Cálculo de la pérdida de calor de una casa privada con ejemplos.

El contenido del artículo

• Física de los procesos de ingeniería térmica.
• Resistencia a la transferencia de calor
• Factores que afectan la pérdida de calor
• Esquemas de cálculo diferenciados
• Ejemplo de cálculo

Para que su casa no se convierta en un pozo sin fondo para los costos de calefacción, le sugerimos estudiar las direcciones básicas de la investigación en ingeniería térmica y la metodología de cálculo. Sin un cálculo preliminar de la permeabilidad térmica y la acumulación de humedad, se pierde toda la esencia de la construcción de viviendas..

Física de los procesos de ingeniería térmica.

Las diferentes áreas de la física tienen mucho en común al describir los fenómenos que estudian. Lo mismo ocurre con la ingeniería térmica: los principios que describen los sistemas termodinámicos resuenan claramente con los conceptos básicos del electromagnetismo, la hidrodinámica y la mecánica clásica. Después de todo, estamos hablando de describir el mismo mundo, por lo que no es sorprendente que los modelos de procesos físicos se caractericen por algunas características comunes en muchas áreas de investigación..

La esencia de los fenómenos térmicos es fácil de comprender. La temperatura de un cuerpo o el grado de su calentamiento no es más que una medida de la intensidad de las vibraciones de las partículas elementales que componen este cuerpo. Obviamente, cuando dos partículas chocan, la que tiene el mayor nivel de energía transferirá energía a la partícula con menor energía, pero nunca al revés. Sin embargo, esta no es la única forma de intercambio de energía, la transmisión también es posible mediante cuantos de radiación térmica. En este caso, el principio básico se conserva necesariamente: un cuanto emitido por un átomo menos calentado no puede transferir energía a una partícula elemental más caliente. Simplemente se refleja en él y desaparece sin dejar rastro o transfiere su energía a otro átomo con menos energía..

La termodinámica es buena porque los procesos que ocurren en ella son absolutamente visuales y pueden interpretarse bajo la apariencia de varios modelos. Lo principal es observar postulados básicos como la ley de transferencia de energía y equilibrio termodinámico. Entonces, si su idea cumple con estas reglas, comprenderá fácilmente la técnica de los cálculos de ingeniería térmica desde y hasta.

Resistencia a la transferencia de calor

La capacidad de un material para transferir calor se llama conductividad térmica. En el caso general, siempre es mayor, cuanto mayor es la densidad de la sustancia y mejor se adapta su estructura para transmitir oscilaciones cinéticas.

Comparación de la eficiencia energética de diferentes materiales de construcción

La resistencia térmica es una cantidad inversamente proporcional a la conductividad térmica. Para cada material, esta propiedad adquiere valores únicos según la estructura, la forma y otros factores. Por ejemplo, la eficiencia de la transferencia de calor en el espesor de los materiales y en la zona de su contacto con otros medios puede diferir, especialmente si entre los materiales hay al menos una capa intermedia mínima de materia en un estado agregado diferente. La resistencia térmica se expresa cuantitativamente como la diferencia de temperatura dividida por el caudal de calor:

R_t = (T₂ – T₁) / PAGS

Dónde:

• R_t – resistencia térmica del sitio, K / W;
• T₂ – temperatura del inicio de la sección, K;
• T₁ – temperatura del final de la sección, K;
• P – flujo de calor, W.

En el contexto del cálculo de la pérdida de calor, la resistencia térmica juega un papel decisivo. Cualquier estructura de cerramiento puede verse como un obstáculo plano paralelo a la trayectoria del flujo de calor. Su resistencia térmica total es la suma de las resistencias de cada capa, mientras que todas las particiones se suman a una estructura espacial, que es, de hecho, un edificio..

R_t = l / (? S)

Dónde:

• R_t – resistencia térmica de la sección del circuito, K / W;
• l es la longitud de la sección del circuito de calor, m;
• ? – coeficiente de conductividad térmica del material, W / (m · K);
• S – área de sección transversal del sitio, m².

Factores que afectan la pérdida de calor

Los procesos térmicos se correlacionan bien con los eléctricos: la diferencia de temperatura actúa en el papel del voltaje, el flujo de calor puede considerarse como la fuerza de la corriente, pero para la resistencia, ni siquiera necesita inventar su propio término. Además, el concepto de mínima resistencia, que aparece en la ingeniería de calefacción como puentes fríos, también es plenamente válido..

