Obliczenia cieplne budynku: specyfika i wzory wykonywania obliczeń + praktyczne przykłady

Podczas eksploatacji budynku niepożądane jest zarówno przegrzewanie, jak i przemarzanie. Znalezienie złotego środka umożliwią obliczenia cieplne, które są równie ważne jak obliczenia ekonomiczności, wytrzymałości, odporności ogniowej i trwałości.

Na podstawie norm cieplnych, charakterystyk klimatycznych, paro- i wilgocioprzepuszczalności dokonuje się wyboru materiałów do budowy przegród budowlanych. Jak wykonać te obliczenia, omówimy w artykule.

Cel obliczeń cieplnych

Od właściwości cieplnych głównych przegród budynku zależy wiele. Są to wilgotność elementów konstrukcyjnych oraz wskaźniki temperatury, które wpływają na obecność lub brak kondensatu na ścianach działowych i stropach.

Obliczenia pokażą, czy będą utrzymywane stabilne parametry temperatury i wilgotności przy dodatnich i ujemnych temperaturach. W skład tych parametrów wchodzi również wskaźnik ilości ciepła traconego przez przegrody budowlane w okresie zimowym.

Nie można rozpocząć projektowania bez posiadania wszystkich tych danych. Na ich podstawie wybiera się grubość ścian i stropów oraz kolejność warstw.

Zgodnie z normą GOST 30494-96 wartości temperatury wewnątrz pomieszczeń. Średnio wynosi 21⁰. Przy tym wilgotność względna musi utrzymywać się w komfortowych granicach, średnio 37%. Maksymalna prędkość ruchu mas powietrza — 0,15 m/s.

Obliczenia cieplne mają na celu określenie:

1. Czy konstrukcje są zgodne z deklarowanymi wymaganiami pod względem ochrony cieplnej?
2. Czy w wystarczającym stopniu zapewniony jest komfortowy mikroklimat wewnątrz budynku?
3. Czy zapewniona jest optymalna ochrona cieplna konstrukcji?

Główna zasada — zachowanie równowagi różnicy wskaźników temperatury atmosfery wewnętrznych konstrukcji przegród i pomieszczeń. Jeśli nie jest to przestrzegane, te powierzchnie będą pochłaniać ciepło, a temperatura wewnątrz pozostanie bardzo niska.

Zmiany strumienia ciepła nie powinny znacząco wpływać na temperaturę wewnętrzną. Cechę tę nazywa się odpornością cieplną.

Poprzez wykonanie obliczeń cieplnych określa się optymalne granice (minimalne i maksymalne) wymiarów ścian i stropów pod względem grubości. Gwarantuje to eksploatację budynku przez długi okres, bez ekstremalnego przemarzania konstrukcji ani przegrzewania.

Parametry do wykonania obliczeń

Aby wykonać obliczenia cieplne, potrzebne są parametry wyjściowe.

Zależą one od szeregu cech:

1. Przeznaczenia budynku i jego typu.
2. Orientacji pionowych konstrukcji osłonowych względem kierunków świata.
3. Parametrów geograficznych przyszłego domu.
4. Objętości budynku, jego liczby kondygnacji, powierzchni.
5. Typów i wymiarów otworów drzwiowych i okiennych.
6. Rodzaju ogrzewania i jego parametrów technicznych.
7. Liczby stałych mieszkańców.
8. Materiału pionowych i poziomych konstrukcji osłonowych.
9. Stropu górnej kondygnacji.
10. Wyposażenia w ciepłą wodę użytkową.
11. Rodzaju wentylacji.

Uwzględnia się przy obliczeniach także inne cechy konstrukcyjne budynku. Przepuszczalność powietrza przez konstrukcje osłonowe nie powinna sprzyjać nadmiernemu chłodzeniu wewnątrz domu ani obniżać właściwości termoochronnych elementów.

Straty ciepła powoduje również nadmierne zawilgocenie ścian, a ponadto pociąga to za sobą wilgoć, która negatywnie wpływa na trwałość budynku.

