Светопрозрачные конструкции и комфортность микроклимата помещения

Основными показателями, определяющими комфортность микроклимата внутри помещения, являются температура и влажность внутреннего воздуха. Температура и влажность внутреннего воздуха являются нормируемыми санитарно-гигиеническими параметрами и в идеале должны поддерживаться круглогодично постоянными в любое время суток. Для гражданских зданий температура и влажность внутреннего воздуха нормируются в соответствии с Табл. 1.2 МГСН 2.01.94. Так для жилых, общественных и школьных зданий температура внутреннего воздуха tв принимается равной 20°С, для поликлиник и лечебных учреждений — 21°С, для детских дошкольных учреждений — 22°С. При этом для всех перечисленных зданий влажность внутреннего воздуха фв принимается равной 55%, а скорость движения воздуха при вентилировании не должна превышать 0,2 м/с.

Одним из важнейших показателей, влияющих на условия пребывания человека в помещении и особенности эксплуатации конструкций, ограждающих это помещение, является осредненная температура всех поверхностей, ограничивающих помещение, так называемая «среднерадиационная температура» — tсррад.

Очевидно, что температура на поверхности стекла со стороны помещения является определяющей в формировании tсррад, и, следовательно, — важнейшим условием комфортного состояния находящихся в нем людей является поддержание возможно стабильного ее значения на протяжении всего года.

Зона соотношения комфортных температур на внутренней поверхности стекла и внутреннего воздуха помещения показана на Рис. 1.

• Share

Как уже отмечалось выше, обычные оконные стекла и стеклопакеты из таких стекол пропускают до 84% теплового излучения солнца. Мощность теплового излучения солнца вблизи поверхности земли достигает порядка 800 Вт/м2. Вполне понятно, что такая мощность теплового излучения, значительная часть которого пропускается обычным остеклением, способна привести к ощутимому перегреву помещений в летнее время.

Уменьшения величины теплового потока, попадающего через окно в помещение, можно достичь за счет установки в стеклопакете теплозащитных (теплоотражающих или теплопоглощающих) стекол. Поскольку такие стекла в видимой части спектра пропускают 75-80% излучения солнца и только 5-20% в ИК области солнечного излучения, определяем общий затеняющий эффект SH, создаваемый такими стеклами:

• в диапазоне длин волн 380-760 нм (видимый спектр) SH = 53% і 0,80 = 42%;
• в диапазоне длин волн 760-2500 нм (ИК спектр ) SH = 46% і 0,20 = 9%.

Таким образом, в помещение попадает 42% энергии солнца в видимой части спектра и только 9% в инфракрасной области.

Необходимо отметить, что в условиях большей части территории России задача проектирования солнцезащитного остекления решается для небольшого числа объектов (как правило, имеющих сплошное остекление по фасаду), а определяющими являются зимние условия эксплуатации. Рассмотрим основные задачи проектирования светопрозрачных ограждающих конструкций, исходя из зимних условий, более подробно.

Проектирование остекления, исходя из зимних условий эксплуатации

Расчет светопрозрачных конструкций для условий наиболее холодного зимнего периода проводят, исходя из недопустимости переохлаждения помещения. Основной нормируемой величиной, характеризующей теплозащитные качества ограждающих конструкций, является термическое сопротивление R.

В общем виде термическое сопротивление ограждающей конструкции представляет собой величину, характеризующую количество тепла, проходящее через единицу площади поверхности за единицу времени при заданной разнице температур на ее поверхностях. Иными словами,

R=Dt/Q (1)

где R — термическое сопротивление, [м2 °С/Вт]
Q — тепловой поток, проходящий через 1 м² сечения за 1 ч, [Вт]
Dt — разница температур на внутренней и наружной поверхности, [°С]

В зарубежной технической литературе в качестве величины, характеризующей теплозащитные качества остекления, приводится величина, обратная сопротивлению теплопередаче, т.е. K=1/R. Эта величина называется коэффициентом теплопередачи.

С точки зрения теплотехники простейший однокамерный стеклопакет представляет собой замкнутую воздушную прослойку малой толщины по сравнению с площадью ограничивающих поверхностей остекления.

