Полы технические требования и правила проектирования, устройства, приёмки, эксплуатации и ремонта в развитие. Расчет теплопотерь пола по грунту в угв Расчет теплопотерь пола
Пример 1
Требуется определить толщину бетонного подстилающего слоя в проезде складского помещения. Покрытие пола бетонное, толщиной h 1 = 2,5 см. Нагрузка на пол - от автомобилей МАЗ-205; грунт основания - суглинок. Грунтовые воды отсутствуют.
Для автомобиля МАЗ-205, имеющего две оси с нагрузкой на колесо 42 кН, расчётная нагрузка на колесо по формуле (6 ):
Р р = 1,2·42 = 50,4 кН
Площадь следа колеса у автомобиля МАЗ-205 равна 700 см 2
Согласно формуле (5 ) вычисляем:
r = D /2 = 30/2 = 15 cм
По формуле (3 ) r р = 15 + 2,5 = 17,5 см
2. Для суглинистого грунта основания при отсутствии грунтовых вод по табл. 2.2
К 0 = 65 Н/см 3:
Для подстилающего слоя примем бетон по прочности при сжатии В22,5. Тогда в зоне проезда в складском помещении, где на полы не устанавливается стационарное технологическое оборудование (согласно п. 2.2 группа I), при нагрузке от безрельсовых транспортных средств по табл. 2.1 R δt = 1,25 МПа, E б = 28500 МПа.
3. σ р . Нагрузка от автомобиля, согласно п. 2.4 , является нагрузкой простого вида и передаётся по следу круглой формы. Поэтому расчётный изгибающий момент определим по формуле (11 ). Согласно п. 2.13 зададимся ориентировочно h = 10 см. Тогда по п. 2.10 принимаем l = 44,2 см. При ρ = r р /l = 17,5/44,2 = 0,395 по табл. 2.6 найдём K 3 = 103,12. По формуле (11 ): М р = К 3 ·Р р = 103,12·50,4 = 5197 Н·см/см. По формуле (7 ) вычисляем напряжения в плите:
Напряжение в плите толщиной h = 10 см превышает расчётное сопротивление R δt = 1,25 МПа. В соответствии с п. 2.13 расчёт повторим, задавшись большим значением h = 12 см, тогда l = 50,7 см; ρ = r р /l = 17,5/50,7 = 0,345; К 3 = 105,2; М р = 105,2·50,4 = 5302 Н·см/см
Полученное σ р = 1,29 МПа отличается от расчётного сопротивления R δt = 1,25 МПа (см. табл. 2.1 ) менее чем на 5%, поэтому принимаем подстилающий слой из бетона по прочности при сжатии класса В22,5 толщиной 12 см.
Пример 2
Требуется определить для механических мастерских толщину бетонного подстилающего слоя, используемого в качестве пола без устройства покрытия (h 1 = 0 см). Нагрузка на пол - от станка весом P p = 180 кН, стоящего непосредственно на подстилающем слое, равномерно распределяется по следу в виде прямоугольника размером 220´120 см. Особых требований к деформации основания не предъявляются. Грунт основания - мелкий песок, находится в зоне капиллярного поднятия грунтовых вод.
1. Определим расчётные параметры.
Расчётная длина следа согласно п. 2.5 и по формуле (1 ) а р = а = 220 см. Расчётная ширина следа по формуле (2 ) b p = b = 120 см. Для грунта основания из мелкого песка, находящегося в зоне капиллярного поднятия грунтовых вод, согласно табл. 2.2 K 0 = 45 Н/см 3 . Для подстилающего слоя примем бетон по прочности при сжатии класса В22,5. Тогда в механических мастерских, где на полы устанавливается стационарное технологическое оборудование без особых требований к деформации основания (согласно п. 2.2 группа II), при неподвижной нагрузке по табл. 2.1 R δt = 1,5 МПа, E б = 28500 МПа.
2. Определим напряжение растяжения в бетоне плиты при изгибе σ р . Нагрузка передаётся по следу прямоугольной формы и, согласно п. 2.5 , является нагрузкой простого вида.
Поэтому расчётный изгибающий момент определим по формуле (9 ). Согласно п. 2.13 зададимся ориентировочно h = 10 см. Тогда по п. 2.10 принимаем l = 48,5 см.
С учётом α = а р /l = 220/48,5 = 4,53 и β = b р /l = 120/48,5 = 2,47 по табл. 2.4 найдём К 1 = 20,92.
По формуле (9 ): М р = К 1 ·Р р = 20,92·5180 = 3765,6 Н·см/см.
По формуле (7 ) вычисляем напряжение в плите:
Напряжение в плите толщиной h = 10 см значительно меньше R δt = 1,5 МПа. В соответствии с п. 2.13 проведём повторный расчёт и, сохраняя h = 10 см, найдём более низкую марку бетона плиты подстилающего слоя, при которой σ р » R δt . Примем бетон класса по прочности на сжатие В15, для которого R δt = 1,2 МПа, E б = 23000 МПа.
Тогда l = 46,2 см; α = а р /l = 220/46,2 = 4,76 и β = b р /l = 120/46,2 = 2,60; по табл. 2.4 К 1 = 18,63;. М р = 18,63·180 = 3353,4 Н·см/см.
