Термическое сопротивление воздушной прослойки

Содержание

Ограждения с воздушными прослойками

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 13

Одним из приемов, повышающих теплоизоляционные качества ограждений, является устройство воздушной прослойки. Ее используют в конструкциях наружных стен, перекрытий, окон, витражей. В стенах и перекрытиях ее применяют и для предупреждения переувлажнения конструкций.

Воздушная прослойка может быть герметичной или вентилируемой.

Рассмотрим теплопередачу герметичной воздушной прослойки.

Термическое сопротивление воздушной прослойки Ral нельзя определять как сопротивление теплопроводности слоя воздуха, так как перенос тепла через прослойку при разности температур на поверхностях происходит, в основном, путем конвекции и излучения (рис.3.14). Количество тепла,

передаваемого путем теплопроводности, мало, так как мал коэффициент теплопроводности воздуха (0,026 Вт/(м·ºС)).

В прослойках, в общем случае, воздух находится в движении. В вертикальных — он перемещается вверх вдоль теплой поверхности и вниз – вдоль холодной. Имеет место конвективный теплообмен, и его интенсивность возрастает с увеличением толщины прослойки, поскольку уменьшается трение воздушных струй о стенки. При передаче тепла конвекцией преодолевается сопротивление пограничных слоев воздуха у двух поверхностей, поэтому для расчета этого количества тепла коэффициент теплоотдачи αк следует уменьшить вдвое.

Для описания теплопереноса совместно конвекцией и теплопроводностью обычно вводят коэффициент конвективного теплообмена α’к, равный

α’к = 0,5 αк + λa/δal , (3.23)

где λa и δal – коэффициент теплопроводности воздуха и толщина воздушной прослойки, соответственно.

Этот коэффициент зависит от геометрической формы и размеров воздушных прослоек, направления потока тепла. Путем обобщения большого количества экспериментальных данных на основе теории подобия М.А.Михеев установил определенные закономерности для α’к . В таблице 3.5 в качестве примера приведены значения коэффициентов α’к , рассчитанные им при средней температуре воздуха в вертикальной прослойке t = + 10º С.

Таблица 3.5

Коэффициенты конвективного теплообмена в вертикальной воздушной прослойке

Толщина вертикальной прослойки, м 0,01 0,02 0.03 0,05 0,10
Коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м2·ºС) 2,0 1,7 1,5 1,3 1,1

Коэффициент конвективного теплообмена в горизонтальных воздушных прослойках зависит от направления теплового потока. Если верхняя поверхность нагрета больше, чем нижняя, движения воздуха почти не будет, так как теплый воздух сосредоточен вверху, а холодный – внизу. Поэтому достаточно точно будет выполняться равенство

α’к = λa/δal .

Следовательно, конвективный теплообмен существенно уменьшается, а термическое сопротивление прослойки увеличивается. Горизонтальные воздушные прослойки эффективны, например, при их использовании в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями, где тепловой поток направлен сверху вниз.

Если поток тепла направлен снизу вверх, то возникают восходящие и нисходящие потоки воздуха. Передача тепла конвекцией играет существенную роль, и значение α’к возрастает.

Для учета действия теплового излучения вводится коэффициент лучистого теплообмена αл (Глава 2, п.2.5).

Пользуясь формулами (2.13), (2.17), (2.18) определим коэффициент теплообмена излучением αл в воздушной прослойке между конструктивными слоями кирпичной кладки. Температуры поверхностей: t1 = + 15 ºС, t2 = + 5 ºС; степень черноты кирпича: ε1= ε2= 0,9.

По формуле (2.13) найдем, что ε = 0,82. Температурный коэффициент θ = 0,91. Тогда αл = 0,82∙5,7∙0,91 = 4,25 Вт/(м2·ºС).

Величина αл намного больше α’к (см табл.3.5), следовательно, основное количество тепла через прослойку переносится излучением. Для того, чтобы уменьшить этот тепловой поток и увеличить сопротивление теплопередаче воздушной прослойки, рекомендуют использовать отражательную изоляцию, то есть покрытие одной или обеих поверхностей, например, алюминиевой фольгой (так называемое «армирование»). Такое покрытие обычно устраивают на теплой поверхности, чтобы избежать конденсации влаги, ухудшающей отражательные свойства фольги. «Армирование» поверхности уменьшает лучистый поток примерно в 10 раз.

Рекомендуется располагать воздушные прослойки ближе к наружной стороне ограждения, так как при этом понижается температура, а значит, θ и αл .

Термическое сопротивление герметичной воздушной прослойки при постоянной разности температур на ее поверхностях определяется по формуле

. (3.24)

Таблица 3.6

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Толщина воздушной прослойки, м Ral, м2·ºС/Вт
для горизонтальных прослоек при потоке тепла снизу вверх и для вертикальных прослоек для горизонтальных прослоек при потоке тепла сверху вниз
лето зима лето зима
0,01 0,13 0,15 0,14 0,15
0,02 0,14 0,15 0,15 0,19
0,03 0,14 0,16 0,16 0,21
0,05 0,14 0,17 0,17 0,22
0,1 0,15 0,18 0,18 0,23
0,15 0,15 0,18 0,19 0,24
0,2-0.3 0,15 0,19 0,19 0,24

Значения Ral для замкнутых плоских воздушных прослоек приведены в таблице 3.6. К ним можно отнести, например, прослойки между слоями из плотного бетона, который практически не пропускает воздух. Экспериментально показано, что в кирпичной кладке при недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором имеет место нарушение герметичности, то есть проникновение наружного воздуха в прослойку и резкое снижение ее сопротивления теплопередаче.

Согласно СП 23-101-2004 рекомендуется применять невентилируемые воздушные прослойки в стенах — толщиной не менее 40 мм (при устройстве отражательной теплоизоляции – 10 мм).

При покрытии одной или обеих поверхностей прослойки алюминиевой фольгой ее термическое сопротивление следует увеличивать в два раза.

В настоящее время широкое распространение получили стены с вентилируемой воздушной прослойкой (стены с вентилируемым фасадом). Навесной вентилируемый фасад – это конструкция, состоящая из материалов облицовки и подоблицовочной конструкции, которая крепится к стене таким образом, чтобы между защитно-декоративной облицовкой и стеной оставался воздушный промежуток. Для дополнительного утепления наружных конструкций между стеной и облицовкой устанавливается теплоизоляционный слой, так что вентиляционный зазор оставляется между облицовкой и теплоизоляцией.

Схема конструкции вентилируемого фасада показана на рис.3.15. Согласно СП 23-101 толщина воздушной прослойки должна быть в пределах от 60 до 150 мм.

Слои конструкции, расположенные между воздушной прослойкой и наружной поверхностью, в теплотехническом расчете не учитываются. Следовательно, термическое сопротивление наружной облицовки не входит в сопротивление теплопередаче стены, определяемое по формуле (3.6). Как отмечалось в п.2.5, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции с вентилируемыми воздушными прослойками αext для холодного периода составляет 10,8 Вт/(м2· ºС).

Конструкция вентилируемого фасада обладает рядом существенных преимуществ. В п.3.2 сравнивались распределения температур в холодный период в двухслойных стенах с внутренним и наружным расположением утеплителя (рис.3.4). Стена с наружным утеплением является более

«теплой», так как основной перепад температур происходит в теплоизоляционном слое. Не происходит образования конденсата внутри стены, не ухудшаются ее теплозащитные свойства, не требуется дополнительной пароизоляции (глава 5).

Воздушный поток, возникающей в прослойке из-за перепада давления, способствует испарению влаги с поверхности утеплителя. Следует отметить, что значительной ошибкой является применение пароизоляции на наружной поверхности теплоизоляционного слоя, так как она препятствует свободному отводу водяного пара наружу.

В статье рассматривается конструкция теплоизоляционной системы с замкнутой воздушной прослойкой между теплоизоляцией и стеной здания. Предлагается использовать паропроницаемые вставки в теплоизоляции с целью предотвращения конденсации влаги в прослойке воздуха. Приводится метод расчета площади вставок в зависимости от условий использования теплоизоляции.

ВВЕДЕНИЕ

Воздушная прослойка является элементом многих ограждающих конструкций зданий. В работе исследованы свойства ограждающих конструкций с замкнутой и вентилируемой воздушными прослойками. В то же время особенности ее применения во многих случаях требуют решения задач строительной теплотехники в конкретных условиях использования.

Известна и широко используется в строительстве конструкция теплоизоляционной системы с вентилируемой воздушной прослойкой . Основное преимущество этой системы перед легкими штукатурными системами — возможность выполнения работ по утеплению зданий круглый год. К ограждающей конструкции вначале прикрепляется система крепежа утеплителя. Утеплитель прикрепляется к этой системе. Наружная защита утеплителя устанавливается от него на некотором расстоянии, так что между утеплителем и наружным ограждением образуется воздушная прослойка. Конструкция системы утепления позволяет осуществлять вентиляцию воздушной прослойки с целью удаления излишков влаги, что обеспечивает снижение количества влаги в утеплителе. К недостаткам этой системы можно отнести сложность и необходимость наряду с использованием утеплительных материалов применять сайдинговые системы, обеспечивающие необходимый зазор для движущегося воздуха.

Известна система вентиляции, в которой воздушная прослойка примыкает непосредственно к стене здания . Теплоизоляция выполнена в виде трехслойных панелей: внутренний слой – теплоизоляционный материал, наружные слои – алюминий и алюминиевая фольга. Такая конструкция защищает утеплитель от проникновения как атмосферной влаги, так и влаги из помещений. Поэтому его свойства не ухудшаются в любых условиях эксплуатации, что позволяет сэкономить до 20 % утеплителя по сравнению с обычными системами . Недостатком указанных систем является необходимость проветривания прослойки для удаления влаги, мигрирующей из помещений здания . Это приводит к снижению теплоизоляционных свойств системы. К тому же, тепловые потери нижних этажей зданий увеличиваются, так как холодному воздуху, поступающему в прослойку через отверстия внизу системы, требуется некоторое время для нагрева до установившейся температуры.

Авторы предлагают рассмотреть системы утепления с воздушными прослойками, свободные от указанных недостатков.

СИСТЕМА УТЕПЛЕНИЯ С ЗАМКНУТОЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ

Возможна система теплоизоляции, аналогичная , с замкнутой воздушной прослойкой. Следует обратить внимание на тот факт, что движение воздуха в прослойке необходимо только для удаления влаги. Если решить задачу удаления влаги другим способом, без проветривания, получим систему теплоизоляции с замкнутой воздушной прослойкой без указанных выше недостатков.

Для решения поставленной задачи система теплоизоляции должна иметь вид, представленный на рис. 1. Теплоизоляцию здания следует выполнить с паропроницаемыми вставками из теплоизоляционного материала, например, минеральной ваты. Систему теплоизоляции необходимо устроить таким образом, чтобы обеспечивалось удаление пара из прослойки, а внутри нее влажность была ниже точки росы в прослойке.

1 – стена здания; 2 – крепежные элементы; 3 – теплоизоляционные панели; 4 – паротеплоизоляционные вставки

Рис. 1. Теплоизоляция с паропроницаемыми вставками

Для давления насыщенного пара в прослойке можно записать выражение :

(1)

Пренебрегая термическим сопротивлением воздуха в прослойке, среднюю температуру внутри прослойки определим по формуле

(2)

где Tin, Tout – температура воздуха внутри здания и наружного воздуха соответственно, оС;

R1, R2 – сопротивление теплопередаче стены и теплоизоляции соответственно, м2×оС/Вт.

Для пара, мигрирующего из помещения через стену здания, можно записать уравнение:

(3)

где Pin, P – парциальное давление пара в помещении и прослойке, Па;

S1 – площадь наружной стены здания, м2;

kпп1 – коэффициент паропроницаемости стены, равный:

(4)

здесь Rпп1 = m1/l1;

m1 – коэффициент паропроницаемости материала стены, мг/(м×ч×Па);

l1 – толщина стены, м.

Для пара, мигрирующего из воздушной прослойки через паропроницаемые вставки в теплоизоляции здания, можно записать уравнение:

(5)

где Pout – парциальное давление пара в наружном воздухе, Па;

S2 – площадь паропроницаемых теплоизоляционных вставок в теплоизоляции здания, м2;

kпп2 – коэффициент паропроницаемости вставок, равный:

(6)

здесь Rпп2 = m2/l2;

m2 – коэффициент паропроницаемости материала паропроницаемой вставки, мг/(м×ч×Па);

l2 – толщина вставки, м.

