Теплопередача и оконные заполнители

Влияние конструктивных элементов окна на теплопередачу

Окно состоит из элементов с различными теплотехническими характери­стиками. Поэтому для более точных теплофизических расчетов необходимо учитывать неоднородность конструкции [48, 49]. Неоднородность окон прояв­ляется в местах их примыкания к стенкам и в переплетах. В этом случае окно

обычно разбивают на отдельные участки и для каждого участка проводят теп­лотехнические расчеты, а затем определяют среднее приведенное значение сопротивление теплопередаче.

В современных конструкциях окон широкое распространение получили стеклопакеты [20, 58, 103], изготавливаемые методом двухстадийного уплот­нения, при котором используемые для установки в промежуточном простран­стве между стеклами алюминиевые рамки заделываются в швы в два этапа: заделка внутреннего шва пластичной бутиловой массой и заделка наружного шва прочным эластичным полисульфидным клеем или силиконом. Задача ма­териала, из которого выполнен внутренний шов - предотвратить проникание влаги в промежуточное пространство. Одновременно при заделке внутреннего шва между стеклом и металлической прокладкой образуется тонкая теплоизо­лирующая пленка. Материал наружного шва образует основное эластичное соединение между стеклами и рамками.

Рассмотрим влияние различных конструктивных элементов окна на его теплопередачу.

Влияние переплета на коэффициент конвективной теплоотдачи у внут­ренней поверхности окна в основном зависит от взаимодействия ниспадающе­го конвективного потока с переплетом [21]. Схема движения потоков около переплета представлена на рис. 1.7. Видно, что большое влияние на теплоотда­чу оказывает застойная зона 3/. Благодаря ее наличию градиенты скорости у остекления и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи конвекцией намного меньше, чем в ниспадающем конвективном потоке. Значительное уменьшение локальных коэффициентов теплоотдачи в зоне торможения потока отмечалось в также в работах [5, 32]. При натекании конвективного потока на поверх­ность АВ образуется критическая точка S/ (рис. 1.7), в которой вся кинетиче­ская энергия воздуха переходит в статическое давление, поэтому в точке Si коэффициенты теплоотдачи имеют максимальные значения. Между точками Sj и В значения коэффициентов теплоотдачи вначале уменьшаются, а непо­средственно около точки В резко возрастают. На поверхности переплета ВС коэффициенты теплоотдачи изменяются следующим образом. В точках В и С

они имеют максимальные значения, а в вихревой области 32 коэффициенты теплоотдачи имеют минимальные значения. На поверхности CD локальные коэффициенты теплоотдачи практически незначительно отличаются от сред­них значений. Ниже переплета на поверхности остекления DE коэффициент теплоотдачи в критической точке S3, которая лежит на расстоянии х=Ь от точ­ки D, имеет наибольшее значение. Численные значения для определения ко­эффициента теплоотдачи ак в различных зонах приводятся в литературе [21].

Распорные рамки оказывают влияние на теплопередачу в межстекольном пространстве [4, 21, 82], а также на температуру поверхности стекла со сторо­ны помещения и сопротивление теплопередаче окна. Рассмотрим оконные за­полнения из стеклопакетов с алюминиевой и пластмассовой распорными рам­ками в деревянных переплетах. При небольших перепадах температур t}-t2 в средней части воздушной прослойки стеклопакета температура изменяется линейно [21]. Исключение составляет нижняя и верхняя части воздушных прослоек, где наблюдается искривление температурного поля, указывающие на наличие конвективного движения воздуха в прослойке (рис. 1.8). Аналогич­ная физическая картина была получена в работах [111, 116]. На рисунке вид­но, что заметное искривление температурных кривых наблюдается на рас­стоянии 8-10 толщин воздушной прослойки L от краев остекления сверху и снизу.

