CC BY
18Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Расчет конструкций
УДК 697.1: 699.86
О.Д. САМАРИН, канд. техн. наук, П.В. ВИНСКИЙ, инженер (20petr00@mail.ru), Московский государственный строительный университет
Особенности теплопередачи в современном энергоэффективном остеклении
Рассмотрена специфика теплопередачи в современных энергоэффективных конструкциях оконных блоков. Показана связь между измеряемым сопротивлением теплопередаче светопрозрачных конструкций и текущей температурой наружного воздуха. Выявлены перспективы совершенствования оценки теплотехнических свойств заполнений светопроемов с целью более корректного вычисления годовых затрат теплоты на отопление здания и технико-экономического обоснования применения окон с повышенным уровнем теплозащиты.
Ключевые слова: теплопередача, конвекция, лучистый теплообмен, энергоэффективное остекление, оценка теплозащитных свойств остекления.
Сокращение запасов ископаемого органического топлива и его постоянное удорожание требует поддержания необходимой комфортности внутреннего микроклимата помещений при минимальных материальных и энергетических затратах. Особую актуальность данный вопрос приобретает в настоящее время в связи с принятием Закона РФ № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Однако снижение энергозатрат представляется прежде всего экономической категорией, поэтому в первую очередь необходимо рассматривать малозатратные и быстроокупаемые мероприятия, в том числе использование архитектурно-конструктивных и объемно-планировочных решений здания. Поскольку теплопотери через заполнения светопроемов занимают существенное место в общем тепловом балансе помещения и могут доходить до 40% от всех теплопотерь зданий, а замена остекления на более энергоэффективное по сравнению с модернизацией несветопрозрачных конструкций с технической точки зрения значительно проще, основное внимание следует уделять именно остеклению [1]. Особенно это перспективно с учетом активной роли остекления в энергообеспечении здания за счет теплопоступлений от солнечной радиации.
Теплопередача в оконных блоках характеризуется:
- теплопроводностью через оконный блок;
- конвективным теплообменом у наружной и внутренней поверхностей остекления и в межстекольном пространстве;
- лучистым теплообменом между слоями остекления, наружным и внутренним пространством.
Рассмотрим особенности влияния конвективного и лучистого теплообмена на теплопередачу в современном энергоэффективном остеклении. Этим вопросом ранее занимались М.А. Михеев, Мак Грегор, Р. Эмери, Д. Дропкин, Э.А. Сидоров, Г.З. Гершуни, Е.М. Жуковицкий и др.
Для расчета конвективного теплообмена в межстекольном пространстве оконных блоков с высотой h и толщиной б при А/8 <1 может применяться зависимость:
Ш = 0,1190г°'3. [2] (1)
Ог = ^
Число Грасгофа у2 характеризует соотноше-
ние подъемной силы, возникающей вследствие разности плотностей жидкости или газа, и сил молекулярного трения. Здесь g - ускорение свободного падения, м/с2; в - температурный коэффициент объемного расширения, К-1; ДГ - разность температуры, К; I - линейный размер, м; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
N - —
Число Нуссельта "и д есть мера отношения теплового потока, передаваемого конвекцией в направлении, перпендикулярном стенке, к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через пограничный слой. Здесь а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); Л - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К). Зная величину Ш, мож-
А г Х
но вычислить а как Ыи —.
I
82 к 5,
тепловой поток
Рис. 1. Схема теплопередачи в оконном блоке
конвекция Т, Т2
теплопроводность
Расчет конструкций
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
0,85 0,8 0,75 0,7 0,65
0,6 0,4
♦ ♦ ♦ ♦ ч ♦ ♦
♦ ♦< ♦ ♦
* * ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
0,45 0,5
0,55 0,6 0,65 Яок, м2К/Вт
0,7 0,75 0,8
0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 н? 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4
♦ ♦ * ♦ ♦ ♦
» ♦ * ♦
0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 Яок, м?К/Вт
0,7 0,75
0,8
Рис. 2. Корреляционная зависимость коэффициента пропускания све- Рис. 3. Корреляционная зависимость коэффициента общего пропус-та в видимой части спектра т от сопротивления теплопередаче R кания солнечной энергии т от сопротивления теплопередаче R
1 V 1 1 ок 1 е £ 1 ок
Для турбулентного режима течения в вертикальном ограниченном пространстве при условии, что на одной стороне q0 = const, а на другой - t0= const, 106 <Ra< 10я, 1<Рг< 20, l<h/b<40 применяется уравнение: Nu = 0,064Ra°'33.
Число Рэлея Ra = GrPr характеризует отношение потока теплоты в жидкости или газе за счет подъемной силы, возникающей вследствие неравномерности поля температуры у поверхности тела, к потоку за счет теплопроводности среды.
