Проектирование бань | Totalarch
Вы здесь
Теплоизолирующая способность воздушных прослоек
Зазоры, доступные потокам воздуха, являются продухами, ухудшающими теплоизоляционные характеристики стен. Зазоры же замкнутые (так же как закрытые поры вспененного материала) являются теплоизолирующими элементами. Ветронепродуваемые пустоты широко применяются в строительстве для снижения теплопотерь через ограждающие конструкции (щели в кирпичах и блоках, каналы в бетонных панелях, зазоры в стеклопакетах и т. п.). Пустоты в виде непродуваемых воздушных прослоек используются и в стенах бань, в том числе каркасных. Эти пустоты зачастую являются основными элементами теплозащиты. В частности, именно наличие пустот с горячей стороны стены позволяет использовать легкоплавкие пенопласты (пенополистирол и пенополиэтилен) в глубинных зонах стен высокотемпературных бань.
В то же время пустоты в стенах являются самыми коварными элементами. Стоит в малейшей степени нарушить ветроизоляцию, и вся система пустот может стать единым продуваемым выхолаживающим продухом, выключающим из системы теплоизоляции стен все внешние теплоизоляционные слои. Поэтому пустоты стараются делать небольшими по размеру и гарантированно изолируют друг от друга.
Использовать понятие теплопроводности воздуха (а тем более использовать ультранизкое значение коэффициента теплопроводности неподвижного воздуха 0,024 Вт/м град) для оценки процессов теплопередачи через реальный воздух невозможно, поскольку воздух в крупных пустотах является крайне подвижной субстанцией. Поэтому на практике для теплотехнических расчётов процессов передачи тепла даже через условно «неподвижный» воздух применяют эмпирические (опытные, экспериментальные) соотношения. Чаще всего (в простейших случаях) в теории теплопередачи считается, что тепловой поток из воздуха на поверхность тела в воздухе равен Q = α∆Т, где α — эмпирический коэффициент теплопередачи «неподвижного» воздуха, ∆Т — разность температур поверхности тела и воздуха. В обычных условиях жилых помещений коэффициент теплопередачи равен ориентировочно α = 10 Вт/м² град. Именно этой цифры мы будем придерживаться при оценочных расчётах прогрева стен и тела человека в бане. При помощи потоков воздуха со скоростью V (м/сек), тепловой поток увеличивается на величину конвективной составляющей Q=βV∆T, где β примерно равен 6 Вт•сек/м³•град. Все величины зависят от пространственной ориентации и шероховатости поверхности. Так, по действующим нормам СНиП 23-02-2003 коэффициент теплопередачи от воздуха к внутренним поверхностям ограждающих конструкций принимается равным 8,7 Вт/м² град для стен и гладких потолков со слабо выступающими рёбрами (при отношении высоты рёбер «h» к расстоянию «а» между гранями соседних рёбер h/a 0,3); 8,0 Вт/м² град для окон и 9,9 Вт/м² град для зенитных фонарей. Финские специалисты принимают коэффициент теплопередачи в «неподвижном» воздухе сухих саун равным 8 Вт/м² град (что в пределах ошибок измерений совпадает с принимаемым нами значением) и 23 Вт/м² град при наличии потоков воздуха со скоростью в среднем 2 м/сек.
Столь малое значение коэффициента теплопередачи в условно «неподвижном» воздухе α = 10 Вт/м² град соответствует понятию воздуха как теплоизолятора и объясняет необходимость использования высоких температур в саунах для быстрого согрева тела человека. Применительно же к стенам это означает, что при характерных теплопотерях через стены бани (50- 200) Вт/м² разница температур воздуха в бане и температур внутренних поверхностей стен бани может достигать (5-20)°С. Это очень большая величина, часто никак и никем не учитывающаяся. Наличие в бане сильной конвекции воздуха позволяет снизить перепад температуры вдвое. Отметим, что столь высокие перепады температур, характерные для бань, недопустимы в жилых помещениях. Так, нормируемый в СНиП 23-02-2003 температурный перепад между воздухом и стенами не должен превышать 4°С в жилых помещениях, 4,5°С в общественных и 12°С в производственных. Более высокие перепады температур в жилых помещениях неминуемо приводят к ощущениям холода от стен и выпадению росы на стенах.
