Методики и примеры расчета тепловых мостов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МЕТОДИКИ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ МОСТОВ

Александр Елохов

ООО "Институт пассивного дома", 117405, Москва, ул. Кирпичные Выемки д.2/1, 4-й подъезд, офис 407, ш1о@ра88№-

rus.ru

Аннотация: в статье ставится вопрос о необходимости учета тепловых мостов вследствие нововведенных нормативных документов, однако возникает проблема в отсутствии корректных методик их расчета. Выявлены основные отличия европейских методик от российских, предложена расчетная методика, опирающаяся на европейские нормативные документы и позволяющая рассчитывать теплопроводные включения с помощью таких инструментов, как программы расчета температурных полей НЕАТ2/НЕАТ3 и Пакет проектирования пассивного дома.

Ключевые слова: наружная ограждающая конструкция; приведенное сопротивление теплопередаче; тепловые мосты; трансмиссионные теплопотери; проектирование; программа расчета температурных полей.

Введение

Ограждающие конструкции современных зданий характеризуются наличием утепляющих, конструктивных слоев, различного рода теплопроводных включений в виде плит перекрытий, перегородок, связей, конструктивных элементов фасадных систем и т.п. Метод оценки теплозащитных качеств таких конструкций основан на применении программ расчета двухмерных или трехмерных температурных полей.

Анализ публикаций, материалов, методов

В настоящее время активно обновляется нормативная база строительной отрасли, в том числе по проектированию тепловой защиты зданий. С 01.07.2013 года введен в действие СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий» [1], одним из существенных отличий от СНиП 23-02-2003 [2] является обязательное требование по расчету приведенного сопротивления теплопередаче с учетом «тепловых мостов» - линейных и точечных теплотехнических неоднородностей.

Так же разрабатывается СП «Правила расчета приведенного сопротивления

теплопередаче» [3], основную часть которого составляют таблицы с расчетными характеристиками различных узлов конструкций, позволяющие частично или полностью исключить расчеты температурных полей в процессе проектирования.

К сожалению, в этих документах методика расчета температурных полей не полностью раскрыта, отсутствует описание правил моделирования, методики расчета «тепловых мостов» для конструкций, контактирующих с грунтом и неотапливаемыми помещениями, «геометрических тепловых мостов» и их учета. Все это существенно влияет на корректность результатов расчетов, и, как следствие, приводит к произвольной трактовке методик расчета, большим расхождениям в результатах расчетов, даже при использовании одних и тех же программ.

В СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий» [1] вводится понятие приведенного

сопротивления теплопередаче,

рассчитывается по формуле 1:

Допр - 1

1

X1-У- + Х пк1 к

который

(1)

п усл

где П(усл - осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче фрагмента

теплозащитной оболочки здания либо выделенной ограждающей конструкции, м2оС/Вт;

1 - - протяженность линейной неоднородности 1-го вида, приходящаяся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м2;

У,- - удельные потери теплоты через линейную неоднородность --ого вида, Вт/(м оС);

пк - количество точечных неоднородностей к-го вида, приходящихся на 1 м2 фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт/м2;

Хк - удельные потери теплоты через точечную неоднородность к-го вида, Вт/оС.

Расчет приведенного сопротивления теплопередаче основан на представлении фрагмента теплозащитной оболочки здания в виде набора независимых элементов, каждый из которых влияет на тепловые потери через фрагмент. В качестве теплозащитных элементов выбираются отдельные участки конструкции, детали (в основном прорезающие утеплитель), стыки между различными конструкциями.

В Приложении В проекта СП «Правила расчета приведенного сопротивления

теплопередаче» [3] приведены типовые разбивки на теплозащитные элементы основных видов стен, примеры приведены на рисунках 1 и 2.

