CC BY
441
УДК 697.94.001.24
В. П. Гаврилкин, А. Г. Гаврилкина Астраханский государственный технический университет
РАСЧЕТ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОКОН
Световые конструкции (окна) состоят из светопрозрачного материала и обрамляющих его элементов. При этом характер теплообмена принципиально различен для остекления и элементов коробки и переплетов.
Вопросы теплообмена в тонкостенных профилях, из которых собираются все современные окна, за исключением деревянных, на сегодняшний день являются наименее освещенными в доступной для отечественных проектировщиков специальной литературе.
Сегодня мы можем достаточно обоснованно утверждать только то, что однокамерный ПВХ-профиль холоднее двухкамерного, двухкамерный, в свою очередь, холоднее трехкамерного и т. д. Иными словами, констатировать тот очевидный факт, что увеличение числа воздушных прослоек в конструкции профиля приводит к увеличению его термического сопротивления.
Данная работа решает вопросы определения приведенного термического сопротивления и вероятности образования конденсата на оконной конструкции.
Тепловые характеристики профилей различных систем, а также коэффициенты теплопроводности материалов, из которых они изготовлены, приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Термическое сопротивление оконных профилей различной конструкции
Система Т ермическое сопротивление пакета профилей Коэффициент теплопередачи пакета профилей
Я, м2 °С/Вт К, Вт/(м2°С)
ПВХ — пакет профилей (коробка + створка), включая армирование
2-камерная 0,52 1,9
3-камерная 0,59 1,7
4-камерная 0,71 1,4
Алюминий
«Теплый» профиль с термовставкой 0,40 2,3
Дерево — сосна (1= 0,18 Вт/(м*°С))
Толщина коробки d = 80 мм 0,44 2,3
Толщина коробки d = 120 мм 0,67 1,5
Дерево - дуб (1 = 0,23 Вт/(м*°С))
Толщина коробки d = 80 мм 0,35 2,9
Толщина коробки d = 120 мм 0,52 1,9
Таблица 2
Коэффициенты теплопроводности материалов оконных профилей
и усилителей
Материал Т еплопроводность, 1 Вт/(м-°С)
Дерево 0,15-0,25
ПВХ 0,25
Стеклопластик 0,30
Алюминий 170-195
Сталь 45-60
Нержавеющая сталь 10-20
Следует отметить, что несмотря на ощутимое влияние, которое оконные профили могут оказывать на температурный режим окна и на теплопотери через него, определяющая роль все же сохраняется непосредственно за остекленной частью.
Приведенное термическое сопротивление
Основной нормируемой величиной, отражающей теплозащитные качества светопрозрачной конструкции, является приведенное термическое сопротивление окна Лпр .
Рекомендуемые значения приведенного термического сопротивления окон для помещений гражданских зданий определяются в соответствии с нормативными документами [1, 2], и принимать их следует в соответствии с табл. 3.
Таблица 3
Рекомендуемые значения для помещений гражданских зданий
Здания и сооружения Г радусосутки отопительного периода, °С-сут Приведенное сопротивление теплопередаче окон и балконных дверей не менее , м2-°С/Вт
2 000 0,35
4 000 0,45
Жилые, лечебно-профилактические 6 000 0,60
и детские учреждения, школы, интернаты 8 000 0,70
10 000 0,75
12 000 0,80
2 000 0,30
Общественные, кроме указанных выше, 4 000 0,40
административные и бытовые, за исклю- 6 000 0,50
чением помещений с влажным или мок- 8 000 0,60
рым режимом 10 000 0,70
12 000 0,80
В соответствии с [1], базовой расчетной величиной для определения сопротивления теплопередаче является показатель «градусосутки отопительного периода» - ГСОП , определяемый по формуле
123,5
<r-
■1200
Fa
ю
со
2
123,5
0
о
00
ГСОП = (tB - t0T) • Zо
(1)
где - температура внутреннего воздуха помещения;
tот и Хт - средняя температура наружного воздуха и продолжительность отопительного периода (периода со средней суточной температурой наружного воздуха ниже или равной 8 °С по [2]).
Приведенное термическое сопротивление реальной конструкции
определяется по формуле
Пос • F + ппер • F
Ппр — ос^ v0 ''пер
0 К„ +
(2)
Рис. 1. К расчету приведенного термического сопротивления окна
где ^ос и ^пер - площади остекления
и непрозрачной
части
(рамы и переплета), м2;
пос - сопротивление теплопередаче остекления, м2-°С/ Вт;
П0пер - сопротивление теплопередаче непрозрачной части (рамы и переплета), м2-°С/Вт.
