CC BY
18Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
УДК 699.86
Е.В. КОРКИНА, инженер (Elena.v.korkina@gmail.com)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, Москва, Локомотивный проезд, 21)
Комплексное сравнение оконных блоков по светотехническим и теплотехническим параметрам
С целью сокращения тепловых потерь здания через окна применяются стекла с низкоэмиссионными покрытиями, обладающие пониженным коэффициентом светопропускания. При проектирования зданий с такими стеклами необходимо определить размеры светового проема, при котором соблюдаются нормы по естественному освещению. Рассмотрена задача сохранения уровня трансмиссионных потерь через оболочку здания и уровня естественной освещенности при измерении размеров и заполнения светопроема. Выведены уравнения приращения площади светопроема из двух условий: равенства освещенностей и равенства теплопотерь. Для этого рассмотрен коэффициент естественной освещенности (КЕО) и удельная теплозащитная характеристика здания. На основе уравнений приращения площади получен критерий равноэффектив-ности оконных блоков по светотехническим и теплотехническим параметрам. Рассмотрен расчет теплотехнических показателей, входящих в критерий. В заключение приведен анализ влияния входящих в критерий показателей на его значение.
Ключевые слова: светопропускание, энергосбережение, равноэффективность, естественное освещение, низкоэмиссионные покрытия.
E.V. KORKINA, Engineer (Elena.v.korkina@gmail.com) Research Institute of Building Physics of RAAСS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
Comprehensive Comparison of Window Blocks for Lighting and Thermotechnical Parameters
To reduce heat losses of a building through the windows, the glasses with low-emission coatings having the lowered coefficient of transparency are used. When designing buildings with these glasses, it is necessary to determine dimensions of a light aperture which meets the norms of natural lighting. The problem to maintain the level of transmission losses through the building envelope and the level of natural lighting when measuring dimensions and filling the light aperture is considered. Equations of increment in the square of the lighting aperture are derived on the basis of two conditions: equality of illumination and equality of heat losses. For this, the coefficient of natural illumination (CNI) and the specific heat protection characteristic of the building are considered. On the basis of equations of increment in the area of lighting aperture, the criterion of equal efficiency of window blocks according to lighting and thermotechnical parameters has been obtained. The calculation of thermotechnical indicators included in the criterion is considered. In conclusion, the analysis of the impact of indicators included in the criterion on its value is presented.
Keywords: light transmission, energy saving, natural illumination, low-emission coatings.
Применение современных окон с повышенным сопротивлением теплопередаче позволяет существенно сократить тепловые потери здания [1-3]. В таких окнах применяются стекла с низкоэмиссионными покрытиями, которые могут обладать пониженным значением коэффициента пропускания света [1]. Поэтому при использовании окон со стеклами с низкоэмиссионными покрытиями взамен традиционных для сохранения уровня естественной освещенности необходимо увеличивать площадь светопроемов, что, в свою очередь, приводит к некоторому увеличению тепловых потерь здания. Поэтому представляется целесообразным найти выражение, включающее светотехнические и теплотехнические параметры для общей оценки оконных блоков.
Задача переформулируется следующим образом: определить соотношение между коэффициентом светопропу-скания оконного блока т0, сопротивлением теплопередаче оконного блока Яок, приведенным сопротивлением теплопередаче стены Яст, при которых суммарные трансмиссионные теплопотери стены с оконным блоком остаются прежними и при этом не изменится освещенность в помещениях здания. Решение задачи приводит к оценке блоков по их равноэффективности, и для них можно вычислить площади светопроемов, обеспечивающих решение поставленной задачи.
60| —
Рассмотрим два варианта оконных блоков, установленных в стене площадью А, м2, со значением приведенного сопротивления теплопередаче Яст, м2-°0/Вт:
1. Площадь светопроема составляет Аок1, и в него установлен оконный блок с приведенным сопротивлением теплопередаче Яок1 и коэффициентом светопропускания т01;
2. Площадь светопроема увеличена до значения Аок1+ДА, и в него установлен оконный блок с приведенным сопротивлением теплопередаче Яок2 и коэффициентом светопропускания т02.
При этом предполагается, что Яок2> Яок1; т02<т01.
Оценка блоков по светотехническим и теплофизиче-ским параметрам была предложена в [4-5]. В данной статье метод [5] распространен на использование приведенного сопротивления теплопередаче оконного блока.
Соотношение, полученное из равенства освещенностей. Светотехнические свойства оконных блоков рассматривались в работах [6-9], они характеризуются при помощи общего коэффициента светопропускания т0: чем больше его величина, тем лучше этот оконный блок будет служить с точки зрения своего основного функционального назначения.
Естественное освещение помещения нормируется при помощи коэффициента естественной освещенности КЕО
^^^^^^^^^^^^^ 62015
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"
в расчетной точке помещения. Условие неизменности нормируемых светотехнических условий в помещении при двух вариантах заполнения светопроема заключается в равенстве рассчитанных значений КЕО:
"р\ ~ "р2-
(1)
(2)
Геометрический КЕО для отраженного света от здания вычисляется по формуле:
езд=0,01(и; тд,
(3)
где: ЬОК1, - ширина и высота светопроема соответственно по первому варианту проектирования светопроема, м; Ьок2, Кн2 - то же, по второму варианту.
