Сопротивление теплопередаче окон – расчет на примере

Энергоэффективность любого окна или двери определяется их общим сопротивлением теплопередаче . Чем выше этот показатель – тем меньше тепла конструкция будет «выпускать» наружу, а значит — экономить Ваши деньги.

Давайте самостоятельно определим сопротивление теплопередаче на примере недорого пластикового окна на базе профильной системы украинского производства OpenTeck Elit.

Исходные данные:

1. Размеры оконного блока 1300х1400 (шхв) мм, у которого одна створка глухая, вторая – поворотно-откидная;

2. Двухкамерный стеклопакет с двумя энергосберегающими стеклами (наружное и внутреннее) и аргоном в межкамерном пространстве. Формула стеклопакета толщиной 42 мм – 4i-14Ar-4-16Ar-4i с алюминиевой дистанционной рамкой;

Для расчета нам нужно взять формулу, указанную в ДБН В.2.6-31:2006 (в 2017 году вступит в силу новый ДБН В.2.6-31:2016):

Но, простому обывателю, вероятно, будет сложно ориентироваться в определениях и коэффициентах указанных в формуле. Поэтому приведем ее к более читабельному виду:

Ro^кс = S^кс/(S^сп/Ro^сп + S^п/Ro^п + K*L), где:

1. Ro^кс — общий коэффициент сопротивления теплопередаче окна;
2. S^кс — общая площадь оконного блока;
3. S^сп — общая площадь видимой части стеклопакета в оконном блоке;
4. Ro^сп — сопротивление теплопередаче расчетного стелопакета;
5. S^п — общая площадь непрозрачного элемента, в данном случае оконного профиля;
6. Ro^п — сопротивление теплопередаче оконного профиля;
7. K — линейный коэффициент сопротивления теплопередаче дистанционной рамки в стеклопакете;
8. L — общая длина дистанционной рамки в стеклопакете.

Данные для коэффициента К берем из этой таблицы, учитывая, что глубина посадки стеклопакета – 5 мм.

Почему так, и почему так много коэффициентов в формуле?

Современное пластиковое окно — это большой технологичный конструктор, который состоит из различных элементов с разными теплоизоляционными свойствами, совокупность которых и определяет общий Ro оконного блока.

Получаем следующие значения:

1. S^кс — 1,3 * 1,4 = 1,82 м²

2. S^сп – (0,546*(1,4-2*0,064))+(0,447*(1,4-2*0,114)) =1,2183 м²

3. S^п – (1,4*0,064+2*(0,546*0,064)+1,4*0,129+2*(0,447*0,114)+1,4*0,114) =0,6015 м²

4. Ro^сп – 1,14 м²*^оС/Вт (данные из таблицы «М» ДБН В.2.6-31:2006)

5. Ro^п – 0,86 м²*^оС/Вт согласно сертификационных испытаний профиля

6. K – 0,06 Вт/м*^оС

7. L – (2*(0,546+1,4-2*0,064)+2*(0,447+1,4-2*0,114) = 6,874 м

Подставляем полученные значения в формулу:

Ro^кс = 1,82/(1,2183/1,14 + 0,6015/0,86 + 0,06*6,874)=0,8463 м²*^оС/Вт

Общий коэффициент сопротивления теплопередаче окна в нашем примере полностью отвечает установленным нормам для всех температурных зон Украины согласно ДБН 2. 6-31:2016. И рекомендуется для установки как в жилых так и коммерческих помещениях.

Теплоизоляция окна, сопротивление теплопередаче стеклопакетов

Главная \ Полезное \ Причина образования конденсата \ Теплоизоляция окна, сопротивление теплопередаче стеклопакетов

Теплоизоляция окон, а говоря правильнее, сопротивление теплопередаче окон ПВХ, в первую очередь, зависит от характеристик стеклопакета. Чем большей теплоизоляцией обладает стеклопакет, тем большей теплоизоляцией будет обладать оконный или дверной блок. 

