автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Ресурсосберегающие решения окон и методы их расчета

Л д РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ АРХИТЕКТУРЫ И 1 0 ' ' СТРОИТЕЛЬНЫХ НАУК (РААСН)

>»■■* Г4 •

I л ЦЛЗ '{>'¿'0 •

I 1 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ

СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ (НИИСФ)

УДК 628;853:69.022/025 На правах рукописи

Верховский Алексей Адольфович

РЕ СУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕШЕНИЯ ОКОН И МЕТОДЫ ИХ

РАСЧЕТА.

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Институте строительной физики Академии архитектуры и строительных наук РФ

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Савин В.К. кандидат технических наук доцент Соколова Н.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Сарычев Г.С., ВИСИ доктор технических наук, профессор Хлевчук В.Р.

Ведущая организация: ЦНИИПромзданий.

/

Защита

диссертации состоится " 30 " *' октября 1996 г. Тз " 10 " ч. на заседании диссертационного Совета при Научно-исследовательском институте Строительной физики AACH России по адресу: 127238, Москва, Локомотивный пр., 21.

.С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде института.

Автореферат разослан "IV сентября 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

• Савин В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Свегопрозрачные ограждения - один из наиболее ответственных элементов в системе наружных ограждений здания. Одновременно с требованиями защиты внутреннего помещения от внешних атмосферных воздействий, окно должно обеспечивать в помещении нормируемый уровень естественной освещенности. Наряду с энергетической эффективностью, естественное освещение помещения играет большую психофизиологическую роль - возможность видеть наружное пространство дает людям ощущение связи с природой, обеспечивает психический комфорт, что особенно важно в жилых помещениях. Большинство людей проводит в помещении до 70% времени. Их работоспособность и здоровье зависят от микроклимата в помещении, который обеспечивается в значительной степени свегопрозрачными конструкциями.

Решение задачи экономии топливно-энергетических ресурсов тесным образом связано с применением эффективных свегопрозрачных конструкций, так как теплопотери достигают значительных размеров: в жилищно-граж-данском строительстве они доходят до 50% от общих теплопотерь, а в отдельных общественных зданиях - до 80%. Если учесть, что в стране около 40% всего добываемого топлива идет на теплоснабжение, то особо важное значение приобретают вопросы повышения уровня теплозащиты свегопрозрачных ограждений.

Одним из наиболее перспективных способов решения проблемы ресурсосбережения является использование окон со свегопрозрачным экраном в межстекс?льном пространстве.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание теоретических основ расчета окон со свегопрозрачными экранами в межстекольном прстранстве и решение проблемы оптимизации системы окно - свегопрозрачный экран с точки зрения достижения максимальной теплозащиты при наилучших нормируемых светотехнических параметрах.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- изучен теплообмен у внутренней поверхности остекления;

- исследовано/влияние восходящих конвективных потоков на теплообмен в межстекольном пространстве окна при установке свегопрозрачного экрана на интерферометре;

- выяснена зависимость уровня освещенности от геометрических параметров свегопрозрачного экрана;

- исследована теплопередача через окно со свегопрозрачным экраном в натурных условиях;

- разработана методика теплотехнического расчета окна с экраном;

- разработана методика светотехнического расчета окна с экраном;

- написан пакет компьютерных программ для светотехнического, теплотехнического расчета и оптимизации системы "окно- свегопрозрачный экран".

НАУЧНУЮ НОВИЗНУ РАБОТЫ СОСТАВЛЯЮТ:

- предлагаемый аналитический метод и мтодика светотехнического , расчета для окон с экранами;

- критериальные зависимости для определения локальных и средних коэффициентов теплопередачи;

- формулы для расчета приведенного сопротивления теплопередаче окон с различными материалами в качестве экрана;

- предлагаемый метод инженерного расчета для окон с экранами;

- методика оптимизации окон с экранами по свето- теплотехническим характеристикам с учетом неравномерного воздействия экрана на световую среду в помещении;

- программа для ЭВМ, позволяющая произвести расчет светотехнических параметров в гаобой точке помещения и оптимизировать высоту экрана для получения наибольшего энергетического эффекта.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные методики свето- теплотехнического расчета и инженерный метод расчета позволяют использовать окна с экранами при проектировании и реконструкции жилых и общественных зданий и значительно повысить уровень теплозащиты двухслойных легких ограждающих конструкций до уровня трехслойных, практически не увеличивая затрат на их производство.

