Экспериментальная оценка теплозащитных свойств оконных блоков

Научно-технический Heat protection

и производственный журнал of buildings

УДК 692.82

О.Д. САМАРИН, канд. техн. наук (samarin1@mtu-net.ru), П.В. ВИНСКИЙ, инженер

Московский государственный строительный университет

Экспериментальная оценка теплозащитных свойств оконных блоков

В работе рассмотрена актуальность уточнения уровня теплозащиты светопрозрачных конструкций, используемого при оценке годового энергопотребления зданий. Изложены теоретические подходы к оценке зависимости сопротивления теплопередаче оконных блоков от разности температур наружного и внутреннего воздуха исходя из общей картины конвективного и лучистого теплообмена на поверхностях остекления и в межстекольном пространстве. Установлены наиболее важные факторы, влияющие на искомую зависимость, и определены безразмерные параметры, необходимые для обработки результатов экспериментальных измерений теплозащитных свойств стеклопакетов. Описана методика эксперимента и используемые измерительные приборы. Представлены основные результаты исследования и их статистическая обработка в виде корреляционной зависимости с оценкой ее достоверности. Дан анализ полученных соотношений и их сопоставление с имеющимися экспериментальными данными других авторов.

Ключевые слова: оконный блок, стеклопакет, сопротивление теплопередаче, конвекция, критерий Гоасгофа, корреляционная зависимость.

O.D. SAMARIN, Candidate of Sciences

Experimental estimation of thermal protection properties of window units

The high priority of adjustment of thermal protection level of transparent constructions using for estimation of annual building energy consumption is considered. The theoretical approaches to estimation of the dependence of thermal resistance of window units from the difference between external and internal air temperature based on the general pattern of convective and radiant heat exchange on the glass surfaces and in the glass-to-glass space are presented. The most important factors influencing on the searched dependence are determined and the dimensionless parameters necessary for processing the results of experimental measurements of thermal protection properties of glass stacks are defined. The experimental procedure and instruments are described. The basic results of the research and their statistic processing with correlation dependence and estimation of its reliability are presented. The analysis of obtained relationships and their comparison with existing experimental data of other authors are given.

Keywords: window unit, glass stack, thermal resistance, convection, Grashoff's number, correlation dependence.

Проблема энергосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий возникает вследствие исчерпания запасов ископаемого органического топлива и его постоянного удорожания. Особую актуальность данный вопрос приобретает в настоящее время в связи с принятием Закона РФ «Об энергосбережении...» № 261-ФЗ.

Одним из довольно эффективных способов снижения энергозатрат на отопление зданий в России и за рубежом является замена старых оконных блоков на новые с повышенным уровнем теплозащиты [1-3]. В то же время обоснование применения заполнений светопроемов с высокими теплозащитными качествами требует адекватной оценки этих качеств, что значительно затрудняется несовершенством и противоречивостью нормативно-методической базы в данной области, а также несовпадением отечественных и зарубежных требований к методике теплотехнических испытаний окон.

Для перспективы совершенствования оценки теплотехнических свойств заполнений светопроемов необходимо предложение расчетных зависимостей для сопротивления теплопередаче оконных блоков Лок, Вт/(м2К) от температуры наружного воздуха ¿н, оС, пригодных для оценки энергопотребления здания за отопительный период. Дело в том,

11'2014 ^^^^^^^^^^^^^

что определение R0K в соответствии с ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче» производится при расчетной температуре íH, равной температуре наиболее холодной пятидневки, но не выше -20оС, а оценка энергопотребления и энергоэффективности по СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» - при средней температуре за отопительный период íon, вследствие чего возникает заметная погрешность в расчетах теплозатрат.

Так, в работе [4] в ходе лабораторных испытаний было установлено, что сопротивление теплопередаче при температуре наружного воздуха, соответствующей температуре наиболее холодной пятидневки для Москвы ?н5 = -28оС, и при температуре наружного воздуха íH = -10оС, соответствующей средней температуре января-февраля по СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», отличается на 12-18%.

