автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Совершенствование методов определения светопропускания оконных блоков для обеспечения естественного освещения помещений зданий

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬНЫХ НАУК»

На правах рукописи

Фм/жгШ-

е/Ыу

КОРКИНА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ ОКОННЫХ БЛОКОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ ЗДАНИЙ

Специальность

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 АПР 2015 005567632

Москва-2015

005567632

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН)

Научный руководитель: Земцов Виктор Андреевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Официальные оппоненты: Куприянов Валерий Николаевич

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН ФГБОУ ВПО «Казанский государственный строительный университет», кафедра проектирования зданий, заведующий Стецкий Сергей Вячеславович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО НИУ «Московский государственный строительный университет», кафедра архитектуры гражданских и промышленных зданий, профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский

архитектурный институт (государственная академия)»

Защита диссертации состоится «27» мая 2015 года в 11— часов на заседании диссертационного совета Д 007.001.01 при НИИСФ РААСН по адресу: 127238, Москва, Локомотивный проезд, 21, светотехнический корпус. Тел. +7 (495) 482-40-76, факс +7 (495) 482-40-60; E-mail: niisf@niisf.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде НИИСФ РААСН и на сайте http://niisf.ru.

Автореферат разослан <<3 » CWp&dit Ученый секретарь

диссертационного совета Д 007.001.01, к.т.н

2015 года

Н.П. Умнякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Строительство современных зданий с повышенной комфортностью и требованиями к энергосбережению соответствует приоритетам научно-технической политики Российской Федерации. Важным направлением при этом является обеспечение помещений зданий естественным освещением при снижении теплопотерь через заполнение светопроемов. С целью повышения энергосбережения применяются современные энергосберегающие оконные блоки с двух- и трехкамерными стеклопакетами, с применением в них стекол с низкоэмиссионными и мультифункциональными покрытиями. Такие конструкции окон обладают значительно большим сопротивлением теплопередаче, чем применяемые ранее. Вместе с тем при расчетах естественного освещения в соответствии с нормативными документами используются данные о светопропускании заполнений светопроемов, предложенные около 50 лет назад и не отражающие произошедших изменений в конструкциях окон. Методы определения светопропускания современных оконных блоков нуждаются в совершенствовании также и потому, что экспериментальные определения в установках «искусственный небосвод» сейчас стали значительно менее доступными. В связи с этим актуальным является пересмотр данных и методов исследования пропускания света современных энергосберегающих заполнений светопроемов.

Степень разработанности темы исследования. Основы светотехнических расчетов естественного освещения разработали: A.A. Гершун, A.M. Данилюк,

H.М. Гусев, Н.В. Оболенский, H.H. Киреев, В.А. Земцов, А.К. Соловьев.

Цели н задачи работы. Цель диссертации - совершенствование расчетных и экспериментальных методов определения светопропускания оконных блоков, в том числе энергосберегающих, для обеспечения естественного освещения помещений.

Поставленная цель исследований была достигнута решением следующих задач:

I. Исследования светопропускания различного вида стекол, в т.ч. с низкоэмиссионными покрытиями, и стеклопакетов с их применением.

2. Исследование светопропускания оконных блоков с различными вариантами остекления.

3. Разработка метода расчета общего коэффициента светопропускания оконных блоков любой формы.

4. Разработка метода и установки для определения светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях.

5. Проведение исследований светопропускания оконных блоков в натурных условиях.

6. Разработка метода сопоставления эффективности заполнений светопроемов по светотехническим и теплозащитным параметрам.

7. Применение методов определения светопропускания заполнений светопроемов для определения светового режима помещений зданий.

8. Разработка рекомендаций по определению светопропускания

заполнений светопроемов для включения в нормативные документы по расчету естественного освещения.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения светопропускания энергосберегающих оконных блоков. Предложена формула для расчета коэффициента, учитывающего потери света в переплетах оконного блока любой формы, которая используется в данном методе.

2. Разработан метод и создана установка для определения светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях.

3. На основании проведенных натурных исследований предложена поправка к расчетному значению общего коэффициента светопропускания заполнений светопроемов.

4. Разработан метод сравнения оконных блоков с помощью предложенного критерия равноэффективности по светотехническим и теплотехническим параметрам.

Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. На основании проведенных экспериментальных исследований по определению спектрального светопропускания стекол с низкоэмиссионными покрытиями и стеклопакетов, а также на основании данных трех фирм-производителей стекол, составлены таблицы светопропускания выпускаемых видов стеклопакетов.

2. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения светопропускания оконных блоков, позволяющий определять их светопропускание без использования установки «искусственный небосвод».

3. Предложен метод исследования светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях. Проведенные натурные исследования позволили установить поправочный коэффициент к рассчитанным значениям светопропускания оконных блоков.

4. Предложен метод сравнения заполнений светопроемов, по критерию равноэффективности по светотехническим и теплотехническим параметрам, на основе которого осуществляется выбор стеклопакета с наилучшим соотношением характеристик светопропускания и теплозащиты.

5. Разработаны рекомендации по определению светопропускания заполнений светопроемов для включения в нормативные документы по расчету естественного освещения помещений.

Методологической основой диссертационного исследования является использование информационно-измерительных систем, математическая обработка результатов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05-23-03 — Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение, а именно: п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения,

освещения, защиты от шума»., п.6. «Светотехнический, акустический

режимы в помещениях зданий и их оптимизация», п.9 «Оптимизация параметров, обеспечивающих световой комфорт помещений зданий».

