Утепление зданий старой застройки

Анотація

Актуальність роботи за шифром «утеплення стін» полягає в необхідності зберігати тепло у помешканнях. Метою цієї роботи – є визначення порядку чергування огороджувальних шарів стіни (несуча та теплоізолююча частина), що забезпечить найменші темп та швидкість її охолодження, з метою вибору оптимальних варіантів енергозберігаючих рішень по утепленню житлових приміщень старої забудови постійного та періодичного опалення. У роботі проведено розрахунок розподілу температури по шарах для різних конструкцій утеплених стін, визначено кількість теплоти, що треба витратити на кожен квадратний метр поверхні стіни аби температура у приміщенні стала комфортною, розраховано термін остигання стіни при вимкненні опалення від температури приміщення +23^оС до точки роси. Проведено аналіз окупності утепленої стіни.

Обсяг роботи – 28 стор., рисунків – 2,таблиць – 6, 10 використаних джерел.

Ключові слова: утеплення, огороджувальна конструкція (ОК), тепловий потік, тепловтрати, теплоізоляція, температура, коефіцієнт теплопровідності.

ЗМІСТ

1 ВСТУП

В даний час енергозбереження – одне з пріоритетних завдань енергетики України. Це пов'язано з дефіцитом основних енергоресурсів, зростаючою вартістю їх здобичі, а також з глобальними екологічними проблемами.

Енергозбереження в будь-якій сфері зводиться по суті до зниження даремних втрат енергії.

Основна роль в збільшенні ефективності використання енергії належить сучасним енергозберігаючим технологіям. Їх впровадження в господарську діяльність як підприємств, так і приватних осіб на побутовому рівні, є одним з важливих кроків у вирішенні багатьох екологічних проблем – зміни клімату, забруднення атмосфери (наприклад, викидами від ТЕЦ), виснаження викопних ресурсів і ін.

Енергозберігаючі технології застосовують і в будівництві, що носить комплексний характер. Сюди входить утеплення стін, енергозберігаюча крівля, енергозберігаючі фарби, склопакети, економічні системи обігріву і охолоджування поверхонь.

У цій роботі детальніше розглянуто теплоізоляцію огороджувальних конструкцій (ОК) (стін), як один із способів енергозбереження житлових будівель. На сьогодні це досить актуальне питання, тому що вартість енергоносіїв стрімко підвищується, і люди замислюються як можна менше витрачати на опалення взимку не поступаючись бажанням не мерзнути. Теплоізоляція стін – реальне вирішення  цієї проблеми, однак виникає питання як саме слід утеплювати стіни.

Тому мета цієї роботи – визначення порядку чергування огороджувальних шарів стіни (несуча та теплоізолююча частина стіни), що забезпечить найменші темп та швидкість її охолодження, з метою вибору оптимальних варіантів енергозберігаючих рішень по утепленню житлових приміщень старої забудови постійного та періодичного опалення.

2 ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК

2.1 Задачі, умови і припущення

Для досягнення поставленої мети [див. вступ] необхідно вирішити наступні задачі:

1 Визначити розподіл температури в ОК по шарах в залежності від порядку їх розміщення.

2 Визначити кількість енергії потрібної для нагріву шарів від температури повітря оточуючого середовища до середньої температури ОК в робочому інтервалі температур.

3 Визначити термін та темпи охолодження ОК.

В якості розрахункової моделі ОК приймемо три варіанти її структури, які зображено на рисунку 2.1. Розглянуто саме такі схеми тому, що вони модулюють широко розповсюджені на території України типи приватних будинків та господарчих будівель.

а                                     б                                        в

а) теплова ізоляція зсередини; б) теплова ізоляція ззовні; в) комбінована модель (два шари теплової ізоляції: ззовні та зсередини)

Рисунок 2.1 – Моделі огороджувальних конструкцій

Пояснимо позначення на рисунку 2.1: 1 – теплова ізоляція; 2 – несуча стіна; d – товщина теплоізоляції; b – товщина несучої стіни; а – шар штукатурки і зклеювальної суміші для утеплювача; t₁ – температура зовнішньої поверхні стіни; t₂ – температура поверхні стіни у приміщенні; t_{х а}, t_{х б,} t_х1 ,t_х2 – температури на межі розподілу шарів стіна/утеплювач.

