Теплопередача и оконные заполнители

Влияние инфильтрации холодного воздуха на сопротивление теплопередаче стеклопакета

Теплопотери через окна складываются из трансмиссионных, примерно 15-20%, и 30-35% от общих потерь тепла идет на нагрев поступающего через окна холодного воздуха [12]. Следует отметить, что в принятой схеме венти­ляции для жилых зданий массового строительства предусмотрено поступление наружного воздуха в квартиры путем инфильтрации через ограждающие кон­струкции и удаление отработанного воздуха через вытяжную вентиляцию с ес­тественным побуждением. При этом, фактический воздухообмен в квартирах определяется наружной температурой воздуха, скоростью и направлением ветра, а также воздухопроницаемостью окон и дверей. При низкой герметич­ности окон весьма часто имеет место избыточная инфильтрация наружного воздуха, которая неизбежно влечет за собой перерасход тепла при эксплуата­ции зданий. По данным натурных испытаний ЦНИИЭП инженерного обору­дования было установлено, что эта величина теплопотерь достигала более 20 процентов от общего расхода тепла на отопление жилых зданий [12].

В связи с этим, представляется целесообразным в экономическом и ги­гиеническом аспектах максимально герметизировать окна и оборудовать их устройством, регулирующим поступление наружного воздуха.

Инфильтрация холодного воздуха в помещение через окна происходит по трем основным направлениям:

- через соединение между наружной стеной и оконной коробкой по пери­метру оконного проема;

- через разъемное соединение - по притвору створок к оконной коробке;

- через соединение между переплетами и остеклением.

В ходе проведенных исследований выявлено, что инфильтрация холодно­го воздуха приводит не только к проникновению воздуха через неплотности, но и снижению общего сопротивления теплопередаче окна до 30%, особенно краевых зон, что было показано во второй главе. Эти явления наиболее харак­

терны для конструкций окон без стеклопакетов. Для окон со стеклопакетами это также имеет место, только в меньшей степени.

Систематическое исследование влияния инфильтрации холодного воздуха между переплетом и остеклением для однокамерного стеклопакета на его со­противление теплопередаче было выполнено с использованием климатиче­ской камеры. В камере создавалась и поддерживалась отрицательная темпера­тура до минус 35 °С и воздухопроницаемость измерялась при отрицательных температурах, создавая естественные условия эксплуатации окна. В камере имелась возможность регулирования температуры и избыточного давления для изменения интенсивности инфильтрация холодного воздуха через испы­тываемую конструкцию. Увеличение давления в камере моделировало увели­чение внешнего давления под действием ветра.

В опытах испытывался однокамерный стеклопакет с теплоотражающим покрытием на основе серебра. Размеры стеклопакета составляли 400x900 мм2. Были проведены эксперименты при различных расходах воздуха, инфильт - рующегося через испытываемую конструкцию. Стеклопакет был вставлен в ПВХ раму и изготовлен на Заводе “Профиль-С” г. Новосибирска.

С целью определения среднего термического сопротивления стеклопакета с теплоотражающим покрытием были измерены тепловые потоки по всей по­верхности остекления со стороны помещения. На рис.3.3 показаны точки по­верхности стекла, в которых датчиком теплового потока 027 мм и толщиной 2 мм проводились измерения тепловых потоков. В указанных точках приведены значения плотностей тепловых потоков, полученных в испытаниях. На рисун­ке отмечены положения трех датчиков тепловых потоков, они заштрихованы, которые не перемещались во время испытаний и позволяли контролировать стационарность режима измерения. Кроме того, термопары, установленные с обеих сторон стеклопакета, свидетельствовали о постоянстве с течением вре­мени температурных полей поверхностей остекления. Для анализа поля тепло­вых потоков по поверхности остекления на рисунке проведена сплошная ли­ния, соединяющая точки поверхности со значением плотности теплового по - 2

тока 90 Вт/м. Из рисунка следует, что наибольшие тепловые потоки, следова-

*

тельно, наименьшие термические сопротивления обнаружены в нижней зоне стеклопакета и с боковых сторон остекления, а также во всех четырех углах стеклопакета.

При анализе причин, которые могли приводить к увеличению теплового потока по периметру стеклопакета, было обращено внимание на возможность инфильтрации холодного воздуха из климатической камеры в помещение по краям стеклопакета, вследствие избыточного давления в климатической каме­ре. Измерение избыточного давления в климатической камере дало значение 36 мм. вод. ст. Такое избыточное давление возникает на наветренной стороне здания высотой 15 метров при скорости ветра 28 м/с и температуре воздуха минус 30°С [88].