Полученное напряжение растяжения в плите из бетона класса по прочности при сжатии В15 меньше R δt = 1,2 МПа. Примем подстилающий слой из бетона класса по прочности при сжатии В15 толщиной h = 10 см.
Пример 3
Требуется определить толщину бетонного подстилающего слоя пола в машино-стоительном цехе при нагрузках от станков автоматизированной линии и автомобилей ЗИЛ-164. Схема расположения нагрузок приведена на рис. 1 в", 1 в"", 1 в""". Центр следа колеса автомобиля находится на расстоянии 50 см от края следа станка. Вес станка в рабочем состоянии Р р = 150 кН распределяется равномерно по площади следа прямоугольной формы длиной 260 см и шириной 140 см.
Покрытием пола является упрочнённая поверхность подстилающего слоя. Грунт основания - супесь. Основание находится в зоне капиллярного поднятия грунтовых вод
Определим расчётные параметры.
Для автомобиля ЗИЛ-164, имеющего две оси с нагрузкой на колесо 30,8 кН, расчётная нагрузка на колесо по формуле (6 ):
Р р = 1,2·30,8 = 36,96 кН
Площадь следа колеса у автомобиля ЗИЛ-164 равна 720 см 2
Согласно п. 2.5
r р = r = D /2 = 30/2 = 15 cм
Для супесчаного грунта основания, находящегося в зоне капиллярного поднятия грунтовых вод, по табл. 2.2 К 0 = 30 Н/см 3 . Для подстилающего слоя примем бетон класса по прочности при сжатии В22,5. Тогда для машиностроительного цеха, где на полы установлена автоматизированная линия (согласно п. 2.2 группа IV), при одновременном действии неподвижных и динамических нагрузок по табл. 2.1 R δt = 0,675 МПа, Е б = 28500 МПа.
Зададимся ориентировочно h = 10 см, тогда по п. 2.10 принимаем l = 53,6 см. В этом случае расстояние от центра тяжести следа колеса автомобиля до края следа станка равное 50 см l = 321,6 см, т.е. согласно п. 2.4 действующие на пол нагрузки относятся к нагрузкам сложного вида.
В соответствии с п. 2.17 установим положение расчётных центров в центрах тяжести следа станка (O 1) и колеса автомобиля (О 2). Из схемы расположения нагрузок (рис. 1 в") следует, что для расчётного центра O 1 неясно, какое следует установить направление оси ОУ. Поэтому изгибающий момент определим как при направлении оси ОУ, параллельном длинной стороне следа станка (рис. 1 в"), так и перпендикулярном этой стороне (рис. 1 в""). Для расчётного центра О 2 примем направление ОУ через центры тяжести следов станка и колеса автомобиля (рис. 1 в""").
Расчёт 1 Определим напряжение растяжения в бетоне плиты при изгибе σ р для расчётного центра O 1 при направлении ОУ параллельно длинной стороне следа станка (рис. 1 в"). При этом нагрузка от станка при следе прямоугольной формы относится к нагрузке простого вида. Для следа станка по п. 2.5 при отсутствии покрытия пола (h 1 = 0 см) а р = а = 260 см; b p = b = 140 см.
С учётом значений α = а р /l = 260/53,6 = 4,85 и β = b р /l = 140/53,6 = 2,61 по табл. 2.4 найдём K 1 = 18,37.
Для станка Р 0 = Р р = 150 кН в соответствии с п. 2.14 определяем по формуле (9 ):
М р = К 1 ·Р р = 18,37·150 = 27555,5 Н·см/см.
Координаты центра тяжести следа колеса автомобиля: x i = 120 см и у i = 0 см.
С учётом отношений x i /l = 120/53,6 = 2,24 и y i /l = 0/53,6 = 0 по табл. 2.7 найдём К 4 = -20,51.
Изгибающий момент в расчётном центре O 1 от колеса автомобиля по формуле (14 ):
M i = -20,51·36,96 = -758,05 Н·см/см.
13 ):
M p I = M 0 + ΣM i = 2755,5 - 758,05 = 1997,45 Н·см/см
7 ):
Расчёт 2 Определим напряжение растяжения в бетоне плиты при изгибе σ р II для расчётного центра O 1 при направлении ОУ перпендикулярно длинной стороне следа станка (рис. 1 в""). Разделим площадь следа станка на элементарные площадки согласно п. 2.18 . Совместим с расчётным центром O 1 центр тяжести элементарной площадки квадратной формы с длиной стороны а р = b р = 140 см.
Определим нагрузки Р i , приходящиеся на каждую элементарную площадку по формуле (15 ), для чего сначала определим площадь следа станка F = 260·140 = 36400 см 2 ;
Для определения изгибающего момента М 0 от нагрузки Р 0 вычислим для элементарной площадки квадратной формы с центром тяжести в расчётном центре O 1 значения α = β = а р /l = b р /l = 140/53,6 = 2,61 и с их учётом по табл. 2.4 найдём K 1 = 36,0; исходя из указаний п. 2.14 и формуле (9 ) вычисляем:
М 0 = К 1 ·Р 0 = 36,0·80,8 =2908,8 Н·см/см.
М i , от нагрузок, расположенных вне расчётного центра O 1 . Расчётные данные приведены в табл. 2.10 .
