ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ КАЧЕСТВА СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ НОРМИРОВАНИЕ. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ

С точки зрения теплотехники, простейший однокамерный стеклопакет представ­ляет собой замкнутую воздушную прослойку малой толщины по сравнению с площа­дью ограничивающих поверхностей остекления.

Теплоизолирующую способность стеклопакетов оценивают по величине термиче­ского сопротивления R₀. Чем выше термическое сопротивление, тем лучшими тепло­защитными свойствами обладает ограждение. Величина Ro может быть определена по формуле

R₀ =R _в + R_ст +R _вп +R _н , (2.3.4)

где R _в =0.12, R _н =0.04, [(м ² °C)/ Вт] - соответственно сопротивления теплопередаче у внутренней и наружной поверхностей остекления,

R_ст, [(м ² • °С)/Вт] - термическое сопротивление стекол,

R _вп, [(м ² • °C)/ Вт] - термическое сопротивление воздушной прослойки.

Термическое сопротивление стекол в стеклопакете определяется как:

R_ст = n δ _i / λ _i, (2.3.5)

где δ _i - толщина каждого стекла, [м]

λ _i, - коэффициент теплопроводности стекол, равный для силикатного стекла 0.76 [Вт/ (м°С)].

В среднем величина R_ст колеблется в пределах 0.005 - 0.02 (м ² °С)/ Вт и не оказы­вает существенного влияния на теплоизоляционные свойства стеклопакета. При этом ее не следует путать с теплозащитными качествами низкоэмиссионных стекол. Тепло­передача через воздушные прослойки осуществляется излучением, конвекцией и теп­лопроводностью (рис.2.10).

Рис. 2.10. Теплопередача через конструкцию остекления: 1 -радиация, 2 - конвекция, 3 - теплопроводность; 4 - низкоэмиссионное покрытие, λ - коэффициент те­плопроводности, μ - динамическая вязкость, ε - излучательно-поглощательная способность

С учетом того, что величина R_ст близка к нулю, общее термическое сопротивление стеклопакета может быть определено, исходя из формулы

R₀ =R _в + nR _вп +R _н = nR _вп + 0.16 (2.3.6)

Сопротивление теплопередаче одной воздушной прослойки определится как

R _вп = 1/ К _вп =1/ (К_кон + К_из) (2.3.7)

где К _вп - коэффициент теплопередачи воздушной прослойки;

К_кон - коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет конвекции и теп­лопроводности газа, заполняющего прослойку;

К_из - коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет излучения.

Коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет конвекции и теплопро­водности газа, заполняющего прослойку, может быть определен как

К_кон = Nu (δ / λ) (2.3.8)

где Nu - число Нуссельта, определяющее характер теплообмена внутри воздушной прослойки (конвективный или кондуктивный (за счет теплопроводности) перенос тепла). Если Nu=1, то теплообмен в прослойке определяется только теплопровод­ностью, т.е. К_кон = δ / λ.

* Применительно к данной задаче, динамическая вязкость μ характеризует сопротивляемость газа дви­жению теплых и холодных струй внутри заполняемого им объема, вызванного неравномерным нагрева­нием ограничивающих поверхностей. Иными словами, величина μ ., в данном случае, отражает способ­ность газа, заполняющего воздушную прослойку, сопротивляться конвективному переносу тепла. Чем меньше μ, тем более интенсивна конвекция

Для удобства расчетов коэффициент К_кон, можно определятьпо табл. 2.6 с учетом толщины воздушной прослойки и теплофизических характеристик заполняющих газов.

Таблица 2.5

Теплотехнические характеристики газов, применяемых для заполнения стеклопакетов

Таблица 2.6

Коэффициент теплопередачи воздушных прослоек, заполняемых различными га­зами за счет конвекции и теплопроводности

Коэффициент теплообмена за счет излучения определяется как

K_из= q_из/ Δt, (2.3.9)

где q_из - тепловой поток, проходящий через стеклопакет за счет излучения при разно­сти температур на его поверхностях, равной Δt. При этом величина q_из может быть определена как:

q_{из =} С₀ ε_{пр 1-2} q (T₁/100)⁴ -(T₂/100)⁴ r, (2.3.10)

где С₀ = 5.67 [Вт / (м² K⁴)] - постоянная Стефана - Больцмана.

T₁, T₂ - абсолютные температуры обменивающихся теплом поверхностей, К.

f - коэффициент облученности (безразмерная величина); в данном случае f= 1,

ε_{пр 1-2} - (безразмерная величина) приведенная излучательная способность при теп­лообмене между двумя поверхностями, определяемая как ε_{пр 1-2} = ε₁ х ε₂ где ε₁ и ε₂ - соответственно излучательно - поглощательные способности поверхно­стей 1 и 2 (см. раздел 2.3.1).

