CC BY
19строительстве», 1(187), 2019, с.64-68. // http://www.panor.ru/magazines/normirovanie-i-oplata-truda-v-stroitelstve/ numbers/449530.html
9. Кондаков Н.И. Логический словарь-справочник.-М.: Наука, 1976. 534-539 с.
10. Бирюков А.Н., Лобачев В.Б., Архипов В.Л. Квалиметрические аспекты качества строительных процессов и строительной продукции. Сборник научных трудов / ВИТУ. СПб: Стройиздат, 2005г.
11. Бирюков А.Н., Лобачев В.Б., Архипов В.Л. Процессно-результатный подход в условиях эволюционного развития инвестиционного строительного комплекса. / Под ред. д.т.н. профессора Бирюкова А Н. / ВИТУ. - СПб., 2009. - 230 с.
12. Бирюков А.Н., Лобачев В.Б., Архипов В.Л. Методологические основы принятия решений в сложных организационных иерархических социальных системах (ИСК-СОИСС) / Под ред. д.т.н. профессора Бирюкова А.Н. / ВИТУ. - СПб., 2009. - 230 с.
13. Указ Президента РФ №504 от 18 октября 2019 года [Электронный ресурс] URL:http://prezident.org/articles/ukaz-prezidenta-rf-504-ot-18-oktjabrja-2019-goda-18-10-2019.html (Дата обращения 20.10.2019 года)
14. М.И. Сетров. Основы функциональной теории организации. - Л: Наука. Ленинградское отделение, 1972. - 164 с.
УДК: 355.7:699.86
Журавлев А.А., Захаров В.П., Третьяков В.А. Zhuravlev A.A., Zaharov V.P., Tretyakov V.A.
Улучшение защитных характеристик ограждающих конструкций объектов военной инфраструктуры, путём устройства тонкопленочных покрытий содержащих микросферы Improving the protective characteristics of the military infrastructure enclosing structures by the
device thin-film coatings containing microspheres
Аннотация:
В статье приведены результаты исследования теплофизических свойств тонкопленочных теплозащитных покрытий, имеющих неоднородную структуру и содержащих микросферы диаметром несколько десятков микрон. Актуальность данной работы обусловлена разноречивыми
данными (в том числе и экспериментальными) по величине теплопроводности таких покрытий. В частности, в них не учитывался процесс отражения теплового (в инфракрасном диапазоне) излучения на микросферах в оптически неоднородной среде.
В настоящей работе была поставлена и решена задача по оценке влияния теплоотражающих свойств оптически неоднородной среды на ее теплозащитные свойства. В качестве объекта исследования были выбраны тонкопленочные покрытия, содержащие различного рода микросферы. На основании анализа существующих теоретических и экспериментальных данных были проведены расчеты, свидетельствующие о необходимости учета теплоотражающих свойств покрытий.
В военной сфере такие покрытия могут использоваться как для маскировки теплового (инфракрасного) излучения объектов военной инфраструктуры, так и для дополнительной тепловой защиты зданий и сооружений в северных регионах.
Abstract: The thermal properties of thin thermal barrier coatings having a heterogeneous structure and containing microspheres of a several tens of microns diameter study results. The relevance of this work is due to contradictory data (including experimental) for the thermal conductivity of these coatings. In particular, they do not include a process of reflection of thermal (infrared) radiation to the microspheres in an optically inhomogeneous medium.
In the present work it was formulated and solved the problem of assessing the impact of heat-reflective optical properties of an inhomogeneous medium to its heat-shielding properties. As the object of study were selected thin-film coatings containing various types of microspheres. Based on the analysis of existing theoretical and experimental data were calculated, indicating the need to consider the properties of heat-reflecting coating.
In the military sphere, such coatings can be used both to mask the thermal (infrared) radiation of military infrastructure, and for additional thermal protection of buildings and structures in the Northern regions
Ключевые слова: тонкопленочные теплозащитные покрытия, микросферы, теплопроводность, отражение теплового (инфракрасного) излучения, теплозащитные свойства.
Keywords: thin heat-shielding coatings, microspheres, thermal conductivity, reflection of thermal (infrared) radiation, heat-shielding properties.