Приравняв правые части уравнений (3) и (5) и решив полученное уравнение для баланса пара в прослойке относительно P, получим значение давления пара в прослойке в виде:

(7)

где e = S2/S1.

Записав условие отсутствия конденсации влаги в воздушной прослойке в виде неравенства:

(8)

и решив его, получим требуемое значение отношения суммарной площади паропроницаемых вставок к площади стены:

(9)

В таблице 1 приведены полученные данные для некоторых вариантов ограждающих конструкций. В расчетах предполагалось, что коэффициент теплопроводности паропроницаемой вставки равен коэффициенту теплопроводности основной теплоизоляции в системе.

Таблица 1. Значение ε для различных вариантов стены

Материал стены

l1, м

l1, Вт/(м×оC)

m1, мг/(м×ч×Па)

l2, м

l2, Вт/(м×оC)

m2, мг/(м×ч×Па)

Температура, оC

Давление, Па

Pнас

Газосиликатный кирпич

0,52

1,63

0,088

0,08

0,05

0,5

10,9

Керамический кирпич

0,81

0,10

0,110

0,10

0,05

0,5

4,5

0,02

Приведенные в таблице 1 примеры показывают, что возможна конструкция теплоизоляции с замкнутой воздушной прослойкой между теплоизоляцией и стеной здания. Для некоторых конструкций стены, как в первом примере из таблицы 1, можно обойтись без паропроницаемых вставок. В других случаях площадь паропроницаемых вставок может быть незначительной по сравнению с площадью утепляемой стены.

СИСТЕМА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Конструкция теплоизоляционных систем претерпела за последние пятьдесят лет существенное развитие, и сегодня в распоряжении проектировщиков имеется большой выбор материалов и конструкций: от использования соломы до вакуумной теплоизоляции. Возможно также применение активных теплоизоляционных систем, особенности которых позволяют включать их в систему энергоснабжения зданий . В этом случае свойства теплоизоляционной системы также могут изменяться в зависимости от условий окружающей среды, обеспечивая постоянный уровень теплопотерь из здания независимо от наружной температуры.

Если задать фиксированный уровень теплопотерь Q через ограждающие конструкции здания, требуемое значение приведенного сопротивления теплопередаче будет определяться по формуле

(10)

Такими свойствами может обладать теплоизоляционная система с прозрачным наружным слоем или с вентилируемой воздушной прослойкой . В первом случае используется солнечная энергия, а во втором дополнительно может использоваться энергия тепла грунта совместно с грунтовым теплообменником.

В системе с прозрачной теплоизоляцией при низком положении солнца его лучи практически без потерь проходят к стене, нагревают ее, снижая тем самым теплопотери из помещения. В летнее время, при высоком положении солнца над горизонтом, солнечные лучи практически полностью отражаются от стены здания, предотвращая тем самым перегрев здания. В с целью уменьшения обратного теплового потока теплоизоляционный слой выполнен в виде сотовой структуры, играющей роль ловушки для солнечных лучей. Недостатком такой системы является невозможность перераспределения энергии по фасадам здания и отсутствие аккумулирующего эффекта. К тому же, эффективность этой системы прямо зависит от уровня солнечной активности.

По мнению авторов, идеальная теплоизоляционная система должна, в какой-то степени, напоминать живой организм и в широких пределах изменять свои свойства в зависимости от условий окружающей среды. При понижении наружной температуры теплоизоляционная система должна снизить теплопотери из здания, при повышении температуры наружного воздуха – ее термическое сопротивление может уменьшиться. В летнее время поступление солнечной энергии в здание также должно зависеть от наружных условий.

Предлагаемая в теплоизоляционная система во многом обладает сформулированными выше свойствами. На рис. 2а представлена схема стены с предлагаемой теплоизоляционной системой, на рис. 2б – температурный график в теплоизоляционном слое без и с наличием воздушной прослойки.

Теплоизоляционный слой выполнен с вентилируемой воздушной прослойкой. При движении в ней воздуха с температурой более высокой, чем в соответствующей точке графика, величина температурного градиента в слое теплоизоляции от стены до прослойки уменьшается по сравнению с теплоизоляцией без прослойки, что снижает потери тепла из здания через стену. При этом следует иметь ввиду, что уменьшение теплопотерь из здания будет компенсировано теплом, отдаваемым потоком воздуха в прослойке. То есть температура воздуха на выходе из прослойки будет меньше, чем на входе.

а) б)

Рис. 2. Схема теплоизоляционной системы (а) и температурный график (б)

Физическая модель задачи расчета теплопотерь через стену с воздушной прослойкой представлена на рис. 3. Уравнение теплового баланса для этой модели имеет следующий вид:

(11)

Рис. 3. Расчетная схема теплопотерь через ограждающую конструкцию

При расчете тепловых потоков учитывается кондуктивный, конвективный и радиационный механизмы переноса тепла:

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

где Q1 – тепловой поток от помещения к внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м2;

Q2 – тепловой поток через основную стену, Вт/м2;

Q3 – тепловой поток через воздушную прослойку, Вт/м2;

Q4 – тепловой поток через слой теплоизоляции за прослойкой, Вт/м2;

Q5 – тепловой поток от внешней поверхности ограждающей конструкции в атмосферу, Вт/м2;

Т1, Т2, – температура на поверхности стены, оС;

Т3, Т4 – температура на поверхности прослойки, оС;

Тk, Та – температура в помещении и наружного воздуха соотвественно, оС;

s – постоянная Стефана-Больцмана;

l1, l2 – коэффициент теплопроводности основной стены и теплоизоляции соответственно, Вт/(м×оС);

e1, e2, e12 – степень черноты внутренней поверхности стены, наружной поверхности слоя теплоизоляции и приведенная степень черноты поверхностей воздушной прослойки соответственно;

aв, aн, a0 – коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности стены, на наружной поверхности теплоизоляции и на поверхностях, ограничивающих воздушный промежуток, соответственно, Вт/(м2×оС).

Формула (14) записана для случая, когда воздух в прослойке неподвижен. В том случае, когда в прослойке со скоростью u движется воздух с температурой Tu, вместо Q3 рассматриваются два потока: от продуваемого воздуха к стене:

(17)

и от продуваемого воздуха к экрану:

(18)

Тогда система уравнений распадается на две системы:

(19)

Коэффициент теплоотдачи выражается через число Нуссельта:

(20)

где L – характерный размер.

Формулы для вычисления числа Нуссельта брались в зависимости от ситуации. При расчете коэффициента теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях ограждающих конструкций использовались формулы из :

(21)

где Ra= Pr×Gr – критерий Релея;

Gr = g×b×DT×L3/n2 – число Грасгофа.

При определении числа Грасгофа в качестве характерного перепада температуры выбиралась разность между температурой стенки и температурой окружающего воздуха. За характерные размеры принимались: высота стены и толщина прослойки.

При расчете коэффициента теплоотдачи a0 внутри замкнутой воздушной прослойки для вычисления числа Нуссельта использовалась формула из :

(22)

Если же воздух внутри прослойки двигался, для вычисления числа Нуссельта использовалась более простая формула из :

(23)

где Re = v×d/n – число Рейнольдса;

d – толщина воздушной прослойки.

Значения числа Прандтля Pr, кинематической вязкости n и коэффициента теплопроводности воздуха lв в зависимости от температуры рассчитывались путем линейной интерполяции табличных значений из . Системы уравнений (11) или (19) решались численно путем итерационного уточнения относительно температур T1, T2, T3, T4. Для численного моделирования была выбрана теплоизоляционная система на основе теплоизоляции, подобной пенополистиролу, с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м2×оС). Температура воздуха на входе прослойки предполагалась равной 8 оС, общая толщина теплоизоляционного слоя – 20 см, толщина прослойки d – 1 см.

На рис. 4 представлены графики зависимости удельных теплопотерь через изолирующий слой обычного теплоизолятора при наличии замкнутой теплоизоляционной прослойки и с вентилируемой воздушной прослойкой. Замкнутая воздушная прослойка почти не улучшает свойств теплоизоляции. Для рассмотренного случая наличие теплоизоляционной прослойки с движущимся потоком воздуха более чем вдвое снижает теплопотери через стену при температуре наружного воздуха минус 20 оС. Эквивалентное значение сопротивления теплопередаче такой теплоизоляции для этой температуры равно 10,5 м2×оС/Вт, что соответствует слою пенополистирола толщиной более 40,0 см.

Ряд 1 – обычная теплоизоляция, D = 20 см; ряд 2 – в теплоизоляции имеется воздушная щель шириной 1 см, d= 4 см с неподвижным воздухом; ряд 3 – скорость воздуха 0,5 м/с

Рис. 4. Графики зависимости удельных теплопотерь от температуры наружного воздуха

Эффективность теплоизоляционной системы возрастает по мере снижения температуры наружного воздуха. При температуре наружного воздуха 4 оС эффективность обеих систем одинакова. Дальнейшее повышение температуры делает нецелесообразным использование системы, так как приводит к повышению уровня теплопотерь из здания.

На рис. 5 приведена зависимость температуры наружной поверхности стены от температуры наружного воздуха. Согласно рис. 5, наличие воздушной прослойки увеличивает температуру наружной поверхности стены при отрицательной температуре наружного воздуха по сравнению с обычной теплоизоляцией. Это объясняется тем, что движущийся воздух отдает свое тепло как внутреннему, так и наружному слоям теплоизоляции. При высокой наружной температуре воздуха такая теплоизоляционная система играет роль охлаждающего слоя (см. рис. 5).

Ряд 1 – обычная теплоизоляция, D = 20 см; ряд 2 – в теплоизоляции имеется воздушная щель шириной 1 см, d= 4 см, скорость воздуха 0,5 м/с

Рис. 5. Звисимость температуры наружной поверхности стены от температуры наружного воздуха

На рис. 6 показана зависимость температуры на выходе прослойки от температуры наружного воздуха. Воздух в прослойке, остывая, отдает свою энергию ограждающим поверхностям.

Рис. 6. Зависимость температуры на выходе прослойки от температуры наружного воздуха

На рис. 7 представлена зависимость теплопотерь от толщины наружного слоя теплоизоляции при минимальной наружной температуре. Согласно рис. 7, минимум теплопотерь наблюдается при d = 4 см.

Рис. 7. Зависимость теплопотерь от толщины наружного слоя теплоизоляции при минимальной наружной температуре

На рис. 8 показана зависимость теплопотерь для наружной температуры минус 20 оС от скорости воздуха в прослойке с различной толщиной. Подъм скорости воздуха выше 0,5 м/с несущественно влияет на свойства теплоизоляции.

Ряд 1 – d = 16 см; ряд 2 – d = 18 см; ряд 3 – d = 20 см

Рис. 8. Зависимость теплопотерь от скорости воздуха при различной толщине воздушной прослойки

Следует обратить внимание на обстоятельство, что вентилируемая воздушная прослойка позволяет эффективно управлять уровнем теплопотерь через поверхность стены изменением скорости воздуха в пределах от 0 до 0,5 м/с, что невозможно осуществить для обычной теплоизоляции. На рис. 9 приведена зависимость скорости движения воздуха от наружной температуры для фиксированного уровня теплопотерь через стену. Такой подход к тепловой защите зданий позволяет снижать энергоемкость вентиляционной системы по мере повышения температуры наружного воздуха.

Рис. 9. Зависимость скорости движения воздуха от наружной температуры для фиксированного уровня теплопотерь

При создании рассматриваемой в статье теплоизоляционной системы основным является вопрос об источнике энергии для повышения температуры прокачиваемого воздуха. В качестве такого источника предполагается забирать тепло грунта под зданием путем использования почвенного теплообменника. Для более эффективного использования энергии почвы предполагается, что система вентиляции в воздушной прослойке должна быть замкнутой, без подсоса атмосферного воздуха. Так как температура воздуха, поступающего в систему в зимнее время, ниже температуры грунта, проблемы конденсации влаги здесь не существует.