По результатам работы ведется оформление патента.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные положения диссертации изложены и обсуждены на:

- "46 Республиканской научной конференции по итогам исследований и внедрения их в производство", Казань, 1994;

- 2-ом научно-техническом семинаре "Вопросы экологии и энергосбережения в строительной акустике и светотехнике", Севастополь, 1995;

- X национальной конференции с международным участием "Осветление -96", Болгария, октябрь 1996;

- V съезде "Ассоциации инженеров по отоплению, винтиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК)", октябрь 1996.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, приложения, библиографического списка и содержит l£L страниц текста таблиц, £il рисунков, уу. наименования использованной литературы, приложение на 2_ страницах.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- аналитический метод светотехнического расчета для окон с экранами;

- критериальные зависимости для определения локальных и средних коэффициентов'теплопередачи;

- метод инженерного расчета для окон с экранами;

- методика оптимизации окон с экранами по свето- теплотехническим характеристикам с учетом неравномерного воздействия экрана на световую среду в помещении;

- программа для ЭВМ, позволяющая произвести расчет светотехнических параметров в любой точке помещения и оптимизировать высоту экрана для получения наибольшего энергетического эффекта.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ.

Во введении отражена важность проблемы повышения теплозащиты легких ограждающих конструкций, а также эффективность применения окон со свегопрозрачным экраном для повышения теплоза- 4 щиты при незначительном повышении рессурсоемкости конструкции.

ПЕРВАЯ ГЛАВА.

ч

В первой главе приведен критический обзор исследований по существующим конструкциям окон и пути повышения их теплозащитных свойств, анализ существующих методов теплотехнического и светотехни-

ческого расчета окон, а также доказывается эффективность применения окон со свегопрозрачными экраном в межстекольном пространстве, проводится анализ научных и нормативных публикаций по теме диссертации.

Количество слоев остекления, размеры и расположение окон и зенитных фонарей определяются требованиями к естественному освещению и теплозащите помещений. Область применения свегопрозрачных конструкций зависит от внешних климатических факторов, внутренних источников тепла, влаги, света, скоростей движения воздуха, пожарной безопасности, вибраций и т.д.

В последние годы в развитых странах произошел качественный скачок в решении проблемы повышения теплозащиты ограждающих конструкций. Создание компактных высокопроизводительных компьютерных систем позволяет оптимизировать сам процесс проектирования, анализа и синтеза наиболее эффективных решений, позволяет использовать методы математического моделирования.

Анализ конструктивного решения окон, разработанных в нашей стране и за рубежом, обнаруживают тенденцию к увеличению ■количества слоев остекления, уменьшению светопроемов, применению теп-лоотражающий стекол и пленок, герметизации свегопрозрачных конструкций посредством использования более надежных уплотнителей и герметиков.

В общем случае термическое сопротивление .свегопрозрачных конструкций может быть повышено тремя путями:

-введением в ограждение материалов с белее низкими коэффициентами теплопроводности;

- введением в ограждение материалов с более низкими коэффициентами излучения (уменьшение лучистой составляющей теплового потока);

- увеличением числа воздушных прослоек с целью уменьшения одновременно лучистой и конвективной составляющих теплового потока.

Одним из наиболее перспективных способов решения этой проблемы является использование свегопрозрачного экрана в межстекольном пространстве.

Проведенные в 70-80 годах в НИИ Строительной Физики исследования показали, что использование экранов позволяет повысить уровень теплозащиты окон на 20-30% при незначительном снижении коэффициента естественной освещенности. По результатам исследований было оформлено авторское свидетельство. Однако исследования проводились для экранов малой высоты ( не более 0.2 высоты окна ). В качестве экрана использовались оконное и органическое стекло. В то же время использование производимых сегодня пленок из лавсана и триацегатцеллюлозы позволяют значительно упростить конструкцию практически без дополнительных сырьевых затрат, одновременно повысив теплозащитные и светопропус-кающие характеристики.

Как показывают натурные исследования, температура в нижней части остекления всегда ниже, чем в центральной и верхней зонах. Это явление характерно для любых свегопрозрачных конструкций и объясняется как влиянием естественной конвекции в межстекольном пространстве, так и изменением конвективной и лучистой составляющих в зоне нижнего переплета и подоконника.

Наиболее опасным с точки зрения выпадения конденсата и образования наледей является самая нижняя точка остекления. Исследования В.К.Савина показали, что при применении экрана появление инея и наледей происходит на 9-11°С ниже, чем у стеклопакета без экрана.

ВТОРАЯ ГЛАВА.

Во второй главе предлагается аналитический метод светотехнического расчета для окон с экранами.

В ведение догюлшпелыюго конструктивного элемагга требует шучения снижения коэффициента естественной освещенности (к.е.о.) в глубине помещения.

В настоящее время существует большое количество методов расчета к.е.о. от бокового освещения при облачном небе (Данилюк, ф-ла Гусева, ф-ла Тейлора, ф-ла Гопкинсона).

Однако ни один из нормативно используемых сегодня методов в полной мере не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к поставленной задаче. Поэтому разработан аналитический, метод, расчета к.е.о. для свегопрозрачного ограждения с свегопрозрачным экраном в межстекольном пространстве.

Метод расчета должен учитывать:

- к.е.о. в любой точке помещения с экраном в межстеколном пространстве окна;

- неравномерное распределение яркости облачного неба МКО;

- отраженную составляющую от внутренних поверхностей помещения и прилегающей территории по методу Гусева;

- простоту в применении, поддаваться автоматизации на ЭВМ и не требовать несоразмерных затрат времени.