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждена использованием поверенного оборудования, фундаментальных светотехнических соотношений (закон проекции телесного угла и закона светотехнического подобия), сходимостью результатов расчетов и экспериментальных измерений. Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при разработке ГОСТ 26602.4-2012. Результаты диссертации использованы при выполнении работы по теме 7.3.6 по плану фундаментальных научных исследований РААСН на 2013-2020 гг.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

«Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение и экологическая безопасность», Научная конференция - Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, Москва, НИИСФ РААСН 2010 г, 2011 г. «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», Международная научная конференция, Москва, МГСУ, 2014 г. «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ» Международная научно-практическая конференция, Кавала (Греция), 2014.

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из которых 4 статьи - в журналах, рекомендованных ВАК. На защиту выносятся следующие положения:

- расчетно-экспериментальный метод определения общего коэффициента светопропускания оконных блоков;

- методика и установка для проведения натурных исследований светопропускания заполнений светопроемов;

- результаты натурных исследований светопропускания заполнений светопроемов пяти видов;

методы сопоставления оконных блоков по светотехническим и теплотехническим параметрам.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (114 наименований, в том числе 24 на иностранных языках), 40 рисунков и 35 таблиц. Общий объем диссертации -141 страница.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводятся обоснование актуальности работы, определенны цель и задачи исследований, перечислены основные научные и практические результаты, приведено краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава содержит краткую историю развития исследования естественного освещения помещений зданий, воздействие естественного освещения на здоровье человека, обзор методов моделирования и расчета естественного освещения помещений, исследований светопропускания светопрозрачных конструкций.

Основоположником изучения естественного освещения зданий в России был Николай Алексеевич Рынин. Большой вклад в исследования естественного освещения сделан A.A. Гершуном, A.M. Данилюком, Н.М. Гусевым, H.H. Киреевым, Н.В. Оболенским, В.А. Земцовым, А.К. Соловьевым, Д.В. Бахаревым и др. Их трудами созданы методы расчета и нормирования естественного освещения помещений зданий, написаны учебники, разработаны учебные курсы для вузов, нормы и правила проектирования, пособия для расчетов и т.д.

Обеспечение естественного освещения помещений требуется Регламентом по безопасности зданий. Естественное освещение необходимо вследствие психофизиологического воздействия, определяющего зрительное восприятие, морфофункционального воздействия, определяющего биологические факторы, такие, как циркадные ритмы человека, бактерицидное воздействие. В последние 15 лет были открыты в сетчатке глаза незрительные рецепторы, которые регулируют выработку гормона мелатонина, оказывающего большое влияние на физиологический цикл человеческого организма. Проводятся активные исследования действия этих рецепторов, которые дают новые знания о действии естественного освещения на человека.

В связи с непрерывным изменением наружной освещенности, в качестве характеристики естественного освещения помещений, используется коэффициент естественной освещенности (КЕО), который представляет собой отношение освещенности в какой-либо точке помещения к освещенности под полностью открытым небосводом. Значение КЕО нормируется в СанПиН «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». Метод расчета КЕО представлен в СП 23-102-2003 «Естественное освещение жилых и общественных зданий». Формула для расчета КЕО имеет вид:

еб=&е6д + ^ездЪфКзд\0т01К3, (1)

где г0 - коэффициент, учитывающий влияние отраженного света от поверхностей помещения, отн.ед.; г0 - общий коэффициент пропускания света заполнением светопроема, отн.ед.; К3 - коэффициент запаса (при чистом остеклении А"3=1), отн.ед.; е6 - геометрический КЕО в расчетной точке при боковом освещении, %; q - коэффициент, учитывающий неравномерную яркость облачного неба, отн.ед.; е1д - геометрический КЕО в расчетной точке при боковом освещении, %; Ьф -средняя относительная яркость фасада противостоящего здания, отн.ед.; К1д -коэффициент, учитывающий изменения внутренней отраженной составляющей КЕО в помещении при наличии противостоящих зданий, отн.ед.

По этой формуле в настоящее время производятся фактически все расчеты естественной освещенности при проектировании зданий. Одним из ключевых вопросов при проведении расчетов является светопропускание заполнения светопроема, который характеризуется общим коэффициентом светопропускания го. Для жилых и общественных зданий общий коэффициент светопропускания то равен произведению коэффициента светопропускания светопрозрачного материала окна, г/, на коэффициент, учитывающий потери света в переплетах, г.г.

Рассмотрены работы по исследованию светопропускания стекол и переплетов заполнений светопроемов. Исследования светопропускания стекол различной модификации проводятся с начала XX века. Они позволили сформировать таблицу расчетных значений светопропускания, представленную в СП 23-102-2003. Светопропускания стекол с низкоэмиссионными покрытиями исследовались в последние 25 лет. АО «ГИС» разработан ГОСТ Р 54164-2010 на определение спектрального светопропускания таких стекол. Однако систематизации результатов этих исследований с точки зрения применения в светотехнических расчетах не выполнено. Исследования коэффициента светопропускания переплетов проводились в НИИСФ в 70-х - 80-х годах прошлого века Н.Н.Киреевым (Н.Н.Киреев, 1983), который проводил измерения этого коэффициента на установке искусственный небосвод и предложил, на основании положений теоретической фотометрии, метод расчета т 2 для использовавшихся в то время оконных блоков:

, ,- \ (5, +о, р

уБГ^-^у—*--—>—

(2)

где: Бо - площадь светового проема по наружному измерению в свету, м2; р -коэффициент диффузного отражения внутренних граней ячейки, отн.ед.; 5, = - площадь г'-й ячейки в свету, м2; щ, 6, - ширина и высота г'-й ячейки в свету, м; о,=с1{а{+Ь,) — площадь полупериметра торцевых стенок г-й ячейки переплета, м2; (¡1 — суммарная толщина переплета, м;

Экспериментальные исследования значений Т2 в настоящее время проводятся ограниченно и статистики значений этой величины для современных оконных блоков не накоплено.

