CC BY
48
УДК 697.1
ПАНЧЕНКО ЮЛИЯ ФЕДОРОВНА, ст. преподаватель, indyboot@list. ги,
ЗИМАКОВА ГАЛИНА АЛЕКСАНДРОВНА, канд. техн. наук, доцент, gawinteг@yandex. ги,
ПАНЧЕНКО ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ, ассистент, indyboot@list. ги,
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВОГО ТЕПЛОЗАЩИТНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Определена эффективность применения нового теплозащитного материала, наносимого на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции и способного отражать тепловое излучение, для снижения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания.
Ключевые слова: энергоэффективность, теплоотражение, ограждающие конструкции, тепловой поток, сопротивление теплопередаче.
PANCHENKO, YULIA FEDOROVNA, senior teacher, indyboot@list. ru
ZIMAKOVA, GALINA ALEKSANDROVNA, Cand. of tech. sc., assoc, prof., gawinter@yandex. ru,
PANCHENKO, DMITRIY ALEKSEYEVICH, lecturer,
Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering,
2 Lunacharskiy st, Tyumen, 625001, Russia
ENERGY EFFICIENCY OF USE OF THE NEW HEAT-PROTECTIVE MATERIAL FOR REDUCING THE HEAT CONSUMPTION OF BUILDINGS
The efficiency of the new heat-protective_material applied to the inner surface of the cladding structure and capable to reflect thermal radiation for reducing the specific consumption of thermal energy, necessary for heating the building, has been defined.
Keywords: energy efficiency, heat reflection, cladding structures, heat flow, heat transfer resistance.
Вопросы рационального использования ресурсов, экономии топлива и энергосбережения приобретают все большую актуальность в современном мире. Повышение эффективности тепловой защиты зданий и сооружений путем внедрения энергоэффективных технологий и материалов является приоритетным направлением развития строительной отрасли.
© Ю.Ф. Панченко, Г. А. Зимакова, Д. А. Панченко, 2011
В основу выбора критериев для зданий с эффективным использованием энергии заложен принцип удовлетворения главных потребительских требований, которым должно отвечать здание [1]. Таких нормативных требований установлено три:
1) предельный уровень удельного энергопотребления на отопление системой теплоснабжения здания за отопительный период;
2) требования по комфорту в помещениях здания;
3) отсутствие условия конденсата на внутренних поверхностях ограждений.
Первое требование устанавливает предельное значение удельного энергопотребления на отопление системой теплоснабжения здания в течение отопительного периода. Проектный удельный расход тепловой энергии системой теплоснабжения на отопление здания д/е!1 в течение отопительного периода должен быть меньше или равен требуемому значению дегед и определяется путем выбора теплозащитных свойств оболочки здания и типа, эффективности и метода регулирования используемой системы теплоснабжения. Возможен и второй альтернативный вариант, когда норматив устанавливается по удельному расходу тепловой энергии на отопление зданий д/е9. В этом случае эффективность системы теплоснабжения не учитывается.
Анализ мирового опыта в решении проблемы энергосбережения показывает, что сокращение потерь тепловой энергии при отоплении зданий достигается повышением сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций [2-5]. Одним из перспективных направлений по улучшению теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций является устройство на их внутренней поверхности экрана [6] в виде дополнительного покрытия, способного отражать тепловое излучение. Традиционно в качестве теплоотражающего материала использовалась алюминиевая фольга. В настоящее время существуют лакокрасочные композиции, именуемые «Жидкой фольгой», содержащие в своем составе алюминиевый пигмент, которые при нанесении на обрабатываемую поверхность образуют тонкие покрытия серебристого цвета с высокой степенью блеска. На российском рынке реализуются также материалы, представляющие собой вязкожидкие композиции белого цвета на основе акрилового полимера и стеклянных или керамических микросфер, которые при нанесении на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции и последующем высыхании образуют пленочное покрытие, способное отражать тепловое излучение. Далее в статье мы будем называть их покрытия белого цвета.
Цель проводимых авторами исследований - разработка теплоотражающего покрытия и исследование эффективности его применения для снижения теплопотребления зданий и сооружений.
В процессе разработки теплоотражающего материала изучалась связь между составом теплоотражающего покрытия и его теплотехническими параметрами. В качестве регулируемых теплотехнических параметров приняты: коэффициент теплопроводности и теплоотражающая способность покрытия. Теплоотражающая способность оценивалась по изменению плотности теплового потока, проходящего через конструкцию после нанесения покрытия.
