Теплопередача и оконные заполнители

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКОННЫХ ЗАПОЛНЕНИЙ

ПЕТРОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ОБОЗНАЧЕНИЯ

А, В, С, т - численные коэффициенты b - толщина переплета с - удельная теплоемкость газа

ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела d - толщина стенки, ширина остекления Е - интенсивность излучения F - площадь поверхности g - ускорение свободного падения G - воздухопроницаемость, расход воздуха Gr^qfifte-tjx3/- число Грасгофа h - теплопередача в промежуточном пространстве h; - теплопередача стеклянной части стеклопакета Н~ высота здания или остекления і - коэффициент воздухопроницаемости / - расход воздуха

К - безразмерный коэффициент теплопередаче

Ак - приращение коэффициента теплопередаче

АК - безразмерное приращение коэффициента теплопередаче

L - ширина прослойки

Nux=ax/A ~ число Нуссельта

р, Ар - статическое давление, перепад статического давления

Рг - число Прандтля

q - удельный тепловой поток

qx=jucp(T0-TJ - удельная хладопроизводительность

Q - поток тепла или количество тепла

г - коэффициент теплотехнической однородности

R - термическое сопротивление, сопротивление теплопередаче

Re=ua/v - число Рейнольдса

S - безразмерный расход воздуха

t, Т, г-температура

At, в, ва - изменение температуры

АТХ~Т0-ТХ - глубина охлаждения

U, к ~ коэффициент теплопередаче

х, у, z - декартовы координаты

a-q/(te-r) - коэффициент теплоотдачи

д - толщина пограничного слоя

5п - толщина пластмассовой рамки

5[ - толщина теплового пограничного слоя

є - излучательная способность или коэффициент излучения

у - удельный вес

Л - коэффициент теплопроводности

ju - динамическая вязкость

V - кинематическая вязкость

0-(t),H-ti)/(te-tJ - безразмерный параметр

р - плотность газа

<у-постоянная Стефана-Больцмана

о - скорость ветра

индексы:

в - внутренняя сторона вп - воздушная прослойка к - конвективные значения л - лучистые значения н ~ наружная сторона о - начальные параметры opt - оптимальные значения от - относительное значение ср - средние значения

Актуальность работы. По прогнозам специалистов мировое энергопс требление ежегодно будет возрастать на 3% [50] и увеличение производств энергии за счет использования природных ресурсов, окажется недостаточны; для покрытия растущих энергопотребностей. Проблема энергосбережения аь туальна не только для России, но и во всем мире. Главной причиной повышеь ного расхода топлива на отопление и вентиляцию зданий является низкий урс вень теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Наиболее велики тег лопотери в ограждающих конструкциях через окна, которые составляют боле половины подводимого к зданию тепла [12].

В нашей стране в качестве одной из приоритетных поставлена задача экс номии топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве, поэтому прс блемы энергосбережения при строительстве нового и реконструкции сущее' вующего жилья приобретают особую остроту. Это вызвано несколькими npt чинами. Так, за последнее время в России происходит существенный рос стоимости энергоресурсов. По оценкам специалистов около 43% всей выраб: тываемой тепловой энергии [52] расходуется в нашей стране на содержант жилых и общественных зданий, причем этот процент постоянно возрастав - Большая часть энергии, затрачиваемой на отопление или охлаждение совр< менных зданий, фактически расходуется на компенсацию теплопотерь или т< плопоступлений через наружные ограждения.

В настоящее время при общем спаде промышленного производства сложной экономической ситуации в России политика государства в облает энергоресурсов вынуждена становиться политикой энергосбережения. Сущ ственным звеном в решении задачи экономии топливно-энергетитческих р сурсов является разработка и внедрение в практику строительства новых ко струкций светопрозрачных ограждений с высокими теплозащитными качес вами.