В государственных стандартах, все оценки теплоизолирующих свойств окон определялись величинной сопротивления стеклопакета теплопередаче — приведенное сопротивление теплопередаче стеклопакета. Ниже приведена выдержка из ГОСТ 30674-99 «БЛОКИ ОКОННЫЕ ИЗ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНЫХ ПРОФИЛЕЙ. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ», которая позволяет сделать вывод о различиях в сопротивляемости окон холоду при различных стеклопакетах. Измерения по теплоизоляции проводились для оконных блоков с отношением площади остекления к площади изделия, равным 0,7, и средней толщиной комбинации профилей 58-62 мм.  

Ro (м2 °C/Вт) — сопротивление теплопередаче — величина, принятая в России для оценки теплозащитных характеристик материалов или конструкций

Стеклопакет
Значение показателя, 
Ro (м2 °C/Вт)

4M1 -16-4M1                                           0,35
                     
4M1 -16Ar-4M1                                       0,37

4M1 -8-4M1 -8-4M1                               0,49

4M1 -10-4M1 -10-4M1                           0,51

4M1 -12-4M1 -12-4M1                           0,53

4M1 -10Ar-4M1 -10Ar-4M1                   0,54

4M1 -16-К4                                             0,54

4M1 -12Ar-4M1 -12Ar-4M1                   0,56

4M1 -8-4M1 -8-К4                                  0,57

4M1 -16-И4                                              0,58

4M1 -16Ar-К4                                          0,59

4M1 -12-4M1 -12-К4                               0,61

4M1 -8-4M1 -8-И4                                   0,61

4M1 -16Ar-И4                                          0,63

4M1 -8Ar-4M1 -8Ar-К4                           0,63

4M1 -8Ar-4M1 -8Ar-И4                           0,65

4M1 -12-4M1 -12-И4                               0,66

4M1 -12Ar-4M1 -12Ar-К4                       0,67

4M1 -12Ar-4M1 -12Ar-И4                       0,72

Особые обозначения в таблице:
М1 — листовое стекло марки М1
4М1 — листовое стекло марки М1 толщиной 4 мм
К4 — листовое стекло 4 мм с энергосберегающим К-покрытием (устар. )
И4 — листовое стекло 4 мм с энергосберегающим И-покрытием
-10- — толщина воздушной камеры в мм, заполнена воздухом
-10Ar- — толщина воздушной камеры 10мм, заполнена аргоном

Приведенное сопротивление теплопередаче — Roпр (м2 °C/Вт) используется для общей оценки всей светопрозрачной конструкции (окна) . Чем больше этот показатель, тем меньше теплопередача через конструкцию. Roтр — требуемые значения коэффициента сопротивления теплопередаче для каждого региона нашей страны определяется в соответствии с продолжительностью отопительного периода. Для жилых зданий в гг. Калининград, С-Петербург, Москва, Иркутск эта величина составляет соответственно 0,40; 0,48; 0,55; 0,65 

8. Теплопередача через окна

Окна представляют собой застекленные проемы в оболочке здания, которые обычно состоят из одного или нескольких стекол (стекло или пластик), обрамления и затемнения. В ограждающих конструкциях окна оказывают наименьшее сопротивление теплопередаче. В типичном доме около трети всех теплопотерь зимой происходит через окна. Кроме того, большая часть проникновения воздуха происходит по краям окон. Приток солнечного тепла через окна отвечает за большую часть охлаждающей нагрузки летом. Чистое влияние окна на тепловой баланс здания зависит от характеристик и ориентации окна, а также от солнечных и погодных данных. Качество изготовления очень важно при строительстве и установке окон, чтобы обеспечить эффективную герметизацию по краям, позволяя легко открывать и закрывать окна.

Несмотря на то, что окна нежелательны с точки зрения энергосбережения, они являются важной частью ограждающих конструкций любого здания, поскольку они улучшают внешний вид здания, пропускают дневной свет и солнечное тепло, а также позволяют людям смотреть и наблюдать снаружи без покидая свой дом. В малоэтажных зданиях окна также обеспечивают удобные зоны выхода во время чрезвычайных ситуаций, таких как пожар. Важными соображениями при выборе окон являются тепловой комфорт и энергосбережение. Окно должно иметь хорошую светопропускную способность и при этом обеспечивать эффективное сопротивление теплопередаче. Требования к освещению здания можно свести к минимуму за счет максимального использования естественного дневного света. Потери тепла зимой через окна можно свести к минимуму, используя герметичные окна с двойным или тройным остеклением со спектрально-селективными пленками или покрытиями и пропуская как можно больше солнечного излучения. Приток тепла и, следовательно, охлаждающая нагрузка летом могут быть сведены к минимуму с помощью эффективного внутреннего или внешнего затенения окон.