Теплотехнические характеристики теплоотражающего покрытия в зависимости от состава описываются квадратным уравнением:
у = а ■ К2 - Ь ■ К + с, (1)
где а, Ь и с - коэффициенты квадратного уравнения, представленные в табл. 1; у - теплотехнический показатель; К - компонент (содержание полых алюмо-силикатных микросфер или алюминиевого пигмента).
Таблица 1
Коэффициенты квадратного уравнения зависимости теплотехнических свойств покрытия от состава
Показатель, у а в с
Коэффициент теплопроводности, в зависимости от содержания микросфер, Вт/м2-°С 1,061с-4 0,0125 0,45
Плотность теплового потока, в зависимости от содержания микросфер, Вт/м2 0,016 1,59 72,5
Плотность теплового потока, в зависимости от содержания алюминиевого пигмента, Вт/м2 0,035 0,87 39,35
В результате проведенных исследований разработано теплоотражающее покрытие [7], свойства которого представлены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристика теплоотражающего материала на основе акрилового полимера
№ п/п Наименование показателя Значение
1 Плотность в жидком состоянии, кг/м3 700
2 Плотность покрытия, кг/м3 900
3 Теплопроводность покрытия, Вт/м-°С 0,1
2 Время высыхания до степени 3 при Т (20 ± 2) °С, ч 1
3 Укрывистость, г/м2 170
4 Условная вязкость при температуре (20,0 ± 0,5) °С по вискозиметру ВЗ-246 диаметром сопла 4 мм, с, не менее 80
5 Прочность покрытия при растяжении, кгс/см2 8
6 Адгезия покрытия, МПа: к металлу к бетону, к кирпичной кладке 0,65 0,82
Для подтверждения эффективности теплоотражающих покрытий были проведены их натурные испытания. В процессе эксперимента был рассмотрен стационарный процесс теплопередачи через однородную плоскую кирпичную стену толщиной 250 мм - 5, на которую наносились теплоотражающие покрытия методом лакокрасочной технологии.
При этом теплота передается от теплого воздуха внутри помещения, с температурой тв, холодному воздуху снаружи помещения, с температурой тн, через плоскую стенку с теплопроводностью X, равной 0,58 Вт/м-°С. Стенка
имеет температуру поверхности внутри помещения ґв и температуру поверхности снаружи помещения ґн. Толщина стенки 5 значительно меньше площади ее поверхности (рис. 1).
д. Я
Рис. 1. Схема теплопередачи
В ходе эксперимента фиксировались температуры поверхностей ограждающей конструкции ^ и ^, температуры окружающей среды тв и тн, плотность проходящего теплового потока, результаты измерений представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты измерений
Вид покрытия 1 О и эй & ® £ 15 Л о Л д !з ^ & ё <и и а а <и Н Температура внутренней поверхности, 4, °С Температура внутреннего воздуха, тв, °С Температура наружного воздуха, тн, °С і 2 н 8 0 Із й и ^ О а ^ 1 $ о й о. О я ё А С тп со ог но оо « 5 С я
Без покрытия 2,5 11,4 14,5 0,5 20,0
Покрытие белого цвета 2,5 11,4 14,5 0,5 17,7
«Жидкая фольга» 2,5 11,4 14,5 0,5 17,1
«Жидкая фольга с микросферами» 2,5 11,4 14,5 0,5 16,5
Для теоретического определения плотности теплового потока, передаваемого через ограждающую конструкцию путем теплопроводности, конвекции и излучения, задавались граничные условия III рода.
В условиях стационарного режима вся теплота, передаваемая от внутреннего воздуха стенке, проходит через нее и поглощается наружным воздухом. При этом плотность теплового потока, передаваемого из помещения в окружающую среду, определяется [8]:
где др - результирующая плотность теплового потока; ав и ан - коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной стороне ограждающей конструкции соответственно.
Значения коэффициентов теплоотдачи на внутренней стороне ав и наружной стороне ан зависят от физических свойств окружающей среды и от характера ее движения и определяются по полуэмпирическим уравнениям. Характер передачи теплоты конвекцией у внутренней и наружной поверхности ограждения различен. У внутренней поверхности ограждения - естественная конвекция, вызываемая разностью температур воздуха и поверхности стены; у наружной поверхности ограждения - вынужденная конвекция, вызываемая действием ветра.
В статье рассматривается изменение процесса теплопередачи через ограждающую конструкцию при нанесении на ее внутреннюю поверхность теплоотражающих покрытий. Поэтому одной из задач является определение ав. Передача теплоты к поверхности ограждения или отдача ею осуществляется конвекцией и излучением. Следовательно, коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности можно выразить как эффективный коэффициент теплоотдачи, определяемый суммой двух коэффициентов: коэффициента отдачи теплоты конвекцией ак и коэффициента отдачи теплоты излучением ал, т. е.
