Исследование теплозащитных свойств окон

Приведенное сопротивление теплопередаче окон в несколько раз ниже, чем сопротивление теплопередаче стен. В среднем через окна теряется около 30% тепла, расходуемого на энергопотребление зданий и сооружений. Актуальным становится определение точных значений теплозащитных свойств окон в связи с тем, что незначительные отклонения показателей значительно искажают общий тепловой баланс зданий и сооружений.

В настоящее время выпускаются и используются различные конструкции оконных систем с использованием стеклопакетов в пластиковых и других переплетах. Данные о теплозащитных свойствах окон, приведенные в паспортах изделий в некоторых случаях вызывают сомнения в их достоверности.

Цель исследования

Основной целью работы является разработка способа определения фактического значения приведенного сопротивления теплопередаче современных окон с большой точностью. Для этого ставится задача уточнения приведенного коэффициента теплоотдачи и приведенного сопротивления теплопередаче окон.

Материал и методы

Приведенное сопротивление теплопередаче оконных блоков ( R^пр o , м²°С/Вт) экспериментальным путем определяется по межгосударственному ГОСТ 26602.1-99 [1] следующим образом: поверхность оконного блока условно делится на i-ное количество предполагаемых однородных температурных зон светопропускающей и j-ное непрозрачной частей (рис. 1). При помощи термопар измеряются температуры внутреннего и наружного воздуха ( t и t ,°С) и температуры внутренней и наружной поверхностей зон ( τ и τ ,°С), а также плотности тепловых потоков ( q , Вт/м²) каждой зоны при помощи измерителей тепловых потоков согласно ГОСТ 25380-82 [2] в точках, указанных на рисунке 1. Для определения температуры стеклопакетов термопары размещают в центральной и краевых зонах таким образом, чтобы спаи термопар на наружной и внутренней поверхностях располагались напротив друг друга. При испытании створок, коробок, импостов и других деталей термопары устанавливают в однородных зонах на поверхности оконного блока. Для измерения температуры воздушной среды с теплой и холодной сторон оконного блока устанавливают не менее трех термопар на расстоянии 0,15 м от наружной и внутренней поверхности окна. При измерении плотности тепловых потоков тепломеры устанавливают в центрах однородных температурных зон стеклопакетов и деталей оконного блока на внутренней поверхности.

По результатам измерений по каждой из исследуемых зон определяется термическое сопротивление, а затем приведенные термические сопротивления светопропускающих и непрозрачных частей оконного блока. После этого определяют приведенное термическое сопротивление R к^пр и сопротивление теплопередаче R о^пр всего блока.

Как видно, согласно требованиям ГОСТа для определения термического сопротивления измеряются температуры наружной и внутренней поверхности окна, а также плотности тепловых потоков каждой зоны только в указанных точках. Понятно, что температуры и плотности тепловых потоков неодинаковы в пределах рассматриваемых «однородных» зон, а ГОСТ не поясняет методы определения однородности зон. Из вышесказанного видно, что методика определения приведенного сопротивления теплопередаче довольно громоздка и сложна для применения и имеет высокую погрешность ввиду того, что при испытаниях допускается, что зоны являются однородными.

Известны различные методы определения приведенного сопротивления теплопередаче различных типов оконных блоков по ГОСТ 23166-99 [3] расчетным способом. Так, ГОСТ 26602.1-99 предложена расчетная методика определения приведенного сопротивления теплопередаче, основанная на моделировании стационарного процесса теплопередачи через светопрозрачную конструкцию с использованием прикладных программ.

На основании вышеперечисленных стандартов разработан ГОСТ Р 54861-2011 [4], который содержит методику определения приведенного сопротивления теплопередаче с использованием компьютерных программ.

Федеральным центром технической оценки продукции в строительстве (ФГУ «ФЦС») был утвержден стандарт организации СТО 44416204-001-2008 «Расчетный метод определения приведенного сопротивления теплопередаче оконных и дверных балконных блоков» [5]. Сущность метода заключается в определении искомых параметров как интегральной величины, характеризующей суммарные потери тепла через остекление, переплеты и непрозрачные участки заполнения балконных дверей с учетом особенностей передачи тепла в краевых зонах. Под краевой зоной понимается линейный участок (зона) сопряжения заполнения светопрозрачной части оконного блока или непрозрачной части балконной двери с переплетами.