Для упрощения расчетов было принято, что здание расположено на открытой местности и не нужно учитывать отраженную состав-

1

ляющую от противостоящих зданий.

При разработке метода расчета окон с экранами были использованы работы Н.Н.Киреева для расчета к.е.о. при облачном небе МКО.

Допустим, что помещение имеет только один световой проем (рис.1). Тогда естественная освещенность, создаваемая участком облачного неба на горизонтальной плоскости в характерной точке помещения определяется из уравнения

£ = || 1{0)/(0)с1вс1р /(в) =соз&тв (1)

ец

Ь(9) = 0.33Ьг (1 + 251/1 в) - распределение яркости облачного неба МКО. Для свегопрозрачного ограждения со свегопрозрачным экраном Е. = г,(ЕХ + Е:'Т}) (2)

2

3

(3)

---++---],

в\ , вг, , /}\ и /?2 определяются из геометрических соотношений. Поскольку наиболее важной для нас является проблема снижения к.е.о. при увеличении высоты свегопрозрачного экрана, более информативным может быть динамический коэффициент светопропускания, представленный как функционал т (/рт, /ь) потерь за счет введения свегопрозрачного экрана.

Рис.1. Схема к расчету геометрического к.е.о.

е

Рассмотрим коэффициент светопропускания гэ для всего окна с экраном. По ходу расчета мы делили окно на две области - окно со свегопрозрачным экраном (трехслойное остекление) и верхнюю часть (двухслойное остекление), каждая из которых имела свой коэффициент светопропускания - для нижней части окна со свегопрозрачным экраном г' , для верхней - п.

Из (2) имеем: Е. =г,(ЕХ + Е:¥,)=/;Е;г (/,„ Д) (4)

где Е° - естественное освещение, создаваемое всем окном, с

т (/,тД) - динамическим коэффициентом светопропускания всего окна

со свегопрозрачным экраном, зависящим от положения рабочей точки и высоты свегопрозрачного экрана.

Преобразуя выражение (4), получим

г (^Л)= ' ' ' (5)

подставляя в формулу Е\ и Е' , получим аналитическое выражение для г (/,„Д). Входящие в формулу Лрт и /э можно получить из геометрических соотношений.

Представив зависимость г (/НД) в графическом виде можно получить реальное представление о динамике изменения к.е.о. относительно изменения высоты свегопрозрачного экрана.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА

В третьей главе представлена методика и результаты исследований процессов конвективного теплообмена в межстекольном паространсгве с помощью интерферометра.

Теплопередача через окно с экраном в межстекольном пространстве является процессом, зависящим от большого числа пара-

метров и режимов теплопереноса в воздушной прослойке. На этот процесс влияют размеры экрана, его расположение и установка, образование замкнутых и незамкнутых воздушных прослоек с различными температурами на поверхностях слоев остекления и экране.

Экспериментальные исследования процессов теплообмена проводились с применением интерферометра Маха-Цендера. Этот метод имеет существенные преимущества перед другими: исключает влияние лучистого теплообмена на показания прибора; быстрота и точность измерений; возможность визуального наблюдения процесса; фиксация исследуемого явления на фотопленку; безинерционность; исследуемый объем свободен от введения каких-либо датчиков, нарушающих условия протекания процесса.

При экспериментальном изучении теплообмена искомой величиной является коэффициент теплопередачи а.. Критериальное уравнение стационарного теплобмена записывается в виде:

Локальные характеристики теплообмена находили по соотношениям:

Анализ экспериментальных данных показал, что характер теплообмена в воздушной прослойке с экраном в нижней части зависит от соотношения высоты и ширины прослоек, высоты свегопрозрачного экрана.

Введение экрана позволило также ограничить естественную конвекцию в прослойках и добиться режима теплопроводности в большей части прослоек, что значительно снизит теплопотери.

Исследования показали, что в нижней части остекления от 0 до 0.75/ь температурные поля ведут себя как при 3-х слойном остекле-

Ыи = Двг)

(6)

(7)

(8)

нин, а в верхней части от 1,2ЛЭ до Н0 - как при 2-х слойном остеклении. Ранее не рассматривалось измерение температуры в воздушной прослойке по ее центральной вертикальной • оси на участке от 0.75/ъ до 1,2/ъ для свегопрозрачных экранов от 0.3/ь до 0.8/гэ, а также корреляционные зависимости коэффициента теплопередачи. В процессе работы область была разбита на два участка от 0,75/ь до /ь и от /ь до 1.2/ь . На каждом из них зависимости рассматривались отдельно, причем для "холодной" и "горячей" прослоек на участке от 0.75/гэ до /ь они были различными.

