Теплопоступления и теплопотери через стеклопакеты с повышенными теплозащитными свойствами

Теплопоступления и теплопотери через стеклопакеты с повышенными теплозащитными свойствами

В.Г.Гагарин, Е.В.Коркина, И.А.Шмаров

Рассмотрен расчёт теплопоступлений и теплопотерь через стеклопакеты при применении стёкол с низкоэмиссионным покрытием для городов РФ. Определено условие, при котором замена стеклопакетов на энергоберегающие не приводит к потерям теплоты большим, чем сокращение теплопоступлений от солнечной радиации. Проведён расчёт по выполнению этого условия и показано, что для некоторых городов нецелесообразна замена стеклопакетов на энергоберегающие с солнцезащитными функциями. Предложен показатель соотношения теплопотерь и теплопоступлений, по которому проведена оценка ряда стеклопакетов.

Ключевые слова: солнечная радиация, низкоэмиссионные покрытия стёкол, стеклопакеты, теплопотери, теплопоступления, энергосбережение.

Heat Gain and Heat Loss through Glazing with High Thermal

Properties. By V.G.Gagarin, E.V.Korkina, I.A.Shmarov

The calculation of heat gain and heat loss through glazing with the use of glass with low emission coating for the cities of the Russian Federation was considered. The resulting condition under which the replacement glass on energy saving does not lead to heat losses greater than the reduction in heat gain from solar radiation. The fulfillment of this condition is estimated and it is shown that for some cities it is not practical to replace glass on energy saving with sunscreen functions. The proposed ratio of heatloss and heat gain, which assessed the number of glasing.

Keywords: solar radiation, low-e glass, glazing, heatloss, heat gain, energy saving.

Введение

В последние десятилетия большое внимание уделяется применению оконных блоков, в которых используются стёкла со специальными покрытиями. Такие стёкла с низкоэмиссионными покрытиями имеют низкую излучательную способность, что и обеспечивает высокие теплозащитные свойства стеклопакетов с их применением [1; 2]. Применяются также стёкла, имеющие покрытия, которые обладают сразу двумя свойствами - низкоэмиссионными и солнцезащитными. Такие стёкла называются мультифункциональными [3]. В данной работе стеклопакеты, содержащие стёкла с низкоэмисион-ными и/или солнцезащитными покрытиями, называются энергосберегающими.

Влияние снижения светопропускания энергосберегающими стеклами на естественное освещение зданий рассмотрено в [4; 5]. Применяемые в энергосберегающих стеклопакетах стёкла с покрытием обеспечивают снижение теплопотерь, но могут также снижать теплопоступления в помещение от солнечной радиации [6-8]. Данный факт должен учитываться на этапе выбора заполнений светопроёмов при проектировании зданий. В статье предлагается подход, основанный на сравнении теплопотерь и теплопоступений в помещение при замене стеклопакетов с обычными стёклами на энергосберегающие.

Оценка эффективности замены стеклопакетов по величине теплопотерь и теплопоступлений

Для определения теплопотерь и теплопоступлений через стеклопакет используются известные методики расчёта [9] с некоторой их модернизацией. Для последующих выкладок рассмотрим в данной работе теплопотери Qтр (МДж/год) через стеклопакет с коэффициентом теплопередачи по центру стеклопакета и, Вт/м2-°С:

Q = 0,0864 • ГСОП  А  U

^ тп ' 0

где ГСОП - значение градусо-суток отопительного периода для района строительства, °С сут/год; А - площадь стекло-пакета, примем А = 1 м2.

