Пример выполнения курсовой работы: «Теплотехнический расчет здания кинотеатра»

Введение, в котором раскрывается актуальность и цели работы

Современное проектирование зданий и сооружений совершило качественный скачок: от первоочередной задачи обеспечения физической безопасности оно перешло к созданию комплексной комфортной среды для человека. Сегодня недостаточно просто построить надежное здание — необходимо гарантировать, что пребывание в нем будет способствовать высокой работоспособности или полноценному отдыху. Основой для достижения этой цели является точное соблюдение микроклиматических норм, фундаментом для которого служит детальный теплотехнический расчет.

Теплотехнический расчет — это не просто формальный этап проектирования, а ключевой аналитический инструмент. Именно он позволяет определить необходимое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, рассчитать теплопотери в холодный период года и, что особенно важно для общественных зданий, учесть внутренние теплопоступления. Результаты этого расчета напрямую влияют на выбор мощности и конфигурации систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК), определяя как будущий комфорт людей, так и эксплуатационные расходы на энергоресурсы.

Целью данной курсовой работы является выполнение полного теплотехнического расчета для общественного здания — кинотеатра — для определения его теплопотерь и теплопоступлений, что станет основой для последующего грамотного подбора оборудования систем ОВК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

1. Собрать и систематизировать исходные данные по объекту, включая его объемно-планировочные решения, конструктивные особенности и климатические параметры района строительства.
2. Рассчитать термическое сопротивление и коэффициенты теплопередачи для всех типов ограждающих конструкций (стен, кровли, пола, окон).
3. Определить суммарные трансмиссионные теплопотери здания и тепловую нагрузку на систему вентиляции.
4. Проанализировать и рассчитать внутренние теплопоступления, характерные для кинотеатра (от зрителей, освещения и оборудования).
5. Составить итоговый тепловой баланс для определения расчетной мощности системы отопления.
6. Выполнить проверку ограждающих конструкций на отсутствие конденсации.
7. Разработать рекомендации по повышению энергоэффективности объекта.

Последовательное решение этих задач позволит создать исчерпывающую картину теплового режима здания и продемонстрировать применение нормативных методик на практике.

Глава 1. Исходные данные и характеристика объекта проектирования

В качестве объекта для теплотехнического расчета принимается здание кинотеатра на 500 мест. Детальное описание его характеристик является отправной точкой для всех последующих вычислений.

Общие сведения

• Назначение: Общественное здание, кинотеатр круглогодичного действия.
• Местоположение: г. Москва.
• Этажность: 2 этажа.
• Общая площадь: 1200 м².

Объемно-планировочные решения

Здание имеет следующий состав основных помещений:

• Зрительный зал: 500 м², высота потолка — 8 м.
• Фойе и кассовая зона: 300 м², высота потолка — 4 м.
• Технические и административные помещения: 400 м² (на двух этажах), высота потолков — 3 м.

Конструктивные решения ограждающих конструкций

Конструктивная схема здания предполагает использование современных и энергоэффективных материалов.

• Наружные стены: Многослойная конструкция (пирог) изнутри наружу: гипсокартон (12,5 мм), пароизоляция, несущий каркас с заполнением минераловатным утеплителем (толщина 150 мм), ветрозащитная мембрана, вентилируемый зазор, облицовочный кирпич (120 мм).
• Кровля: Плоская, неэксплуатируемая. Конструкция: железобетонная плита перекрытия (220 мм), пароизоляция, утеплитель из экструзионного пенополистирола (200 мм), гидроизоляционный ковер.
• Пол первого этажа: Устройство по грунту. Конструкция: уплотненный грунт, песчаная подготовка, бетонная стяжка (100 мм), утеплитель из пенополистирола (100 мм), чистовое покрытие.
• Окна: Двухкамерные стеклопакеты с энергосберегающим покрытием в ПВХ-профиле.
• Наружные двери: Металлические, с внутренним утеплением.

Климатические и внутренние параметры

Согласно нормативным документам, для г. Москвы принимаются следующие расчетные параметры:

• Расчетная температура наружного воздуха для холодного периода: t_нар = -25°C (согласно СП 131.13330.2020).

Требования к параметрам внутреннего микроклимата дифференцированы по зонам согласно СП 60.13330.2020:

• Зрительный зал, фойе: t_вн = +20°C.
• Административные и технические помещения: t_вн = +18°C.

Наличие этих данных позволяет перейти к следующему этапу — ознакомлению с методологией расчета.