В интервале от 0.75/гэ до Лэ и от /ь до 1.2Аэ были получены следующие критериальные зависимости:

- для верхней части прослойки (над свегопрозрачным экраном)

Nuh = 0.223 Grr(jj) (9)

- для "холодной" прослойки

Nuh =0.16Gr;'"(jy * '(10)

- для "горячей" прослойки

г s -OOS

Nuh =0.22Grr[j;) (11)

Данные зависимости представлены на рис.2-4

Результаты, полученные в ходе исследований на интерферометре и натурных экспериментах показали их хорошую сходимость с полученными ранее данными.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА

В четвертой главе приводятся методика и результаты натурных светотехнических исследований для окон с экранами разной высоты.

х/Н(1-х/Н)

Рис.2. Зависимость Ыии Юг°" от х/Н (1-х/Н) для верхней части окна (над экраном).

! 1 -; I! п ! I ! I ! III 1 1 М ! ! 1||

........| ' | I 11' I I МММ 1 1 | 1 1

| | I : ; ]

I ! !' I ■ г "I I I 11¡! ! 1 !!

! 1 п пп • ii.ii ' 1 ¡4 1 1 мм

>-!— «и I 1В 1 в III |

1 1 ! 1 ! I ! "Г?! 111 И! 1 ! П№ 1 1 1 ! ! 1*1 1 м 1 И

—з: иетТЦ J—ии-иц --

1 . ! .1.1 !!!! .....1 !... и ! 111 —Г" -14-

- ш/^сл0^ оибчх/ну0065 ■ Сг = 10Т (4-8) ф СГ(1=5-105 (4-27) о вг =1.5*10 (4-13)

|

0.001 0.01 0.1 1

х/Н(1-х/Н)

Рис.3. Зависимость Шь Юг™ от х/Н (1-х/Н) для нижней части окна ("холодная" прослойка). *

х/Н(1-х/Н)

Рис.4. Зависимость М/ь Юг°л' от х/Н (1-х/Н) для нижней части

окна ("горячая" прослойка).

Рис.5. Интерферограммы температурных полей окна с экраном

в полосах конечной и бесконечной длины

Анализ экспериментальных данных показывает, что свегопрозрачный экран благоприятно влияет на световой климат в помещении, снижая избыточную инсоляцию в приоконной зоне и практически не снижая к.е.о. в глубине помещения.

ПЯТАЯ ГЛАВА

В пятой главе приводится инженерный метод и методика теплотехнического расчета системы окно-светопрозрачный экран. При расчете теплозащиты свегопрозрачное ограждение делится на две части (свегопрозрачную "и непрозрачную). В данной работе исследуется только свегопрозрачная часть ограждения.

Для предварительного расчета использовался упрощенная методика теплотехнического инженерного расчета. Светорозрачная часть окна, свегопрозрачная часть окна делится на две зоны: с 3-х слойным остеклением на высоту экрана и с 2-х слойным остеклением над экраном. Приведенное сопротивление теплопередаче рассчитывается по формуле:

+ \ - (12) + Д"'

"с 1\ш(6г

Расчет температур на различных поверхностях производился по типовой методике расчета 2-х мерных температурных полей. Для более точных расчетов необходимо учесть влияние конвективного теплооб- * мена на теплопередачу.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют разработать методику инженерного расчета свегопрозрачных ограждений с экраном в межстекольном пространстве. Методика дает возможность оценить эксплуатационные качества свегопрозрачных ограждений.

Влияние светопрозрачного экрана учитывается за счет введение до-полнительнь1Х зон: на участке от 0 до 0,75/г3 расчет ведется как для трехслойного остекления, на участке от 0,75 /г3 до1,2 И, - по выведенным в главе 3 соотношениям, от 1,2Л, до Н0 - как для двухслойного остекления. На каждом из участков расчет проводится отдельно.

На участках от 0 до 0,75Л.,и от 1,2Л3 до Н0 для расчета использовались зависимости, предложенные в докторской диссертации В.К.Савина.

В интервалах от 0.75/г, до Л, и от Л3 до 1.2Л, используются зависимости, полученные в главе 3 (9-11).

Расчет теплотехнических характеристик окон производится в два этапа. На первом этапе расчитываются средние значения Я , Я,, Ят,

Средние значения температуры на различных поверхностях остекления средней зоны определяются по формулам:

;

+ 03)

Ко

Среднее значение сопротивления теплопередаче равно:

+IX+!*+£) (И)

Расчет температурных полей производится путем последовательных приближений для каждого участка средней зоны в следующем порядке:

а) в качестве первого приближения принимают по главе СНиП Н-3-79 "Строительная теплотехника" средние значения Д, =0,115 м20С/Вт, Ё = 0,04 м2 °С/Вт.

б) для уточнения среднего значения определяют критерий

Л'

Грасгофа Сл. = gP(t\ - Ь)— и при СгЛ<4000 находят средний коэффи-

V

циенттеплоотдачи конвекцией а, =—.