W procesie obliczeń przede wszystkim określa się dane cieplne materiałów budowlanych, z których wykonane są elementy osłonowe budynku. Ponadto należy określić zredukowany opór przenikania ciepła i jego zgodność z wartością normatywną.

Wzory do przeprowadzenia obliczeń

Straty ciepła tracone przez dom można podzielić na dwie główne części: straty przez konstrukcje osłonowe oraz straty spowodowane funkcjonowaniem systemu wentylacyjnego. Ponadto ciepło jest tracone przy odprowadzaniu ciepłej wody do kanalizacji.

Straty przez przegrody budowlane

Dla materiałów, z których wykonane są konstrukcje osłonowe, należy znaleźć wartość współczynnika przewodzenia ciepła Kt (W/m x stopień). Są one dostępne w odpowiednich podręcznikach.

Teraz, znając grubość warstw, według wzoru: R = S/Kt, oblicza się opór cieplny każdej jednostki. Jeśli konstrukcja jest wielowarstwowa, wszystkie otrzymane wartości sumuje się.

Rozmiary strat ciepła najłatwiej określić przez sumowanie przepływów ciepła przez konstrukcje osłonowe, które faktycznie tworzą ten budynek

Kierując się taką metodą, bierze się pod uwagę fakt, że materiały tworzące konstrukcje mają niejednakową strukturę. Uwzględnia się również, że strumień ciepła przechodzący przez nie ma różną specyfikę.

Dla każdej pojedynczej konstrukcji straty ciepła określa się według wzoru:

Q = (A / R) × dT

Tutaj:

• A — powierzchnia w m².
• R — opór konstrukcji przenikania ciepła.
• dT — różnica temperatur na zewnątrz i wewnątrz. Należy ją określić dla najzimniejszego 5-dniowego okresu.

Przeprowadzając obliczenia w ten sposób, można uzyskać wynik tylko dla najzimniejszego pięciodniowego okresu. Całkowite straty ciepła przez cały sezon grzewczy określa się, uwzględniając parametr dT, biorąc pod uwagę nie najniższą, ale średnią temperaturę.

Stopień pochłaniania ciepła, a także oddawanie ciepła, zależy od wilgotności klimatu w regionie. Z tego powodu w obliczeniach stosuje się mapy wilgotności.

Następnie oblicza się ilość energii potrzebnej do skompensowania strat ciepła, które uciekły zarówno przez przegrody budowlane, jak i przez wentylację. Oznacza się ją symbolem W.

W tym celu istnieje wzór:

W = ((Q + Qw) × 24 × N)/1000

W nim N — długość okresu grzewczego w dniach.

Wady obliczeń według powierzchni

Obliczenia oparte na wskaźniku powierzchni nie charakteryzują się dużą dokładnością. Nie uwzględniono tu takich parametrów jak klimat, temperatury minimalne i maksymalne, wilgotność. Z powodu pomijania wielu ważnych aspektów obliczenia mają znaczne błędy.

Często, starając się je zrekompensować, w projekcie przewiduje się „zapas”.

Jeśli jednak do obliczeń wybrano tę metodę, należy uwzględnić następujące niuanse:

1. Przy wysokości pionowych przegród do trzech metrów i obecności nie więcej niż dwóch otworów na jednej powierzchni, wynik lepiej pomnożyć przez 100 W.
2. Jeśli w projekcie przewidziano balkon, dwa okna lub loggię, mnoży się średnio przez 125 W.
3. Gdy pomieszczenia są przemysłowe lub magazynowe, stosuje się mnożnik 150 W.
4. W przypadku umieszczenia grzejników w pobliżu okien, ich moc projektową zwiększa się o 25%.

Wzór według powierzchni ma postać:

Q=S × 100 (150) W.

Tutaj Q — komfortowy poziom ciepła w budynku, S — powierzchnia ogrzewana w m². Liczby 100 lub 150 — jednostkowa wartość energii cieplnej zużywanej do ogrzania 1 m².