Si consideramos un material arbitrario en la sección, es bastante fácil establecer la ruta del flujo de calor tanto a nivel micro como macro. Como primer modelo, tomaremos un muro de hormigón, en el que, por necesidad tecnológica, se realizan fijaciones pasantes con varillas de acero de sección arbitraria. El acero conduce el calor algo mejor que el hormigón, por lo que podemos distinguir tres flujos de calor principales:

• a través del espesor del hormigón
• a través de barras de acero
• desde barras de acero hasta hormigón

Pérdida de calor a través de puentes fríos en hormigón

El último modelo de flujo de calor es el más interesante. Dado que la barra de acero se calienta más rápido, habrá una diferencia de temperatura entre los dos materiales más cerca del exterior de la pared. Por lo tanto, el acero no solo «bombea» calor hacia afuera por sí mismo, sino que también aumenta la conductividad térmica de las masas adyacentes de hormigón..

En medios porosos, los procesos térmicos se desarrollan de manera similar. Casi todos los materiales de construcción consisten en una red ramificada de sólidos, el espacio entre los cuales está lleno de aire. Así, un material sólido y denso sirve como conductor principal del calor, pero debido a su compleja estructura, el camino por el que se propaga el calor resulta ser mayor que la sección transversal. Así, el segundo factor que determina la resistencia térmica es la heterogeneidad de cada capa y la envolvente del edificio en su conjunto..

Reducir la pérdida de calor y desplazar el punto de rocío al aislamiento con aislamiento de pared exterior

El tercer factor que afecta la conductividad térmica es la acumulación de humedad en los poros. El agua tiene una resistencia térmica de 20 a 25 veces menor que la del aire, por lo que si llena los poros, la conductividad térmica general del material se vuelve aún mayor que si no hubiera poros en absoluto. Cuando el agua se congela, la situación empeora: la conductividad térmica puede aumentar hasta 80 veces. La fuente de humedad suele ser el aire ambiente y la precipitación atmosférica. En consecuencia, los tres métodos principales para hacer frente a este fenómeno son la impermeabilización externa de las paredes, el uso de protección contra el vapor y el cálculo de la acumulación de humedad, que necesariamente se lleva a cabo en paralelo con la predicción de la pérdida de calor..

Esquemas de cálculo diferenciados

La forma más sencilla de establecer la cantidad de pérdida de calor en un edificio es sumar los valores del flujo de calor a través de las estructuras que constituyen el edificio. Esta técnica tiene plenamente en cuenta la diferencia en la estructura de varios materiales, así como las características específicas del flujo de calor a través de ellos y en los nodos del estribo de un plano a otro. Este enfoque dicotómico simplifica enormemente la tarea, porque las diferentes estructuras de cerramiento pueden diferir significativamente en el diseño de los sistemas de protección térmica. En consecuencia, con un estudio separado, es más fácil determinar la cantidad de pérdida de calor, porque para esto, se proporcionan varios métodos de cálculo:

• Para las paredes, las fugas de calor son cuantitativamente iguales al área total multiplicada por la relación entre la diferencia de temperatura y la resistencia térmica. En este caso, se debe tener en cuenta la orientación de los muros a los puntos cardinales para tener en cuenta su calentamiento durante el día, así como el paso de las estructuras del edificio..
• Para los pisos, la técnica es la misma, pero tiene en cuenta la presencia de un espacio en el ático y su modo de funcionamiento. Además, la temperatura ambiente se toma como un valor 3-5 ° C más alto, la humedad calculada también aumenta en un 5-10%.
• La pérdida de calor a través del piso se calcula zonalmente, describiendo las correas a lo largo del perímetro del edificio. Esto se debe al hecho de que la temperatura del suelo debajo del piso es más alta en el centro del edificio en comparación con la parte de los cimientos..
• El flujo de calor a través del acristalamiento está determinado por los datos del pasaporte de las ventanas, también debe tener en cuenta el tipo de pilar de las ventanas a las paredes y la profundidad de las pendientes..

Q = S (?T / R_t)

Dónde:

• Q – pérdida de calor, W;
• S – área de la pared, m²;
• ?T – diferencia de temperatura dentro y fuera de la habitación, ° С;
• R_t – resistencia a la transferencia de calor, m²° С / W.

Ejemplo de cálculo

Antes de pasar al ejemplo de demostración, respondamos la última pregunta: ¿cómo calcular correctamente la resistencia térmica integral de estructuras complejas de múltiples capas? Esto, por supuesto, se puede hacer manualmente, ya que no hay muchos tipos de bases de carga y sistemas de aislamiento utilizados en la construcción moderna. Sin embargo, es bastante difícil tener en cuenta la presencia de acabados decorativos, yeso para interiores y fachadas, así como la influencia de todos los transitorios y otros factores; es mejor utilizar cálculos automatizados. Uno de los mejores recursos de red para tales tareas es smartcalc.ru, que además dibuja un diagrama de cambio del punto de rocío según las condiciones climáticas..