Многослойное остекление в стеклопакете с использованием стекол с низкоэмиссионными покрытиями способно обеспечить высокие значения сопротивления теплопередаче оконных блоков, но может приводить к снижению пропускания света и, как следствие - к уменьшению естественной освещенности помещений. Значения коэффициентов светопропускания остекления и переплетов, приведенные в СП 23-102-2003 не отражают фактические значения для современных окон. Существенное изменение технологии производства оконных стекол и оконных блоков вызывает необходимость исследования и определения их светотехнических показателей и внесение изменений в справочные и нормативные документы.

Выполненный обзор работ позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованиям светопропускания стекол и стеклопакетов со стеклами с низкоэмиссионными покрытиями, а также оконных блоков с их применением. Предложена для использования таблица коэффициентов светопропускания двойного и тройного остекления со стеклами без покрытий и с энергосберегающими покрытиями. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения общего коэффициента пропускания света

переплетами оконного блока любой формы, рекомендованный для внесения в СП 23-102-2003.

Экспериментальное определение светопропускания образцов стекол без покрытий, с покрытиями и стеклопакетов со стеклами с покрытиями проводилось на спектрофотометре СФ-256 УВИ. Проведено измерение спектрального коэффициента светопропускания образцов стекол без покрытий толщиной 6 мм. Рассчитан осредненный коэффициент светопропускания стекол по ГОСТ Р 541642010 ти =0,887+0,002. Значение коэффициента светопропускания хорошо согласуется с данными производителя Pilkington т3 = 0,88.

Были проведены измерения спектральных коэффициентов светопропускания образцов стекол толщиной 4 мм с низкоэмиссионными (мультифункциональными, т.е. дополнительно обладающими солнцезащитными свойствами) покрытиями трех заводов-изготовителей (см. рисунок 1а, таблицу 1): образец SunCool 70/40 (завод-изготовитель Pilkington) - 2 шт; образец StopRay NEO (завод-изготовитель AGC) - 2 шт; образец Clima Guard Solar (завод-изготовитель Guardian) - 2 шт.

Введено понятие условного коэффициента светопропускания покрытия тПуа и предложены два способа вычисления этой величины:

1. Вычисляются спектральные значения условного коэффициента светопропускания покрытия т'г (Х) = тсп (Л)/т1П (Л). Затем определяется

осредненное значение условного коэффициента светопропускания по методике ГОСТ Р 54164-2010 (см. рисунок 16).

2. Определяются по методике ГОСТ Р 54164-2010 осредненные значения коэффициентов светопропускания стекла с покрытием, тсп, и без покрытия, тБП, затем вычисляется осредненное значение условного коэффициента светопропускания т"Пуа =тсп/тбп.

CS m »Guard Solar

I ' '----- _ * * « ^^ StopRayNeo

и АмПИЫкгД ЛмЛП J *V

fit

а) б)

Рисунок 1 - Спектральные коэффициенты светопропускания: а) стекла с покрытиями; б) стекло без покрытия (сплошная линия); стекло с покрытием (длинный пунктир); покрытие (короткий пунктир). Сравнение этих способов вычисления показали близкие значения.

Покрытие стекла 8ипсоо1 70/40 имеет условный коэффициент светопропускания в видимой области спектра на 20% выше по сравнению с другими исследованными покрытиями стекол (см. таблицу 1), а в инфракрасной (ИК) области это покрытие снижает пропускание электромагнитных волн в 1-3 раза.

Таким образом, исследованные покрытия значимо понижают коэффициент светопропускания стекол и их влиянием нельзя пренебрегать. Таблица 1 - Коэффициенты светопропускания образцов стекол с низкоэмиссионными

№ образца Обозначение Осредненное значение коэффициента светопропускания стекла с покрытием, тсп ±СКО, отн.ед. Осредненное значение условного коэффициента светопропускания покрытия тп ,отн.ед.

1,2 SunCool 70/40 0,824±0,002 0,93

3,4 StopRay NEO 0,659±0,003 0,74

5,6 ClimaGuardSolar 0,698±0,004 0,79

Проводилось измерение коэффициентов светопропускания образцов стеклопакетов со стеклами с низкоэмиссионными покрытиями тл трех производителей. Сравнение результатов измерений с коэффициентами светопропускания стеклопакетов, заявленными производителями т3, показало относительное расхождение, д, не превышающее 4,4% (см. таблицу 2).

Согласно ГОСТ Р 54164-2010 расчет коэффициента светопропускания стеклопакета осуществляется с учетом коэффициентов отражения входящих в его состав стекол, что усложняет расчет. Поэтому введено понятие условного коэффициента светопропускания стеклопакета, вычисляемое по формулам: г'е,(Л) = тЫ1(Л)- тСП(Л) и г" , = ты, 'Гг„. Проведено сравнение с измеренными

значениями (см. рисунок 2) и показана возможность такого подхода, который приводит к погрешности, не превышающей 4,3%, что позволяет перемножать коэффициенты светопропускания отдельных стекол, в том числе с покрытиями, для определения коэффициента светопропускания остекления в светотехнических расчетах.

Таблица 2 - Коэффициенты светопропускания образцов стеклопакетов со стеклами с низкоэмиссионными и мультифункциональными покрытиями.__

№ обр. Формула стеклопакета Осредненное значение коэффициента светопропускания стеклопакета — г„| S = l 3 "1 -100 %

Определенное экспериментально ги±СКО, отн.ед. По данным завода -производителя, Тз, отн.ед.