Наиболее эффективное использование такой системы авторы видят в сочетании использования двух источников энергии: солнечной и тепла грунта. Если обратиться к ранее упомянутым системам с прозрачным теплоизоляционным слоем, становится очевидным стремление авторов этих систем реализовать тем или иным способом идею теплового диода, то есть решить задачу направленной передачи солнечной энергии к стене здания, приняв при этом меры, препятствующие движению теплового потока энергии в обратном направлении.

В качестве наружного поглощающего слоя может выступать окрашенная в темный цвет металлическая пластина. А вторым поглощающим слоем может быть воздушная прослойка в теплоизоляции здания. Движущийся в прослойке воздух, замыкаясь через грунтовый теплообменник, в солнечную погоду нагревает грунт, аккумулируя солнечную энергию и перераспределяя ее по фасадам здания. Тепло от наружного слоя внутреннему может передаваться с помощью тепловых диодов, выполненных на тепловых трубках с фазовыми переходами.

Таким образом, предлагаемая система теплоизоляции с управляемыми теплофизическими характеристиками базируется на конструкции с теплоизоляционным слоем, имеющим три особенности:

– вентилируемую воздушную прослойку, параллельную ограждающей конструкции здания;

– источник энергии для воздуха внутри прослойки;

– систему управления параметрами потока воздуха в прослойке в зависимости от наружных погодных условий и температуры воздуха в помещении.

Один из возможных вариантов конструкции – использование прозрачной теплоизоляционной системы. В этом случае теплоизоляционная система должна быть дополнена еще одной воздушной прослойкой, примыкающей к стене здания и имеющей сообщение со всеми стенами здания, как это показано на рис. 10.

Теплоизоляционная система, приведенная на рис. 10, имеет две воздушные прослойки. Одна из них находится между теплоизоляцией и прозрачным ограждением и служит для предотвращения перегрева здания. Для этой цели имеются воздушные клапаны, соединяющие прослойку с наружным воздухом вверху и внизу теплоизоляционной панели. В летнее время и в моменты высокой солнечной активности при возникновении опасности перегрева здания заслонки открываются, обеспечивая вентиляцию наружным воздухом.

Рис. 10. Прозрачная теплоизоляционная система с вентилируемой воздушной прослойкой

Вторая воздушная прослойка примыкает к стене здания и служит для транспортирования солнечной энергии в оболочке здания. Такая конструкция позволит использовать солнечную энергию всей поверхностью здания в течение светового дня, обеспечивая, к тому же, эффективную аккумуляцию солнечной энергии, так как аккумулятором выступает весь объем стен здания.

Возможно также использование традиционной теплоизоляции в системе. В этом случае в качестве источника тепловой энергии может служить грунтовый теплообменник, как это показано на рис. 11.

Рис. 11. Система теплоизоляции с грунтовым теплообменником

В качестве еще одного варианта можно предложить для этой цели вентиляционные выбросы здания . В этом случае для исключения конденсации влаги в прослойке необходимо удаляемый воздух пропустить через теплообменник, а в прослойку запустить наружный воздух, нагретый в теплообменнике. Из прослойки воздух может поступать в помещение для вентиляции. Воздух нагревается, проходя через грунтовый теплообменник, и отдает свою энергию ограждающей конструкции.

Необходимым элементом системы теплоизоляции должна стать автоматическая система управления ее свойствами. На рис. 12 представлен блок-схема системы управления. Управление происходит на основе анализа информации от датчиков температуры и влажности путем изменения режима работы или отключения вентилятора и открывания и закрывания воздушных заслонок.

Рис. 12. Блок-схема системы управления

Блок-схема алгоритма работы вентиляционной системы с управляемыми свойствами представлен на рис. 13.

На начальном этапе работы системы управления (см. рис. 12) по измеренным значениям температуры наружного воздуха и в помещениях в блоке управления выполняется расчет температуры в воздушной прослойке для условия неподвижного воздуха. Это значение сравнивается с температурой воздуха в прослойке южного фасада при конструкции теплоизоляционной системы, как на рис. 10, или в грунтовом теплообменнике – при конструкции теплоизоляционной системы, как на рис. 11. Если значение расчетной температуры больше или равно измеренному, вентилятор остается выключенным, а воздушные заслонки в прослойке закрытыми.

Рис. 13. Блок-схема алгоритма работы вентиляционной системы с управляемыми свойствами

Если значение расчетной температуры меньше измеренного, включают циркуляционный вентилятор и открывают заслонки. В этом случае энергия нагретого воздуха отдается стеновым конструкциям здания, снижая потребность в тепловой энергии для отопления. Одновременно измеряется значение влажности воздуха в прослойке. Если влажность приближается к точке конденсации, открывается заслонка, связывающая воздушную прослойку с наружным воздухом, что обеспечивает предотвращение конденсации влаги на поверхности стен прослойки.

Таким образом, предложенная система теплоизоляции позволяет реально управлять теплотехническими свойствами.

ИСПЫТАНИЕ МАКЕТА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ЗДАНИЯ

Схема эксперимента представлена на рис. 14. Макет теплоизоляционной системы смонтирован на кирпичной стене помещения верхней части лифтовой шахты. Макет состоит из теплоизоляции, представляющей паронепроницаемые теплоизоляционные пластины (одна поверхность – алюминий толщиной 1,5 мм; вторая – алюминиевая фольга), заполненные пенополиуретаном толщиной 3,0 см с коэффициентом теплопроводности 0,03 Вт/(м2×оС). Сопротивление теплопередаче пластины – 1,0 м2×оС/Вт, кирпичной стены – 0,6 м2×оС/Вт. Между теплоизоляционными пластинами и поверхностью ограждающей конструкции здания — воздушная прослойка толщиной 5 см. С целью определения температурных режимов и движения теплового потока через ограждающую конструкцию в ней устанавливались датчики температуры и теплового потока.

Рис. 14. Схема экспериментальной системы с управляемой теплоизоляцией

Фотография смонтированной теплоизоляционной системы с энергоснабжением от системы утилизации тепла вентиляционных выбросов представлена на рис. 15.

а)

б)

Рис. 15. Теплоизоляционная система с энергоснабжением от системы утилизации тепла вентиляционных выбросов: а – блок рекуперации тепла с системой приточных и вытяжных воздуховодов; б – система теплоизоляции со смонтированными приточным и вытяжным воздуховодами

Дополнительная энергия внутрь прослойки подается с воздухом, взятым на выходе системы рекуперации тепла вентиляционных выбросов здания. Вентиляционные выбросы забирались с выхода вентиляционной шахты корпуса ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.», подавались на первый вход рекуператора (см. рис. 15а). На второй вход рекуператора подавался воздух из вентиляционной прослойки, а со второго выхода рекуператора – снова в вентиляционную прослойку. Воздух вентиляционных выбросов нельзя подавать непосредственно в воздушную прослойку из-за опасности конденсации влаги внутри нее. Поэтому вентиляционные выбросы здания сначала проходили через теплообменник-рекуператор, на второй вход которого поступал воздух из прослойки. В рекуператоре он нагревался и с помощью вентилятора подавался в воздушную прослойку вентиляционной системы через фланец, смонтированный в нижней части теплоизоляционной панели. Через второй фланец в верхней части теплоизоляции воздух удалялся из панели и замыкал цикл своего движения на втором входе теплообменника. В процессе работы выполнялась регистрация информации, поступающей от датчиков температуры и теплового потока, установленных по схеме рис. 14.

Для управления режимами работы вентиляторов и съема и регистрации параметров проведения эксперимента использовался специальный блок управления и обработки данных.

На рис. 16 представлены графики изменения температуры: наружного воздуха, воздуха в помещении и воздуха в различных частях прослойки. С 7.00 до 13.00 часов система выходит на стационарный режим функционирования. Разность между температурой на входе воздуха в прослойку (датчик 6) и температурой на выходе из нее (датчик 5) оказалась около 3 оС, что свидетельствует о потреблении энергии из проходящего воздуха.

а)

б)

Рис. 16. Графики изменения температуры: а – наружного воздуха и воздуха в помещении; б – воздуха в различных частях прослойки

На рис. 17 представлены графики зависимости от времени температуры поверхностей стены и теплоизоляции, а также температуры и теплового потока через ограждающую поверхность здания. На рис. 17б четко фиксируется снижение теплового потока из помещения после подачи подогретого воздуха в вентиляционную прослойку.

а)

б)

Рис. 17. Графики зависимости от времени: а – температуры поверхностей стены и теплоизоляции; б – температуры и теплового потока через ограждающую поверхность здания

Экспериментальные результаты, полученные авторами, подтверждают возможность управления свойствами теплоизоляции с вентилируемой прослойкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Важным элементом энергоэффективных зданий является ее оболочка. Основные направления развития снижения тепловых потерь зданий через ограждающие конструкции связаны с активной теплоизоляцией, когда ограждающая конструкция играет важную роль в формировании параметров внутренней среды помещений . Наиболее наглядным примером может служить ограждающая конструкция с наличием воздушной прослойки .

2 Авторами предложена конструкция теплоизоляции с замкнутой воздушной прослойкой между теплоизоляцией и стеной здания. С целью предотвращения конденсации влаги в прослойке воздуха без снижения теплоизолирующих свойств рассмотрена возможность использования в теплоизоляции паропроницаемых вставок. Разработан метод расчета площади вставок в зависимости от условий использования теплоизоляции. Для некоторых конструкций стены, как в первом примере из таблицы 1, можно обойтись без паропроницаемых вставок. В других случаях площадь паропроницаемых вставок может быть незначительной относительно площади утепляемой стены.

3 Разработаны методика расчета теплотехнических характеристик и конструкция теплоизоляционной системы, обладающей управляемыми теплотехническими свойствами. Конструкция выполнена в виде системы с вентилируемой воздушной прослойкой между двумя слоями теплоизоляции. При движении в прослойке воздуха с температурой более высокой, чем в соответствующей точке стены с обычной теплоизоляционной системой, величина температурного градиента в слое теплоизоляции от стены до прослойки уменьшается по сравнению с теплоизоляцией без прослойки, что снижает потери тепла из здания через стену. В качестве энергии для повышения температуры прокачиваемого воздуха возможно использование тепла грунта под зданием, применяя почвенный теплообменник, или солнечной энергии. Разработаны методы расчета характеристик такой системы. Получено экспериментальное подтверждение реальности использования системы теплоизоляции с управляемыми теплотехническими характеристиками для зданий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богословский, В. Н. Строительная теплофизика / В. Н. Богословский. – СПб.: АВОК–СЕВЕРО-ЗАПАД, 2006. – 400 с.

2. Системы теплоизоляции зданий: ТКП.

3. Фасадная система ПОЛИАЛПАН. Рекомендации по проектированию и применению для строительства и реконструкции зданий. – М.: ЦНИИЭПжилища, 2003. – 90 с.

4. Проектирование и устройство системы утепления с вентилируемой воздушной прослойкой на основе панелей фасадных трехслойных: Р 1.04.032.07. – Минск, 2007. – 117 с.

5. Данилевский, Л. Н. К вопросу о снижении уровня теплопотерь здания. Опыт Белорусско-Германского сотрудничества в строительстве / Л. Н. Данилевский. – Минск: Стринко, 2000. – С. 76, 77.

8. Peter O. Braun, Innovative Gebаudehullen, Wаrmetechnik, 9, 1997. – Р. 510–514.

9. Пассивный дом как адаптивная система жизнеобеспечения: тезисы докладов Междунар. науч.-технич. конф. «От тепловой санации зданий – к пассивному дому. Проблемы и решения» / Л. Н. Данилевский. – Минск, 1996. – С. 32–34.

10. Теплоизоляция с управляемыми свойствами для зданий с низким уровнем теплопотерь: сб. тр. / ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.»; Л. Н. Данилевский. – Минск, 1998. – С. 13–27.

11. Данилевский, Л. Теплоизоляционная система с управляемыми свойствами для пассивного дома / Л. Данилевский // Архитектура и строительство. – 1998. – № 3. – С. 30, 31.

12. Мартыненко, О. Г. Свободно конвективный теплообмен. Справочник / О. Г. Мартыненко, Ю. А. Соковишин. – Минск: Наука и техника, 1982. – 400 с.

13. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – М.: Энергия, 1977. – 321 с.

14. Наружное вентилируемое ограждение здания: пат. 010822 Евраз. патентное ведомство, МПК (2006.01) Е04В 2/28, Е04В 1/70 / Л. Н. Данилевский; заявитель ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.». – № 20060978; зявл. 05.10.2006; опубл. 30.12.2008 // Бюлл. Евразийского патентного ведомства. – 2008. – № 6.