Теоретический анализ основных особенностей теплообмена в современных конструкциях оконных блоков был рассмотрен авторами в [5]. При свободной конвекции для безразмерного коэффициента конвективной теплоотдачи, т. е. числа Нуссельта Nu=alfk, можно записать следующее выражение:

- [41

Тепловая защита зданий

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Nu=A(Gr-Pr)n,

где Gr=g$Atl3/v2 - критерий Грасгофа, показывающий соотношение сил вытеснения и вязкости; Рг=\/а - критерий Прандтля, характеризующий физические свойства газа.

В формулах для Nu, Gr и Рг используются физические характеристики газа: X - теплопроводность, Вт/(м2К); v - кинематическая вязкость, м2/с; а=Х/(р-р) - температуропроводность, м2/с, где с и Р - соответственно удельная теплоемкость, Дж/(кг К), и плотность, кг/м3; в - коэффициент температурного расширения. Для воздуха и других газов, близких к идеальным, р=1/Г, где Т - абсолютная температура газа, К. Другие параметры: g - ускорение свободного падения, м/с2; At=(tB-t„) - расчетная разность температур внутреннего и наружного воздуха, К; I - характерный размер объекта, м. Для оконных блоков с учетом их преимущественно вертикального расположения за величину I целесообразно принимать высоту межстекольного пространства.

Основной определяемой величиной из уравнения (1) является а - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стекла, Вт/(м2К). Заметим, что соотношение (1) справедливо для конвекции на каждой поверхности оконного блока, а лучистая составляющая теплового потока в рассматриваемом сравнительно небольшом интервале температур практически постоянна. Кроме того, как правило, можно практически пренебречь сопротивлением теплопередаче слоев стекла. Поэтому величина i?0K в целом также будет зависеть от произведения Gr и Рг в некоторой степени, хотя, очевидно, и в меньшей, чем в (1).

В силу изложенного, целесообразно при обработке результатов измерений вычислять не само значение i?OK, а его безразмерное отношение к тому же сопротивлению, определенному при стандартных условиях R0KCI: R=R0K/R0KX:i.

Это позволит избежать погрешности, связанной с возможной неточностью значения R0к.ст, приведенного в имеющихся протоколах сертификационных испытаний оконного блока, и даже в принципе обойтись без знания этой величины. Кроме того, при таком подходе можно выделить зависимость R0K только от изменения температурного перепада, в значительной мере отвлекаясь от влияния характеристик газа, заполняющего межстекольное пространство, на теплозащитные свойства конструкции. Дело в том, что значение критерия Рг для газов, которые можно рассматривать как идеальные, связано только с их химической природой, но практически не зависит от температуры, по крайней мере в относительно узком ее диапазоне. Тогда при вычислении отношения Док/Яок.ст величина Рг из получаемого соотношения выпадает.

Таким образом, в результате эксперимента можно получить поправку к значению R0к.Ст в зависимости от критерия Gr, т. е. в конечном счете от изменения параметров наружного климата, справедливую для всех оконных блоков рассматриваемого типа независимо от газового состава межстекольной среды. Этого вполне достаточно для оценки влияния на годовое энергопотребление здания отклонений Rok от стандартного. Соответствующее критериальное уравнение будет иметь вид:

R=CGrm,

только в данном случае, очевидно, ти<0, поскольку .К0к должно падать с ростом а. Для определенности условим-

ся относить значения физических параметров газа в и V к средней температуре ^ср=(/в+<нУ2. Для воздуха можно получить следующее аппроксимационное выражение для V, справедливое в диапазоне температур от -20 до +20оС с очень высоким коэффициентом корреляции г = 0,9997:

v=10"5a,33+0,0083i + 0,00004i2).