В течение двадцати лет в ряде стран активно ведутся исследования теплофизических свойств
тонкопленочных теплозащитных покрытий (ТТП), представляющих собой компаунд на основе акриловых (или аналогичных) красок с добавлением микросфер (керамических, стеклянных, силиконовых и др.). Покрытия именуются тонкопленочными, так как их слой на поверхности объекта (например, строительной конструкции) составляет от 0,5 до 3 мм. Микросферы имеют размеры в несколько десятков микрон (20-80 мкм) и могут быть как газонаполненными, так и вакуумированными. Структура покрытия показана на рис. 1.
I 1
Рис. 1. Микропористая структура тонкопленочного теплозащитного покрытия.
Такие покрытия могут наноситься на наружные поверхности стен или покрытий зданий (в ряде случаев - на внутреннюю поверхность стены или кровли) и выполнять роль дополнительного теплозащитного слоя. Некоторые виды покрытий с микросферами, обладая теплоотражающими свойствами, снижают излучательную способность поверхности, а, следовательно, уменьшают тепловые потери здания через ограждающие конструкции (стены и покрытие) в зимнее время и не пропускают внутрь здания избыточное тепло в жаркий период года.
Покрытия из микросфер и связующего по своей сути являются оптической системой, активно работающей в области теплового (инфракрасного) излучения. При этом излучательная способность поверхности зависит от многих факторов: размеров и концентрации микросфер, оптических свойств связующего, состояния атмосферы в данный период времени и многих других характеристик.
Как известно, при расчетах теплозащиты учитываются 2 вида теплопередачи: конвективный теплообмен и теплопроводность. Первый определяет процессы теплообмена воздушной среды в помещении с внутренней поверхностью стены (или покрытия), а также наружной стены с внешней воздушной средой. Второй вид теплопередачи - теплопроводность играет роль в процессах передачи тепловой энергии внутри ограждающей конструкции (стены или покрытия).
Третий вид теплопередачи - перенос тепла излучением - в расчет не принимается, так как наружные поверхности стен и покрытий эффектом отражения тепловой энергии не обладают.
Следует отметить, что при расчете необходимого уровня теплозащиты тонкопленочные покрытия самостоятельной роли не выполняют, они могут повышать теплозащиту ограждающей конструкции. В этом можно убедиться на примере такого покрытия как Краска теплоотражающая специальная ВД-АК-518. Теплопроводность Краски варьируется в диапазоне 0,2 - 0,6 Вт/(мх оС) в
зависимости от концентрации микросфер в компаунде. Данные о теплозащитных свойствах Краски приведены в табл. 1.
Термическое сопротивление материалов рассчитывается как:
с
К = ^ , М2 оС /Вт, (1)
Л
где 81 - толщина г -ого слоя теплозащитного материала, м; Я; - теплопроводность материала, Вт/(м* оС).
Таблица 1
Как показывае т анализ таблицы,
Краска не может обеспечить высокой теплозащиты конструкции по теплопроводности, так как ее теплозащитные свойства составляют не более 5% от требуемого термического сопротивления стен здания.
Однако в реальности тепловой поток с наружной поверхности стены в окружающее пространство имеет две составляющие [1, 2]:
• конвективную, обусловленную локальной передачей тепловой энергии с поверхности стены наружному воздуху. Удельный тепловой поток равен:
Чкопу = ^н • <Гнп - ) , (2)
где ан - коэффициент конвективной передачи (теплоотдачи) с поверхности стены; Тнп и Тн -соответственно температура наружной поверхности стены и наружного воздуха.
• радиационную, являющуюся результатом дистанционной передачи тепла с поверхности стены окружающим объектам за счёт инфракрасного излучения:
цг = £ • а0 • (7НП - Гг4 ) , (3)
где 8 - излучательная способность поверхности стены, 00= =5,67х 10-8Вт/(м2*К4) - постоянная Стефана-Больцмана, Тк- эффективная радиационная температура окружающего пространства.