Реализация жилищно-коммунальной реформы в России невозможна б< существенного сокращения потерь тепла из зданий и сооружений, так как з

траты на отопление жилых помещений могут превышать финансовые возмож­ности населения. В связи с тем, что до 50% потерь тепла приходится на окон­ные проемы, повышаются требования к их сопротивлению теплопередаче. Они нашли отражение в Изменении № 4 СНиП II-3-79* “Строительная теплотех­ника” [30]. Это свидетельствует об актуальности и практической значимости проведения исследований по совершенствованию теплотехнических характе­ристик ограждающих конструкций.

Для достижения положительного энергетического эффекта сокращение потерь тепла через светопрозрачные конструкции должно происходить при сохранении других свойств остекления, в частности, коэффициента светопро - пускания, малых оптических искажений и т. д. Иначе сокращение затрат на отопление может привести к увеличению затрат на освещение помещений, что достаточно часто происходит на практике. Наиболее перспективный путь ре­шения этой проблемы — применение энергосберегающих (низкоэмиссионных) стекол в строительстве. Причем наилучшие показатели достигаются при ис­пользовании их в составе стеклопакетов, заполненных инертными газами.

Опыт эксплуатации зданий показывает, что в формировании теплового режима помещений решающее влияние оказывают световые проемы. Низкое сопротивление теплопередачи остекления, малая его тепловая инерция и спо­собность пропускать солнечную радиацию обуславливают ряд отрицательных явлений: в зимних условиях наблюдаются высокие потери тепла из помеще­ния, низкая температура на внутренней поверхности остекления, а иногда и образование наледей, нисходящие конвективные потоки холодного воздуха в зоне остекления; в летних условиях в районах с жарким климатом - перегрев помещений за счет прямого проникновения солнечной радиации через стекло.

Все эти явления создают дискомфортную обстановку в помещении со всеми нежелательными последствиями. Устранить недостатки, присущие кон­струкциям оконных блоков, можно, например, увеличением рядности остекле­ния и применением специальных стекол.

Данная работа была включена в программу “Строительство” Министерст­ва общего и среднего специального образования в раздел “Совершенствование технологии строительства”. В 1999 г. работа по теме: “Исследование и обосно­вание путей повышения теплозащиты элементов зданий”, № 21-4-5-210, удо­стоена гранта фундаментальных исследований в области архитектуры и строи­тельства Министерства общего и профессионального образования. Результаты, полученные в диссертации, использовались при выполнении хоз. договоров кафедры ТСП ТГАСУ № 720 (1996 - 1997 г.) и № 878 (1998 г.)

Цель работы состояла в исследовании процессов конвективного и лучи­стого теплообмена в окнах, выработке научно обоснованных решений, влияющих на тепловые характеристики оконных заполнений для обеспечения повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

Поставленной целью определены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ и оценку различных способов повышения теплоза­щитных свойств окон.

2. Провести лабораторные и натурные экспериментальные исследования тепловых характеристик различных вариантов оконных заполнений.

3. Выполнить экспериментальные исследования по изучению влияния инфильтрации холодного воздуха на тепловые характеристики окон при за­полнении их стеклопакетами.

4. Провести экспериментальное изучение влияния обогрева межстеколь - ного пространства при тройном остеклении на его тепловые характеристики.

5. Выявить влияние местоположения окна в проеме стены и влияния оконных откосов на тепловые потери через ограждающие конструкции.

6. Провести оценку экономического эффекта различных способов повы­шения теплозащиты оконных блоков.

На защиту выносятся:

1. Классификация факторов, влияющих на теплообмен в светопрозрачных конструкциях.

2. Результаты экспериментальных исследований тепловых характеристик светопрозрачных конструкций в зависимости от рядности остекления, запол­нения межстекольных пространств газами, применения теплоотражающих по­крытий в условиях стационарного теплообмена.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния инфильтрации холодного воздуха на тепловые характеристики окон при заполнении их стек­лопакетами.

4. Экспериментальные результаты эффективности повышения тепловых характеристик тройного остекления за счет тепловыделений в межстекольном пространстве.