Л

При бтЛ >4000 рредний коэффициент теплоотдачи определяют из /

уравнений 9-11 посЛе их интегрирования по х:

для участков, и где влияние экрана не учитывается

0-0.75Л., а" = 0,014^^—(А,)0,35 (15)

1,2Л, - Н0, а" = 0,015^—(Я- 1,2Л)°'33 (16)

п

В интервалах 0.75Л3 - Л, и Л3 - 1были получены следующие результаты:

- для верхней части прослойки (над свегопрозрачным экраном)

аГ = 0,003^Г (17)

- для "холодной" прослойки

«Г = 07 (18)

п

- для "горячей" прослойки

«Г =0,001^, (19)

Среднее значение термического сопротивления воздушной прослойки определяют из выражения:

Л„=—(20)

в) по приведенным формулам вновь определяют средние значения температур; •

г) повторяют расчет и уточняют значения Я , Я,, И1П, Я0, I,, (2, т„, г, до тех пор, пока в двух последних приближениях все эти теплотехнические характеристики не будут отличаться друг от друга не более, чем на 5%.

На втором этапе производят расчет локальных температурных полей в следующем порядке:

а) по высоте окна средную зону остекления с учетом зонирования по участкам экрана в интервале от х!Н-0,1 до х/Н=0,9 разбивают на ряд слоев 'Ах,, Ах2,-, Ахт и определяют локальные значения температуры 1т:

= + о;(21)

б) находят локальные значения коэффициентов теплопередачи;

в) находят коэффициенты теплоотдачи излучением;

г) определяют локальные значения температур:

'/ = '.* - --гг '' -+ Ю '

1.-1,

„ - ——^—т~.—МК + ); (22)

В результате 'расчетов по упрощенной методике получена функциональная зависимость приведенного сопротивления теплопередаче от высоты экрана:

Сравнение результатов, полученных по двум методикам, показывает, что конвективный теплообмен оказывает незначительное влияние на приведенное сопротивление теплопередаче окна со свегопрозрачным экраном в межстекольном пространстве. Таким образом для оптимизации окна с-экраном по свето- теплотехническим характеристикам можно воспользоваться зависимостью 23.

I

ШЕСТАЯ ГЛАВА

В шестой главе проведена серия натурных исследований для различных конструкций окон с экранами разной высоты.

В натурных условиях на окно воздействуют неидеализированные внешние условия, температура подвержена суточным колебаниям и не имеет той же стабильности, что и в климатической камере.

Оценка теплозащитных свойств окон с экранами в межстекольном пространстве проводилась по методике, разработанной в ГОСТ 26602-85 "Окна. Метод определения сопротивления теплопередаче ". Для оценки теплозащитных свойств определяется температура и тепловые потоки на различных поверхностях конструкции, приведенное сопротивление теплопередаче, включая прозрачную и непрозрачную части окна.

Наиболее существенное влияние на теплозащитные свойства окон оказывает температура на внутренней поверхности окна тв. 4

Исследования показали, что при повышении высоты экрана /ь возрастают значения Яое , Ж"/ , тв в особенно в нижней зоне остекления. Наиболее существенно положительное воздействие экрана прояв- « ляется на нижнем участке 0<Л<(0,7-0,8)/ь, где конвекция за счет введения экрана снижается. На участке 0,75 Ы<И< 1,3 /ь наблюдается

некоторое снижение Яос ,гв по сравнению с остеклением без экрана. Это объясняется поднятием на уровень расположения верхней кромки экрана в прослойке участка перехода охлажденного ниспадающего конвективного потока в восходящий. Экспериментальные данные показывают, что появление отрицательных температур в нижней точке остекления произойдет при температурах наружного воздуха на 10-12°С ниже, чем без экрана.

На рис.6 представлены графики зависимости приведенного сопротивления теплопередаче (для остекления) от относительной высоты экрана. Для теплоотражающей лавсановой пленки (го=0,68, £=0,15) в качестве экрана результаты можно апроксимировать зависимостью

о. 6

с: о

СЙ

1.5

1.4

§•! 1.з

1.2

1.1

1 1 1 1 г .

1 1 и 1 1

—1— • I — —1— -1--

1 !

-1- □ -'-

1. о I

! - О и

-1- -0 -и-у^-— -1-

1.0^

- пленка из триацетатциллкЗлозы

---теплоотражающая пленка

□ окно в деревянном одинарном переплете о окно в спаренных переплетах

I I ! I ! I ! I I I

0.2 0.4 0.6 0.8

1.0

Ь /Н

э о

Рис.6. График зависимости приведенного сопротивления теплопередаче (для остекления) от относительной высоты экрана.

+ 0.584 (24)

Как видно из рис.6, повышение экрана более, чем на 0,8Но перестает приносить желаемый эффект и наблюдается некоторое снижение роста приведенного сопротивления теплопередаче. При соотношениях ширины к высоте прослойки менее Л/Л»п<8, возникает турбулентная конвекция, значительно снижающая сопротивление теплопередаче.

СЕДЬМАЯ ГЛАВА

В первой части седьмой главы приводится программа расчета на ЭВМ светотехнических характеристик окон с экранами, во второй -критерий оценки эффективности применения свегопрозрачных конструкций и проводится оптимизация экранов по высоте.