+

Удельные потерн теплоты Т. Вт/(мвС), для узла прнмыкання балконной плиты к стене. Сте-

dyi

PI

НЗ

ж ■■■

ж

dj 160 мм

¡.,-0,2 K-0.6 >4,-1-3

1Ц-1Л 0.5S3 0,660 0,S3S

R„-3,0 0,550 0.638 0.781

K^-6,0 0,472 0.536 0,626

Ax=2\0 мм

R,-=1.5 0,704 0.777 0.958

R,-=3,0 0,669 0.758 0,515

R^-6,0 0,530 0,650 0,751

Рис. 1 и 2. Таблицы расчетных характеристик Приложения В проекта СП «Правила расчета приведенного сопротивления теплопередаче»

Еще одним нововведением в СП 50.13330.2012 [1], отличающим его от СНиП 23-022003 [2] является расчет удельной теплотехнической

характеристики, формуле 2 или 3:

которая рассчитывается по

k об =

V

v от

(

k об ""

V„

I

г i

I I

A

't ,i

Ф,-

Kкомп ' Kобщ '

A,

ф,-

R

усл

I

4 jlj ¥j +

(2)

(3)

Rnp

о,-

Удельная теплотехническая характеристика характеризует теплопотери единицей отапливаемого объема, при расчете которой так же необходимо учитывать влияния линейных и точечных теплотехнических неоднородностей.

Более подробно методика расчета «тепловых мостов» с использованием программ расчета двухмерных и трехмерных температурных полей описана в европейских нормативах ISO 10211 [4], ISO 14683 [5] и DIN 4108 [6], в которых изложены принципы моделирования, граничные условия, представлены каталоги тепловых мостов.

Основными отличиями европейских от российских методик являются:

отсутствие понятия приведенного

сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций;

теплопотери от тепловых мостов учитываются либо в виде надбавок (DIN 4108 [6]), либо рассчитываются в соответствии с методиками, описанными в ISO 10211 [4] и учитываются в дополнительных удельных трансмиссионных теплопотерях через оболочку здания;

определение трансмиссионных теплопотерь и расчет тепловых мостов выполнятся по наружным размерам здания, поэтому ¥ снип и ¥ iso/din будут иметь разные значения.

Основным документом, регламентирующим правила расчета тепловых мостов является ISO 10211 [4], в котором подробно описаны методики расчета линейных и точечных теплотехнических тепловых мостов, параметры 2D/3D моделирования и приведены примеры расчетов.

,пг,кмк 1 к

где Кот - отапливаемый объем здания, м3; - коэффициент, учитывающий отличие внутренней или наружной температуры у конструкции от принятых в расчете ГСОП;

Л^ - площадь соответствующего фрагмента теплозащитной оболочки здания, м2;

приведенное сопротивление

теплопередаче /-го фрагмента теплозащитной оболочки здания, м2оС/Вт;

Ккомп - коэффициент компактности здания,

м-1;

Кобщ - общий коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м2-°С);

^Усл, Хк - принимаются по Приложению Е СП 50.13330.2012 [1];

Ь - суммарная протяженность линейной неоднородности -го вида по всей оболочке здания, м;

Ык - суммарное количество точечных неоднородностей к-го вида по всей оболочке здания, шт.

Рис. 3.. Определение параметров расчетной области для различных случаев в ISO 10211

Рис. 4. Определение параметров расчетной области для различных случаев в ISO 10211

n

1

t ,i

о,-

Рис. 5. Определение параметров расчетной области для различных случаев в ISO 10211

В ISO 10211 [4] описаны методики определения тепловых мостов с конструкциями, контактирующими с грунтом или неотапливамыми помещениями, т. е. когда вместо двух температур (температуры наружного воздуха и температуры внутреннего воздуха) появляется еще третья температура (температура грунта) или даже четвертая (температура неотапливаемого помещения).

0,5* + 2.56

У / / / /

0r5i * 2.5Ъ

Рис. 6 и 7. Определение параметров расчетной области для конструкций, граничащих с грунтом в ISO 10211

ISO 14683 [5] подробно описывает методику расчета удельных трансмиссионных теплопотерь, которые рассчитываются по формуле 4:

HT = HD+Hg + HU ,

(4)

где HD - дополнительные удельные трансмиссионные теплопотери через оболочку здания;

Hg - дополнительные удельные трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции, контактирующие с грунтом, рассчитанные в соответствии с ISO 13370 [8];

Ни - дополнительные удельные трансмиссионные теплопотери через

неотапливаемые пространства, рассчитанные в соответствии с ISO 13789 [9].