Теплопередача через воздушные прослойки осуществляется излучением, конвекцией и теплопроводностью. Теплоизолирующую способность стеклопакетов оценивают по величине термического сопротивления Ro. Чем выше термическое сопротивление, тем лучшими теплозащитными свойствами обладает ограждение. Величина Ro может быть определена по формуле

R0 = RB + RCT + RBП +RН (2)

где: Rв = 0.12, Rн = 0,04, [м2 °С/ Вт] — соответственно сопротивления теплопередаче у внутренней и наружной поверхностей остекления;
Rcт, [м2 °С/ Вт] — термическое сопротивление стекол;
Rвп, [м2 °С/ Вт] — термическое сопротивление воздушной прослойки.

Термическое сопротивление стекол в стеклопакете определяется как

RCT = n di / l i (3)

где: di — толщина каждого стекла, [м]
li — коэффициент теплопроводности стекол, равный для силикатного стекла 0.76 [Вт/(м°С)]

Величина Rcт показывает долю теплопотерь, теряемую непосредственно через стекла за счет теплопроводности. Поскольку объемный вес стекла, равный по значению объемному весу железобетона, высок (G = 2500 кг/м3), его коэффициент теплопроводности имеет также высокое значение (l = 0,76 Вт/м°С). Соответственно при толщине стекла 4-6 мм (0.004-0.006 м) величина Rcт будет колебаться в пределах 0,005-0,02 м² °С/Вт, что не может оказывать существенного влияния на теплоизоляционные свойства стеклопакета. При этом величину Rcт не следует путать с теплозащитными качествами низкоэмиссионных стекол.

Таким образом, толщина стекол, устанавливаемых в стеклопакет, не оказывает никакого влияния на его теплоизоляционные свойства, а наружное остекление в одно стекло может быть запроектировано исключительно для неотапливаемых помещений — холодных балконов, витрин и т.п.

Определяющую роль в теплозащитных свойствах стеклопакета играют две другие составляющие теплообмена – излучение и конвекция (Рис. 2).

С учетом того, что величина Rcт близка к нулю, общее термическое сопротивление стеклопакета может быть определено, исходя из формулы

R0 = RB + S RBП + RН = S RBП + 0,16 (4)

Сопротивление теплопередаче одной воздушной прослойки определится как

RBП = 1/ КBП = 1/ (ККОН + КИЗ ) (5)

где Квп — коэффициент теплопередачи воздушной прослойки;
Ккон — коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет конвекции и теплопроводности газа, заполняющего прослойку;
Киз — коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет излучения

Коэффициент теплопередачи воздушной прослойки за счет конвекции и теплопроводности газа, заполняющего прослойку, может быть определен как

ККОН = Nu (d/l) (6)

где Nu — число Нуссельта, определяющее характер теплообмена внутри воздушной прослойки (конвективный или кондуктивный (за счет теплопроводности) перенос тепла). Если Nu = 1, то теплообмен в прослойке определяется только теплопроводностью, т.е. Ккон = d/l .

Для удобства расчетов коэффициент Ккон можно определять по Табл. 1 с учетом толщины воздушной прослойки и теплофизических характеристик заполняющих газов.

• Share

Таблица 1. Теплотехнические характеристики газов, применяемых для заполнения стеклопакетов

Таблица 2. Коэффициент теплопередачи воздушных прослоек, заполняемых различными газами за счет конвекции и теплопроводности

Коэффициент теплообмена за счет излучения определяется как

Киз = q из /Dt (7)

где q из — тепловой поток, проходящий через стеклопакет за счет излучения при разности температур на его поверхностях, равной Dt. При этом величина q из может быть определена как

q из = С0 e пр 1-2 q (Т1/100) 4 — (Т2/100) 4 r (8)

где С0 = 5.67 [Вт/м2К4] — постоянная Стефана-Больцмана
Т1 и Т2 — абсолютные температуры обменивающихся теплом поверхностей, [К]
f — коэффициент облученности (безразмерная величина); в данном случае f = 1
e пр 1-2 — (безразмерная величина) приведенная излучательная способность при теплообмене между двумя поверхностями, определяемая как e пр 1-2 = e1 і e2,
где e1 и e2— соответственно излучательно-поглощательные способности поверхностей 1 и 2.

• Share

Наибольший интерес с точки зрения практического применения в уравнении (8) представляет величина излучательно-поглощательной способности e пр 1-2. Чем меньше e пр 1-2 (а соответственно, e1 и e2), тем меньшее количество тепла уйдет в сторону менее нагретой поверхности, а термическое сопротивление стеклопакета соответственно возрастет.