Программа составлена в соответствии с предложенной методикой светотехнического расчета и позволяет расчитать к.е.о. в любой точке помещения при различной высоте экрана и сравнить результаты с полученными по методике СНиП.

Результаты натурных исследований хорошо согласуются с расчетными данными. Расчет, проведенный по методике СНиП, дает в прио-конной зоне несколько заниженные данные, а в глубине помещения -завышенные до 75 %. Из публикаций известно что эта ошибка может достигать 50-100%.

Программа позволяет провести сравнительный анализ влияния коэффициента светопропускания используемого в качестве экрана материала на световую среду в помещении. На рис.7 представлены графики зависимости т(1рт, Л,) от высоты свегопрозрачного экрана для различных светопропускающих материалов. Наиболее целесообразно с точки зрения светотехники использовать в качестве экрана пленки из триацетатциллюлозы и лавсана, имеющие высокое светопропускание.

Оптимизация уровня теплозащиты свегопрозрачных ограждающих конструкций заключается в обеспечении заданного микро-" климата помещения по минимуму приведенных затрат. На формирование этих режимов свегопрозрачные ограждения оказывают если не основное, то существенное влияние. За основу примем требования, предъявляемые к окнам и микроклимату помещения.

В задачу данной работы не входило решение вопросов оптимизации всех возможных вариантов инженерных решений. В основном работа ограничивается оценкой использования свегопрозрачных экранов в межстекольном пространстве и их влиянием на световую и тепловую среду в помещении. Ввиду значительной сложнсти провести оценку приведенных затрат, экономическая оптимизация не проводилась.

В НИИ строительной физики были проведены обширные экспериментально-теоретические исследования по разработке окон с высокими теплозащитными и светотехническими свойствами, обеспечивающие минимальные энергозатраты на эксплуатацию зданий с одновременной экономией материальных и трудовых ресурсов. В докторской диссертации Савина В.К. предложен критерий, позволяющий оценить теплозащитные и светотехнические свойства окна.

Введится понятие коэффициента энергетической эффективности кэфф=&0,0, показывающее на сколько теплопотери рассматриваемого окна меньше эталонного.

В качестве эталона принимается однослойное окно, которое обладает наименьшими теплозащитными свойствами =0,16м20С/Вт и имеет наибольший коэффициент светопропускания го=Гу=0,9. Тогда

(25)

>фф ^ >

по 'о

Формула 25 характеризует теплотехнические и светотехнические свойства конструкции. Чем ниже значение к,фф , тем эффективнее конструкция.

—!—V

-V-

1 " 1— I 1 . 1 N 1 ! I . — 1 — " "I 1

-г _ Г ч р.

асоосатноестеклог^=0,9 э —а плаоса га трлдиггатшсгаолозы г =0.94 о- — в теглоотражающа* пленка г#=0,6», г=0,15

Т" 1X1 I

- 1 1 Ч 1

1

1 ! N

сз---□ силикатное стекло гв=0,9

*---* плсюлгатрнаиртаттстлюдоаыт =054

о- — • теялоотражаюиии плава г.=0.69. г=0,15

0.4 0.6 0.! 1.0 1| /Н

0.4 0.6 ЬЛ1

в приоконной зоне в глубине помещения

рис.7. График зависимости г{1рт, /?3) от высоты экрана для различных материалов

--Г-- \ ИЛГ -:4— 1 ЕЙ —а—

Ь:±_

I _и — №

—

г -1 _ 1 .

IV Г' 1 "Г-

- -+— -Т- — ■ч 1— —н—

— ! ^- 1 .. 1 —1

? 0.1

-1 I 4— —а 1 .1— 1

1- I"' 1 1 —Iе- —!—

—(— —1 —1— - \=к\

3 Г» дГ^—I

■да —г'1

—¡-»; Г*15.

___ — —1— Ж

—н- —г. . 1 -4-

0.2 9.4 0.4

к /Н

одинарный спаренный

Рис.8. График зависимости коэффициента энергетической эффективности к^ф от приведенной высоты свегопрозрачного экрана, оптимизация по функционалу светопропускания где:

X - теплоотражающая пленка то=0,68, е=0,15, 1рт/Ь = 0.2 X - теплоотражающая пленка то=0,68, е=0,15, !рт/Ь = 0.8 • - пленка из триацетатцилюлозы то=0,94, 1рт1Ь - 0.2 ■ - пленка из триацетатцилюлозы то=0,94, = 0.8 А.-силикатное оконное стекло то=0,90; \р1Г)Ь~ 0.2 □ - силикатное оконное стекло То=0,90; 1рт/Ь = 0.8

0.2

0.2

0.8

1.0

0.4 0.6 11 /Н

рис.9. График зависимости к.е.о. в глубине помещения от высоты экрана.