Straty przez wentylację domu

Kluczowym parametrem w tym przypadku jest krotność wymiany powietrza. Przy założeniu, że ściany domu są paroprzepuszczalne, wartość ta wynosi jeden.

Przenikanie zimnego powietrza do domu odbywa się przez wentylację nawiewną. Wentylacja wywiewna sprzyja ucieczce ciepłego powietrza. Straty przez wentylację zmniejsza rekuperator-wymiennik ciepła. Nie dopuszcza on do ucieczki ciepła wraz z wychodzącym powietrzem, a wchodzące strumienie ogrzewa.

Przewiduje się całkowitą wymianę powietrza wewnątrz budynku w ciągu jednej godziny. Budynki zbudowane według normy DIN mają ściany z paroizolacją, dlatego tutaj krotność wymiany powietrza przyjmuje się równą dwa.

Istnieje wzór, według którego określa się straty ciepła przez system wentylacji:

Qw = (V × Kw : 3600) × P × c × dT

Tutaj symbole oznaczają:

1. Qw — straty ciepła.
2. V — objętość pomieszczenia w m³.
3. P — gęstość powietrza. Jej wartość przyjmuje się jako 1,2047 kg/m³.
4. Kw — krotność wymiany powietrza.
5. c — ciepło właściwe. Wynosi 1005 J/(kg·°C).

Na podstawie wyników tego obliczenia można określić moc generatora ciepła systemu grzewczego. W przypadku zbyt wysokiej wartości mocy rozwiązaniem może być urządzenie wentylacyjne z rekuperatorem. Proszę rozważyć kilka przykładów dla domów z różnych materiałów.

Przykład obliczeń cieplnych nr 1

Proszę obliczyć dom mieszkalny znajdujący się w 1. strefie klimatycznej (Rosja), podstrefa 1B. Wszystkie dane pochodzą z tabeli 1 normy SNiP 23-01-99. Najniższa temperatura obserwowana przez pięć dni z prawdopodobieństwem 0,92 — tn = -22°C.

Zgodnie z SNiP okres grzewczy (zop) trwa 148 dni. Średnia temperatura w okresie grzewczym przy średniej dobowej temperaturze powietrza na zewnątrz 8°C — tot = -2,3°C. Temperatura na zewnątrz w sezonie grzewczym — tht = -4,4°C.

Straty ciepła w domu to kluczowy moment na etapie jego projektowania. Od wyników obliczeń zależy zarówno wybór materiałów budowlanych, jak i izolacji. Strat zerowych nie ma, ale należy dążyć do tego, aby były one jak najbardziej uzasadnione.

Zostało ustalone, że w pomieszczeniach domu temperatura ma wynosić 22°C. Dom ma dwa piętra i ściany o grubości 0,5 m. Wysokość wynosi 7 m, wymiary w rzucie — 10 x 10 m. Materiał pionowych przegród — ciepła ceramika. Jej współczynnik przewodności cieplnej wynosi 0,16 W/m x °C.

Jako zewnętrzną izolację o grubości 5 cm zastosowano wełnę mineralną. Wartość Kt dla niej wynosi 0,04 W/m x °C. Liczba otworów okiennych w domu — 15 sztuk po 2,5 m² każde.

Straty ciepła przez ściany

Przede wszystkim należy określić opór cieplny zarówno ściany ceramicznej, jak i izolacji. W pierwszym przypadku R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 m² x °C/W. W drugim — R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 m² x °C/W. Ogólnie dla pionowej przegrody: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 m² x °C/W.

Ponieważ straty ciepła są wprost proporcjonalne do powierzchni przegród, proszę obliczyć powierzchnię ścian:

A = 10 x 4 x 7 – 15 x 2,5 = 242,5 m²

Teraz można określić straty ciepła przez ściany:

Qs = (242,5 : 4,375) x (22 – (-22)) = 2438,9 W.

Straty ciepła przez poziome przegrody oblicza się analogicznie. Ostatecznie wszystkie wyniki się sumuje.

