Cálculo de ingeniería térmica de un edificio: detalles y fórmulas para realizar cálculos + ejemplos prácticos

Durante el funcionamiento del edificio, tanto el sobrecalentamiento como la congelación son indeseables.Los cálculos de ingeniería térmica, que no son menos importantes que calcular la eficiencia, la resistencia, la resistencia al fuego y la durabilidad, le permitirán determinar el punto medio.

Según los estándares de ingeniería térmica, las características climáticas, la permeabilidad al vapor y la humedad, se seleccionan los materiales para la construcción de estructuras de cerramiento. Veremos cómo realizar este cálculo en el artículo.

Propósito del cálculo de ingeniería térmica.

Mucho depende de las características técnicas térmicas de los cerramientos permanentes del edificio. Esto incluye la humedad de los elementos estructurales y los indicadores de temperatura, que inciden en la presencia o ausencia de condensación en tabiques y techos interiores.

El cálculo mostrará si las características estables de temperatura y humedad se mantendrán a temperaturas positivas y negativas. La lista de estas características también incluye un indicador como la cantidad de calor que pierde la envolvente del edificio durante el período frío.

No puedes empezar a diseñar sin tener todos estos datos. En base a ellos se elige el espesor de paredes y techos y la secuencia de capas.

Según las regulaciones GOST 30494-96, valores de temperatura en la habitación. En promedio es 21⁰. Al mismo tiempo, la humedad relativa debe permanecer dentro de un rango confortable, que en promedio es del 37%. La velocidad máxima de movimiento de la masa de aire es de 0,15 m/s.

El cálculo de ingeniería térmica tiene como objetivo determinar:

1. ¿Son los diseños idénticos a los requisitos establecidos en términos de protección térmica?
2. ¿Hasta qué punto se garantiza un microclima confortable en el interior del edificio?
3. ¿Se proporciona una protección térmica óptima de las estructuras?

El principio fundamental es mantener un equilibrio de la diferencia en los indicadores de temperatura de la atmósfera de las estructuras internas de cercas y locales. Si no se sigue esto, estas superficies absorberán el calor y la temperatura en el interior permanecerá muy baja.

La temperatura interna no debería verse afectada significativamente por cambios en el flujo de calor. Esta característica se llama resistencia al calor.

Al realizar un cálculo térmico, se determinan los límites óptimos (mínimo y máximo) de las dimensiones de las paredes y el espesor del techo. Esto garantiza el funcionamiento del edificio durante un largo período, sin congelación extrema de las estructuras ni sobrecalentamiento.

Opciones para realizar cálculos.

Para realizar cálculos de calor, necesita parámetros iniciales.

Dependen de una serie de características:

1. Finalidad del edificio y su tipología.
2. Orientaciones de estructuras de cerramiento verticales en relación con las direcciones cardinales.
3. Parámetros geográficos de la futura vivienda.
4. El volumen del edificio, su número de plantas, superficie.
5. Tipos y dimensiones de aberturas de puertas y ventanas.
6. Tipo de calefacción y sus parámetros técnicos.
7. Número de residentes permanentes.
8. Materiales para estructuras de vallado vertical y horizontal.
9. Techos en planta alta.
10. Equipos de suministro de agua caliente.
11. Tipo de ventilación.

Al realizar el cálculo también se tienen en cuenta otras características de diseño de la estructura. La permeabilidad al aire de las estructuras de cerramiento no debe contribuir a un enfriamiento excesivo dentro de la casa y reducir las características de protección térmica de los elementos.

La pérdida de calor también se debe al encharcamiento de las paredes y, además, esto conlleva humedad, lo que afecta negativamente a la durabilidad del edificio.

En el proceso de cálculo se determinan en primer lugar los datos técnicos térmicos de los materiales de construcción con los que se fabrican los elementos de cerramiento del edificio. Además, la resistencia reducida a la transferencia de calor y el cumplimiento de su valor estándar están sujetos a determinación.

Fórmulas para realizar cálculos.

Las pérdidas de calor de una casa se pueden dividir en dos partes principales: pérdidas a través de la envolvente del edificio y pérdidas causadas por el funcionamiento del edificio. sistema de ventilación. Además, se pierde calor cuando se descarga agua tibia al sistema de alcantarillado.

Pérdidas por envolventes de edificios.

Para los materiales con los que se construyen las estructuras de cerramiento, es necesario encontrar el valor del índice de conductividad térmica Kt (W/m x grado). Están en los libros de referencia pertinentes.