Глава 2. Методология и нормативная база теплотехнического расчета

Теплотехнический расчет основывается на фундаментальных принципах строительной теплофизики и регламентируется рядом ключевых нормативных документов. Понимание этих основ является обязательным для корректного выполнения всех последующих вычислений.

Основной физический принцип, лежащий в основе расчета, — это процесс теплопередачи через ограждающие конструкции, который происходит за счет разности температур между внутренней и внешней средой. Задача расчета — определить, насколько эффективно конструкция сопротивляется этому процессу.

Ключевые понятия и определения

• Коэффициент теплопроводности (λ), Вт/(м·°C): Это физическое свойство материала, показывающее, какое количество теплоты проходит через 1 м² материала толщиной 1 м за единицу времени при разности температур на его поверхностях в 1°C. Чем ниже λ, тем лучше теплоизоляционные свойства материала.
• Термическое сопротивление (R), м²·°C/Вт: Величина, обратная теплопроводности, характеризующая способность конструкции (или ее отдельного слоя) препятствовать прохождению теплового потока. Рассчитывается как отношение толщины слоя к его коэффициенту теплопроводности. Общее сопротивление многослойной конструкции равно сумме сопротивлений всех ее слоев.
• Коэффициент теплопередачи (U), Вт/(м²·°C): Величина, обратная общему термическому сопротивлению (U = 1/R₀). Показывает, какое количество теплоты проходит через 1 м² ограждающей конструкции в час при разности температур в 1°C. Часто используется в европейских стандартах и инженерном ПО.

Нормативная база

Все расчеты в данной работе выполняются в строгом соответствии с актуализированными редакциями следующих Сводов Правил (СП):

1. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»: Основной документ, устанавливающий требования к теплозащитным характеристикам ограждающих конструкций, методики расчета термического сопротивления, проверки на конденсацию и определения класса энергоэффективности.
2. СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»: Регламентирует параметры внутреннего микроклимата для помещений различного назначения, требования к системам ОВК и методики расчета тепловой нагрузки на вентиляцию.
3. СП 131.13330.2020 «Строительная климатология»: Содержит климатические данные для различных регионов, включая расчетные температуры наружного воздуха для холодного и теплого периодов года.

Общая последовательность расчета, предписываемая нормативами, выглядит следующим образом: определение требуемого сопротивления теплопередаче для региона, расчет фактического сопротивления для каждой конструкции, определение теплопотерь через эти конструкции и, наконец, составление общего теплового баланса.

Глава 3. Расчет теплотехнических показателей ограждающих конструкций

Этот раздел посвящен практическому применению методологии, изложенной в предыдущей главе. Здесь для каждого типа ограждающей конструкции здания кинотеатра будет выполнен пошаговый расчет приведенного сопротивления теплопередаче (R₀) и коэффициента теплопередачи (U).

3.1. Наружная стена

Расчет приведенного сопротивления теплопередаче R₀ выполняется по формуле:

R₀ = R_в + Σ(δ_i / λ_i) + R_н

где R_в и R_н — сопротивления теплообмену у внутренней и наружной поверхностей, а (δ_i / λ_i) — термическое сопротивление каждого слоя конструкции.

Состав и характеристики слоев стены сведены в таблицу.

Теплотехнические характеристики материалов наружной стены

Слой конструкции (изнутри наружу)	Толщина, δ (м)	Коэф. теплопроводности, λ (Вт/(м·°C))	Термическое сопротивление, R (м²·°C/Вт)
Сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности	—	—	0.115 (Rв)
Гипсокартонный лист	0.0125	0.21	0.06
Минераловатный утеплитель	0.150	0.045	3.33
Облицовочный кирпич	0.120	0.56	0.21
Сопротивление теплоотдаче наружной поверхности	—	—	0.043 (Rн)
Итоговое сопротивление (без учета тепловых мостов)			3.758 м²·°C/Вт

Расчет: R₀ = 0.115 + 0.06 + 3.33 + 0.21 + 0.043 = 3.758 м²·°C/Вт.

Необходимо также учесть влияние тепловых мостов (элементы каркаса, крепеж), которые снижают общее сопротивление. Примем коэффициент теплотехнической однородности r = 0.9. Тогда приведенное сопротивление теплопередаче составит:

R₀^пр = R₀ * r = 3.758 * 0.9 = 3.38 м²·°C/Вт.

Нормативное значение R_req для стен общественных зданий в г. Москве составляет 3.13 м²·°C/Вт. Так как 3.38 > 3.13, конструкция стены удовлетворяет требованиям по тепловой защите.