аэ ак + ал.
Величина конвективного коэффициента теплоотдачи ак при естественной конвекции зависит от разности температур воздуха и поверхности стены Д^, линейного размера поверхности в направлении движения воздуха I, коэффициента теплопроводности воздуха у поверхности ограждения X, коэффициента кинематической вязкости воздуха V, коэффициента темепературопроводности воздуха а. Величины X, V и а зависят от средних температур воздуха и поверхности ограждения. Все перечисленные величины объединяются в критерии подобия, из которых можно выразить коэффициент теплоотдачи конвекцией:
Плотность теплового потока, передаваемого внутренним воздухом помещения внутренней поверхности стеновой конструкции излучением, можно определить по формуле
Яр =ав (Т - 'в ) = Х/ ^в -К ) = ан (Тн - 'н ) ,
(2)
(4)
где с0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела (5,67 Вт/м2К4); Тв и Тст - температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены соответственно, К; е1-2 - приведенный коэффициент излучения, равный:
-I+-1 -1
(5)
где ев и ест - коэффициенты излучения внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены соответственно. Так как внутренний воздух в помещении содержит водяные пары, то £в - это коэффициент излучения водяных паров.
Для определения коэффициентов излучения применяемых теплоотражающих покрытий моделировался процесс теплопередачи через фрагмент конструкции на экспериментальном стенде. Конструкция, представляющая собой два слоя фанеры толщиной 12 мм с заключенным между ними пенопо-листиролом толщиной 40 мм, располагалась между нагревательным элемен -том и холодильником. Температура в холодильнике -20 ± 2 °С, температура источника тепла +70 ± 2 °С, расстояние до источника тепла - 375 мм. Схематическое изображение процесса теплопередачи через фрагмент ограждающей конструкции в экспериментальном стенде представлено на рис. 2.
Источник тепла д
Рис. 2. Схема процесса теплопередачи через фрагмент ограждающей конструкции в экспериментальном стенде
Результаты определения приведенного коэффициента излучения и коэффициента излучения покрытий представлены в табл. 4.
Таблица 4
Приведенный коэффициент излучения и коэффициент излучения теплоотражающих покрытий
1
Вид покрытия Приведенный коэффициент излучения е1-2 Коэффициент излучения покрытия, £
Покрытие белого цвета 0,34 0,52
«Жидкая фольга» 0,31 0,46
«Жидкая фольга с микросферами» 0,29 0,40
Как свидетельствуют результаты измерений, подтвержденные расчетами (табл. 5), результирующая плотность теплового потока, проходящего через
ограждающие конструкции, при нанесении теплоотражающего покрытия «Жидкая фольга с микросферами» уменьшается на 17,5 %.
Таблица 5
Результаты расчета плотности теплового потока
Вид покрытия Коэффициент теплоотдачи конвекцией ак, Вт/(м2-°С) к о т о п й о в о л2 к ^ те /т ’В и. .л и « ^ в и итк е в н о К Лучистый тепловой поток Вт/м2 Результирующий тепловой поток др, Вт/м2 й о в вол лпе 2 й /т ыВ н, 1 1 й ^ я о § ё « и р е п ск £0 Относительная погрешность Ад, %
Без покрытия 3,9 12,1 8,2 20,3 20,0 1,5
Покрытие белого цвета 3,9 12,1 5,8 17,9 17,7 1,1
«Жидкая фольга» 3,9 12,1 5,3 17,4 17,1 1,7
«Жидкая фольга с микросферами» 3,9 12,1 4,8 16,9 16,5 2,3
Разработанное теплоотражающее покрытие было использовано на объекте - административно-торговом комплексе г. Тюмени. Конструкция наружных стен на данном объекте представляет собой однослойную кирпичную стену из керамического кирпича толщиной 640 мм. Теплоотражающее покрытие наносилось на оштукатуренную внутреннюю поверхность наружных стен. Далее осуществлялась отделка гипсокартонными листами с обеспечением воздушной прослойки толщиной 20 мм. Как свидетельствуют результаты измерений, подтвержденные расчетами, сопротивление теплопередаче такой конструкции наружной стены составляет 3,15 м2 °С/Вт, что на 31 % выше сопротивления теплопередаче аналогичной стены без теплоотражающего покрытия.
Наружные ограждающие конструкции должны не только обеспечивать требуемое сопротивление теплопередаче, но и обладать достаточной тепловой устойчивостью, так как при понижении температуры в жилых помещениях до +8 °С может произойти замораживание трубопроводов в подвалах, лестничных клетках и на чердаках здания. При расчете допустимой продолжительности отключения отопления в аварийных условиях необходимо использовать закономерности переменного во времени процесса передачи тепла, нестационарной теплопередачи.