5. Результаты численных расчетов влияния местоположения окна в про­еме стены и оконных откосов на тепловые потери через ограждающие конст­рукции.

Научная новизна работы:

- получены новые экспериментальные данные по влиянию различных факторов таких как: количество слоев остекления, заполнение межстекольных пространств газами, применение теплоотражающих покрытий на локальные тепловые характеристики стеклопакетов;

- установлено, что инфильтрация холодного воздуха приводит к увеличе­нию тепловых потерь окон при заполнении их стеклопакетами. Это объясняет­ся охлаждением краевых зон стеклопакета;

- экспериментально установлено влияние тепловыделений в межстеколь­ном пространстве при тройном остеклении на его тепловые характеристики, проанализирована динамика выхода на стационарный режим и мощность обогрева для получения требуемой температуры остекления;

- получены новые данные по тепловым потерям через оконные откосы в зависимости от толщины оконной коробки, местоположения окна в проеме стены и ее конструктивного решения.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные экспе­риментальные данные позволяют определить влияние различных факторов на тепловые характеристики оконных заполнений и разрабатывать конструкции окон с повышенными теплозащитными свойствами Предложенный метод обогрева межстекольного пространства позволяет улучшить тепловую обста­новку вблизи окна и уменьшить тепловые потери из помещения.

Внедрение результатов работы. Результаты выполненных исследований использовались в технологии производства оконных блоков на Заводе “Профиль-С” СПАО “Сибакадемстрой” г. Новосибирска и ЗАО ПСК “Венапласт” г. Томска.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на научно - технической конференции “Материалы, технология, организация строительст­ва” (Новосибирск, 1996 г.), на научно-технической конференции

“Строительные материалы и технология” (Новосибирск, 1997 г.), на XV меж­региональной научно-технической конференции “Расчет и конструирование сооружений, автомобильных дорог, технологии и материалы, экологические проблемы региона” (Красноярск, 1997 г.), на I, II и III Международном кон­грессах “Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструк­ции и нового строительства” (Новосибирск, 1998, 1999 и 2000 г.), на междуна­родном научно-техническом семинаре “Нетрадиционные технологии в строи­тельстве” (Томск, 1999 г.), на научно-технической конференции, посвященной 100-летию архитектурно-строительного образования в Сибири, на пятой на­учно-практической конференции “Проблемы строительной теплофизики, сис­тем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях” (Москва, 2000), на семинарах и заседаниях на производственных предприятиях.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 пе­чатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем дис­сертации составляет 172 страницы, включая 92 рисунка, 14 таблиц. Список ли­тературы содержит 125 наименований.

В первой главе проведен обзор литературы по основным факторам, влияющим на сопротивление теплопередаче окон и способам его изменения. Сформулированы цели исследования.

Во второй главе описана экспериментальная установка. Изложены экспе­риментальные результаты исследования различных вариантов оконных запол­нений.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследова - ний влияния инфильтрации холодного воздуха на сопротивление теплопереда­че окон со стеклопакетами.

В четвертой главе приведены экспериментальные данные влияния обог­рева меж стекольного пространства на теплозащитные свойства тройного ос­текления.

В пятой главе представлены результаты численного расчета влияния тол­щины оконной коробки, ее местоположения по толщине стены, оконных отко­сов и конструктивного решения стены на тепловые потери через ограждающие конструкции.

В приложении сделана оценка погрешности проведенных измерений, проведено экономическое сравнение различных способов повышения тепло­защиты оконных блоков и представлены табличные данные измерений.

Работа выполнялась под руководством доктора технических наук, про­фессора А. И. Гныри, научного консультанта доктора технических наук, про­фессора В. И. Терехова и кандидата технических наук, старшего научного со­трудника М. И. Низовцева.

Автор благодарен сотрудникам кафедры ТСП ТГАСУ, лаборатории тер­могазодинамики Института теплофизики СО РАН за ценные советы и содей­ствие в работе.