Теплозащита замкнутых воздушных прослоек с отражательнойтеплоизоляцией Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Энергоэффективное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 699.86

Н.П. УМНЯКОВА, канд. техн. наук

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (Москва) (127238, Москва, Локомотивный пр., 21)

Теплозащита замкнутых воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией

Алюминиевая фольга отражает часть лучистого теплового потока, падающего на ее поверхность. Эту способность отражательной теплоизоляции можно использовать, устанавливая ее на поверхности воздушных прослоек. Однако в настоящее время нет методики расчета термического сопротивления замкнутых воздушных прослоек, учитывающей отражательный эффект блестящих поверхностей. Приведена методика расчета тепловой защиты воздушных прослоек с учетом коэффициентов излучения поверхностей, разработанная автором.

Ключевые слова: отражательная изоляция, замкнутая воздушная прослойка, коэффициент излучения, термическое сопротивление, передача тепла, излучение, отражение, конвекция, теплопроводность.

N.P. UMNYAKOVA, Candidate of Technical Sciences, Research Institute for Building Physics of RAABS (21 Lokomotivny pass., Moscow, 127238, Russian Federation)

Heat Protection of Cloused Air Spaces with Reflective Insulation

Aluminium foil reflects a part of radiant heat flux falling on its surface. This ability of reflective insulation can be used by placing it on the surfaces of air cavities. However, at present there are no methods of calculation of thermal resistance of dead air spaces which take into account the reflective effect of shiny faces. Methods of calculating the heat protection of air cavities with due regard for the coefficients of surface radiation developed by the author are presented.

Keywords: reflective insulation, dead air space, emissivity coefficient, thermal resistance, heat transfer, radiation, reflection, convection, heat conductivity.

В отечественной и мировой практике отражательная теплоизоляция из алюминиевой фольги в различных отраслях промышленности находит большое применение, включая и строительную отрасль. Низкий коэффициент излучения алюминиевой фольги, установленной в воздушной прослойке строительных конструкций [1, 2], повышает их теплотехнические качества. Однако до настоящего времени это свойство материалов в практических расчетах не учитывалось. Замкнутая воздушная прослойка представляет собой элемент ограждения с поверхностями, расположенными параллельно друг другу, в котором происходят процессы передачи тепла излучением, конвекцией, теплопроводностью, а также неоднократное отражение лучистого теплового потока от поверхностей воздушной прослойки.

Теплообмен между параллельными поверхностями воздушной прослойки излучением, конвекцией и теплопроводностью. Известно, что суммарная теплопередача через воздушную прослойку Q, расположенную в конструкции наружного ограждения, происходит теплопроводностью QIеп, конвекцией Qкон и излучением Qизл. Эти составляющие, проходящие через 1 м2 воздушной прослойки толщиной б в течение 1 ч при температуре поверхностей т, и т , когда т, >т , можно представить

1.возд.пр 2.возд.пр' т 1.возд.пр 2.возд.пр' ^ т

следующим уравнением:

2Q = Q + Q + Q

(1)

О =С

Т1.возд.пр+ 273^ Гт2.возд.пр + 273^

где

Сцр =

100

1

100

(2)

1

+ -

1

- приведенным ко-

^1.водд.пр ^2.возд.пр

эффициент излучения; С]

[.возд.пр

1

Со

С2.возд.пр - коэффициент

излучения одной и другой поверхностей воздушной прослойки, Вт/(м2-°С4), С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2^С4); т^ ВОЗДЛ1р и т2.возд.пр - температуры на поверхности воздушных прослоек, оС.

При определении составляющих теплопроводностью QIеп и конвекцией Qкон воспользуемся работой [3], в которой значения Х1+Х2 (коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха и условный коэффициент конвекции) приведены в зависимости от толщины воздушной прослойки б и разности температур на ее поверхности т1.возд.пр - т2.возд.пр (табл. 1). Для удобства пользования при инженерных теплотехнических расчетах проведено интерполирование глобальным сглаживающим сплайном третьей степени с равномерным шагом через один градус значений Х1+Х2.

Количество тепла, передаваемое через воздушную прослойку конвекцией и теплопроводностью, можно выразить следующим уравнением:

_ ~Ь

Рассмотрим теплопередачу тепла в воздушной прослойке излучением Qизл. Тогда уравнение теплопередачи в воздушной прослойке можно записать в следующем виде:

С^1.возд.пр ^2.возд.пр.

