Влияние теплоотражающих покрытий на процесс теплопередачи в наружных ограждающих конструкциях зданий

Риставлетов Раимберди Аманович – кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова.

Сулейменов Улан Сейтказиевич – доктор технических наук, профессор Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова.

Камбаров Медетбек Абильдаевич – кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова.

Кудабаев Руслан Бактиярович – докторант Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова.

Абшенов Хасен Асанбекович – кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова.

Аннотация: Повышение теплозащитных характеристик ограждения использованием традиционных теплоизоляционных материалов не всегда является экономически выгодным решением и может существенно увеличить стоимость ограждающих конструкций.

В связи с этим, в настоящей работе рассматривается конструктивное решение ограждающих конструкций зданий, повышающее теплозащитные свойства и увеличивающее сопротивление теплопередаче ограждения.

Ключевые слова: Ограждающие конструкции, теплозащитные свойства, сопротивление теплопередаче.

Реализация мер по повышению энергоэффективности зданий в рамках государственной программы «Энергосбережение - 2020» связана с повышением теплозащитных характеристик ограждающих конструкций зданий [1, с.48; 2,с. 26; 3, с. 50].

Одним из перспективных способов повышения теплозащитных свойств и сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций является применение экранной изоляции или теплоотражающих покрытий, в качестве дополнительного слоя, способного отражать тепловое излучение [4, с.97; 5, с.100; 6, с.12].

Известно, что основным преимуществом использования теплоотражающего покрытия в ограждениях зданий является возможность повышения сопротивления теплопередаче за счет уменьшения интенсивности процесса теплопередачи через ограждение.

В качестве теплоотражающего покрытия традиционно используется алюминиевая фольга, различные лакокрасочные композиции, содержащие алюминиевый пигмент, а также вязкожидкие композиции белого цвета на основе полимеров и стеклянных микросфер.

Однако следует отметить, что, применительно к ограждающим конструкциям возникает необходимость исследования эффективности использования теплоотражающего покрытия для повышения тепловой защиты ограждения, изучение влияния места расположения покрытия в многослойной конструкции на энергоэффективность ограждения и разработке на их основе инженерной методики теплотехнического расчета подобной конструкции.

В ограждающих конструкциях, как правило, теплоотражающие покрытия целесообразно использовать в виде многослойного пакета, представляющего собой совокупность материалов с малой поглощательной способностью материалов с малой поглощательной и большой отражательной способностями поверхностей дополнительных теплоотражающих покрытий совместно с невентилируемыми воздушными прослойками.

В связи с этим, а также учитывая, что эффективность использования теплоотражающего покрытия в ограждениях зданий зависит от конструктивного решения самого ограждения, в работе рассматривается фасадная система с невентилируемой воздушной прослойкой и различным расположением теплоотражающего слоя, в соответствии с рисунком 1.

1 – облицовка наружная; 2 – воздушная прослойка; 3 – основная стена; 4 – теплоотражающее покрытие.

Рисунок 1. Фрагменты наружной ограждающей конструкции с вентилируемой прослойкой и теплоотражающим покрытием.

Ввиду того, что воздушная прослойка в схеме рисунка 1 представляется относительно малой толщины, то вследствие влияния друг другу пограничных тепловых и гидродинамических слоев ограждения в прослойке возникают циркуляционные контуры.

Очевидно, что в рассматриваемых вариантах конструкции ограждения с теплоотражающим покрытием необходимо учесть отражательную способность самого покрытия, которая позволяет значительно снизить лучистую составляющую в общем процессе теплопередачи через ограждение.

Методы исследования.

Рассмотрим некоторый порядок проведения инженерного расчета теплопередачи через ограждение с теплоотражающим покрытием и оценки влияния теплоотражающих покрытий на процесс теплопередачи в воздушной прослойке ограждения.

Учитывая малую толщину воздушной прослойки и существенность переноса теплоты излучением по отношению к теплопроводности ограждения, величину общего теплового потока передаваемого излучением и теплопроводностью выразим в виде уравнения:

, Вт/м² (1)

Тепловой поток через воздушную прослойку теплопроводностью можно определить из известного выражения [7, с.256]:

 

, (2)

 

где - расчетное сопротивление теплопередаче воздушной прослойки, (м²·°С)/Вт; - коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха, Вт/(м²·°С); - толщина воздушной прослойки, м; - температуры поверхностей воздушной прослойки, °С, причем .