Рис. 1. Схема размещения термопар и тепломеров на образце оконного блока, согласно ГОСТ 26602.1-99: 1 ‒ рабочий спай термодатчика; 2 ‒ испытываемый образец; 3 ‒ термометр; 4 – сосуд Дьюара; 5 ‒ холодный спай; 6 ‒ многоточечный переключать;

7 ‒ микровольтметр; 8 ‒ блок обработки и регистрации данных;

F I – F VIII ‒ термические однородные зоны

Общие потери тепла через оконный блок или дверной балконный блок Qобл определяются по формуле (1):

Q^ = Q пер + Q ост ^{+ Q} непр + ^^Q kpocm ⁺ ^^Q kpHenp ,

где Qпер ‒ потери тепла через переплеты; Qост ‒ потери тепла через светопрозрачную часть; Qнепр – потери тепла через непрозрачную часть заполнения балконных дверей; ∆Qкрост ‒ допол- нительные потери тепла в краевых зонах на участках сопряжения переплетов с заполнением светопрозрачной части; ∆Qкрнепр ‒ дополнительные потери тепла в краевых зонах на участках сопряжения переплетов с непрозрачным заполнением балконных дверей.

Под дополнительными потерями тепла в краевых зонах подразумеваются повышенные потери тепла на участках сопряжения переплетов оконных и дверных балконных блоков с остеклением или непрозрачным заполнением. В этом случае дополнительные потери тепла определяются с учетом линейных коэффициентов теплопередачи, которые принимаются по прилагаемым справочным данным в зависимости от конструктивного решения оконных блоков, которые в свою очередь определяются путем моделирования теплового режима по компьютерной программе расчета температурных полей.

В отраслевой энциклопедии ВикиПро [6] предлагается определять сопротивление теплопередаче оконных блоков для каждого региона нашей страны в соответствии с продолжительностью отопительного периода. При этом сопротивление теплопередаче рассчитывается по формуле (2):

^Rp = 1-р _| р , (2)

Rp Rsp где Rρ – сопротивление теплопередаче профиля (предоставляется производителем профилей); Rsp – сопротивление теплопередаче стеклопакета по ГОСТ 24866-89 «Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия» [7]; ß ‒ отношение площади остекления к площади заполнения светового проема.

Расчеты по этой методике просты и доступны для любого клиента. Приведенные сопротивления теплопередаче окон и других светопрозрачных изделий нормируются по таблице 4 СНиП 23-02-2003 [8] в зависимости от градусо-суток отопительного периода района строительства. Этот показатель рассчитывается по формуле (3):

ГСОП = (Тв -

от пер

^от пер ,

где Т в ‒ расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, принимаемая по ГОСТ 30494 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещении» [9] и приложению СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» [10] (в интервале 18-24°С); Т от.пер. и Z от.пер. ‒ сред-

няя температура наружного воздуха ( ° С) и продолжительность (сут) отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [11] для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10 °С ‒ при проектировании лечебнопрофилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых, и не более 8 °С

‒ в остальных случаях.

Обладая необходимыми вышеперечисленными параметрами оконных конструкций, рас-

считать приведенное сопротивление теплопередаче несложно.

Инженерный расчет фактического приведенного сопротивления теплопередаче оконной конструкции может быть с достаточной корректностью выполнен на основании европейских нормативных документов DIN EN ISO 10077-1 «Тепловые характеристики окон, дверей и жалюзи. Расчет теплопотерь» [12] и DIN V 4108-4 «Тепловая защита зданий. Характеристики тепловой защиты и защиты от влаги» [13]. Принципы расчетов по данным нормативам схожи с нашими методами расчетов. Согласно указанным документам, в оконном блоке рассматриваются три зоны, как в нашем отраслевом стандарте СТО 44416204-001-2008. Так, по данной методике рассматриваются стеклопакет, профильная система и пограничная область примыкания стеклопакета к оконным профилям. Рассчитываемым значением является коэффициент теплопередачи оконной конструкции ‒ U w , расчет которого производится по формуле 4:

uw =

A g U д +^A f U f + I д У д ^А д ^+А f     '