Таким образом, плотность потока тепловых потерь с поверхности стены определяется следующей формулой:
Ч = Чкопу + Чг= ^н • (Тнп - Тн ) + г • о"о • Л - Т^г ) (4)
Величина термического сопротивления Краски ВД-АК-518
Толщина слоя краски, мм 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Величина Ях, м2оС/Вт (при Я = 0,06 Вт/(мх оС) 0,008 0,017 0,025 0,033 0,042 0,05
Величина Ях, м2оС/Вт (при Я = 0,02 Вт/(мх оС) 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15
Здесь основную трудность представляет вычисление температуры Тк , которая во многом определяется радиационной температурой высоких слоёв атмосферы Тг, а та, в свою очередь, зависит от состояния атмосферы (облачность, влажность воздуха, запылённость и т.п.).
В литературе [3] для средних широт приводится соотношения для определения среднестатистической радиационной температуры высоких слоёв атмосферы:
3/
Тг = 0,0552 • Гн/2 . (5)
Зависимость радиационной температуры от температуры окружающего воздуха представлена в табл. 2.
Поверхность стены обменивается энергией излучения не только с атмосферой, но и с поверхностью земли и другими объектами, имеющими свою радиационную температуру Т2 , которая отличается от температуры атмосферы Тг.
Таблица 2
Зависимость радиационной температуры от температуры окружающего воздуха
70, К 253 258 263 268 273 278 283 288 293 298 303
222 229 235 242 249 256 263 270 277 284 291
При этом для отдельно стоящего здания половина радиационной составляющей тепловых потерь приходится на радиационный теплообмен между стеной и атмосферой, а другая - на радиационный теплообмен между стеной и поверхностью земли [4].
Чг = 0,5 • £ • ас • (ГН4П - Г4 ) + 0,5 • е • а0 • (ГН4П - Г4) =
= £• ^(тнп- ^ ) ( 6)
Приравнивая правые части (3) и (6) можно получить эффективную радиационную температуру окружающего пространства (атмосферы и поверхности земли):
т4— т4
= ^ (7)
В расчётах рекомендуется принимать, что радиационная температура равняется температуре окружающего воздуха Т2 = Тн. С учётом последнего и соотношения (5) можно получить выражение для расчёта эффективной радиационной температуры окружающего пространства:
Г4 = • (0,5 + 4,642 • 10-6 • ТЦ ). (8)
Данная формула используется в методике расчёта сопротивления теплопередаче стены с покрытием «связующее - микросферы».
Следует учесть, что излучательная способность Краски значительно меньше излучательной способности поверхностей строительных материалов (0,92^0,93), что приводит к сокращению радиационной составляющей теплопотерь и соответственно, к изменению структуры и уменьшению величины теплового потока с поверхности стены.
Необходимо определить количественное уменьшение тепловых потерь с поверхности стены при изменении излучательной способности наружной поверхности стены. Пусть поверхность стены имеет температуру Тнп и излучательную способность ео. Тогда плотность теплового потока в соответствии с формулой (4) определяется соотношением:
Чо= ^И • (Тип - Тн ) + £о • 00 • (Гн4п - т;42 ) (9)
После нанесения Краски, содержащей микросферы, с излучательной способностью ек при прочих равных условиях плотность теплового потока с поверхности стены становится равной:
Чк = • (Тип - Тн ) + £к • аь • (ТИП - Тг% ) (10)
Относительная величина энергосберегающего эффекта определяется как:
Е= ^^ (11)
Яо
Если принять в качестве граничного условия на поверхности теплозащиты Гнп = Тн, то расчетная формула сводится к сравнению излучательных способностей поверхности ограждающей конструкции без Краски и поверхности с наружным слоем Краски:
Е = . (12)
ео
Учитывая излучательную способность (£к = 0,75) Краски [5] с концентрацией микросфер около 1^3 % получим:
ь^^З-Ы5 „ 0,19.
0,93 '
Таким образом, применение Краски с теплоотражающими микросферами может дать теплосберегающий эффект около 20%.
Следует учитывать, что эффективность Краски по снижению процесса теплопередачи будет еще выше, так как необходимо будет учесть термическое сопротивление Краски (см. табл.1).
На основании построенной математической модели и анализа экспериментальных данных в работе [6] приводятся значения эффективной
степени черноты теплоотражающего покрытия с микросферами, которые могут достигать величин: 0,4 , а в ряде случаев (облачного неба) 0,3. В этом случае эффективность теплозащиты ограждающих конструкций возрастает до 30^35%.
