Теплопередача и оконные заполнители

Обогрев теплой воздушной прослойки при тройном остеклении

Для обеспечения комфортных условий в помещении необходимо, чтобы перепад температур между температурой воздуха в помещении и температу­рой внутренних поверхностей ограждающих конструкций был минимальным. Величину этого перепада регламентирует СНиП II—3—79 “Строительная теп­лотехника” [88]. Чтобы обеспечить минимальный температурный перепад, не­обходимо иметь достаточное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций. Окна обычно имеют более низкое значение сопротивления теп­лопередаче, чем стены, поэтому в реальных условиях наиболее низкой в зим­ний период времени является температура остекления окон, что создает дис­комфортные зоны вблизи них. Для создания комфортных условий необходимо, чтобы температура внутренней поверхности остекления была не ниже 14°С при температуре внутреннего воздуха в помещении 20°С [89].

Низкая температура остекления ведет не только к образованию конденса­та, а в некоторых случаях и к обледенению поверхности остекления, что сни­жает световую активность окон. Особенно часто эти процессы наблюдаются в нижней области остекления, где наиболее низкая температура поверхности стекла. Поэтому актуальной представляется задача исследования новых конст­рукций окон с более высокими температурами внутренней поверхности остек­ления.

Чтобы не образовывался конденсат на поверхности остекления, возможны следующие мероприятия:

- установка отопительных приборов, обеспечивающих равномерное по­вышение температуры внутренней поверхности стеклопакетов;

- обдув внутренней поверхности стеклопакетов воздухом температурой

- применение электрообогреваемых стеклопакетов, устроенных по прин­ципу электрообогреваемого остекления;

- применение многокамерных стеклопакетов;

- применение обогрева межстекольного пространства.

В связи со значительным повышением требований к сопротивлениям теп­лопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций [30] в условиях горо­да Томска для жилых зданий приведенное сопротивление теплопередаче для окон и балконных дверей должно быть не менее 0,64 м2-°С/Вт. В тоже время, сопротивление теплопередаче для тройного остекления в деревянных или пла­стмассовых переплетах составляет, согласно [88], 0,55 м2оС/Вт. Таким обра­зом, для выполнения существующих нормативных требований для условий города Томска, необходимо переходить к другим видам оконных заполнений, что, как правило, снижает светопропускание, усложняет конструкцию окна и повышает его стоимость.

Видно, что по действующим нормативам тройное остекление [17, 18] не проходит, и нужны другие меры по повышению сопротивления теплопередаче окон. Одним из них является применение обогрева межстекольного простран­ства. Следует отметить, что применение обогрева вовсе не обязательно вести целый год. Его необходимо применять периодически, в наиболее холодные дни и в то время, когда люди находятся в помещении.

Кроме традиционных способов повышения температуры внутренней по­верхности остекления, таких как: увеличение числа слоев остекления, приме­нение теплоотражающих покрытий, заполнения межстекольного пространства различными газами, существуют способы нагрева поверхности стекла или воз­душного промежутка между стеклами [46, 57, 61].

Повышение тепловых характеристик тройного остекления в наиболее хо­лодные периоды времени можно достичь, используя обогрев остекления или межстекольного воздушного промежутка. В литературе [46, 72] приведены данные по электрообогреву при двойном остеклении. В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований влияния выделения тепла в межстекольном воздушном пространстве на температуры поверхно­

стей остекления и сопротивление теплопередаче окна при тройном остекле­нии.

Испытываемый фрагмент остекления представлял собой однокамерный стеклопакет 4-16-4 мм и одинарное остекление толщиной 6 мм, установлен­ные в общей ПВХ раме. Расстояние между стеклопакетом и одинарным остек­лением составляло 57 мм. Размеры остекления составляли 325x825 мм. В цен­тре воздушного промежутка между стеклопакетом и одинарным остеклением по всей ширине окна в нижней части на расстоянии 20 мм от нижнего края ос­текления был установлен спиральный цилиндрический омический нагреватель 0 5 мм. В опытах тепловой поток, подводимый через нагреватель, изменялся от 27 до 100 Вт/м на единицу длины нижнего края остекления.

Температура в холодном отделении климатической камеры во время про­ведения экспериментов была минус 35°С, в теплом отделении, которым явля­лось окружающее помещение, температура составляла 18°С.