РИСУНОК 41
Три области окна, учитываемые при анализе теплопередачи.

Даже при отсутствии солнечной радиации и инфильтрации воздуха передача тепла через окна сложнее, чем кажется. Это связано с тем, что структура и свойства рамы сильно отличаются от остекления. В результате теплообмен через раму и примыкающий к раме краевой участок остекления двухмерный. Поэтому при анализе теплопередачи через него принято рассматривать окно в трех областях: (1) центр стекла, (2) край стекла и (3) области рамы, как показано на рис. Рис. 41. Тогда общая скорость теплопередачи через окно определяется суммированием теплопередачи через каждую область как

, где

— U-фактор или общий коэффициент теплопередачи окна; Окно — это площадь окна; A _center , A _edge и A _frame являются областями центральной, краевой и рамочной секций окна соответственно; U _центр , U _край и U _рама — коэффициенты теплопередачи для центральной, краевой и рамной частей окна. Обратите внимание, что A _окно = A _центр + A _край + A _кадр , и общий U _фактор окна определяется из взвешенных по площади U-факторов каждой области окна. Кроме того, обратным U-фактору является значение R, которое представляет собой единичное тепловое сопротивление окна (тепловое сопротивление на единицу площади).

РИСУНОК 42
Сеть теплового сопротивления для передачи тепла через одно стекло.

Рассмотрим стационарный одномерный теплообмен через однослойное стекло толщиной L и теплопроводностью k. Сеть тепловых сопротивлений этой задачи состоит из поверхностных сопротивлений на внутренней и внешней поверхностях и сопротивления проводимости стекла последовательно, как показано на рис. 42, а общее сопротивление на единицу площади может быть выражено как

Используя общепринятые значения 3 мм для толщины и 0,92 Вт/м · ºC для теплопроводности стекла и зимние расчетные значения 8,29 и 34,0 Вт/м ² · ​​ºC для теплопередачи внутренней и внешней поверхности коэффициентов, тепловое сопротивление стекла определено как

Обратите внимание, что отношение сопротивления стекла к общему сопротивлению составляет

То есть сам слой стекла вносит около 2 процентов от общего теплового сопротивления окна, что незначительно. Ситуация не сильно отличалась бы, если бы мы использовали акрил, теплопроводность которого равна 0,19.Вт/м · ºC вместо стекла. Следовательно, мы не можем эффективно уменьшить теплопередачу через окно, просто увеличив толщину стекла. Но мы можем уменьшить его, удерживая неподвижный воздух между двумя слоями стекла. В результате получилось окно с двойным остеклением, ставшее нормой в оконном строительстве.

РИСУНОК 43
Сеть тепловых сопротивлений для передачи тепла через центральную часть двухкамерного окна (сопротивлением стекол пренебречь).

Теплопроводность воздуха при комнатной температуре составляет k _{воздуха} = 0,025 Вт/м · ºC, что составляет одну тридцатую теплопроводности стекла. Следовательно, термическое сопротивление неподвижного воздуха толщиной 1 см эквивалентно термическому сопротивлению слоя стекла толщиной 30 см. Без учета термических сопротивлений слоев стекла термическое сопротивление и U-фактор двухкамерного окна можно выразить как (рис. 43)

, где h _пробел = h _рад , пробел + h _усл , пространство представляет собой комбинированный коэффициент теплопередачи излучения и конвекции пространства, заключенного между двумя слоями стекла.

