Формулы расчётов
Теоретические методы расчета теплопередачи через окна Теплопередача через оконные проемы или остекления здания осуществляется двумя путями: Прохождение излучаемой солнечной энергии через стекла – примерно 65% от общей величины. Тепловая конвекция между остеклением и внутренним объемом здания – 35%. Соответственно и сама теплопередача обусловлена двумя факторами – наличием солнечного излучения и разностью температур внутри и снаружи некоторого объема (в нашем случае – помещения).
Анализ и расчет характеристик теплопередачи остекления является достаточно сложной технической задачей из-за наличия многих факторов, по-разному влияющих на процессы конвекции и передачи излучения, особенно если окна имеют сложную конфигурацию или разную форму. Только в простейших случаях (одно окно простой геометрической формы без дополнительных затенений) можно сделать некоторые достаточно корректные упрощения и допущения и выполнить расчеты коэффициенты теплопередачи, базируясь на нескольких ключевых параметрах.
Свойства тепло- и светопередачи твердых прозрачных сред (кварца, стекла, хрусталя, пластика и др.) могут быть описаны следующими стандартными параметрами. Полный коэффициент теплопередачи стекла (U-faktor) – отношение коэффициента теплопередачи через стекло к разнице температур внутри и снаружи. Это мера теплопередачи через стекло и отдачи тепла его внешней и внутренней поверхностями.
Коэффициент экранирования (Shading Coefficient SC) – отношение степени прохождения солнечного тепла через стандартное прозрачное оконное стекло. Величина данной степени должна быть известна (измерена или рассчитана), чтобы можно было использовать коэффициент экранирования для расчета теплопередачи.
Множитель экранирования (Shading Faktor) – отношение количества солнечного тепла, проходящего через стекло, к уровню соответствующего солнечного излучения. Соответственно можно записать: SC=F/FREF, где FREF – множитель экранирования стандартного прозрачного оконного стекла. Величина степени прохождения солнечного тепла может быть вычислена как произведение уровня солнечного излучения и коэффициента экранирования.
Для оконных стекол, как обычных, так и покрытых защитными пленками, U-faktor, SC и F зависят от индивидуальных комбинаций параметров отражения, поглощения, пропускания и переизлучения. С учетом всех этих факторов выведено так называемое уравнение теплового баланса – выражение для расчета результирующей величины теплопередачи солнечного и общего теплового излучения через окно с однослойным стеклом (подобное выражение может быть получено для окон с несколькими слоями стекла).
Уравнение теплового баланса между освещенным солнцем однослойным стеклом единичной площади и окружающей средой имеет вид: I+U(To-Ti)-qR+qS+qt+qRCo+qRCi. Где I – энергия внешнего падающего солнечного излучения. U – коэффициент теплопередачи стекла. To – температура наружного воздуха. Ti – температура внутри помещения. qR – энергия отраженного от стекла солнечного излучения. qS – энергия поглощенного стеклом солнечного излучения. qt – энергия прошедшего через стекло солнечного излучения. qRCo – энергия излучения и конвекции изнутри наружу. qRCi – энергия излучения и конвекции снаружи внутрь. Здесь не учитывается эффект излучения через стекло наружу солнечной энергии, многократно переотраженной от внутренних поверхностей помещения, вследствие малости этой составляющей. По этой же причине можно не учитывать вклад энергии qS. Кроме того, поскольку стекло практически полностью задерживает длинноволновое ИК-излучение с длинной волны более 3500 нанометров (или 3.5 микрона), вся энергия поглощенного солнечного излучения, которое впоследствии переизлучается внутренними поверхностями помещения, остается в нем, как в ловушке. Этот эффект обычно называют «парниковым эффектом».
Таким образом, с учетом действующих факторов, которые дают заметный вклад в общий результат, можно записать: Q=It+Ni(al)+U(To-Ti), Где Q – чистая энергия теплопередачи. t – коэффициент пропускания солнечного энергии стеклом. Ni – попавшая внутрь доля поглощаемой солнечной энергии. a – коэффициент поглощения солнечной энергии стеклом.
Поскольку первые два члена уравнения относятся к солнечному излучению, их можно объединить: Q=IF+U(To-Ti), где F – коэффициент экранирования. Следовательно, коэффициент экранирования определяется как отношение степени передачи тепловой энергии солнечного излучения к уровню падающей солнечной энергии. Он включает как энергию прошедшего солнечного излучения, так и ту часть энергии солнечного излучения, которая переизлучается внутрь помещения.