 | |
| Рис. 35. Распределение температуры в стене, состоящей из замкнутых (несообщающихся) воздушных прослоек, образованных тремя стальными (или стеклянными) пластинами (в предположении полного отсутствия лучистых тепловых потоков). Поток тепла справа налево. Температура внутреннего воздуха Т внутр выше температуры внешнего воздуха Т внешн . На каждой поверхности образуется пограничный теплопередающий слой толщиной а = (1-3) см с перепадом температуры ∆T. Поток тепла равен Q = ∆T/R = (Т внутр — T внешн )/6R, где R = 0,1 м² град/Вт — термическое сопротивление пограничного слоя, не зависящее от толщины воздушных прослоек δ, если а внутр — T внешн) /(3Rc+6R). Термическое сопротивление пограничных слоев R и их толщина а не зависят от теплопроводности материала стенок λc и их термического сопротивления Rc. | |
 | |
| Рис. 37. Сопоставление теплоизолирующих способностей разных конструкций стен (с учётом внешних пограничных слоев и в предположении полного отсутствия лучистых тепловых потоков, то есть при зеркальных поверхностях): а — три слоя металла (или стекла), отстоящих друг от друга с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине (деревянной доске) толщиной 3,6 см; б — пять слоев металла с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине толщиной 7,2 см; в — три слоя фанеры толщиной по 4 мм с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине толщиной 4,8 см; г — три слоя пенополиэтилена толщиной по 4 мм с зазорами по 1,5 см, эквивалентны древесине толщиной 7,8 см; д — три слоя металла с зазорами по 1,5 см, заполненными эффективным утеплителем (пенополистиролом, пенополиэтиленом или минватой), эквивалентны древесине толщиной 10,5 см. Принятая величина зазоров является условной, эквивалентные толщины древесины в примерах а-г слабо изменяются при изменении величины зазоров в пределах (1-30) см. |
Если конструкционный материал стены обладает низкой теплопроводностью, то при расчётах необходимо учитывать его вклад в теплосопротивление стены (рис. 36). Хотя вклад пустот, как правило, является значительным, заполнение всех пустот эффективным утеплителем позволяет (за счёт полной остановки движения воздуха) существенно (в 3-10 раз) повысить тепловое сопротивление стены (рис. 37).
Сама по себе возможность получения вполне пригодных для бань (по крайней мере, летних) тёплых стен из нескольких слоев «холодного» металла, конечно же, интересна и используется, например, финнами для противопожарной защиты стен в саунах около печи. На практике, однако, такое решение оказывается весьма сложным ввиду необходимости механической фиксации параллельных слоев металла многочисленными перемычками, которые играют роль нежелательных «мостиков» холода. Так или иначе, даже один слой металла или ткани «греет», если не продувается ветром. На этом явлении основаны палатки, юрты, чумы, которые, как известно, до сих пор используются (и использовались веками) в качестве бань в кочевых условиях. Так, один слой ткани (всё равно какой, лишь бы непродуваемой) лишь в два раза «холодней» кирпичной стены толщиной 6 см, а прогревается в сотни раз быстрее. Тем не менее, ткань палатки остаётся намного холодней воздуха в палатке, что не позволяет реализовать сколько бы то ни было длительных паровых режимов. К тому же, любые (даже мелкие) порывы ткани сразу же приводят к мощным конвективным теплопотерям.
Наибольшее значение в бане (так же как и в жилых зданиях) имеют воздушные прослойки в окнах. При этом приведённое сопротивление теплопередаче окон измеряется и рассчитывается на всю площадь оконного проёма, то есть не только на стеклянную часть, но и на переплёт (деревянный, стальной, алюминиевый, пластиковый), который, как правило, имеет лучшие теплоизолирующие характеристики, чем стекло. Для ориентировки приведём нормативные значения термического сопротивления окон разных типов по СНиП П-3-79* и сотовых материалов с учётом теплового сопротивления внешних пограничных слоев внутри и вне помещения (см. таблицу 8).
