Теплоизолирующая способность воздушных прослоек
Значение воздушных зазоров в строительстве
Пространства, открытые для потоков воздуха, являются продухами и способны снижать теплоизоляционные характеристики стен. В отличие от этого, замкнутые воздушные зазоры (аналогично закрытым порам вспененного материала) обеспечивают хорошую теплоизоляцию. Непродуваемые воздушные поры активно используются в строительстве для уменьшения теплопотерь через ограждающие конструкции, такие как щели в кирпичах, каналы в бетонных панелях и зазоры в стеклопакетах. В стенах бань, особенно каркасных, также применяются непродуваемые пустоты, которые становятся ключевыми элементами для обеспечения тепловой защиты. Например, наличие пустот с горячей стороны стены позволяет успешно использовать легкоплавкие пенопласты, такие как пенополистирол и пенополиэтилен, в зонах высоких температур.
Проблемы с пустотами в стенах
Вместе с тем, пустоты в стенах могут вызывать определенные проблемы. Малейшие нарушения в ветроизоляции могут привести к тому, что вся система станет единым продуваемым выхолаживающим каналом, изолируя и выводя за пределы теплоизоляции стен все внешние слои. Поэтому предпочтительно создавать небольшие по размеру пустоты, которые гарантированно изолируют друг от друга.
Теплопроводность воздуха и практические расчеты
Использование значения теплопроводности воздуха (особенно ультранизкого коэффициента теплопроводности неподвижного воздуха 0,024 Вт/м·град) для оценки теплопередачи в реальных условиях невозможно, так как воздух в крупных пустотах является активным и подвижным. Поэтому в практике теплотехнических расчетов применяют эмпирические соотношения. Чаще всего в теории теплопередачи предполагается, что тепловой поток от воздуха к поверхности тела в воздухе исчисляется по формуле Q = α∆T, где α — эмпирический коэффициент теплопередачи «неподвижного» воздуха, а ∆T — разница температур поверхности тела и окружающего воздуха. При решении задач теплопередачи учитывается, что в обычных условиях жилых помещений коэффициент теплопередачи колеблется в пределах α = 10 Вт/м²·град.
Конвективное теплообмен
Увеличение теплового потока при помощи воздушных потоков со скоростью V (м/сек) вызывает дополнительное конвективное теплообмен, описываемое формулой Q=βV∆T, где β примерно равен 6 Вт·сек/м³·град. Значения этих параметров зависят от шероховатости поверхности и ее пространственной ориентации. В соответствии с нормами СНиП 23-02-2003, коэффициенты теплопередачи варьируются:
Коэффициенты теплопередачи | |
Состояние | Коэффициент, Вт/м²·град |
Стены и гладкие потолки | 8,7 |
Потолки с сильно выступающими рёбрами | 7,6 |
Оконные конструкции | 8,0 |
Зенитные фонари | 9,9 |
Перепады температур в банях
Низкий коэффициент теплопередачи α = 10 Вт/м² указывает на теплоизоляционные свойства воздуха и подчеркивает необходимость высоких температур в саунах для эффективного прогрева тела. Однако в стенах бань перепады температур могут достигать значительных величин (5-20)°С, что часто игнорируется. Для уменьшения этого перепада первостепенно важно наличие конвекции воздуха.
Ограничения в жилых помещениях
В жилых помещениях нормируемый перепад температур между воздухом и поверхностями стен не должен превышать 4°С, а в общественных помещениях — 4,5°С, в производственных — 12°С. Более резкие перепады могут вызвать ощущение холода и конденсацию влаги на стенах.
Рис. 1. Распределение температуры в стене, образованной замкнутыми воздушными прослойками. |
Анализ потенциального теплопередачи через воздушные прослойки
В воздушных прослойках между стеклопакетами количество пограничных слоев влияет на общую теплопередачу. Если в стенах или стеклопакете присутствуют два воздушных промежутка, то образуется шесть пограничных слоев. Исходя из теплового потока 100 Вт/м², на каждом слое происходит температурное изменение на ∆T = 10 °C, что в сумме дает перепад температуры в 60 °C.
Рассмотрение термического сопротивления
Для упрощения расчетов удобнее использовать термическое сопротивление R = 1/α. Например, при тепловом потоке 100 Вт/м² и термическом сопротивлении 0,6 м²·град/Вт, перепад температур на стене с двумя воздушными прослойками останется 60 °C. Увеличение числа пустот приводит к повышению резистентности и снижению температуры на внутренней поверхности стен значительно.
Влияние внешних факторов на теплопередачу
Неподвижный воздух благоприятно влияет на теплоизоляцию, и для достижения лучших показателей нужно учитывать также вторичные процессы, такие как радиация, при более высоких температурах.
Заключение
Важно понимать, что наличие воздушных прослоек, их конструкция и качество влияющих материалов могут значительно варьировать теплоизоляционные свойства стен и окон. Кроме того, создание «мостиков холода» нужно минимизировать, чтобы сохранить функциональность теплоизоляции в банях или жилых помещениях. Проработка всех деталей строительства обеспечит комфорт и долговечность зданий.
Толщина воздушной прослойки, см | Горизонтальная прослойка при тепловом потоке | |
Положительная | Отрицательная | |
1 | 0,13 | |
10 | 0,15 |