(3)

Для определения температуры по слоям многослойной ограждающей конструкции и на поверхности воздушной

и

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Энергоэффективное строительство

Таблица 1

т - т 1.возд.пр 2.возд.пр Значения Х1 + Х2, Вт/(м.°С), при б, см

1 2 3 5 7 10 12 15 20 25

1 0,0233 0,0244 0,0337 0,0488 0,0628 0,0814 0,093 0,1116 0,1396 0,1628

2 0,0232 0,0293 0,0394 0,0577 0,0741 0,0968 0,11 0,131 0,1639 0,1932

3 0,0234 0,0331 0,044 0,0648 0,0832 0,109 0,1237 0,1467 0,1833 0,2162

4 0,0239 0,0355 0,0474 0,0697 0,0895 0,1173 0,1334 0,1578 0,1968 0,2303

5 0,0244 0,0372 0,05 0,0733 0,0942 0,1233 0,1407 0,1663 0,207 0,2407

6 0,0248 0,0388 0,0523 0,0765 0,0983 0,1286 0,1468 0,1738 0,2163 0,2518

7 0,025 0,0402 0,0544 0,0795 0,1021 0,1334 0,1521 0,1806 0,225 0,2637

8 0,0252 0,0417 0,0562 0,0823 0,1056 0,1377 0,1568 0,1868 0,2332 0,2758

9 0,0254 0,043 0,0578 0,0848 0,1087 0,1417 0,1611 0,1925 0,2407 0,287

10 0,0256 0,0442 0,0593 0,0872 0,1116 0,1454 0,1651 0,1977 0,2477 0,2966

11 0,026 0,0453 0,0606 0,0893 0,1143 0,1488 0,1691 0,2025 0,254 0,3039

12 0,0264 0,0463 0,0618 0,0913 0,1168 0,1519 0,173 0,207 0,2598 0,3093

13 0,0269 0,0472 0,0629 0,0932 0,1191 0,1549 0,1768 0,2111 0,2651 0,3136

14 0,0274 0,048 0,064 0,0949 0,1212 0,1577 0,1804 0,2149 0,27 0,3173

15 0,0279 0,0488 0,0651 0,0965 0,1233 0,1605 0,1838 0,2186 0,2745 0,321

16 0,0284 0,0495 0,0663 0,098 0,1253 0,1632 0,1869 0,2221 0,2788 0,3254

17 0,0288 0,0502 0,0675 0,0995 0,1272 0,1659 0,1899 0,2255 0,2828 0,3302

18 0,0293 0,0509 0,0687 0,1009 0,129 0,1685 0,1926 0,2287 0,2867 0,3353

19 0,0297 0,0516 0,0699 0,1022 0,1308 0,171 0,1952 0,2319 0,2905 0,3405

20 0,0302 0,0523 0,0709 0,1035 0,1326 0,1733 0,1977 0,2349 0,2942 0,3454

21 0,0307 0,053 0,0718 0,1047 0,1344 0,1754 0,2001 0,2379 0,2979 0,3499

22 0,0312 0,0538 0,0725 0,1059 0,1361 0,1774 0,2024 0,2408 0,3015 0,3541

23 0,0317 0,0545 0,0732 0,107 0,1377 0,1792 0,2047 0,2436 0,3051 0,358

24 0,0322 0,0552 0,0738 0,1082 0,1392 0,1809 0,207 0,2463 0,3085 0,3616

25 0,0326 0,0558 0,0744 0,1093 0,1407 0,1826 0,2093 0,2489 0,3117 0,3652

26 0,0329 0,0564 0,0751 0,1105 0,142 0,1843 0,2116 0,2514 0,3147 0,3687

27 0,0332 0,0569 0,0757 0,1116 0,1432 0,1859 0,2139 0,2537 0,3176 0,3722

28 0,0334 0,0573 0,0764 0,1128 0,1444 0,1875 0,2163 0,256 0,3203 0,3757

29 0,0336 0,0578 0,0772 0,1139 0,1455 0,1891 0,2186 0,2583 0,323 0,3792

30 0,0337 0,0582 0,0779 0,1151 0,1465 0,1907 0,221 0,2605 0,3256 0,3826

прослойки Т1.ВОЗД.Щ, и Т2.ВОЗД.ПР воспользуемся известной формулой (4):

и-и

Я.

