Теплопередача и оконные заполнители

Влияние воздухопроницаемости

Сопротивление воздухопроницанию окон и балконных дверей жилых и общественных зданий Ru должно быть не менее требуемого Rump, м2-ч/кг, оп­ределяемого по формуле [88]: где GH - нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м2ч); Ар - разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхно­стях ограждающих конструкций, Па; 4^=10 Па.

Разность давлений Ар по обе стороны окна может меняться в широком диапазоне в зависимости от разности температур наружного и внутреннего воздуха, высоты здания, направления и скорости ветра, системы вентиляции, конфигурации здания и ряда других факторов. Соответственно меняется вели­чина требуемого сопротивления воздухопроницанию окон. Например, для 10- этажного жилого дома при расчетной температуре наружного воздуха минус 40°С и скорости ветра 5 м/сек Ар=Ь 1,4 Па, требуемое сопротивление воздухо­проницанию равно Rump=0,56 м2ч/кг. Для 2-этажного здания Ар=22,9 Па, а Rump=0,29 м2ч/кг.

Проникновение холодного воздуха с улицы через оконный проем в зим­нее время, с одной стороны, обеспечивает воздухообмен в помещении, но с другой стороны, избыточное его количество ведет к дополнительным тепло - потерям.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию для многоэтажного зда­ния могут обеспечить в сибирских условиях лишь окна с 2-3 контурами уп­лотнения притворов. Фактически же при строительстве и эксплуатации зданий с деревянными окнами, установка уплотнителей не производится. Это приво­дит к тому, что фильтрация воздуха многократно превышает нормативные и расчетные параметры, а в итоге затраты тепла на нагрев этого объема воздуха приводят к перерасходу тепла.

В большинстве западных стран требования к сопротивлению воздухо­проницанию окон значительно более жесткие. Например, в Швеции норма­тивная воздухопроницаемость окон равна 2,4 кг/м2ч.

По данным ЦНИИЭП инженерного оборудования в 9-этажном жилом доме коэффициент воздухопроницания окон с раздельными переплетами без уплотнителей составлял 15 кг/(м2ч), что в 2,5 раза больше нормативной вели­чины. Связанные с повышенной инфильтрацией наружного воздуха теплопо­тери в нижних этажах 9-этажного дома достигают 45% общих теплопотерь. Повышенная инфильтрация через окна влияет на температуру внутренней по­верхности остекления, существенно понижая ее. Соответственно понижается уровень теплового комфорта в помещении из-за низкой радиационной темпе­ратуры, а также повышенной подвижности воздуха (до 0,3-0,4 м/сек). Влия­ние инфильтрации сказывается в целом на сопротивлении теплопередаче окна. По данным Умняковой Н. П.[97] при инфильтрации в количестве 15 кг/(м2ч) уменьшается сопротивление теплопередаче окна на 30%. В то же время при эксфильтрации через окно такого же количества воздуха сопротивление теп­лопередаче окна увеличивается на 30%. Однако эксфильтрация теплого внут­реннего воздуха через окна в значительных объемах оказывает негативное влияние на тепловой режим окон и здания в целом, приводит к большим теп - лопотерям, обледенению стекол, способствует повышенной инфильтрации холодного воздуха через окна нижних этажей с наветренной стороны.

Проблема герметизации окон тесно связана с регулированием поступле­ния наружного воздуха в помещение. Санитарными нормами предусмотрен воздухообмен в жилых помещениях в объеме 3 м3 на 1 м2 площади помещения

і

или 25-30 м воздуха в час на человека [68]. В существующих конструкциях окон воздухообмен осуществляется за счет форточек и неплотностей в при­творах.

От степени уплотнения окон зависят в дальнейшем уровень комфорта в помещении. Высокая степень уплотнения, с одной стороны, способствует со­хранению тепла и обеспечивает хорошую звукоизоляцию. С другой стороны, вследствие высокой степени уплотнения в современных окнах возникает про­блема доступа свежего воздуха для создания воздухообмена и предупрежде­ния конденсации влаги на окнах. Правильная организация воздухообмена оз­начает обеспечение необходимой, контролируемой вентиляции через стыки окон и отказ от расточительной, неконтролируемой инфильтрации. Для реше­ния этой проблемы предусмотрены системы вентиляции окон [45, 59], реали - зуемые посредством применения специальных профилей или приборов в рам­ках системы ПВХ-профилей и оконной фурнитуры фирмы-производителя или системы вентиляции, реализуемые посредством применения дополнительных комплектующих или приборов.

Воздухопроницаемость оказывает существенное влияние на температур­ное поле и теплопередачу светопрозрачных ограждений [21, 65, 77, 83]: теп­лопотери увеличиваются пропорционально количеству воздуха, поступающе­го в помещение. Вследствие фильтрации воздуха изменяется температурное поле на внутренней поверхности остекления и в межстекольном пространстве. Воздухопроницаемость через притворы оконных переплетов и понижение температуры внутренней поверхности остекления ведет к нарушению ком­фортных условий в помещении. В то же время с гигиенической точки зрения воздухопроницаемость является положительным качеством, так как обеспечи­вает естественную вентиляцию помещения.

Исследования инфильтрации воздуха через оконные блоки в основном носят экспериментальный характер и касаются установления зависимости ме­жду количеством инфильтрующегося воздуха G и сопротивлением теплопере­даче Л [51, 85, 99]. Количественная связь между сопротивлением теплопере­даче оконного блока и инфильтрующимся воздухом дает возможность опре­делить степень снижения температуры на внутренней поверхности стекла, а также минимально допустимую степень герметизации и в соответствии с этим выбрать необходимые герметизирующие материалы.

Основным теплотехническим показателем окон является коэффициент теплопередаче:

k=q/(te-tH), (1.2)

где q - удельный тепловой поток через окно, Вт/м2; t6 и t„ - температура соот­ветственно внутреннего и наружного воздуха, °С.

Инфильтрация наружного воздуха (при зимнем тепловом режиме) вызы­вает повышение коэффициента £, т. е. повышение теплопотерь, а эксфильтра - цня внутреннего воздуха снижение величины к [86, 87]. Поэтому коэффициент теплопередаче можно представить в виде:

к=к0±Ак, (1.3)

где Ак - приращение коэффициента теплопередаче вследствие фильтрации воздуха; знак плюс соответствует инфильтрации наружного воздуха, а знак минус - эксфильтрации внутреннего воздуха.

Формулу (1.3) можно представить в безразмерном виде, разделив на сук

K=1/S±AK, (1.4)

где К=к/су1 - безразмерный коэффициент теплопередаче; S=cyl/k0 - безраз­мерный расход воздуха; с - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг К); у - плотность воздуха при средней температуре ^=0,5^+^ межстекольного пространства, кг/м3; I - объемный расход воздуха на единицу поверхности м3/м2ч; к0 - коэффициент теплопередаче окна при /=0, Вт/(м2-К);

АК=Ак/су1=Кв - безразмерное приращение коэффициента теплопередаче окна за счет фильтрации воздуха, определяемое по формуле [86]:

Кв=0,16[1-ехр(-1/(0,24 £)] (1.5)

Величины Кв и S позволяют также определить изменение температуры внутреннего остекления:

At=ka -Кв - Stte-tJ/cie (1.6)

где ав - коэффициент теплообмена на внутренней поверхности остекления. При эксфильтрации At>0, а при инфильтрации At<§.