При замене стеклопакетов со стёклами без покрытий на стеклопакеты с энергосберегающими свойствами снижение теплопотерь за отопительный период рассчитывается как разница трансмисионныхтеплопотерь через стеклопакет со стёклами без покрытий б™ и через стеклопакет со стёклами с энергосберегающими покрытиями (У^":

<2% ~ й™ = 0,0864• гсоп  А

Для расчёта теплопоступлений в здание от солнечной радиации необходимо учитывать её интенсивность, которая определяется по справочным данным, а также характеристики остекления [10]. Согласно [9], теплопоступления через окна за отопительный период (МДж/год) составляют:

Фрад <

"Г2 ок(Лок^1 '

А Тве'

Л2ок'2

А3ок1Гр+А4ок1П

где 1вер - суммарная радиация за отопительный период для вертикальной поверхности, ориентированной по направлению ], МДж/год-м2; А.ок - площадь окон, ориентированных по направлению], м2; т2ок - коэффициенты, учитывающие затенение светового проёма окон непрозрачными элементами заполнения, отн. ед., определение которых рассмотрено в работе [4]; g - коэффициент общего пропускания солнечной энергии, или солнечный фактор, для окон, ориентированных

по направлению _/, определяемый как сумма коэффициента прямого пропускания солнечной энергии г и коэффициента вторичной теплопередачи внутрь помещения отн. ед.;

8 = Т + Ц

Коэффициент вторичной теплопередачи внутрь помещения обусловлен поглощением стеклом солнечной радиации и последующим излучением её в помещение. Поэтому коэффициенты ц. и g должны учитываться при расчёте теплопо-ступлений в помещение через окна.

Тогда теплопоступления за отопительный период по одному из румбов через А = 1 м2 стеклопакета без учета переплетов рассчитываются по формуле:

При замене стеклопакета со стёклами без покрытий на стеклопакет со стёклами с энергосберегающими покрытиями разница в теплопоступлениях за отопительный период рассчитывается как:

Для оценки выгоды при замене стеклопакетов разница в теплопотерях должна превышать разницу в теплопоступлениях, так как стеклопакет со стёклами с покрытием должен обеспечивать повышенную теплозащиту, но минимально снижать поступление солнечной радиации. Тогда с учётом формул (2) и (6) запишем неравенство:

0,0864 • ГСОП •

Данное неравенство преобразуется так, чтобы в левой части стояли характеристики климата, а в правой - характеристики стеклопакета:

I веР ¡ттБП _ттСП\

и" '

0,0864 ГСОП

Как видно, размерности правой и левой частей неравенства совпадают при переводе [МДж/сут] в [Вт] и имеют следующее значение:

МДж  год год  м2"С  суш

Вт

м2-" С -0,0864

Физический смысл данного неравенства следующий: количество теплоты от солнечной радиации, поступающей для обогрева за отопительный период в данном климате, не превышает разницы в количестве теплоты, теряемой при замене на стеклопакет, имеющий пониженное пропускание солнечной радиации. Если неравенство выполняется, то замена стеклопакетов на энергосберегающие целесообразна. Правую часть неравенства (8) обозначим К :

К-ТПП ~

{и™-и™)

Вт

Таким образом, каждый стеклопакет имеет фиксированный показатель Ктп, который можно использовать для определения целесообразности его применения в данном климате. Чем выше данная характеристика, тем лучше стеклопакет удержи-

вает теплоту и пропускает солнечную радиацию, требующуюся для обогрева помещения.

Введём также харакеристику климата для оценки свето-прозрачной конструкции, равную отношению поступающей на конструкцию солнечной радиации к ГСОП:

1тпп~ 0,0864 ГСОП' ^

Таким образом, условие эффективности замены стеклопакета для энергосбережения тепловой энергии имеет вид:

¿шп < Кшп-

Расчёт теплопоступлений и теплопотерь через энергосберегающие стеклопакеты для различных климатических зон

Рассмотрим целесообразность замены стеклопакетов на энергосберегающие в городах России с различными характеристиками климата, используя неравенство (8) и предложенный показатель Ктпп. Влияние характеристик климата на применение строительных материалов неоднократно рассматривалось различными исследователями [7; 8; 11].