В отдельных случаях нанесение теплоотражающего покрытия на наружную поверхность стены или покрытия здания становится невозможным: к примеру, при использовании в качестве облицовки стен здания керамического облицовочного кирпича или применении вентилируемого фасада. Повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций может потребоваться из-за расчетных ошибок проектировщиков, несоответствия фактических теплозащитных свойств материалов заявленным показателям, изменения теплофизических свойств материалов во время строительства (например, за счет поглощения влаги).
В этих случаях возможно применение ТТП с теплоотражающими свойствами на внутренней поверхности ограждающей конструкции, что также приводит к суммарному повышению энергоэффективности ограждающей конструкции.
В этих условиях в отличие от предыдущей задачи следует рассматривать эффективный коэффициент теплоотдачи не на наружной, а на внутренней поверхности стены, учитывая влияние лучистой составляющей. Поэтому:
ае/ = + (13)
где и - соответственно конвективная и лучистая составляющие эффективного коэффициента теплоотдачи.
Результирующий удельный тепловой поток равен:
= ^ + , (14)
где ^^ и - соответственно конвективная и радиационная составляющие результирующего теплового потока.
Конвективная составляющая вычисляется из:
^ = ал(Гв - Тст ) . (15)
Лучистую составляющую теплового потока можно определить из:
*= •с» [Ш 4 - Й0)4
, (16)
где £г - приведенный коэффициент излучения для условий внутри помещения; с0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/м К4 ; Тв и Тст — температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены соответственно, К.
Приведенный коэффициент излучения евн определяется как [7]:
= 1*1 . . (17) --1---1
£в £ст
Здесь Ев и Ест - коэффициенты излучения внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены соответственно. Следует учитывать, что воздух внутри помещения содержит водяные пары и вследствие этого £в представляет собой коэффициент излучения водяных паров.
В проведенных экспериментах [7] были установлены коэффициенты излучения тонкопленочного теплоотражающего покрытия е и приведенный коэффициент излучения евн. Погрешность измерений в экспериментальных исследованиях составила от 1,1 до 2,3%. Так, для ТТП с микросферами £= 0,52, а £г = 0,34. Если добавить в микросферы алюминиевый пигмент, создающий дополнительный отражающий эффект, то £= 0,4, а ег = 0,29.
Экспериментально было доказано, что теплоотражающее покрытие с микросферами способно снизить величину теплового потока на 17%. Применение на конкретном объекте на территории Центрального военного округа (ЦВО) (построенный административно-торговый комплекс) позволило повысить суммарное тепловое сопротивление ограждающей конструкции на 31%. Конструктивно на этом объекте после слоя жидкой теплоизоляции на внутренней поверхности стены была оставлена воздушная прослойка толщиной 20 мм, а затем был установлен гипсокартонный лист, на который наносилось ТТП.
При рассмотрении внутренней поверхности ограждающей конструкции в условиях без покрытия и с теплоотражающим покрытием, следует заметить, что составляющая qk будет неизменной, меняется лишь цг вследствие того, что меняется ег, а конкретней ест.
Как указывалось выше, для большинства строительных материалов коэффициент излучения составляет 0,91^0,93.
На основании данных по коэффициентам излучения для ТПП (ест = =0,52; ег = 0,34) из (17) можно получить коэффициент излучения воздуха (водяного пара), который численно равен 0,496.
Также на основании (17) для стены, не имеющей ТПП (ест = 0,92) вычисляется приведенный коэффициент излучения: ег = 0,476.
Отсюда можно получить снижение лучистой составляющей удельного теплового потока вследствие применения теплоотражающего покрытия с микросферами. Параметры, относящиеся к стене без покрытия, будут иметь надстрочный индекс «*». Тогда:
_ е£ _ 0,476 _ Яг ¿г 0,34 , .
Относительная эффективность снижения теплового потока составит: АЕ% = ^Ц^ х100% = х100% = °,476~ 0,34 х100% =31%.