Поскольку влияние экрана на светотехнические параметры помещения существенно только в приоконной зоне, где к.е.о. значительно превышает нормативные значения, целесообразно

л

использовать в качестве оптимизирующего параметра г (/,„,,А,). В этом случае большее снижение к.е.о. в

приоконной зоне, чем в глубине помещения дает право говорить о положительном с точки зрения светотехники перераспределении световой энергии по Шубине помещения. На рис. 8 представлены графики зависимости коэффициента энергетической эффективности от приведенной вйсоты свегопрозрачного экрана для оконного блока в спаренных переплетах и для оконного блока в одинарном деревянном переплете с двухслойным остеклением для материалов с различным коэффициентом светопропус-

кания в качестве экрана и г (/./?,) в качестве оптимизирующего пара-

р 1

метра для различных зон помещения. Как видно из графиков, наибольшей энергетической эффективностью обладает экран из теплоотражаю-щая пленки высотой 0,5 Н0. Использование такого экрана дает повышение энергоэффективности конструкции на 16-17%. Экран с пленкой из триацетатциллюлозы высотой 0,6-0,75 Н0 повышает энергоэффекгивносгь на 13-14%; с экраном из оконного стекла высотой 0,6 Н0 - на 12%. Для того, чтобы введение экрана не повлияло на светотехнические характеристики больше, чем это допустимо СНиП, необходимо воспользоваться графиком на рис.9. На нем представлена зависимость снижения к.е.о. от высоты свегопрозрачного экрана для различных материалов в качестве экрана. Для дан-

ных, рассчитанных по методике СНиП, допустимо использование экранов практически любой высоты, за исключением экранов из теплоотражающей пленки. Однако из литературы известно, что в глубине помещения рассчитанные по СНиП значения могут в 1,5 раза превышать реальные значения к.е.о.

Более целесообразно воспользоваться для этой цели данными, рассчитанными по аналитической методике. Из графика 9 следует, что допустимо использование экранов: из теплоотражающая пленки - не более 0,55 Н0\ из оконного стекла - не более 0,75 Н0\ пленки из триаце-татциллюлозы - не более 0,8 Н0.

Допустимые высоты экранов укладываются в наиболее энергоэффективные расчетные их значения.

При одновременном учете светотехнических и теплотехнических свойств конструкций окна с экранами имеют большую энергоэффективность. Наиболее высокие характеристики имеют окна с теплоотражающей пленкой в качестве экрана. Использование экранов как на существующих так и на проектируемых конструкциях окон приведет к значительной экономии ресурсов.

Наиболее удобно с конструктивной точки зрения устанавливать экраны на окнах в спаренных переплетах.

Конечной целью использования окон со свегопрозрачными экранами является создание комфортных условий при наименьших затратах тепловых и материальных ресурсов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Одним из вариантов решения проблемы ресурсосбережения могут стать конструкции окон с двойным остеклением, имеющие в межстекольном пространстве свегопрозрачные экраны. Такие окна обладают малой материалоемкостью, высокими теплозащитными и светотехническими свойствами.

2. Проведены интерферометрические исследования процессов теплообмена у внутренней поверхности окна и в межстекольном про-

странстве. Установлено, что физическая картина движения воздушных потоков в приоконной зоне и в межстекольном пространстве существенно зависит от высоты экрана. Результаты исследований позволили разработать теплофизическую модель течения воздуха в межстекольном пространстве. Получены критериальные зависимости для определения локальных и средних коэффициентов теплопередачи. Установлено, что введение свегопрозрачного экрана практически исключает теплопередачу конвекцией на высоту экрана, значительно повышая таким образом теплозащитные свойство окна.

3. Исследовано изменение световой среды в помещении с установленным свегопрозрачным экраном. Создана аналитическая методика расчета, позволяющая рассчитать коэффициент естественной освещенности в любой точке помещения и исследовать динамику изменения к.е.о от высоты и материала свегопрозрачного экрана. Результаты расчета по предложенной методике хорошо согласуются с опытными данными. Методика может быть использована для проведения инженерных расчетов и оптимизации экранов по высоте.

4. Проведена серия натурных исследований для различных-конструкций окон с экранами. В результате обработки данных получены формулы для расчета приведенного сопротивления'теплопередаче окон с экранами из различных светопропускающих материалов. Результаты натурных исследований подтвердили полученные данные и после уточнения позволили распространить предлагаемые ранее зависимости на окна с экранами большей высоты.

5. Предложена методика инженерного расчета, позволяющая рассчитать локальные и средние значения температур и коэффициентов сопротивления теплопередаче для окон с экранами различной высоты.

6. Проведена оптимизация окон с экранами по тепло-светотехническим параметрам. Рассчитаны оптимальные высоты экранов для различных светопропускающих "материалов, устанавливаемые на различные конструкции окон. Установлено, что применение экрана оптимизированной высоты в окнах повышает их эффективность на 12-27%, при этом их теплозащитные свойства повышаются на 25-30%, а светотехнические характеристики остаются в пределах допустимых СНиПом.