15. Наружное вентилируемое ограждение здания: пат. 11343 Респ. Беларусь, МПК (2006) E04B1/70, E04B2/28 / Л. Н. Данилевский; заявитель ГП «Институт НИПТИС им. Атаева С. С.». – № 20060978; заявл. 05.10.2006; опубл. 30.12.2008 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. – 2008.

Теплоизолирующая способность воздушных прослоек

Зазоры, доступные потокам воздуха, являются продухами, ухудшающими теплоизоляционные характеристики стен. Зазоры же замкнутые (так же как закрытые поры вспененного материала) являются теплоизолирующими элементами. Ветронепродуваемые пустоты широко применяются в строительстве для снижения теплопотерь через ограждающие конструкции (щели в кирпичах и блоках, каналы в бетонных панелях, зазоры в стеклопакетах и т. п.). Пустоты в виде непродуваемых воздушных прослоек используются и в стенах бань, в том числе каркасных. Эти пустоты зачастую являются основными элементами теплозащиты. В частности, именно наличие пустот с горячей стороны стены позволяет использовать легкоплавкие пенопласты (пенополистирол и пенополиэтилен) в глубинных зонах стен высокотемпературных бань.

В то же время пустоты в стенах являются самыми коварными элементами. Стоит в малейшей степени нарушить ветроизоляцию, и вся система пустот может стать единым продуваемым выхолаживающим продухом, выключающим из системы теплоизоляции стен все внешние теплоизоляционные слои. Поэтому пустоты стараются делать небольшими по размеру и гарантированно изолируют друг от друга.

Использовать понятие теплопроводности воздуха (а тем более использовать ультранизкое значение коэффициента теплопроводности неподвижного воздуха 0,024 Вт/м град) для оценки процессов теплопередачи через реальный воздух невозможно, поскольку воздух в крупных пустотах является крайне подвижной субстанцией. Поэтому на практике для теплотехнических расчётов процессов передачи тепла даже через условно «неподвижный» воздух применяют эмпирические (опытные, экспериментальные) соотношения. Чаще всего (в простейших случаях) в теории теплопередачи считается, что тепловой поток из воздуха на поверхность тела в воздухе равен Q = α∆Т, где α — эмпирический коэффициент теплопередачи «неподвижного» воздуха, ∆Т — разность температур поверхности тела и воздуха. В обычных условиях жилых помещений коэффициент теплопередачи равен ориентировочно α = 10 Вт/м² град. Именно этой цифры мы будем придерживаться при оценочных расчётах прогрева стен и тела человека в бане. При помощи потоков воздуха со скоростью V (м/сек), тепловой поток увеличивается на величину конвективной составляющей Q=βV∆T, где β примерно равен 6 Вт•сек/м³•град. Все величины зависят от пространственной ориентации и шероховатости поверхности. Так, по действующим нормам СНиП 23-02-2003 коэффициент теплопередачи от воздуха к внутренним поверхностям ограждающих конструкций принимается равным 8,7 Вт/м² град для стен и гладких потолков со слабо выступающими рёбрами (при отношении высоты рёбер «h» к расстоянию «а» между гранями соседних рёбер h/a < 0,3); 7,6 Вт/м² град для потолков с сильно выступающими рёбрами (при отношении h/a > 0,3); 8,0 Вт/м² град для окон и 9,9 Вт/м² град для зенитных фонарей. Финские специалисты принимают коэффициент теплопередачи в «неподвижном» воздухе сухих саун равным 8 Вт/м² град (что в пределах ошибок измерений совпадает с принимаемым нами значением) и 23 Вт/м² град при наличии потоков воздуха со скоростью в среднем 2 м/сек.

Столь малое значение коэффициента теплопередачи в условно «неподвижном» воздухе α = 10 Вт/м² град соответствует понятию воздуха как теплоизолятора и объясняет необходимость использования высоких температур в саунах для быстрого согрева тела человека. Применительно же к стенам это означает, что при характерных теплопотерях через стены бани (50- 200) Вт/м² разница температур воздуха в бане и температур внутренних поверхностей стен бани может достигать (5-20)°С. Это очень большая величина, часто никак и никем не учитывающаяся. Наличие в бане сильной конвекции воздуха позволяет снизить перепад температуры вдвое. Отметим, что столь высокие перепады температур, характерные для бань, недопустимы в жилых помещениях. Так, нормируемый в СНиП 23-02-2003 температурный перепад между воздухом и стенами не должен превышать 4°С в жилых помещениях, 4,5°С в общественных и 12°С в производственных. Более высокие перепады температур в жилых помещениях неминуемо приводят к ощущениям холода от стен и выпадению росы на стенах.

Рис. 35. Распределение температуры в стене, состоящей из замкнутых (несообщающихся) воздушных прослоек, образованных тремя стальными (или стеклянными) пластинами (в предположении полного отсутствия лучистых тепловых потоков). Поток тепла справа налево. Температура внутреннего воздуха Твнутр выше температуры внешнего воздуха Твнешн. На каждой поверхности образуется пограничный теплопередающий слой толщиной а = (1-3) см с перепадом температуры ∆T. Поток тепла равен Q = ∆T/R = (Твнутр — Tвнешн)/6R, где R = 0,1 м² град/Вт — термическое сопротивление пограничного слоя, не зависящее от толщины воздушных прослоек δ, если а < δ.

Используя введенное понятие коэффициента теплопередачи от поверхности в воздух, пустоты внутри стены можно рассматривать как последовательное расположение теплопередающих поверхностей (см. рис. 35). Пристеночные зоны воздуха, где и наблюдаются вышеуказанные перепады температур ∆T, называются пограничными слоями. Если в стене (или стеклопакете) имеются два пустотных промежутка (например, три стекла), то фактически имеется 6 пограничных слоев. Если через такую стену (или стеклопакет) проходит тепловой поток 100 Вт/м², то на каждом пограничном слое температура изменяется на ∆T = 10°С, а на всех шести слоях перепад температуры составляет 60°С. Учитывая, что тепловые потоки через каждый в отдельности пограничный слой и через всю стену в целом равны между собой и составляют всё же 100 Вт/м², то результирующий коэффициент теплопередачи для стены без пустот («стеклопакет» с одним стеклом) составит 5 Вт/м² град, для стены с одной пустотной прослойкой (стеклопакет с двумя стёклами) 2,5 Вт/м² град, а с двумя пустотными прослойками (стеклопакет с тремя стёклами) 1,67 Вт/м² град. То есть, чем больше пустот (или чем больше стёкол), тем теплей стена. При этом теплопроводность самого материала стен (стёкол) в этом расчёте предполагалась бесконечно большой. Иными словами, даже из очень «холодного» материала (например, стали) можно в принципе изготовить очень тёплую стену, предусмотрев лишь наличие в стене множества воздушных прослоек. Собственно, на этом принципе и работают все стеклянные окна.

Для упрощения оценочных расчётов удобней использовать не коэффициент теплопередачи α, а его обратную величину — сопротивление теплопередаче (термическое сопротивление пограничного слоя) R = 1/ α. Термическое сопротивление двух пограничных слоев, отвечающее одному слою материала стены (одного стекла) или одному воздушному промежутку (прослойке), равно R = 0,2 м² град/Вт, а трёх слоев материала стены (как на рисунке 35) — сумме сопротивлений шести пограничных слоев, то есть 0,6 м² град/Вт. Из определения понятия сопротивления теплопередаче Q =∆T/R следует, что при том же тепловом потоке 100 Вт/м² и термическом сопротивлении 0,6 м² град/Вт перепад температуры на стене с двумя воздушными прослойками составит те же 60°С. Если же число воздушных прослоек увеличить до девяти, то перепад температуры на стене при том же тепловом потоке 100 Вт/м² составит 200°С, то есть расчётная температура внутренней поверхности стены в бане при тепловом потоке 100 Вт/м² повысится с 60 °С до 200°С (если на улице 0°С).

Коэффициент теплопередачи является результирующим показателем, комплексно суммирующим последствия всех физических процессов, происходящих в воздухе у поверхности теплоотдающего или тепловоспринимающего тела. При малых перепадах температур (и малых тепловых потоках) конвективные потоки воздуха малы, теплопередача в основном происходит кондуктивно за счёт теплопроводности неподвижного воздуха. Толщина пограничного слоя составляла бы малую величину, всего лишь a=λR=0,0024 м, где λ=0,024 Вт/м град — коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха, R=0,1 м²град/Вт —термическое сопротивление пограничного слоя. В пределах пограничного слоя воздух имеет разные температуры, вследствие чего за счёт гравитационных сил воздух у горячей вертикальной поверхности начинает всплывать (а у холодной — погружаться), набирая скорость, и турбулизируется (взвихривается). За счёт вихрей теплопередача воздуха увеличивается. Если вклад этой конвективной составляющей формально ввести в значение коэффициента теплопроводности λ, то увеличение этого коэффициента теплопроводности будет отвечать формальному увеличению толщины пограничного слоя a=λR (как мы увидим ниже, примерно в 5-10 раз с 0,24 см до 1-3 см). Ясно, что это формально увеличенная толщина пограничного слоя корреспондируется с размерами воздушных потоков и вихрей. Не углубляясь в тонкости структуры пограничного слоя, отметим, что значительно большее значение имеет понимание того, что передающееся в воздух тепло может «улететь» вверх с конвективным потоком, так и не достигнув следующей пластины многослойной стены или следующего стекла стеклопакета. Это отвечает случаю калориферного нагрева воздуха, который будет рассмотрен ниже при анализе экранированных металлических печей. Здесь же мы рассматриваем случай, когда воздушные потоки в прослойке имеют ограниченную высоту, например, в 5-20 раз превышающую толщину прослойки δ. При этом в воздушных прослойках возникают циркуляционные потоки, которые фактически участвуют в переносе тепла совместно с кондуктивными потоками тепла.

При малых толщинах воздушных прослоек встречные потоки воздуха у противоположных стенок зазора начинают влиять друг на друга (перемешиваются). Иными словами, толщина воздушной прослойки становится меньше двух невозмущенных пограничных слоев, вследствие чего коэффициент теплопередачи увеличивается, а сопротивление теплопередачи соответственно уменьшается. Кроме того, при повышенных температурах стенок воздушных прослоек начинают играть роль процессы теплопередачи излучением. Уточнённые данные в соответствии с официальными рекомендациями СНиП П-3-79* приводятся в таблице 7, откуда видно, что толщина невозмущенных пограничных слоев составляет 1-3 см, но существенное изменение теплопередачи наступает лишь при толщинах воздушных прослоек менее 1 см. Это означает, в частности, что воздушные промежутки между стёклами в стеклопакете не следует делать толщиной менее 1 см.

Таблица 7. Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м² град/Вт

Толщина воздушной прослойки, см для горизонтальной прослойки при потоке тепла снизу вверх или для вертикальной прослойки для горизонтальной прослойки при потоке тепла сверху вниз
при температуре воздуха в прослойке
положительной отрицательной положительной отрицательной
1 0,13 0,15 0,14 0,15
2 0,14 0,15 0,15 0,19
3 0,14 0,16 0,16 0,21
5 0,14 0,17 0,17 0,22
10 0,15 0,18 0,18 0,23
15 0,15 0,18 0,19 0,24
20-30 0,15 0,19 0,19 0,24

Из таблицы 7 видно, что официальные рекомендации отличаются от введённой нами оценочной величины термического сопротивления воздушного зазора R = 0,2 м² град/Вт не более, чем на 20-25%.

Их таблицы 7 также следует, что более тёплые воздушные прослойки имеют более низкие термические сопротивления (лучше пропускают через себя тепло). Это объясняется влиянием на теплоперенос лучистого механизма, который мы рассмотрим в следующем разделе. Отметим при этом, что вязкость воздуха растёт с температурой, так что тёплый воздух турбулизуется хуже.