Для выяснения влияния инфильтрации на сопротивление теплопередаче стеклопакета были проведены испытания стеклопакета при более низких из­быточных давлениях в климатической камере: 16 мм. вод. ст. и 1,8 мм. вод. ст., что соответствовало избыточному давлению, создаваемому встречным ветром для условий, рассмотренных выше и скорости ветра в первом случае 18 м/с, а во втором при отсутствии ветра, когда перепад давления вызван только разни­цей температур на улице и внутри помещения. При обсуждении результатов, испытание при давлении 36 мм. вод. ст. далее будем называть испытаниями с высокой инфильтрацией холодного воздуха, а при 1,8 мм. вод. ст. соответст­венно с низкой инфильтрацией.

На рис.3.4 приведено распределение тепловых потоков по поверхности остекления для стеклопакета при низкой инфильтрации холодного воздуха. Температурные перепады между температурой в климатической камере и в помещении для результатов, показанных на рис.3.3 и 3.4, были одинаковы и составляли 49°С.

Из сопоставления распределения тепловых потоков по поверхности ос­текления при разных значениях инфильтрации видно, что картина распределе­ния плотностей тепловых потоков в центральной области остекления почти не изменилась. На рис.3.5 показано распределение теплового потока по высоте стеклопакета вдоль продольной оси В-В (см. рис.3.3 или 3.4) с высокой ин-

q, Вт/м2

фильтрацией холодного воздуха и с низкой. Из рисунка следует, что снижение инфильтрации холодного воздуха практически не повлияло на распределение тепловых потоков по центру стеклопакета.

Противоположная картина наблюдалась вдоль бокового края и нижней

поверхности остекления. Линия, показывающая границу теплового потока в 90

2

Вт/м на рис.3.4 отсутствует около бокового края остекления, и в нижней час­ти приблизилась к краю остекления, в сравнении с аналогичной линией на рис.3.3. Существенно уменьшились тепловые потоки в углах остекления при снижении инфильтрации холодного воздуха.

Распределение тепловых потоков вдоль нижнего края остекления (линия А-А рис.3.3 или 3.4) при разных уровнях инфильтрации показано на рис.3.6. Отсчет координаты х проводился от левого нижнего угла остекления, здесь d - ширина остекления. Из рисунка следует, что тепловой поток с уменьшением инфильтрации холодного воздуха снижался вдоль нижнего края остекления.

На рис.3.7 приведены распределения тепловых потоков вдоль бокового края остекления (линия Б-Б рис.3.3 или 3,4). Видно, что повышенная ин­фильтрация воздуха приводила к значительному увеличению теплового потока вдоль бокового края остекления.

Измерения распределений тепловых потоков на поверхности стеклопаке­та с теплозащитным покрытием позволили получить среднюю по поверхности величину сопротивления теплопередаче R, которое определялось отношением перепада температур воздуха с той и другой стороны конструкции к теплово­му потоку через остекление. Значение сопротивления теплопередаче для одно­камерного стеклопакета с теплоотражающим покрытием для стандартных ус­ловий при режиме с низкой инфильтрацией холодного воздуха, при отсутствии

2 о

ветра, оказалось равным 0,55 м ' С/Вт. При режиме с высокой инфильтрацией холодного воздуха происходило снижение сопротивление теплопередаче стек­лопакета за счет увеличения инфильтрации. При этом среднее по поверхности

2 о

термическое сопротивление стеклопакета составило 0,45 м * С/Вт.

Таким образом, увеличение внешнего давления на исследованный одно­камерный стеклопакет с теплозащитным покрытием, приводило не только к

т

♦

инфильтрации холодного воздуха, и соответственно к дополнительным затра­там на его нагрев, но и к снижению температуры внутреннего слоя остекления и сопротивления теплопередаче стеклопакета на 18%.

Следует отметить, что, хотя стеклопакеты обладают сравнительно более низкой воздухопроницаемостью по сравнению с обычным остеклением, в ис­пытаниях было обнаружено, что инфильтрация холодного воздуха приводила к охлаждению краевых зон остекления и снижению общего термического со­противления стеклопакета. Данные процессы могут являться причиной выпа­дения конденсата, а в условиях низких зимних температур приводить и к об­леденению остекления. Отмеченные особенности необходимо учитывать при проектировании и строительстве высотных зданий с использованием стекло­пакетов в районах с низкими зимними температурами и сильными ветрами.

Таким образом, на основе проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В натурных экспериментах обнаружено значительное превышение фак­тической воздухопроницаемости окон по сравнению с нормативными значе­ниями, которое приводит к росту потерь тепла.

2. Увеличение внешнего давления на исследованный однокамерный стек­лопакет с теплозащитным покрытием, приводило не только к инфильтрации холодного воздуха, и соответственно к дополнительным затратам на его на­грев, но и к снижению температуры внутреннего слоя остекления и сопротив­ления теплопередаче стеклопакета на 18%.