Варіанти виповнення стіни «а» і «б» найчастіше застосовують. Варіант «в» сьогодні менш поширений через значну вартість, хоча така модель стіни приваблива тим, що шар стіни, що несе, не піддається різким коливанням температури, він знаходиться у сталому невеликому інтервалі температур, тому це забезпечує довговічність конструкції.

При розрахунках враховуємо наступні припущення:

1) вважаємо, що нема швів між плитами утеплювача, відсутні двері і вікна;

2) утеплювач  ззовні та зсередини один і той же;

3) розглянуто тільки 1 м² стіни, а не ціле приміщення;

4) вважаємо шар із штукатурки і зклеювальної суміші однорідним і з теплотехнічними характеристиками цегли;

5) не враховано теплоізолюючий внесок шару пароізоляції.

Запишемо відомі дані задач:

-                  t₁ = – 20^оС, t₂ = + 20^оС;

-                  для цегли:  товщина стіни b = 0,25 м, товщина штукатурки і зклеювальної суміші а = 0,015 м, коефіцієнт теплопровідності λ_c=0,7Вт/(м·^оС), густина ρ_c = 1800 кг/м³, теплоємність с_c = 920 Дж/(кг ·^оС);

-                  для ППС (теплоізоляції): товщина шару d < 0,1 м, коефіцієнт теплопровідності λ_i = 0,04 Вт/(м ·^оС), густина ρ_i = 40 кг/м³, теплоємність        с_i = 1380 Дж/(кг ·^оС) [1].

У якості утеплювача ми вибрали плиту ППС (пінополістирольна плиту), тому що вона не гідрофобна, має задовільні ціну, міцнісні і теплофізичні характеристики [2].Тепер оберемо товщину теплоізоляції [3]:

Виберемо умови експлуатації ОК з таблиці 2.1:

Таблиця 2.1 – Умови експлуатації ОК у залежності від вологісного режиму приміщення та зон вологості

Оскільки задачі вирішуємо для довільного будинку, то візьмемо нормальні зону вологості та вологісний режим приміщення, тобто умови експлуатації Б. Тоді згідно СНиП 23-02-2003 сумарне нормативне значення опору теплопередачі ОК R_о  = 2,2 м^2оС/Вт. Виходячи з цих даних, розрахуємо найменшу товщину теплоізоляції:

R_о – R₁ = X / λ_i ,

де λ_i – коефіцієнт теплопровідності ізоляції;

R₁ – тепловий опір стіни будівлі;

 X – товщина теплоізоляції.

R₁ = (b+2а)/ λ_c = 0.28/0.7 = 0.4 м² ·^оС/Вт;

X = λ_i  • ( R_о – R₁);

X = 0.04 • (2.2 – 0.4) = 0.072 м;

Отже найменша нормативна товщина теплоізоляції ППС 7.2 см при товщині стіни 25 см. Тому візьмемо трохи більшу товщину. Нехай d = 0.10м.

2.2 Розподіл температури в ОК по шарах

2.2.1 Розподіл температури в ОК по шарах за початкових умов

Розглянемо поверхню стіни площею 1 м². Через її переріз з кімнати назовні виходить тепловий потік q.

                                           q = (t₂ – t_1.)/ R ,                                        (2.1)

 де t_1. – температура оточуючого середовища;

t_2. – температура повітря у приміщенні;

q – кількість теплоти, що виходить через ОК;

R – тепловий опір ОК.

R =1/ α_зов. + (b+3а)/ λ_c + d/ λ_i +1/ α_вн.

                    q = (t₂ – t₁)/( 1/ α_зов. + (b+3а)/ λ_c + d/ λ_i +1/ α_вн.) ,                 (2.2)

де α_зов. - коефіцієнт тепловіддачі ОК у навколишнє середовищє;

     α_вн. - коефіцієнт тепловіддачі ОК у кімнату.