Дополнительные удельные

трансмиссионные теплопотери через оболочку здания определяются по формуле 5:

HD AiUi + Х Чк где Ai -

+ Х Х , (5) i-го элемента

площадь

2

ограждающих конструкции, м ;

U,- - коэффициент теплопередачи i-го

элемента

2

ограждающих конструкции здания, Вт/(м2°С);

lk - длина линеИного теплового моста, м; ¥k - линейный коэффициент теплопередачи k-го линеИного теплового моста, Вт/(м°С);

Xj - точечный коэффициент теплопередачи j-го точечного теплового моста, Вт/°С.

Учет теплопотерь от тепловых мостов выполняется отдельно и суммируется с теплопотерями через ограждающие конструкции. В документе так же представлены каталоги тепловых мостов с расчетными значениями для различных методик определения расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию.

DIN 4108-6 [7] описывает методику определения удельных трансмиссионных теплопотерь для условий Германии, которые рассчитываются по формуле 6:

FH

Нт = X и Л, + Нш.В + АНТ,ги , (6)

где и,- - коэффициент теплопередачи 1-го элемента ограждающих конструкций здания, Вт/(м2°С);

А, - площадь 1-го элемента ограждающих конструкций, м2;

температурный положение

коэффициент, ограждающей

учитывающий конструкции;

Hwb - дополнительные удельные трансмиссионные теплопотери от тепловых мостов , которые должны быть учтены в соответствии с DIN 4108-6 [7];

Д Htffh - дополнительные удельные трансмиссионные теплопотери через конструкции с интегрированными нагревательными поверхностями (в полах, перекрытиях и вертикальные строительных конструкциях).

В DIN 4108-6 [7] в отличие от ISO 14683 [5] существует возможность учета тепловых мостов через так называемые надбавки к коэффициенту теплопередачи оболочки здания, AUWB? а так же

несколько вариантов для расчета HWB по формулам 7 и 8:

Вариант 1

HWB = AUwb • A , wb ' (7)

где А - площадь ограждающих конструкций (наружной оболочки здания):

AUWB = 0,10 Вт/(м2 • °С) - для всех новых

зданий;

AUWB = 0,05 Вт/(м2 • °С) - для проработанных узловых решений в соответствии с DIN 4108 Beiblatt 2;

AUWB = 0,15 Вт/(м2 • °С) - для всех зданий с внутренней теплоизоляцией;

Вариант 2 - для более точного определения, в соответствии с DIN 4108-6 [7], в сочетании с другими нормами.

H

wb

= X l Ve ,

(8)

В документе DIN 4108 Beiblatt 2 [6] подробно описаны граничные значения граничных условий и приблизительные значения линейных теплотехнических неоднородностей различных узловых решений для условий Германии, примеры указаны на рис. 8 и 9.

Рис. 8 и 9. Таблицы значений граничных условий и приблизительных значений для тепловых мостов

Цель и постановка задачи исследований

В результате сравнительного анализа российских и европейских методик расчета тепловых мостов, предложена расчетная методика, опирающаяся на европейские нормативные документы и позволяющая рассчитывать и учитывать все типы теплопроводных включений с помощью таких инструментов, как программы расчета температурных полей НЕАТ2/НЕАТ3 и Пакет проектирования пассивного дома РНРР,

рассмотрены примеры для расчета различных узлов примыкания наружных ограждающих конструкций.

Основной раздел с результатами и их анализом

В СП 50.13330.2012 [1] желательно ввести нормирование AU, чтобы линейные и точечные неоднородности не только рассчитывались, но и нормировалось их суммарное влияние на трансмиссионные теплопотери здания. Т.е. чтобы не просто проводились расчеты, но и в итоге выбирались оптимизированные значения.