Тепловой поток через воздушную прослойку излучением определяется из эмпирической формулы

 

, Вт/м² (3)

 

Коэффициент лучистого теплообмена выводится из уравнения теплового излучения и вычисляется из выражения:

 

(4)

 

При малых значениях толщин воздушной прослойки перепад температур поверхностей и незначителен, в связи с этим можно определить из простого выражения [8, с.54]:

 

(5)

 

где =, Спр – приведенный коэффициент излучения.

Значение приведенного коэффициента излучения Спр определим из известного выражения [9, с.16]:

 

Спр=(1/()), (6)

 

где , – коэффициенты излучения поверхностей воздушной прослойки, Вт/(м²·°С4); С0 – коэффициент излучение абсолютного черного тела, Вт/(м²·°С4).

Выражение (3) не отражает физических процессов теплопередачи через воздушную прослойку, что связано с эмпирическим характером формул (4) и (5) определения коэффициента излучения воздушной прослойки . Но отметим, что данная формула имеет достаточную точность и может быть применена в инженерных расчетах.

Общий тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку теплопроводностью и излучением, определится из выражения:

 

q=

 

Результаты исследования

Для проведения расчетного эксперимента воспользуемся следующими данными:

- температуры поверхностей воздушной прослойки

- толщина воздушной прослойки

- коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре τвп, λвп=0,0246 Вт/(м²·°С);

- расчетное сопротивление теплопередаче воздушной прослойки Rвп по приложению 4 СНиП РК 2-04-03: при отрицательной температуре в прослойке - 0,18, при положительной температуре в прослойке – 0,15.

Тогда общий тепловой поток q, проходящий через воздушную прослойку без теплоотражающего экрана будет равен:

q=.

 

Приведенный коэффициент излучения Спр=1/()= 1/()=3,390 определен из условия, что внутренние поверхность штукатурный раствор, а облицовочный слой из керамической плитки.

Для сравнения рассмотрим воздушную прослойку с теплоотражающим слоем, размещенным, на внутренней поверхности, согласно схеме (а) рисунка 1.

В качестве теплоотражающего покрытия примем алюминиевую фольгу с коэффициентом излучения САФ =0,5.

Для этого случая величина приведенного коэффициента излучения Спр по формуле (6), будет равен 0,49 .

Тепловой поток в воздушной прослойке с учетом теплоотражающего покрытия будет равен:

q=qк+qᴧ=4,43+0,41=4,84Вт/м²

Применение одностороннего теплоотражающего покрытия из алюминиевых фольги в воздушной прослойке снижает общий тепловой поток с 7,28 Вт/м² до 4,84 Вт/м².

Сравним величину теплового потока, проходящего через воздушную прослойку с двухсторонним теплоотражающим покрытием согласно схеме (б) рисунка 1.

Величину приведенного коэффициента излучения Спр вычислим по формуле:

(8)

где - степень черноты теплоотражающего покрытия, которая для алюминиевой фольги равна 0,05; – количество теплоотражающего покрытия в прослойке , =2.

Тогда тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку ограниченной с двух сторон алюминиевой фольгой, будет равен:

q=4,43+0,220=4,65 Вт/м²

При двухстороннем расположении теплоотражающих слоев в воздушной прослойке величину приведенного коэффициента теплопроводности воздушной прослойки можно определить по формуле [8,]:

λпр= (+) (+),

где – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равна 5,76

n – количество теплоотражающих слоев.

Тогда =·(285+267)(2852+2672)=0,061.

Приведенное термическое сопротивление воздушной прослойки с теплоотражающим покрытием будет равен

 

= ==1,64.

Сравнивая с нормативными значениями термического сопротивления замкнутых воздушных прослоек по приложению 4 СНиП РК 2.04-03, Rвп = 0,15 при положительной температуре в прослойке и Rвп =0,18 - при отрицательной температуре получим примерно 10 кратное увеличение термического сопротивления воздушной прослойки при размещений теплоотражающих покрытий в ограждений.

Основные выводы.

Проведенные расчетные исследования показали, что использование теплоотражающих слоев в ограждающих конструкциях с воздушной прослойкой в целом снижают проходящий через воздушную прослойку тепловой поток, который связан повышением термического сопротивления воздушной прослойки.

Размещение теплоотражающих слоев в ограждающих конструкциях благоприятно действует на температурный режим ограждения и позволяет уменьшить общую толщину ограждения.

Работа выполнена согласно договору на выполнение научно-исследовательских работ в рамках государственного заказа №164-11 на выполнение НИР по теме АР05133231 «Исследование и разработка энергосберегающих конструкции применением эффективных утеплителей с теплоотражающими покрытиями для повышения уровня тепловой защиты здания» с Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан.

Список литературы