Ahora bien, conociendo el espesor de las capas, según la fórmula: R = S/Kt, calcule la resistencia térmica de cada unidad. Si la estructura es multicapa, todos los valores obtenidos se suman.

La forma más sencilla de determinar el tamaño de las pérdidas de calor es sumando los flujos térmicos a través de las estructuras de cerramiento que realmente forman este edificio.

Guiados por esta metodología, tienen en cuenta que los materiales que componen la estructura tienen una estructura diferente. También se tiene en cuenta que el flujo de calor que los atraviesa tiene características específicas diferentes.

Para cada estructura individual, la pérdida de calor está determinada por la fórmula:

Q = (A/R) x dT

Aquí:

• A es el área en m².
• R es la resistencia de la estructura a la transferencia de calor.
• dT es la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior.Es necesario determinarlo para el período de 5 días más frío.

Al realizar el cálculo de esta manera, puede obtener el resultado solo para el período de cinco días más frío. La pérdida total de calor durante toda la estación fría se determina teniendo en cuenta el parámetro dT, teniendo en cuenta no la temperatura más baja, sino la media.

El grado de absorción y transferencia de calor depende de la humedad del clima de la región. Por este motivo, en los cálculos se utilizan mapas de humedad.

A continuación, se calcula la cantidad de energía necesaria para compensar la pérdida de calor tanto a través de la envolvente del edificio como a través de la ventilación. Se denota con el símbolo W.

Hay una fórmula para esto:

W = ((Q + Qâ) x 24 x N)/1000

En él, N es la duración del período de calentamiento en días.

Desventajas del cálculo del área.

El cálculo basado en el indicador de área no es muy preciso. Aquí no se tienen en cuenta parámetros como el clima, los indicadores de temperatura, tanto mínima como máxima, y ​​la humedad. Debido a que se ignoran muchos puntos importantes, el cálculo tiene errores importantes.

A menudo, al tratar de cubrirlos, el proyecto incluye una “reserva”.

Sin embargo, si se elige este método para el cálculo, se deben tener en cuenta los siguientes matices:

1. Si la altura de las vallas verticales es de hasta tres metros y no hay más de dos aberturas en una superficie, es mejor multiplicar el resultado por 100 W.
2. Si el proyecto incluye un balcón, dos ventanas o una logia, multiplique por una media de 125 W.
3. Cuando el local es industrial o almacén se utiliza un multiplicador de 150 W.
4. Si los radiadores se ubican cerca de ventanas, su capacidad de diseño aumenta en un 25%.

La fórmula para el área es:

Q=S x 100 (150) Ancho.

Aquí Q es el nivel de calor confortable en el edificio, S es la superficie calentada en m². Los números 100 o 150 son la cantidad específica de energía térmica consumida para calentar 1 m².

Pérdidas de ventilación de la casa.

El parámetro clave en este caso es el tipo de cambio de aire. Siempre que las paredes de la casa sean permeables al vapor, este valor es igual a uno.

La penetración de aire frío en la vivienda se realiza mediante ventilación de suministro. La ventilación de escape ayuda a que el aire caliente escape. El recuperador-intercambiador de calor reduce las pérdidas por ventilación. No deja que el calor se escape con el aire saliente y calienta los flujos de aire entrantes.

Está previsto que el aire del interior del edificio esté completamente renovado en una hora. Los edificios construidos según la norma DIN tienen paredes con barreras de vapor, por lo que aquí la tasa de intercambio de aire se toma como dos.

Existe una fórmula que determina la pérdida de calor a través del sistema de ventilación:

Qv = (V x Kv: 3600) x P x C x dT

Aquí los símbolos significan lo siguiente:

1. Qв - pérdida de calor.
2. V es el volumen de la habitación en mᶾ.
3. P es la densidad del aire. su valor se considera igual a 1,2047 kg/mᶾ.
4. Kv - tipo de cambio de aire.
5. C es la capacidad calorífica específica. Es igual a 1005 J/kg x C.

Según los resultados de este cálculo, es posible determinar la potencia del generador de calor del sistema de calefacción. Si el valor de potencia es demasiado alto, la solución a la situación puede ser dispositivo de ventilación con recuperador. Veamos algunos ejemplos de casas hechas de diferentes materiales.

Ejemplo de cálculo de ingeniería térmica No. 1.

Calculemos un edificio residencial ubicado en la región climática 1 (Rusia), subdistrito 1B. Todos los datos están tomados de la tabla 1 de SNiP 23-01-99. La temperatura más fría observada durante cinco días con una probabilidad de 0,92 es tн = -22⁰С.