Для чистого оконного стекла величина излучательной способности составляет e = 0.84. Для большинства металлов изменяется в пределах 0.02-0.04. Идея применения стекол с низкоэмиссионным покрытием, основу которого составляют металлы, связана с понижением величины e, приводящему к понижению количества тепла, передаваемого за счет радиации. Большинство таких стекол имеют излучательную способность порядка e = 0.1 - 0.2.

Как видно из формулы (7), Киз зависит от температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен излучением. Однако для практических инженерных расчетов достаточно определить зависимость величины Киз от излучательной способности внутреннего стекла стеклопакета, т.е. величины e1 согласно Табл. 3.

Таблица 3. Зависимость величины Киз от излучательной способности внутреннего стекла стеклопакета

e1	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8
Киз [Вт/м2 К]	0.50	1.0	1.46	1.90	2.34	2.76	3.17	3.55

Таблица 4. Термическое сопротивление и коэффициент светопропускания стеклопакетов различной конструкции

Конструкция	K=1/R	R	Видимая часть спектра			ИК солнечное излучение
			t v — пропускание r v — отражение av — поглощение			t е — пропускание r е — отражение a е — поглощение
	Вт/м2°С	м2°С/Вт	t v	r v	a v	t е	r е	a е
F4-12-F4	2.86	0.35	0.80	0.14	0.06	0.68	0.12	0.21
F4-16-F4	2.74	0.36	0.80	0.14	0.06	0.68	0.12	0.21
F4-12Ar-F4	2.68	0.37	0.80	0.14	0.06	0.68	0.12	0.21
F4-12Kr-F4	2.56	0.39	0.80	0.14	0.06	0.68	0.12	0.21
F4-16-K4	1.74	0.58	0.75	0.17	0.08	0.60	0.14	0.26
F4-Ar16-K4	1.51	0.66	0.75	0.17	0.08	0.60	0.14	0.26
К4-16-К4	1.54	0.65	0.71	0.19	0.10	0.54	0.15	0.31
К4-Аг16-К4	1.29	0.78	0.71	0.19	0.10	0.54	0.15	0.31
K4-Kr16-K4	1.19	0.84	0.71	0.19	0.10	0.54	0.15	0.31
K4-SF16-K4	2.28	0.44	0.71	0.19	0.10	0.54	0.15	0.31
F4-10-F4-10-F4	1.99	0.50	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-12-F4-12-F4	1.90	0.53	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-16-F4-16-F4	1.78	0.56	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-ArlO-F4-ArlO-F4	1.81	0.55	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-Arl6-F4-Arl6-F4	1.66	0.60	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-Krl2-F4-Krl2-F4	1.59	0.63	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-SF12-F4-SF12-F4	1.97	0.51	0.72	0.20	0.09	0.56	0.15	0.29
F4-10-P1-10-F4	1.44	0.70	0.60	0.21	0.19	0.43	0.16	0.40
F4-ArlO-P1-Ar10-F4	1.20	0.83	0.60	0.21	0.19	0.43	0.16	0.40

На основании Табл. 3 можно приближенно рассчитать, насколько изменится сопротивление теплопередаче стеклопакета при замене в нем внутреннего обычного стекла, имеющего излучательную способность e1 = 0.84, на низкоэмиссионное стекло с излучательной способностью e1 = 0.10.

Если в первом случае теплопотери через остекление за счет излучения составят порядка 70%, то во втором они уменьшатся до 10%, а общее термическое сопротивление стеклопакета возрастет в 2 — 2.5 раза.

По различным данным потери тепла однокамерного стеклопакета, заполненного осушенным воздухом, составляют 70% за счет излучения, 15% за счет теплопроводности и 15% за счет конвекции.

Как показывают данные проведенных исследований, при толщине воздушной прослойки до 8 мм, конвекция воздуха будет затруднена. Характер изменения термического сопротивления стеклопакета Ro в зависимости от толщины воздушной прослойки показан на Рис. 3. Из графика видно, что при толщине прослойки до 8 мм общее сопротивление стеклопакета увеличивается пропорционально увеличению ее толщины. При этом Ккон (формула 6) определяется, исходя чисто из условий теплопроводности Ккон = d/l воз, где l воз — коэффициент теплопроводности воздуха.

