Теплообмен в светопрозрачных конструкциях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 669.86: 536.21

ТЕПЛООБМЕН В СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

© 2009 г. В.В. Иванов*, Л.В. Карасева**, А.Н. Бутенко*, С.А. Тихомиров*

*Ростовский государственный строительный университет *Rostovskiy State Building University

**Южный федеральный университет **Southern Federal University

Проведено исследование стационарного теплопереноса в оконных ограждающих конструкциях. В результате эксперимента получены значения температур в характерных точках и плотностей тепловых потоков. Предложена расчетная схема с использованием ЭВМ для математического моделирования процессов теплообмена. Теоретические решения находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Ключевые слова: температура, теплообмен, светопрозрачные конструкции, сопротивление теплопередаче, тепловой поток.

The subject matter of our research is stationary heat-transfer in light-transparent constructions. The experiment resulted in obtaining the temperature values in characteristic points and values of resistance to heat transmission. Suggested is the computer calculating scheme for mathematical simulation of heat transmission, the theoretical solutions being in agreement with the experimental data.

Keywords: temperature, heat-transfer, light-transparent construction, heat-transfer resistance, heat transfer rate.

В последние годы в России значительно ужесточились требования к теплозащитным качествам свегопрозрачных конструкций зданий и сооружений. Однако теплопотери через окна продолжают составлять значительную часть в сумме общих теплопотерь через ограждающие конструкции зданий.

Нормативные документы [1, 2] предлагают принимать приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций на основании сертификационных испытаний или на основании справочного приложения [2] в зависимости от конструктивных особенностей. Передача тепла через окна имеет сложный характер и осуществляется одновременно теплопроводностью, излучением и конвекцией. Для получения зависимостей, наиболее полно отражающих распределение температур и тепловых потоков в све-топрозрачных конструкциях, необходимо выявить количественные связи процесса передачи тепла, рассмотреть каждую составляющую в отдельности и установить их влияние друг на друга.

Экспериментальное исследование производилось согласно требованиям стандарта [3] в климатической камере, имеющей «теплое» и «холодное» отделения, разделенные перегородкой с испытываемым образцом, позволяющей создавать заданный температурный перепад. Сущность эксперимента заключается в создании постоянного во времени перепада температур по обеим сторонам перегородки, измерении температур воздуха и поверхностей, а также теплового потока. Определение температуры на поверхностях исследуемой конструкции производилось с помощью пятнадцати термоэлектрических преобразователей типа ХК. Для нахождения плотности тепловых потоков использовалось пятнадцать тепломеров, установленных в центрах однородных температурных зон на внутренней поверхности оконного блока. За расчетные значения температуры для каждой однородной зоны принимались среднеарифметические значения измеренных величин. Исследуемая конструкция представляла собой однокамерный стеклопакет площадью 1 м2, с толщиной стекол 4 мм и толщиной воздушной прослойки 16 мм. Во время проведения испытания в «теплом» отделении

климатической камеры была установлена температура ^ = 21 °С, в холодном температура составляла 4 =

= -20,6 °С.

Расчет теплообмена осуществляется на основе усовершенствованной методики, особенностью которой является одновременное использование численных расчетных схем для нахождения тепловых потерь и некоторых формул, приведенных в [4-6].

Метод дает возможность учитывать условия теплоотдачи от поверхности оконной конструкции, а также передачу тепла излучением через стекло.

Расчетная схема исследуемого образца приведена на рис. 1.

Сопротивление теплопередаче оконного блока Ro складывается из следующих величин:

R0 = Яв + Я + Явп + R2 + Rн,

где Rв = —, Rн = -1 - сопротивления теплоотдачи

ав ан

у внутренней и наружной поверхностей остекления; Rвп - термическое сопротивление воздушной прослойки; R1 и R2 - термические сопротивления стекол.