Как известно, солнечная радиация имеет различное распределение по временам года для областей, расположенных на различных северных широтах, что связано с высотой стояния солнца [10; 12]. В [13] предложено районирование территории России по природному солнечному потенциалу на основе климатических показателей и гелиоэнергетических характеристик: наиболее перспективные (1), перспективные (2), менее перспективные (3), неперспективные (4) регионы. В данной работе подобраны города из этих областей (см. таблицу 1).

В столбце IV таблицы 1 приведено распределение солнечной радиации на горизонтальную поверхность 1гор в декабре в различных городах согласно данным [14]. В V столбце приведено значение суммарной солнечной радиации за отопительный период на вертикальную поверхность южной ориентации 1гоЮ согласно [9]. В VI столбце таблицы приведены данные по ГСОП для каждого из рассматриваемых городов, рассчитанные в соответствии с [15].

Для сравнительного анализа возьмём характеристики стеклопакетов, представленные в столбцах 1-^ таблицы 2. Данные расчётов в соответствии с выражением (9) приведены в столбцах VII и V таблиц 1 и 2 соответственно.

Анализируя характеристики стеклопакетов, можно сказать, что стеклопакеты № 2, 4 имеют высокое значение характеристики Кшп, значит, они обеспечат наилучшее энергосбережение из рассмотренных вариантов климата.

Результаты сравнения энергосберегающего эффекта при замене стеклопакетов для различных регионов

На рисунках 1-2 приведены результаты расчёта для Москвы и Сочи по формулам (2) и (6) теплопотерь (красный

столбец) и теплопоступлений по четырём основным румбам через 1 м2 остекления. Аналогичные расчёты были проведены для всех городов из таблицы 1.

Как известно, теплопоступления за отопительный период при южной ориентации светопроёма превышают таковые для других ориентаций, что и видно из диаграмм. Поэтому для дальнейшего анализа оценки эффективности замены стеклопакетов рассматривается южная ориентация светопроёма (см. табл. 1).

Для наглядности неравенство (8) и (11) решаются графически (см. рис. 3). Горизонтальные линии соответствуют значениям ЬТПП, они показывают соотношение теплопоступлений и теплопотерь для климата рассматриваемых городов, столбцы соответствуют значениям коэффициента КТПП энергосберегающих стеклопакетов по таблице 2.

При последовательном сравнении видно, что для городов Хабаровск, Сочи, Благовещенск неэффективна установка стеклопакетов № 11, 12, имеющих мультифункциональные покрытия (КТПП = 4,71 и 4,76 Вт/м2 • оС соответственно). Для остальных рассматриваемых городов, включая Москву и Санкт-Петербург, замена стеклопакетов на низкоэмиссионные и мультифункциональные допустима.

Выводы

Таким образом, предложен подход к оценке теплопоступлений и теплопотерь через стеклопакет при учёте характеристик климата. Показано, что есть регионы, где замена стеклопакетов на мультифункциональные неэффективна, так как они значительно ограничивают теплопоступления в данном климате. Рассмотренный подход может быть использован для подбора стеклопакетов при их замене с целью энергосбережения.

Таблица 1. Интенсивность солнечной радиации в различных климатических зонах

Город Перспективность по солнечному потенциалу [13] С.ш. Г, МДж/мг за месяц теер 1 ю ' МДж/год-мг ГС0П, °С сут/год ^тпп ' Вт/

