Это же понятие включают и систему кондиционирования. Без должной вентиляции, особенно на производстве, помещения будут непригодны для работы.
• Экономия электроэнергии и других ресурсов на отопление. Здесь имеют место следующие значения:
  • удельная теплоемкость используемых материалов и обшивки;
  • климат снаружи здания;
  • мощность отопления.

Крайне неэкономично проводить отопительную систему, которая просто не будет использоваться в должной степени, но зато будет трудна в установлении и дорога в обслуживании. То же правило можно отнести к дорогостоящим стройматериалам.

Теплотехнический расчет – что это

Теплорасчет позволяет установить оптимальную (две границы – минимальная и максимальная) толщину стен ограждающих и несущих конструкций, которые обеспечат длительную эксплуатацию без промерзаний и перегревов перекрытий и перегородок. Иначе говоря, эта процедура позволяет вычислить реальную или предполагаемую, если она проводится на этапе проектирования, тепловую нагрузку здания, которая будет считаться нормой.

В основу анализа входят следующие данные:

• конструкция помещения – наличие перегородок, теплоотражающих элементов, высота потолков и пр.;
• особенности климатического режима в данной местности – максимальные и минимальные границы температур, разница и стремительность температурных перепадов;
• расположенность строения по сторонам света, то есть учет поглощения солнечного тепла, на какое время суток приходится максимальная восприимчивость тепла от солнца;
• механические воздействия и физические свойства строительного объекта;
• показатели влажности воздуха, наличие или отсутствие защиты стен от проникновения влаги, присутствие герметиков, в том числе герметизирующих пропиток;
• работа естественной или искусственной вентиляции, присутствие «парникового эффекта», паропроницаемость и многое другое.

При этом оценка этих показателей должна соответствовать ряду норм – уровню сопротивления теплопередаче, воздухопроницаемости и пр. Рассмотрим их подробнее.

Требования по теплотехническому расчету помещения и сопутствующая документация

Государственные проверяющие органы, руководящие организацией и регламентацией строительства, а также проверкой выполнения техники безопасности, составили СНиП № 23-02-2003, в котором подробно излагаются нормы проведения мероприятий по тепловой защите зданий.

Документ предлагает инженерные решения, которые обеспечат наиболее экономичный расход теплоэнергии, которая уходит на отопление помещений (жилых или промышленных, муниципальных) в отопительный период. Эти рекомендации и требования были разработаны с учетом вентиляции, конверсии воздуха, а также со вниманием к месторасположению точек поступления тепла.

СНиП – это законопроект на федеральном уровне. Региональная документация представлена в виде ТСН – территориально-строительных норм.

Не все постройки входят в юрисдикцию этих сводов. В частности, не проверяются по этим требованиям те строения, которые отапливаются нерегулярно или вовсе сконструированы без отопления. Обязательным теплорасчет является для следующих зданий:

• жилые – частные и многоквартирные дома;
• общественные, муниципальные – офисы, школы, больницы, детские сады и пр.;
• производственные – заводы, концерны, элеваторы;
• сельскохозяйственные – любые отапливаемые постройки с/х назначения;
• складские – амбары, склады.

В тексте документа прописаны нормы для всех тех составляющих, которые входят в теплотехнический анализ.

Требования к конструкциям:

• Теплоизоляция. Это не только сохранение тепла в холодное время года и недопущение переохлаждений, промерзаний, но и защита от перегрева летом. Изоляция, таким образом, должна быть обоюдосторонней – предупреждение влияний извне и отдачи энергии изнутри.
• Допустимое значение перепада температур между атмосферой внутри здания и терморежимом внутренней части ограждающих конструкций. Это приведет к скоплению конденсата на стенах, а также к негативному влиянию на здоровье людей, находящихся в помещении.
• Теплоустойчивость, то есть температурная стабильность, недопущение резких перемен в нагреваемом воздухе.
• Воздухопроницаемость. Здесь важен баланс. С одной стороны, нельзя допустить остывания постройки из-за активной отдачи тепла, с другой стороны, важно предупредить появление «парникового эффекта». Он бывает, когда использован синтетический, «недышащий» утеплитель.
• Отсутствие сырости. Повышенная влажность – это не только причина для появления плесени, но и показатель, из-за которого происходят серьезные потери теплоэнергии.

Как делать теплотехнический расчет стен дома – основные параметры

Перед тем как приступить к непосредственному теплорасчету, нужно собрать подробные сведения о постройке. В отчет будут входить ответы на следующие пункты:

• Назначение здания – жилое это, промышленное или общественное помещение, конкретное предназначение.
• Географическая широта участка, где находится или будет располагаться объект.
• Климатические особенности местности.
• Направление стен по сторонам света.
• Размеры входных конструкций и оконных рам – их высота, ширина, проницаемость, тип окон – деревянные, пластиковые и пр.
• Мощность отопительного оборудования, схема расположения труб, батарей.
• Среднее количество жильцов или посетителей, работников, если это промышленные помещения, которые находятся внутри стен единовременно.
• Стройматериалы, из которых выполнены полы, перекрытия и любые другие элементы.
• Наличие или отсутствие подачи горячей воды, тип системы, которая за это отвечает.
• Особенности вентиляции, как естественной (окна), так и искусственной – вентиляционные шахты, кондиционирование.
• Конфигурация всего строения – количество этажей, общая и отдельная площадь помещений, расположение комнат.

Когда эти данные будут собраны, инженер может приступать к расчету.

Мы предлагаем вам три метода, которыми чаще всего пользуются специалисты. Также можно использовать комбинированный способ, когда факты берутся из всех трех возможностей.

