Теплопередача и оконные заполнители

Измерение тепловых потоков элементов конструкций в натурных условиях

С целью отработки методик определения температур и тепловых потоков были проведены тестовые измерения по определению сопротивления теплопе­редаче стен и окон в экспериментальном корпусе Института теплофизики СО РАН и в административном здании Советского района г. Новосибирска.

Помещение экспериментального корпуса представляло собой аэродина- мический зал 15x8 м и высотой 6 метров. Стены кирпичные толщиной в два кирпича с облицовкой в половину силикатного кирпича. Окна с двойным ос - теклением, размером проемов 4x2,8 м, с расстоянием между стеклами 145 мм.

А

Оконные проемы заполнены деревянными рамами размером 1x0,7 м. На ниж­ней раме остекления одного из окон были выполнены измерения.

На рис.2.6 приведено распределение температуры по высоте стекла вдоль центральной линии. Здесь Н - высота стекла, которая составляла 0,9 м. Изме-

1.0

Y/H

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

30 60 90 120 150

.2

q, Вт/м

Рис.2,7. Тепловые потоки по высоте стекла

*

рения проводились при температуре наружного воздуха /„=-26°С и темпера­туре внутри помещения гв=16°С. Влажность воздуха в помещении составляла 32%. Из рисунка следует, что температура стекла в нижней зоне наиболее низ­кая. Наблюдается заметный рост температуры с увеличением расстояния от нижнего края стекла. Непосредственно около нижнего края рамы наблюдается незначительное повышение температуры стекла, что связано с тем, что терми­ческое сопротивление деревянной рамы больше термического сопротивления стекла, и, в результате этого, температура стекла в областях, примыкающих к раме, повышается. Максимальный перепад температуры по высоте стекла со­ставлял около 10°С.

На рис.2.7 показаны измеренные по высоте стекла тепловые потоки. Теп­ловой поток в каждой точке стекла, фиксируемый датчиком, с течением вре­мени колебался около средней величины. Поэтому, в каждой точке проводи­лось 10-15 отсчетов с интервалом между ними 2 секунды. За измеренную ве­личину теплового потока q принималась средняя величина. Как видно из ри­сунка, тепловой поток на внутреннем стекле примерно составлял 140 Вт/м2.

Проведены измерения тепловых потоков через наружную стену здания на расстоянии одного метра от окна и через раму. Из рис.2.8 следует, что тепло­вые потоки через раму и стену в 3-4 раза меньше тепловых потоков через све­топропускающую часть окна.

По измеренным тепловым потокам было определено сопротивление теп­лопередаче прозрачной части окна, рамы и стены по следующей формуле:

R=At/q, (2.1)

где At=te~tH - разность температур между внутренней и наружной температу­рой воздуха.

Сопротивление теплопередаче светопропускающей части окна оказалось равной 0,3 м2-°С/Вт, рамы - 1,2 м2-°С/Вт. Поверхность рамы составляла 12% от поверхности всего оконного проема. Приведенное сопротивление оконного проема, учитывающее относительные доли поверхности стекла и рамы,

Я^=0,41 м2-°С/Вт. СНиП [88] дает значение сопротивления теплопередаче для двойного остекления в деревянных переплетах равное 0,44 м2-°С/Вт. Согласно рекомендациям СНиП, при поверхности остекления больше 86% от общей по­верхности оконного проема, как это имело место в нашем случае, следует брать цифру на 5% меньше от указанной. Таким, согласно СНиП, для данного вида остекления получается значение Rnp=0}42 м2-°С/Вт, что достаточно близко к измеренному значению.

Сопротивление теплопередаче наружной стены по результатам измерений оказалось равным 1,1 м2-°С/Вт. Расчет сопротивления теплопередаче стены из двойного глиняного кирпича с облицовкой в половину силикатного дает близ­кую цифру, Rp~,2 м2-°С/Вт.

Таким образом, экспериментально определенные сопротивления теплопе­редаче типовых конструкций экспериментального корпуса, оказались близки к расчетным, что свидетельствует о надежности и корректности выбранных ме­тодик и аппаратуры для измерения тепловых потоков и температур.

Второй вывод, который следовал из проведенных измерений, заключается в том, что в исследуемом помещении приведенное сопротивление теплопере­даче окон в три раза меньше сопротивления теплопередаче стен.