Температуры на поверхности стекол находились из приведенных ниже уравнений:

t -1 т„ = К Я ;

ti = и -

Ro

t.-и

Ro

t2 = t, - tB-tH

2 B Ro t -t = tB --

R

(R, + Ri);

( r, + Ri + R,.n);

4 R, + Ri + R,.n + R 2).

В качестве первого приближения для расчета температурных полей принимались постоянные значения коэффициентов теплоотдачи и термического сопротивления воздушной прослойки по данным [1, 2]. По полученным в первом приближении температурам и тепловым потокам определялись затем уточненные значения коэффициентов теплоотдачи и термические сопротивления стекол с учетом излучения. Расчет

повторялся до тех пор, пока расхождение между приближениями не достигало 1-2 %.

-/-

71

R1

S1

V1-

slJL

Рис. 1. Расчетная схема

т°С

/ ~ —- —

/ 1

1

1

/ / .

___

----Эксперимент

_- Расчет

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,б 0,7 0,8

Я, м

mk

v z

сто - постоянная Стефана-Больцмана; 5 - толщина стекла; п - показатель преломления, для оконного стекла п = 1,5; т - оптико-геометрический параметр; k - коэффициент поглощения, выбираемый по данным [5].

Сопоставление температур теплой поверхности остекления и тепловых потоков, приведенные соответственно на рис 2, 3, показывает удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

д, Вт 170

1б0 150 140 130 120 110 100

1 1 1 1 Эксперимент -Расчет

1 \

1 I \ /

I \ / V i—

•4 \

У \

Рис. 2. Распределение температуры внутренней поверхности остекления

Для нахождения коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности остекления использовалась зави-

( РГс ^°,25

симость [6] №х = 0,6° (Rax )0, I I . Термические

сопротивления стекол с учетом коэффициента лучистой теплопроводности определялись по формуле [5]:

Я = 5

Я 1,2= Т-

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Н, м

Рис. 3. Распределение плотности тепловых потоков в светопрозрачной конструкции

Полученные результаты свидетельствуют о правильности предложенного комбинированного расчетного метода и возможности его применения в инженерных расчетах систем остекления.

Литература

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий и сооружений. М., 2004.

2. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М., 2004.

3. ГОСТ 26602.1-99. Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче.

4. Дроздов В.А., Савин В.К., Александров Ю.П. Теплообмен

в светопрозрачных ограждающих конструкциях. М., 1979.

5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофи-зические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). М., 1982.

6. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно-конвек-

тивный теплообмен на вертикальной поверхности (граничные условия II рода). М., 1977.

21 октября 2008 г.

где T - средняя температура стекла, определяемая как среднеарифметическое температуры поверхностей;

Поступила в редакцию

Иванов Владлен Васильевич - докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой теплогазоснабжения Ростовского государственного строительного университета. Тел. 264-34-73.

Карасёва Лариса Владленовна - канд. физ.-матем. наук, профессор кафедры инженерно-экономических дисциплин Института архитектуры и искусств при ЮФУ.

Бутенко Андрей Николаевич - ассистент кафедры теплогазоснабжения Ростовского государственного строительного университета.

Тихомиров Сергей Алексеевич - доцент кафедры теплогазоснабжения Ростовского государственного строительного университета. Тел. (863-2) 27-75-96.

Ivanov Vladlen Vasilievich - Doctor of Technical Scince,professor, head of departament heat-gas supply of Rostov State Building University. Ph. 264-34-73.

Karaseva Larisa Vladlenovna - Candidate of Physical and Mathematical Scince, professor of department engineering-economic discipline of Institute of architecture and art by Southern Federal University. Butenko Andrey Nikolaevich - assistant of departament heat-gas supply of Rostov State Building University. Tichomirov Sergey Alekseevich - assitant professor of departament heat-gas supply of Rostov State Building University. Ph. (863-2) 27-75-96._

t

в

т

в

t

т

q

t

н

R

R

R

2

в.п

н

S

S

2

в.п