За допомогою (2.2) ми знайдемо тепловий потік q. Для кожної з моделей ОК отримаємо подібну формулу, за допомогою яких знайдемо  t_{х а},  t_{х б,} t_х1 ,t_х2 :

- для моделі а):

q = (t₂ – t_{х а})/( 2а/λ_с+ d/ λ_i)

t_{х а} = t₂ – q •( 2а/λ_с+ d/ λ_i)

- для моделі б):

q = (t₂ – t_{х б})/(b+2а)/ λ_с

t_{х б} = t₂ – q •(b+2а)/ λ_с

- для моделі в):

q = (t₂ – t_х2)/( d /2 λ_і +а/ λ_с)

t_х2  = t₂ – q •  ( d /2 λ_і +а/ λ_с)

q = (t_х2 – t_х1)/( (b+2а) / λ_с)

t_х1  = t_х2– q •  (b+2а) / λ_с

Результати розрахунків виконаних за допомогою цих формул приведені у таблиці 2.2.

У будівничій теплофізиці [1] для α_зов використовують формулу (2.3):

                                      α_зов = 1,163 • (3+2,5 • v^0.8) ,                                (2.3)

де v – швидкість вітру, що овіває будівлю.

Оскільки швидкість вітру не задана, розрахуємо коефіцієнт тепловіддачі для трьох значень швидкостей: v₁ =1 м/с, v₂ = 5 м/с, v₃ = 10 м/с.

α_{зов 1} = 1,163 • (3+2,5 • 1^0.8) = 6,4 ;

α_{зов 2} = 1,163 • (3+2,5 • 5^0.8) = 14,025 ;

α_{зов 3} = 1,163 • (3+2,5 • 10^0.8) = 21,83 .

Тоді розрахуємо тепловий опір нашої ОК:

R₁ =1/ 6,4_. + (0,25+3*0,015)/ 0,7 + 0,1/ 0,04 +1/8,31=2,8 (м² ·^оС/Вт);

R₂ =1/ 14,025_. + (0,25+3*0,015)/ 0,7 + 0,1/ 0,04 +1/8,31=2,71 (м² ·^оС/Вт);

R₂ =1/ 21,83_. + (0,25+3*0,015)/ 0,7 + 0,1/ 0,04 +1/8,31=2,69 (м² ·^оС/Вт).

2.2.2 Розподіл температури в ОК по шарах у процесі охолодження стіни

У процесі охолодження стіни буде зменшуватись по модулю градієнт температур, а отже зменшуватиметься і швидкість охолодження ОК, так як зменшуватиметься тепловий потік через поперечний переріз стіни.

Для того, щоб це врахувати знайдемо розподілення температури у стіні за шарами при охолодженні внутрішньої поверхні стіни до +14^оС. Значення температури на внутрішній поверхні стіни буде змінюватися поетапно, із кроком у 1^оС. Тобто матимемо наступний ряд температур: +20^оС; +19^оС; +18^оС; +17^оС; +16^оС; +15^оС; +14^оС.

Нижня гранична температура обрана не випадково. Знаючи температуру поверхні стіни у приміщенні, задамо температуру повітря у кімнаті. Виходячи з того, що оптимальна температура повітря у приміщенні для людини (якщо вона не виконує значних фізичних навантажень, перебуває у стані спокою) складає +23^оС, то й приймемо її такою (це ми можемо зробити оскільки дана величина залежить від опалення приміщення). Тоді, відповідно узявши α_вн = 8,31  (узагальнене значення коефіцієнта тепловіддачі ОК у приміщення, його використовують коли невідомі параметри кімнати [4]), ми за допомогою формули (2.2) зможемо дізнатися температуру повітря назовні (близько -22^оС).  Якщо у приміщенні відсутні джерела підвищеної вологості повітря (великий акваріум тощо), тоді відносна вологість повітря повинна бути 55%, що при +23^оС відповідає 11.341 г/м³ вологи. За такої вологості конденсація пари почнеться на поверхнях з температурою не вище +13^оС [4]. Тому для запобігання конденсації водяної пари на ОК (що призведе до погіршення теплотехнічних якостей цегли, виникнення плісняви на шпалерах та не комфортних умов мікроклімату через підвищену вологість повітря) ми не будемо допускати у моделі зниження температури поверхні стіни нижче +14^оС.

З метою раціоналізації роботи, розрахунки виконані за допомогою програми Microsoft Excel. Результати виведені у таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Розподілення температури у стіні по шарах, кількість втраченої енергії в залежності від температури внутрішньої поверхні стіни при швидкості вітру 1 м/с

2.3 Кількість теплоти, необхідна для нагріву шарів ОК

Шари нагріватимуться від температури навколишньої середи до середньої температури відповідного шару.