^ е^ 0,476
По данным экспериментальных исследований /7/ коэффициент теплоотдачи от нагретого воздух к поверхности стенки составлял 3,9 Вт/м2-К, температура воздуха + 14,5 °С, температура стенки + 11,4°С.
В этом случае:
^ = ^ = «л * (т; - 7Ст ) = 3,9 * (14,5 - 11,4) = 12,09 Вт/м2.
Лучистые составляющие удельного теплового потока будут отличаться из-за различия в коэффициентах излучения поверхности:
Чг = * Со ■
(Т; \ ( ^ст\
100/ - (100/
4 4
= 0,476* 5,67
/287,5\ 4 /284,4\ ( 100 ) ( 100 )
= 7,95 Вт/м2
От = * с0 *
(Т; \ / Тст\ 100/ - (100/
= 0,34* 5,67
/287,54 4 /284,44 ( 100 ) ( 100 )
=5,59 Вт/м2
Значения результирующих тепловых потоков:
?ге5 = + ^ = 12,09 + 7,95 = 20,14 Вт/м2.
Чгез = + ^ = 12,09 + 5,59 = 17,68 Вт/м2.
Относительная эффективность теплоотражающего покрытия составляет:
Д£0/0 = ^^-ч™. х100% = 20,14~ 17,68 х100% = 12,2%
Чга 20,14
Полученный результат хорошо согласуется с данными экспериментальных исследований [7] и доказывает эффективность использования теплоотражающего покрытия на внутренней поверхности ограждающих конструкций объектов военной инфраструктуры. Добавление алюминиевого пигмента повышало эффективность покрытия на 5% дополнительно.
4
4
Выводы.
1. Современные тонкопленочные покрытия, содержащие микросферы, обладают теплоотражающим эффектом, который необходимо учитывать при определении эффективности тепловой защиты.
2. Повышение эффективности теплозащиты при применении тонкопленочных покрытий на наружной поверхности ограждающих конструкций (стен, покрытий) может достигать 20-35% в зависимости от вида покрытия и концентрации микросфер в объеме компаунда.
3. Использование теплоотражающего покрытия на внутренней поверхности ограждающих конструкций также является эффективным и повышает теплозащитные свойства конструкции на 12%. Добавление алюминиевого пигмента в акриловую основу с микросферами увеличивает эффективность теплозащиты на 5%
4. При применении тонкопленочных покрытий в строительстве необходимо проверять заявляемые характеристики в сертифицированных научно-исследовательских центрах и лабораториях.
5. Использование инфракрасных рефлексивных покрытий с применением микросфер позволяет сделать контуры объектов на термограмме расплывчатыми для средств иностранной разведки. Фактически объект будет сливаться с окружающей средой. Это резко снижает эффективность систем обнаружения объектов и может обеспечить их нормативную скрытность.
Список литературы:
1. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер. с англ. -М: Мир, 1983. -512с.
2. Расчет интегрального отражения и пропускания инфракрасного излучения для покрытия, состоящего из плотно упакованных стеклянных микросфер (ПСМ) в полимерной матрице. Отчет Института Физики НАНБ. Минск, 2003.
3. Строй А.Ф. Управление тепловыми режимами зданий и сооружений. Киев: Вища школа. 1993. -153 с.
4. Методика расчета сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания с учетом покрытия «микросфера -связующее». Сайт Группы компаний «Инотек».// www.inoteck.net/metodika_rascheta_soprot. 5 с.
5. Отчет о выполнении НИР по х/д №201от 01.03.2000г.:»Разработать математическую модель теплопереноса в покрытиях, представляющих собой компаунд из связующего и полых стеклянных микросфер».// АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова» НАНБ, 2000, 28 с.
6. Герман М.Л., Гринчук П.С Математическая модель для расчета теплозащитных свойств композиционного покрытия «керамические микросферы - связующее». Инженерно-физический журнал, том 75 № 6, ноябрь -декабрь 2002 г. С. 50.
7. Панченко Ю.Ф., Зимакова Г.А., Панченко Д.А. Энергоэффективность использования нового теплозащитного материала для снижения теплопотребления зданий и сооружений. Вестник Тюменского государственного архитектурно-строительного университета, №4, 2011. с. 97-105.