1 4 мм Suncool 70/40 -16 мм воздух- 4 М1 0,741±0,00 0,71 4,4

2 4 мм StopRayNeo -16 мм воздух - 4 М1 0,600±0,0001 0,60 0,0

3 4 мм ClimaGuardSolar-16 мм воздух-4 М1 0,648±0,0001 0,67 3,3

4 4 мм М1 - 16 мм Аг — 4 мм Optitherm S3 0,798±0,0001 0,80 0,3

5 4 мм Suncool 70/40 -16 мм Аг-4 мм М1 0,734±0,0005 0,71 3,4

6 6 мм Suncool 66/33 -15 мм Аг-4 мм М1 0,683±0,00 0,66 3,5

Длина волны,над

Рисунок 2 - Сравнение коэффициентов светопропускания стеклопакетов, полученные измерением (толстые линии) и расчетом (тонкие линии).

Показано, что для определения светотехнических характеристик остекления со специальными покрытиями и без них можно использовать программное обеспечение и каталог продуктов заводов-изготовителей, но рекомендуются проверочные измерения базовых вариантов остекления. На примере продукции завода Pilkington показано, что для двухкамерного стеклопакета с двумя стеклами с твердым K-покрытием коэффициент светопропускания уменьшается на 16%, а коэффициент теплопередачи уменьшается в 2 раза по сравнению с таким же стеклопакетом со стеклами без покрытий. Для двухкамерного стеклопакета с двумя стеклами с I-покрытием коэффициент светопропускания уменьшается на 5,3-27%, а коэффициент теплопередачи уменьшается в 2,4-2,6 раз.

По каталогам трех производителей стекол (Pilkington, AGC, Guardian) с использованием специализированных программ расчета этих производителей было проведено исследование светопропускания вариантов остекления с использованием стекол без покрытий и с низкоэмиссионными покрытиями. Полученный обширный набор данных позволил сформировать сводную таблицу (см. таблицу 3), в которой шрифтом выделены значения коэффициента светопропускания остекления, рекомендуемые для использования в качестве дополнения к таблице Б.7 в СП 23-102-2003 в части определения коэффициента светопропускания остекления г,.

Таблица 3 - Коэффициент светопропускания г, при двойном и тройном остеклении стеклами трех производителей. В скобках указано значение коэффициента теплопередачи и при

В состав остекления входит стекло: Коэффициент светопропускания остекления т, отн.ед.; коэффициент теплопередачи U, Вт/м2К

Двойное остекление Тройное остекление

М1- стекла 4 мм 0,81 (2,6) или 0,828 (2,7) 0,74(1,7) или 0,761(1,6)

К- стекло 4 мм 0,75; 0,74 (1,5) 2 шт К-стекла: 0,63(1,0,0,8)

Продолжение таблицы 3.

I - стекло 2 шт I -стекла:

4 мм 0,70;0,78; 0,80; 0,81 0,55;0,56;0,71;0,72;0,73;

(1,0;1,1;1,2;1,3) 0,74 (0,6; 0,7; 0,8)

6мм 0,77(1,2) 0,71 (0,7; 0,8)

МРК-стекло

6 мм 0,60 (1,6) 0,56(1,2)

6 мм МРК

+ 6 мм К 0,56(1,3)

+ 6 мм I 0,58(1,3)

МИГ-стекло

4мм 0,67;0,71; 0,75

(1,0; 1,1)

6мм От 0,40 до 0,71(1,1) 0,36-0,64 (0,9)

0,70; 0,74(1,0; 1,1)

Во второй части главы рассмотрен расчет коэффициента, учитывающего потери света в переплетах оконного блока.

В качестве универсального метода расчета коэффициента светопропускания оконного блока, учитывающего различные конфигурации ячеек переплета, и применимый для окна любой формы, предложен метод, заключающийся в расчете по формуле (3).

0,25

/д) *«"(/«)

2-р-[АГг-(2 + Д)-Д]

(3)

где: Д = 1а1Ь11с114ж(а1 +Ь:) - индекс г'-й ячейки переплета прямоугольной формы; /? = л / с1, - индекс г'-й ячейки переплета круглой формы; </,. - толщина г'-й ячейки переплета, м; г, — радиус г'-й ячейки переплета, м.

Проведено сравнение расчетов по формулам (2) и (3) и показано, что результаты вычисления г2 близки. Формула (3) рекомендуется для использования вместо таблицы Б.7 СП 23-102-2003 в части определения коэффициента передачи света переплетами оконного блока.

Общий коэффициент пропускания света оконного блока вычисляется по формуле:

го=гГг"2 (4)

Метод расчета общего коэффициента светопропускания заполнений светопроема с использованием таблицы 3, измерений для определения коэффициента г, и формулы (3) для определения коэффициента г2 назван расчетно-экспериментальным и рекомендован для использования в нормативных документах по расчету естественного освещения.

Третья глава диссертации посвящена описанию методики и установки для проведения натурных измерений общего коэффициента светопропускания заполнений светопроемов, описанию объектов измерений и самих измерений. Проведен анализ результатов определения общего коэффициента

светопропускания и его сравнение с расчетными методами. Определен поправочный коэффициент, рекомендованный для использования при вычислении общего коэффициента светопропускания заполнения светопроема по методике главы 2.

Традиционно измерения общего коэффициента светопропускания оконного блока проводились в установке искусственный небосвод, сейчас его использование невозможно. Для измерения общего коэффициента светопропускания в натурных условиях была разработана методика и установка. Установка включает в себя модель помещения со светопроемом, пол модели с регулирующимися по высоте ножками, два люксметра, отвес, негнущуюся створку (см. рисунок 3). Пол модели имеет отверстие для датчика люксметра. Отвес предназначен для проецирования отверстия для датчика люксметра на пол помещения.