Коэффициент теплопередачи: U = 1 / 3.38 = 0.296 Вт/(м²·°C).

Аналогичные расчеты проводятся для кровли, пола, окон и дверей, результаты которых сводятся в итоговую таблицу для дальнейшего использования.

Глава 4. Определение общих теплопотерь здания через ограждающие конструкции

Определив теплопередающие свойства каждой ограждающей конструкции, можно перейти к расчету трансмиссионных теплопотерь — тепла, которое уходит из здания непосредственно через его оболочку (стены, окна, кровлю и т.д.).

Основная формула для расчета теплопотерь через любой тип ограждения выглядит так:

Q = U * A * (t_вн — t_нар) * (1 + Σβ)

где:

• Q — теплопотери, Вт;
• U — коэффициент теплопередачи данной конструкции, Вт/(м²·°C);
• A — площадь конструкции, м²;
• (t_вн — t_нар) — разность температур внутреннего и наружного воздуха (ΔT), °C;
• (1 + Σβ) — коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери (например, на ориентацию по сторонам света).

Для нашего кинотеатра в Москве ΔT = 20°C — (-25°C) = 45°C. Расчеты для всех элементов сводятся в общую таблицу.

Сводная таблица трансмиссионных теплопотерь

Ограждающая конструкция	Площадь (A), м²	Коэф. U, Вт/(м²·°C)	ΔT, °C	Теплопотери (Q), кВт
Наружные стены	950	0.296	45	12.65
Окна	180	1.40	45	11.34
Кровля	600	0.22	45	5.94
Пол первого этажа	600	0.31	45	8.37
Наружные двери	20	1.80	45	1.62
Итого трансмиссионные теплопотери:				39.92 кВт

Анализ результатов показывает, что наибольшие доли в общих теплопотерях принадлежат стенам и окнам. Это подчеркивает важность правильного подбора их конструкций и материалов. Окна, несмотря на меньшую площадь, вносят сопоставимый со стенами вклад в теплопотери из-за значительно более высокого коэффициента теплопередачи.

Глава 5. Расчет тепловой нагрузки на систему вентиляции

Для общественных зданий, особенно таких, как кинотеатры, с высокой плотностью людей, расчет теплопотерь на нагрев вентиляционного воздуха имеет не меньшее, а порой и большее значение, чем трансмиссионные теплопотери. Вентиляция необходима для обеспечения санитарно-гигиенических норм по качеству воздуха и удаления избыточной влаги и углекислого газа.

Норма подачи свежего воздуха на одного зрителя в кинотеатре составляет не менее 20 м³/ч. Для нашего зала на 500 мест, а также с учетом персонала и других помещений, общий нормативный расход приточного воздуха (L) принимается равным 12 000 м³/ч.

Тепловая мощность, необходимая для нагрева этого объема холодного наружного воздуха до комфортной температуры внутри помещений, рассчитывается по формуле:

Q_вент = L * ρ * c * (t_вн — t_нар) / 3600

где:

• L — расход вентиляционного воздуха, м³/ч (12 000);
• ρ — плотность наружного воздуха, кг/м³ (для -25°C ≈ 1.42 кг/м³);
• c — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·°C) (≈ 1.005);
• (t_вн — t_нар) — разность температур, °C (45).

Подставляем значения в формулу:

Q_вент = 12000 * 1.42 * 1.005 * 45 / 3600 = 214.065 кДж/с = 214 кВт.

Эта цифра колоссальна и значительно превышает трансмиссионные теплопотери. Она подчеркивает абсолютную необходимость применения в проекте современных энергосберегающих решений. Использование приточной установки с рекуператором тепла, который подогревает входящий холодный воздух за счет тепла удаляемого воздуха, является обязательным. Современные рекуператоры позволяют вернуть до 80-90% тепла, снижая нагрузку на систему отопления в несколько раз. С учетом эффективности рекуперации 80%, расчетная нагрузка составит:

Q_{вент_рек} = 214 кВт * (1 — 0.8) = 42.8 кВт.

Глава 6. Анализ внутренних теплопоступлений, характерных для кинотеатра

Для полноты теплового баланса необходимо учесть внутренние теплопоступления, которые в холодный период года работают «в плюс», снижая нагрузку на систему отопления. Для кинотеатра эти поступления весьма значительны и складываются из трех основных источников.

Теплопоступления от людей

Каждый зритель в зале выделяет тепло. Согласно нормативным данным, тепловыделения от одного зрителя в состоянии покоя составляют около 70-100 Вт. Примем среднее значение 85 Вт.