Пример определения приведенного термического сопротивления окна
Характеристики окна:
Габаритные размеры - 1,2 x 1,8 м (рис. 1).
Профиль - Veka Softline AD - трехкамерный.
Стеклопакет - двухкамерный F4-12-F4-12-F4.
Район строительства - г. Астрахань.
1. Термическое сопротивление пакета профилей П0'ер = 0,59 м2-°С/Вт (табл. 1).
2. Ширина пакета профилей (коробка + створка) - 5 = 123,5 мм.
3. Площадь непрозрачной части: ^пер = (0,1235-1,8) -2 + (0,1235 X
X ((1,2-0,1235) -2)) = 0,442 + 0,265 = 0,71 м2.
4. Термическое сопротивление стеклопакета - П0с = 0,53 м2-°С/ Вт (табл. 4).
Таблица 4
Термическое сопротивление и коэффициент светопропускания стеклопакетов различной конструкции
Конструкция К=1/Я Я Видимая часть спектра ИК* солнечное излучение
г г ау - пропускание „ — отражение — поглощение г г а — пропускание е — отражение — поглощение
Вт/(м2°С) м2°С/Вт г V г V а г е Г е а е
Р4- 12-Р4 2,86 0,35 0,80 0,14 0,06 0,68 0,12 0,21
Р4- 16-Р4 2,74 0,36 0,80 0,14 0,06 0,68 0,12 0,21
Р4- 12Лг-Р4 2,68 0,37 0,80 0,14 0,06 0,68 0,12 0,21
Р4- 12Кг-Р4 2,56 0,39 0,80 0,14 0,06 0,68 0,12 0,21
Р4- 16-К4 1,74 0,58 0,75 0,17 0,08 0,60 0,14 0,26
Р4- Лг16-К4 1,51 0,66 0,75 0,17 0,08 0,60 0,14 0,26
К4- -16-К4 1,54 0,65 0,71 0,19 0,10 0,54 0,15 0,31
К4—Аг16-К4 1,29 0,78 0,71 0,19 0,10 0,54 0,15 0,31
К4 -Кг16-К4 1,19 0,84 0,71 0,19 0,10 0,54 0,15 0,31
К4 -8Р16-К4 2,28 0,44 0,71 0,19 0,10 0,54 0,15 0,31
Р4- 10-Р4-10-Р4 1,99 0,50 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- 12-Р4-12-Р4 1,90 0,53 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- 16-Р4-16-Р4 1,78 0,56 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- 4 ь 1 О 3 4 ь 1 О 3 1,81 0,55 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- 4 ь і ЧО 3 4 ь 1 40 3 1,66 0,60 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- 4 ь і ся 3 4 Ь 1 СЯ 3 1,59 0,63 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- -8Р12-Р4-8Р12-Р4 1,97 0,51 0,72 0,20 0,09 0,56 0,15 0,29
Р4- -10—Р1—10—Р4 1,44 0,70 0,60 0,21 0,19 0,43 0,16 0,40
Р4- ЛгІО-Р 1 —Лг 10-Р 4 1,20 0,83 0,60 0,21 0,19 0,43 0,16 0,40
ИК - инфракрасное.
5. Площадь остекления ^ос = (1,8 х1,2) - 0,71 = 1,45 м2.
6. Для г. Астрахань в соответствии с [2]: - продолжительность отопительного периода = 167 сут; средняя температура наружного воздуха отопительного периода tот = - 1,2 °С; тогда по формуле (1) ГСОП = = (20 + 1,2) 167 = 3 540.
7. Интерполяцией по табл. 3 находим рекомендуемое значение
Я0пр = 0,43 м2-°С/Вт.
Подставляя значения в формулу (2), получаем приведенное термическое сопротивление окна реальной конструкции:
= 0,53 -1,45 + 0,59 •0,71 = 0,55 м2.°с/ Вт.
1,45 + 0,71
О
8. Вывод. Сравнивая рекомендуемое значение Я^0 и приведенное термическое сопротивление окна реальной конструкции, можно сделать заключение, что окно заданной конструкции с запасом по термическому сопротивлению удовлетворяет нормативным требованиям.
Вероятность конденсации влаги на окнах
Помимо определения непосредственно термического сопротивления окон, регламентируемого соответствующими нормативными документами, необходимо прогнозировать температуру воздуха, при которой будет происходить запотевание окон и выпадение на них конденсата.
Парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе помещения ,Рпв, зависит от температуры внутреннего воздуха ¿в и его относительной влажности фв.