Тогда выражение для критерия Грасгофа для гв = +20о с учетом Рср= 1/Гср приводится к виду:

0=108/3ДГ1Д53

В данном случае г = 0,99965, т. е. аппроксимация также практически является достоверной. В качестве аргумента целесообразно выбрать именно АТ, а не ^ поскольку реальные значения могут быть различными и отличаться от +20оС. Кроме того, при этом упрощается представление дальнейших результатов. Показатель степени в (4) больше единицы, поскольку при повышении ДГ, связанном со снижением ^ при фиксированной гв, величина Рср тоже растет, а V снижается (3). Следовательно, в целом критерий вг должен увеличиваться не пропорционально АТ, а несколько быстрее.

В этом случае, если из эксперимента известен показатель m в формуле (2), тогда уточненное значение сопротивления теплопередаче оконного блока будет равно:

R0=R0KCI(AT/Xrj

,1,153m

где АГ^ - стандартный температурный перепад (¿в-?н)ст для сертификационных испытаний.

Эксперимент проводился на кафедре «Отопление и вентиляция» в Московском государственном строительном университете с января по март 2014 г. в натурных условиях. В качестве испытуемого оконного блока применялся однокамерный стеклопакет в ПВХ-переплете, установленный в одном из кабинетов на кафедре. Плотности тепловых потоков q, Вт/м2, проходящих через оконный блок, и температура внутреннего и наружного воздуха считывались в автоматическом режиме с помощью прибора ИТП-МГ4.03/Х(У) «Поток». На поверхности было установлено пять датчиков теплового потока, представляющих собой гальваническую медьконстантановую термобатарею из нескольких сот последовательно соединенных термопар. Датчик имеет два вывода (по одному от каждого конца чувствительного эле-

Rok/ROK.CT

1,4

1,3 1,2 1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6

♦ ♦ * ♦ * ♦ ♦ ♦

> ♦ • ♦ ♦♦♦ ♦ ♦ ^

А II t% <

4 у *

♦Ч Е * ** ft **t V ** *

♦ft** ♦ ' ♦ ♦ * 4СГ .ж*/ :<rx /. Л  i

♦ ♦ « • ♦

♦♦ ♦ ч ™

42

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3

Корреляционная зависимость величины R от отношения АГ/АТ^

^^^^^^^^^^^^^^ 112014

Научно-технический и производственный журнал

Heat protection of buildings

мента). В качестве выносных датчиков температуры в измерителе применялись платиновые термодатчики сопротивления, заключенные в металлический герметичный дискообразный корпус. Для исключения воздушных зазоров на участке поверхности в местах измерений наносился тонкий слой теплопроводной пасты КПТ-8, устраняющий неровности поверхности.

По измеренным плотностям тепловых потоков было найдено сопротивление теплопередаче оконного блока:

R0K=Wq.

На рисунке показана полученная в ходе испытаний корреляционная зависимость R=R0 к/^окст от ДТ/ДТ^.

При обработке результатов значения, отличающиеся от средних на величину, превышающую утроенное среднее квадратическое отклонение, отбрасывались. Это делалось, поскольку вероятность такого события очень мала и равна

0.0027. так что подобные замеры можно считать содержащими грубые ошибки. Сплошной линией показана аппроксимирующая кривая, которая может быть описана следующей формулой:

Л=0,984

Коэффициент корреляции при этом равен r = 0,5, что с учетом имеющихся условий проведения эксперимента и особенностей применяемого оборудования можно признать достаточно высокой величиной, а следовательно, по-

Список литературы

1. Пчелинцева Л.В., Тихомирнов С.И. Проблемы энергосбережения в России. Современные требования к системам оконного и фасадного остекления зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 445-449.

2. Christopher Curtland. High-Performance Glazings: Windows of Opportunity. Buildings. 2013. № 10. P. 13-23.

3. Motuziene V., Juodis E.S. Selection of the efficient glazing for low energy office building. Papers of the 8th International Conference "Environmental Engineering". Vilnius. 2011. P. 788-793.

4. Верховский А.А., Нанасов И.И., Елизарова Е.В., Галь-цев Д.И., Щередин В.В. Новый подход к оценке энергоэффективности светопрозрачных конструкций // Свето-прозрачные конструкции. 2012. № 1 (81). С. 10-15.