где A g ‒ площадь прозрачной части (стеклопакета), м²; A f ‒ площадь непрозрачной части ‒ профильных элементов (рама + створка), м²; U g ‒ коэффициент теплопередачи стеклопакета,

Вт/м^2оК; U f ‒ коэффициент теплопередачи профильных элементов, Вт/м^2оК; l g ‒ длина краевой зоны (переходной области между стеклопакетом и профильным элементом), приблизительно соответствует длине стекольного уплотнения по наружному периметру рамы (со стороны улицы), м; y g ‒ линейный коэффициент теплопроводности краевой зоны, Вт/м К, принимаемый согласно DINEN 13947 [14], для окон из ПВХ 0,06 – 0,08 Вт/м^оК.

Все рассмотренные выше расчетные методы определения приведенного сопротивления

теплопередаче основываются на моделировании теплового режима в конструкции при помощи компьютерных программ или опираются на справочные данные показателей стеклопакетов и профилей. Поэтому все эти методы могут показать теоретические значения теплозащитных свойств оконных конструкций. Реальные значения теплозащитных свойств оконных конструкций могут показать натурные теплофизические испытания окон.

Авторами статьи были проведены исследования теплозащитных свойств окон жилого дома в г. Улан-Удэ. Исследования проводились при температуре внутреннего воздуха t =

22,0°С и наружного – t = -7,0°С. Исследования проводились по различным методикам. На

первом этапе была использована методика по ГОСТ 26602.1-99, согласно которой площадь оконного блока была разделена на 18 условно однородных зон (рис. 2). В каждой из них в центральной части в указанных на рисунке точках была измерена плотность тепловых потоков

при помощи измерителя тепловых потоков ИТП– МГ4 и определено сопротивление теплопе-

редаче зон по формуле

Ro =

^ в   ^ н

I q

Затем по формуле (6) были рассчитаны приведенные сопротивления теплопередаче светопропускающих и непрозрачных частей оконного блока:

опр _                                           , яо  =    ■

Lroi

Приведенные сопротивления теплопередаче определялись по формуле:

С =

(Д ст +Д р )

(^М^)] ^{, к}      ^к

где А ст , А р ‒ площади расчетной поверхности светопропускающей и непрозрачной частей оконного блока, м². Результаты расчетов приведены в таблице 1 (столбец 7).

На втором этапе для получения более достоверных показателей были проведены измерения средневзвешенных температур зон. Измерения температур проводились тепловизором Testo 880-1, прикладная программа которого позволяет определять средние температуры любого выделенного фрагмента. Тепловизионные съемки проводились с внутренней стороны как наиболее доступной для измерения. Так, были определены средние температуры τ каждой выделенной зоны. При этом средние плотности теплового потока зон исследуемого окна рассчитывались по формуле:

9расч = «в^в-Тв Ср),                           (8)

где α – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности окна, принятый по таблице 7

СНиП «Тепловая защита зданий» [8] как постоянная величина равная 8 Вт/(м²·°С). Приведенные сопротивления теплопередаче зон определялись по формуле:

R пр        t_B ^— t_H

О        СС в ⁽ Е в ^— Т в ср )

Полученные результаты приведенных сопротивлений теплопередаче по формуле (2) с постоянным коэффициентом теплоотдачи α в =8,0 Вт/(м²·°С) приведены в таблице (столбец 8).

Там же приведены результаты расчетов приведенных сопротивлений теплопередаче светопропускающих и непрозрачных частей и всего оконного блока.

Использование расчетной формулы (8) для определения плотности теплового потока

позволяет исключить его непосредственное измерение.

Известно, что коэффициент теплоотдачи α в является величиной, зависящий от множества факторов. Он может отличаться в ту или иную сторону от постоянного значения СНиП. Поэтому на следующем этапе были уточнены значения коэффициента теплоотдачи фрагментов в зависимости от средневзвешенных температур зон.