Влияние алюминиевой рамки на термическое сопротивление прослойки Ren сказывается на расстоянии х=4Ь [21], а пластмассовой - на расстоянии х=2Ь (расстояние х отсчитывается от основания рамки). Приближенно Ren опорной части стеклопакета можно рассчитать по формулам: для алюминиевой рамки (0<x/L<4)

Ren=0,25Ren ср x/L. (1.9)

для пластмассовой рамки (0<х/1<2)

Ren=S^An+0,5(Rencp-SJXn)x/L.

где Rencp - среднее термическое сопротивление воздушной прослойки; S„ - толщина пластмассовой рамки; Л„ - коэффициент теплопроводности пласт­массы.

Теплопроводность материала, из которого изготовлен переплет, сущест­венно влияет на температурное поле переплета и стеклопакета. На рис. 1.9 по­казано сравнение изотермического температурного поля по поперечному се­чению деревянного и металлического переплета и примыкающих к ним па­кетного остекления. При одинаковых условиях температура внутренней по­верхности деревянного переплета выше, чем стального. Несколько выше и температура внутренней поверхности краевой зоны стеклопакета.

Дальнейшее улучшение теплотехнических свойств окон с деревянными переплетами возможно при применении пластмассовых распорных рамок в стеклопакетах. На рис. 1.10 показано изотермическое температурное поле по сечению переплета и стеклопакету, имеющему распорную рамку из ПВХ. Анализ этих данных показывает, что замена алюминиевой распорной рамки на пластмассовую позволяет в месте сопряжения стеклопакета с переплетом примерно в 2 раза увеличить температурный перепад те-тн, повысить темпера­туру тв и существенно выровнять температурное поле стеклопакета.

Согласно данным [56] влияние распорной рамки и геометрии стеклопаке­та на его приведенное сопротивление теплопередаче можно определять по формуле:

Fet/Rer + L-'¥, ^1Л1^

2

где Fa - - площадь стеклопакета, м ; Аст - сопротивление теплопередаче, м • С/Вт; L - периметр стеклопакета, м ; щ - параметр, учитывающий влияние распорной рамки на теплотехнические свойства стеклопакета по его контуру, принимается по таблице 5 [56]. Например, для двухкамерного стеклопакета с сопротивлением теплопередаче 0,51 м2-°С/Вт параметр у/=0,008 Вт/м-°С. При площади стеклопакетов F;=l, l 1 м, Fj=0,09 м и периметром L/=4,3 м, L2=,9 м

Росс*">сее. а

Гфг у гг л'■»' ч»

' '’ЖЮ I

?т j

Рис. 1.9. Изотермическое температурное поле на поверхностях остекления при разных переплетах

а) металлический переплет

б) деревянный переплет

соответственно, значения сопротивления теплопередаче стеклопакетов соста­вят Rj=0,50 м2-°С/Вт м2*°С/Вт. Как следует из полученных данных, со­

противление теплопередаче стеклопакетов малой площади существенно уменьшается за счет влияния распорной рамки стеклопакета, являющейся теп­лопроводным мостиком.

На рис. 1.11 показано изотермическое температурное поле в разных одно­камерных стеклопакетах с алюминиевой рамкой. Как видно из рисунка, даже наличие аргона и селективного покрытия в стеклопакете с алюминиевой рам­кой не снимает проблему теплового мостика. Он является причиной образова­ния конденсата, а при особо низких температурах, даже обледенения по краям стеклопакетов. Для учета влияния алюминиевой рамки в немецких нормах [92] введен специальный понижающий коэффициент на теплопотери окна, связанные с этим тепловым мостиком. С введением этого коэффициента при­веденное сопротивление теплопередаче уменьшается на 2-5%, а в неблаго­приятных случаях еще значительней.

Поэтому, при использовании остекления, обладающего хорошими тепло­изолирующими свойствами, требования к теплотехническим характеристикам оконных рам и соединительной рамки стеклопакета в теплоизолирующих свойствах окна возрастают.