Según SNiP, el período de calefacción (zop) dura 148 días. La temperatura media durante el período de calefacción con la temperatura media diaria del aire exterior es 8⁰ - tot = -2,3⁰. La temperatura exterior durante la temporada de calefacción es tht = -4,4⁰.

La pérdida de calor de una casa es el punto más importante en la etapa de diseño. La elección de los materiales de construcción y el aislamiento depende de los resultados del cálculo. No hay pérdidas cero, pero debes esforzarte para que sean lo más convenientes posible.

Se estipuló la condición de que la temperatura en las habitaciones de la casa fuera de 22⁰. La casa tiene dos pisos y paredes de 0,5 m de espesor, su altura es de 7 m, sus dimensiones en planta son de 10 x 10 m, el material de las estructuras de cerramiento verticales es cerámica cálida. Para ello, el coeficiente de conductividad térmica es 0,16 W/m x C.

Como aislamiento exterior se utilizó lana mineral de 5 cm de espesor. El valor de Kt es 0,04 W/m x C. El número de aberturas de ventanas en la casa es de 15 unidades. 2,5 m² cada uno.

Pérdida de calor a través de las paredes.

En primer lugar es necesario determinar la resistencia térmica tanto de la pared cerámica como del aislamiento. En el primer caso, R1 = 0,5: 0,16 = 3,125 m2. mx C/W. En el segundo - R2 = 0,05: 0,04 = 1,25 m2. mx C/W. En general, para una envolvente de edificio vertical: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 m2. mx C/W.

Dado que la pérdida de calor es directamente proporcional al área de las estructuras de cerramiento, calculamos el área de las paredes:

A = 10 x 4 x 7 – 15 x 2,5 = 242,5 m²

Ahora puedes determinar la pérdida de calor a través de las paredes:

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

La pérdida de calor a través de estructuras de cerramiento horizontales se calcula de manera similar. Al final, se resumen todos los resultados.

Si hay un sótano, entonces la pérdida de calor a través de los cimientos y el piso será menor, ya que el cálculo implica la temperatura del suelo, no la del aire exterior.

Si el sótano debajo del piso del primer piso tiene calefacción, no es necesario aislar el piso. Aún es mejor revestir las paredes del sótano con aislamiento para que el calor no se escape al suelo.

Determinación de pérdidas por ventilación.

Para simplificar el cálculo, no tienen en cuenta el grosor de las paredes, sino que simplemente determinan el volumen de aire en el interior:

V = 10x10x7 = 700 mᶾ.

Con un índice de intercambio de aire de Kv = 2, la pérdida de calor será:

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

Si Kv = 1:

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

Los intercambiadores de calor rotativos y de placas proporcionan una ventilación eficaz de los edificios residenciales. La eficiencia del primero es mayor, alcanza el 90%.

Ejemplo de cálculo de ingeniería térmica No. 2.

Se requiere calcular las pérdidas a través de una pared de ladrillos de 51 cm de espesor, aislada con una capa de lana mineral de 10 cm. Exterior - 18⁰, interior - 22⁰. Las dimensiones del muro son 2,7 m de alto y 4 m de largo. La única pared exterior de la habitación está orientada al sur; no hay puertas exteriores.

Para ladrillo, el coeficiente de conductividad térmica Kt = 0,58 W/mºC, para lana mineral - 0,04 W/mºC. Resistencia termica:

R1 = 0,51: 0,58 = 0,879 m2. mx C/W. R2 = 0,1: 0,04 = 2,5 m2. mx C/W. En general, para una envolvente de edificio vertical: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 m2. mx C/W.

Área de pared exterior A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Pérdida de calor a través de la pared:

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

Para calcular las pérdidas a través de ventanas, se utiliza la misma fórmula, pero su resistencia térmica, por regla general, se indica en el pasaporte y no es necesario calcularla.

En el aislamiento térmico de una casa, las ventanas son el “eslabón débil”. A través de ellos se pierde una proporción bastante grande de calor. Las ventanas de doble acristalamiento multicapa, las películas reflectantes del calor y los marcos dobles reducirán las pérdidas, pero ni siquiera esto ayudarán a evitar por completo la pérdida de calor.

Si la casa tiene ventanas ahorradoras de energía de 1,5 x 1,5 m², orientadas al Norte, y la resistencia térmica es de 0,87 m2°C/W, entonces las pérdidas serán:

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

Ejemplo de cálculo de ingeniería térmica No. 3.