Таблица 8. Приведенное сопротивление теплопередаче окон и оконных материалов
| Тип конструкции | Сопротивление теплопередаче, м² град/Вт | |
| Одинарное остекление | 0,16 | |
| Двойное остекление в спаренных переплётах | 0,40 | |
| Двойное остекление в раздельных переплётах | 0,44 | |
| Тройное остекление в раздельно-спаренных переплётах | 0,55 | |
| Четырёхслойное остекление в двух спаренных переплётах | 0,80 | |
| Стеклопакет с межстекольным расстоянием 12 мм: | однокамерный | 0,38 |
| двухкамерный | 0,54 | |
| Блоки стеклянные пустотные (с шириной швов 6 мм) размером: | 194x194x98 мм | 0,31 |
| 244x244x98 мм | 0,33 | |
| Поликарбонат сотовый «Акууег» толщиной: | двухслойный 4 мм | 0,26 |
| двухслойный 6 мм | 0,28 | |
| двухслойный 8 мм | 0,30 | |
| двухслойный 10 мм | 0,32 | |
| трёхслойный 16 мм | 0,43 | |
| многоперегородчатый 16 мм | 0,50 | |
| многоперегородчатый 25 мм | 0,59 | |
| Полипропилен сотовый «Акувопс!» толщиной: | двухслойный 3,5 мм | 0,21 |
| двухслойный 5 мм | 0,23 | |
| двухслойный 10 мм | 0,30 | |
| Брусовая стена (для сравнения) толщиной: | 5 см | 0,55 |
| 10 см | 0,91 | |
Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008
Источник
Теплоизолирующая способность воздушных прослоек
Сегодня мы рассмотрим теплопроводность воздушной прослойки. Обратите внимание! Темой для отдельного разговора является теплопроводность самого воздуха и его зависимость от температуры и давления. В рамках же текущей статьи мы поговорим именно о теплопроводности прослойки воздуха, и применении этих данных при расчете ограждающих конструкций.
p, blockquote 1,0,0,0,0 —>
Прежде всего отметим, что передача тепла через воздушную прослойку при разности температур на ее противоположных поверхностях, может происходить одним из трех возможных способов: путем излучения, путем конвекции, и путем теплопроводности. Подробнее это показано на рис. 1.12.
p, blockquote 2,0,0,0,0 —>
p, blockquote 3,0,0,0,0 —>
Понятно, что теплопроводность неподвижного воздуха очень мала. Поэтому, если бы в воздушных прослойках воздух находился в состоянии покоя, термическое сопротивление таких прослоек воздуха было бы очень высоким.
p, blockquote 4,0,0,0,0 —>
На самом же деле, в воздушных прослойках ограждающих конструкций воздух всегда движется. К примеру, у более теплой поверхности вертикальных прослоек он перемещается вверх, а у холодной — вниз. Понятно, что из-за такого движения термическое сопротивление воздушных прослоек снижается, и становится тем меньше, чем сильнее конвекция.
p, blockquote 5,0,0,0,0 —>
Поэтому в прослойках с движущимся воздухом количество тепла, передаваемого путем теплопроводности, очень мало по сравнению с теплопередачей путем конвекции.
p, blockquote 6,0,0,0,0 —>
Более того. По мере увеличения толщины воздушной прослойки, возрастает и количество тепла, которое передается путем конвекции. Поскольку меньше становится влияние трения воздушных струек о стенки. Следствием этого является тот факт, что для воздушных прослоек не существует прямой пропорциональности между увеличением толщины слоя и значением его термического сопротивления (если помните, такая прямая пропорция является характерной для твердых материалов).
p, blockquote 7,0,0,0,0 —>
Значение коэффициента, который можно было бы принять для свободной конвекции у какой-либо поверхности, уменьшается вдвое. Поскольку при передаче тепла конвекцией от более теплой поверхности воздушной прослойки к более холодной, преодолевается сопротивление двух пограничных слоев воздуха, прилегающих к этим поверхностям.
p, blockquote 8,0,0,0,0 —>
Теперь давайте разберемся с зависимостью количества тепла, передаваемого через воздушную прослойку путем излучения.
