IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

С введением Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Постановления правительства РФ №18 «Правила установления требований энергетической эффективности для зданий» актуальность современных методов сокращения потерь теплоты возросла многократно.

В тепловом контуре здания светопрозрачные ограждающие конструкции имеют значительную долю по площади. Однако они имеют худшую теплозащиту: приведенное сопротивление теплопередачи оконного блока с двойным остеклением 5…6 раз меньше, чем у наружных стен. Поэтому через световые проемы теряется значительное количество теплоты – 20...30 % всех тепловых потерь жилого здания [1].

Тепловые потери через светопрозрачные ограждения происходят по нескольким каналам: потери через оконный блок и переплеты (мостики холода, неплотности), потери за счет теплопроводности воздуха и конвективных потоков между стеклами, а также теплопотери посредством теплового излучения.

Рис 1. Теплопотери в многоквартирных домах типовых серий, строящихся с 2011 по 2015 годы (в соответствии с ПП РФ № 18) [1]

Одним из самых эффективных способов повышения энергоэффективности светопрозрачных конструкций является теплопоглощающее остекление, которое содержит определенный процент металла с поглощением лучей с длиной волны более 0,7 нм. Теплопропускная способность остекления зависит от угла падения солнечных лучей и толщины стекла. Теплопоглощающее стекло всегда наружное. Теплоотражающие стекла покрывают металлическими или полимерными пленками. Коэффициент теплопропускания таких стекол составляет 0,2…0,6. В ряде стран применяют трехслойные теплоотражающие пленки, приклеиваемые к стеклам после окончания работ по остеклению. В этом случае удается снизить до 0,13. Также применяются стекла с энергосбережением (И-стекло) — это стекло с напылением оксида метала (или цинка или серебра) его ставят во внутреннюю часть стеклопакета, чтобы стекло покрытием было направлено в межстекольное пространство. Это способствует нагреванию поверхности стекла, за счет многократного отражения ик-волны, что значительно уменьшает конденсат на поверхности [2].

Расчёт проводим на примере одинарного стекла. При расчете теплопотерь через окна величину теплового потока на отдельных участках радиационно-конвективного переноса теплоты (на внутренней и внешней поверхностях окна, в межстекольном зазоре) принято выражать в виде суммы конвективной и лучистой составляющих. При этом, величину каждой из этих составляющих при фиксированном перепаде температуры Δt на отдельном участке вычисляют с использованием коэффициентов конвективного α_к н лучистого α_л теплообмена [3, 4]:

q_к = α_кΔt;q_л = α_лΔt (1)

Однако вследствие изменения как самих этих составляющих тепловою потока, так и соотношения между ними на различных участках переноса теплоты через окно составить заключение о величине каждой из этих составляющих и о влиянии на них основных параметров процесса достаточно сложно. Кроме того, при этом теряется общее представление о физической природе каждого из процессов конвективного и лучистого переноса теплоты. Ниже рассматривается только лучистый перенос теплоты через окно.

Задача формулируется следующим образом. Помещение, имеющее внутреннюю поверхность площадью F_в отделено ограждающей конструкцией от наружной среды с поверхностью F_н (рис. 2). В ограждающей конструкции выполнен застекленный оконный проем с площадью стекла F₁, Температура всей поверхности внутри помещения одинакова и равна t_в Температура поверхности F_н окружающей среды также одинакова и равна t_н, причемt_н < t_в. Из помещения в окружающую среду через окно передается излучением теплота Необходимо определить температуру стекла t₁ и плотность лучистого теплового потока q_л через стекло.

Рис. 2. Физическая модель передачи теплоты излучением из помещения в окружающую среду через окно: 1 - внутреннее стекло: 2 - внешнее стекло

Рассмотрим вариант, когда в окне (рис. 2) установлено одинарное стекло.

Две излучающие поверхности - поверхность помещения F_в и поверхность стекла F₁ - образуют замкнутую систему, причем поверхность стекла F₁ плоская, не имеет вогнутостей и не излучает сама на себя. Для такой системы плотность теплового потока, передаваемого излучением от внутренней поверхности помещения к колодному стеклу, определяется выражением [5].