Примерно половина теплопередачи через воздушное пространство двухкамерного окна осуществляется за счет излучения, а другая половина — за счет теплопроводности (или конвекции, если есть движение воздуха). Следовательно, есть два способа минимизировать h _{пространство} и, следовательно, скорость теплопередачи через стеклопакет:

1. Минимизировать радиационную теплопередачу через воздушное пространство. Это может быть
достигается за счет снижения коэффициента излучения стеклянных поверхностей путем покрытия их низкоэмиссионным материалом
(или «low-e» для краткости). Напомним, что эффективный коэффициент излучения
двух параллельных пластин с коэффициентами излучения ε ₁ и ε ₂ равен

. Коэффициент излучения обычной стеклянной поверхности равен 0,84. Следовательно, эффективный коэффициент излучения двух параллельных стеклянных поверхностей, обращенных друг к другу, равен 0,72. Но когда стеклянные поверхности покрыты пленкой с коэффициентом излучения 0,1, эффективный коэффициент излучения снижается до 0,05, что составляет одну четырнадцатую от 0,72. Тогда при тех же температурах поверхности теплопередача излучением также снизится в 14 раз. Даже если покрыта только одна из поверхностей, общий коэффициент излучения снижается до 0,1, что является коэффициентом излучения покрытия. Поэтому неудивительно, что около четверти всех окон, продаваемых для жилых домов, имеют низкоэмиссионное покрытие. Коэффициент теплопередачи h _{пространство} для воздушного пространства, захваченного между двумя вертикальными параллельными слоями стекла, приведено в таблице 16 для воздушных пространств толщиной 13 мм (1/2 дюйма) и 6 мм (1/4 дюйма) для различных эффективных Коэффициенты излучения и перепады температур.

Можно показать, что покрытие только одной из двух параллельных поверхностей, обращенных друг к другу, материалом с коэффициентом излучения e снижает эффективный коэффициент излучения почти до ε. Поэтому обычно экономичнее покрывать только одну из облицовочных поверхностей. Обратите внимание на рис. 44, что покрытие одной из внутренних поверхностей двухкамерного окна материалом с коэффициентом излучения 0,1 снижает скорость теплопередачи через центральную часть окна вдвое.

РИСУНОК 44
Изменение U-фактора для центральной секции двух- и трехкамерных окон с одинаковым расстоянием между стеклами.

2. Минимизирует теплопроводность через воздушное пространство. Это можно сделать, увеличив расстояние d между двумя стеклами. Однако это не может быть сделано бесконечно, поскольку увеличение расстояния сверх критического значения инициирует конвекционные потоки в замкнутом воздушном пространстве, что увеличивает коэффициент теплопередачи и, таким образом, не позволяет достичь поставленной цели. Кроме того, увеличение промежутка также увеличивает толщину необходимого обрамления и стоимость окна.

Экспериментальные исследования показали, что когда расстояние d составляет менее примерно 13 мм, конвекция отсутствует, а передача тепла по воздуху осуществляется за счет теплопроводности. Но по мере дальнейшего увеличения расстояния в воздушном пространстве возникают конвекционные потоки, и увеличение коэффициента теплопередачи нивелирует все преимущества, получаемые за счет более толстого слоя воздуха. В результате коэффициент теплопередачи остается почти постоянным, как показано на рис. 44. Поэтому нет смысла использовать воздушное пространство толщиной более 13 мм в двухкамерном окне, если только не используется тонкая полиэфирная пленка для разделения воздушное пространство на две половины для подавления конвекционных потоков. Пленка обеспечивает дополнительную изоляцию, не увеличивая вес или стоимость окна с двойным остеклением. Термическое сопротивление окна можно дополнительно увеличить, используя окна с тройным или четырехкамерным стеклопакетом, когда это экономически целесообразно. Обратите внимание, что использование окна с тройным стеклом вместо двойного снижает скорость теплопередачи через центральную часть окна примерно на одну треть.

Другим способом уменьшения кондуктивной теплопередачи через двухкамерное окно является использование жидкости с меньшей теплопроводностью, такой как аргон или криптон, для заполнения зазора
между стеклами вместо воздуха. Зазор в этом случае нужно хорошо герметизировать, чтобы предотвратить утечку газа наружу. Конечно, другой альтернативой является полное удаление зазора между стеклами, но это нецелесообразно.