Следует понимать, что надбавка AUWB имеет довольно существенное значение. Так, если усредненное значение U оболочки здания равно 0,3 Вт/(м2 • °С), то при AUWB= 0,1, это означает, что Л0усл=1/0,3 = 3,3 становится равным Я0п = 1/0,4 = 2,5. Для энергоэффективных, а тем более пассивных зданий это недопустимо, поэтому в любом случае V необходимо считать, т.к. Л0усл = 1/0,1 = 10 становится равным Я0пр = 1/0,2 = 5 !

Для пассивных домов в документе «Wärmebrückenfreies Konstruieren. Protokollband Nr. 16» [14] введено понятие «конструирования без тепловых мостов» с граничным значением для V < 0,01 Вт/(м • °С) или рассчитанное по формуле 9:

ht = X Uj • Aj + • lj + Xj

Пов-ти Лин. Точ. , .

оболочки j ТМ j ТМ j (9)

< Hregulär ~ ^^Uj Aj , где Uj - коэффициент теплопередачи i-го элемента ограждающих конструкций здания, Вт/(м2 • °С);

А,- - площадь i-го элемента ограждающих конструкций, м ;

Чу - линейный коэффициент теплопередачи k-го линейного теплового моста, Вт/(м • °С);

lj - длина линейного теплового моста, м; Xj - точечный коэффициент теплопередачи j-го точечного теплового моста, Вт/°С. Принцип «конструирования без тепловых мостов» определяется следующим образом: доля теплопотерь от тепловых мостов меньше или равна нулю.

Расчетная методика PHPP [11] разработана Passivhaus Institut Darmstadt для энергоэффективных и пассивных домов и позволяет учитывать все типы тепловых мостов, относя их к соответствующим ограждающим конструкциям и группам тепловых мостов. Пример учета тепловых мостов представлен в таблице 1. В составе PHPP [11] есть средство для пересчета тепловых мостов с внутренних к наружным размерам, что позволяет пользоваться как европейскими, так и российскими методиками расчета. Пример пересчета представлен в таблице 2. Все тепловые мосты учитываются в энергобалансе здания, пример представлен в таблице 3.

Таблица 1. Учет тепловых мостов в РНРР 2007

Линейный коэффициент теплопередачи Вт/(м°С) Длина 1, м Коэффициент И=Ч1, Вт/(м°С) Понижающий коэффициент (учет температуры) £ Значение И=ЧЧ£ Вт/(м°С) Доля от трансмиссионных теплопотерь

1 2 3 4 5 6

1. Узел примыкания наружной стены и пола первого этажа, сечение 1-1

-0,044 27,13 -1,19 0,447 -0,534 -0,3%

2. Узел примыкания внут| ренней стены и пола первого этажа, сечение 2-2

0,807 37,22 30,04 0,447 13,441 8,6%

3. Узел примыкания внутренней стены и пола первого этажа, сечение 3-3

1,251 1,40 1,75 0,447 0,784 0,5%

4. Узел примыкания наружной стены и пола первого этажа, сечение 4-4

-0,195 2,52 -0,49 0,447 -0,220 -0,1%

5. Узел примыкания наружной стены и пола первого этажа, сечение 1-1 (терраса)