(2)

Здесь и - температура поверхности внутри помещения и температура стекла, выраженные в термодинамической шкале температур (далее температуры t и T с соответствующими индексами обозначают температуры соответствующих поверхностей, выраженные в практической (t, °С) и термодинамической (T, К) шкалах); = 5,67 Вт/(м² · К⁴) - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Величина - это приведенная степень черноты излучающей системы F_в и F₁:

(3)

Эта характеристика, помимо значений F₁ и F_в зависит от степени черноты стекла и степени черноты поверхности помещения. Учитывая тот факт, что в подавляющем большинстве практических задач внутренняя поверхность помещения F_в значительно больше поверхности стекла, получаем F₁/F_в 0. В итоге для всех этих случаев выражение (3) существенно упрощается

(4)

и приведенная степень черноты излучающей системы определяется только величиной степени черноты стекла .

От поверхности стекла F₁ лучистый тепловой поток рассеивается в окружающую среду. Две излучающие поверхности (поверхность стекла F₁ и поверхность окружающей среды F_в) образуют замкнутую систему, причем поверхность стекла не имеет вогнутостей. Для такой излучающей системы плотность теплового потока, передаваемого от поверхности стекла F₁ в окружающую среду, определяется соотношением

(5)

Здесь - приведенная степень черноты замкнутой системы F₁ и F_н:

(6)

Поскольку поверхность F_н окружающей среды бесконечно велика по сравнению с поверхностью стекла F₁, то F₁/F_н 0, то приведенная степень черноты этой системы равна степени черноты стекла

(7)

В итоге получаем, что для обеих замкнутых излучающих систем приведенные степени черноты одинаковы .

В установившемся процессе плотность теплового потока q_в1, воспринимаемого поверхностью стекла от поверхности помещения, равна плотности теплового потока q_1н, рассеиваемого стеклом в окружающую среду:

q_в1 =q_1н = q_л. (8)

Соотношения (2), (5) и (8) составляют систему из трех уравнений для определения трех неизвестных q_в1, q_1н, T₁. Приравнивая (2) и (5) и учитывая получаем соотношение

(9)

Отсюда сначала находим неизвестную температуру T₁ стекла

(10)

Подставляя это значение в любое из выражений (2) или (5), получаем выражение для расчета величины лучистого теплового потока q_л, передаваемого из помещения в окружающую среду через оконный проем с одинарным стеклом:

(11)

В качестве примечания следует отметить, что обычно [2, 3] лучистый тепловой поток между поверхностью стекла и окружающей средой (помещение или внешняя среда) рекомендуют рассчитывать по соотношению для лучистого теплообмена между двумя бесконечными параллельными поверхностями. Например, для системы внешняя поверхность стекла F₁ - окружающая среда F_н это будет соотношение

(12)

в котором приведенная степень черноты рассчитывается по формуле

(13)

Сравнивая соотношения (5) и (12), видим, что они внешне одинаковы, но входящие в них величины и рассчитываются по несколько отличающимся выражениям (6), (7) и (13) соответственно. При этом выражение (13) является частным случаем соотношения (6) при F₁/F_н = 1.

Аналогичное заключение справедливо и для системы «внутренний поверхность стекла F₁ - поверхность помещения F_в». Более строгим будет использование соотношений (2)…(4) и (5)…(7).

1. Как следует из выражения (11), плотность лучистого теплового потока, передаваемого из помещения в окружающую среду через одинарное стекло, зависит только от температуры Т_в поверхности помещения, температуры окружающей среды Т_н и степени черноты стекла .

2. Для обычного оконного стекла степень черноты для низкотемпературного теплового излучения достаточно велика = 0,91…0,94 и близка к 1 [4]. Для такого теплового излучения стекло является практически черным телом, т е. оно поглощает всё падающее на него тепловое излучение. Это коренным образом отличается от поведения стекла по отношению к видимому свету, который стекло пропускает почти полностью. Так, например, оконное стекло толщиной 4,5 мм пропускает 0,96 падающего видимого света и поглощает только 0,04 его [4].

В качестве примера на рис 4 приведены экспериментальные данные для оконных стекол. Из этих данных следует, что прозрачное для видимого света обычное оконное стекло толщиной 2 мм становится непрозрачным и черным для теплового излучения с длиной волны больше 5 мкм. Именно в этом длинноволновом диапазоне расположена основная часть спектра низкотемпературного теплового излучения черных тел, имеющих температуру ниже 40 °С (рис. 4).

3. Размещение в оконном проеме одинарного стекла позволяет примерно вдвое уменьшить тепловой лучистый ноток за счет его переизлучения стеклом по сравнению с оконным проемом без стекла (коэффициент 1/2 в правой части выражения (11)). Даже одинарное стекло создает значительным экранирующий эффект.

