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





Температура, влажность, подвижность воздуха и естественное освещение играют важную роль в создании искусственного микроклимата в помещениях. Светопрозрачные конструкции имеют относительно небольшое сопротивление теплопередаче и по­этому оказывают существенное влияние на температурно-влажностные параметры внутреннего воздуха.

Температура и влажность внутреннего воздуха являются нормируемыми санитарно-гигиеническими параметрами и должны поддерживаться постоянными в любое время суток на протяжении отопительного периода. Для гражданских зданий температура и влажность внутреннего воздуха нормируются в соответствии с табл. 1.2 МГСН 2.01.94. Так для жилых, общественных и школьных зданий температура внутреннего воздуха tв принимается равной 20°С, для поликлиник и лечебных учреждений - 21 °С, для детских дошкольных учреждений - 22°С. При этом для всех перечисленных здании влажность внутреннего воздуха фв принимается равной 55%, а скорость движения воз­духа при вентилировании не должна превышать 0.2 м/с.

Зона соотношения комфортных температур на внутренней поверхности стекла и внутреннего воздуха помещения показана на рис.2.9.

Рис. 2.9. Зона соотношения комфортных температур на внутренней поверхности стекла и внутреннего воздуха помещения

При рассмотрении теплозащитных качеств остекления необходимо выделять два различных состояния.

1. Возможный перегрев помещения за счет солнечной тепловой энергии, прони­кающей через остекление.

2. Возможное переохлаждение помещения в результате теплопотерь, происходящих за счет излучения тепловой энергии от внутренних поверхностей помещения через окно.

Рассмотрим первый случай. Согласно разделу 2.3.1, обычные оконные стекла и стеклопакеты из таких стекол пропускают до 84% теплового излучения Солнца. Мощ­ность теплового излучения Солнца вблизи поверхности Земли достигает порядка 800 Вт/м2. Вполне понятно, что такая мощность теплового излучения, значительная часть которого пропускается обычным остеклением, способна привести к ощутимому перегреву помещений в летнее время.

Уменьшения величины теплового потока, попадающего через окно в помещение, можно достичь за счет установки в стеклопакете теплоотражающих или теплопоглощающих стекол.

Теплопоглощающие стекла, нагреваясь от солнечной радиации, подвергаются тем­пературному расширению. Возникающие при этом усилия передаются на краевую зону стеклопакета, что может привести к его разгерметизации или разрушению. Кроме того, теплопоглощающие стекла (см. табл. 2.4) уменьшают светопропускание в видимой час­ти спектра. В связи с этим, теплопоглощающие стекла, как правило, не применяются в обычных стеклопакетах.

Теплоотражающие (или селективные) стекла в видимой части спектра пропускают 75-80% излучения Солнца, и только 5-20% в ИК области солнечного излучения. В со­ответствии с табл. 2.3 можно определить общий затеняющий эффектSH, создаваемый такими стеклами.

В диапазоне длин волн 380 - 760 нм (видимый спектр)SH = 53% х 0.80 = 42%.

В диапазоне длин волн 760 - 2500 нм (ИК спектр)SH = 46% х 0.20=9%

Таким образом, в помещение попадает 42% энергии Солнца в видимой части спек­тра и только 9% в инфракрасной области.

Расчет светопрозрачных конструкций, исходя из недопустимости переохлаждения помещения, проводят для условий наиболее холодного зимнего периода.

Основной нормируемой величиной, характеризующей теплозащитные качества ог­раждающих конструкций, является термическое сопротивление.

В общем видетермическое сопротивление ограждающей конструкции представ­ляет собой величину, характеризующую количество тепла, проходящее через единицу площади поверхности за единицу времени при заданной разнице температур на ее поверхностях:

R= Δ t/Q (2.3.3)

где R - термическое сопротивление, (м 2 • °С)/Вт,

Q - тепловой поток, проходящий через 1 м2 сечения за 1 ч, Вт,

Δ t - разница температур на внутренней и наружной поверхности, °С.

В зарубежной технической литературе в качестве величины, характеризующей теплозащитные качества остекления, приводится величина, обратная сопротивлению теплопередаче, т.е.K=1/R. Эта величина называетсякоэффициентом теплопередачи.

