с в = 1 005 Дж/(кг °С) - удельная теплоемкость воздуха

d - ширина воздушного зазора, м

L - высота фасада с вентилируемым зазором, м

n к - среднее количество кронштейнов, приходящихся на м 2 стены, м–1

R пр о. констр. , R пр о. обл. - приведенные сопротивления теплопередаче частей конструкции от внутренней поверхности до воздушного зазора и от воздушного зазора до наружной поверхности конструкции соответственно, м 2 °С/Вт

R о пр - приведенное сопротивление теплопередаче всей конструкции, м 2 °С/Вт

R усл о. констр. - сопротивление теплопередаче по глади конструкции (без учета теплопроводных включений), м 2 °С/Вт

R усл о - сопротивление теплопередаче по глади конструкции, определяется как сумма термических сопротивлений слоев конструкции и сопротивлений теплоотдачи внутренней (равное 1/aв) и наружной (равное 1/aн) поверхностей

R пр СНиП - приведенное сопротивление теплопередаче конструкции стены с утеплителем, определяемое в соответствии со СНиП II-3-79*, м 2 °С/Вт

R пр терм. констр. - термическое сопротивление стены с утеплителем (от внутреннего воздуха до поверхности утеплителя в воздушном зазоре), м 2 °С/Вт

R эф зазора - эффективное термическое сопротивление воздушного зазора, м 2 °С/Вт

Q н - рассчитанный поток теплоты через неоднородную конструкцию, Вт

Q 0 - поток теплоты через однородную конструкцию той же площади, Вт

q - плотность потока теплоты через конструкцию, Вт/м 2

q 0 - плотность потока теплоты через однородную конструкцию, Вт/м 2

r - коэффициент теплотехнической однородности

S - площадь сечения кронштейна, м 2

t - температура, °С

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.

This paper describes the thermal insulating system having dead air space between the thermal insulation and the outer wall of the building. Water vapour-permeable inserts are proposed for use in the thermal insulation in order to prevent moisture condensation in the air space. The method for calculating the area of the inserts has been offered depending on the conditions of the thermal insulation usage.

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.

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 :

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

(2)

где T in , T out – температура воздуха внутри здания и наружного воздуха соответственно, о С;

R 1 , R 2 – сопротивление теплопередаче стены и теплоизоляции соответственно, м 2 × о С/Вт.

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

(3)

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

S 1 – площадь наружной стены здания, м 2 ;

k пп1 – коэффициент паропроницаемости стены, равный:

здесь R пп1 = m 1 /l 1 ;

m 1 – коэффициент паропроницаемости материала стены, мг/(м×ч×Па);

l 1 – толщина стены, м.

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

(5)

где P out – парциальное давление пара в наружном воздухе, Па;

S 2 – площадь паропроницаемых теплоизоляционных вставок в теплоизоляции здания, м 2 ;

k пп2 – коэффициент паропроницаемости вставок, равный:

здесь R пп2 = m 2 /l 2 ;

m 2 – коэффициент паропроницаемости материала паропроницаемой вставки, мг/(м×ч×Па);

l 2 – 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 = S 2 /S 1 .

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

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

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

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.

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:

Рис. 3. Расчетная схема теплопотерь через ограждающую конструкцию

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

где Q 1 – тепловой поток от помещения к внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м 2 ;

Q 2 – тепловой поток через основную стену, Вт/м 2 ;

Q 3 – тепловой поток через воздушную прослойку, Вт/м 2 ;

Q 4 – тепловой поток через слой теплоизоляции за прослойкой, Вт/м 2 ;

Q 5 – тепловой поток от внешней поверхности ограждающей конструкции в атмосферу, Вт/м 2 ;

Т 1 , Т 2 , – температура на поверхности стены, о С;

Т 3 , Т 4 – температура на поверхности прослойки, о С;

Т k , Т а – температура в помещении и наружного воздуха соотвественно, о С;

s – постоянная Стефана-Больцмана;

l 1 , l 2 – коэффициент теплопроводности основной стены и теплоизоляции соответственно, Вт/(м× о С);

e 1 , e 2 , e 12 – степень черноты внутренней поверхности стены, наружной поверхности слоя теплоизоляции и приведенная степень черноты поверхностей воздушной прослойки соответственно;

a в, a н, a 0 – коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности стены, на наружной поверхности теплоизоляции и на поверхностях, ограничивающих воздушный промежуток, соответственно, Вт/(м 2 × о С).

Формула (14) записана для случая, когда воздух в прослойке неподвижен. В том случае, когда в прослойке со скоростью u движется воздух с температурой T u , вместо Q 3 рассматриваются два потока: от продуваемого воздуха к стене:

и от продуваемого воздуха к экрану:

Тогда система уравнений распадается на две системы:

Коэффициент теплоотдачи выражается через число Нуссельта:

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 :

где Ra= Pr×Gr – критерий Релея;

Gr = g ×b ×D T ×L 3 /n 2 – 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 a 0 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 l в в зависимости от температуры рассчитывались путем линейной интерполяции табличных значений из . Системы уравнений (11) или (19) решались численно путем итерационного уточнения относительно температур T 1 , T 2 , T 3 , T 4 . Для численного моделирования была выбрана теплоизоляционная система на основе теплоизоляции, подобной пенополистиролу, с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/(м 2 × о С). Температура воздуха на входе прослойки предполагалась равной 8 о С, 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 о С. Эквивалентное значение сопротивления теплопередаче такой теплоизоляции для этой температуры равно 10,5 м 2 × о С/Вт, что соответствует слою пенополистирола толщиной более 40,0 см.