Рис. 36. Распределение температуры в стене, состоящей из замкнутых (несообщающихся) воздушных прослоек, образованных тремя стенками из низкотеплопроводного («тёплого») материала (в предположении полного отсутствия лучистых тепловых потоков). Обозначения те же, что и на рисунке 35. За счёт низкой теплопроводности материала стенок возникают перепады температур ∆Тc = QRc, где Rc — термическое сопротивление стенки Rc = δc / λc (δc — толщина стенки, λc — коэффициент теплопроводности материала стенки). При увеличении с перепады температур ∆Тc уменьшаются, но перепады температур на пограничных слоях ∆Т сохраняются неизменными. Это иллюстрируется распределением Твнутр, относящимся к случаю более высокой теплопроводности материала стенок. Тепловой поток через всю стену Q = ∆T/R = ∆Тc/Rc = (Твнутр — Tвнешн)/(3Rc+6R). Термическое сопротивление пограничных слоев R и их толщина а не зависят от теплопроводности материала стенок λc и их термического сопротивления Rc.

Рис. 37. Сопоставление теплоизолирующих способностей разных конструкций стен (с учётом внешних пограничных слоев и в предположении полного отсутствия лучистых тепловых потоков, то есть при зеркальных поверхностях): а — три слоя металла (или стекла), отстоящих друг от друга с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине (деревянной доске) толщиной 3,6 см; б — пять слоев металла с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине толщиной 7,2 см; в — три слоя фанеры толщиной по 4 мм с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине толщиной 4,8 см; г — три слоя пенополиэтилена толщиной по 4 мм с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине толщиной 7,8 см; д — три слоя металла с зазорами по 1,5 см, заполненными эффективным утеплителем (пенополистиролом, пенополиэтиленом или минватой), эквивалентны древесине толщиной 10,5 см. Принятая величина зазоров является условной, эквивалентные толщины древесины в примерах а-г слабо изменяются при изменении величины зазоров в пределах (1-30) см.

Если конструкционный материал стены обладает низкой теплопроводностью, то при расчётах необходимо учитывать его вклад в теплосопротивление стены (рис. 36). Хотя вклад пустот, как правило, является значительным, заполнение всех пустот эффективным утеплителем позволяет (за счёт полной остановки движения воздуха) существенно (в 3-10 раз) повысить тепловое сопротивление стены (рис. 37).

Сама по себе возможность получения вполне пригодных для бань (по крайней мере, летних) тёплых стен из нескольких слоев «холодного» металла, конечно же, интересна и используется, например, финнами для противопожарной защиты стен в саунах около печи. На практике, однако, такое решение оказывается весьма сложным ввиду необходимости механической фиксации параллельных слоев металла многочисленными перемычками, которые играют роль нежелательных «мостиков» холода. Так или иначе, даже один слой металла или ткани «греет», если не продувается ветром. На этом явлении основаны палатки, юрты, чумы, которые, как известно, до сих пор используются (и использовались веками) в качестве бань в кочевых условиях. Так, один слой ткани (всё равно какой, лишь бы непродуваемой) лишь в два раза «холодней» кирпичной стены толщиной 6 см, а прогревается в сотни раз быстрее. Тем не менее, ткань палатки остаётся намного холодней воздуха в палатке, что не позволяет реализовать сколько бы то ни было длительных паровых режимов. К тому же, любые (даже мелкие) порывы ткани сразу же приводят к мощным конвективным теплопотерям.

Наибольшее значение в бане (так же как и в жилых зданиях) имеют воздушные прослойки в окнах. При этом приведённое сопротивление теплопередаче окон измеряется и рассчитывается на всю площадь оконного проёма, то есть не только на стеклянную часть, но и на переплёт (деревянный, стальной, алюминиевый, пластиковый), который, как правило, имеет лучшие теплоизолирующие характеристики, чем стекло. Для ориентировки приведём нормативные значения термического сопротивления окон разных типов по СНиП П-3-79* и сотовых материалов с учётом теплового сопротивления внешних пограничных слоев внутри и вне помещения (см. таблицу 8).

Таблица 8. Приведенное сопротивление теплопередаче окон и оконных материалов

Тип конструкции Сопротивление теплопередаче, м² град/Вт
Одинарное остекление 0,16
Двойное остекление в спаренных переплётах 0,40
Двойное остекление в раздельных переплётах 0,44
Тройное остекление в раздельно-спаренных переплётах 0,55
Четырёхслойное остекление в двух спаренных переплётах 0,80
Стеклопакет с межстекольным расстоянием 12 мм: однокамерный 0,38
двухкамерный 0,54
Блоки стеклянные пустотные (с шириной швов 6 мм) размером: 194x194x98 мм 0,31
244x244x98 мм 0,33
Поликарбонат сотовый «Акууег» толщиной: двухслойный 4 мм 0,26
двухслойный 6 мм 0,28
двухслойный 8 мм 0,30
двухслойный 10 мм 0,32
трёхслойный 16 мм 0,43
многоперегородчатый 16 мм 0,50
многоперегородчатый 25 мм 0,59
Полипропилен сотовый «Акувопс!» толщиной: двухслойный 3,5 мм 0,21
двухслойный 5 мм 0,23
двухслойный 10 мм 0,30
Брусовая стена (для сравнения) толщиной: 5 см 0,55
10 см 0,91

Термическое сопротивление воздушной прослойки

Предыдущая123456789101112

Тепловлагопередача через наружные ограждения

Основы теплопередачи в здании

Перемещение теплоты всегда происходит от более теплой среды к более холодной. Процесс переноса теплоты из одной точки пространства в другую за счет разности температуры называется теплопередачей и является собирательным, так как включает в себя три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и излучение. Таким образом, потенциалом переноса теплоты является разность температуры.

Теплопроводность

Теплопроводность — вид передачи теплоты между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразными вещества. Таким образом, теплопроводность — это теплообмен между частицами или элементами структуры материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом. При изучении теплопроводности вещество рассматривается как сплошная масса, его молекулярное строение игнорируется. В чистом виде теплопроводность встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.

Большинство строительных материалов являются пористыми телами. В порах находится воздух, имеющий возможность двигаться, то есть переносить теплоту конвекцией. Считается, что конвективной составляющей теплопроводности строительных материалов можно пренебречь ввиду ее малости. Внутри поры между поверхностями ее стенок происходит лучистый теплообмен. Передача теплоты излучением в порах материалов определяется главным образом размером пор, потому что чем больше поры, тем больше разность температуры на ее стенках. При рассмотрении теплопроводности характеристики этого процесса относят к общей массе вещества: скелету и порам совместно.

Ограждающие конструкции здания, как правило, является плоско-параллельными стенками, теплоперенос в которых осуществляется в одном направлении. Кроме того, обычно при теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкций принимается, что теплопередача происходит при стационарных тепловых условиях, то есть при постоянстве во времени всех характеристик процесса: теплового потока, температуры в каждой точке, теплофизических характеристик строительных материалов. Поэтому важно рассмотреть процесс одномерной стационарной теплопроводности в однородном материале, который описывается уравнением Фурье:

, (2.1)

где qT — поверхностная плотность теплового потока, проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку, Вт/м2;

λ — теплопроводность материала, Вт/м. оС;

t — температура, изменяющаяся вдоль оси x, оС;

Отношение , носит название градиента температуры, оС/м, и обозначается grad t. Градиент температуры направлен в сторону возрастания температуры, которое связано с поглощением теплоты и уменьшением теплового потока. Знак минус, стоящий в правой части уравнения (2.1), показывает, что увеличение теплового потока не совпадает с увеличением температуры.

Теплопроводность λ является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (2.1) теплопроводность материала — это мера проводимости теплоты материалом, численно равная тепловому потоку, проходящему сквозь 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 оС/м (рис.1). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в таком материале процесс теплопроводности, больше тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м. оС.

Рис.1 Направления теплового потока и градиента температуры.

_______ — изотермы; — —— — линии тока теплоты.

Изменение теплопроводности строительных материалов с изменением их плотности происходит из-за того, что практически любой строительный материал состоит из скелета — основного строительного вещества и воздуха. К.Ф. Фокин для примера приводит такие данные: теплопроводность абсолютно плотного веществе (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/моС (у пластмассы) до 14 Вт/моС (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт/моС. Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение его теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют сравнительно небольшую плотность.

Различия в пористости и в теплопроводности скелета приводит к различию в теплопроводности материалов, даже при одинаковой их плотности. Например, следующие материалы (табл.1) при одной и той же плотности, ρ0=1800 кг/м3, имеют различные значения теплопроводности:

Таблица 1.

Теплопроводность материалов с одинаковой плотностью 1800 кг/м3 .

Материал Теплопроводность, Вт/ (м оС)
Цементно-песчаный раствор 0,93
Кирпич 0,76
Асфальт 0,72
Портландцементный камень 0,46
Асбестоцемент 0,35

С уменьшением плотности материала его теплопроводность l уменьшается, так как снижается влияние кондуктивной составляющей теплопроводности скелета материала, но, однако при этом возрастает влияние радиационной составляющей. Поэтому, уменьшение плотности ниже некоторого значения приводит к росту теплопроводности. То есть существует некоторое значение плотности, при котором теплопроводность имеет минимальное значение. Существуют оценки того, что при 20оС в порах диаметром 1мм теплопроводность излучением составляет 0,0007 Вт/ (м°С), диаметром 2 мм — 0,0014 Вт/ (м°С) и т.д. Таким образом, теплопроводность излучением становится значимой у теплоизоляционных материалов с малой плотностью и значительными размерами пор.

Теплопроводность материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Увеличение теплопроводности материалов объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры большого значения не имеет.д.ля пересчета значений теплопроводности материалов, полученных при температуре до 100оС, на значения их при 0оС служит эмпирическая формула О.Е. Власова:

λо= λt/ (1+β. t), (2.2)

где λо — теплопроводность материала при 0 оС;

λt — теплопроводность материала при t оС;

β — температурный коэффициент изменения теплопроводности, 1/оС, для различных материалов, равный около 0,0025 1/оС;

t — температура материала, при которой его коэффициент теплопроводности равен λt.

Для плоской однородной стенки толщиной δ (рис.2) тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через однородную стенку, может быть выражен уравнением:

, (2.3)

где τ1,τ2- значения температуры на поверхностях стенки, оС.

Из выражения (2.3) следует, что распределение температуры по толщине стенки линейное. Величина δ/λ названа термическим сопротивлением материального слоя и обозначена RТ, м2. оС/Вт:

, (2.4)

Рис.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке

Следовательно, тепловой поток qТ, Вт/м2, через однородную плоскопараллельную стенку толщиной δ, м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/м. оС, можно записать в виде

, (2.5)

Термическое сопротивление слоя — это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м2.

Теплообмен теплопроводностью имеет место в материальных слоях ограждающих конструкций здания.

Конвекция

Конвекция — перенос теплоты движущимися частицами вещества. Конвекция имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела. При этом происходит передача теплоты и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности называют конвективным теплообменом.

Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях ограждений здания. В теплообмене внутренних поверхностей помещения конвекция играет существенную роль. При различных значениях температуры поверхности и прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей температуры. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность, от температуры, плотности и вязкости движущейся среды, от шероховатости поверхности, от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.

Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью) протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения газа. Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа, во втором — за счет внешних для данного процесса сил (работы вентиляторов, ветра).

Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться процессом естественной конвекции, но так как интенсивность вынужденной конвекции заметно превосходит интенсивность естественной, то при рассмотрении вынужденной конвекции естественной часто пренебрегают.

В дальнейшем будут рассматриваться только стационарные процессы конвективного теплообмена, предполагающие постоянство во времени скорости и температуры в любой точке воздуха. Но так как температура элементов помещения изменяется довольно медленно, полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на процесс нестационарного теплового режима помещения, при котором в каждый рассматриваемый момент процесс конвективного теплообмена на внутренних поверхностях ограждений считается стационарным. Полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на случай внезапной смены природы конвекции от естественной к вынужденной, например, при включении в помещении рециркуляционного аппарата нагрева помещения (фанкойла или сплит-системы в режиме теплового насоса). Во-первых, новый режим движения воздуха устанавливается быстро и, во-вторых, требуемая точность инженерной оценки процесса теплообмена ниже возможных неточностей от отсутствия коррекции теплового потока в течение переходного состояния.

Для инженерной практики расчетов для отопления и вентиляции важен конвективный теплообмен между поверхностью ограждающей конструкции или трубы и воздухом (или жидкостью). В практических расчетах для оценки конвективного теплового потока (рис.3) применяют уравнения Ньютона:

, (2.6)

где qк — тепловой поток, Вт, передаваемый конвекцией от движущейся среды к поверхности или наоборот;

ta — температура воздуха, омывающего поверхность стенки, оС;

τ — температура поверхности стенки, оС;

αк — коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м2. оС.