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 сопротивленияR0 . Чем выше термическое сопротивление, тем лучшими тепло­защитными свойствами обладает ограждение. ВеличинаRo может быть определена по формуле

R0 =R в + Rст +R вп +R н , (2.3.4)

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

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

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

Термическое сопротивление стекол в стеклопакете определяется как:

Rст= nδi /λi, (2.3.5)

где δi - толщина каждого стекла, [м]

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

В среднем величинаRстколеблется 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 величинаRстблизка 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/ ( Ккон + Киз)(2.3.7)

где К вп - коэффициент теплопередачи воздушной прослойки;

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

Киз - коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет излучения.

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

Ккон = 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. Ккон = 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 Ккон, 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

Kиз= qиз/ Δt , (2.3.9)

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

qиз = С0 εпр 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 случаеf= 1,

εпр 1-2 - (безразмерная величина) приведенная излучательная способность при теп­лообмене между двумя поверхностями, определяемая как εпр 1-2 = ε1 х ε2 где ε1 иε2 - 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 εпр 1-2. Чем меньше εпр 1-2 (а соответственно, и ε1 иε2), 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

ε1   0.1   0.2   0.3   0.4   0.5   0.6   0.7   0.8  
Киз [Bт/м²К]   0.50   1.0   1.46   1.90   2.34   2.76   3.17   3.55  

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 стеклопакетаRo 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 / λвозгде λвоз- 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 ммR0 почти не изменяется. Следова­тельно, в теплотехническом отношении, наиболее выгодно использовать стеклопакеты с воздушной прослойкой 12-20 мм, что соответствует максимально возможному сопротивлению Rвп.

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

Система Термическое сопротивление пакета профилей R (м 2 °С)/Вт Коэффициент теп­лопередачи U, Вт/(м 2 °С)
ПВХ Пакет профилей (коробка + створка), включая армирование
2-х камерная система 0.52 1.9
3-х камерная система 0.59 1.7
4-х камерная система 0.71 1.4
АЛЮМИНИЙ
"теплый" профиль с термо-вставкой 0.40 2.3
ДЕРЕВО-СОСНА λ =0.18 Вт/(м°С)
Толщина коробки d=80мм 0.44 2.3
Толщина коробки d=120мм 0.67 1.5
ДЕРЕВО - ДУБ λ = 0.23 Вт/ (м °С)
Толщина коробки d=80мм 0.35 2.9
Толщина коробки d=120мм 0.52 1.9

Таблица 2.9

Коэффициенты теплопроводности материалов оконных профилей

Материал Теплопроводность λ, Вт/(м°С)
Дерево 0.15-0.25
ПВХ 0.25
Алюминий 170.0
Стеклопластик 0.30

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.

ПРИМЕР

 

Рассчитать термическое сопротивление однокамерного стеклопакета 4F-12 Аr-4К.

 

По табл. 2.6. принимаем Ккон = 1.41 [Вт/ (м 2 К)] (hвп= 12мм, Аг)

По табл. 2.7. принимаем Киз = 1.0 [Вт/ (м 2K)] (ε1=0.20)

По формуле (2.3.7)

Rвп = I/ Квп =1/ (Ккон + Киз) = 1/ (1.41 + 1.0)=0.415

По формуле (2.3.6)

Ro = Rв + Rвп + Rн = Rвп + 0.16 = 0.415 +0.16=0.57 [(мС/Вт]

 

В табл. 2.10 приведены данные сертификационных испытаний стеклопакетов, пре­доставленные АО «Государственный институт стекла». Для удобства использования непосредственно при проектировании систем остекления, в табл. 2.10 приведены также значения коэффициента светопропускания τ.

Таблица 2.10

Термическое сопротивление и коэффициент светопропускания стеклопакетов раз­личной конструкции





Читайте также:
Основные этапы развития астрономии. Гипотеза Лапласа: С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно...
Отчет по производственной практике по экономической безопасности: К основным функциональным целям на предприятии ООО «ХХХХ» относятся...
Аффирмации для сектора семьи: Я создаю прекрасный счастливый мир для себя и своей семьи...
Тест Тулуз-Пьерон (корректурная проба): получение информации о более общих характеристиках работоспособности, таких как...

Рекомендуемые страницы:



Вам нужно быстро и легко написать вашу работу? Тогда вам сюда...

Поиск по сайту

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-04 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.021 с.