• Расчет: 500 зрителей * 85 Вт/чел = 42 500 Вт = 42.5 кВт.

Теплопоступления от освещения

Современные системы освещения на основе светодиодов обладают высоким КПД, но все равно преобразуют часть электроэнергии в тепло. Суммарную установленную мощность осветительных приборов в здании (зрительный зал, фойе, служебные помещения) примем равной 20 кВт. Практически вся эта мощность переходит в тепло.

• Расчет: 20 кВт * 0.9 (коэф. перехода в тепло) = 18.0 кВт.

Теплопоступления от оборудования

Главным источником тепла в этой категории является кинопроекционное оборудование. Современный цифровой проектор может выделять от 3 до 7 кВт тепла. Также тепло выделяет звуковая аппаратура и другое оборудование.

• Расчет: Тепловыделение от оборудования примем суммарно равным 8.0 кВт.

Сведем все данные в итоговую таблицу.

Суммарные внутренние теплопоступления

Источник теплопоступлений	Тепловая мощность, кВт
Зрители (при полной загрузке)	42.5
Освещение	18.0
Кинопроекц��онное и звуковое оборудование	8.0
Итого:	68.5 кВт

Как видно из расчетов, в рабочее время при полной загрузке зала внутренние теплопоступления могут полностью компенсировать и даже превышать теплопотери, что делает необходимым не отопление, а кондиционирование даже в зимний период. Однако расчетная мощность системы отопления определяется для самого неблагоприятного случая — пустой зал в самую холодную пятидневку.

Глава 7. Составление итогового теплового баланса здания

На данном этапе мы сводим все полученные данные воедино, чтобы определить результирующую тепловую нагрузку на систему отопления. Это ключевой результат всей курсовой работы, на основании которого будет подбираться котельное оборудование и отопительные приборы.

Итоговый тепловой баланс для самого холодного периода (в нерабочее время, когда внутренние теплопоступления минимальны) определяется по формуле:

Q_отоп = Q_трансм + Q_вент + Q_инф — Q_внутр

Для корректного определения максимальной нагрузки, необходимой для подбора оборудования, внутренние теплопоступления (Q_внутр) при расчете мощности системы отопления принимаются равными нулю. Расчет ведется для наихудшего сценария — пустое здание в ночное время.

Подставим ранее рассчитанные значения:

• Суммарные трансмиссионные теплопотери (Q_трансм): 39.92 кВт (из Главы 4)
• Теплопотери на вентиляцию с рекуперацией (Q_вент): 42.8 кВт (из Главы 5)
• Суммарные внутренние теплопоступления (Q_внутр): 0 кВт (для расчетного случая)

Итоговая тепловая нагрузка на систему отопления составит:

Q_отоп = 39.92 + 42.8 = 82.72 кВт

Именно эту мощность должна компенсировать система отопления для поддержания нормативной температуры в помещениях в самые сильные морозы. Анализ показывает, что даже с учетом высокоэффективной рекуперации, нагрузка на нагрев вентиляционного воздуха составляет более половины от общей потребности в тепле. Это подчеркивает критическую важность выбора качественного вентиляционного оборудования.

Глава 8. Проверка ограждающих конструкций на отсутствие конденсации

Одной из обязательных проверок в теплотехническом расчете является анализ влажностного режима ограждающей конструкции. Необходимо убедиться, что в холодный период года в толще стены не будет образовываться и накапливаться конденсат. Образование конденсата опасно, так как приводит к намоканию утеплителя, снижению его теплозащитных свойств, появлению плесени и постепенному разрушению материалов.

Методика проверки, согласно СП 50.13330.2012, заключается в построении двух графиков по сечению конструкции:

1. График фактического парциального давления водяного пара (e).
2. График давления насыщенного пара (E), которое зависит от температуры в данной точке.

Условие отсутствия конденсации выполняется, если на всем протяжении сечения конструкции график e находится ниже графика E (e < E). Это означает, что пар не достигает точки росы и остается в газообразном состоянии.

Для примера возьмем ранее рассчитанную наружную стену. Последовательно, от слоя к слою, рассчитывается падение температуры и парциального давления. По результатам расчета строятся графики.

В нашей конструкции (утеплитель внутри, защищен пароизоляцией) температура на границах слоев будет плавно снижаться, а фактическое давление пара резко упадет на слое пароизоляции и далее будет незначительным. Давление же насыщенного пара будет высоким в теплых слоях и низким в холодных.