При низкой температуре наружного воздуха температура на внутренней поверхности остекления ¿в п, окажется существенно ниже температуры воздуха внутри помещения (в середине помещения на высоте 1,5 м от пола), а относительная влажность фв п > фв. В этом случае парциальное давления водяного пара, соответствующее температуре ¿в п, может быть ниже, чем парциальное давление водяных паров в объеме помещения, что приведет к выпадению «лишнего» водяного пара на холодной внутренней поверхности остекления в виде конденсата или изморози.
Приведенные выше рассуждения отражают характер физических процессов, имеющих место в остеклении, однако расчеты и анализ ситуации по этой методике неудобны для применения в практических задачах.
В большинстве случаев при установке стеклопакетов с заведомо заниженным термическим сопротивлением (с целью сокращения единовременных затрат на окна) возникает проблема прогнозирования тех периодов на протяжении холодного сезона, когда внутри помещения будет выпадать конденсат.
Для приближенной оценки в задачах такого рода может быть использована диаграмма, приведенная на рис. 2.
Пример определения вероятности конденсации влаги на внутренней поверхности окна
Определить температуру наружного воздуха, при которой на окнах будет конденсироваться влага, В помещении поддерживаются следующие параметры внутреннего микроклимата: ¿в = 20 °С, фв = 60 %.
В помещении установлен однокамерный стеклопакет Р4-12-Б4 (табл. 4) с коэффициентом теплопередачи К = 2,86 Вт/(м2-°С) (или термическим сопротивлением Я = 1/К = 1/2,86 = 0,35 м2-°С/Вт).
На верхней диаграмме линию «относительная влажность воздуха» 60 % проводят горизонтально до пересечения с кривой К = 2,86. От этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с горизонтальной линией «температура помещения 20 °С» на нижней диаграмме (рис. 2).
100
а
X
Е?
СО
о
и
нР
н
с
о
н
*
а
ч
и
3
н
нР
4
е
н
и
с
о
н
н
О
60
40
20
и
и
и
н
е
В
е
2
о
К
и
а
X
ед
со
о
и
а
р
г
р
е
к
5!
е
н
40
30
20
10
-10
\ \ \ V |\ \ \! \ \
\ \ \ \ \ ч \ \ \
\ \ \ \ N. \ 1 \ \ \
\ \ К \ N \ ч \
\ \ К \ \ К- \ N \ч N
\ \ N. \\ N. \ \ \ Ч \
\ \ Л \ N. ч
ч \ \ \ \
\ N. \ \ \
\ ч \ \
40
30 о
20
10
а
р
а
р
е
к
2
е
н
н
*
ра
я
-10
-40
-30
-20
-10
Наружная температура, °С Рис. 2. Диаграммы для определения точки росы
После этого проводят линию, эквидистантно кривым направо вниз до пересечения с осью «наружная температура».
Получаем, что выпадение конденсата на внутренней поверхности остекления происходит при температуре наружного воздуха 0 °С и ниже.
Учитывая, что в г. Астрахани продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха < 0 °С составляет 106 сут [2], можно сделать вывод о недопустимости установки предлагаемого стеклопакета. Для полного исключения конденсации водяных паров на окнах необходимо принять по [2] температуру воздуха наиболее холодной пятидневки -24 °С
0
0
0
и по рис. 2 определить показатели окна: коэффициент теплопередачи К = (1,2 Вт/(м2-°С) или термическое сопротивление R = 0,83 м2-°С/Вт. Такие характеристики имеют стеклопакеты K4-Kr16-K4 и F4-ArlO-P1-Ar10-F4. Окончательное решение остается за заказчиком.
Предлагаемая авторами методика позволяет достаточно быстро рассчитать приведенное термическое сопротивление, а по диаграмме определить предельную температуру зимнего периода, при которой начнется конденсация и инееобразование на оконных конструкциях.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. - М.: ГУП ЦПП, 1998.
2. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. - М.: Минстрой России, 2000.
DESIGNING OF HEAT-INSULATED WINDOW PARAMETERS
V. P. Gavrilkin, A. G. Gavrilkina
Special literature didn' t sufficiently study and cover heat exchange process in modern thin-walled sections from which window constructions are assembled. Nevertheless this problem is rather significant for local designers to choose the necessary construction of a window, suitable for climatic features of construction area.
Proper chosen construction with suitable thermal resistance gives rise to reduce the probability of condensate appearance on windows. Permits to determine the values of thermal resistance of chosen window construction on the basis of presented thermal characteristics for sections of various systems. Recommended values of given window thermal resistance for civic building rooms R0 and an example of real presented thermal resistance are given in this paper.