p, blockquote 9,0,0,0,0 —>
Количество лучистого тепла, передаваемого от более теплой поверхности к более холодной, не зависит от толщины воздушной прослойки. Как мы уже сказали, оно определяется коэффициентом излучения поверхностей и разностью, пропорциональной четвертым степеням их абсолютных температур (1.3).
p, blockquote 10,0,0,0,0 —>
Теперь давайте подведем итог. В общем виде поток тепла Q, передаваемый через воздушную прослойку, может быть выражен таким образом:
p, blockquote 11,0,0,0,0 —>
p, blockquote 12,0,0,0,0 —>
- где αк — коэффициент теплообмена при свободной конвекции;
- δ — толщина прослойки, м;
- λ — коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, ккал·м·ч/град;
- αл — коэффициент теплообмена за счет излучения.
На основании данных экспериментальных исследований обычно трактуют величину коэффициента теплопередачи воздушной прослойки как вызванную теплообменом, происходящим путем конвекции и теплопроводности:
p, blockquote 13,0,0,0,0 —>
p, blockquote 14,0,0,0,0 —>
но зависящую преимущественно от конвекции (здесь λэкв — условная эквивалентная теплопроводное™ воздуха в прослойке); тогда при постоянном значении Δt термическое сопротивление воздушной прослойки Rв.п будет:
p, blockquote 15,0,1,0,0 —>
p, blockquote 16,0,0,0,0 —>
p, blockquote 17,0,0,0,0 —>
Явления конвективного теплообмена в воздушных прослойках зависят от их геометрической формы, размеров и направления потока тепла; особенности этого теплообмена могут быть выражены величиной безразмерного коэффициента конвекции ε, представляющего отношение эквивалентной теплопроводности к теплопроводности неподвижного воздуха ε=λэкв/λ.
p, blockquote 18,0,0,0,0 —>
Путем обобщения с помощью теории подобия большого количества экспериментальных данных М. А. Михеевым установлена зависимость коэффициента конвекции от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, т. е.:
p, blockquote 19,0,0,0,0 —>
p, blockquote 20,0,0,0,0 —>
Коэффициенты теплопередачи αк’, полученные из выражения
p, blockquote 21,0,0,0,0 —>
установленного на основе этой зависимости при tср=+10°, приведены для температурного перепада на поверхностях прослойки, Δt=10° в табл. 1.6.
p, blockquote 22,0,0,0,0 —>
p, blockquote 23,0,0,0,0 —>
Относительно небольшие величины коэффициентов передачи тепла через горизонтальные прослойки при потоке тепла сверху вниз (например, в цокольных перекрытиях отапливаемых зданий) объясняются малой подвижностью воздуха в таких прослойках. Ведь наиболее теплый воздух сосредоточивается у более нагретой верхней поверхности прослойки, затрудняя конвективный теплообмен.
p, blockquote 24,0,0,0,0 —>
Величина передачи тепла излучением αл, определяемая на основе формулы (1.12), зависит от коэффициентов излучения и температуры. Например, для получения αл в плоских протяженных прослойках, достаточно умножить приведенный коэффициент взаимооблучения С’ на соответствующий температурный коэффициент принятый по табл. 1.7.
p, blockquote 25,0,0,0,0 —>
p, blockquote 26,0,0,0,0 —>
Так, например, при С’=4,2 и средней температуре прослойки, равной 0°, получим αл=4,2·0,81=3,4 ккал/м2·ч·град.
p, blockquote 27,0,0,0,0 —>
В летних условиях величина αл увеличивается, а термическое сопротивление прослоек уменьшается. Зимой, для прослоек, расположенных в наружной части конструкций, отмечается обратное явление.
p, blockquote 28,0,0,0,0 —>
Для применения в практических расчетах нормы строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиП приводят значения термических сопротивлений замкнутых воздушных прослоек
p, blockquote 29,0,0,0,0 —>
p, blockquote 30,0,0,0,0 —>
указанные в табл. 1.8.
p, blockquote 31,1,0,0,0 —>
Величины Rв.пр, приведенные в таблице, соответствуют разности температур на поверхностях прослоек, равной 10°. При разности температур 8°, величина Rв.пр умножается на коэффициент 1,05, а при разности 6° — на 1,10.