Произведение Ьок-кок является площадью светопроема, а Ь-рЬг. Тогда из формулы (6) следует:
Ат-1о1 = (Аок+АА)-го
(7)
Можно предположить, что как при первом, так и при втором варианте проектирования светопроема рассчитанное значение КЕО близко к нормируемому, поскольку рассматривается случай с ограниченной возможностью естественного освещения. Кроме того, предполагается, что составляющая КЕО, создаваемая прямым светом участков неба, видимых через светопроемы, равна нулю и все естественное освещение создается светом, отраженным от противостоящего здания. Тогда условие неизменности освещенности можно записать в виде:
После преобразования выражения (7) получаем значение увеличения площади светопроема, при котором условия естественного освещения помещения не изменятся:
\А-А Т(" т<и *02 ■
(8)
Соотношение, полученное из равенства трансмиссионных теплопотерь. Трансмиссионные потери теплоты через оболочку здания определяются удельной теплозащитной характеристикой здания коб, Вт/(м3 оС) по формуле [10]:
06 vlR£
(9)
где п[ и п^ определяются при помощи графиков Данилюка и представляют собой количество лучей, проходящих от противостоящего здания в расчетную точку помещения, соответственно в разрезе и плане помещения. Эти значения возможно также вычислить по формулам геометрического КЕО, приведенным в [9].
Величины п[ и п'2 зависят от размеров помещения, све-топроема и от взаимного расположения расчетной точки и светопроема [5]. Можно считать, что п[ является функцией кОК/Ь, а п'2 - функцией Ьок/Ь; где £ - расстояние от расчетной точки до центра светопроема, м; кок, Ъок - высота и ширина светопроема соответственно, м.
Значения 60(г/£<0,7 покрывают весь интервал существенных для практики значений ширины оконного проема и расстояний от него до расчетной точки. Например, при Ьок=1 м и £>1,4 м, а при Ь01=2 м £>2,8 м. Поскольку расчетная точка берется на расстоянии 1 м от стены, противоположной световому проему, диапазон изменения Ь0)с/£<0,7 соответствует помещениям глубиной более 2,5 м. Практически все помещения таковыми и являются.
При значениях Ьок/Ь от 0 до 0,7 п^ практически пропорционально Ьок/Ь, с коэффициентом пропорциональности Рг т. е.:
где V - объем здания, м3; Д., Л"? - площадь (м2) и приведенное сопротивление теплопередаче отдельной ограждающей конструкции соответственно (м2оС/Вт). Они складываются из теплопотерь через каждую ограждающую конструкцию.
При замене оконных блоков уменьшается площадь стен и увеличивается площадь окон. Тогда для того чтобы значение к0б в (9) не изменилось, необходимо выполнение равенства:
Acm | АОК _ Асл АА ^ Арк+АА Rem Rqk\ Rem ^ OK?.
(10)
Как следует из (10), значение приращения площади записывается в виде:
АА =А„,
Rqk2 ~ Rqk\ Rem
(11)
Rem ~ Rok2 Rok\_
Условие равноэффективности оконных блоков. Система уравнений (8) и (11) выражает условия, при которых не изменяются условия освещенности в помещении и сохраняются трансмиссионные потери теплоты через систему стена - окно. Такая система будет иметь решение только при определенных соотношениях используемых параметров оконных блоков. Это выражается приравниванием правых частей уравнений (8) и (11):
n'i = Pi-bOK/L.
(4)
Аналогичная зависимость справедлива и для п[ с коэффициентом пропорциональности р^
n\ = Pl-hm/L
(5)
Подстановка (4) и (5) в (2) после преобразований и сокращения произведения коэффициентов пропорциональности (^1 -р2) дает:
ЬокФоЛ _ _ bOK2hOK2 _ k Tbi- Li x02,
(6)
Rqk2-RQK\ Rem 01 T02 Rem-Roia Roxl T02
(12)
Отсюда следует условие [5] для оконных блоков, при котором оба варианта проектирования светопроема эквивалентны в светотехническом и теплозащитном отношениях:
tpiRpKi _ tpiRoKi Rcm~RoK\ Rcm~RoKl
(13)
Приведенное сопротивление теплопередаче оконного блока определяется в соответствии с СП 50.13330.2012
6'2015
61
Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
«Тепловая защита зданий» в рекомендуемом приложении К по формуле (Е.1) из этого СП:
1
(14)
где ио - коэффициент теплопередачи в центре стеклопаке-та, Вт/(м2-оС); - удельные потери теплоты через линейную теплотехническую неоднородность у-го вида, Вт/(м2оС); Х//^- - плотность потока теплоты через переплеты оконного блока, Вт/(м2-оС).
Из (13) с учетом (14) следует выражение для критерия равноэффективности оконного блока:
Р =
То
(15)
Чем больше значение P, тем эффективнее будет оконный блок при установке его в систему стена - окно.
