Роль светопрозрачных конструкций в энергосбережении зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

строительная теплофизика и энергосбережение

Роль светопрозрачных конструкций в энергосбережении зданий

С.М. Гликин

ЦНИИпромздания

Через окна, доля площади которых на фасадах жилых здании составляет в среднем 20%, тратится значительное количество тепла, достигающее в общем балансе затрат на отопление здания 30-40, а в ряде случаев и 50%.

Они являются одним из основных элементов наружных ограждающих конструкций, которые оказывают существенное влияние на параметры микроклимата помещения. Совместное воздействие низкой температуры и большой скорости ветра в зимний период, высокой температуры и солнечной радиации летом на окна может привести к чрезмерному переохлаждению или перегреву самих конструкций и помещений.

К сожалению, эти обстоятельства во многих случаях не учитываются при архитектурном решении фасадов, в которых огромные площади заняты све-топрозрачными ограждениями.

Простейший анализ теплопоступлений в здание на конкретном примере решения двух продольных фасадов здания общей площадью Р = 3855 м2 с площадью окон Рок = 964 м2, что составляет 25% от площади стены и отвечает требованию СНиП 23-022003 для общественных зданий, свидетельствует о существенном влиянии их на энергоэкономичность здания.

Известно, что наибольший эффект в экономии энергии при эксплуатации зданий в отопительный период достигается в случае ориентации фасада на юг.

Теплопоступления от солнечной радиации в течение отопительного периода можно определить по формуле:

О, = тр • Кр (V, + А^),

(1)

где: хр — коэффициент, учитывающий затенение светового проема непрозрачными элементами, принимаемый по таблице В.1 СП-23-101-2000; Кр — коэффициент относительного проникания солнечной радиации через окна, по табл. В.1; А , Ар2 — площади окон, ориентированных на юг и север; / , Iр2 — средние за рассматриваемый период величины солнечной радиации на вертикальные поверхности, принимаемые по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Теплопоступления в здание через окна составят:

а) в отопительный период:

О°тп'5 = 0,65-0,83-2512-482 = 653218 МДЖ;

б) в летний период

= 0,65-0,83 (2701-482 + 854-482) = 924438

мдж/

Таким образом, теплопоступления в летний период на 40% больше, чем в зимний. При этом надо иметь в виду, что стоимость холода, как минимум, в 4 раза выше стоимости тепла.

Изложенное выше следует учитывать при проектировании фасадов зданий с учетом требований по энергосбережению.

В настоящее время все большее распространение в практике строительства получают современные конструкции окон повышенной герметичности с переплетами из стеклопластика и поливинилхлорида.

Воздухопроницаемость такого окна очень мала, в связи с чем приток свежего воздуха в помещение практически прекращается, нарушая работу вытяжной вентиляционной системы, что обуславливает нарушение воздухообмена в помещении с увеличением относительной влажности воздуха, выпадением конденсата на поверхности остекления в зимний период, образованием плесени и грибков на стенах.

В летний период из-за выравнивания температуры наружного и внутреннего воздуха существенно уменьшается тяга в вентиляционных каналах. При открытых окнах воздухообмен незначителен, нормализовать его может только механическая вытяжная система вентиляции. В зимний же период открывание створок вызывает сквозняки и резкое снижение температуры в помещении.

В профилактике проблем конденсата и создания комфортного микроклимата в помещениях чрезвычайно велика роль воздухообмена. Для создания нормального микроклимата в помещениях жилых зданий должен быть обеспечен воздухообмен не менее 140 м3/час на квартиру или не менее 3 м3/час на один м2 жилой площади.

Согласно СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» система естественной вытяжной вентиляции должна при открытых окнах, температуре наружного воздуха +5оС и безветрии обеспечивать расход приточного воздуха, необходимого для обеспечения санитарно-гигиенических норм микроклимата, либо взрывопожарной безопасности, но не менее 30 м3/час на человека или 3 м3/час на один м2 жилой площади. В реальных условиях фактический воздухообмен зависит от ряда причин, к числу которых относится степень свободы притока воздуха, температура наружного воздуха, высота этажа, расположение окон по стенам и относительно направления ветра в данный момент.

Окна способны влиять на реальный воздухообмен только в меру воздухопроницаемости.

Результаты исследований воздухообмена в домах с окнами со стеклопластиковыми переплетами [1] свидетельствует о том, что при закрытых створках они гарантировано не обеспечивают норматив-

строительная теплофизика и энергосбережение

ные требования. Приточные устройства в таких окнах обеспечивают некоторую промежуточную воздухопроницаемость, которая при одних условиях отвечает требованиям норм воздухообмена, а при изменившихся возникает либо недобор, либо превышение. Последнее не менее нежелательно, чем недобор, из условий энергосбережения в связи с повышенным расходом тепла. Регулируемые приточные устройства также не гарантируют обеспечение нормируемого воздухообмена, так как с ручным управлением они регулируются по субъективным ощущениям пользователя, а с автоматическим регулированием только по одному из следующих критериев: влажности, температуре или силе ветра. Несмотря на это, применение приточных устройств в конструкциях окон повышенной герметичности в наших климатических условиях необходимо, особенно при температурах от — 10°С и ниже, в связи с тем, что в данном случае достаточный воздухообмен является главным фактором возможности исключения выпадения конденсата.