Таблица 2.10
Расчётные данные при расчётном центре O 1 и направлении оси ОУ, перпендикулярном длинной стороне следа станка
| I | x i | y i | x i /l | y i /l | К 4 по табл. 2.7 | P i , кН | n i кол-во нагрузок | М i = n i · К 4 ·P i |
|
| 1 | 0 | 120 | 0 | 2,24 | 9,33 | 36,96 | 1 | 363,3 |
|
| 2 | 120 | 35 | 1,86 | 0,65 | -17,22 | 17,31 | 4 | -1192,3 |
|
| ΣМ i = -829,0 Н·см/см |
|||||||||
Расчётный изгибающий момент от колеса автомобиля и станка по формуле (13 ):
M p II = M 0 + ΣM i = 2908,8 - 829,0 = 2079,8 Н·см/см
Напряжение растяжения в плите при изгибе по формуле (7 ):
Расчёт 3 Определим напряжение растяжения в бетоне плиты при изгибе σ р III для расчётного центра O 2 (рис. 1 в"""). Разделим площадь следа станка на элементарные площадки согласно п. 2.18 . Определим нагрузки Р i , приходящиеся на каждую элементарную площадку, по формуле (15 ).
Определим изгибающий момент от нагрузки, создающейся давлением колеса автомобиля, для чего найдём ρ = r р /l = 15/53,6 = 0,28; по табл. 2.6 найдём К 3 = 112,1. По формуле (11 ): М 0 = К 3 ·Р р = 112,1·36,96 = 4143,22 Н·см/см.
Определим суммарный изгибающий момент ΣМ i от нагрузок, расположенных вне расчётного центра O 2 . Расчётные данные приведены в табл. 2.11 .
Таблица 2.11
Расчётные данные при расчётном центре O 2
| I | x i | y i | x i /l | y i /l | К 4 по табл. 2.7 | P i , кН | n i кол-во нагрузок | М i = n i · К 4 ·P i |
|
| 1 | 0 | 65 | 0 | 1,21 | 40,97 | 4,9 | 1 | 200,75 |
|
| 2 | 0 | 100 | 0 | 1,87 | 16,36 | 6,6 | 1 | 107,98 |
|
| 3 | 0 | 155 | 0 | 2,89 | 2,89 | 11,5 | 1 | 33,24 |
|
| 4 | 40 | 65 | 0,75 | 1,21 | 19,1 | 4,9 | 2 | 187,18 |
|
| 5 | 40 | 100 | 0,75 | 1,87 | 8,44 | 6,6 | 2 | 111,41 |
|
| 6 | 40 | 155 | 0,75 | 2,89 | 1,25 | 11,5 | 2 | 28,75 |
|
| 7 | 95 | 65 | 1,77 | 1,21 | -10,78 | 8,7 | 2 | -187,57 |
|
| 8 | 95 | 100 | 1,77 | 1,87 | -5,89 | 11,5 | 2 | -135,47 |
|
| 9 | 95 | 155 | 1,77 | 2,89 | -2,39 | 20,2 | 2 | -96,56 |
|
| ΣМ i = 249,7 Н·см/см |
|||||||||
Расчётный изгибающий момент от колеса автомобиля и станка по формуле (13 ):
M p III = M 0 + ΣM i = 4143,22 + 249,7 = 4392,92 Н·см/см
Напряжение растяжения в плите при изгибе по формуле (7 ):
более R δt = 0,675 МПа, вследствие чего повторим расчёт, задавшись большим значением h . Расчёт проведём только по схеме загружения с расчётным центром O 2 , для которой значение σ р III в первом расчёте получилось наибольшим.
Для повторного расчёта ориентировочно зададимся h = 19 см, тогда по п. 2.10 принимаем l = 86,8 см; ρ = r р /l =15/86,8 = 0,1728; К 3 = 124,7; М 0 = К 3 ·Р p = 124,7·36,96 = 4608,9 Н·см/см.
Определим суммарный изгибающий момент от нагрузок, расположенных вне расчётного центра O 2 . Расчётные данные приведены в табл. 2.12 .
Таблица 2.12
Расчётные данные при повторном расчёте
| I | x i | y i | x i /l | y i /l | К 4 по табл. 2.7 | P i , кН | n i кол-во нагрузок | М i = n i · К 4 ·P i |
|
| 1 | 0 | 65 | 0 | 0,75 | 76,17 | 4,9 | 1 | 373,23 |
|
| 2 | 0 | 100 | 0 | 1,15 | 44,45 | 6,6 | 1 | 293,37 |
|
| 3 | 0 | 155 | 0 | 1,79 | 18,33 | 11,5 | 1 | 210,79 |
|
| 4 | 40 | 65 | 0,46 | 0,75 | 48,36 | 4,9 | 2 | 473,93 |
|
| 5 | 40 | 100 | 0,46 | 1,15 | 32,39 | 6,6 | 2 | 427,55 |
|
| 6 | 40 | 155 | 0,46 | 1,79 | 14,49 | 11,5 | 2 | 333,27 |
|
| 7 | 95 | 65 | 1,09 | 0,75 | 1,84 | 8,7 | 2 | 32,02 |
|
| 8 | 95 | 100 | 1,09 | 1,15 | 3,92 | 11,5 | 2 | 90,16 |
|
| 9 | 95 | 155 | 1,09 | 1,79 | 2,81 | 20,2 | 2 | 113,52 |
|
| ΣМ i = 2347,84 Н·см/см. |
|||||||||
M p = M 0 + ΣM i = 4608,9 + 2347,84 = 6956, 82 Н·см/см
Напряжение растяжения в плите при изгибе по формуле (7 ):
Полученное значение σ р = 0,67 МПа отличается от R δt = 0,675 МПа менее чем на 5%. Принимаем подстилающий слой из бетона класса по прочности на сжатие В22,5 толщиной h = 19 см.