5. Самарин О.Д., Винский П.В. Особенности теплопередачи в современном энергоэффективном остеклении // Жилищное строительство. 2013. № 10. С. 11-13.

6. Прокофьев А.А., Иванов А.М., Румянцева И.А., Щуров А.Н. Свойства стеклопакетов с теплосберегающим стеклопокрытием // Окна и двери. 2005. № 7 (100). С. 31-33.

7. Кривошеин А.Д., Пахотин Г.А. Результаты испытаний теплового режима стеклопакетов с дистанционными рамками типа «Swiggle strip», «IPS», «Thermix» // Окна и двери. 2005. № 7. С. 40-43.

8. Самарин О.Д., Лушин К.И. Об энергетическом балансе жилых зданий // Новости теплоснабжения. 2007. № 8. С. 44-46.

112014 ^^^^^^^^^^^^^

лученные результаты можно считать достаточно достоверными. Заметим, что в силу соотношения (5) числовой коэффициент при АГ/АГ^, вообще говоря, должен равняться единице, но легко заметить, что его отличие от единицы в выражении (7) является статистически незначимым при том разбросе экспериментальных точек, которое наблюдается на рисунке. То же самое касается и показателя степени: с учетом (5) значение m = -0,596/1,153 = -0,516, что в пределах погрешности эксперимента можно принять равным -0,5, поскольку из физических соображений m должно быть отношением небольших целых чисел. Отсюда окончательно:

R=C-Gr~v и R0K=R0K^

Качественно и в значительной степени количественно сходная картина изменения сопротивления теплопередаче оконных блоков в зависимости от температуры наружного воздуха приведена в работах [4, 6, 7], хотя их авторы конкретных аналитических выражений для R не приводят. Таким образом, мы получили экспериментальную зависимость теплозащитных свойств современных заполнений световых проемов от текущих параметров наружного климата. Зависимость имеет простой вид, является физически обоснованной и подтверждается имеющимися результатами других исследователей. Ее можно использовать для более точной оценки годового энергопотребления зданий [8] и определения их класса энергоэффективности в соответствии с методикой СП 50.13330.2012.

References

1. Pchelintseva L.V., Tikhomirnov S.I. Problems of energy saving in Russia. Present-day requirements to the systems of window and façade glazing. Academia. Architectura i stroitel'stvo. 2010. № 3, рр. 445-449. (In Russian).

2. Christopher Curtland. High-Performance Glazings: Windows of Opportunity. Buildings. 2013. No. 10, рр. 13-23.

3. Motuziene V., Juodis E.S. Selection of the efficient glazing for low energy office building. Papers of the 8th International Conference "Environmental Engineering". Vilnius. 2011, рр. 788-793.

4. Verkhovsky A.A., Nanasov I.I., Yelizarova E.V., Galtsev D.I., Shcheredin V.V. A new approach to the estimation of energy efficiency of transparent constructions. Svetoprozrachnye konstruktsii. 2012. № 1 (81), рр. 10-15. (In Russian).

5. Samarin O.D., Vinsky P.V. Peculiarities of heat transfer in modern energy efficient glazing. Zhilishchnoe Stroitelstvo [Housing Constructions]. 2013. № 10, рр. 11-13. (In Russian).

6. Prokofyev A.A., Ivanov A.M., Rumyantseva I.A.,Shchu-rov A.N. Properties of glass stacks with heat saving coating. Okna I dveri. 2005. № 7 (100), рр. 31-33. (In Russian).

7. Krivoshein A.D., Pakhotin G.A. The results of testing of thermal regime of glass stacks with distance frame «Swiggle strip», «IPS», «Thermix». Okna I dveri. 2005. № 7, рр. 4043. (In Russian).

8. Samarin O.D., Lushin K.I. On energy balance of residential buildings. Novosti teplosnabzheniya. 2007. № 8. рр. 44-46. (In Russian).

— из