Экранирующим эффект стекла можно значительно увеличить, а проходящий через стекло лучистый тепловой поток соответственно снизить за счет применения стекол со специальным покрытием. Такие стекла называют селективными, или низкоэмиссионными. Теплоизолирующая способность селективного стекла много лучше, чем у обычного. Солнечное коротковолновое излучение хорошо проникает через такое стекло и нагревает поверхности внутри помещения, которые, в свою очередь, излучают длинноволновое тепловое излучение, эффективно отражающееся от поверхности селективного стекла обратно.

В настоящее время применяют два типа покрыт ни, различающихся по технологии нанесения [6].

1. «Твердое покрытие» на основе оксида олова SnO₂, называемое иначе «полупроводниковым покрытием». Наносится непосредственно на одной из стадий производства флоат-стекла (так называемая технология on-line – англ. «на линии») за счет химической реакции пиролиза (разложения вещества под действием высоких температур). Во время этой реакции слой оксида олова тол шиной порядка 400…600 нм оседает на поверхность горячего стекла, становясь неотделимой его частью.

При этом образуется крепкое и прочное металлическое покрытие, обладающее химической, механической и термической стойкостью, равноценной стеклу без покрытия. Твердые покрытия устойчивы к воздействию погодных условии и выдерживают воздействия температур до 620 °С.

Рис. 3. Спектральные пропускательная и поглощательная способности различных сортов стекла [8]: 1 - оконное стекло толщиной 2 мм; 2 - оконное стекло толщиной 5,4 мм; 3 - Au-стекло; 4 - Сu-стекло

2. «Мягкое покрытие» на основе серебра Ag. Наносится на готовое флоат-стекло (технология off-line – англ. «вне линии») и удерживается на нем силами молекулярного взаимодействия. Состоит из нескольких тонких слоев, выбор которых зависит от требуемых характеристик остекления - излучательной способности, светопропускания, а также оптических свойств - удаления нежелательного отражения. Толщина слоя серебра от 10 до 50 нм. В отличие от «твердых» покрытий «мягкие» ограниченно устойчивы по отношению к погодным и температурным воздействиям. Однако при установке в стеклопакете - покрытием и сторону воздушной камеры они имеют долговечность, сопоставимую с «твердыми» покрытиями.

Рис. 4. Спектральная плотность излучения поверхности абсолютно черного тела как функция длины волны излучения при различных температурах черного тела [7]

В зависимости от типа покрытия поглощательная (излучательная) способность в диапазоне длин волн низкотемпературного теплового излучения составляет = 0,16…0,20 для стекол с твердым покрытием и = 0,04…0,12 для стекол с мгяким покрытием. Внешний вид таких стекол практически не отличается от обычных.

Пример расчёта [7]. Пусть вместо обычного стекла с излучательной способностью = 0,94 в окно установлено низкоэмиссионное стекло с пониженной излучательно-поглощательной способностью = 0,12. Согласно выражению (11):

(11)

плотность лучистого теплового потока через стекло пропорциональна величине . Поэтому при замене обычного стекла ( = 0,94) на низкоэмиссионное ( = 0,12) происходит существенное сокращение тепловых потерь через окно, пропорциональное отношению /*. В данном варианте лучистые тепловые потери (q_л/q_л* = /* = 0,94/0,12 = 7,83 сокращаются в 7,83 раза.

Заключение. В результате проведённого исследования были изучены современные технология изготовления светопрозрачных ограждающих конструкций, изучена модель лучистой теплопередачи через светопрозрачные ограждающие конструкции.

По результатам исследования можно сказать, что использования селективных покрытий позволяет снизить в несколько раз тепловые потери лучистым теплообменом по сравнению с обычными (ненизкоэмиссионными стёклами).

Библиографический список

1. Ливчак В. И. Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий // Энергосбережение, 2012, №6.

2. Захаров В.М., Смирнов Н.Н., Калинина Л.Б. Энергосберегающие конструкции окон на основе применения теплоотражающих экранов. // Светопрозрачные конструкции, 2008, №5-6, С. 42…45.

3. Дроздов В.А., Савин В.К., Александров Ю.П. Теплообмен в светопрозрачных конструкциях. – М.: Стройиздат, 1979. – 307 с.

4. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). – СпБ.: Издательство «АВОК Северо-Запад», Санкт-Петербург, 2006. – 400 с.

5. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.

6. Борискина И. В., Плотников А. А., Захаров Л. И. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий: Учебное пособие. – М.: Издательство АСВ, 2000. – 182 с.

7. Майоров В.А. Передача теплоты через окна: Учеб. пособие. Издательство АСВ, – М.: 2014. – 120 с.

Код для цитирования: Скопировать