Добрый день!
Решил выложить здесь результаты расчетов по утеплению пола по грунту. Расчеты велись в программе Therm 6.3.
Пол по грунту - бетонная плита толщиной 250мм с коэффициентом теплопроводности 1,2
Стены - 310 мм с коэффициентом теплопроводности 0,15 (газобетон или дерево)
Для простоты стены до грунта. Тут может быть много вариантов по утеплению и мостикам холода узла, для простоты их опускаем.
Грунт - с коэффициентом теплопроводности 1. Влажная глина или влажный песок. Сухие - более теплозащитные.
Утепление. Здесь 4 варианта:
1. Утепления нет. Просто плита по грунту.
2. Утеплена отмостка шириной 1м, толщиной 10см. Утепление ЭППС. Сам верхний слой отмостки не учитывался, так как не оказывает большой роли.
3. Утеплена лента фундамента на 1м глубиной. Утепление также 10см, ЭППС. Бетон не прорисован так как близок к грунту по теплопроводности.
4. Утеплена плита под домом. 10см, ЭППС.
Коэффициент теплопроводности ЭППС принимался равным 0,029.
Ширина плиты взята 5,85м.
Исходные данные по температурам:
- внутри +21;
- снаружи -3;
- на глубине 6м +3.
6м тут это оценка УГВ. Взял 6м потому что это наиболее близко к варианту с моим домом, хотя у меня и нет полов по грунту, но результаты также применимы для моего теплого подполья.
Результаты в графическом виде вы видите. Приложено в двух вариантах - с изотермами и "ИК".
В цифровом получены данные для поверхности пола в виде U-factor, величины обратной нашему сопротивлению теплопередаче ([R]=К*м2/Вт).
В пересчете результаты следующие (в среднем по полу):
1. R=2,86
2. R=3,31
3. R=3,52
4. R=5,59
По мне так очень интересные результаты. В частности достаточная высокая величина по 1-му варианту говорит о том что не так уж и необходимо утеплять плиту по полу каким бы то ни было образом. Утеплять грунт надо когда рядом грунтовые воды и тогда мы имеем вариант 4, с частично отсеченным грунтом от теплового контура. При том с близким УГВ мы не получим 5,59. так как принятые в расчете 6м грунта не участвуют в утеплении. Следует ждать R~3 в данном случае или около того.
Также весьма существенно то, что край плиты в расчетном варианте довольно теплый 17,5oC по первому неутепленному варианту , стало быть там не ожидается промерзание, конденсат и плесень, даже при увеличении градиента температур вдвое (-27 на улице). При том, следует понимать, что при подобных расчетах пиковые температуры не оказывают никакой роли, так как система весьма теплоемкая и грунт промерзает неделями-месяцами.
Варианты 1,2,3. А особенно вариант 2 - наиболее инерционный. В тепловой контур тут вовлекается грунт не только тот что непосредственно под домом, но и под отмосткой. Время установления температурного режима как на рисунке - это годы и фактически температурный режим будет средним за год. Период порядка 3мес успевает вовлекать в теплообмен лишь 2-3м грунта. Но это отдельная история, поэтому пока завершу, лишь отмечу, что характерное время пропорционально толщине слоя в квадрате. Т.е. если 2м - 3 месяца, то 4м уже 9месяцев.
Также отмечу, что на практике, вероятно, при относительно небольшом УГВ (типа 4,5м и ниже) следует ждать худших результатов теплоизоляционных свойств грунта ввиду испарения воды из него. К сожалению, инструмента который смог бы провести расчет в условиях испарения в грунте мне не знаком. Да и с исходными данными тут большая проблема.
Оценку с влиянием испарения в грунте провел следующим образом.
Нарыл данные что вода в суглинках поднимается капилярными силами от УГВ на 4-5м
Ну в качестве исходных данных этой цифрой и воспользуюсь.
Нагло положу, что эти же 5м сохраняются в моем расчете при любых обстоятельствах.
В 1м грунта до пола диффундирует пар, и величина коэффициента паропроницаемости может быть нарыта. Коэффициент паропроницаемости песка 0,17, глинобитки 0,1. Ну для надежности возьму 0,2 мг/м/ч/Па.
На глубине метр в расчетных вариантах кроме варианта 4 около 15град.
Итого там давление паров воды составляет 1700Па (100% отн).