б)

Рисунок 3. Установка для определения общего коэффициента светопропускания в натурных

условиях.

Методика состоит в измерении освещенности в модели помещения со светопроемом. При этом вся модель приподнята до уровня подоконника с помощью регулируемых по высоте ножек (рисунок Зв). Для исключения влияния отраженного света модель изнутри оклеена черным бархатом. Размеры светопроема модели подобны размерам светопроема помещения в отношении 1/10, что соответствует принципам светотехнического моделирования (А.К.Соловьев, 2008). Для измерения освещенности в модели используется люксметр, закрепленный в полу модели заподлицо. Измерение освещенности в модели проводят дважды - с учетом заполнения светопроема оконным блоком Е\ (в комнате) и без него на выносе на окне Е°. Одновременно с измерениями освещенности внутри модели, другим люксметром измеряется наружная освещенность (Е", Е"2) в плоскости стены с окном. При проведении измерений установка последовательно передвигается от ближайшего к подоконнику расстояния, затем на один метр от окна и далее с шагом по полметра вглубь помещения (рисунок 4). При каждом перемещении установки в комнате, происходит передвижение модели относительно пола модели для изменения положения датчика внутри модели, соответствующего положению установки в комнате. Принцип измерения основан на светотехнических законах о проекции

телесного угла и о светотехническом подобии. Из формулы (1) вычисления КЕО при боковом освещении (от окон) следует, что, если произведены два описанных выше измерения КЕО в модели, находящейся в комнате и на выносе на окне, то различие в значениях КЕО в этих измерениях определяется только различием в значениях г0 /К:.

Рисунок 4. Положение установки в помещении при проведении измерений: разрез (а), план (б).

Также, согласно определению, КЕО в какой-либо точке в модели равен отношению освещенности в данной точке к одновременной наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небосводом. Поэтому, для результата измерения, произведенного в модели при закрытых створках окна в комнате и при открытых створках, можно написать:

е\=Е[!Е;, е25=£°/£2", (5)

где: , Е\ - освещенности в точке внутри модели, находящейся в помещении при закрытых и при открытых створках окна, соответственно, лк; Е", £2" -наружные освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небосводом при одномоментном измерении в модели при закрытых и открытых створках окна, соответственно, лк.

При измерении с открытыми створками окна значение г0 / К, равно единице, т.к. отсутствует заполнение светопроема. Следовательно, при пренебрежении изменением выражения в круглых скобках в (1), из (5) следует:

б г-б , р-н рб рн

т IV - ' - 1 ' - 1 г

Измерение наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небосводом вызывает определенные трудности. Поэтому одновременно с измерением освещенности в модели производится измерение наружной освещенности на вертикальной плоскости наружной поверхности стены с исследуемым окном, Е°. Легко можно показать, что по закону проекции

Е" Е"

= —7. Тогда выражение (6) можно

(7)

телесного угла выполняется равенство:

представить в виде:

Е5 Е°

Выражение (7) используется для обработки результатов измерений с целью расчета общего коэффициента пропускания света заполнением светопроема.

Натурные исследования светопропускания производились на следующих типах заполнений светопроемов: деревянный переплёт раздельный (ДПР); деревянный переплёт спаренный (ДПС); три оконных блока с ПВХ -переплетами №1, №2, №3. Описание оконных блоков и условий проведения эксперимента приведено в таблице 4. Измерения проводились по 5 раз при удалении от окна помещения по средней линии в 4-7 точках в зависимости от размеров помещения при 10 бальной облачности небосвода.

Таблица 4 -Описание исследованных заполнений светопроемов и условий проведения

Параметр ДПР ДПС ПВХ № 1 ПВХ №2 ПВХ №3

Размер светопроема (ширинахвысота), м 1,42x1,94 1,4x1,48 1,25x1,68 1,87x1,52 1,2x1,4

Количество стекол в перелете 2 2 3 2 3

Количество ячеек в переплете 4 3 3 3 2

Количество точек измерений 5 6 4 7 6

Противостоящие объекты есть есть есть нет нет

Ориентация светопроема помещения западная западная северная восточная юго-западная

Этаж помещения 3 12 3 9 7

Как следует из выражения (7) график зависимости £,"/£,* от Е6г1Е"г должен представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат, тангенс угла наклона этой прямой равен т0/К7 (при проведенных измерениях К,= 1, т.к. остекление светопроема очищалось). На рисунке 4 представлен графики зависимостей с линией регрессии отношений освещенностей в модели при ее нахождении в комнате и на окне для одного из пяти исследованных заполнений светопроемов ДПС. Коэффициент линии регрессии является определяемым общим коэффициентом светопропускания т" .

Обработка массива экспериментальных данных и построение регрессионных зависимостей вида, представленного на рисунке 4, для пяти исследованных заполнений светопроемов позволило получить их общие коэффициенты светопропускания т", представленные в таблице 4.

Для проведения оценки влияния удаленности от окна точек измерения относительной освещенности рассматривалось изменение относительной освещенности от значений геометрического КЕО (см. рисунок 5). Было показано,

что наиболее целесообразно проводить обработку результатов экспериментов для расчета общего коэффициента светопропускания при помощи регрессионных линий с использованием как ближних, так и отдаленных точек, т.к. в этом случае сглаживаются неточности измерения. Полученный набор данных по значениям общего коэффициента светопропускания при удалении от окна не позволяет сделать однозначное заключение об увеличении или уменьшении его значений.