С увеличением толщины воздушной прослойки конвективный теплообмен в ней становится более интенсивным, а доля передачи тепла за счет теплопроводности уменьшается. При этом увеличение толщины прослойки уже не приводит к росту ее термического сопротивления. Из Рис. 3 видно, что увеличение толщины воздушной прослойки свыше 8 мм незначительно влияет на изменение теплоизолирующих свойств стеклопакета, а при толщине прослойки более 20 мм Ro почти не изменяется. Следовательно, в теплотехническом отношении наиболее выгодно использовать стеклопакеты с воздушной прослойкой 12-20 мм, что соответствует максимально возможному сопротивлению Rвп.

Приближенный расчет термического сопротивления стеклопакетов можно производить на основании данных табл. 2 и табл. 3.

В Табл. 4 приведены данные сертификационных испытаний стеклопакетов, предоставленные АО «Государственный институт стекла». Для удобства использования непосредственно при проектировании систем остекления в Табл. 4 приведены также значения коэффициента светопропускания t.

Теплопотери через остекленные поверхности, расположенные под углом к горизонту

Выше были описаны процессы теплообмена, учитываемые в расчетах при проектировании стандартного оконного остекления, расположенного вертикально. При проектировании остекления поверхностей, расположенных горизонтально или под углом к горизонту (мансардные окна, стеклянные крыши зимних садов и т.п.), необходимо учитывать тепловое излучение стекла в сторону небосвода, которое может привести к выпадению конденсата на поверхности или образованию наледи (преимущественно в ночное время). Как показывает российский опыт эксплуатации современных окон, на вертикально расположенных однокамерных пакетах (даже несмотря на относительно малое термическое сопротивление) практически никогда не образуется наледь. Однако стоит такой пакет установить в наклонное мансардное окно или в крышу зимнего сада – образование инея становится скорее правилом, чем исключением.

• Share

На Рис. 4 приведены данные экспериментальных измерений теплопотерь в ночное время через стеклопакет, имеющий термическое сопротивление R0= 1.1 м²°С/Вт и установленный под углом 30° к горизонту. Излучательная способность наружного стекла, обращенного в сторону небосвода, e = 0.84.

В случае безоблачного неба наружное стекло теряет тепло излучением непосредственно в тропосферу, температура которой для условий Центральной Европы составляет 60°С. Температура облаков, закрывающих тропосферу в облачную погоду, значительно выше, что, как видно из Рис. 4, снижает теплопотери.

Вместе с тем их величина достаточно значительна (порядка 40 Вт/м2), что не позволяет в данном случае использовать для теплотехнического расчета те же формулы, что и для вертикального остекления.

Как видно из Рис. 4, при установке стеклопакета в наклонном положении теплопотери в сторону небосвода достаточно велики даже при очень высоком термическом сопротивлении (R0 = 1.1 м² °С/Вт). С этой точки зрения действенной мерой может служить установка в таком пакете наружного низкоэмиссионного стекла с «жестким» покрытием, обращенным наружу, а не во внутреннюю полость (как это принято в стандартном варианте).

Другим решением может служить применение электроподогреваемых стеклопакетов, в которых металлическое (или полупроводниковое) покрытие стекол работает по принципу электрического сопротивления. При этом электроэнергия частично переходит в тепловую энергию, и стекла пакета нагреваются. Стекла, используемые в электроподогреваемых стеклопакетах, как правило, следует подвергать закалке во избежание их разрушения под действием тепловых нагрузок.

Как показали лабораторные измерения, коэффициент полезного действия мощности, направленной на обогрев стеклопакетов, составляет около 90%. При этом мощность нагрева определяется, исходя из конкретно решаемой задачи, и может быть в пределах 1,50-100 Вт/м2.

Кроме наклонного остекления, электроподогреваемые стеклопакеты могут быть также использованы и для ряда других целей, таких как:

• — предотвращение образования неконтролируемых потоков холодных воздушных масс, вызванных разницей между температурой комнатного воздуха и температурой поверхности внутреннего оконного стекла;
• — предотвращение конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе, на поверхности холодного стекла;
• — использование в качестве дополнительного источника тепла в летних постройках;
• и др.

И.В. Борискина, А.А. Плотников, А.В. Захаров
“Проектирование современных оконных систем
гражданских зданий”