В помещении возьмем 21град 40%(отн.)=>1000Па
Итого у нас 700Па градиент давления пара на 1м глины с Mu=0,2 и 0,25м бетона с Mu=0,09
Итоговая паропроницаемость двухслойки 1/(1/0,2+0,25/0,09)=0,13
В итоге имеем поток пара из грунта 0,13*700=90 мг/м2/ч=2,5e-8 кг/м2/с
Умножаем на теплоту испарения воды 2,3МДж/кг и получаем дополнительные теплопотери на испарение => 0,06Вт/м2. Мелочи это. Если говорить на языке R (сопротиваления теплопередаче), то подобный учет влаги приводит к снижению R примерно на 0,003, т.е. несущественно.
Вложения:
Комментарии
Несмотря на то, что теплопотери через пол большинства одноэтажных промышленных, административно-бытовых и жилых зданий редко превышают 15% от общих потерь тепла, а при увеличении этажности порой не достигают и 5%, важность правильного решения задачи...
Определения теплопотерь от воздуха первого этажа или подвала в грунт не теряет своей актуальности.
В этой статье рассматриваются два варианта решения поставленной в заголовке задачи. Выводы — в конце статьи.
Считая потери тепла, всегда следует различать понятия «здание» и «помещение».
При выполнении расчета для всего здания преследуется цель — найти мощность источника и всей системы теплоснабжения.
При расчете тепловых потерь каждого отдельного помещения здания, решается задача определения мощности и количества тепловых приборов (батарей, конвекторов и т.д.), необходимых для установки в каждое конкретное помещение с целью поддержания заданной температуры внутреннего воздуха.
Воздух в здании нагревается за счет получения тепловой энергии от Солнца, внешних источников теплоснабжения через систему отопления и от разнообразных внутренних источников – от людей, животных, оргтехники, бытовой техники, ламп освещения, системы горячего водоснабжения.
Воздух внутри помещений остывает за счет потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции строения, которые характеризуются термическими сопротивлениями, измеряемыми в м 2 ·°С/Вт:
R = Σ (δ i /λ i )
δ i – толщина слоя материала ограждающей конструкции в метрах;
λ i – коэффициент теплопроводности материала в Вт/(м·°С).
Ограждают дом от внешней среды потолок (перекрытие) верхнего этажа, наружные стены, окна, двери, ворота и пол нижнего этажа (возможно – подвала).
Внешняя среда – это наружный воздух и грунт.
Расчет потерь тепла строением выполняют при расчетной температуре наружного воздуха для самой холодной пятидневки в году в местности, где построен (или будет построен) объект!
Но, разумеется, никто не запрещает вам сделать расчет и для любого другого времени года.
Расчет в Excel теплопотерь через пол и стены, примыкающие к грунту по общепринятой зональной методике В.Д. Мачинского.
Температура грунта под зданием зависит в первую очередь от теплопроводности и теплоемкости самого грунта и от температуры окружающего воздуха в данной местности в течение года. Так как температура наружного воздуха существенно различается в разных климатических зонах, то и грунт имеет разную температуру в разные периоды года на разных глубинах в различных районах.
Для упрощения решения сложной задачи определения теплопотерь через пол и стены подвала в грунт вот уже более 80 лет успешно применяется методика разбиения площади ограждающих конструкций на 4 зоны.
Каждая из четырех зон имеет свое фиксированное сопротивление теплопередаче в м 2 ·°С/Вт:
R 1 =2,1 R 2 =4,3 R 3 =8,6 R 4 =14,2
Зона 1 представляет собой полосу на полу (при отсутствии заглубления грунта под строением) шириной 2 метра, отмеренную от внутренней поверхности наружных стен вдоль всего периметра или (в случае наличия подпола или подвала) полосу той же шириной, отмеренную вниз по внутренним поверхностям наружных стен от кромки грунта.
Зоны 2 и 3 имеют также ширину 2 метра и располагаются за зоной 1 ближе к центру здания.
Зона 4 занимает всю оставшуюся центральную площадь.
На рисунке, представленном чуть ниже зона 1 расположена полностью на стенах подвала, зона 2 – частично на стенах и частично на полу, зоны 3 и 4 полностью находятся на полу подвала.
Если здание узкое, то зон 4 и 3 (а иногда и 2) может просто не быть.
Площадь пола зоны 1 в углах учитывается при расчете дважды!
Если вся зона 1 располагается на вертикальных стенах, то площадь считается по факту без всяких добавок.
Если часть зоны 1 находится на стенах, а часть на полу, то только угловые части пола учитываются дважды.
Если вся зона 1 располагается на полу, то посчитанную площадь следует при расчете увеличить на 2×2х4=16 м 2 (для дома прямоугольного в плане, т.е. с четырьмя углами).
Если заглубления строения в грунт нет, то это значит, что H =0.
Ниже представлен скриншот программы расчета в Excel теплопотерь через пол и заглубленные стены для прямоугольных в плане зданий .
Площади зон F 1 , F 2 , F 3 , F 4 вычисляются по правилам обычной геометрии. Задача громоздкая, требует часто рисования эскиза. Программа существенно облегчает решение этой задачи.
Общие потери тепла в окружающий грунт определяются по формуле в КВт:
Q Σ =((F 1 + F 1у )/ R 1 + F 2 / R 2 + F 3 / R 3 + F 4 / R 4 )*(t вр -t нр )/1000
Пользователю необходимо лишь заполнить в таблице Excel значениями первые 5 строчек и считать внизу результат.