Вывод по результатам построения: Кривая фактического давления (e) не пересекает кривую давления насыщения (E). Следовательно, условие недопустимости образования конденсата в толще наружной стены выполняется. Правильное расположение материалов (особенно пароизоляции и утеплителя) обеспечивает надежную защиту конструкции от переувлажнения.

Глава 9. Рекомендации по повышению энергоэффективности объекта

Проведенный теплотехнический расчет не только определяет необходимую мощность систем ОВК, но и позволяет выявить «слабые места» в тепловой оболочке здания, на основе чего можно предложить конкретные инженерные решения для дальнейшего повышения энергоэффективности.

Анализ теплопотерь показал, что наибольший вклад вносят окна и система вентиляции. Соответственно, основные рекомендации должны быть направлены на эти элементы.

1. Оптимизация светопрозрачных конструкций:
   • Рекомендация: Рассмотреть возможность замены двухкамерных стеклопакетов на трехкамерные или на двухкамерные с заполнением аргоном и двумя низкоэмиссионными стеклами.
   • Ожидаемый эффект: Это позволит снизить коэффициент теплопередачи окон с 1.4 до 0.8-1.0 Вт/(м²·°C), что уменьшит теплопотери через них почти на 30-40%.
2. Повышение эффективности системы вентиляции:
   • Рекомендация: Применить вентиляционную установку с пластинчатым рекуператором с эффективностью не 80%, а 90% или использовать более современный роторный рекуператор.
   • Ожидаемый эффект: Повышение эффективности рекуперации на 10% снизит вентиляционную нагрузку еще на 4-5 кВт, что в масштабе года даст существенную экономию.
3. Обеспечение герметичности здания:
   • Рекомендация: На этапе строительства уделить особое внимание герметизации стыков, примыканий оконных блоков к стенам и проходок инженерных коммуникаций. Провести тест на воздухопроницаемость здания (Blower Door Test).
   • Ожидаемый эффект: Снижение неконтролируемой инфильтрации воздуха уменьшает скрытые теплопотери и повышает общую эффективность тепловой защиты.

Внедрение этих мероприятий позволит не только снизить установленную мощность системы отопления, но и значительно сократить годовые эксплуатационные расходы на энергоресурсы, повысив класс энергоэффективности здания.

Заключение с подведением итогов работы

В ходе выполнения данной курсовой работы была достигнута основная цель — произведен комплексный теплотехнический расчет общественного здания кинотеатра, на основании которого определены ключевые параметры для проектирования инженерных систем.

В процессе работы были последовательно решены все поставленные задачи:

• Проведен сбор и анализ исходных архитектурно-строительных и климатических данных.
• Рассчитаны теплотехнические показатели ограждающих конструкций. Например, для наружной стены получено приведенное сопротивление теплопередаче R₀^пр = 3.38 м²·°C/Вт, что соответствует требованиям СП 50.13330.2012.
• Определены суммарные трансмиссионные теплопотери, составившие 39.92 кВт, и тепловая нагрузка на систему вентиляции с учетом рекуперации — 42.8 кВт.
• Проанализированы внутренние теплопоступления, достигающие 68.5 кВт при полной загрузке зала, что подчеркивает специфику объекта.
• Составлен итоговый тепловой баланс, по результатам которого расчетная нагрузка на систему отопления определена в размере 82.72 кВт.

Главный вывод работы заключается в том, что проделанный расчет является необходимой и достаточной основой для дальнейшего проектирования эффективных, экономичных и обеспечивающих должный комфорт систем отопления и вентиляции кинотеатра. Было наглядно продемонстрировано, что для общественных зданий с высокой посещаемостью учет вентиляционной нагрузки и внутренних теплопритоков является критически важным и оказывает на итоговый результат не меньшее влияние, чем расчет теплопотерь через ограждающие конструкции.

Список использованной литературы и нормативных документов

1. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003.
2. СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003.
3. СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*.
4. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
5. Учебное пособие «Строительная теплофизика» / под ред. В.Г. Гагарина. — М.: Изд-во АСВ, 2012.

Список использованной литературы

1. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология/Госстрой России.- М.: ГУП ЦПП, 2004.
2. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях/Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 1999.
3. СНиП 31-06-2009. Общественные здания и сооружения/Минрегион России. — М.:2009.
4. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий/Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004.
5. СНиП II-3-79*. Строительнаятеплотехника. — М.: Стройиздат, 1996.
6. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий/Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004.
7. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование/Госстрой России.- М.: ГУП ЦПП, 2003.
8. Богословский В.Н.Строительная теплофизика.Изд.3.-АВОК Северо-Запад, 2006.-400с.