Число Прандтля Рг = —, где a - коэффициент темпера-а
туропроводности среды, м2/с, является ее комплексным теп-
лофизическим параметром.
Естественная тепловая конвекция в замкнутом межстекольном пространстве при различных потоках теплоты q0 и температурах поверхностей t,, t2 существенно зависит от отношения h/б.
Для расчета конвективного теплообмена в межстекольном пространстве оконных блоков с высотой h и толщиной б при А/б>1 для турбулентного режима зависимость выражается:
Nuh=0,05[f(Pr)Rah]0-33.
(2)
Относительно границы перехода от ламинарного режима к турбулентному не существует единого мнения. По данным различных авторов, эта величина изменяется в большом диапазоне.
Для энергоэффективного остекления с применением селективных покрытий и заполнения воздушной прослойки инертными газами целесообразно использовать кондуктивно-конвективное число Нуссельта №итк, которое учитывает перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией [3].
В пределах Яа = 7,2103 — 5105 число Нуссельта в газовой прослойке двойного остекления описывается уравнением:
NumK = 0,243Ra (h/b)
I -0,24
(3)
Для Ra = 5.105 — 1,6.107 можно записать соотношение: NumK = 0,42Ra°-226(h/S f'2\
Разграничение областей приходится на число Рэлея, приблизительно равное 5105, что отвечает толщине прослойки около 40 мм. Иначе говоря, первая область характеризуется одноячейковым течением газа в прослойке, а вторая область - многоячейковым течением.
Для кондуктивно-конвективного числа Нуссельта внутренней прослойки тройного остекления используется уравнение:
Штк = О^Ьп0263^0-24. (5)
Для наружной прослойки тройного остекления уравнение записывается следующим образом:
NumK = 0,319Ra0,25( А/5 )'°'24.
(6)
Помимо конвективного между плоской поверхностью остекления и окружающими ее телами происходит также лучистый теплообмен, и на поверхность остекления от окружающих тел падает лучистый тепловой поток. Часть потока падающего излучения поглощается остеклением, другая часть отражается от поверхности остекления и вместе с потоком собственного излучения остекления направляется к окружающим ее поверхностям тел.
Количество теплоты, передаваемое излучением с поверхности F1 на поверхность F2, равно:
<21-2 = ^1-2^1-2^11 (Т]/100)4 - (Т2/100)4], Вт, (7)
где е
пр1-2
приведенная степень черноты системы, кото-
рая зависит от степени черноты поверхностей тел г1 и е2; с0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м2-К4); Т1 и Т2 - абсолютные температуры поверхностей, К; ф1-2 - коэффициент, показывающий, какая часть излучения черной поверхности F1 попадает на поверхность F2. Иначе он называется угловым коэффициентом или коэффициентом облученности и является геометрической характеристикой при лучистом теплообмене между телами.
При лучистом теплообмене в межстекольном пространстве величина теплового потока падающего излучения между двумя телами равна:
<21-2 = = ^^¡[(Т^ЮО)4 -(Т2/100)4], Вт,
где приведенная степень черноты £щ, =1/(1/+1/£2 -1). Коэффициент теплоотдачи излучением равен:
(8)
(4) аж =^c0[((i, + 273)/100)4 -((i2 + 273)/100)4]/(t1 -t2), Вт/(м2-К). (9)
Здесь ^ и 12 - температура поверхностей, оС.
Коэффициент лучистой теплоотдачи уменьшается с понижением абсолютных значений температуры, а коэффициент конвективной теплоотдачи растет с увеличением разности температур. Поэтому в многослойных
12
102013
Научно-технический и производственный журнал
Расчет конструкций
Газ, заполняющий межстекольное ространство Ккон, Вт/(м2К), при толщине воздушной прослойки, мм:
6 9 12 15
Воздух 2,4 1,98 1,7 1,64
SF6 2,02 1,96 1,93 1,89
Ar 1,99 1,61 1,41 1,37
Kr 1,39 1,17 1,15 1,13
светопрозрачных конструкциях теплозащитные качества воздушной полости, расположенной со стороны наружного воздуха, выше, чем в прослойке со стороны внутреннего воздуха [4].
Для уменьшения теплопотерь надо стремиться к уменьшению конвективной и лучистой составляющих теплопередачи. Основными путями повышения приведенного сопротивления теплопередаче оконного блока является применение многокамерного стеклопакета, наличие низкоэмиссионного покрытия на стекле, заполнение камер стек-лопакета инертными газами, увеличение ширины оконной коробки и др.