p, blockquote 32,0,0,0,0 —>
p, blockquote 33,0,0,0,0 —>
Приведенные данные о термическом сопротивлении относятся к замкнутым плоским воздушным прослойкам. Под замкнутыми понимаются воздушные прослойки, ограниченные непроницаемыми материалами, изолированные от проницания воздуха извне.
p, blockquote 34,0,0,0,0 —>
Поскольку пористые строительные материалы воздухопроницаемы, к замкнутым могут быть отнесены, например, воздушные прослойки в конструктивных элементах из плотного бетона или других плотных материалов, практически не пропускающих воздуха при тех величинах разности давлений, которые типичны для эксплуатируемых зданий.
p, blockquote 35,0,0,0,0 —>
Экспериментальные исследования показывают, что термическое сопротивление воздушных прослоек в кирпичной кладке снижается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8.
p, blockquote 36,0,0,0,0 —>
Поэтому при недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором (например, при выполнении работ в зимних условиях) воздухопроницаемость кладки может возрасти, а термическое сопротивление воздушных прослоек приблизиться к нулю.
p, blockquote 37,0,0,0,0 —>
[box type=»info» align=»» width=»»]Достаточная защита конструкций с воздушными прослойками от воздухопроницания является совершенно необходимой для обеспечения требуемых теплофизических свойств ограждающих конструкций.[/box]
p, blockquote 38,0,0,0,0 —>
Иногда в бетонных или керамических блоках предусматривают прямоугольные пустоты небольшой длины, часто приближающиеся к квадратной форме. В таких пустотах передача лучистого тепла возрастает за счет дополнительного излучения боковых стенок.
p, blockquote 39,0,0,0,0 —>
Прирост величины αл незначителен при отношении длины прослойки к ее толщине, равной 3:1 или более; в пустотах квадратной или круглой формы этот прирост достигает 20%.
p, blockquote 40,0,0,0,0 —>
Эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий передачу тепла конвекцией и излучением в квадратных и круглых пустотах значительных размеров (70—100 мм) существенно возрастает. Поэтому использование таких пустот в материалах с ограниченной теплопроводностью (0,50 ккал/м·ч·град и менее) не имеет смысла с точки зрения теплофизики.
p, blockquote 41,0,0,0,0 —>
Применение квадратных или круглых пустот указанного размера в изделиях из тяжелых бетонов имеет главным образом экономическое значение (уменьшение веса); это значение утрачивается для изделий из легких и ячеистых бетонов, поскольку использование таких пустот может привести к понижению термического сопротивления ограждающих конструкций.
p, blockquote 42,0,0,0,0 —>
p, blockquote 43,0,0,0,0 —>
Рис. 1.13. Целесообразное многорядное расположение воздушных прослоек
p, blockquote 44,0,0,0,0 —>
В противоположность этому, применение плоских тонких воздушных прослоек, особенно при многорядном их расположении в шахматном порядке (рис. 1.13), целесообразно. При однорядном размещении воздушных прослоек более эффективно их расположение в наружной части конструкции (если обеспечена ее воздухонепроницаемость), поскольку термическое сопротивление таких прослоек в холодный период года возрастает.
p, blockquote 45,0,0,0,0 —>
Применение воздушных прослоек в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями более рационально, чем в наружных стенах, поскольку передача тепла конвекцией в горизонтальных прослойках этих конструкций существенно уменьшается.
p, blockquote 46,0,0,0,0 —>
Теплофизическая эффективность воздушных прослоек в летних условиях (защита от перегрева помещений) снижается по сравнению с холодным периодом года; однако эта эффективность возрастает за счет использования прослоек, вентилируемых в ночное время наружным воздухом.
p, blockquote 47,0,0,1,0 —>
При проектировании полезно иметь в виду, что ограждающие конструкции с воздушными прослойками обладают меньшей влажностной инерцией по сравнению со сплошными. В сухих условиях конструкции с воздушными прослойками (вентилируемыми и замкнутыми) быстро подвергаются естественной сушке и приобретают дополнительные теплозащитные свойства за счет малой влажности материала.