Рівняння кількості теплоти має вигляд [5]:

Q = c • m • Δt ,

де с – теплоємність;

m – маса;

Δt – різниця температур стіни (до і після нагріву).

                                                  m = ρ • l • S,                                              (2.4)

де ρ – густина тіла (матеріалу);

l – довжина тіла (товщина стіни);

S – площа бокової поверхні (основи) тіла.

Тоді, якщо знаходити кількість енергії, необхідної для нагріву 1 м² поверхні ОК, то отримаємо наступне:

                               q = Q/s = c • ρ • l • s • Δt /s = c • ρ • l • Δt ,                 (2.5)

                                              Δt = t_сер. – t_зов. ,                                            (2.6)

де t_сер. – середня температура шару ОК;

t_зовн. – температура на зовнішній поверхні шару ОК.

t_сер. = (t_внутр. + t_зов.)/2 ,

де t_внутр. – температура на внутрішній поверхні шару ОК.

За допомогою програми Microsoft Excel розрахуємо t_сер. для кожного шару стіни для вищезгаданого ряду температур на внутрішній поверхні ОК.

Тепер розрахуємо необхідну кількість теплоти для нагріву шарів ОК від температури оточуючого середовища до середніх температур відповідних шарів. Розглянемо один за одним три варіанти виповнення ОК, починаючи з конструкції «а» та завершуючи «в» відповідно. Для розрахунків скористаємось формулами (2.5) та (2.6):

q_с. = c_с. • ρ_с • (b+2а) • ( t_{сер.а.ст} – t₁),

де q_с. – теплота необхідна для нагріву шару цегли;

t_сер.ст – середня температура шару цегли;

                                      q_і = c_і. • ρ_і • d • ( t_{сер.ізол}– t₁),                                  (2.7)

де q_і. – теплота необхідна для нагріву шару утеплювача (ізоляції);

t_{сер.ізол} – середня температура шару утеплювача;

t₁ – температура оточуючого середовища.

Теплоту, необхідну для нагріву ОК, знайдемо склавши теплоти витрачені на нагрів цегляної стіни та шару утеплювача:

q_Σ = q_с. + q_і.

За для наочності визначимо кількість теплоти, необхідну для нагрівання ОК без теплової ізоляції:

q_ОК = c_с. • ρ_с • b • ( t_сер.ст – t₁),

де t_сер.ст – середня температура ОК з цегли.

q_ОК = 920_. • 1800 • 0,25 • ( (20-20)/2 + 20) = 8280 кДж/м².

Виконаємо розрахунки, підставивши необхідні значення у формулу (2.7):

Для зручності результати розрахунків зведемо у таблицю 2.3.

2.4 Термін та темпи охолодження ОК

У математичній фізиці кілька аналітичних методів вирішення задач з охолодження плоскої стіни (метод Фур’є, метод джерел, операційні та варіаційні методи та ін.). Вони широко використовуються у будівничій теплофізиці. Однак для задач зі складними граничними умовами чи для багатошарової стіни такі розрахунки або дуже громіздкі, що не допустиме в інженерній практиці, або аналітично ще не вирішені [19].

Таблиця 2.3 – Кількість теплоти необхідна для нагрівання ОК

Тому для вирішення поставленої задачі підійдемо до неї з точки зору акумулювання енергії, що дозволить значно спростити розрахунки і зробить можливим будь-кому вирішити поставлені задачі для свого будинку. Тобто ми отримаємо три варіанти виповнення «теплового акумулятора» (ТАМ) (рисунок 2.2).

Шари теплоізоляції та цегли виконують роль ТАМ. У процесі опалення приміщення вони запасають тепло (акумулятор заряджається), а після вимкнення опалення ОК починає остигати, тобто йде процес розряду акумулятора. Тепловий потік спрямований з площини, що між двома ОК, у напрямку навколишнього середовища.

Тепловий опір плоскої стіни визначають за формулою (2.8).

З іншого боку виразимо тепловий опір ОК через термін розряду акумулятора.