Для определения фактического коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции была использована методика, разработанная авторами в работах [15, 16]. В основе данной методики лежит принцип определения конвективной и лучистой составляющих теплообмена на внутренней поверхности каждой зоны в зависимости от средневзвешенных температур при известном относительном коэффициенте излучения (степень черноты). При этом приведенный коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности фрагментов окон определяется по формуле 10:

а

ср в

1,ббз^((в

-Тв ср)+ Сс40,81 + 0-°5(£в

-

^Т в ср

)],

где С – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,77 Вт/(м²·°С); ε – степень черноты, б/р. ε стекла = 0,92, ε пластика = ПВХ- 0,91.

• ‒ точки измерения теплового потока

Рис. 2. Тепловизионный снимок окна со схемой разделения на однородные зоны, согласно ГОСТ 26602.1-99

Плотность теплового потока и приведенное сопротивление теплопередаче определяются

R1 =

(^ в   ^ н )

« Ср (Е в

^ в ср )

Таблица

по формулам (11), (12):

9рас4 = « В Р(( в -Т в ср ) ,                              (11)

Результаты исследования теплозащитных свойств оконных блоков

№ зон	Площадь i(j) зоны А i (j) , м2	Средняя температура поверхности по площади А i(j)	Средняя плотность теплового потока qnp , Вт/м2			Приведенное сопротивление теплопередач R о пр, м2°С/Вт
			по прибору ИТП-МГ-4	по формуле (8)	по формуле (11)	по стандартной мето дике	по формуле (6)	по формуле (9)
I	0,460	18,2	78	67,86	74,28	0,49	0,56	0,51
II	0,115	17,0	97	78,3	89,97	0,39	0,49	0,42
III	0,115	17,6	88	73,08	82,00	0,43	0,52	0,46
IV	0,060	17,8	82	71,34	79,40	0,46	0,43	0,48
V	0,060	16,7	95	80,91	94,04	0,40	0,47	0,40
VI	0,318	18,5	70	65,25	70,52	0,55	0,58	0,54
VII	0,106	17,2	91	76,56	87,28	0,42	0,50	0,44
VIII	0,106	18,5	75	65,25	70,52	0,51	0,58	0,54
IX	0,052	18,2	82	67,86	74,28	0,46	0,56	0,51
X	0,052	17,0	88	78,3	89,97	0,43	0,49	0,42
Средние значения для светопрозрачной части окна			80,0	69,70	76,93	0,47	0,55	0,49
XI	0,05475	19,8	56	53,94	54,97	0,68	0,70	0,69
XII	0,0945	18,7	74	63,51	68,05	0,51	0,60	0,56
XIII	0,08775	18,0	78	69,60	76,83	0,49	0,55	0,49
XIV	0,05475	17,2	97	76,56	87,28	0,39	0,50	0,44
XV	0,0876	20,6	49	46,98	46,01	0,78	0,81	0,83
XVI	0,1197	19,3	63	58,29	60,81	0,61	0,65	0,62
XVII	0,1449	20,6	52	46,98	46,01	0,73	0,81	0,83
XVIII	0,0876	17,5	85	73,95	83,31	0,45	0,51	0,46
Средние значения для непрозрачной части окна			64,0	57,76	59,83	0,57	0,66	0,60
Средние значения для оконного блока			73,6	65,17	70,18	0,50	0,58	0,52

Как видно из формулы (10), для определения α ^ср необходимо измерить температуры t В , t и τ _в.ср., а также определить значение ε для поверхности материала исследуемой зоны.

Значение ε для различных строительных материалов, наиболее часто используемых в строительстве, известно из литературных источников, например, из учебника В.Н. Богословского «Строительная теплофизика» [16].

Приведенные сопротивления теплопередаче зон окна, определенные по формуле (9), показаны в таблице (столбец 9). Полученные по разным формулам значения приведенных сопротивлений теплопередаче несколько отличаются друг от друга.

Вывод

Таким образом, методика определения теплозащитных качеств оконных блоков, основанная на измерении средней температуры внутренней поверхности конструкции и определения фактического коэффициента теплоотдачи, позволяет более полно учесть термическую неоднородность, при этом достигается высокая точность исследований.