Por ejemplo, tomemos un edificio arbitrario, después de estudiar la descripción del cual el lector podrá juzgar el conjunto de datos iniciales requeridos para el cálculo. Hay una casa de una planta de forma rectangular regular con dimensiones de 8.5×10 my una altura de techo de 3.1 m, ubicada en la región de Leningrado. La casa tiene un piso no aislado en el suelo con tablas sobre troncos con un espacio de aire, la altura del piso es 0.15 m más alta que la marca de planificación del terreno en el sitio. Material de la pared – monolito de escoria de 42 cm de espesor con revoque interior de cemento-cal de hasta 30 mm de espesor y revoque externo de cemento-escoria del tipo «abrigo de piel» de hasta 50 mm de espesor. Superficie acristalada total – 9,5 m², se utilizó como ventana una unidad de doble acristalamiento en un perfil de ahorro de calor con una resistencia térmica media de 0,32 m²° С / W. La superposición se realizó sobre vigas de madera: el fondo se enyesó a lo largo de las tejas, se rellenó con escoria de alto horno y se cubrió con una solera de arcilla en la parte superior, sobre el techo había un ático tipo frío. La tarea de calcular la pérdida de calor es la formación de un sistema de protección térmica de paredes..

Piso

El primer paso es determinar la pérdida de calor a través del piso. Dado que su participación en la salida de calor total es la más pequeña, y también debido a una gran cantidad de variables (densidad y tipo de suelo, profundidad de congelación, masividad de la base, etc.), el cálculo de la pérdida de calor se realiza de acuerdo con un método simplificado utilizando la resistencia reducida a la transferencia de calor. A lo largo del perímetro del edificio, a partir de la línea de contacto con la superficie del suelo, se describen cuatro zonas: franjas circundantes de 2 metros de ancho. Para cada una de las zonas, se toma su propio valor de la resistencia reducida a la transferencia de calor. En nuestro caso, hay tres zonas con un área de 74, 26 y 1 m². No se confunda por la suma total de las áreas de las zonas, que es más que el área del edificio por 16 m², la razón de esto es el doble recálculo de las franjas de intersección de la primera zona en las esquinas, donde la pérdida de calor es mucho mayor en comparación con las secciones a lo largo de las paredes. Aplicando valores de resistencia a la transferencia de calor de 2,1, 4,3 y 8,6 m²° С / W para las zonas uno a tres, determinamos el flujo de calor a través de cada zona: 1.23, 0.21 y 0.05 kW, respectivamente.

Paredes

Usando los datos del terreno, así como los materiales y el grosor de las capas que forman las paredes, debe completar los campos correspondientes en el servicio smartcalc.ru mencionado anteriormente. Según los resultados del cálculo, la resistencia a la transferencia de calor resulta ser igual a 1,13 m²° C / W, y el flujo de calor a través de la pared es de 18,48 W por metro cuadrado. Con una superficie total de pared (sin acristalamiento) de 105,2 m² La pérdida total de calor a través de las paredes es de 1,95 kW / h. En este caso, la pérdida de calor por las ventanas será de 1,05 kW..

Superposición y techo

El cálculo de la pérdida de calor a través del piso del ático también se puede realizar en la calculadora en línea seleccionando el tipo deseado de estructuras de cerramiento. Como resultado, la resistencia del suelo a la transferencia de calor es de 0,66 m.²° С / W, y la pérdida de calor es de 31,6 W por metro cuadrado, es decir, 2,7 kW de toda el área de la estructura de cerramiento.

La pérdida total de calor total según los cálculos es de 7,2 kWh. Con una calidad de construcción suficientemente baja, este indicador es obviamente mucho más bajo que el real. De hecho, dicho cálculo está idealizado, no tiene en cuenta coeficientes especiales, flujo de aire, componente de convección de la transferencia de calor, pérdidas a través de ventilación y puertas de entrada. De hecho, debido a la instalación deficiente de las ventanas, la falta de protección en el estribo del techo al Mauerlat y la impermeabilización deficiente de las paredes desde la base, la pérdida de calor real puede ser 2 o incluso 3 veces mayor que la calculada. Sin embargo, incluso los estudios básicos de ingeniería térmica ayudan a determinar si las estructuras de una casa en construcción cumplirán con los estándares sanitarios al menos en la primera aproximación..

Pérdida de calor en casa

Finalmente, daremos una recomendación importante: si realmente desea obtener una comprensión completa de la física térmica de un edificio en particular, debe utilizar una comprensión de los principios descritos en esta revisión y la literatura especializada. Por ejemplo, el libro de referencia de Elena Malyavina «Pérdida de calor de un edificio» puede ser de muy buena ayuda en este asunto, donde se explica con gran detalle la especificidad de los procesos de ingeniería térmica, se dan enlaces a los documentos reglamentarios necesarios, así como ejemplos de cálculos y toda la información de referencia necesaria..