Нехай температура теплоносія ТАМ дорівнює t_а, а температура зовні – t_о. Теплова потужність, що передається до навколишнього середовища через теплоізоляцію площею 1 м² за законом Фур’є:

,                                        

де R_м – тепловий опір теплоізоляції ТАМ;

t – температура всередині ТАМ у момент часу τ(t>t_о).

а                                          б                                           в

а) теплова ізоляція зсередини ОК; б) теплова ізоляція ззовні ОК;

в) комбінована модель (два шари теплової ізоляції: ззовні та зсередини ОК) Рисунок 2.2 – Розрахункові моделі «акумуляторів» тепла

                                       R = 1/α_зов + b/λ_c + d/λ_i + 1/α_вн ,                            (2.8)

де α_зов – коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої поверхні ОК;

α_вн – коефіцієнт тепловіддачі внутрішньої поверхні ОК;

λ_c – коефіцієнт теплопровідності стіни з цегли;

λ_i – коефіцієнт теплопровідності теплоізоляції.

Потужність (теплова), що віддає ТАМ з поверхні 1 м² визначається:

,

де с – теплоємність теплоносія;

m – маса теплоносія;

S – площа поверхні ТАМ.

Отримаємо рівняння теплового балансу, у якому енергія, втрачена ТАМ, дорівнює енергії, що передається до зовнішньої середи через теплоізоляцію.

                                    ,                                      (2.9)

Знак «–» означає, що ТАМ втрачає енергію, його температура t зменшується, а отже похідна  – від’ємна величина. Спростимо вираз (2.9), використавши метод розділення змінних:

,

проінтегруємо:

,

де  С – постійна інтегрування.

Отриманий вираз рівнозначний наступному:

,

де С₁ = е ^С.

При τ = 0, t = t_а, звідки С₁ = t_а – t₀. Остаточно отримаємо:

.

Нехай β – доля втрат тепла зарядженого ТАМ протягом часу τ₁. Тоді:

                           1 – β = , або β = =,                      (2.10)

де t₂₁ – температура внутрішньої поверхні стіни до початку охолодження;

t₂₂ – температура внутрішньої поверхні стіни після охолодження, тобто t₂₂ = (t₂₁ – 1)^оС оскільки крок зменшення температури було обрано 1^оС;

t_сер. – середня температура шару, що акумулює теплоту;

t₁ – температура оточуючого середовища.

Час остигання ОК позначимо як τ_р , це буде термін розряду ТАМ. Визначимо тепловий опір з урахуванням (2.10):

= 1 – β

                                                ,                                (2.11)

де β – частина енергії, що втрачається за час τ_р ;

m – маса шару, що остигає;

с – теплоємність шару, що остигає.

Масу шару розрахуємо за формулою (2.4), де S = 1 м².

З формули (2.11) виразимо τ_р, а R знайдемо за формулою (2.8): 

τ_р = - R  •    •  =  - R  •  • с • ρ • l ,

де R – тепловий опір ізоляції, а β знаходиться за формулою (2.10).

Виходячи з вище написаного, можна скласти формули за допомогою яких буде знайдено термін охолодження для розрахункових моделей ОК, позначимо їх спільним номером (2.12).

Ми бачимо, що у формулах присутня спільна величина – α_зов, коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої поверхні стіни. Його знайдено у попередніх розділах.

Оскільки ми маємо три різних коефіцієнти тепловіддачі, то ми отримаємо три можливі терміни охолодження ОК – для різних швидкостей вітру. Скористаємось програмою Microsoft Excel для розрахунку, а результати приведемо у таблиці 2.6.

А)  τ_р1аi = (–––) •   • с_і • ρ_і • d;                           

τ_р2аi = (––) •   • с_с • ρ_с • b ;

τ_раi = {max: τ_р1аі, τ_р2аі};

τ_ра=;                                                                                          

Б)  τ_р1бі = (–––) •   • с_с • ρ_с • (b+2а);

τ_р2бі = (––) •   • с_і • ρ_і • d ;

τ_рбі={max:τ_р1бі,τ_р2бі};                                                               (2.12)

τ_рб = ;

В)  τ_р1ві = (––––) •   • с_і • ρ_і • d;

τ_р2ві = (––––) •   • с_с • ρ_с • b;

τ_р3ві = (––) •   • с_і • ρ_і • b;

τ_рві = {max: τ_р1ві, τ_р2ві, τ_р3ві};

τ_рв = ,

де і – кількість кроків при зміненні температури внутрішньої поверхні ОК.