л—1

(4)

где т„ - температура на внутренней поверхности я-го слоя ограждения, оС (нумерация слоев принимается от внутрен-

ней поверхности ограждения); - сумма термических сопротивлений (я-1) слоев ограждения, м2 оС/Вт; Д0 - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м2 оС/Вт; Яв - сопротивление теплоотдаче у внутренней поверхности, м2-°С/Вт.

Термическое сопротивление воздушной прослойки в ограждающей конструкции определяется по полученной формуле (5):

Т1.в

)-Т2.в

т1.возд.пр~'~ 273^ Гт2.возд.пр 273

100

100

+

^-1 + ^2 /т т ч

г кЧ.возд.пр ь2.воэд.пр^

(5)

Уравнение (5) позволяет определить термическое сопротивление воздушной прослойки, учитывая передачу в ней тепла излучением, конвекцией и теплопроводностью, а также коэффициенты излучения двух поверхностей воздушной прослойки.

Методика расчета термического сопротивления воздушной прослойки по предложенной методике проводится в несколько этапов в следующей последовательности.

Предварительно задается термическое сопротивление воздушной прослойки -Явдц.др в зависимости от ее толщины б (табл. 2); по формуле (4) определяют распределение температуры по слоям многослойного ограждения и на поверхностях воздушной прослойки Т1возд пр и Т2.возд.пр.

Затем с учетом коэффициентов излучения поверхностей воздушной прослойки определяют передачу теплоты излучением Оиз по формуле (2). Составляющие теплового потока конвекцией и теплопроводностью 0кт принимаются по табл. 1. Величина термического сопротивления воздушной прослойки определяется -ЯВоздлр по формуле (5).

Далее произведем повторный пересчет, при котором только одна из поверхностей воздушной прослойки будет покрыта отражательной теплоизоляцией из алюминиевой фольги с коэффициентом излучения Ол.фол=0,5 Вт/(м2-оС4) и с другим приведенным коэффициентом излучения С^. В результате расчета получим термическое сопротивление воздушной прослойки ^озд.пр.

Энергоэффективное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Таблица 2

Затем еще раз произведем повторный пересчет, изменяя только величину температурного перепада между поверхностями воздушной прослойки, пока не получим термическое сопротивление воздушной прослойки, которое будет постоянным.

Для воздушных прослоек толщиной 2, 3 и 5 см по предложенной автором новой методике проведем расчет термического сопротивления. В качестве примера возьмем конструкции наружной стены, которая состоит из обшивки из гипсокартона толщиной 13 мм с внутренней стороны (коэффициент теплопроводности 0,21 Вт/(моС)); воздушной прослойки; пенополистирола ПСБ-С-25 толщиной 4 см (коэффициент теплопроводности 0,41 Вт/(моС)); кладки из пол-

Таблица 3

Толщина воздушной прослойки, см Этап последовательного расчета Коэффициент излучения поверхности воздушных прослоек, Вт/м2.оС4 Температурный перепад между поверхностями воздушной прослойки, оС Термическое сопротивление воздушной прослойки, м2.оС/Вт

2 Первый С = 4,41 гкл ' С б = 4,9 псб ' 3,25 0,19

Второй С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 4,3 0,43

Третий С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 8,75 0,38

Четвертый С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 7,87 0,4

3 Первый С = 4,41 гкл ' С б = 4,9 псб ' 3,25 0,21

Второй С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 4,71 0,47

Третий С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 9,4 0,42

Четвертый С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 8,57 0,43

5 Первый С = 4,41 гкл ' С б = 4,9 псб ' 3,2 0,23

Второй С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 5,1 0,5

Третий С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 9,88 0,46

Четвертый С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 9,24 0,47

Таблица 4

Отражающие и поглощающие поверхности Последовательное многократное затухание теплового потока

Первая поверхность излучает на вторую ^пад.изл

Вторая поверхность поглощает излучение от первой поверхности О А -О С2 ^пад-изл 2 ^ пад.изл г*

Вторая поверхность отражает обратно на первую поверхность ^пад.изл(1—■~ ^падлзл

Первая поверхность поглощает излучение от второй поверхности ^пад.изл( 1—^пад.изл Сц

Первая поверхность отражает обратно излучение на вторую поверхность 2Пад.изл(1~^2)(1_^1) = ^пад.изл