Realicemos el cálculo térmico de una construcción de troncos de madera con fachada construida con troncos de pino con una capa de 0,22 m de espesor, el coeficiente para este material es K = 0,15. En esta situación, la pérdida de calor será:

R = 0,22: 0,15 = 1,47 m² x ⁰С/W.

La temperatura más baja del período de cinco días es -18⁰, para mayor comodidad en la casa la temperatura se establece en 21⁰. La diferencia será del 39⁰. Partiendo de una superficie de 120 m², el resultado será:

Qс = 120 x 39: 1,47 = 3184 W.

A modo de comparación, determinemos las pérdidas de una casa de ladrillos. El coeficiente para el ladrillo silicocalcáreo es 0,72.

R = 0,22: 0,72 = 0,306 m² x ⁰С/W.
Qс = 120 x 39: 0,306 = 15.294 W.

En las mismas condiciones, una casa de madera resulta más económica. El ladrillo silicocalcáreo no es adecuado en absoluto para la construcción de muros.

La estructura de madera tiene una alta capacidad calorífica. Sus estructuras de cerramiento mantienen una temperatura confortable durante mucho tiempo. Aún así, incluso una casa de troncos necesita estar aislada y es mejor hacerlo tanto por dentro como por fuera.

Los constructores y arquitectos recomiendan que definitivamente lo hagas. cálculo de calor para instalación de calefacción para la selección adecuada del equipo y en la etapa de diseño de la casa para elegir un sistema de aislamiento adecuado.

Ejemplo de cálculo de calor No. 4

La casa se construirá en la región de Moscú. Para el cálculo se tomó una pared de bloques de espuma. Cómo se aplica el aislamiento espuma de poliestireno extruido. El acabado de la estructura es de yeso por ambas caras. Su estructura es caliza-arena.

El poliestireno expandido tiene una densidad de 24 kg/mᶾ.

La humedad relativa del aire en la habitación es del 55% a una temperatura promedio de 20⁰. Grosor de la capa:

• yeso - 0,01 m;
• hormigón celular - 0,2 m;
• poliestireno expandido - 0,065 m.

La tarea consiste en encontrar la resistencia a la transferencia de calor real y requerida. El Rtr requerido se determina sustituyendo los valores en la expresión:

Rtr=a x GSOP+b

donde GOSP es el grado-día de la temporada de calefacción, a y b son coeficientes tomados de la tabla No. 3 del Código de Reglas 50.13330.2012. Como el edificio es residencial, a es 0,00035, b = 1,4.

GSOP se calcula mediante una fórmula tomada del mismo SP:

GOSP = (tv – tot) x zot.

En esta fórmula, tв = 20⁰, tоt = -2,2⁰, zоt - 205 es el período de calentamiento en días. Por eso:

GSOP = (20 – (-2,2)) x 205 = 4551⁰ C x día;

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

Utilizando la tabla No. 2 SP50.13330.2012, determine los coeficientes de conductividad térmica para cada capa de la pared:

• λb1 = 0,81 W/m ⁰С;
• λb2 = 0,26 W/m ⁰С;
• λb3 = 0,041 W/m ⁰С;
• λb4 = 0,81 W/m ⁰С.

La resistencia condicional total a la transferencia de calor Ro es igual a la suma de las resistencias de todas las capas. Se calcula mediante la fórmula:

Esta fórmula está tomada de SP 50.13330.2012. Aquí 1/av es la resistencia a la percepción del calor de las superficies internas. 1/an - igual que externo, δ / λ - resistencia térmica de la capa

Sustituyendo los valores obtenemos: Rо arb. = 2,54 m2°C/W. Rф se determina multiplicando Ro por un coeficiente r igual a 0,9:

Rf = 2,54 x 0,9 = 2,3 m2 x °C/W.

El resultado requiere cambiar el diseño del elemento de cerramiento, ya que la resistencia térmica real es menor que la calculada.

Existen muchos servicios informáticos que agilizan y simplifican los cálculos.

Los cálculos térmicos están directamente relacionados con la determinación. punto de rocío. Aprenderás qué es y cómo encontrar su significado en el artículo que te recomendamos.

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

Realización de cálculos de ingeniería térmica utilizando una calculadora en línea:

Cálculo correcto de ingeniería térmica:

Un cálculo termotécnico competente le permitirá evaluar la efectividad del aislamiento de los elementos externos de la casa y determinar la potencia del equipo de calefacción necesario.

Como resultado, podrá ahorrar dinero en la compra de materiales y dispositivos de calefacción. Es mejor saber de antemano si el equipo es capaz de hacer frente a la calefacción y el aire acondicionado del edificio que comprarlo todo al azar.

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