Варианты теплового расчета ограждающих конструкций

Вот три показателя, которые будут приниматься за главный:

• площадь постройки изнутри;
• объем снаружи;
• специализированные коэффициенты теплопроводности материалов.

Теплорасчет по площади помещений

Не самый экономичный, но наиболее частотный, особенно в России, способ. Он предполагает примитивные вычисления исходя из площадного показателя. При этом не учитывается климат, полоса, минимальные и максимальные температурные значения, влажность и пр.

Также в учет не берут основные источники теплопотерь, такие как:

• Вентиляционная система – 30-40%.
• Скаты крыши – 10-25%.
• Окна и двери – 15-25%.
• Стены – 20-30%.
• Пол на грунте – 5-10%.

Эти неточности из-за неучета большинства важных элементов приводят к тому, что сам теплорасчет может иметь сильную погрешность в обе стороны. Обычно инженеры оставляют «запас», поэтому приходится устанавливать такое отопительное оборудование, которое полностью не задействуется или грозит сильному перегреву. Нередки случаи, когда одновременно монтируют отопление и систему кондиционирования, так как не могут правильно рассчитать теплопотери и теплопоступления.

Используют «укрупненные» показатели. Минусы такого подхода:

• дорогостоящее отопительное оборудование и материалы;
• некомфортный микроклимат внутри помещения;
• дополнительная установка автоматизированного контроля за температурным режимом;
• возможные промерзания стен зимой.

Формула:

Q=S*100 Вт (150 Вт)

• Q – количество тепла, необходимое для комфортного климата во всем здании;
• Вт S – отапливаемая площадь помещения, м.

Значение 100-150 Ватт является удельным показателем количества тепловой энергии, приходящейся для обогрева 1 м.

Если вы выбираете этот метод, то прислушайтесь к следующим советам:

• Если высота стен (до потолка) не более трех метров, а количество окон и дверей на одну поверхность 1 или 2, то умножайте полученный результат на 100 Вт. Обычно все жилые дома, как частные, так и многоквартирные, используют это значение.
• Если в конструкции присутствуют два оконных проема или балкон, лоджия, то показатель возрастает до 120-130 Вт.
• Для промышленных и складских помещений чаще берется коэффициент в 150 Вт.
• При выборе отопительных приборов (радиаторов), если они будут расположены возле окна, стоит прибавить их проектируемую мощность на 20-30%.

Теплорасчет ограждающих конструкций по объему здания

Обычно такой способ используется для тех строений, где высокие потолки – более 3 метров. То есть промышленные объекты. Минусом такого способа является то, что не учитывается конверсия воздуха, то есть то, что вверху всегда теплее, чем внизу.

Формула:

Q=V*41 Вт (34 Вт)

• V – наружный объем строения в м куб;
• 41 Вт – удельное количество тепла, необходимое для обогрева одного кубометра здания. Если строительство ведется с применением современных строительных материалов, то показатель равен 34 Вт.

Для общей формулы мы советуем дополнительно использовать коэффициенты – это число, на которое нужно умножить результат:

• Стекла в окнах:
  • двойной пакет – 1;
  • переплет – 1,25.
• Материалы утеплителя:
  • новые современные разработки – 0,85;
  • стандартная кирпичная кладка в два слоя – 1;
  • малая толщина стен – 1,30.
• Температура воздуха зимой:
  • -10 – 0,7;
  • -15 – 0,9;
  • -20 – 1,1;
  • -25 – 1,3.
• Процент окон в сравнении с общей поверхностью:
  • 10% – 0,8;
  • 20% – 0,9;
  • 30% – 1;
  • 40% – 1,1;
  • 50% – 1,2.

Все эти погрешности могут и должны быть учтены, однако, редко используются в реальном строительстве.

Пример теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций здания методом анализа используемого утеплителя

Если вы самостоятельно возводите жилой дом или коттедж, то мы настоятельно рекомендуем продумать все до мелочей, чтобы в итоге сэкономить и сделать оптимальный климат внутри, обеспечить долгую эксплуатацию объекта.

Для этого нужно решить две задачи:

• сделать правильный теплорасчет;
• установить систему отопления.

Данные для примера:

• угловая жилая комната;
• одно окно – 8,12 м кв;
• регион – Московская область;
• толщина стен – 200 мм;
• площадь по наружным параметрам – 3000*3000.

Необходимо выяснить, какая мощность нужна для обогрева 1 м кв помещения. Результатом будет Qуд = 70 Вт. Если утеплитель (толщина стен) будет меньше, то значения также будут ниже. Сравним:

• 100 мм – Qуд= 103 Вт.
• 150 мм – Qуд= 81 Вт.

Этот показатель будет учитываться при прокладке отопления.

Программное обеспечение при проектировании отопительной системы

С помощью компьютерных программ от компании «ЗВСОФТ» можно рассчитать все материалы, затраченные на отопление, а также сделать подробный поэтажный план коммуникаций с отображением радиаторов, удельной теплоемкости, энергозатрат, узлов.

Фирма предлагает базовый САПР для проектных работ любой сложности – ZWCAD 2018 Professional. В нем можно не только сконструировать отопительную систему, но и создать подробную схему для строительства всего дома. Это можно реализовать благодаря большому функционалу, числу инструментов, а также работе в двух– и трехмерном пространстве.

К базовому софту можно установить надстройку ИНЖКАД. Эта программа разработана для проектирования всех инженерных систем, в том числе для отопления. С помощью легкой трассировки линий и функции наслоения планов можно спроектировать на одном чертеже несколько коммуникаций – водоснабжение, электричество и пр.

Перед постройкой дома сделайте теплотехнический расчет. Это поможет вам не ошибиться с выбором оборудования и покупкой стройматериалов и утеплителей.