Учитывая модную в последнее время тенденцию в архитектурном решении фасадов зданий с огромной площадью остекления, теплотехнический расчет светопрозрачных ограждений с учетом требований энергосбережения является актуальной задачей.

Расчет теплозащиты ограждающих конструкций зданий гражданского назначения в зимний период в соответствии с действующими нормами производится при значении коэффициента теплоотдачи, принятого для наружной поверхности кирпичных стен ан = 23 Вт/(м2оС) и при скорости ветра в пределах 5 м/с.

Принимая во внимание [2], что для определенных регионов России расчетная скорость ветра в зимний период превышает 10 м/с, значение этого коэффициента следует корректировать при проектировании светопрочных конструкций и определении их оптимальной площади из условий энергосбережения.

Для практических расчетов величину коэффициента теплоотдачи «а» можно принимать по графику (рис.1). Откуда следует, что при изменении скорости ветра от 0 до 15 м/с значение коэффициента теплоотдачи возрастает от 6,99 до 46,58 Вт/м2оС. Возрастание скорости ветра вызывает существенное изменение температурных полей в конструкции окна.

Расчеты показывают, что, например, для условий Москвы указанное выше изменение скорости ветра обуславливает снижение температуры внутренней поверхности остекления в зоне сопряжения с переплетом с 3,8 до —2оС и, как видно, не всегда отвечает требованию СНиП 23-02-2003 «Тепловая

5 10 15

Скорость ветра, м/с

Рисунок 1. График зависимости коэффициента теплоотдачи наружной поверхности кирпичной стены от скорости ветра.

защита зданий» по обеспечению температуры внутренней поверхности остекления окон не ниже +3оС.

При проектировании окон количество слоев остекления должно приниматься по допустимому значению сопротивления теплопередаче, определяемого из условия теплового комфорта в помещении по санитарно-гигиеническим условиям, но во всех случаях не менее нормированного значения.

Необходимое сопротивление теплопередаче окна определяется с учетом положительного значения допустимой температуры на внутренней поверхности окна тв доп и вычисляется по формуле

£ доп =

* - *

_в_н

а (* - * )

в в в.доп

(2)

Допускаемая температура на внутренней поверхности окна может быть определена по формуле:

3,5

т = 14--—

в.доп ф

т ч-ок

(3)

где фч ок — коэффициент облученности с поверхности тела человека на поверхность окна, определяемый по формуле:

фч-ок =

ч-ок

1

С

2п

- +

С

/1+В2-С2 /1+В2

X

X агсз1п -

В

(4)

л/1+В2+С2 '

где В = Ь/! — отношение ширины окна к расстоянию до места расположения человека; С = №/! — отношение высоты окна к расстоянию до места расположения человека.

В практических расчетах при расстоянии от человека до окна 1 м, что соответствует границе обслуживаемой зоны помещения, можно использовать упрощенную формулу:

о

строительная теплофизика и энергосбережение

ф =

т ч-ок

0,8 Р

(5)

где Рст — площадь стены, приходящаяся на одно окно.

Представленные в СП 23-101-2000 «Проектирование тепловой защиты здания» значения приведенных сопротивлений теплопередаче окон с различными типами стеклопакетов в деревянных, алюминиевых и ПВХ - переплетах являются усредненными, так как во-первых они даны для случаев когда отношение площади остекления к площади заполнения светового проема равно 0,75, во-вторых на величину приведенного сопротивления оконного блока существенное влияние оказывает тип дистанционной рамки стеклопакета, материал ее, а также глубина посадки стеклопакета в переплете.

Поэтому одной из актуальных задач в теплотехническом расчете окон является разработка практического метода расчета приведенного сопротивления теплопередаче оконного блока [3].

Сложность решения этой задачи заключается в теплотехнической неоднородности такой конструкции — в связи с теплопроводными включениями — (армирующие профили, дистанционные рамки и т.д.), а также пространственной формы, характеризующейся неравенством площадей внутренней и наружной поверхностей.

Принципиальная схема распределения тепловых потоков в краевой зоне оконного блока представлена на рис.2.

В общем виде суммарные теплопотери через оконный блок можно представить в виде

О = О + О

оп пер о<

+ДО

(6)

где О и О — соответственно потери тепла

пер ост

через переплеты и остекление; ДОкр — дополнительные потери тепла в краевых зонах на участках сопряжения переплетов со светопрозрачным заполнением.