D d = 4 см с неподвижным воздухом; ряд 3 – скорость воздуха 0,5 м/с

Рис. 4. Графики зависимости удельных теплопотерь

Эффективность теплоизоляционной системы возрастает по мере снижения температуры наружного воздуха. При температуре наружного воздуха 4 о С 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 о С 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/(м 2 × о С). Сопротивление теплопередаче пластины – 1,0 м 2 × о С/Вт, кирпичной стены – 0,6 м 2 × о С/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.

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 о С, что свидетельствует о потреблении энергии из проходящего воздуха.

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.

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.

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.

6. Alfred Kerschberger «Solares Bauen mit transparenter Wаrmedаmmung». Systeme, Wirtschaftlichkeit, Perspektiven, BAUVERLAG GMBH, WEISBADEN UND BERLIN.

7. Die ESA-Solardassade – Dаmmen mit Licht / ESA-Energiesysteme, 3. Passivhaustagung 19 bis 21 Februar 1999. Bregenz. –Р. 177–182.

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.

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 R al 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 α к следует уменьшить вдвое.

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

α" к = 0,5 α к + λ a /δ al , (3.23)

где λ a и δ al – 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

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 = λ a /δ al .

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 α л (Глава 2, п.2.5).

Пользуясь формулами (2.13), (2.17), (2.18) определим коэффициент теплообмена излучением α л в воздушной прослойке между конструктивными слоями кирпичной кладки. Температуры поверхностей: t 1 = + 15 ºС, t 2 = + 5 ºС; степень черноты кирпича: ε 1 = ε 2 = 0,9.

По формуле (2.13) найдем, что ε = 0,82. Температурный коэффициент θ = 0,91. Тогда α л = 0,82∙5,7∙0,91 = 4,25 Вт/(м 2 ·ºС).

Величина α л 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.

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

Таблица 3.6

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослоек

Значения R al 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.

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 α ext для холодного периода составляет 10,8 Вт/(м 2 · 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.

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.

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

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. . 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. : 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

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:

где q T - поверхностная плотность теплового потока , проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку , Вт/м 2 ;

λ - теплопроводность материала , Вт/м. о С;

t - температура, изменяющаяся вдоль оси x, оС;

Отношение , носит название градиента температуры , о С/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 м 2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 о С/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. о С.

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/м о С (у пластмассы) до 14 Вт/м о С (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт/м о С. 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, ρ 0 =1800 кг/м 3 , имеют различные значения теплопроводности:

Таблица 1.

Теплопроводность материалов с одинаковой плотностью 1800 кг/м 3 .

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 20 о С 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 100 о С, на значения их при 0 о С служит эмпирическая формула О.Е. Власова:

λ о = λ t / (1+β . t), (2.2)

где λ о - теплопроводность материала при 0 о С;

λ t - теплопроводность материала при t о С;

β - температурный коэффициент изменения теплопроводности, 1/ о С, для различных материалов, равный около 0,0025 1/ о С;

t - температура материала, при которой его коэффициент теплопроводности равен λ t .

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

где τ 1 ,τ 2 - значения температуры на поверхностях стенки, о С.

Из выражения (2.3) следует, что распределение температуры по толщине стенки линейное. Величина δ/λ названа термическим сопротивлением материального слоя и обозначена R Т , м 2. о С/Вт:

Рис.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке

Следовательно, тепловой поток q Т , Вт/м 2 , через однородную плоскопараллельную стенку толщиной δ , м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/м. о С, можно записать в виде

Термическое сопротивление слоя - это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 .

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 q к - тепловой поток, Вт, передаваемый конвекцией от движущейся среды к поверхности или наоборот;

t a - температура воздуха, омывающего поверхность стенки, о С;

τ - температура поверхности стенки, о С;

α к - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Рис.3 Конвективный теплообмен стенки с воздухом

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, a к - 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 1 о С.

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

Уравнение (2.5) удобно переписать в виде:

где R к - сопротивление конвективной теплоотдаче на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхности ограждения и температуры воздуха при прохождении теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 от поверхности к воздуху или наоборот. Сопротивление R к является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи a к :

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 q л, Вт/м 2 , определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене:

, (2.9)

где τ 1 и τ 2 - значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, о С;

α л - коэффициент лучистой теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Коэффициент теплоотдачи излучением, a л - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от одной поверхности к другой путем излучения при разности между температурой поверхностей, равной 1 о С.

Введем понятие сопротивления лучистой теплоотдачеR л на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхностях ограждений, обменивающихся лучистой теплотой, при прохождении с поверхности на поверхность теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 .

Тогда уравнение (2.8) можно переписать в виде:

Сопротивление R л является величиной обратной коэффициенту лучистой теплоотдачи a л :

Термическое сопротивление воздушной прослойки

Для внесения единообразия сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек , расположенных между слоями ограждающей конструкции, называют термическим сопротивлением R в. п, м 2. о С/Вт.

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

Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке

Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку q в. п , Вт/м 2 , складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) q т , Вт/м 2 , конвекцией (1) q к , Вт/м 2 , и излучением (3) q л, Вт/м 2 .

q в. п =q т +q к +q л . (2.12)

При этом доля потока, передаваемого излучением самая большая. Рассмотрим замкнутую вертикальную воздушную прослойку, на поверхностях которой разность температуры составляет 5 о С. 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 t в и наружной t н 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?