Оценка теплотехнической однородности наружной стены при изменении толщины утеплителя

В рамках пересмотра действующей нормативной базы в области строительства в Российской Федерации с 1 июля 2013 года вступила в силу актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — СП 50.13330.2012 (далее — СП 50) [1, 2]. Это потребовало изменения подходов к теплотехническому расчёту ограждающих конструкций здания и выбору их требуемого сопротивления теплопередаче. В первую очередь для этого необходимо определять удельные потери теплоты через линейные теплотехнические неоднородности ψ_j [Вт/ (м·К)] и через точечные неоднородности χ_k [Вт/К] по результатам расчёта двухмерного температурного поля узла конструкций. После этого можно вычислить требуемое значение удельного теплового потока по глади конструкции (то есть без учёта теплопроводных включений [Вт/(м²·К)], исходя из обеспечения необходимой величины приведённого сопротивления теплопередаче R_o^пр [м²·К/Вт]:

Здесь K = 1/R_o^пр — коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²·К), а параметр ΔК, также с размерностью Вт/(м²·К), по физическому смыслу представляет собой, очевидно, суммарную дополнительную тепловую проводимость точечных и линейных элементов. Она определяется по следующей формуле:

где l_j и n_k — длина и количество теплотехнических неоднородностей, приходящихся на 1 м² поверхности конструкции, соответственно. Тогда требуемое сопротивление теплопередаче слоя утеплителя можно выразить обычным способом:

Здесь ΣR_к.i — суммарное термическое сопротивление всех слоёв конструкции, за исключением утеплителя, м²·К/Вт; α_в и α_н — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²·К), соответственно. Для наружной стены по СП 50 можно принимать α_в = 8,7 Вт/(м²·К); α_н = 23 Вт/(м²·К). Отсюда требуемая толщина слоя утеплителя δ_ут = R_утλ_ут [м], где λ_ут — теплопроводность материала утеплителя, Вт/(м·К); коэффициент теплотехнической однородности r = U_тр/К = 1 - ΔК/K (для оценки эффективности использования утеплителя).

В рамках пересмотра действующей российской нормативной базы в области строительства требуется изменение подходов к теплотехническому расчёту ограждающих конструкций здания и выбору их требуемого сопротивления теплопередаче

Значения коэффициентов ψ_j и χ_k приводятся в Своде Правил (СП) 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей» (далее — СП 230) в виде таблиц в зависимости от некоторых характеристик самих ограждений, в первую очередь теплопроводности материалов конструктивного и теплоизоляционного слоёв, сопротивления теплопередаче и некоторых других. Поэтому при изменении этих величин значения ψ_j и χ_k строго говоря, тоже не будут постоянными, а значит, будет меняться определённым образом и параметр ΔК. Ранее данный вопрос поднимался в работе [3], однако конкретные конструкции при этом не рассматривались. Попытаемся определить степень влияния изменения толщины утеплителя при определении зависимости r от R_o^пр на примере одной из ограждающих конструкций общественного здания.

Расчёты проведём для наружной стены в здании клуба с залом на 300 мест в городе Пензе. Характеристики слоёв наружной стены: цементно-песчаный раствор δ = 0,02 м, теплопроводность λ = 0,076 Вт/(м-К); железобетон δ = 0,25 м, λ = 1,92 Вт/(м-К); минеральная вата из каменного волокна λ_ут = 0,042 Вт/(м·К); сложный раствор δ = 0,02 м, λ = 0,07 Вт/(м·К).

Толщина слоя утеплителя варьировалась от 70 до 250 мм. Характеристики теплотехнических неоднородностей приведены в табл. 1. Здесь воздействие R_o^пр сказывается главным образом на значении ψ_j, а уровень χ_k оказывается практически постоянным. Это связано с тем, что для дюбелей данный параметр согласно СП 230 зависит только от их геометрических размеров, а они при изменении толщины утеплителя, разумеется, остаются постоянными.

Результаты вычислений для случая ΔК = const, когда ψ_j = 0,12 Вт/(м·К), показаны на рис. 1 сплошной линией, а при учёте переменности ΔК в зависимости от изменения ψ_j и χ_k — пунктиром. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что с ростом толщины утеплителя коэффициент теплотехнической однородности падает. Однако, если учитывать изменения удельных потерь теплоты через линейные и точечные теплотехнические неоднородности, это уменьшение оказывается менее резким. Физически это можно объяснить тем, что в соответствии с СП 230 значения ψ_j и χ_k при этом в основном тоже уменьшаются, а значит, несколько снижается и ΔК. С учётом того, что r = 1 - ΔК/К, это и замедляет снижение r при падении К.