Jeśli jest piwnica, to straty ciepła przez fundament i podłogę będą mniejsze, ponieważ w obliczeniach uwzględniana jest temperatura gruntu, a nie powietrza zewnętrznego.

Jeśli piwnica pod podłogą parteru jest ogrzewana, podłogi nie trzeba izolować. Ściany piwnicy lepiej jednak obłożyć izolacją, aby ciepło nie uciekało do gruntu.

Określenie strat przez wentylację

Aby uprościć obliczenia, nie uwzględnia się grubości ścian, a jedynie określa objętość powietrza wewnątrz:

V = 10 x 10 x 7 = 700 m³.

Przy krotności wymiany powietrza Kv = 2, straty ciepła wyniosą:

Qw = (700 x 2) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 20 776 W.

Jeżeli Kw = 1:

Qw = (700 x 1) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 10 358 W.

Efektywną wentylację domów mieszkalnych zapewniają rekuperatory rotacyjne i płytowe. Sprawność tych pierwszych jest wyższa, osiąga 90%.

Przykład obliczeń cieplnych nr 2

Należy przeprowadzić obliczenia strat przez ścianę z cegły o grubości 51 cm. Jest ocieplona 10-centymetrową warstwą wełny mineralnej. Na zewnątrz –18°C, wewnątrz –22°C. Wymiary ściany: 2,7 m wysokości i 4 m długości. Jedyna zewnętrzna ściana pomieszczenia jest zorientowana na południe, nie ma drzwi zewnętrznych.

Dla cegły współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0,58 W/(m·K), dla wełny mineralnej – 0,04 W/(m·K). Opór cieplny:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 m²·K/W. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 m²·K/W. Ogólnie dla pionowej przegrody: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 m²·K/W.

Pole powierzchni ściany zewnętrznej A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Straty ciepła przez ścianę:

Qc = (10,8 : 3,379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Do obliczania strat przez okna stosuje się ten sam wzór, ale ich opór cieplny jest zazwyczaj podany w karcie technicznej i nie trzeba go obliczać.

W izolacji cieplnej domu okna są „słabym ogniwem”. Przez nie ucieka dość duża część ciepła. Straty zmniejszą wielowarstwowe pakiety szyb, folie odbijające ciepło, podwójne ramy, ale nawet to nie pomoże całkowicie uniknąć strat ciepła.

Jeśli w domu okna o wymiarach 1,5 x 1,5 m² są energooszczędne, zorientowane na północ, a opór cieplny wynosi 0,87 m²·K/W, to straty wynoszą:

Qo = (2,25 : 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 W.

Przykład obliczeń cieplnych nr 3

Wykonamy obliczenia cieplne drewnianego budynku z bali z fasadą wzniesioną z sosnowych bali o warstwie grubości 0,22 m. Współczynnik dla tego materiału – K=0,15. W tej sytuacji straty ciepła wyniosą:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 m²·K/W.

Najniższa temperatura pięciodniówki –18°C, dla komfortu w domu zadano temperaturę 21°C. Różnica wyniesie 39°C. Jeśli przyjąć powierzchnię 120 m², otrzymamy wynik:

Qc = 120 x 39 : 1,47 = 3184 W.

Dla porównania określimy straty domu z cegły. Współczynnik dla cegły silikatowej – 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 m²·K/W.
Qc = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 W.

W tych samych warunkach dom drewniany jest bardziej ekonomiczny. Cegła silikatowa do wznoszenia ścian tutaj w ogóle się nie nadaje.

Drewniana konstrukcja ma wysoką pojemność cieplną. Jej przegrody długo utrzymują komfortową temperaturę. Mimo to, nawet dom z bali trzeba ocieplać, i lepiej zrobić to zarówno od wewnątrz, jak i na zewnątrz.

Budowlańcy i architekci zalecają obowiązkowe wykonanie obliczeń cieplnych przy instalacji ogrzewania w celu właściwego doboru urządzeń oraz na etapie projektowania domu w celu wyboru odpowiedniego systemu ocieplenia.