-0,037 12,35 -0,46 0,447 -0,204 -0,1%

6. Узел примыкания наружной стены и межэтажного перекрытия в осях 2-5 и 52

0,028 14,83 0,42 1,000 0,415 0,3%

7. Узел примыкания наружной стены и межэтажного перекрытия в осях Б-Д и Д-Б

0,021 11,00 0,23 1,000 0,231 0,1%

8. Узел примыкания наружной стены и межэтажного перекрытия в осях Г-В

0,033 5,26 0,17 1,000 0,174 0%

9. Узел примыкания наружной стены и межэтажного перекрытия в осях В-Б и Д-г

0,027 5,74 0,15 1,000 0,155 0%

10. Узел примыкания наружной стены и межэтажного перекрытия в осях 4-5

0,041 5,17 0,21 1,000 0,212 0%

11. Узел примыкания наружной стены и скатной кровли тип 1

-0,077 16,22 -1,25 1,000 -1,249 -1%

12. Узел примыкания наружной стены и скатной кровли тип 2

-0,071 26,36 -1,87 1,000 -1,872 -1%

13. Узел примыкания наружной стены и внутренней перегородки

0,014 36,40 0,51 1,000 0,510 0%

14. Узел примыкания наружной стены и внутренней перегородки

0,035 9,94 0,35 1,000 0,348 0%

15. Внутренний угол

-0,051 31,61 -1,61 1,000 -1,614 -1%

16. Узел примыкания чердачного перекрытия и внутренней стены чердака

0,040 6,79 0,27 1,000 0,272 0%

17. Узел примыкания чердачного перекрытия и скатной кровли с углом наклона 35°

-0,094 20,58 -1,93 1,000 -1,935 -1%

18. Узел примыкания чердачного перекрытия и скатной кровли с углом наклона 40°

-0,093 12,34 -1,15 1,000 -1,148 -1%

19. Узел примыкания наружной стены и чердачного пе рекрытия

-0,070 12,71 -0,89 1,000 -0,889 -1%

20. Узел примыкания чердачного перекрытия и люка

0,035 3,60 0,13 1,000 0,126 0%

Таблица 2.

Обозначение Единица измерения Пример расчета

□ с привяз. к внут. размер. Вт/(м°С) 0,027

Разность темп-р ТМ °С 30

Примыкающая поверхность I Разность темп-р □□ I °С 30

Нар. размер - внут. размер I м 0,40

Коэф-т и стр. эл-та I Вт/(м2°С) 0,138

Примыкающая поверхность II Разность темп-р □□ II °С 30

Нар. размер - внут. размер II м 0,30

Коэф-т И стр. эл-та II Вт/(м2°С) 0,110

□ привязка к нар. размеру Вт/(м°С) -0,061

зужным размерам

Таблица 3.

Строительны е конструкции Температурн ая зона (N м, ,ь адь щ ло П Коэффициент U, Вт/(м2-°С) Понижающи й коэффициент f д о 6 ° w 5 Трансмиссио нные теплопотери От

Наружная стена -наружный воздух А 196,3 0,028 1,00 118,4 4838

Крыша/перекрытие -наружный воздух А 112,3 0,216 1,00 118,4 2878

Фундаментная плита/пол В 101,4 0,203 0,45 118,4 1089

Окна А 35,2 2,088 1,00 118,4 8697

Наружная дверь А 0,8 1,103 1,00 118,4 99

Тепловые мосты -наруж. возд. (длина/м) А 246,2 -0,020 1,00 118,4 -583

Тепловые мосты - по краям (длина/м) P 42,0 -0,051 0,45 118,4 -113

Тепл. мосты - грунт (длина/м) B 38,6 0,823 0,45 118,4 1684

Сумма площадей оболочки: 445,9 Сумма: 18588

Актуальность темы расчета

теплотехнических характеристик ограждающих конструкций обусловлена большим количеством вопросов, возникающих на стадии проектирования зданий при выполнении расчетов в соответствии с требованиями СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-022003». И прежде всего при выполнении расчетов с применением программ расчета температурных полей.

Программный комплекс для расчета 2D/3D температурных полей в составе HEAT2 и HEAT3 соответствует стандартам ISO 10211 [4] и ISO 10077-2 [10] и позволяет упростить решение ряда задач, связанных с расчетом температурных полей и свести к минимуму возникновение ошибок в расчетах.

Программный комплекс ИБАТ2/НБАТ3 имеет широкие возможности:

Расчет 2Б/3Б стационарного/нестационарного процесса теплопередачи;

Проведение анализа тепловых мостов, расчет коэффициентов ¥ и % ;

Расчет приведенного сопротивления теплопередачи и коэффициентов теплотехнической однородности ограждающих конструкций;

Анализ распределения температур на поверхностях (санитарно-гигиенические требования) и в толще ограждений;

Расчет теплопотерь через конструкции, контактирующие с грунтом;

Оптимизация крепления теплоизоляции и консольных элементов;

Анализ параметров напольного отопления;

5.