Чисельники у виразах β^а, β^б, β^1в, β^2в взято з таблиці 2.2 ().

Знаючи час остигання ОК, не важко розрахувати темпи її охолодження, оскільки темпи охолодження дорівнюють відношенню падіння температури ОК до терміну за який таке остигання спостерігається. Темпи остигання розрахуємо за формулою (2.12), а результати винесемо у таблицю 2.4 і 2.5.

Таблиця 2.4– Час охолодження  різних конструкцій ОК за різної швидкості вітру

                                                    η_і = ,                                                 (2.13)

де η_і – темп охолодження ОК певної моделі;

Δt – падіння температури ОК, Δt = 6^оС;

τ_рі – період часу, протягом якого ОК відповідної конструкції охолоджується на Δt.

Для зручності внесемо до таблиці 4.7 ще і час охолодження.

Таблиця 2.5– Темпи охолодження ОК

2.5 Рекомендації щодо утеплення

Проведені розрахунки дозволяють зробити висновки про те, за яких умов варто використовувати ОК розглянутих моделей. Перш за все відзначимо характерні для кожної з конструкцій риси.

1 Для несучої стіни з утепленням зсередини приміщення (модель «А») характерно:

а)  для   нагрівання   ОК   до  значень  робочих  температур  потрібно   2,03 МДж/м² теплоти;

б) дуже швидко остигає, τ_рі = (1–2) год.;

в) наявність вітру значно прискорює швидкість остигання ОК;

2 Для несучої стіни з утепленням ззовні приміщення (модель «Б») характерно:

а)  для  нагрівання  ОК  до  значень  робочих  температур   потрібно   17,48 МДж/м² теплоти;

б)  значний термін остигання ОК, τ_рі = 2 доби.;

в) наявність вітру майже не впливає на швидкість остигання.

3 Для стіни, що несе з комбінованим утепленням (модель «В») характерно:

а)для нагрівання ОК до значень робочих температур потрібно               10,18 МДж/м² теплоти;

б) термін остигання ОК, τ_рі = 1 доба.;

в) наявність вітру незначно впливає на швидкість остигання.

Виходячи з вище зазначених тез, можна дати наступні рекомендації:

1)                  модель «А» придатна для приміщень, у яких перебувають не постійно, які треба швидко нагріти та у яких нема необхідності довго підтримувати високі температури (не жилі приміщення або ті, що нечасто відвідуються) ;

2)                  модель «Б» (найчастіше використовувана) придатна для приміщень постійного проживання, у яких необхідно постійно підтримувати певну температуру. Вона дозволяє організувати періодичне опалення, оскільки має значний термін охолодження, що сприятиме додатковому заощадженню енергоресурсів (добу опалюємо – добу не опалюємо);

3)                  модель «В» (дуже рідко використовується) придатна для будівель періодичного використання. Вона теж дозволяє організувати режим періодичного опалення. ЇЇ перевага перед попередніми конструкціями у тому, що шар стіни, що несе не піддається температурним коливанням, а постійно перебуває за певних температур, що сприяє підвищенню терміну експлуатації ОК, запобігає виникненню щілин, перешкоджає потраплянню вологи у ОК. До її переваг належить те, що на нагрів витрачається менше теплоти ніж на модель «Б». Серед недоліків головним є те, що вартість такої конструкції майже вдвічі більша за вартість інших двох [14].

3 РОЗРАХУНОК ОКУПНОСТІ ОГОРОДЖУЮЧОЇ КОНСТРУКЦІЇ

3.1 Розрахунок кількості тепловтрат

Розрахуємо  окупність  утеплення стіни на прикладі будинку площею  80 м², периметром P = 36 м, висотою h = 3 м. До утеплення стіна була лише із цегли, товщиною 0,25 м. Утеплення виконали плитами ППС товщиною 0,1 м. Розрахунок виконаємо для зимового періоду при температурах на поверхні стіни +20^оС і -20^оС знадвору і з приміщення відповідно.

Розрахуємо площу бокової поверхні будинку:

S = P * h = 36 * 3 = 108 (м²).