Перед проведением экспериментальных исследований сопротивления те­плопередаче окна в административном здании теплосетей Советского района г. Новосибирска было выполнено термографическое обследование с использо­ванием тепловизионной ИК-камеры Сова-2 фирмы “TBJI” г, Новосибирска [14, 25]. Температура наружного воздуха при обследовании составляла минус 26°С, температура в помещении 16°С. На рис.2.9 приведены термографиче­ские картины фасада здания. Следует отметить низкую температуру поверхно­стей окон первого этажа, что связано, как показали инструментальные замеры, с повышенной инфильтрацией через окна холодного воздуха внутрь помеще­ния, который приводил к охлаждению поверхностей остекления. Поверхности окон второго, третьего и четвертого этажей имеют более высокую температу­ру, чем окна первого этажа, что связано с постепенным снижением инфильт­рации холодного воздуха с ростом этажности и преобладанием процесса экс-

фильтрации, то есть выхода теплого воздуха из помещения на улицу, что ведет к увеличению температуры остекления.

Таким образом, основной вывод, который можно сделать исходя их на­ружного термографического обследования окон административного здания теплосетей Советского района г. Новосибирска - это низкие температуры окон первого этажа, что свидетельствуют о их высокой воздухопроницаемости.

Далее было проведено термографическое обследование внутренней по­верхности окна в одном из помещений первого этажа [22]. На рис.2.10 показа­ны термограммы оконного проема, показывающие качественную картину рас­пределения температур по поверхности окна. Из рисунка видно, что наиболее низкая температура имеет место на поверхности остекления. Она составляла минус 2°С. Фотография окна в ИК-диапазоне показывает неравномерность распределения температуры по поверхности окна. Зоны пониженной темпера­туры расположены в различных областях окна, а не только в нижней его части, что свидетельствует о высокой воздухопроницаемости окна. Температура ра­мы окна была выше, чем температура остекления, и составляла около 6-8°С.

Для получения количественных данных по сопротивлению теплопередаче окна было выполнено инструментальное обследование.

Определение сопротивления теплопередаче окна в административном здании было проведено на оконном проеме первого этажа. Согласно прове­денному термографическому обследованию данный оконный проем имеет на­ружные температуры поверхностей типичные для окон первого этажа. Размер оконного проема составил 1,45x1,77 м. Оконный проем заполнен деревянной рамой с двойным остеклением в раздельных переплетах. Каждый ряд остекле­ния состоял из двух открывающихся застекленных створок, среднего стекла и

•у

форточки. Стекло левой створки размером 129x38 см, среднее стекло - 129x53 см2, стекло правой створки - 79x38 см2, размер стекла форточки 38x38 см2. Отношение площади остекления к площади оконного проема составляло 70 %.

Для исследования температур и плотностей тепловых потоков на поверх­ности остекления и рамы устанавливались хромель-апюмелевые термопары и

датчики тепловых потоков модели ПТП 0.11.13.14.00 размером 0 27x2 мм [66], Сигнал с термопар и тепломеров поступал на милливольтметр.

На основе полученных данных, были определены средние тепловые пото­ки q„ проходящие через стекло и раму, и соответствующие им сопротивления теплопередачи Rt-At/qh где At - перепад температур воздуха с обеих сторон поверхности. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.1.

Согласно ГОСТ 26602-85 [15] были определены приведенные сопротив­ления теплопередаче остекления Rce=0,25 м2*°С/Вт и рамы RHenp=0,57 м2-°С/Вт. Общее сопротивление теплопередаче окна оказалось равным 7?„р=0,30 м2°С/Вт. Согласно Приложению 6* Изменения № 4 СНиП II—3—79* приведен­ное сопротивление теплопередаче для двойного остекления в раздельных де­ревянных рамах должно составлять 0,44 м2-°С/Вт.

Таким образом, полученное в испытаниях приведенное сопротивление теплопередаче оконного блока 0,30 м2-°С/Вт, что на 32 % меньше, чем сопро­тивление теплопередаче согласно СНиП II-3-79*. Такое снижение приведен­ного сопротивления теплопередаче оконного проема связано со значительным превышением от нормативных значений, как будет показано далее в параграфе

3.1, инфильтрации наружного воздуха через оконный проем внутрь помеще­ния.

В ходе проведенных экспериментальных исследований показано, что ме­тодика и аппаратура для проведения экспериментов прошли проверку при ис­

следовании тепловых потерь реальных здания в натурных условиях и позво­ляют получить не только качественную картину распределения температур по поверхности ограждающих конструкций, но и количественные данные по тем­пературам, тепловым потокам и сопротивлениям теплопередаче.