В ходе экспериментов измерялись температуры и плотности тепловых по­токов с теплой и холодной сторон остекления с использованием хромель - копелевых термопар 0 0,2 мм и датчиков тепловых потоков модели ПТП с размерами 0 27x2 мм. Мощность, подводимая к нагревателю, измерялась с помощью ваттметра Д-57.

В первой серии экспериментов стеклопакет был установлен со стороны холодного отделения климатической камеры, а одинарное остекление - тепло­го. Получены распределения температур (рис.4.1) и плотностей тепловых по­токов (рис.4.2) для разных режимов нагрева по высоте остекления от нижнего его края для поверхностей остекления со стороны холодного и теплого отде­лений климатической камеры.

В ходе экспериментов было установлено, что с увеличением электриче­ской мощности, подаваемой на нагреватель, повышается температура остекле­ния. Наиболее значительное повышение температуры наблюдалось с теплой стороны остекления, меньшее влияние нагреватель оказывал на холодную сто­рону остекления. Из рис.4.1 следует, что нагрев приводил к более равномер-

♦

ному распределению температуры по поверхности остекления, чем при его от­сутствии.

Таким образом, в ходе экспериментов было установлено, что при неболь­ших тепловыделениях 50-100 Вт/м в нижней части воздушной прослойки при трехслойном остеклении, можно добиться существенного повышения темпе­ратуры внутреннего стекла в нижней зоне и создать более равномерное рас­пределение температур по высоте остекления со стороны помещения. При мощности нагревателя более 90 Вт/м, температура внутреннего стекла локаль­но, на расстоянии 100 мм от нижнего края, в месте расположения нагревателя, превышала температуру воздуха в помещении и эта зона стекла начинала обогревать помещение.

Распределение плотностей тепловых потоков по поверхностям остекления показано на рис.4.2. Для сравнения здесь же приведено распределение тепло­вых потоков по поверхностям остекления без обогрева. Видно, что с увеличе­нием электрической мощности, подаваемой на нагреватель, тепловой поток, уходящий из помещения через внутреннее стекло снижается, вследствие уменьшения разницы температур между температурой внутреннего остекле­ния и температурой воздуха в помещении. С холодной стороны тепловой по­ток увеличивается.

На рис.4.3 представлено распределение сопротивления теплопередаче по высоте остекления при двух мощностях нагревателя: 50 и 27 Вт/м, а также при отсутствии обогрева. Видно, что с увеличением мощности, подаваемой на на­греватель, растет сопротивление теплопередаче конструкции стеклопакет - стекло, которое определялось отношением разности температур между темпе­ратурами внутреннего и наружного воздуха к плотности теплового потока, идущей из помещения через остекление [21]. Так, без обогрева сопротивление теплопередаче данной конструкции для стандартных условий (при коэффици­ентах теплоотдачи с внутренней и наружной поверхностей 8,7 и 23 Вт/м2 оС соответственно) составило 0,54 м2-°С/Вт, при мощности нагревателя 27 Вт/м - 0,75 м2*°С/Вт, а при 50 Вт/м - 1,0 м2-°С/Вт.

*

Изменение температуры в нижней зоне остекления, при разных мощно­стях обогрева, с течением времени показано на рис.4.4. За температуру нижней зоны остекления принималась температура, которую показывала термопара, установленная на остеклении выше нижнего его края на 100 мм. Из него вид­но, что с увеличением мощности подаваемой на нагреватель возрастает время выхода температуры остекления на равновесное состояние. При режиме обог­рева 50 Вт/м время выхода на стационарный режим составляло немногим бо­лее 60 минут, причем достижение уровня в 90% от равновесной температуры происходило в течение первых 30 минут.

На рис.4.5 приведена аппроксимирующая зависимость результатов прове­денных экспериментов, показывающая максимальное повышение температуры на внутренней поверхности стекла вызванное подачей той или иной электри­ческой мощности на нагревательный элемент. По этому рисунку можно опре­делить какую мощность нужно подать на нагреватель, для обеспечения тре­буемой температуры на поверхности остекления в нижней зоне и, наоборот, зная мощность нагревателя, можно определить какая температура будет в этом случае на поверхности остекления.