Визначимо скільки теплоти виходить через ОК із цегли товщиною 25см та без теплоізолюючих шарів, користуючись формулою (2.1). Для цього спершу визначимо тепловий опір стіни:

R = b/ λ_c ,

R = (0.25+2*0,015)/0.7 = 0,4 ;

q_ст = = 100 .

При цьому відомо з таблиці 2.2, що при утепленні тепловий потік складає 12,51  теплоти. Тепловтрати через крівлю і цоколь ми не розглядаємо. Виходячи з вище написаного підрахуємо кількість тепловтрат через стіни в обох випадках:

1)    без утеплення:

Q_бу = S * q_ст = 108 * 100 = 10,8 кВт;

2)    з утепленням:

Q_у = S * q = 108 * 12,51 = 1,351 кВт.

Слід зазначити, що при теплоізоляції стіни ззовні, як і було раніше зазначене, можна опалювати періодично. Тоді і палива буде використовуватись удвічі менше, хоча доведеться додатково підігрівати ОК кожного разу:

Q_{у ок}= Q_у + Δ Q_і.

Будемо вважати, що сезон опалення триває чотири місяці (хоча насправді він триває шість місяців, ми повинні врахувати те, що температура повітря зовнішнього середовища –20^оС триває зазвичай значно менше ніж 6 місяців). Тоді переведемо збережену енергію в кілограми умовного палива [8]:

                                                М =  ,                                            (3.1)

де θ – термін, за перебігом якого теплоізоляція зберігає енергоресурси;

μ_ум.пал = 29,35_.– питома теплота згоряння умовного палива.

1)    М = = 3815,14 кг;

2)    М = = 238,62 кг.

Оскільки сьогодні опалення здійснюється на основі газового палива, то переведемо умовне паливо у газ. Об’ємна питома теплота згоряння природного газу μ_{прир.г .}= 34. Тоді отримаємо за допомогою формули (3.1):

1)    М_{газ 1} = = 3293,36 м³;

2)    М_{газ 2} = = 206 м³.

Економія палива буде:

ΔМ = М_{газ 1} - М_{газ 2} = 3293,36 – 206 = 3087,36 м³.

На сьогодні вартість 1 м³ природного газу складає 0,74 грн. Тоді маємо, що економія складає:

Е = ΔМ  •  0,74 ;

Е = 3087,36 • 0,74 = 2284,6 грн.

3.2 Кошторис витрат на створення додаткової теплоізоляції

У даній роботі розглянуто теплоізоляцію приміщення за рахунок встановлення додаткового шару у ОК (зсередини, ззовні, з обох боків). Загалом, перелік робіт та матеріалів при втіленні одного з вищезгаданих методів утеплення майже не відрізняється. Це дозволяє нам скласти кошторис витрат лише один раз (для однієї конструкції).

Для виконання теплоізоляції приміщення необхідна низка матеріалів певної кількості. Оскільки у цій роботі детально не розглядається технологічний процес монтажу теплозберігаючих конструкцій, то приведемо лише перелік матеріалів та їхню вартість на 1 м² [9, 10]. Ці данні, а також загальна величина витрат подано у таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Вартість будівельних матеріалів на 1м²

Окрім витрат на матеріали необхідно врахувати і витрати на оплату праці робітникам. Оскільки у процесі монтажу виконується значна кількість різних робіт, то їх оплата визначається переважно за домовленістю та залежить перш за все від кваліфікації робітників. Вона може коливатись у межах (30 –100)% від вартості матеріалів.

Ми виконуємо теоретичні розрахунки тому не можемо завчасно сказати скільки буде коштувати оплата роботи працівників. Тому візьмемо цю величину приблизно – 50% від вартості матеріалів (така схема нині практикується у підприємців).

О =,

де  О – сума оплати праці робітників;

      Ц_мат – загальна вартість матеріалів.

О = 0,5  •  125 = 62,5 (грн).

Тепер ми можемо розрахувати величину загальних витрат на створення теплоізольованої ОК зі звичайної цегляної стіни:

З._вит. = О + Ц_заг ;

З._вит = 62,5 + 125 =187,5 грн.

Отже капітальні витрати на створення 1 м² теплоізольованої поверхні складають приблизно 200 грн. Тоді для утеплення нашої будівлі ми витратимо:

C_Σ = З._вит * S = 187,5 *108 = 20250 грн.