Для определения тепловых потерь в грунт помещений площади зон придется считать вручную и затем подставлять в вышеприведенную формулу.
На следующем скриншоте показан в качестве примера расчет в Excel теплопотерь через пол и заглубленные стены для правого нижнего (по рисунку) помещения подвала .
Сумма потерь тепла в грунт каждым помещением равна общим тепловым потерям в грунт всего здания!
На рисунке ниже показаны упрощенные схемы типовых конструкций полов и стен.
Пол и стены считаются неутепленными, если коэффициенты теплопроводности материалов (λ i ), из которых они состоят, больше 1,2 Вт/(м·°С).
Если пол и/или стены утеплены, то есть содержат в составе слои с λ <1,2 Вт/(м·°С), то сопротивление рассчитывают для каждой зоны отдельно по формуле:
R утепл i = R неутепл i + Σ (δ j /λ j )
Здесь δ j – толщина слоя утеплителя в метрах.
Для полов на лагах сопротивление теплопередаче вычисляют также для каждой зоны, но по другой формуле:
R на лагах i =1,18*(R неутепл i + Σ (δ j /λ j ) )
Расчет тепловых потерь в MS Excel через пол и стены, примыкающие к грунту по методике профессора А.Г. Сотникова.
Очень интересная методика для заглубленных в грунт зданий изложена в статье «Теплофизический расчет теплопотерь подземной части зданий». Статья вышла в свет в 2010 году в №8 журнала «АВОК» в рубрике «Дискуссионный клуб».
Тем, кто хочет понять смысл написанного далее, следует прежде обязательно изучить вышеназванную .
А.Г. Сотников, опираясь в основном на выводы и опыт других ученых-предшественников, является одним из немногих, кто почти за 100 лет попытался сдвинуть с мертвой точки тему, волнующую многих теплотехников. Очень импонирует его подход с точки зрения фундаментальной теплотехники. Но сложность правильной оценки температуры грунта и его коэффициента теплопроводности при отсутствии соответствующих изыскательских работ несколько сдвигает методику А.Г. Сотникова в теоретическую плоскость, отдаляя от практических расчетов. Хотя при этом, продолжая опираться на зональный метод В.Д. Мачинского, все просто слепо верят результатам и, понимая общий физический смысл их возникновения, не могут определенно быть уверенными в полученных числовых значениях.
В чем смысл методики профессора А.Г. Сотникова? Он предлагает считать, что все теплопотери через пол заглубленного здания «уходят» в глубь планеты, а все потери тепла через стены, контактирующие с грунтом, передаются в итоге на поверхность и «растворяются» в воздухе окружающей среды.
Это похоже отчасти на правду (без математических обоснований) при наличии достаточного заглубления пола нижнего этажа, но при заглублении менее 1,5…2,0 метров возникают сомнения в правильности постулатов…
Несмотря на все критические замечания, сделанные в предыдущих абзацах, именно развитие алгоритма профессора А.Г. Сотникова видится весьма перспективным.
Выполним расчет в Excel теплопотерь через пол и стены в грунт для того же здания, что и в предыдущем примере.
Записываем в блок исходных данных размеры подвальной части здания и расчетные температуры воздуха.
Далее необходимо заполнить характеристики грунта. В качестве примера возьмем песчаный грунт и впишем в исходные данные его коэффициент теплопроводности и температуру на глубине 2,5 метров в январе. Температуру и коэффициент теплопроводности грунта для вашей местности можно найти в Интернете.
Стены и пол выполним из железобетона (λ =1,7 Вт/(м·°С)) толщиной 300мм (δ =0,3 м) с термическим сопротивлением R = δ / λ =0,176 м 2 ·°С/Вт.
И, наконец, дописываем в исходные данные значения коэффициентов теплоотдачи на внутренних поверхностях пола и стен и на наружной поверхности грунта, соприкасающегося с наружным воздухом.
Программа выполняет расчет в Excel по нижеприведенным формулам.
Площадь пола:
F пл = B *A
Площадь стен:
F ст =2* h *(B + A )
Условная толщина слоя грунта за стенами:
δ усл = f (h / H )
Термосопротивление грунта под полом:
R 17 =(1/(4*λ гр )*(π / F пл ) 0,5
Теплопотери через пол:
Q пл = F пл *(t в — t гр )/(R 17 + R пл +1/α в )
Термосопротивление грунта за стенами:
R 27 = δ усл /λ гр
Теплопотери через стены:
Q ст = F ст *(t в — t н )/(1/α н + R 27 + R ст +1/α в )
Общие теплопотери в грунт:
Q Σ = Q пл + Q ст
Замечания и выводы.
Теплопотери здания через пол и стены в грунт, полученные по двум различным методикам существенно разнятся. По алгоритму А.Г. Сотникова значение Q Σ =16,146 КВт, что почти в 5 раз больше, чем значение по общепринятому «зональному» алгоритму — Q Σ =3,353 КВт!
Дело в том, что приведенное термическое сопротивление грунта между заглубленными стенами и наружным воздухом R 27 =0,122 м 2 ·°С/Вт явно мало и навряд ли соответствует действительности. А это значит, что условная толщина грунта δ усл определяется не совсем корректно!