Так как сопряжения остекления и переплетов оказывают взаимное влияние друг на друга, величину ДО можно представить в виде:

ДО =ДОпер + ДОост

кр кр кр

(7)

где ДОперкр и ДОосткр — соответственно дополнительные потери тепла в краевых зонах переплетов и остекления.

Тогда суммарные потери тепла могут быть вычислены по формуле

* — *

О__ =-^6—в

* — * - Р = -*■

Яп ер - Рпер + " Я

* — * * — *

" ■ Р + ^

"пер "ост

Стеклопакет

1

, Заглубление стеклопакета

п

'Чкр —и в переплете

»

ДО

Рисунок 2. Схема распределения тепловых потоков в краевой зоне оконного блока с одинарным переплетом.

где Япер и Яост — соответственно приведенное сопротивление теплопередаче переплета и центральной зоны стеклопакета. После преобразований:

Яок =

Р

Р Р

-пе-+ „ ост+ фЬ

Опер Яост т

(9)

где ф — линейный коэффициент теплопередачи краевой зоны; Ь — длина краевой зоны.

В общем случае величина ф может иметь следующий вид:

ДО

ф = -кр- . (10)

(*н — *в) Ь

Значения линейного коэффициента теплопередачи краевой зоны в зависимости от глубины посадки стеклопакета в переплете из ПВХ-профилей и коэффициента теплопроводности дистанционной рамки представлены в таблице 1.

Сопротивление теплопередаче переплета можно принять из соответствующих Технических условий или рассчитать, зная размеры сечения и коэффициенты теплопроводности составляющих материалов. Аналогично рассчитывается сопротивление теплопередаче средней зоны стеклопакета.

Пример расчета

Определить приведенное сопротивление оконного блока Яоприв из ПВХ-профилей со светопроз-рачным заполнением из двухкамерных стеклопаке-тов со стеклами толщиной 4 мм и воздушными про-

фЬ

(8)

о

о

о

ок

ок

строительная теплофизика и энергосбережение

Коэффициент теплопроводности материала дистанционной рамки Вт/м°С Линейный коэффициент теплопередачи краевой зоны ф, Вт/м°С

Двухкамерные стеклопакеты Однокамерные стеклопакеты

Заглубление стеклопакета в переплет, мм

0 5 10 0 5 10

200 0,060 0,050 0,042 0,050 0,040 0,030

100 0,056 0,048 0,041 0,048 0,039 0,029

50 0,054 0,046 0,038 0,046 0,037 0,028

10 0,046 0,040 0,034 0,038 0,032 0,026

1 0,038 0,034 0,030 0,034 0,029 0,024

0,16 0,030 0,027 0,025 0,026 0,023 0,021

Таблица. Значения линейного коэффициента теплопередачи краевой зоны.

слойками по 12 мм с дистанционной рамкой из алюминия при следующих параметрах:

— площадь окна Рок=1,75 м2;

— площадь остекления Рост=1,15 м2;

— площадь переплетов Рпер=0,6 м2;

— длина краевой зоны 1-=6,6 м и приведенным сопротивлением переплета Яопер=0,8 м2оС/Вт.

1. Приведенное сопротивление теплопередаче средней зоны стеклопакета:

35

т + R =0,115+2-0,13+

R ст.пак = R +2Rвп■ + ов

Т

+ 3-0,00 +0,04=0,57 4

оС/Вт.

2. По таблице 1 при глубине посадки стеклопа-кета в переплет, равном 5 мм, значение Т = 0,05.

3. Определяем приведенное сопротивление теплопередаче:

Р 1,75

R ок =

о

Р

RпеP

+

Р

R°

0,6

1,15

+ „ „ + 0,05-6,6

0,8 0,57

= 0,6 м2оС/Вт.

100 150 200 250 300 350 Скорость, км/ч

Рисунок 3. График зависимости давления от скорости ветра.

Немаловажным является вопрос оценки напряженно-деформированного состояния стекол в стек-лопакете, особенно в окнах высотных зданий.

Существенное воздействие на напряженно деформированное состояние остекления, в том числе стеклопакетов оказывает ветровое давление. Перепад давления пропорционален плотности газа и квадрату его скорости (рис.3). Следует особо отметить возможность изменения скорости ветра по высоте, что необходимо учитывать при проектировании остекления высотных зданий.

В качестве исходных данных следует воспользоваться данными ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры».

Список литературы

1. Китайцева Е.Х., Малявина Е.Г. «Естественная вен-

тиляция жилых зданий»//АВОК, №3, 1999 г.

2. Елдашов Ю.А., Сесюнин С.Г. «Влияние процесса

теплообмена у наружной поверхности стены на температуру внутренней поверхности оконного блока». / / Жилищное строительство, 8/2007.

3. Кривошеин А.Д., Харламов Д.А. «Об оценке приведенного сопротивления теплопередаче оконных и дверных балконных блоков на основе расчетных методов» // «Светопрозрачные конструкции», 4/2007.

м

пер

о