Наибольший интерес с точки зрения практического применения в уравнении (2.3.10) представляет величина излучательно - поглощательной способности ε_{пр 1-2}. Чем меньше ε_{пр 1-2} (а соответственно, и ε₁ и ε₂), тем меньшее количество тепла уйдет в сто­рону менее нагретой поверхности, а термическое сопротивление стеклопакета соответ­ственно возрастет.

Для чистого оконного стекла величина излучательной способности составляет ε =0.84. Для большинства металлов изменяется в пределах 0.02-0.04. Идея применения стекол с низкоэмиссионным покрытием, основу которого составляют металлы (см.раздел 2.1 и 2.3.1), связана с понижением величины ε, приводящим к понижению количества тепла, передаваемого за счет радиации. Большинство таких стекол имеют излучательную способность порядка ε = 0.1 - 0.2.

Как видно из формулы (2.3.9), Киз зависит от температуры поверхностей, между ко­торыми происходит теплообмен излучением. Однако, для практических инженерных расчетов достаточно определить зависимость величины Киз от излучательной способ­ности внутреннего стекла стеклопакета, т.е. величины ε₁, согласно табл. 2.7.

Таблица 2.7

Зависимость величины Киз от излучательной способности внутреннего стекла стеклопакета

На основании табл.2.7 можно приближенно рассчитать, насколько изменится со­противление теплопередаче стеклопакета при замене в нем внутреннего обычного стекла, имеющего излучательную способность ε₁=0.84, на низкоэмиссионное стекло с излучательной способностью ε₂=0.10.

Если в первом случае теплопотери через остекление за счет излучения составят по­рядка 70%, то во втором они уменьшатся до 10%, а общее термическое сопротивление стеклопакета возрастет в 2 - 2.5 раза.

По различным данным потери тепла однокамерного стеклопакета, заполненного осушенным воздухом, составляют 70% за счет излучения, 15% за счет теплопроводно­сти и 15% за счет конвекции.

Как показывают данные проведенных исследований, при толщине воздушной про­слойки до 8 мм, конвекция воздуха будет затруднена. Характер изменения термическо­го сопротивления стеклопакета Ro в зависимости от толщины воздушной прослойки показан на рис. 2.11. Из графика видно, что при толщине прослойки до 8 мм общее со­противление стеклопакета увеличивается пропорционально увеличению ее толщины. При этом Ккон (формула 2.3.8) определяется, исходя чисто из условий теплопроводно­сти Ккон = δ / λ_воз где λ_воз - коэффициент теплопроводности воздуха.

Рис. 2.11. Зависимость сопротивления теплопередаче стеклопакета от толщины воз­душной прослойки

С увеличением толщины воздушной прослойки конвективный теплообмен в ней становится более интенсивным, а доля передачи тепла за счет теплопроводности уменьшается. При этом увеличение толщины прослойки уже не приводит к росту ее термического сопротивления. Из рис. 2.11 видно, что увеличение толщины воздушной прослойки свыше 8 мм незначительно влияет на изменение теплоизолирующих свойств стеклопакета, а при толщине прослойки более 20 мм R₀ почти не изменяется. Следова­тельно, в теплотехническом отношении, наиболее выгодно использовать стеклопакеты с воздушной прослойкой 12-20 мм, что соответствует максимально возможному сопротивлению R_вп.

Как уже было отмечено в главе 1, светопрозрачные конструкции состоят из светопрозрачного материала и обрамляющих его элементов. При этом характер теплообмена принципиально различен для остекления и элементов коробки и переплетов.

В зависимости от применяемой оконной системы и заданных геометрических раз­меров, на непрозрачные участки окна может приходиться до 30% его площади. Вместе с тем, вопросы теплообмена в тонкостенных профилях, из которых собираются все современные окна, за исключением деревянных, на сегодняшний день являются наи­менее освещенными в доступной для российских проектировщиков специальной лите­ратуре.

Сегодня мы можем с достаточной основательностью утверждать только то, что од­нокамерный профиль холоднее двухкамерного, двухкамерный, в свою очередь, холод­нее трехкамерного и т.д. Иными словами, констатировать тот факт, что увеличение числа воздушных прослоек в конструкции профиля приводит к увеличению его терми­ческого сопротивления. Для использования в расчетах приведем данные по термиче­скому сопротивлению профилей различных систем, а также по теплопроводности ма­териалов, из которых они изготовлены.

Таблица 2.8

Термическое сопротивление оконных профилей различной конструкции

Таблица 2.9

Коэффициенты теплопроводности материалов оконных профилей

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.

Приближенный расчет термического сопротивления стеклопакетов можно произ­водить на основании данных табл. 2.6 и табл.2.7.