p, blockquote 48,0,0,0,0 —>
Во влажных же помещениях все происходит наоборот — конструкции с замкнутыми прослойками могут сильно переувлажняться, что связано с потерей теплофизических качеств и вероятностью преждевременного их разрушения.
p, blockquote 49,0,0,0,0 —>
Из сказанного выше понятно, что передача тепла через воздушные прослойки в большой мере зависит от излучения. Однако применение отражательной изоляции с ограниченной долговечностью (алюминиевой фольги, окраски и т. д.) для повышения термического сопротивления воздушных прослоек может быть целесообразным только в конструкциях сухих зданий с ограниченным сроком службы.
p, blockquote 50,0,0,0,0 —>
В сухих капитальных зданиях дополнительный эффект отражательной изоляции также полезен, но следует учитывать, что даже при утрате ее отражательных качеств теплофизические свойства конструкций должны быть не менее требуемых с тем, чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию конструкций.
p, blockquote 51,0,0,0,0 —>
В каменных и бетонных конструкциях с большой начальной влажностью (ровно, как и во влажных помещениях) использование алюминиевой фольги практически теряет всяческий смысл. Поскольку ее отражательные свойства могут быть быстро нарушены из-за коррозии алюминия во влажной щелочной среде.
p, blockquote 52,0,0,0,0 —>
Кроме того следует отметить, что применение отражательной изоляции наиболее эффективно в горизонтальных замкнутых воздушных прослойках при направлении потока тепла сверху вниз (цокольные перекрытия и т. д.). То есть именно тогда, когда конвекция почти отсутствует и передача тепла происходит в основном путем излучения.
p, blockquote 53,0,0,0,0 —>
[box type=»success» align=»» width=»»]Таким образом становится ясно, что отражательной изоляцией достаточно покрыть только одну из поверхностей воздушной прослойки.[/box]
p, blockquote 54,0,0,0,0 —>
А именно — более теплую, сравнительно гарантированную от эпизодического появления конденсата, быстро ухудшающего отражательные свойства изоляции.
p, blockquote 55,0,0,0,0 —>
Иногда возникают предложения о теплофизической целесообразности разделения воздушных прослоек по толщине экранами из тонкой алюминиевой фольги. Предлагается это в целях резкого уменьшения потока лучистого тепла.
p, blockquote 56,0,0,0,0 —>
Однако такие методы не имеет смысла использовать для ограждающих конструкций капитальных зданий, поскольку малая эксплуатационная надежность такой теплозащиты не соответствует необходимой долговечности конструкций указанных зданий.
p, blockquote 57,0,0,0,0 —>
Расчетное значение термического сопротивления воздушной прослойки с отражательной изоляцией на более теплой поверхности повышается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8.
p, blockquote 58,0,0,0,0 —>
В южных районах конструкции с воздушными прослойками обладают достаточной эффективностью в отношении защиты помещений от перегрева. Применение отражательной изоляции приобретает в этих условиях особенно большой смысл, поскольку превалирующая часть тепла передается в жаркое время года излучением.
p, blockquote 59,0,0,0,0 —>
Поэтому имеет смысл экранировать наружные стены многоэтажных зданий лучеотражающими долговечными отделками в целях повышения теплозащитных свойств ограждений и снижения их веса. Подобные экраны необходимо устраивать таким образом, чтобы под экранами была расположена воздушная прослойка, а другая поверхность была покрыта окрасочной или иной экономичной отражательной изоляцией.
p, blockquote 60,0,0,0,0 —>
Усиление конвекции в воздушных прослойках (например, за счет активного вентилирования их наружным воздухом, поступающим с затененных, озелененных и обводненных участков прилегающей территории) превращается для летнего периода в положительный теплофизический процесс.
p, blockquote 61,0,0,0,0 —>
В противоположность этому, в зимних условиях такой вид переноса тепла, в большинстве случаев, совершенно нежелателен.
p, blockquote 62,0,0,0,0 —> p, blockquote 63,0,0,0,1 —>
По материалам работы В.М. Ильинского «Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий)»
Источник