03 -

отношение освещеннсстеи в модели на окне

Рисунок 4 - Обработка результатов измерений

о.бс э.80 1.ю 1,;з 1,гс 160 1.ас Геометрический КЕО. %

Рисунок 5 - Зависимость общего

коэффициента светопропускания заполнения коэффициета светопропускания заполне-светопроема ДПС. ния светопроема ДПС от геометрического

КЕО при различной удаленности точек измерения от окна.

Проведено сравнение результатов натурных измерений с расчетным методом по СП 23-102-2003 с использованием таблицы Б.7 г™ и методом главы 2 по формулам (2)-(4) г^'2', (см. таблицу 5). В последнем случае значение коэффициента светопропускания одного стекла принималось равным 0,91. Относительные расхождения при сравнении результатов натурных измерений с расчетными методами представлены в таблице 6.

Коэффициенты: т т -.СП ф( 2) ф( 3) И Ч 5 12 > 10 > 10 > 'о ' 'о ДПР ДПС ПВХ № 1 ПВХ №2 ПВХ №3

г™ по СП 23-102-2003 0,52 0,6 0,56 0,6 0,56

г,по табл. Б.7 , отн. ед. 0,8 0,8 0,75 0,8 0,75

г2 по табл. Б.7 , отн. ед. 0,65 0,75 0,75 0,75 0,75

расчет по ф(2),(4) 0,378 0,432 0,422 0,425 0,428

т*™ расчет по ф(3),(4) 0,382 0,440 0,434 0,436 0,440

г" измер. в нат. усл. 0,461 0,525 0,423 0,478 0,472

Таблица 6 - Относительные расхождения при сравнении с расчетными методами.

Относительное расхождение, % дпр ДПС ПВХ №1 ПВХ №2 ПВХ №3 Среднее расхождение, %

\тсп -т"\ 8сп-н = сл°'-100% го 11,3 12,5 25,0 20,3 15,7 17

\тф(2> т" 1 'о 22,0 21,5 0,5 12,5 10,3 13,3

\тт.з) _гя| уи та 20,7 19,3 3,2 9,6 7,3 12,0

На основе проведенных исследований предлагается ввести поправочный коэффициент уе = 1,1 к значению общего коэффициента светопропускания, определенному расчетно-экспериментальным методом по формуле (4) с использованием предложенной формулы (3), и рекомендуется его использование в СП 23-102-2003 при определении общего коэффициента светопропускания оконного блока.

Предложенный метод определения общего коэффициента светопропускания заполнения светопроема является первым шагом для решения ряда светотехнических задач путем проведения натурных исследований.

В четвертой главе диссертации предложены методы для сравнения оконных блоков по светотехническим и теплотехническим показателям. Проведено сравнение различных вариантов остекления по критерию и выбран наилучший в световом и теплозащитном отношении. Проведено исследование влияния оконного блока на изменения освещенности в помещении при реконструкции здания. Разработаны рекомендации по определению светопропускания заполнений светопроемов для включения в нормативные документы по расчету естественного освещения помещений.

Известно, что применение современных окон с повышенным сопротивлением теплопередаче способствует энергосбережению. В таких окнах применяются стекла с низкоэмиссионными покрытиями, вследствие чего такие окна обладают пониженным значением коэффициента пропускания света. Таким образом, возникает задача выбора современных окон, обеспечивающих в комплексе светотехнические и теплозащитные показатели в помещении. В связи с этим, была рассмотрена задача по определению соотношения между коэффициентом светопропускания и теплотехническими характеристиками оконного блока, при его замене, при условии неизменности освещенности в помещении здания и неизменности суммарных трансмиссионных теплопотерь. Задача формулируется следующим образом:

Пусть имеется стена площадью А, м2, со значением приведенного сопротивления теплопередаче У?ст, м2 °С/Вт. Рассматриваются два варианта конструкции стены со светопроемом:

1. Площадь светопроема составляет Лак/, м2 и в него установлен оконный блок с приведенным сопротивлением теплопередаче Лж/, м2 °С/Вт и коэффициентом светопропускания т0г

2. Площадь светопроема увеличена до значения А0К1+АА, м2, и в него установлен оконный блок с приведенным сопротивлением теплопередаче Я„К2, м2 °С/Вт и коэффициентом светопропускания т02. При этом предполагается, что Яок2 > , т < г

Требуется

определить соотношение между тс. Кок и /?ст, которое характеризует оконный блок в стене по сохранению уровня освещенности в помещениях и трансмиссионным теплопотерям. Для решения этой задачи используется подход, применявшийся В.К.Савиным (В.К.Савин, 2005), и усовершенствованный В.А.Земцовым и В.Г.Гагариным (В.А.Земцов, В.Г.Гагарин, 2008).

В результате рассмотрения соотношений, основанных на равенстве освещенностей и равенстве трансмиссионных теплопотерь помещения, получены уравнения для приращения площади оконного блока, соответственно:

~ Д. я

АЛ = Л

АА = А

(8)

Л, -/<„

Приравнивание правых частей уравнений (8) дает условие, при котором оба варианта проектирования светопроема эквивалентны в светотехническом и теплозащитном отношениях:

При рассмотрении оконных блоков их светопропускание следует определять по формулам (3), (4) с учетом поправки, уе=1,1 , полученной в главе 3. Приведенное сопротивление теплопередаче оконного блока определяется в соответствии с обязательным приложением Е и рекомендуемым приложением К СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»:

где и„ - коэффициент теплопередачи в центре стеклопакета, Вт/(м2 °С); -

плотность потока теплоты через переплеты оконного блока, Вт/(м2оС).