7. Для практического применения методики написан пакет программ для ЭВМ, позволяющий рассчитать свето-теплотехнические параметры в любой точке помещения по предложенным методикам и оптимизировать высоту экрана для достижения наибольшего энергетического эффекта.

8. Применение экрана в окнах с двухслойным остеклением позволяет повысить их теплозащитые свойства до уровня окон с трехслойным остеклением, сохранив нормативно-допустимые светотехнические характеристики.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Соколова Н.С., Верховский A.A. Ресурсосберегающие решения окон и методика их расчета. Тезисы докладов 46 Республиканской научной конференции по итогам исследований и внедрения их в производство, Казань, 1994;

2. Савин В.К., Верховский A.A. Исследования теплотехнических свойств окон со свегопрозрачным экраном в межстекольном пространстве, "Жилищное строительство", №11 1995.

• 3. Савин В.К., Верховский A.A. Аналитический метод расчета к.е.о. для окон со свегопрозрачными экранами в межстекольном пространстве, "Жилищное строительство", №2 1996.

4. Верховский A.A. Выбор оптимального значения высоты экрана для окон со свегопрозрачным экраном в межстекольном пространстве по свето- теплотехническим характеристикам, "Жилищное строительство", № 9-10, 1996.

5. Савин В.К., Верховский A.A. "Окно с повышенными теплозащитными свойствами", решение о выдаче патента №9511104/12(018793) 4 от 27.06.96.

6. Верховский A.A. Оптимизация окон со свегопрозрачным экраном в межстеклоном пространстве по свето- теплотехническим характеристикам, материалы X национальной конференции с международ- ' ным участием "Осветление -96", Болгария, октябрь 1996.

-297. Савин В.К., Верховский А.А Увеличение теплозащиты окон -основной прием значительного повышения теплозащиты зданий, материалы V съезда "Ассоциации инженеров по отоплению, винтиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК)", октябрь 1996.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, г, - температура воздуха внутри помещения, °С;

1Н - температура наружного воздуха, °С;

[¡, 12 -температура на поверхностях остекления со стороны

воздушной прослойки, °С; г;, г> -температура на внутренней и наружной поверхностях

остекления, °С; /„, - температура на оси воздушной прослойки, °С;

Дг - разность температур, °С;

ц - плотность теплового потока, Вт/м2;

дл, <7,, - соответственно плотность теплового потока конвекцией, излучением, Вт/м2; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 °С);

ав, а„п - соответственно коэффициент теплоотдачи у внутренней и наружной поверхностей ограждения и в воздушной прослойке, Вт/м20С; а', я' - соответственно коэффициент теплоотдачи конвекцией у внутренней поверхности ограждения и в воздушной прослойке, Вт/м20С; а', а' - соответственно коэффициент теплоотдачи излучением у внутренней поверхности ограждения и в воздушной прослойке, Вт/м20С; Л - коэффициент теплопроводности, Вт°С/м;

Яд • приведенное сопротивление теплопередаче ограждения,

м2 °С/Вт.

»

/^Д - приведенное сопротивление теплопередаче светопро-пускающей и непрозрачной части ограждения, м20С/Вт;

К

Квп Но

Лвп

е6 Я

Ьг

ь р

в г'

г (/«Л)

П

Чд

- термическое сопротивление конструкции, м20С/Вт;

- сопротивление теплопередаче соответственно внурен-ней и наружной поверхностей 1 - той зоны, м2 ОС/Вт;

- термическое сопротивление воздушной прослойки, м20С/Вт

- высота окна;

/- ширина воздушной прослойки;

- площади поверхности светопропускающей и непрозрачной части ограждения, м2;

- геометрический к.е.о. в расчетной точке при боковом освещении, %;

- коэффициент учета неравномерной яркости облачного неба МКО;

- яркость облачного неба в зените;

- яркость облачного неба МКО , видимого под углом в к зениту;

- горизонтальный уголг

- угол к зениту;

- общий коэффициент светопропускания;

- коэффициент светопропускания окна со с.э.; т\ = т'1т1 ;

- коэффициент светопропускания для двухслойного остекления, учитывавший влияние переплета; 4

-коэффициент светопропускания свегопрозрачного экрана;

- динамический коэффициент светопропускания;

- коэффициент, учитывающий влияние отраженной составляющей от внутренних поверхностей;

- коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями;

- угол к зениту, под которым виден нижний край окна;

в] . - угол , под которым виден верхний край окна;

93 - угол, под которым виден верхний край свегопроз-

рачного экрана;

/?!,/?: - горизонтальные углы, под которыми видны правая и левая границы светопроема из расчетной точки.

/рт - расстояние от рабочей точки до окна;

Л, - высота свегопрозрачного экрана ;

Ь\ - расстояние от оси продольного разреза до правой

границы светового проема;

Ьг - расстояние от оси продольного разреза до левой гра-

ницы светового проема.

В - глубина помещения;

кэфф - коэффициент энергетической эффективности.