Rambler's Top100

ГК ИНОТЭК

Методика расчета сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания с учетом покрытия «микросфера-связующее»

Тепловой поток (q) с наружной поверхности стены в окружающее пространство имеет две составляющие (рис.1):

1) конвективную (qк), являющуюся результатом локальной передачи тепла с поверхности стены наружному воздуху

qк = αннп - Тн), (1)

где αн - коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности стены; Тнп и Тн -соответственно температура поверхности стены и наружного воздуха.

2) радиационную (qr), являющуюся результатом дистанционной передачи тепла с поверхности стены окружающим объектам (небосвод, поверхность земли и другие объекты в поле видимости стены) за счет инфракрасного излучения

qк = ey04нп - Т4rz), (2)

где ε - полусферическая излучательная способность поверхности стены,
σо = 5.67-10-8 Вт/(м2 К4) - постоянная Стефана-Больцмана, Тrz - эффективная радиационная температура окружающего пространства.

Рис.1. Схема тепловых потерь с поверхности стены

Таким образом, плотность потока тепловых потерь с поверхности стены определяется следующей формулой

q = qк + qr = σн(Tнп - Tн) + ey0(T4нп - T4rz) (3)

Все величины, входящие в соотношение (3), являются достаточно широко изученными, за исключением эффективной радиационной температуры окружающего пространства Тrz, одной из составляющей которой является радиационная температура небосвода Тr Радиационная температура небосвода величина непостоянная. Она зависит от состояния атмосферы (облачность, влажность воздуха, запыленность и т.п.). Так, например, в работе [1] предлагается при температуре воздуха у поверхности земли Тн = З00 К принимать температуру небосвода равной Тr = 250 К для облачного ночного неба и Тr = 100 К для ясного неба. Анализ литературы показал, что для наших широт среднестатистическую радиационную температуру небосвода можно определять из соотношения [2]

Тr = 0,0552·Т3/2н, (4)

Поверхность стены обменивается энергией излучения не только с небосводом, но и с поверхностью земли и другими объектами, имеющими свою радиационную температуру Тz, которая отличается от температуры небосвода Тr. При этом для отдельно стоящего здания половина радиационной составляющей тепловых потерь приходится на радиационный энергообмен между стеной и небосводом (рис. 1), а другая - на радиационный энергообмен между стеной и поверхностью земли

(5)

Из соотношений (2) и (5) имеем, что эффективную радиационную температуру окружающего пространства можно определить соотношением

, (6)

При этом рекомендуется в расчетах принимать, что радиационная температура Тz = Тн. С учетом последнего и соотношения (4) получаем выражение для расчета эффективной радиационной температуры окружающего пространства

T4rz= T4н (0.5 + 4.642 · 10-6Т2н) (7)

которая используется в методике расчета сопротивления теплопередаче стены с покрытием «микросфера-связующее».

Как показали проведенные исследования [З, 7-9], покрытие «микросфера-связующее», представляющее собой компаунд из полых стеклянных микросфер и связующего, является оптической системой, активно работающей в области теплового, инфракрасного излучения. Преломление и интерференция излучения на полых стеклянных микросферах в совокупности с излучением и поглощением электромагнитной энергии материалом стекла и связующего приводит к изменению излучательной способности поверхности стены, покрытой таким покрытием. При этом излучательная способность поверхности зависит от многих факторов: размеров и концентрации полых микросфер, оптических свойств связующего, излучательной способности поверхности стены, на которую наносится покрытие «микросфера-связующее», и т. п. Как правило, излучательная способность качественного покрытия «микросфера-связующее» (0.75) меньше излучательной способности поверхностей традиционных строительных материалов (0.92), что приводит к сокращению радиационной составляющей теплопотерь и, соответственно, к изменению структуры и уменьшению величины теплового потока с поверхности стены.

Рассмотрим количественное уменьшение теплопотерь с поверхности стены при изменении излучательной способности наружной поверхности стены. Пусть поверхность стены имеет температуру Тнп и излучательную способность eо. Тогда плотность потока тепловых потерь в соответствии с формулой (3) определяется соотношением

q0 = σн(Tнп - Tн) - e0y0(T4нп - T4rz) (8)


После нанесения покрытия «микросфера-связующее» с излучательной способностью εт и прочих равных условиях плотность теплового потока с поверхности стены становится равной

qT = σн(Tнп - Tн) + eTy0(T4нп - T4rz) E (9)

Тогда для относительной величины энергосберегающего эффекта

(10)

с учетом (8) и (9) можно получить следующее соотношение


(11)

Из теоретических и экспериментальных [4,5] данных о коэффициенте теплообмена для турбулентного режима свободной конвекции следует, что

σH ≈ г (Tнп - Tн)1/3 (12)

где γ - коэффициент, учитывающий природу жидкости или газа и температурный режим.