Определение теплотехнических параметров, входящих в критерий равноэффективности оконных блоков.
В показатель P входит в качестве параметра значение сопротивления теплопередаче стены Rcm. Чем меньше будет принято значение Rcm, тем более эффективным окажется применение современных оконных блоков с повышенным уровнем теплозащиты. С другой стороны, большие значения приведенного сопротивления теплопередаче стен пока редко достигаются на практике. Для современных стеновых ограждающих конструкций можно принять значение приведенного сопротивления теплопередаче Rcm=2,5 м2 оС/Вт. При таком значении показатель P существенно зависит от характеристик оконного блока.
Заключение. Комплексный показатель P зависит от входящих в него параметров оконного блока при Rcm>R0K. При фиксированном значении Rcm с ростом т0 возрастает и величина показателя P. С ростом R0K величина показателя P также возрастает. Следовательно, чем выше теплотехнические и светотехнические показатели оконного блока, тем больше значение комплексного показателя P. Однако часто с ростом R0K значение т0 убывает. Если при рассматриваемых двух способах проектирования светопроема при обеспечении одинаковых теплопотерь значение P2 больше P1, то это означает, что освещенность в помещении при втором способе будет выше. Если же P2 больше P1 и обеспечена одинаковая освещенность в помещении, то теплопотери во втором случае будут ниже, чем в первом. Таким образом, при помощи комплексного показателя можно сопоставлять варианты заполнения светопроема.
Список литературы
1. Борискина И.В., Плотников А.А., Захаров А.В. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий. СПб.: Выбор, 2008. 360 с.
2. Carmody J., Selkowitz S., Heschong L. Residential Windows. A guide to new technologies and energy performance. New York, London. 1996. 214 p.
3. Smith N., Isaacs N., Burgess J., Cox-Smith I. Thermal performance of secondary glazing as a retrofit alternative for single-glazed windows // Energy and Buildings. 2012. Vol. 54, pp. 47-51.
4. Савин В.К. Окна для массового строительства жилых зданий в Москве и Московской области // Окна и двери. 1997. № 2. С. 21-23.
5. Гагарин В.Г., Земцов В.А., Игумнов Н.М. Равноэффек-тивность оконных блоков по параметрам теплозащиты и светопропускания // Вестник отделения строительных наук РААСН. Белгород. 2008. № 12. C. 342-349.
6. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Расчетно-экспериментальный метод определения общего коэффициента пропускания света оконными блоками // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. C. 472-476.
7. Закируллин Р.С. Селективное регулирование светопро-пускания стекла и остекленных конструкций // Вестник ОГУ. 2011. № 6 (125). C. 172-180.
8. Халикова Ф.Р., Куприянов В.Н. Экспериментальные исследования проникновения УФ радиации через оконные стекла // Вестник МГСУ. 2011. № 3. Т. 2. С. 30-35.
9. Соловьев А.К. Физика среды. М.: Издательство АСВ, 2008. 344 с.
10. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» // Жилищное строительство. 2011. № 8. С. 2-6.
References
1. Boriskina I.V., Plotnikov A.A., Zaharov A.V. Proektirovanie sovremennyh okonnyh sistem grazhdanskih zdanij [Design of modern window systems of civil buildings]. Saint-Petersburg: Vybor. 2008. 360 p.
2. Carmody J., Selkowitz S., Heschong L. Residential Windows. A guide to new technologies and energy performance. New York, London. 1996. 214 p.
3. Smith N, Isaacs N, Burgess J, Cox-Smith I. Thermal performance of secondary glazing as a retrofit alternative for single-glazed windows. Energy and Buildings. 2012. Vol. 54, pp. 47-51.
4. Savin V.K. Windows for mass construction of residential buildings in Moscow and Moscow region. Okna idveri. 1997. No. 2, pp. 21-23. (In Russian).
5. Gagarin V.G., Zemcov V.A., Igumnov N.M. Equal efficiency window units in the parameters of thermal protection and light transmission. Vestnik otdelenija stroitel'nyh nauk. RAASN. Belgorod. 2008. No. 12, pp. 342-349. (In Russian).
6. Zemcov V.A., Gagarina E.V. Calculation-experimental method for the determination of total light transmittance of the window block. Academia. Arhitektura i stroitelstvo. 2010. No. 3, pp. 472-476. (In Russian).
7. Zakirullin R.S. Selective control of the light transmission glass and glazing construction. Vestnik OGU. 2011. № 6 (125), pp. 172-180. (In Russian).
8. Halikova F.R., Kuprijanov V.N. Experimental studies of the penetration of UV radiation through glass window. Vestnik MGSU. 2011. No. 3. Vol. 2, pp. 30-35. (In Russian).
9. Solov'ev A.K. Fizika sredy [Physics of environment] Moscow: ASV. 2008. 344 p.
10. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Requirements for thermal protection and energy efficiency in the draft of the updated SNiP «Thermal Protection of Buildings». Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011. No. 8, pp. 2-6. (In Russian).
62
6'2015