К тому же «голый» железобетон стен, выбранный мной в примере — это тоже совсем нереальный для нашего времени вариант.
Внимательный читатель статьи А.Г. Сотникова найдет целый ряд ошибок, скорее не авторских, а возникших при наборе текста. То в формуле (3) появляется множитель 2 у λ , то в дальнейшем исчезает. В примере при расчете R 17 нет после единицы знака деления. В том же примере при расчете потерь тепла через стены подземной части здания площадь зачем-то делится на 2 в формуле, но потом не делится при записи значений… Что это за неутепленные стены и пол в примере с R ст = R пл =2 м 2 ·°С/Вт? Их толщина должна быть в таком случае минимум 2,4 м! А если стены и пол утепленные, то, вроде, некорректно сравнивать эти теплопотери с вариантом расчета по зонам для неутепленного пола.
R 27 = δ усл /(2*λ гр )=К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
Насчет вопроса, относительно присутствия множителя 2 у λ гр было уже сказано выше.
Я поделил полные эллиптические интегралы друг на друга. В итоге получилось, что на графике в статье показана функция при λ гр =1 :
δ усл = (½) *К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
Но математически правильно должно быть:
δ усл = 2 *К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
или, если множитель 2 у λ гр не нужен:
δ усл = 1 *К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
Это означает, что график для определения δ усл выдает ошибочные заниженные в 2 или в 4 раза значения…
Выходит пока всем ничего другого не остается, как продолжать не то «считать», не то «определять» теплопотери через пол и стены в грунт по зонам? Другого достойного метода за 80 лет не придумали. Или придумали, но не доработали?!
Предлагаю читателям блога протестировать оба варианта расчетов в реальных проектах и результаты представить в комментариях для сравнения и анализа.
Все, что сказано в последней части этой статьи, является исключительно мнением автора и не претендует на истину в последней инстанции. Буду рад выслушать в комментариях мнение специалистов по этой теме. Хотелось бы разобраться до конца с алгоритмом А.Г. Сотникова, ведь он реально имеет более строгое теплофизическое обоснование, чем общепринятая методика.
Прошу уважающих труд автора скачивать файл с программами расчетов после подписки на анонсы статей!
P. S. (25.02.2016)
Почти через год после написания статьи удалось разобраться с вопросами, озвученными чуть выше.
Во-первых, программа расчета теплопотерь в Excel по методике А.Г. Сотникова считает все правильно — точно по формулам А.И. Пеховича!
Во-вторых, внесшая сумятицу в мои рассуждения формула (3) из статьи А.Г. Сотникова не должна выглядеть так:
R 27 = δ усл /(2*λ гр )=К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
В статье А.Г. Сотникова — не верная запись! Но далее график построен, и пример рассчитан по правильным формулам!!!
Так должно быть согласно А.И. Пеховичу (стр 110, дополнительная задача к п.27):
R 27 = δ усл /λ гр =1/(2*λ гр )*К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
δ усл =R 27 *λ гр =(½)*К(cos ((h / H )*(π/2)))/К(sin ((h / H )*(π/2)))
Методика расчета теплопотерь помещений и порядок его выполнения (см. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий, пункт 5).
Дом теряет тепло через ограждающие конструкции (стены, перекрытия, окна, крыша, фундамент), вентиляцию и канализацию. Основные потери тепла идут через ограждающие конструкции - 60–90% от всех теплопотерь.
В любом случае учет теплопотерь необходимо производить для всех конструкций ограждающего типа, которые присутствуют в отапливаемом помещении.
При этом не обязательно учитывать потери тепла, которые осуществляются через внутренние конструкции, если разность их температуры с температурой в соседних помещениях не превышает 3 градусов по Цельсию.
Теплопотери через ограждающие конструкции
Тепловые потери помещений в основном зависят от:
1 Разницы температур в доме и на улице (чем разница больше, тем потери выше),
2 Теплозащитных свойств стен, окон, дверей, покрытий, пола (так называемых ограждающих конструкций помещения).
Ограждающие конструкции в основном не являются однородными по структуре. А обычно состоят из нескольких слоёв. Пример: стена из ракушника = штукатурка + ракушник + наружная отделка. В эту конструкцию могут входить и замкнутые воздушные прослойки (пример: полости внутри кирпичей или блоков). Вышеперечисленные материалы имеют отличающиеся друг от друга теплотехнические характеристики. Основной такой характеристикой для слоя конструкции является его сопротивление теплопередачи R.
Где q – это количество тепла, которое теряет квадратный метр ограждающей поверхности (измеряется обычно в Вт/м.кв.)
ΔT - разница между температурой внутри расчитываемого помещения и наружной температурой воздуха (температура наиболее холодной пятидневки °C для климатичекского района в котором находится расчитываемое здание).
В основном внутренняя температура в помещениях принимается. Жилые помещения 22 оС. Нежилые 18 оС. Зоны водных процедур 33 оС.
Когда речь идёт о многослойной конструкции, то сопротивления слоёв конструкции складываются.
δ - толщина слоя, м;
λ - расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя конструкции, с учетом условий эксплуатации ограждающих конструкций, Вт / (м2 оС).
Ну, вот с основными данными, требуемыми для расчёта разобрались.