Так для атмосферного воздуха этот коэффициент может быть аппроксимирован в диапазоне температур -40°С < tн < 10°C следующим выражением

γ » 2.014 - 0.0092tн, (13)

где температура tн по шкале Цельсия связана с абсолютной температурой соотношением Тн = tн +273.16. Из (11) с учетом (12) и (13) получаем выражение для определения среднего коэффициента теплосбережения

(14)

Как показал проведенный численный анализ, в интересующем нас диапазоне температур: -30°С £ tн £ 0°С и 0.2°С £ (tнп - tн)£ 5°С (последнее условие справедливо для конструкций с сопротивлением теплопередаче 0.4 £ RT £ 2.5 м²С/Вт), выражение (14) может быть аппроксимировано (точность ±2.5%) формулой

(15)

которая приведена в настоящих рекомендациях по расчету сопротивления теплопередаче. В силу того, что нанесение покрытия «микросфера-связующее» приводит к изменению структуры и величины тепловых потерь с поверхности стены, сопротивление теплопередаче стены с покрытием также изменяется. Для определения отмеченного изменения рассмотрим две конструктивно одинаковые стены, ограждающие помещение с температурой внутреннего воздуха равной Тв. Наружная поверхность одной из стен покрыта компаундом «микросфера-связующее», который имеет более низкую излучательную способность eТ, чем наружная поверхность стены без покрытия eо. Из классического определения сопротивления теплопередаче [4] имеем:

1) сопротивление теплопередаче стены без покрытия

(16)

2) сопротивление теплопередаче стены с покрытием «микросфера-связующее»


(17)

Из (16) и (17) с учетом (10) получаем, что    

Отметим, что поскольку после нанесения покрытия конструктивно добавляется тонкий слой (dTS » 0.3 мм) пленки компаунда «микросфера-связующее», обладающий своим коэффициентом теплопроводности (lTS » 0.15 Вт/м К), то начальное сопротивление теплопередаче должно быть увеличено на собственное термическое сопротивление (RTS) пленки компаунда «микросфера-связующее». С учетом вышесказанное получаем приведенную в настоящих рекомендациях формулу для определения среднего сопротивления теплопередаче стены с нанесенным на нее покрытием компаунда «микросфера-связующее»

                              
(18)

Как видно из вышесказанного, теплотехнический расчет для стен с наружным покрытием компаунда «микросфера-связующее» основан на известной величине излучательной способности покрытия. Теоретические и экспериментальные исследования [7-8] показывают, что покрытие компаунда «микросфера-связующее», имеет эффективную излучательную способность eТ » 0.75 в температурном диапазоне работы строительных конструкций.


Литература:

  1. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер. с англ. -М: Мир, 1983. - 512с.
  2. Строй А.Ф. Управление тепловым режимом зданий и сооружений. Киев: Вища школа, 1993. - 153 с.
  3. Отчет о выполнении НИР по х/д № 201 от 01.03.2000 г.: Разработать математическую модель теплопереноса в покрытиях, представляющих собой компаунд из связующего и полых стеклянных микросфер.   //  АНК «Институт тепло- и массообмена им.А.В.Лыкова» НАНБ, 2000, 28 с.
  4. Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). - М: Энергия, 1978, - 480с.
  5. Мартыненко ОТ., Соковишин Ю.А.     Свободно-конвективный теплообмен: Справочник, - Минск: Наука и техника, 1982, - 400с.
  6. Протокол испытаний по определению сопротивления теплопередаче фрагментов керамзитобетонной наружной стеновой панели с лакокрасочным термокерамическим покрытием «Thermo-Shield Exterior» и без этого покрытия. Per. № 34. // Белорусский научно-исследовательский институт стройиндустрии, 1999, 8 с.
  7. Расчет интегрального отражения и пропускания инфракрасного излучения для покрытия, состоящего из плотно упакованных полых стеклянных микросфер (ПСМ) в полимерной матрице. Отчет Института Физики НАНБ. Минск, 2003.
  8. Домбровский Л.А. Моделирование теплового излучения полимерного покрытия, содержащего полые микросферы. //Теплофизика высоких температур, 2005, №2.
Megagroup.ru
Методика расчета сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания с учетом покрытия «микросфера-связующее»