Из (9) с учетом (3), (4) и (10) следует выражение для критерия равноэффективности оконного блока:

2

Р =

(И)

(c.+lwX«-1

Проведено сравнение по критерию равноэффективности (11) оконных блоков с профилем фирмы Veka и стеклопакетами из стекол трех производителей: Pilkington, AGC, Guardian. Получено, что наилучшим вариантом остекления является двухкамерный стеклопакет с двумя низкоэмиссионнными стеклами Optitherm S3 фирмы Pilkington. В таблице 7 приведены некоторые варианты стеклопакетов и рассчитанное для них значение критерия равноэффективности.

Таблица 7 - Сравнение оконных блоков с профилем Veka softline и стеклопакетами Pilkington по критерию равноэффективности Р (при значении Rcr = 2,5 м2оС/Вт).

Формула стеклопакета отн.ед отн.ед. Uo BT/M2°C Rok, m2oC/BT P, отн.ед

4М1-16АГ-4М1 (с Optifloat Clear) 0,81 0,42 2,6 0,48 0,11

4М1-16Аг-К4 (с К Glass) 0,75 0,39 1,5 0,70 0,17

4Ml-16Ar-I4 (с Optitherm S3) 0,80 0,41 1,1 0,83 0,24

4М1 -16Аг-4М 1-16Аг-4М 1 (с Optifloat Clear) 0,74 0,38 1,7 0,65 0,15

4К-16Аг-4М 1-16Аг-К4 (с К Glass) 0,63 0,32 0,8 0,98 0,25

41-16Аг-4М 1-16Ar-I4 (с Optitherm S3) 0,71 0,37 0,6 1,10 0,37

6MFI-16Ar-4Ml (с Suncool 70/40) 0,71 0,37 1,1 0,83 0,22

6MFK-16Ar-4Ml (с Eclipse Advantage) 0,61 0,31 1,6 0,67 0,13

Проведено сравнение современных окон по обеспечению освещенности в помещениях при реконструкции зданий. При утеплении стен с использованием

наружных теплоизоляционных фасадов происходит увеличение их толщины и, соответственно, снижение количественных параметров естественного освещения в помещениях. При замене оконных блоков также происходит изменение светового режима помещения. Оба этих фактора влияют на световой режим помещения. В рассмотренном для примера реконструируемом здании по поэтажному плану выбрано помещение с наибольшими требованиями по естественному освещению. Для него проведено исследование значения КЕО до и после ремонта здания с заменой оконных блоков. С использованием расчетно-экспериментального метода главы 2 показано, что после замены коэффициент светопропускания оконного блока снизился на 11%. Для исследования влияния толщины стены, были проведены расчеты КЕО при различной толщине стены, ¡1, которые показали, что КЕО (без учета светопропускания окна) изменяется в зависимости от <1 линейно в соответствии с выражением (см. рисунок 6):

?*(</) = (-1,49-¿ + 2,9) (12)

Таким же образом было выведено выражение, аппроксимирующее относительное изменение расчетных значений КЕО, £(Х), в контрольном помещении здания в зависимости от расстояния, X, м, до противостоящего здания (см. рисунок 7):

(13)

1-1,15 -ехр(-^-) 46,3

Объединение выражений (12) и (13) дает формулу для расчета КЕО при различной толщине стены, при различном расстоянии до противостоящего здания и при различном коэффициенте светопропускания оконного блока:

е6=£(Х)-?*(с/)-т0/К,=

1 —1Д5ехр(--^—) 46,3

(-1,49-^ + 2,9)г0/^,, (14)

где: е6р - КЕО в исследуемом помещений, %; с1 - толщина стены, м; X -расстояние до противостоящего здания, м; т0 - общий коэффициент светопропускания, отн.ед.; К, — коэффициент запаса; е * {¿) - КЕО без учета светопропускания окна, зависящее от толщины стены й\ с(Х) - относительное изменение расчетных значений КЕО, зависящее от расстояния X до противостоящего здания, %.

После ремонта здания условия естественной освещенности снижаются, что сказывается на снижении допустимого расстояния до противостоящего здания. Формула (14) позволяет определять светопропускание новых оконных блоков, при которых естественная освещенность в рассматриваемом помещении здания будет соответствовать нормам. Эта освещенность зависит от расстояния до противоположного здания. Получено, что для контрольного помещения в здании серии II-18 при использовании оконного блока с двухкамерным стеклопакетом минимально допустимое расстояние до противостоящего здания увеличилось с 34 м до 44-47 м. Таким образом, представлена методика по проверке допустимости установки новых оконных блоков по светотехническим параметрам в помещениях при реконструкции здания.

О 0.2 0.4 0,6

Толщина стены, м

Рисунок 6 - Зависимость расчетных значений КЕО при открытом горизонте от толщины стены (уравнение (12)).

1,200 1,000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000

в

о ♦ d=0.0 м ■ <3=0,40 м « d=0.52 м d=0,60M

в

0 50 100 150 200

Расстояние до противостоящего здания, м

Рисунок 7 - Относительное изменение расчетных значений КЕО от расстояния до противостоящего здания (уравнение (13)).

По результатам диссертации разработаны рекомендации по определению светопропускания заполнений светопроемов для включения в нормативные документы по расчету естественного освещения:

1. Дополнить таблицу Б.7 СП 23-102-2003 в части значений коэффициента светопропускания остекления г, данными таблицы 3.

2. В связи с большим выбором и функциональным назначением стеклопакетов рекомендуется проводить дополнительные проверочные измерения их коэффициентов светопропускания.