Przykład obliczeń cieplnych nr 4

Dom zostanie zbudowany w obwodzie moskiewskim. Do obliczeń przyjęto ścianę wykonaną z bloków pianobetonowych. Jako izolację zastosowano styropian ekstrudowany. Wykończenie konstrukcji — tynk z obu stron. Jego struktura jest wapienno-piaskowa.

Styropian ma gęstość 24 kg/m³.

Względne wskaźniki wilgotności powietrza w pomieszczeniu — 55% przy średniej temperaturze 20°C. Grubość warstw:

• tynk — 0,01 m;
• pianobeton — 0,2 m;
• styropian — 0,065 m.

Zadanie — znaleźć wymagany opór cieplny i rzeczywisty. Wymagane Rtr określa się, podstawiając wartości do wyrażenia:

Rtr = a × SDG + b

gdzie SDG to stopniodni sezonu grzewczego, a a i b to współczynniki pobrane z tabeli nr 3 Zbioru Zasad 50.13330.2012. Ponieważ budynek jest mieszkalny, a wynosi 0,00035, b = 1,4.

SDG oblicza się według wzoru z tego samego Zbioru Zasad:

SDG = (t_w – t_ot) × z_ot.

W tym wzorze t_w = 20°C, t_ot = –2,2°C, z_ot = 205 — okres grzewczy w dobach. Zatem:

SDG = (20 – (–2,2)) × 205 = 4551 °C × doby;

Rtr = 0,00035 × 4551 + 1,4 = 2,99 m² × °C/W.

Korzystając z tabeli nr 2 Zbioru Zasad 50.13330.2012, określa się współczynniki przewodzenia ciepła dla każdej warstwy ściany:

• λb1 = 0,81 W/(m·°C);
• λb2 = 0,26 W/(m·°C);
• λb3 = 0,041 W/(m·°C);
• λb4 = 0,81 W/(m·°C);

Całkowity warunkowy opór cieplny Ro jest równy sumie oporów wszystkich warstw. Oblicza się go według wzoru:

Ten wzór pochodzi z Zbioru Zasad 50.13330.2012. Tutaj 1/α_w to opór cieplny przy przejmowaniu ciepła na powierzchniach wewnętrznych. 1/α_z — to samo dla zewnętrznych, δ/λ — opór cieplny warstwy.

Podstawiając wartości, otrzymuje się: Ro war. = 2,54 m²°C/W. Rf określa się, mnożąc Ro przez współczynnik r równy 0,9:

Rf = 2,54 × 0,9 = 2,3 m² × °C/W.

Wynik wymusza zmianę konstrukcji elementu osłonowego, ponieważ rzeczywisty opór cieplny jest mniejszy od obliczeniowego.

Istnieje wiele serwisów komputerowych, które przyspieszają i upraszczają obliczenia.

Obliczenia cieplne są bezpośrednio związane z wyznaczeniem punktu rosy. Czym jest i jak znaleźć jego wartość, dowiedzą się Państwo z polecanego przez nas artykułu.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wykonanie obliczeń cieplnych za pomocą kalkulatora online:

Prawidłowe obliczenia cieplne:

Rzetelne obliczenia cieplne pozwolą ocenić skuteczność ocieplenia zewnętrznych elementów domu oraz określić moc niezbędnego urządzenia grzewczego.

W rezultacie można zaoszczędzić przy zakupie materiałów i urządzeń grzewczych. Lepiej wcześniej wiedzieć, czy technika poradzi sobie z ogrzewaniem i klimatyzacją budynku, niż kupować wszystko na oślep.

Prosimy o pozostawianie komentarzy, zadawanie pytań i zamieszczanie zdjęć na temat artykułu w znajdującym się poniżej bloku. Prosimy opowiedzieć, jak obliczenia cieplne pomogły Państwu wybrać urządzenie grzewcze o potrzebnej mocy lub system ocieplenia. Niewykluczone, że informacje Państwa przydadzą się odwiedzającym stronę.