Вторая поверхность поглощает излучение от первой поверхности

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Энергоэффективное строительство

Таблица 5

Толщина воздушной прослойки, см Этап последовательного расчета Коэффициент излучения поверхности воздушных прослоек, Вт/(м2.°С4) Температурный перепад между поверхностями воздушной прослойки, оС Термическое сопротивление воздушной прослойки, м2.оС/Вт

2 Первый С = 4,41 гкл ' С б = 4,9 псб ' 3,25 0,19

Второй С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 4,3 0,45

Третий С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 8,92 0,4

3 Первый С = 4,41 гкл ' С б = 4,9 псб ' 3,25 0,22

Второй С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 4,91 0,5

Третий С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 9,88 0,43

Четвертый С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 8,76 0,44

5 Первый С = 4,41 гкл ' С б = 4,9 псб 3,25 0,24

Второй С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 5,31 0,53

Третий С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 10,24 0,48

Четвертый С = 4,41 гкл ' Сал.фол = 0,5 9,56 0,5

Таблица 6

Толщина воздушной прослойки, см Термическое сопротивление воздушной прослойки, м2-оС/Вт

без учета многократного отражения и поглощения с учетом многократного отражения и поглощения

2 0,4 0,4

3 0,43 0,44

5 0,47 0,5

нотелого керамического кирпича толщиной 51 см (коэффициент теплопроводности 0,7 Вт/(м-°С)).

Результаты последовательного теплотехнического расчета по определению термического сопротивления воздушных прослоек в конструкции стены при ^=20^, ^=-28^ без учета отражения и поглощения приведены в табл. 3.

Таким образом, на основе последовательного теплотехнического расчета многослойной стены с воздушными прослойками различной толщины с одной поверхностью из отражательной теплоизоляции из алюминиевой фольги Ол.фол=0,5 Вт/(м2оС4), а другой поверхностью из гипсокар-тона 0,^=4,41 Вт/(м2-оС4) термическое сопротивление воздушных прослоек при толщине 2 см составило 0,4 м2оС/Вт, при толщине 3 см - 0,43 м2-оС/Вт и при толщине 5 см -0,47 м2-оС/Вт.

Теплообмен между параллельными поверхностями воздушной прослойки с учетом многократного отражения и поглощения лучистого теплового потока и передачи теплоты конвекцией и теплопроводностью. Рассмотрим теплообмен между поверхностями воздушной прослойки толщиной 2, 3 и 5 см в стационарных условиях при многократном отражении и поглощении лучистого теплового потока.

По величине многократного поглощения А = -§- и

( СЛ °

отражения (1 -А)= 1падающего лучистого теплового потока между поверхностями воздушной прослойки определим величину результирующего теплового потока излучением. При этом температура поверхностей ^ воздпр> т2.возд.пр. Последовательное поглощение и отражение падающего теплового потока излучением между поверхностями представлено в табл. 4.

Лучистый тепловой поток от первой поверхности многократно отражается и поглощается поверхностями воздушной прослойки и в конечном итоге диффузно отражается от второй поверхности обратно к первой поверхности (табл. 4). Приведенный процесс лучистого теплообмена после пятикратного отражения и поглощения позволяет составить уравнение теплового баланса. Тогда результирующий тепловой поток излучением между двумя поверхностями Qрезизл будет равен разности падающего теплового потока Qшд.иш

и отраженного теплового потока

и уравнение может быть представлено в следующем виде:

Энергоэффективное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

О =0 -О Ii-Wi-^I

^рез.изл ^пад.изл ^пад.изл^ Cq) I Cq

(6)

или

0,

1

рез.изл 111

Ci С2 Со

.возд.пр"'" 273^ (^г.возд.пр + 273

100

100

'-"-ёЖ

(7)

Термическое сопротивление воздушной прослойки можно будет определить по формуле:

R

_ возд.пр — ^2:

.возд.пр

возд.пр

Q + Q

^рез .изл к-т

(8)

где <2кт - передача теплоты конвекцией и теплопроводностью находится по формуле (3).

Проведем определение термического сопротивления воздушных прослоек в несколько этапов. Результаты расчетов теплотехнических характеристик воздушных прослоек при многократном отражении и поглощении лучистого теплового потока в конструкции стены при ^=20оС, ^=-28^ по разработанной автором методике приведены в табл. 5.