Термическое сопротивление

Тепловое сопротивление

Тепловой поток через строительную конструкцию зависит от разницы температур на ней, проводимости используемых материалов и толщины материалов. Конечно, разница температур является внешним фактором. Толщина и проводимость являются свойствами материала. Большая толщина означает меньший тепловой поток и, следовательно, более низкую проводимость. В совокупности эти параметры формируют термическое сопротивление конструкции. Термическое сопротивление пропорционально толщине слоя конструкции и обратно пропорционально его проводимости. Строительный слой с высоким термическим сопротивлением (например, минеральная вата) является хорошим изолятором; материал с низким тепловым сопротивлением (например, бетон) является плохим изолятором.

Сопротивление против удельного сопротивления

Удельное сопротивление — это свойство материала, которое относится к способности этого материала сопротивляться потоку тепла. С другой стороны, сопротивление является свойством объекта и зависит как от удельного сопротивления материала, так и от его общей толщины внутри этого конкретного объекта.
Поскольку удельное сопротивление является обратной величиной проводимости, а значения проводимости для большинства строительных материалов гораздо легче получить, чем удельное сопротивление, можно рассчитать сопротивление материала, используя проводимость, следующим образом:

R = л/к

Где:
R = тепловое сопротивление на единицу площади куска материала (м²K/Вт),
l = представляет толщину материала (м), и
k = представляет проводимость материала (Вт/мК).

Общее тепловое сопротивление

Строительная конструкция обычно состоит из ряда различных материалов, которые могут считаться действующими: меньше энергии для данной разницы температур. Примером этого является пустотелая кирпичная стена, с двумя слоями кирпича, воздушным зазором и гипсокартоном 12 мм — все последовательно.
Параллельно
Когда материалы размещаются параллельно, их коэффициенты теплопроводности складываются, и общий поток энергии увеличивается для заданной разницы температур. Примером этого может быть полая кирпичная стена с вставленным в нее окном.

Общее сопротивление элемента включает все сопротивления отдельных материалов, из которых он состоит, а также внутреннее и внешнее сопротивление воздушной пленки. Его единицы обратны проводимости.

то есть: м²K/Вт.

Сопротивление воздушной пленки

Сопротивление воздушной пленки возникает в результате конвекционных потоков на поверхности материала. Когда поверхность нагревается или остывает, это влияет на температуру непосредственно прилегающего воздуха. Затем он начинает расти или падать в зависимости от того, жарче или холоднее. Это имеет тот же эффект, что и увеличение сопротивления материала потоку тепла.

Композитные строительные материалы

Для композитного строительного элемента, состоящего из нескольких слоев различных материалов, его общее сопротивление определяется как:

Rt = Rso + ∑Rn + Rsi

где сопротивление n-го слоя:

Rn = ln/kn

Rt = общее общее сопротивление элемента (м²K/Вт),

Rn = сопротивление n-го материала в составном элементе (м²K/ Вт),
(м²K/Вт)

Rso и Rsi — внешнее и внутреннее поверхностное сопротивление соответственно (м²K/Вт)

ln = толщина n-го материала в композитном элементе (м), а n-го материала в композитном элементе (Вт/м·К).

К счастью, о различных материалах известно достаточно, чтобы можно было рассчитать общие тепловые характеристики для наиболее распространенных строительных систем фиксированных размеров, чтобы можно было получить общее сопротивление (или проводимость). Цифры могут быть получены для окон с одинарным и двойным остеклением, полов из бетонных плит, подвесных деревянных полов, стен и так далее. Эти характеристики обычно записываются либо как значение R (для изоляции), либо как значение U для других элементов.

Значение R

Сопротивление обычно указывается как значение «R», которое представляет собой сопротивление одного квадратного метра материала при разнице температур в один градус. Таким образом, значение R типичной летучей мыши из стекловолокна может быть указано как R = 2,4, что означает, что оно измеряется в м²K/Ватт. Это означает, что если площадь изоляции в квадратных метрах умножить на разницу температур в градусах Кельвина и разделить на 2,4, то получится тепловой поток в ваттах.