Итак для расчёта тепловых потерь через ограждающие конструкции нам нужны:
1. Сопротивление теплопередачи конструкций (если конструкция многослойная то Σ R слоёв)
2. Разница между температурой в расчётном помещении и на улице (температура наиболее холодной пятидневки °C.). ΔT
3. Площади ограждений F (Отдельно стены, окна, двери, потолок, пол)
4. Еще пригодится ориентация здания по отношению к сторонам света.
Формула для расчёта теплопотерь ограждением выглядит так:
Qогр=(ΔT / Rогр)* Fогр * n *(1+∑b)
Qогр - тепло потери через ограждающие конструкции, Вт
Rогр – сопротивление теплопередаче, м.кв.°C/Вт; (Если несколько слоёв то ∑ Rогр слоёв)
Fогр – площадь ограждающей конструкции, м;
n – коэффициент соприкосновения ограждающей конструкции с наружным воздухом.
| Ограждающие конструкции | Коэффициент n |
| 1. Наружные стены и покрытия (в том числе вентилируемые наружным воздухом), перекрытия чердачные (с кровлей из штучных материалов) и над проездами; перекрытия над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне | |
| 2. Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытия чердачные (с кровлей из рулонных материалов); перекрытия над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне | 0,9 |
| 3. Перекрытия над не отапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах | 0,75 |
| 4. Перекрытия над не отапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные выше уровня земли | 0,6 |
| 5. Перекрытия над не отапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли | 0,4 |
Теплопотери каждой ограждающей конструкции считаются отдельно. Величина теплопотерь через ограждающие конструкции всего помещения будет сумма теплопотерь через каждую ограждающую конструкцию помещения
Расчет теплопотерь через полы
Неутепленный пол на грунте
Обычно теплопотери пола в сравнении с аналогичными показателями других ограждающих конструкций здания (наружные стены, оконные и дверные проемы) априори принимаются незначительными и учитываются в расчетах систем отопления в упрощенном виде. В основу таких расчетов закладывается упрощенная система учетных и поправочных коэффициентов сопротивления теплопередаче различных строительных материалов.
Если учесть, что теоретическое обоснование и методика расчета теплопотерь грунтового пола была разработана достаточно давно (т.е. с большим проектным запасом), можно смело говорить о практической применимости этих эмпирических подходов в современных условиях. Коэффициенты теплопроводности и теплопередачи различных строительных материалов, утеплителей и напольных покрытий хорошо известны, а других физических характеристик для расчета теплопотерь через пол не требуется. По своим теплотехническим характеристикам полы принято разделять на утепленные и неутепленные, конструктивно – полы на грунте и лагах.
Расчет теплопотерь через неутепленный пол на грунте основывается на общей формуле оценки потерь теплоты через ограждающие конструкции здания:
где Q – основные и дополнительные теплопотери, Вт;
А – суммарная площадь ограждающей конструкции, м2;
tв , tн – температура внутри помещения и наружного воздуха, оС;
β - доля дополнительных теплопотерь в суммарных;
n – поправочный коэффициент, значение которого определяется местоположением ограждающей конструкции;
Rо – сопротивление теплопередаче, м2 °С/Вт.
Заметим, что в случае однородного однослойного перекрытия пола сопротивление теплопередаче Rо обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи материала неутепленного пола на грунте.
При расчете теплопотерь через неутепленный пол применяется упрощенный подход, при котором величина (1+ β) n = 1. Теплопотери через пол принято производить методом зонирования площади теплопередачи. Это связано с естественной неоднородностью температурных полей грунта под перекрытием.
Теплопотери неутепленного пола определяются отдельно для каждой двухметровой зоны, нумерация которых начинается от наружной стены здания. Всего таких полос шириной 2 м принято учитывать четыре, считая температуру грунта в каждой зоне постоянной. Четвертая зона включает в себя всю поверхность неутепленного пола в границах первых трех полос. Сопротивление теплопередаче принимается: для 1-ой зоны R1=2,1; для 2-ой R2=4,3; соответственно для третьей и четвертой R3=8,6, R4=14,2 м2*оС/Вт.
Рис.1. Зонирование поверхности пола на грунте и примыкающих заглубленных стен при расчете теполопотерь
В случае заглубленных помещений с грунтовым основанием пола: площадь первой зоны, примыкающей к стеновой поверхности, учитывается в расчетах дважды. Это вполне объяснимо, так как теплопотери пола суммируются с потерями тепла в примыкающих к нему вертикальных ограждающих конструкциях здания.
Расчет теплопотерь через пол производится для каждой зоны отдельно, а полученные результаты суммируются и используются для теплотехнического обоснования проекта здания. Расчет для температурных зон наружных стен заглубленных помещений производиться по формулам, аналогичным приведенным выше.
В расчетах теплопотерь через утепленный пол (а таковым он считается, если в его конструкции есть слои материала с теплопроводностью менее 1,2 Вт/(м °С)) величина сопротивления теплопередачи неутепленного пола на грунте увеличивается в каждом случае на сопротивление теплопередаче утепляющего слоя:
Rу.с = δу.с / λу.с ,
где δу.с – толщина утепляющего слоя, м; λу.с – теплопроводность материала утепляющего слоя, Вт/(м °С).