Рис.3 Конвективный теплообмен стенки с воздухом

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, aк — физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности между температурой воздуха и температурой поверхности тела, равной 1оС.

При таком подходе вся сложность физического процесса конвективного переноса теплоты заключена в коэффициенте теплоотдачи, aк. Естественно, что величина этого коэффициента является функцией многих аргументов. Для практического использования принимаются весьма приближенные значения aк.

Уравнение (2.5) удобно переписать в виде:

, (2.7)

где Rк — сопротивление конвективной теплоотдаче на поверхности ограждающей конструкции, м2. оС/Вт, равное разности температуры на поверхности ограждения и температуры воздуха при прохождении теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м2 от поверхности к воздуху или наоборот. Сопротивление Rк является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи aк:

, (2.8)

Излучение

Излучение (лучистый теплообмен) — перенос теплоты с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту (рис.4).

Рис.4. Лучистый теплообмен между двумя поверхностями

Любое физическое тело, имеющее температуру отличную от абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию в виде электромагнитных волн. Свойства электромагнитного излучения характеризуются длиной волны. Излучение, которое воспринимается как тепловое и имеющее длины волн в диапазоне 0,76 — 50 мкм, называется инфракрасным.

Например, лучистый теплообмен происходит между поверхностями, обращенными в помещение, между наружными поверхностями различных зданий, поверхностями земли и неба. Важен лучистый теплообмен между внутренними поверхностями ограждений помещения и поверхностью отопительного прибора. Во всех этих случаях лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, является воздух.

В практике расчетов теплового потока при лучистом теплообмене используют упрощенную формулу. Интенсивность передачи теплоты излучением qл, Вт/м2, определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене:

, (2.9)

где τ1и τ2 — значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, оС;

αл — коэффициент лучистой теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м2. оС.

Коэффициент теплоотдачи излучением, aл — физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от одной поверхности к другой путем излучения при разности между температурой поверхностей, равной 1оС.

Введем понятие сопротивления лучистой теплоотдачеRл на поверхности ограждающей конструкции, м2. оС/Вт, равное разности температуры на поверхностях ограждений, обменивающихся лучистой теплотой, при прохождении с поверхности на поверхность теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м2.

Тогда уравнение (2.8) можно переписать в виде:

, (2.10)

Сопротивление Rл является величиной обратной коэффициенту лучистой теплоотдачи aл:

. (2.11)

Термическое сопротивление воздушной прослойки

Для внесения единообразия сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек, расположенных между слоями ограждающей конструкции, называют термическим сопротивлением Rв. п, м2. оС/Вт.

Схема передачи теплоты через воздушную прослойку представлена на рис.5.

Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке

Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку qв. п, Вт/м2, складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) qт, Вт/м2, конвекцией (1) qк, Вт/м2, и излучением (3) qл, Вт/м2.

qв. п=qт+qк+qл. (2.12)

При этом доля потока, передаваемого излучением самая большая. Рассмотрим замкнутую вертикальную воздушную прослойку, на поверхностях которой разность температуры составляет 5оС. С увеличением толщины прослойки от 10 мм до 200 мм доля теплового потока за счет излучения возрастает с 60% до 80%. При этом доля теплоты, передаваемой путем теплопроводности, падает от 38% до 2%, а доля конвективного теплового потока возрастает с 2% до 20% .

Прямой расчет этих составляющих достаточно громоздок. Поэтому в нормативных документах приводятся данные о термических сопротивлениях замкнутых воздушных прослоек, которые в 50-х годах ХХ века была составлена К.Ф. Фокиным по результатам экспериментов М.А. Михеева. При наличии на одной или обеих поверхностях воздушной прослойки теплоотражающей алюминиевой фольги, затрудняющей лучистый теплообмен между поверхностями, обрамляющими воздушную прослойку, термическое сопротивление следует увеличить в два раза. Для увеличения термического сопротивления замкнутыми воздушными прослойками рекомендуется иметь в виду следующие выводы из исследований:

1) эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины;

2) рациональнее делать в ограждении несколько прослоек малой толщины, чем одну большой;

3) воздушные прослойки желательно располагать ближе к наружной поверхности ограждения, так как при этом в зимнее время уменьшается тепловой поток излучением;

4) вертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий;

5) для сокращения теплового потока, передаваемого излучением, можно одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой, имеющей коэффициент излучения около ε=0,05. Покрытие фольгой обеих поверхностей воздушной прослойки практически не уменьшает передачу теплоты по сравнению с покрытием одной поверхности.

Вопросы для самоконтроля

1. Что является потенциалом переноса теплоты?

2. Перечислите элементарные виды теплообмена.

3. Что такое теплопередача?

4. Что такое теплопроводность?

5. Что такое коэффициент теплопроводности материала?

6. Напишите формулу теплового потока, передаваемого теплопроводностью в многослойной стенке при известных температурах внутренней tв и наружной tн поверхностей.

7. Что такое термическое сопротивление?

8. Что такое конвекция?

9. Напишите формулу теплового потока, передаваемого конвекцией от воздуха к поверхности.

10. Физический смысл коэффициента конвективной теплоотдачи.

11. Что такое излучение?

12. Напишите формулу теплового потока, передаваемого излучением от одной поверхности к другой.

13. Физический смысл коэффициента лучистой теплоотдачи.

14. Как называется сопротивление теплопередаче замкнутой воздушной прослойки в ограждающей конструкции?

15. Из тепловых потоков какой природы состоит общий тепловой поток через воздушную прослойку?

16. Какой природы тепловой поток превалирует в тепловом потоке через воздушную прослойку?

17. Как влияет толщина воздушной прослойки на распределение потоков в ней.

18. Как уменьшить тепловой поток через воздушную прослойку?

Предыдущая123456789101112

Дата добавления: 2017-01-26; просмотров: 6360;

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала

Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)

В сухом состоянии

При нормальной влажности

При повышенной влажности

Войлок шерстяной

0,036-0,041

0,038-0,044

0,044-0,050

Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3

0,036

0,042

0,,045

Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3

0,035

0,041

0,044

Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3

0,036

0,042

0,045

Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3

0,037

0,043

0,0456

Каменная минеральная вата 180 кг/м3

0,038

0,045

0,048

Стекловата 15 кг/м3

0,046

0,049

0,055

Стекловата 17 кг/м3

0,044

0,047

0,053

Стекловата 20 кг/м3

0,04

0,043

0,048

Стекловата 30 кг/м3

0,04

0,042

0,046

Стекловата 35 кг/м3

0,039

0,041

0,046

Стекловата 45 кг/м3

0,039

0,041

0,045

Стекловата 60 кг/м3

0,038

0,040

0,045

Стекловата 75 кг/м3

0,04

0,042

0,047

Стекловата 85 кг/м3

0,044

0,046

0,050

Пенополистирол (пенопласт, ППС)

0,036-0,041

0,038-0,044

0,044-0,050

Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)

0,029

0,030

0,031

Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3

0,14

0,22

0,26

Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3

0,11

0,14

0,15

Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3

0,15

0,28

0,34

Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3

0,13

0,22

0,28

Пеностекло, крошка, 100 – 150 кг/м3

0,043-0,06

Пеностекло, крошка, 151 – 200 кг/м3

0,06-0,063

Пеностекло, крошка, 201 – 250 кг/м3

0,066-0,073

Пеностекло, крошка, 251 – 400 кг/м3

0,085-0,1

Пеноблок 100 – 120 кг/м3

0,043-0,045

Пеноблок 121- 170 кг/м3

0,05-0,062

Пеноблок 171 – 220 кг/м3

0,057-0,063

Пеноблок 221 – 270 кг/м3

0,073

Эковата

0,037-0,042

Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3

0,029

0,031

0,05

Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3

0,035

0,036

0,041

Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3

0,041

0,042

0,04

Пенополиэтилен сшитый

0,031-0,038

Вакуум

Воздух +27°C. 1 атм

0,026

Ксенон

0,0057

Аргон

0,0177

Аэрогель (Aspen aerogels)

0,014-0,021

Шлаковата

0,05

Вермикулит

0,064-0,074

Вспененный каучук

0,033

Пробка листы 220 кг/м3

0,035

Пробка листы 260 кг/м3

0,05

Базальтовые маты, холсты

0,03-0,04

Пакля

0,05

Перлит, 200 кг/м3

0,05

Перлит вспученный, 100 кг/м3

0,06

Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3

0,054

Полистиролбетон, 150-500 кг/м3

0,052-0,145

Пробка гранулированная, 45 кг/м3

0,038

Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3

0,076-0,096

Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3

0,078

Пробка техническая, 50 кг/м3

0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50.13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Сравнивают самые разные материалы

Название материала, плотность

Коэффициент теплопроводности

в сухом состоянии

при нормальной влажности

при повышенной влажности

ЦПР (цементно-песчаный раствор)

0,58

0,76

0,93

Известково-песчаный раствор

0,47

0,7

0,81

Гипсовая штукатурка

0,25

Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3

0,14

0,22

0,26

Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3

0,21

0,33

0,37

Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3

0,29

0,38

0,43

Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3

0,15

0,28

0,34

Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3

0,23

0,39

0,45

Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3

0,31

0,48

0,55

Оконное стекло

0,76

Арболит

0,07-0,17

Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3

1,51

Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3

0,15-0,44

Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3

0,35-0,58

Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3

0,56

Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3

0,9-1,5

Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3

0,3-0,7

Керамическийй блок поризованный

0,2

Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3

0,08-0,21

Керамзитобетон, 500 кг/м3

0,14

Керамзитобетон, 600 кг/м3

0,16

Керамзитобетон, 800 кг/м3

0,21

Керамзитобетон, 1000 кг/м3

0,27

Керамзитобетон, 1200 кг/м3

0,36

Керамзитобетон, 1400 кг/м3

0,47

Керамзитобетон, 1600 кг/м3

0,58

Керамзитобетон, 1800 кг/м3

0,66

ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР

0,56

0,7

0,81

Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)

0,35

0,47

0,52

Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3)

0,41

0,52

0,58

Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3)

0,47

0,58

0,64

Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)

0,7

0,76

0,87

Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот

0,64

0,7

0,81

Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот

0,52

0,64

0,76

Известняк 1400 кг/м3

0,49

0,56

0,58

Известняк 1+600 кг/м3

0,58

0,73

0,81

Известняк 1800 кг/м3

0,7

0,93

1,05

Известняк 2000 кг/м3

0,93

1,16

1,28

Песок строительный, 1600 кг/м3

0,35

Гранит

3,49

Мрамор

2,91

Керамзит, гравий, 250 кг/м3

0,1

0,11

0,12

Керамзит, гравий, 300 кг/м3

0,108

0,12

0,13

Керамзит, гравий, 350 кг/м3

0,115-0,12

0,125

0,14

Керамзит, гравий, 400 кг/м3

0,12

0,13

0,145

Керамзит, гравий, 450 кг/м3

0,13

0,14

0,155

Керамзит, гравий, 500 кг/м3

0,14

0,15

0,165

Керамзит, гравий, 600 кг/м3

0,14

0,17

0,19

Керамзит, гравий, 800 кг/м3

0,18

Гипсовые плиты, 1100 кг/м3

0,35

0,50

0,56

Гипсовые плиты, 1350 кг/м3

0,23

0,35

0,41

Глина, 1600-2900 кг/м3

0,7-0,9

Глина огнеупорная, 1800 кг/м3

1,4

Керамзит, 200-800 кг/м3

0,1-0,18

Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3

0,23-0,41

Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3

0,16-0,66

Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3

0,22-0,28

Кирпич клинкерный, 1800 – 2000 кг/м3

0,8-0,16

Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3

0,93

Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3

1,35

Листы гипсокартона, 800 кг/м3

0,15

0,19

0,21

Листы гипсокартона, 1050 кг/м3

0,15

0,34

0,36

Фанера клеенная

0,12

0,15

0,18

ДВП, ДСП, 200 кг/м3

0,06

0,07

0,08

ДВП, ДСП, 400 кг/м3

0,08

0,11

0,13

ДВП, ДСП, 600 кг/м3

0,11

0,13

0,16

ДВП, ДСП, 800 кг/м3

0,13

0,19

0,23

ДВП, ДСП, 1000 кг/м3

0,15

0,23

0,29

Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3

0,33

Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3

0,38

Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3

0,2

0,29

0,29

Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3

0,29

0,35

0,35

Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3

0,35

Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3

0,23-0,35

Ковровое покрытие, 630 кг/м3

0,2

Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3

0,16

Полистиролбетон, 200-500 кг/м3

0,075-0,085

Ракушечник, 1000-1800 кг/м3

0,27-0,63

Стеклопластик, 1800 кг/м3

0,23

Черепица бетонная, 2100 кг/м3

1,1

Черепица керамическая, 1900 кг/м3

0,85

Черепица ПВХ, 2000 кг/м3

0,85

Известковая штукатурка, 1600 кг/м3

0,7

Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3

1,2

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Наименование

Коэффициент теплопроводности

В сухом состоянии

При нормальной влажности

При повышенной влажности

Сосна, ель поперек волокон

0,09

0,14

0,18

Сосна, ель вдоль волокон

0,18

0,29

0,35

Дуб вдоль волокон

0,23

0,35

0,41

Дуб поперек волокон

0,10

0,18

0,23

Пробковое дерево

0,035

Береза

0,15

Кедр

0,095

Каучук натуральный

0,18

Клен

0,19

Липа (15% влажности)