I II III IV V VI VII

Архангельск 4 65° 6 1583 6173 2,97

С-Петербург 3 60° 14 895 4796 2,16

Москва 3 56° 40 1251 4943 2,93

Чита 2 52° 93 2878 7600 4,38

Хабаровск 1 50° 145 3041 6182 5,69

Благовещенск 1 50° 134 3103 6671 5,38

Волгоград 2 48° 73 1369 3952 4,01

Краснодар 1 45° 86 996 2682 4,30

Сочи 1 43° 131 682 1251 6,30

Таблица 2. Характеристики стеклопакетов

№ Формула стеклопакета по ГОСТ 24866-2014 д, отн.ед гУо,Вт/м20С Кш, Вт/м2оС

I II III IV V

1 4М1-1бАг-4М1 0,76 2,6 -

2 4М1-16Аг- К4 0,73 1,5 36,67

3 4МГ16АГ- И4 0,64 1,1 12,50

4 0,74 1,3 65,00

5 4М1-1бАг- И6 0,63 1,2 10,77

б 4М1-16Аг-4МГ16Аг- 4Ма 0,68 1,7 11,25

7 4К-16Аг-4М1-1бАг-К4 0,58 0,8 10,00

8 4М1-1бАг-4М1-1бАг- И4 0,59 0,86 10,24

9 4И-16Аг-4М1-16Аг-И4 0,50 0,6 7,69

10 0,63 0,7 14,62

11 4СИ-1бАг-4М! 0,42 1,0 4,71

12 6СК-16Аг-4М, 0,55 1,6 4,76

Рис. 1. Теплопотери и теплопоступления через 1 м2 стекло-пакета в городе Сочи

Рис. 2. Теплопотери и теплопоступления через 1 м2 стекло-пакета в городе Москва

Рис. 3. Показатель теплопоступлений и теплопотерь ряда стеклопакетов при различных характеристиках климата

Литература

1. Савин, В.К. Архитектура и энергоэффективность окна / В.К. Савин, Н.В. Савина // Строительство и реконструкция.

- 2015. - № 4 (60). - С. 124-130.

2. Савин, В.К. Энергоэффективная конструкция оконного блока с проветривателем / В.К. Савин, В.К. Рыбкин // Жилищное строительство. - 2016. - № 1-2. - С. 15-18.

3. Исследование влияния мультифункционального покрытия стекла на спектральное пропускание света / В.Г. Гагарин, Е.В. Коркина, И.А. Шмаров, П.П. Пастушков // Строительство и реконструкция. - 2015. - № 2 (58). - С. 90-95.

4. Земцов, В.А. Расчётно-экспериментальный метод определения общего коэффициента пропускания света оконными блоками / В.А. Земцов, Е.В. Гагарина // Academia. Архитектура и строительство. - 2010. - № 3. - C. 472 - 476.

5. Коркина, Е.В. Комплексное сравнение оконных блоков по светотехническим и теплотехническим параметрам / Е.В. Коркина // Жилищное строительство. - 2015. - № 6. - С. 60-62.

6. Куприянов, В.Н. Натурные исследования энергетических параметров инсоляции жилых помещений / В.Н. Куприянов, Ф.Р. Халикова // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - № 4. - С. 139-147.

7. Чжао Цзиньлин. Влияние региональных различий на проектирование здания в холодной зоне в КНР / Чжао Цзиньлин, Ли Цзе, Люй Ляньи // Жилищное строительство.

- 2016. - № 7. - С. 38-42.

8. Соловьёв, А.К. Влияния характеристик светопроёма на энергопотребление офисного здания в климатической зоне с жарким летом и холодной зимой в Китае / А.К. Соловьёв, Сунь Ифэн // Вестник МГСУ. - 2012. - № 9. - С. 31-38.

9. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. - М.: Минрегион, 2013. - 96 с.

10. Здания сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями. Теоретические основы проектирования светопроз-рачных конструкций / Под ред. И.В. Борискиной. - СПб: Инженерно-информационный центр оконных систем, 2012 - 400 с., ил.

11. Неклюдов, А.Ю. Расчёт характеристик энергопотребления здания при определении трансмиссионных тепловых потерь / А.Ю. Неклюдов // Жилищное строительство. - 2016.

- № 7. - С. 11-14.

12. Шмаров, И.А. Инсоляция: практика нормирования и расчёта / И.А. Шмаров, В.А. Земцов, Е.В. Коркина // Жилищное строительство. - 2016. -№ 7. - С. 48-53.

13. Стадник, В. Климатические аспекты использования солнечной энергии / В. Стадник, И. Шанина // Коммунальный комплекс России. - 2016. - №8 (146). - С. 40-45.

14. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Вып. 1-34. - СПб: Гидрометеоиздат, 1989-1998.

15. СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. - М.: Минрегион. 2012. - 109 с.

Literatura

1. Savin V.K. Arhitektura i energoeffektivnost' okna / V.K. Savin, N.V. Savina // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. - 2015. - № 4 (60). - S. 124-130.

2. Savin V.K. Energoeffektivnaya konstruktsiya okonnogo bloka s provetrivatelem / V.K. Savin, V.K. Rybkin // Zhilishhnoe stroitel'stvo. - 2016. - № 1-2. - S. 15-18.

3. Issledovanie vliyaniya mul'tifunktsional'nogo pokrytiya stekla na spektral'noe propuskanie sveta / V.G. Gagarin, E.V. Korkina, I.A. Shmarov, P.P. Pastushkov // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. - 2015. - № 2 (58). - S. 90-95.

4. Zemtsov V.A. Raschetno-eksperimental'nyj metod opredeleniya obshhego koeffitsienta propuskaniya sveta okonnymi blokami / V.A. Zemtsov, E.V. Gagarina // Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. - 2010. - № 3. - C. 472 -476.

5. Korkina E.V. Kompleksnoe sravnenie okonnyh blokov po svetotehnicheskim i teplotehnicheskim parametram / E.V. Korkina // Zhilishhnoe stroitel'stvo. - 2015. - № 6. - S. 60-62.

6. Kupriyanov V.N. Naturnye issledovaniya energeticheskih parametrov insolyatsii zhilyh pomeshhenij / V.N. Kupriyanov, F.R. Halikova // Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. - 2012. - № 4. - S. 139-147.

7. Chzhao Tszin'lin. Vliyanie regional'nyh razlichij na proektirovanie zdaniya v holodnoj zone v KNR / Chzhao Tszin'lin, Li Tsze, Lyuj Lyan'i // Zhilishhnoe stroitel'stvo. - 2016. - № 7. - S. 38-42.

8. Solov'ev A.K. Vliyaniya harakteristik svetoproema na energopotreblenie ofisnogo zdaniya v klimaticheskoj zone s zharkim letom i holodnoj zimoj v Kitae / A.K. Solov'ev, Sun' Ifen // Vestnik MGSU. - 2012. - № 9. - S. 31-38.

9. SP 50.13330.2012 «Teplovaya zashhita zdanij» Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-02-2003. - M.: Minregion, 2013. - 96 s.

10. Zdaniya sooruzheniya so svetoprozrachnymi fasadami i krovlyami. Teoreticheskie osnovy proektirovaniya svetoprozrachnyh konstruktsij / Pod red. I.V. Boriskinoj. - SPb: Inzhenerno-informatsionnyj tsentr okonnyh sistem, 2012 - 400 s., il.

11. NeklyudovA.Yu. Raschet harakteristik energopotrebleniya zdaniya pri opredelenii transmissionnyh teplovyh poter' A.Yu. Neklyudov // Zhilishhnoe stroitel'stvo. - 2016. - № 7. - S. 11-14.

12. Shmarov I.A. Insolyatsiya: praktika normirovaniya i rascheta / I.A. Shmarov, V.A. Zemtsov, E.V. Korkina // Zhilishhnoe stroitel'stvo. - 2016. -№ 7. - S. 48-53.

13. Stadnik V. Klimaticheskie aspekty ispol'zovaniya solnechnoj energii / V. Stadnik, I. Shanina // Kommunal'nyj kompleks Rossii. - 2016. - №8 (146). - S.40-45.

14. Nauchno-prikladnoj spravochnik po klimatu SSSR. Seriya 3. Mnogoletnie dannye. CHasti 1-6. Vyp. 1-34. - SPb: Gidrometeoizdat, 1989-1998.

15. SP 131.13330.2012 «Stroitel'naya klimatologiya». Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-01-99*. - M.: Minregion. 2012. - 109 s.