Расчет оконных профилей и оконных 4 примыканий.

В новой версии также стало доступно:

1. Добавлен список материалов из СП 50.13330.2012 [1].

2. Для ИБАТ2 количество узлов расчетной сетки увеличено до 4.000.000

3. Для ИБАТ3 количество узлов расчетной сетки увеличено до 50.000.000 '

Автоматический расчет ^ в соответствии с ISO 10211 [4].

Генератор отчетов с возможностью экспорта в различные форматы.

Далее на рисунках 10-12 представлены несколько примеров расчета для различных узлов примыканий наружных ограждающих конструкций.

Рис. 10 - Примыкание ж/б консоли к наружной стене через несущий теплоизоляционный элемент в зоне межэтажного перекрытия

Рис. 11. Примыкание чердачного перекрытия и наружной стены

Рис. 12. Учет влияния кронштейнов подсистемы вентилируемого фасада

Выводы

В настоящее время существующие российские нормативные документы по расчету и учету влияния теплопроводных включений нуждаются в доработке и детализации с учетом европейского опыта.

Литература

1. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-022003».

2. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

3. СП «Правила расчета приведенного сопротивления теплопередаче. Таблицы теплотехнических характеристик типовых элементов ограждающих конструкций».

4. ISO 10211 «Thermal bridges in building construction -- Heat flows and surface temperatures - Detailed calculations».

5. ISO 14683 «Thermal bridges in building construction -- Linear thermal transmittance -Simplified methods and default values».

6. DIN 4108 Beiblatt 2 «Wärmeschutz und EnergieEinsparung in Gebäuden -Wärmebrücken -Planungs- und Ausführungsbeispiele».

7. DIN 4108-6 «Wärmeschutz und EnergieEinsparung in Gebäuden Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs».

8. ISO 13370 «Thermal performance of buildings -Heat transfer via the ground -- Calculation methods».

9. ISO 13789 «Thermal performance of buildings -Transmission and ventilation heat transfer coefficients -- Calculation method».

10. ISO 10077-2 «Thermal performance of windows, doors and shutters -- Calculation of thermal transmittance - Part 2: Numerical method for frames».

11. PHPP 2007 «Пакет проектирования пассивного дома».

12. IBO - Österreichisches Institut für Baubiologie und - Ökologie (Hrsg.) «PassivhausBauteilkatalog. Ökologisch bewertete Konstruktionen».

13. Torsten Schoch «Neuer Wärmebrückenkatalog. Beispiele und Erläuterungen nach neuer DIN 4108 Beiblatt 2».

14. Dr. Wolfgang Feist, Passivhaus Institut «Wärmebrückenfreies Konstruieren Protokollband Nr. 16».

15. Dr. Wolfgang Feist, Passivhaus Institut «Wärmeverluste durch das Erdreich Protokollband Nr. 27».

16. Dr. Wolfgang Feist, Passivhaus Institut «Wärmebrücken und Tragwerksplanung - die Grenzen des wärmebrückenfreien Konstruierens Protokollband Nr. 35».

17. Вольфганг Файст, «Основные положения по проектированию пассивных домов». Перевод с немецкого с дополнениями под редакцией А. Е. Елохова - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 144 с.

METHODS AND EXAMPLES OF THERMAL BRIDGES CALCULATION

Summary: the article addresses the question of necessity to take into account thermal bridges due to the newly introduced regulations, but there is a problem in the absence of the correct methods of their calculation. There are found the main differences between the European and Russian methods, is suggested calculation method, which is based on European regulations and allows to calculate and take into account all types of thermal bridges using tools such as the programs HEAT2 / HEAT3 for heat transfer and passive house planning package PHPP.

Keywords: external building envelope; reduced total heat transfer resistance; thermal bridges; transmission heat losses; design; software for heat transfer.