0,15

Лиственница

0,13

Опилки

0,07-0,093

Пакля

0,05

Паркет дубовый

0,42

Паркет штучный

0,23

Паркет щитовой

0,17

Пихта

0,1-0,26

Тополь

0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Название

Коэффициент теплопроводности

Название

Коэффициент теплопроводности

Бронза

Алюминий

Медь

Латунь

Серебро

Железо

Олово

Сталь

Золото

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления rc=»//pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js»>

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

  1. Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5 кирпича.
  2. Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами. Рассчитывать придется все ограждающие конструкции

    3.Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

ГОСТ Р 56734-2015 Здания и сооружения. Расчет показателя теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной теплоизоляцией

ГОСТ Р 56734-2015

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Расчет показателя теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной теплоизоляцией

Buildings and constructions. The calculation of thermal protection of walls with reflective insulation

ОКС 91.060.10

Дата введения 2016-06-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН федеральным учреждением «Научно-исследовательский институт строительной физики» Российской академии архитектуры и строительных наук

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 ноября 2015 г. N 1898-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Настоящий стандарт устанавливает методы расчета сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций помещений жилых, общественных, административных, бытовых, сельскохозяйственных, производственных зданий и сооружений при наличии на поверхности ограждений отражательной теплоизоляции, применение которой позволяет повысить их тепловую защиту. Стандарт разработан в соответствии с требованиями Федерального закона от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», согласно которому здания и сооружения, с одной стороны должны исключать в процессе эксплуатации нерациональный расход энергетических ресурсов, а с другой — не создавать условий для недопустимого ухудшения параметров среды обитания людей и осуществления различных технологических процессов.
Настоящий стандарт разработан в целях подтверждения соответствия теплотехнических характеристик наружных ограждений зданий и сооружений при наличии отражательной изоляции с низким значением коэффициента излучения на поверхности воздушной прослойки, расположенной в толще ограждения, нормативным значениям согласно СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» с учетом требований ГОСТ Р 51380 и ГОСТ 31607.
Стандарт позволяет оценить уровень теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной изоляцией на поверхности воздушной прослойки, расположенной в ограждении, при приемке зданий и последующей эксплуатации, а также наметить мероприятия по повышению уровня теплозащиты зданий в случае отклонения энергопотребления от действующих нормативных требований.
В рамках реализации Федерального закона от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» стандарт является одним из базовых стандартов, обеспечивающих энергетический паспорт и энергоаудит эксплуатируемых зданий теплотехническими параметрами с учетом требований действующих нормативных документов и технической документации.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 абсолютно черное тело: Тело, которое полностью поглощает все падающее на него электромагнитное излучение.

3.2 абсолютно белое тело: Тело, которое полностью отражает все падающее на него электромагнитное излучение.

3.3 серое тело: Тело, которое обладает меньшей способностью излучать теплоту по сравнению с абсолютно черным телом.

3.4 коэффициент излучения: Отношение мощностей собственного теплового излучения единицы поверхности реального тела и абсолютно черного тела при одинаковых температурах.

3.5 теплопроводность: Теплофизическая характеристика материала, отражающая его свойство передавать теплоту за счет непосредственного соприкосновения между частицами материала и численно равная плотности теплового потока через поверхность, перпендикулярную тепловому потоку в материале при градиенте температуры 1 Вт/°С.
Примечание — Является коэффициентом пропорциональности в дифференциальном уравнении закона Фурье.

3.6 конвекция: Перенос теплоты движущимися частицами жидкости или газа, обусловленный разностью температур и разной плотностью среды.

3.7 тепловое излучение или излучение: Перенос энергии в виде электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями, обусловленный температурой и оптическими свойствами поверхностей излучающих тел.

3.8 коэффициент теплоотдачи: Плотность теплового потока на поверхности твердого тела или жидкости в стационарных условиях, отнесенная к разности температур этой поверхности и среды.

3.9 коэффициент конвективной теплоотдачи: Физическая величина, численно равная плотности теплового потока, передаваемого от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности между температурой воздуха и температурой поверхности тела, граничащей с воздухом, равной 1°С (К).

3.10 коэффициент лучистой теплоотдачи: Физическая величина, численно равная плотности теплового потока, передаваемого от поверхности твердого тела к окружающим ее поверхностям путем лучистого теплообмена при разности между температурой рассматриваемой поверхности и средней температурой окружающих поверхностей, равной 1°С (К).

3.11 отражательная теплоизоляция: Материал, как правило листовой, рулонный, обеспечивающий уменьшение (снижение) теплопотерь через наружное ограждение за счет отражения лучистой составляющей теплового потока.

4 Методы расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций при наличии отражательной теплоизоляции

4.1 Метод расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции с замкнутыми воздушными прослойками, одна из поверхностей которых имеет теплоотражающее покрытие

4.1.1 Вертикальные ограждающие конструкции с замкнутыми воздушными прослойками без отражающих покрытий на их поверхностях

4.1.1.1 Сопротивление теплопередаче вертикального наружного ограждения (наружной стены) , м·°С/Вт, следует определять по формуле

, (1)

где — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м·°С), для наружных стен =8,7 Вт/(м·°С) (СП 50.13330.2012, таблица 4);
— термическое сопротивление ограждающей конструкции, м·°С/Вт;
— коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м·°С), для наружных стен =23 Вт/(м·°С) (СП 50.13330.2012, таблица 6).

4.1.1.2 Термическое сопротивление многослойной ограждающей конструкции , м·°С/Вт, включающей в себя последовательно расположенные конструкционные, теплоизоляционные, облицовочные слои, воздушные прослойки, определяют по формуле

, (2)

где — толщина i-го слоя конструкции, м;
— расчетный коэффициент теплопроводности материала i-го слоя конструкции, Вт/(м·°С), принимают по СП 50.13330.2012, приложение Т;
— термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, расположенной параллельно слоям многослойной конструкции, м·°С/Вт. При наличии в конструкции замкнутых воздушных прослоек следует принимать по таблице 1.

4.1.1.3 Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки в ограждающей конструкции вычисляют по формуле

, (3)

где — температура на поверхности воздушной прослойки, расположенной со стороны внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С;
— температура на поверхности воздушной прослойки, расположенной со стороны наружной поверхности ограждающей конструкции, °С;

Q — количество теплоты, проходящее через 1 м наружного ограждения с воздушной прослойкой, Вт/м, измеряют согласно ГОСТ 25380.

4.1.1.4 Количество теплоты Q, проходящее через воздушную прослойку площадью 1 м в течение 1 ч, состоит из количества теплоты, передаваемой излучением , теплопроводностью и конвекцией :

, (4)

где — количество теплоты, передаваемое излучением, Вт/м;
— количество теплоты, передаваемое теплопроводностью, Вт/м;
— количество теплоты, передаваемое конвекцией, Вт/м.

4.1.1.5 Температуры по слоям многослойного ограждения и на поверхности воздушной прослойки и вычисляют по формуле

, (5)

где — температура на внутренней поверхности n-го слоя ограждения (нумерация слоев принимается от внутренней поверхности ограждения), °С;
— сумма термических сопротивлений (n-1) слоев ограждения, м·°С/Вт;
— сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м·°С/Вт;
— расчетная температура внутреннего воздуха, °С;
— расчетная температура наружного воздуха, °С.
Таблица 1 — Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек без отражательной теплоизоляции

Толщина воздушной прослойки, м

Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, горизонтальной при потоке тепла снизу вверх и вертикальной , м·°C/Вт

при температуре воздуха в прослойке

положительной

отрицательной

0,01

0,13

0,15

0,02

0,14

0,15

0,03

0,14

0,16

0,05

0,14

0,17

0,1

0,15

0,18

0,15

0,15

0,18

0,2-03

0,15

0,19

4.1.1.6 Количество теплоты излучением, проходящее через воздушную прослойку с учетом температур на поверхностях воздушной прослойки и принятых коэффициентов излучения (таблица 2) поверхности без учета отражательной теплоизоляции, следует определять по формуле

, (6)

где — приведенный коэффициент излучения, определяют по формуле

, (7)

где — коэффициент излучения поверхности воздушной прослойки, расположенной со стороны внутренней поверхности ограждения, Вт/(м·К);
— коэффициент излучения поверхности воздушной прослойки, расположенной со стороны наружной поверхности ограждения, Вт/(м·К);
— коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м·К).
Коэффициенты излучений различных поверхностей принимают по таблице 2.
Таблица 2 — Коэффициенты излучения различных материалов

Материал

Коэффициент излучения, С, Вт/(м·К)

Алюминий полированный

0,23-0,34

Алюминий с шероховатой поверхностью

0,34-0,4

Алюминиевая фольга с зеркальной полированной поверхностью (класс обработки не менее 14)

0,3

Алюминиевая фольга в строительных конструкциях

0,5

Алюминий окисленный

0,63-1,09

Алюминиевая окраска

2,88

Алюминиевый лак на шероховатой пластине

2,25

Лак черный блестящий, распыленный на пластине

4,95

Лак белый

4,6

Лак черный матовый

5,52

Медь тщательно полированная электролитная

0,1

Медь полированная

0,13

Медь, окисленная при нагревании до 600°С, покрытая толстым слоем окиси

4,49

Бумага белая

4,08

Бумага желтая

4,14

Бумага красная

4,37

Бумага зеленая

4,95

Бумага синяя

4,83

Гипсокартон

4,14

Эмалевая краска

5,18

Бетон с шероховатой поверхностью

3,61

Асбестоцемент шероховатый

5,52

Ель строганая

4,44

Дуб строганый

5,16

Кирпич глиняный обыкновенный шероховатый

5,1-5,3

Пенополистирол

4,9

Стекло оконное гладкое

5,41

Стекло матовое

5,52

Штукатурка известковая шероховатая

5,23

Плитка метлахская гладкая

4,69

4.1.1.7 Количество теплоты, передаваемое через воздушную прослойку теплопроводностью и конвекцией, следует определять по формуле

, (8)

где — коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха при средней температуре воздушной прослойки, Вт/(м·°С);
— коэффициент конвективной теплопередачи, зависящий от толщины воздушной прослойки, температуры воздуха в ней, разности температур на поверхностях воздушной прослойки и расположения прослойки в ограждении, Вт/(м·°С).

4.1.1.8. Значения (коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха и коэффициент конвективной теплопередачи) в зависимости от толщины воздушной прослойки и разности температур на ее поверхности приведены в таблице 3.

4.1.1.9 Величину термического сопротивления воздушной прослойки в ограждающей конструкции определяют по формуле

. (9)

4.1.2 Вертикальные ограждающие конструкции с замкнутыми воздушными прослойками с теплоотражающим покрытием на их поверхности

4.1.2.1 Термическое сопротивление воздушной прослойки определяют в соответствии с 4.1.1.1-4.1.1.9 и формулой (9). На первом этапе расчета принимают, что теплозащиту ограждения осуществляют воздушные прослойки, имеющие серые поверхности. Затем проводят повторный расчет для ограждения, в котором одна из поверхностей воздушной прослойки имеет отражательную изоляцию из алюминиевой фольги по ГОСТ 745, ГОСТ 618. Данный расчет повторяют до получения постоянной величины термического сопротивления воздушной прослойки. Покрытие алюминиевой фольгой обеих поверхностей воздушной прослойки практически не уменьшает тепловой поток излучением через воздушную прослойку.