Решение этой задачи в виде обобщенного графика приведено на рис. 3. На графике нанесены кривые изменения относительной избыточной температуры на поверхности ограждения для различных моментов времени ^о.
е= г(х, 2) - г(х, 0) (8)
г(0, да) - г(х, 0)
Рис. 3. Изменение распределения относительной избыточной температуры на поверхности ограждения
Графиком на рис. 3 можно пользоваться для определения 0, и при охлаждении поверхности в этом случае относительная избыточная температура 0охл будет равна:
0охл = 1 -0 . (9)
Результаты определения времени остывания предлагаемого варианта ограждающей конструкции свидетельствуют о том, что время остывания воздуха внутри помещения до +8 °С при аварийном отключении отопления составит 48 ч, что достаточно для устранения аварии.
По результатам расчета теплоэнергетических показателей энергетического паспорта данного объекта, представленным в табл. 6, установлено, что применение теплоотражающего покрытия позволяет уменьшить удельный расход тепловой энергии на отопление здания на 6 %.
Таблица 6
Теплоэнергетические показатели применения теплоотражающего покрытия
Наименование показателя Обозначение Значение
без покрытия с покрытием
Потребность в тепловой энергии на отопление здания за отопительный период е/, МДж 5 185 750 4889314
Удельный расход тепловой энергии на отопление здания ае.1 дЬ , кДж/(м2-°С-сут) чЛ кДж/(м3-°С-сут) 95,0 30,7 89,6 28,9
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Современные решения по улучшению теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций должны быть реализованы за счет применения материалов в виде покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность ограждающих конструкций и обладающих теплоотражающей способностью.
2. Применение теплоотражающего материала на основе акрилового полимера, алюмосиликатных полых микросфер и алюминиевого пигмента позволяет снизить плотность теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию, на 17,5 %.
3. Конструкция стены, представляющая собой однослойную кирпичную кладку толщиной 640 мм, покрытую с внутренней стороны теплоотражающим покрытием с последующей отделкой гипсокартонными листами, имеет сопротивление теплопередаче 3,15 м2 °С/Вт и обеспечивает необходимую тепловую устойчивость.
4. Применение теплоотражающего покрытия на основе акрилового полимера, алюмосиликатных полых микросфер и алюминиевого пигмента позволит уменьшить удельный расход тепловой энергии на отопление здания qhdes на 6 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Матросов, Ю.А. Региональное нормирование - стимул повышения энергоэффективности зданий / Ю.А. Матросов, И.Н. Бутовский, Д.Б. Гольдштейн // АВОК. - 1997. -№ 5. С. 24-29.
2. Kumaran, M.K. Low-Permeance Materials in Building Envelopes / M.K. Kumaran, J.C. Hay-som // NRC-IRC Construction Technology Update. - 2000. - № 41. - 6 с.
3. Borodinecs, A. Controlled Building Envelopes for Energy Storage [Электронный ресурс] / A. Borodinecs, A. Kreslins, U. Bratuskins. - Условия доступа :
http://intraweb.stockton.edu/eyos/energy_studies/content/docs/effstock 09/Session_8_2 Mod-els_and_Design tools/69.pdf
4. Military Standards and Spray Polyurethane Foam (SPF) Insulation [Электронный ресурс]. -Условия доступа : http://confluencec.com/samples/White Paper - Military VFinal04062011.pdf
5. Borodinecs, A. Reduction of Cooling and Heating Loads Using Building Envelopes with Controlled Thermal Resistance [Электронный ресурс] / A. Borodinecs, A. Kreslins // Proceedings of Conference: Air Conditioning and the Low Carbon Cooling Challenge. Network for Comfort and Energy Use in Buildings. London. - 2008. - Условия доступа : http://nceub.org.uk.
6. Reflective Insulation, Radiant Barriers and Radiation Control Coatings [Электронный ресурс] // Reflective Insulation Manufacturers Association International. - 2002. - Условия доступа : http://www.rimainternational.org/ pdf/handbook.pdf
7. Пат. 63389 U 1 Российская Федерация: МПК51 Е04В 7/00. Теплоизоляционный многослойный пакет / Г.А. Зимакова; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет». - № 2006145925/22; заявл. 25.12.06; опубл. 27.05.07, Бюл. № 15. - 3 с.
8. Лариков, Н.Н. Общая теплотехника / Н.Н. Лариков. - М. : Стройиздат, 1975. - 559 с.