В настоящее время применяют два основных типа покрытия: мягкого на основе металла или оксида металла (серебра - Ад) и твердого на основе оксида олова SnO2 [5]. Стекла с мягкими и твердыми покрытиями называются соответственно ¿- и К-стеклами.
Данные покрытия могут повысить теплозащитные свойства стеклопакетов до 70% за счет снижения излучатель-ной способности. Примером может служить стеклопакет с двумя ¿-стеклами и заполненный осушенным воздухом СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм), сопротивление теплопередаче которого Яок составляет 0,96 м2 К/Вт [6].
Но такое остекление, как правило, имеет пониженное светопропускание, в связи с чем могут возникнуть трудности с выполнением требований к необходимой естественной освещенности в помещениях, выражаемые нормируемым значением коэффициента естественной освещенности (КЕО). Это хорошо заметно по зависимостям, построенным по данным [5] и представленным на рис. 2 и 3.
В соответствии с рис. 3, корреляционную зависимость наиболее важной для расчета суммарного энергопотребления здания величины те от Иок можно записать в виде т = 1 - 0,6Я . Для снижения конвективного теплообме-
е ' ок
на межстекольное пространство заполняют различными инертными газами (аргон, криптон, ксенон), которые имеют другие теплофизические свойства по сравнению с воздухом (таблица).
Так, замещение осушенного воздуха на криптоновую смесь в СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с обычными стеклами позволяет повысить его сопротивление теплопередаче с 0,54 до 0,65 м2.К/Вт - более чем на 20% [6].
Применение теплоотражающего покрытия эффективно одновременно с применением заполнения межстекольного пространства инертными газами. В этом случае сопротивление газовой прослойки теплопередаче повышается на величину до 30%.
В то же время обоснование применения заполнений светопроемов с высокими теплозащитными качествами требует адекватной оценки этих качеств, что значительно затрудняется несовершенством и противоречивостью нормативно-методической базы в данной области [7], а также несовпадением отечественных и зарубежных требова-
ний к методике теплотехнических испытаний окон. Кроме того, определение R0K по ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче» осуществляются при расчетной температуре наружного воздуха tH, равной температуре наиболее холодной пятидневки, но не выше -20оС, а оценка энергопотребления и энергоэффективности по СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», в том числе по его актуализированной редакции СП 13.13330.2012, - при средней температуре за отопительный период, вследствие чего возникает большая погрешность в расчетах теплозатрат. Как показали результаты многочисленных лабораторных испытаний, сопротивление теплопередаче полноразмерного элемента фасадной конструкции при температуре наружного воздуха, соответствующего температуре наиболее холодной пятидневки для Москвы tH = -28°C, и при температуре наружного воздуха tH = -10°С, соответствующей средней температуре января-февраля (СНиП 23-01-99* «Строительная климатология»), отличаются на 12-18% [8]. А в сравнении со средней температурой за отопительный период расхождения могут достигать уже 20-25%, что ведет к значительным погрешностям вычислений.
Таким образом, для совершенствования оценки теплотехнических свойств заполнений светопроемов необходимо предложение принципов и условий теплотехнических испытаний, учитывающих специфику климатических условий РФ и гармонизированных с европейскими стандартами, а также предложение расчетных зависимостей R^ от tn, пригодных для оценки энергопотребления здания за отопительный период.
Список литературы
1. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. М.: АСВ. 2011. 296 с.
2. Акельев В.Д. Тепло- и массообмен в ограниченных пространствах строительных конструкций и сооружений / Под общ. ред. А.П. Несенчука Минск: БНТУ, 2010. 317 с.
3. Корепанов Е.В. Конвективный теплообмен в газовых прослойках окон с двойным и тройным остеклением // Материалы III Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». М.: МГСУ, 2009. С. 107-110.
4. Савин В.К. Строительная физика. Энергоперенос. Энергоэффективность. Энергосбережение. М.: Лазурь, 2005. 432 с.
5. Борискина И.В., Плотников А.А., Захаров А.В.. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий. СПб.: Выбор, 2008. 360 с.
6. Ким Л.М., Магай А.А., Черненко Е.Н. Повышение тепло-физических качеств светопрозрачных конструкций // Окна. Двери. Фасады. 2011. № 2 (41). С. 70-75.
7. Куренкова А.Ю., Миков В.Л. О влиянии терминологии на теплотехнические показатели окон // Материалы II Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». М.: МГСУ, 2007. С. 58-62.
8. Верховский А.А., Нанасов И.И., Елизарова Е.В., Галь-цев Д.И., Щередин В.В. Новый подход к оценке энергоэффективности светопрозрачных конструкций // Свето-прозрачные конструкции. 2012. № 1 (81). С. 10-15.