4.1.2.2 В результате расчета по 4.1.2.1 определяют значения температурного перепада между поверхностями воздушной прослойки и термического сопротивления воздушной прослойки без учета многократного отражения теплового потока излучением между поверхностями воздушной прослойки.
При учете многократного отражения и поглощения лучистого теплового потока параллельными поверхностями воздушной прослойки происходят его многократное отражение, поглощение и передача теплоты теплопроводностью и конвекцией. При этом лучистый тепловой поток от первой поверхности многократно отражается и поглощается второй поверхностью воздушной прослойки и в конечном итоге отражается от нее обратно к первой поверхности.
Таблица 3 — Значения величин для вертикальных воздушных прослоек в зависимости от толщины прослойки и разности температур на ее поверхности ()

4.1.2.3 По значению многократного поглощения и отражения падающего лучистого теплового потока между поверхностями воздушной прослойки определяют значение результирующего теплового потока излучением. При этом температура поверхностей . Поглощение и отражение падающего теплового потока излучением между поверхностями наглядно представлены в таблице 4 выражением изменения теплового потока на этапах последовательного излучения, поглощения и отражения в воздушной прослойке.
Таблица 4 — Последовательное излучение, поглощение и отражение теплового потока

Отражающие и поглощающие поверхности

Последовательное многократное затухание теплового потока

Первая поверхность излучает на вторую

Вторая поверхность поглощает излучение от первой поверхности

Вторая поверхность отражает обратно на первую поверхность

Первая поверхность поглощает излучение от второй поверхности

Первая поверхность отражает обратно излучение на вторую поверхность

Вторая поверхность поглощает излучение от первой поверхности

4.1.2.4 Результирующий тепловой поток излучением между двумя поверхностями следует определять по формуле

. (10)

4.1.2.5 Термическое сопротивление воздушной прослойки с учетом многократного отражения и поглощения определяют по формуле

. (11)

5 Последовательность проведения расчета термического сопротивления воздушной прослойки при наличии отражательной теплоизоляции на ее поверхности

5.1 Расчет термического сопротивления воздушной прослойки с отражательной теплоизоляцией включает в себя следующие этапы:

5.1.1 Предварительно задают термическое сопротивление воздушной прослойки в зависимости от ее толщины (см. таблицу 1) и по формуле (5) для многослойной ограждающей конструкции определяют распределение температуры по слоям стены, в том числе температуры поверхностей воздушной прослойки Т1.в.п и Т2.в.п.

5.1.2 С учетом коэффициентов излучения серых поверхностей воздушной прослойки определяют по формуле (10) передачу теплоты излучением. Составляющие теплового потока конвекцией и теплопроводностью принимают по таблице 3. Значение термического сопротивления воздушной прослойки определяют по формуле (11).

5.1.3 Проводят повторный пересчет, при котором одна из поверхностей воздушной прослойки будет иметь отражательную теплоизоляцию из алюминиевой фольги С=0,5 Вт/(м·К), а другая — серая поверхность.

5.1.4 Вычисляют термическое сопротивление воздушной прослойки по формуле (11).

5.1.5 Проводят повторный пересчет с полученным , изменяя значения температурного перепада между поверхностями воздушной прослойки до тех значений термического сопротивления воздушной прослойки, при которых оно будет постоянным.

5.1.6 Рассматривают теплообмен лучистого теплового потока между поверхностями воздушной прослойки в стационарных условиях при многократных отражении и поглощении.
По значению многократных поглощения и отражения падающего лучистого теплового потока между поверхностями воздушной прослойки определяют значения результирующего теплового потока излучением по формуле (10).

Приложение Б (обязательное). Пример расчета термического сопротивления воздушной прослойки толщиной 5 см при наличии отражательной теплоизоляции на ее поверхности

Приложение Б
(обязательное)

В качестве примера в настоящем приложении приведена конструкция наружной стены, которая состоит из обшивки с внутренней стороны гипсокартоном толщиной 1,3 см с коэффициентом теплопроводности 0,21 Вт/(м·°С), воздушной прослойки толщиной 5 см, пенополистирола ПСБ-С-25 толщиной 4 см с коэффициентом теплопроводности 0,041 Вт/(м·°С) и кладки из полнотелого кирпича толщиной 51 см с коэффициентом теплопроводности 0,7 Вт/(м·°С)*.

* Такая многослойная конструкция стены была использована при строительстве жилых зданий в г.Самара.
Температура внутреннего воздуха составляет =20°C, температура наружного воздуха =-28°С.
Теплотехнический расчет воздушной прослойки толщиной 5 см следует проводить с учетом многократного отражения и поглощения.
Первый этап
В соответствии с таблицей 1 термическое сопротивление воздушной прослойки принимают равным 0,14 (м·°С)/Вт, а согласно таблицей коэффициенты излучения на поверхности гипсокартона 4,14 Вт/(м·К) и пенополистирола 4,9 Вт/(м·К), величина температурного перепада =15,9-12,65=3,25°С.
Распределение температуры по слоям многослойной стены определяют по формуле (5):

=0,115 м·°С/Вт,

=20°С,
=17,34°С,

=0,062 м·°С/Вт,

=15,9°С,

= 0,14 м·°С/Вт,

=12,65°С,

=0,976 м·°С/Вт,

=-9,98°С,

=0,729 м·°С/Вт,

=-26,88°С,

=0,05 м·°С/Вт,

=-28°С,

=2,07 м·°С/Вт·=-28°С,

Значение температурного перепада на поверхностях воздушной прослойки составляет =15,9-12,65=3,25°С.
Результирующий тепловой поток излучением, Вт/м, следует рассчитывать по формуле (10):

Количество теплоты, передаваемое конвекцией и теплопроводностью, Вт/м, определяют по формуле (8):

.

Термическое сопротивление воздушной прослойки, м·°С/Вт, определяют по формуле (11):

.

Второй этап
Проводят повторный пересчет многослойной стены при =2,17 м·°С/Вт и термическом сопротивлении воздушной прослойки 0,24 м·°С/Вт. Определяют распределение температур по сечению стены по формуле (5) и вычисляют значение температурного перепада, °С, на поверхностях, обращенных в воздушную прослойку:

=16,09-10,78=5,31.

По формуле (10) определяют результирующий тепловой поток излучением, Вт/м, когда одна из поверхностей выполнена из отражательной теплоизоляции из алюминиевой фольги с коэффициентом излучения 0,5 Вт/(м·К):

Количество теплоты, передаваемое конвекцией и теплопроводностью, Вт/м, определяют по формуле (8):

.

Термическое сопротивление воздушной прослойки, м·°С/Вт, определяют по формуле (11):

.

Третий этап
Проводят повторный пересчет многослойной стены при =2,46 м·°С/Вт и термическом сопротивлении воздушной прослойки 0,53 м·°С/Вт. Определяют распределение температур по сечению стены по формуле (5) и вычисляют значение температурного перепада, °С, на поверхностях, обращенных в воздушную прослойку:

=16,55-6,21=10,24.

Результирующий тепловой поток, передаваемый излучением, Вт/м, определяют по формуле (10)

Количество теплоты, передаваемое конвекцией и теплопроводностью, Вт/м, определяют по формуле (8):

.

Термическое сопротивление воздушной прослойки, м·°С/Вт, определенное по формуле (11):

.

Четвертый этап
Проводят повторный пересчет многослойной стены =2,41 м·°С/Вт и термическим сопротивлением воздушной прослойки 0,48 м·°С/Вт. Определяют величину температурного перепада, °С:

=16,48-6,92=9,56.

Результирующий тепловой поток, передаваемый излучением, Вт/м, определяют по формуле (10):

Количество теплоты, передаваемое конвекцией и теплопроводностью, Вт/м, определяют по формуле (8):

.

Термическое сопротивление воздушной прослойки, м·°С/Вт, определяют по формуле (11):

.

Таким образом, на основе последовательного теплотехнического расчета многослойной стены с воздушными прослойками различной толщины с одной из поверхностей, состоящей из отражательной теплоизоляции из алюминиевой фольги =0,5 Вт/(м·K). и другой поверхностью из гипсокартона =4,14 Вт/(м·K) с учетом последовательного отражения и поглощения лучистого потока термическое сопротивление воздушных прослоек при толщине 5 см составило 0,5 м·°С/Вт.

Приложение В (справочное). Расчетные теплотехнические показатели теплоизоляционных материалов

Приложение В
(справочное)

Таблица В.1

Материал

Характеристики материалов в сухом состоянии

Расчетные характеристики материалов при условиях эксплуатации А и Б

Плот-
ность , кг/м

Удель-
ная теплоем-
кость , кДж/(кг·°С)

Тепло-
провод-
ность,
Вт/(м·°С)

Влаж-
ность w, %

Теплопро-
вод-
ность , Вт/(м·°С)

Тепло-
усвоение (при периоде 24 ч) S,
Вт/(м·°С)

Паро-
прони-
цае-
мость , мг/(м·ч·Па)

1 Плиты из пенополисти-
рола

До 10

1,34

0,049

А

Б

А

Б

А

Б

А, Б

2 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,041

0,052

0,059

0,23

0,28

0,05

3 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,040

0,044

0,050

0,23

0,28

0,05

4 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,039

0,043

0,049

0,25

0,30

0,05

5 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,038

0,042

0,048

0,26

0,30

0,05

6 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,037

0,041

0,047

0,27

0,32

0,05

7 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,036

0,040

0,046

0,29

0,34

0,05

8 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,036

0,038

0,044

0,31

0,38

0,05

9 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,037

0,038

0,044

0,34

0,41

0,05

10 Плиты из пенополисти-
рола

1,34

0,037

0,040

0,046

0,38

0,45

0,05

11 Плиты из пенополисти-
рола с графитовыми добавками

1,34

0,033

0,035

0,040

0,278

0,32

0,05

12 Плиты из пенополисти-
рола с графитовыми добавками

1,34

0,032

0,034

0,039

0,030

0,35

0,05

13 Экструди-
рованный пенополисти-
рол

1,34

0,029

0,030

0,031

0,30

0,31

0,005

14 Экруди-
рованный пенополисти-
рол

1,34

0,030

0,031

0,032

0,35

0,36

0,005

15 Плиты минера-
ловатные из каменного волокна

0,84

0,038

0,045

0,048

0,74

0,81

0,3

16 Плиты минера-
ловатные из каменного волокна

0,84

0,037

0,043

0,046

0,68

0,75

0,31

17 Плиты минера-
ловатные из каменного волокна

0,84

0,036

0,042

0,045

0,53

0,59

0,32

18 Плиты минера-
ловатные из каменного волокна

0,84

0,035

0,041

0,044

0,37

0,41

0,35

19 Плиты минера-
ловатные из каменного волокна

0,84

0,036

0,042

0,045

0,31

0,35

0,37

20 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,044

0,046

0,05

0,51

0,57

0,5

21 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,04

0,042

0,047

0,46

0,52

0,5

22 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,038

0,04

0,045

0,4

0,45

0,51

23 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,039

0,041

0,045

0,35

0,39

0,51

24 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,039

0,041

0,046

0,31

0,35

0,52

24 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,04

0,042

0,046

0,29

0,32

0,52

24 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,04

0,043

0,048

0,24

0,27

0,53

24 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,044

0,047

0,053

0,23

0,26

0,54

24 Плиты из стеклянного штапельного волокна

0,84

0,046

0,049

0,055

0,22

0,25

0,55

25 Пенопо-
лиэтилен

2,0

0,048

0,049

0,050

0,44

0,44

0,001

26 Пенопо-
лиэтилен

2,0

0,049

0,050

0,050

0,47

0,48

0,001

УДК 697.1:006.354

ОКС 91.060.10

Ключевые слова: отражающая теплоизоляция, излучение, конвекция, теплопроводность, термическое сопротивление, тепловой поток

Электронный текст документа
подготовлен АО «Кодекс» и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2016


Warning: Error while sending QUERY packet. PID=22348 in D:\OpenServer\domains\official-document.ru\wp-includes\wp-db.php on line 1924

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *