Теплопередача и оконные заполнители

Влияние толщины оконной коробки на тепловые потери

Одним из эффективных решений, позволяющим реализовать повышенные требования по теплозащите окон и находящим все более широкое применение в строительстве, являются окна в пластмассовых переплетах с использованием двухкамерных стеклопакетов, твердого или мягкого селективных покрытий стекла, заполнением межстекольного пространства инертными газами [41]. Однако, данные конструкции окон имеют один существенный недостаток, за­ключающийся в том, что устанавливаемые в наружные стены зданий совре­менные оконные блоки часто имеют узкие оконные коробки. И этот факт нель­зя не учитывать при рассмотрении совместной работы стены и окна, так как в результате эксплуатации зданий с узкими оконными коробками возникают по­вышенные теплопотери через оконные откосы наружных стен. Поэтому, ис­следование теплового режима узлов сопряжений оконных блоков с наружны­ми стенами имеет важное практическое значение.

При установке окна в однослойной стене, без каких-либо дополнительных мероприятий по утеплению оконных откосов значительны тепловые потери через оконные откосы. Кроме этого, оконный блок оказывается размещенным в зоне пониженных температур, и потери тепла через оконные откосы идут в толщу стены с низкими температурами, что приводит к понижению темпера­туры внутренней поверхности откосов ниже температуры точки росы и выпа­дению на их поверхности конденсата. Это, в свою очередь, ведет к увеличе­нию теплопотерь через оконные откосы и, соответственно, снижению приве­денного сопротивления теплопередаче стены.

Таким образом, учет совместной работы наружной стены и окна имеет не только санитарно-гигиеническое, но и экономическое значение, так как это напрямую влияет на тепловые потери через ограждающие конструкции.

Для снижения теплопотерь через оконные откосы ограждающих конст­рукций можно использовать несколько различных приемов:

- смещение оконной коробки к центру наружной стены;

- утепление оконных откосов с внутренней или наружной стороны;

- увеличение толщины оконной коробки;

- устройство термовкладыша в толще стены.

Оценка эффективности различных решений выполнена на основе расчета температурных полей узлов сопряжений оконных блоков с наружными стена­ми в двухмерной постановке на основе метода конечных элементов с исполь­зованием программы COSMOS/M VI.6.

Программа основана на решении дифференциального уравнения тепло­проводности, которое в прямоугольной системе координат в общей форме имеет вид [32]

дт.(ъ2т д2т д2т. , v ^ п

где Т(х, у, z, t) - изменение температуры тела от начальной; р - плотность ма­териала; с - теплоемкость материала; X - теплопроводность материала; q - удельная мощность внутренних источников тепла.

В случае двухмерной задачи и отсутствия внутреннего источника теплоты уравнение (5.1) примет вид

дт ftir

р-етш (5-2)

При постановке задачи необходимо задать начальные и граничные усло­вия. Начальное условие определяет распределение температуры в момент вре­мени *=0 и записывается в виде:

Т(х, у, 0) =/(х, у).

В качестве основных граничных условий на поверхности тела задаются:

1. Распределение температуры на поверхности S тела как функции коор­динат и времени.

2. Нормальная компонента градиента температуры, соответствующая по­току тепла q через граничную поверхность, т. е. задаются значения теплового потока для каждой точки поверхности тела и любого момента времени

(5.4)

3. Конвективный теплообмен. При этом задаются температура окружаю­щей среды и закон теплообмена между поверхностью тела и окружающей сре­дой

(5.5)

где Тс - температура окружающей среды; Т - температура поверхности тела; а - коэффициент теплоотдачи.

4. В случае контакта двух твердых тел по поверхности S12 с температура­ми Т; и Т2 ставятся условия сопряжения. Предполагается, что между телами осуществляется идеальный контакт (температуры соприкасающихся поверх­ностей одинаковы)

(5.6)

Второе условие фиксирует равенство тепловых потоков из одного тела в другое.

Реализация задачи теплопроводности осуществляется в данной программе с помощью метода конечных элементов. Данный метод может быть применен для решения задач как стационарной, так и нестационарной теплопроводности. В случае, если и геометрические характеристики имеют резкие изменения (на­пример, изменения в толщине), то метод конечных элементов, пожалуй, един­ственный из других численных методов позволяет получить решение в рамках единой расчетной схемы.

Для двухмерной стационарной задачи дифференциальное уравнение теп­лопроводности (5.2) примет вид

дгт д2т Л

Идея метода конечных элементов в форме, когда за неизвестную функ­цию принята температура, выглядит так. Объем, занимаемый конструкцией, разбивается на довольно большое число элементарных объемов, называемых конечными элементами. Степень густоты сетки зависит от степени изменения решения задачи. Линии, по которым стыкуются конечные элементы, называ­ются узловыми линиями, а места, где сходится несколько узловых линий - уз­ловыми точками. Предполагается, что температурное поле всей конструкции может быть с достаточной точностью представлено температурами узловых точек. Вводятся функции формы, аппроксимирующие температуры внутри каждого конечного элемента через температуры узловых точек.

При выполнении расчетов основное внимание было обращено на измене­ние температуры на поверхности внутреннего и наружного откосов, темпера­туры остекления оконного блока, а также тепловых потерь через стены и оконные откосы. В расчетах задавались следующие параметры: температура внутреннего и наружного воздуха, коэффициенты теплопроводности материа­лов ограждений, плотности применяемых материалов, а также коэффициенты теплоотдачи с внутренней и наружной поверхностей ограждающих конструк­ций.

Во всех вариантах расчетов принимались следующие величины темпера­тур: внутреннего воздуха +20°С, наружного воздуха минус 40°С, коэффициен­ты теплоотдачи с внутренней и наружной поверхностей ограждающих конст­рукций 8,7 и 23 Вт/(м2-°С) соответственно.

Для проверки точности и корректности проводимых расчетов с использо­ванием данной программы по методу конечных элементов, были выполнены предварительные расчеты на одной и той же модели (узла сопряжения окна и стены) при следующих размерах конечных элементов: 20x20, 10x10 и 6,7x6,7 мм. Были получены следующие результаты: при размере конечных элементов 20x20, 10x10 и 6,7x6,7 мм температура в определяющей точке была 1,32°С, 0,92°С и 0,88°С соответственно. Из представленных результатов видно, что с уменьшением размера конечных элементов, значение температуры в расчет­ной точке практически не меняется. Все дальнейшие расчеты выполнялись на сетке 6,7x6,7 мм.

Рассмотрим влияние толщины оконной коробки на тепловые потери через ограждающие конструкции. Выполним расчет однослойной кирпичной стены толщиной 640 мм с оконным блоком с тройным остеклением. Расстояние от наружной грани стены до оконного блока (рис.5.1) L2 составляло 120 мм. Тол­щина оконной коробки д была в выполненных расчетах: 60, 120 и 180 мм. По результатам расчетов был построен график, показывающий изменение темпе­ратуры внутреннего откоса вблизи оконного блока (на расстоянии 1 см от не­го) в зависимости от толщины оконной коробки (рис.5.2). На этом же рисунке показана температура внутренней поверхности стекла при тройном остекле­нии. Как видно из рисунка, с увеличением толщины оконной коробки темпе­ратура внутреннего откоса вблизи оконного блока повышается. Одновременно происходит уменьшение тепловых потерь через оконные откосы.

Распределение температур вдоль внутренней поверхности стены Ly= 1 м и бокового оконного откоса представлено на рис.5.3. Как видно из рисунка тол­щина оконной коробки оказывает слабое влияние на распределение темпера­тур по внутренней поверхности стены, в тоже время на поверхности бокового

*

* б)

откоса около рамы имеет место сильное влияние толщины оконной коробки. Распределение температур вдоль наружной поверхности стены и оконного от­коса представлено на рис.5.4. Из рисунка следует, что при толщине оконной коробки 60 мм поверхность наружной стены и оконного откоса имеют наибо­лее высокую температуру из представленных вариантов, что говорит о том, что в этом случае теплопотери больше, чем в других вариантах.

На основе данных рис.5.3 и 5.4 были определены тепловые потоки через поверхность стены и боковых оконных откосов. Проведем сравнение данных тепловых потерь с теплопотерями стены без оконного проема. По результатам предварительных расчетов тепловой поток через 1 м2 кирпичной стеньг тол-

л

щиной 640 мм составляет 63,3 Вт/м. Как видно из рис.5.5, для кирпичной сте­ны, при толщине оконной коробки 60 мм дополнительные потери через по­верхность стены и оконного откоса по сравнению с обычной стеной увеличи­ваются на 26%, а при толщине 120 и 180 мм соответственно на 18 и 12%. Та­ким образом, видно, что применение узких оконных коробок ведет к сущест­венному увеличению теплопотерь через ограждающие конструкции.