3.3 Розрахунок окупності конструкції

Окупність вкладення коштів в утеплення стін розраховують без урахування інфляції. Це викликано тим, що ціни на газ будуть зростати разом із знеціненням грошей.

Т = C_Σ / Е = 20250/2284,6 = 8,9 років

Враховуючи строк служби ППС теплоізоляції (20-30 років), можна сказати, що термін окупності задовільний.

Однак варто зазначити, що при утепленні стіни з обох боків буде використано вдвічі більше матеріалів та виконано вдвічі більше роботи. Тобто вартість і термін окупності цієї конструкції зростуть приблизно у два рази.

 4 ВИСНОВКИ

1 Розраховано розподілення температури у товщі стіни по шарах для трьох варіантів виконання ОК: а) теплоізоляція зсередини приміщення; б) теплоізоляція ззовні приміщення; в) тришарова конструкція, із теплоізоляцією зсередини і ззовні приміщення. Цей розрахунок показав, що точка роси у розглянутих випадках знаходиться в товщі ППС плити, що свідчить про вдалість конструкцій. Однак для довговічності ОК головним є не перемерзання несучої стіни. Тому найкращими моделями стіни, з точки зору довговічності, являється варіант стіни «б».

2 Виконано розрахунок кількості теплоти необхідної для нагріву ОК для кожної з розглянутих моделей виповнення стіни. Для  моделі  «а»  необхідно  2,03   МДж/м²,   для   моделі   «б»  –  17,48  МДж/м²,  для  моделі  «в»  – 10,18 МДж/м².

3 Розраховано термін та темпи остигання ОК. Утеплена зсередини стіна, в залежності від швидкості вітру, остигає за час від 1 до 2 годин, утеплена ззовні – за дві доби, стіна теплоізольована з обох боків – за одну добу. Причому у двох останніх випадках наявність вітру майже не впливає на термін остигання.

4 Розрахунки показали, що з трьох розглянутих огороджувальних конструкцій найкращу акумулюючу здатність для накопичення корисної теплоти має модель утеплена ззовні.

5 Згідно з результатами розрахунків модель «а» рекомендовано для нежилих будівель та тих, які відвідуються не часто. Моделі «б» і «в» добре підходять для будівель з постійним проживанням людей, вони, до того ж, дають додаткову можливість енергозбереження за рахунок створення періодичного режиму опалення.

6 Проведено аналіз вартості сучасних та розрахунок терміну окупності розглянутих моделей ОК. Згідно розрахунків при витраті 187,5 грн./м² улаштування теплоізоляції конструкція повністю окупиться не пізніше ніж за дев’ять років (конструкція «в» за 18). Враховуючи, що термін служби такої конструкції 15 – 30 років, можна впевнено сказати, що вона виправдовує вкладені в неї кошти.

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1 Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. С нем. – М.: Мир, 1982. – 520 с.

2 http://www.penoplast.prompolistirol.ru/penoizolyac.php

3 СНиП 23-02-2003. Строительные нормы и правила Российской федерации. Тепловая защита зданий. – Введены 2003-10- 01.

4 Умнякова Н.П.. Как сделать дом теплым: справочное пособие. – Изд.2-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1996. – 368 с.

5  Новиков И.И., Воскресенський К.Д.. Прикладная термодинамика и  теплопередача. – Изд. 2-е. – М.: Атомиздат, 1977. – 352 с.

6 Богословский В. Н.. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): учебник для вузов. – Изд. 2-е, и доп. – М.: Высшая школа, 1982. – 415 с.

7  Системные решения утепления фасадов. Справочник фирмы «Шенкель Баутехник (Украина)». – Вишгород: Шенкель Баутехник (Украина), 2008. – 309 с.

8  Богословський В.Н., Сканави А.Н.. Отопление: учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1991. – 735 с.

9  Зинева Л.А.. Справочник инженера-строителя – 2. Специальние работы: расход материалов.  – Ростов н/Д : Феникс, 2006. – 619 с.

10  Комплекс материалов для крыш и фасадов. Выставочный каталог компании «Творчество плюс качество». – Днепропетровск: Компания «ТПК». 2008. – 92 с..