Общее сопротивление теплопередаче складывается из сопротивления внутреннего и наружного слоев воздуха и собственно стекла. Однако стекло имеет очень низкое тепловое сопротивление вследствие своей относительно малой толщины. Полный коэффициент теплопередачи (U-factor) определяется так называемыми внутренним и внешним ho поверхностным коэффициентами: U=hiho/(hi+ho). В каждый из коэффициентов, входят конвекционный компонент и компонент излучения, поэтому поверхностные коэффициенты зависят от формы и интенсивности воздушных потоков, температуры стекла и окружающей среды.
Для случая свободной конвенции вдоль вертикальной панели типа окна, внутренний коэффициент конвекционной передачи he рассчитывается по формуле: he=0.19(?T)0.33, где T – разность температур поверхности стекла и воздуха внутри помещения в градусах Фаренгейта oF(?ToF=1.8?ToC). В случае принудительной конвекции (например, под действием вентилятора или кондиционера) he может быть больше. Иногда (для помещений и окон простой формы) используется фиксированная величина, равная 8.29 w/m2 oK(1.46 Btu/ftoF).
Коэффициент поверхностного излучения есть функция температур и излучательных (эмиссионных) способностей поверхностей. Если рассматривать помещение как полость, очевидно, необходимо рассматривать излучательную способность этой полости: h?=(??(TG4-TR4))/(TG-TR), где h? – коэффициент поверхностного излучения. ? – излучательная способность внутренней поверхности окна. ? – постоянная Стефана-Больцмана. TG – температура внутренней поверхности стекла. TR – средняя температура излучения помещения. Полный внутренний поверхностный коэффициент представляет собой сумму двух компонентов: hi=hc+h? Внешний поверхностный коэффициент труднее поддается объективной количественной оценке из-за сложности определения температуры окружающей среды и условий конвекции (скорость и направление ветра) вблизи внешней поверхности окон.
Спектральные характеристики пропускания и отражения стекла и пленки в видимом диапазоне измеряются спектрофотометрами, а в инфракрасном (тепловом) диапазоне – инфракрасными рефлекторами и калориметрами. Измерения величины теплового проводимости (U-фактора) делаются для полного диапазона погодных условий и температур данного региона. Измерения проводятся в ночное время, чтобы исключить влияние солнечного излучения.
Технология изготовления пленок проще, чем многослойных стекол, поэтому многослойные пленки значительно дешевле. Многослойную энергосберегающую пленку можно с таким же успехом монтировать в стеклопакет, как это делается в тепловом зеркале с однослойной пленкой. Естественно, энергосберегающая пленка не натягивается между стеклами стеклопакета, а наклеивается на одно из стекол. Здесь возникает важный вопрос: на какое стекло, внутреннее или натужнее, и с какой стороны наклеивать пленку? Ответ на этот вопрос не однозначен.
Факторы усиления внутренних напряжений в стекле.При поглощении солнечного излучения стекло нагревается и расширяется. Точно так же в мороз стекло сжимается. Если свойства стекла не одинаковые по объему, в стекле возникают внутренние напряжения, что может привести к его разрушению. Поэтому потребитель должен выбирать стекло таких производителей, которые обеспечивают, во-первых, однородность стекла, а, во-вторых, приемлемые характеристики поглощения тепла и объемного расширения.
Если контур рамы, в которой установлено стекло, слишком жесткий (например, рама из стального уголка без амортизирующих прокладок), она будет препятствовать расширению стекла при нагревании, что может спровоцировать разрушение стекла.
Влияние окружающей среды.
Затенения и неравномерность нагрева поверхности стекла тоже приводят к концентрации внутренних напряжений и, как следствие, к тепловому разрушению. Это часто бывает, если граница между солнечным светом и тенью проходит по стеклу.
Характеристики стекла и окна.
При оценке возможностей возникновения внутренних напряжений нужно учитывать толщину стекла, форму и размеры окна, угол наклона стекла, угол возвышения солнца и другие факторы. Например, если рама имеет форму арки, опасность разрушения стекла из-за внутренних напряжений меньше. Перед тем, как выбирать тип пленки, учтите следующее:
1. Тип остекления.
2. Возраст и характеристики стекла.
3. Если стекло было разбито – причины разрушения.
4. Виды уплотнения (замазка, эластичные или твердые прокладки и др.).
5. Козырьки над окнами, окна в глубоких нишах и другие причины возможных затенений и неравномерного нагрева по поверхности стекла.
6. Ржавчины в стальных рамах.
7. Разбитые стекла.
8. Возраст дома.
9. Шторы, жалюзи и другие объекты, которые могут создать затенения и стать причиной перегрева или неравномерного нагрева стекла.
10. Плохо подогнанные стекла в окнах.
11. Большие стекла в каменных стенах (без рам).
12. Воздушные потоки, направленные на окна или проходящие вблизи их.
13. Зарешеченные окна.
14. Слишком тонкие стекла в рамах большого размера.