Таким образом, на основе последовательного технического расчета многослойной стены с воздушными прослойками различной толщины с одной из поверхностей, состоящей из отражательной теплоизоляции из алюминиевой фольги Сал.фол=0,5 Вт/(м2-°С4), и другой поверхностью из гипсокартона 0,^=4,41 Вт/(м2-оС4) с учетом последовательного отражения и поглощения лучистого потока термическое сопротивление воздушных прослоек при толщине 2 см составило 0,4 м2-оС/Вт, при толщине 3 см - 0,44 м2-оС/Вт и при толщине 5 см - 0,5 м2-оС/Вт.

В табл. 6 приведено сопоставление результатов расчета термического сопротивления воздушных прослоек без учета многократного лучистого отражения и поглощения теплового потока и с учетом многократного лучистого отражения и поглощения.

Так, для воздушной прослойки толщиной 2 см при ^возд.пр=0,14 м2оС/Вт величина температурного перепада составила 3,25оС. Для воздушных прослоек толщиной 2; 3 и 5 см, одна из поверхностей которых имеет отражательную теплоизоляцию из алюминиевой фольги, величина температурного перепада при -ЛВозя.пр=0,4 м2оС/Вт составила 8,24оС; при -КВозд.пр=0,45 м2 оС/Вт - 9,07оС и при =0,5 м2-оС/Вт - 9,88оС.

Проведенный анализ теплозащитных свойств воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией из алюминиевой фольги и без нее показал, что величина температурного перепада увеличивается в 2,5-3 раза и термическое сопротивление - в 2,8-3,5 раза.

Полученные впервые теоретическим расчетом теплозащитные свойства воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией из алюминиевой фольги подтверждаются экспериментальными исследованиями, проведенными автором.

Из приведенных данных видно, что определение термического сопротивления при многократном отражении и поглощении лучистого теплового потока учитывает тепло-физические процессы, происходящие между параллельными поверхностями, что позволяет получить оптимальные значения термических сопротивлений воздушных прослоек.

Теплозащитные свойства воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией из алюминиевой фольги более высокие, чем без нее. Это позволило внести в СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»» в таблицу с расчетными теплотехническими показателями строительных материалов и изделий значения термических сопротивлений воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией. При оклейке поверхности вертикальных воздушных прослоек алюминиевой фольгой ее термическое сопротивление не должно превышать 0,4 м2 оС/Вт для воздушной прослойки толщиной 2 см; 0,45 м2оС/Вт для воздушной прослойки 3 см и 0,5 м2оС/Вт для воздушной прослойки толщиной 5 см.

Список литературы

References

1. Умнякова Н.П. Обеспечение энергосбережения в зданиях в соответствии с требованиями СП 50.13330.2012 «СНиП Тепловая защита зданий» Актуализированная редакция / Доклады Всероссийской научно-практической конференции «ЖКХ: развитие инфраструктуры для экологически безопасного и комфортного проживания». Ярославль, 1-2 ноября 2012 г. С. 72-78.

2. Умнякова Н.П. Энергоресурсосбережение в строительстве - элемент концепции биосферной совместимости человека с окружающей средой / Материалы международной конференции «Биосферно-совместимые города и поселения». Брянск, 11-13 декабря 2012 г. С. 56-63.

3. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / Под ред. Ю.А. Табунщикова и В.Г. Гага-

рина. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.

1. Umniakova N.P. Ensuring energy saving in buildings according to requirements The joint venture 50.13330.2012 Construction Norms and Regulations. "Thermal protection of buildings". The Staticized edition. Sb. dokladov Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «ZhKKh: razvitie infrastruktury dlia ekologicheski bezopasnogo i komfortnogo prozhivaniia». laroslavl', 1-2 noiabria 2012 g. Pp. 72-78 (in Russian).

2. Umniakova N.P. Energy resources saving in construction -an element of the concept of biospheric compatibility of the person with environment. Materialy mezhdunarodnoi konferentsii «Biosfernosovmestimye goroda i poseleniia». Briansk, 11-13 dekabria 2012 g. Pp. 56-63 (in Russian).

3. Fokin K.F. Stroitel'naia teplotekhnika ograzhdaiushchikh chastei zdanii [Construction the heating engineer of protecting parts of buildings]. Pod red. lu.A. Tabunshchikova i V.G. Gagarina. M.: AVOK-PRESS, 2006. 256 p. (in Russian).