3. Заменить таблицу Б.7 СП 23-102-2003 в части значений коэффициента передачи света переплетами оконного блока на расчетную формулу (3).

4. При вычислении общего коэффициента светопропускания, т„, использовать в качестве дополнительного множителя поправочный коэффициент у, = > предложенный в главе 3.

5. Выбор стеклопакета со стеклами с низкоэмиссионными покрытиями, в том числе при реконструкции зданий с заменой оконных блоков, основывать на комплексных методах оценки стеклопакетов по светотехническим и теплотехническим показателям, изложенным в главе 4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проделанной работы позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Выполнено комплексное исследование светопропускания стеклопакетов с низкоэмиссионными и мультифункциональными покрытиями от трех производителей, на основе которого сформирована таблица коэффициентов светопропускания, рекомендованная для использования в нормативных документах по расчету естественного освещения помещений зданий.

2. Предложен метод расчета коэффициента, учитывающего потери света в переплетах оконного блока любой формы для использования в нормативных документах по расчету естественного освещения зданий. Данный метод позволит увеличить точность расчетного значения коэффициента, учитывающего потери света в переплетах оконного блока.

3. Проведенный комплекс экспериментальных и теоретических исследований позволил сформулировать комплексную расчетно-экспериментальную методику для расчета общего коэффициента светопропускания оконных блоков любой формы при расчетах естественного освещения помещений.

4. Разработана методика и экспериментальная установка для исследования светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях. Данная методика является единственной методикой такого рода и позволяет заменить метод экспериментального исследования светопропускания оконных блоков в установке «Искусственный небосвод», что позволяет распространить практику экспериментальных исследований светопропускания заполнений светопроемов.

5. Проведены исследования общих коэффициентов светопропускания пяти оконных блоков различной конструкции и дано сравнение полученных коэффициентов светопропускания с расчетными значениями. На основании проведенных исследований предложен поправочный коэффициент к рассчитанному общему коэффициенту светопропускания оконных блоков.

6. Разработан критерий, позволяющий сравнивать оконные блоки по светотехническим и теплотехническим характеристикам. Проведены расчеты значения критерия для оконных блоков с фиксированным переплетом и различными стеклопакетами из стекол трех ведущих производителей. По величине предложенного критерия выбраны наиболее эффективные стеклопакеты.

7. Показано, что в результате ремонта жилого здания с заменой оконных блоков на энергосберегающие и увеличением толщины стены, обусловленное утеплением, освещенность в помещениях реконструируемого здания снижается. Получено условие, при котором снижение КЕО помещений здания выше нормируемого.

8. На основе проведенных исследований предложены рекомендации по определению коэффициентов светопропускания оконных блоков для включения в нормативные документы по расчету естественного освещения помещений зданий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Исследование влияния энергосберегающих мероприятий при санации зданий серии II-18 на световой режим помещений / Земцов В.А., Гагарина Е.В. // Academia. Архитектура и строительство. - 2010. -№4.-С. 83-88.

2. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Методические принципы обеспечения нормированного регламента по естественному освещению на примере общеобразовательных школ / Земцов В.А., Гагарина Е.В. // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. -2013. -№31-2(50). - С. 492-498.

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

4. Земцов В.А., Гагарина Е.В., Коркин С.Н. Метод экспериментального определения общего коэффициента светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях / Земцов В.А., Гагарина Е.В., Коркин С.Н. // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2011. -№3. -Т.2. - С. 9-14.

Публикации в других изданиях:

5. Гагарин В.Г., Коркина Е.В. Определение светотехнических характеристик оконных стекол производства ООО «Пилкингтон гласс» / Гагарин В.Г., Коркина Е.В. // В кн. Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. Материалы XIII международной научной конференции. Сиань (Китай). - 2015. -С. 151-156.

6. Гагарин В.Г., Коркина Е.В. Экспериментальные исследования светотехнических параметров оконных стекол / Гагарин В.Г., Коркина Е.В. // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. Сборник материалов Международной научной конференции (12-13 ноября 2014 г.,Москва). - 2014.-С. 535-536.

7. Гагарин В.Г., Коркина Е.В., Шмаров И.А., Пастушков П.П. Исследование влияния низкоэмиссионного покрытия стекла на спектральное пропускание света / Гагарин В.Г., Коркина Е.В., Шмаров И.А., Пастушков П.П.// Вестник отделения строительных наук РААСН. -2015. (В печати).

8. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Метод расчета светопропускания оконных блоков с использованием экспериментальных данных по светопропусканию стёкол / Земцов В.А., Гагарина Е.В. // Свегопрозрачные конструкции. - 2010. -№ 5-6. - С. 22-25.

9. Земцов В.А., Гагарина В.Н., Коркина Е.В., О методе расчета общего коэффициента пропускания света оконными блоками/ Земцов В.А., Гагарина В.Н., Коркина Е.В. // В кн. Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ. Материалы международной научно-практической конференции. Кавала (Греция). - 2014. - С. 52-58.

10. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Экологические аспекты инсоляции жилых и общественных зданий / Земцов В.А., Гагарина Е.В. // Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2010 году. Научные труды РААСН. Москва-Орел. - 2011. - С. 406-412.

11. Земцов В. А., Гагарина Е.В. Экологические аспекты инсоляции и естественного освещения жилых и общественных зданий / Земцов В.А., Гагарина Е.В. // БСТ: Бюллетень строительной техники. - 2012. - №2. — С. 38-41.

Подписано в печать: 26.03.2015 Тираж: 150 шт. Заказ № 122 Отпечатано в типографии «Реглет» 125009, г. Москва, Страстной бульвар, д. 4 +7(495)978-43-34; www.reglet.ru