Дослідження теплотехнічних характеристик секційних воріт при низьких температурах зовнішнього повітря

Дослідження теплотехнічних характеристик секційних воріт при низьких температурах зовнішнього повітря

У нашій попередній статті [1] розглядалися секційні ворота з полотном з «сендвіч»-панелей, які в даний час широко використовуються в якості рухомих огороджувальних конструкцій сучасних будівель і споруд різного призначення.

На сьогодні, на жаль, відсутня теплофізичних модель секційних воріт, дозволяє провести коректну оцінку приведеного опору теплопередачі воріт в цілому, відповідно до вимог нормативно-технічних документів (НТД) (СНиП 23-02-2003 «Тепловий захист будівель» [2], СП 23 -101-2004 «Проектування термічний захисту будівель» [3]) як єдиної будівельної конструкції, що складається з різних конструктивних вузлів і частин (див., наприклад, [4-5]).

У маркетингових матеріалах зарубіжних виробників воріт наводяться дані за величиною коефіцієнта теплопередачі (теплопровідності) U, Вт/м2 · ок секційних воріт з полотном з «сендвіч»-панелей, який складає 1,64-0,98 Вт/м2 · ок згідно DIN4108. Якщо не врахувати крайові ефекти і прийняти, що приведений опір теплопередачі воріт в цілому R0пр = 1 / U, то R0пр в даному випадку буде дорівнює 0,61-1,02 Вт/м2 · оС. Вищенаведені значення U дані для воріт площею від 16м2 до 25 м2 і не доведені жодними документами, що підтверджують визначення цих характеристик у підсумку прямих лабораторних випробувань.

У зв'язку з вищесказаним, представляло інтерес вирішити цю проблему за визначенням теплотехнічних рис такого виду огороджувальної рухомий інтегрованої конструкції, як секційні ворота, методом всеохоплюючих теоретичних і експериментальних дослідницьких робіт.

Разом і за технічної підтримки групи компаній «DoorHan» для дослідження і випробувань було представлено три типи секційних воріт різних виробників: виробник з Білорусії (до 20% російського ринку), виробник з Німеччини (около7%) і російський виробник «DoorHan» (65% ).

Мета роботи

1. Розробка та постановка методики лабораторних випробувань повнорозмірних конструкцій секційних воріт в критеріях, дуже наближених до реальних умов експлуатації при температурах прохолодного періоду року від -10 до -40 оС.

2. Створення на базі результатів випробувань адекватної теплофізичної моделі секційних воріт, як єдиної будівельної конструкції з метою наступного розрахунку приведеного опору теплопередачі.

3. Зіставлення теплотехнічних рис воріт різних виробників по приведеному опору теплопередачі і умові випадіння / невипадання конденсату на внутрішній поверхні воріт на відповідність вимогам НД та визначення ймовірної галузі впровадження в будівництві.

4. Розробка рад з оптимізації конструкції секційних воріт з метою збільшення їх теплозахисних характеристик.

Особливості конструкції «сендвіч»-панелей секційних воріт різних виробників

Секційні ворота з полотном з «сендвіч»-панелей встановлюються, зазвичай, в просвіті зовнішніх стінок споруд і забезпечують багатофункціональний зв'язок між внутрішнім приміщенням будови і прилеглої місцевості.

Конструктивні та інші вимоги до секційним воротам нормовані в ГОСТ 31174.

За власної конструкції і багатофункціональним властивостям секційні ворота різних виробників подібні один одному, але є деякі, дуже принципові відмінності.

У конструкції полотна секційних воріт виробники використовують різні види «сендвіч»-панелей, що відрізняються по товщині і технології виробництва. «Сендвіч»-панель складається з двох, зовнішньої і внутрішньої, залізних оболонок, зроблених з профільованого сталевого листа з полімерним покриттям шириною 0,45-0,5 мм. Місце між панелями заповнюється пінополіуретаном для додання готової панелі потрібних міцнісних і теплозахисних властивостей. Особливі стикувальні виступи / пази з боків панелі, забезпечують щільне, надійне і рухливе з'єднання панелей у складі полотна воріт (див. рис. 1).

«Сендвіч»-панелі умовно можна поділити на два типи:

1 – «сендвіч»-панелі з завальцован з боків металевими листами. При всьому цьому зовнішній і внутрішній листи металу являють собою єдину конструктивно залізну оболонку.

2 – «сендвіч»-панелі з тер. При всьому цьому зовнішній і внутрішній листи металу не з'єднуються між собою.

Переважна більшість Європейських виробників секційних воріт використовують у власних конструкціях «сендвіч»-панелі типу 1. Такі ворота в критеріях досить м'якого клімату Центральної та Західної Європи відмінно зарекомендували себе при експлуатації.

Досвід їх впровадження в погодних умовах Росії виявився найменш вдалим. Замкнута залізна оболонка панелі, будучи «містком холоду», призводить до значимих додаткових втрат тепла в прохолодний період року, вимерзання міжпанельних з'єднань, утворенню конденсату, інею та льоду на внутрішній поверхні воріт.

Практичний досвід впровадження панелей типу 2 з тер в конструкції полотна секційних воріт для російських критерій виявилося більш вдалим.

З іншого боку, товщина «сендвіч»-панелі у різних виробників може змінюватися від 20 до 45 мм, а розмір панелей від 400 до 650 мм, що також потрібно врахувати при проектуванні полотна воріт.

Підготовчі розрахунки розподілу температурних полів міжпанельних з'єднань полотна воріт

Для визначення температурних полів та їх аналізу з метою відповідності нормам проектування за раніше були виконані расчти на ЕОМ з впровадженням програмного комплексу Window.

Дослідження полягали в побудові математичної моделі двовимірного процесу теплопередачі через обгородження з наступним розрахунком полів температури і термічних потоків у конструкції. За придбаним розрахунковими даними будувалися графіки розподілу температури по товщині конструкції.

Для порівнянності результатів розрахунків термічного режиму теплофізичні властивості складових їх матеріалів були прийняті в узгодженні з Додатком до СП23-101-2004 «Проектування термічний захисту будівель [3]» і бібліотекою матеріалів програмки Window.

Для розрахунків були прийняті наступні граничні умови.

Температура повітря всередині приміщення tв = 16 оC, коефіцієнт тепловтрати внутрішньої поверхні огороджувальної конструкції aв = 8,7 Вт/м2 0C. Температура зовнішнього повітря tн = -28 0C, коефіцієнт тепловтрати зовнішньої поверхні огороджувальної конструкції aн = 23,0 Вт/м2 0C. Температура зовнішнього повітря прийнята за СНіП 23-01-99 [6], як температура більш прохолодною п'ятиденки для містечка Москви.

Згідно з положеннями СНіП 23-02-2003 [2] «Тепловий захист будівель», температура непрозорих частин огороджувальних конструкцій будівель повинна бути не нижче точки роси при розрахунковій температурі зовнішнього повітря в прохолодний період року.

На рис. 2 представлені розрахункові температурні поля вузла рухомого з'єднання суміжних панелей полотна воріт при даних умовах. З результатів розрахунку випливає, що мінімальна температура на внутрішній поверхні становить 4,1 0C, температура на внутрішній поверхні в однорідної зоні панелі 9,3 0C. Мала температура в повітряній порожнині стику панелі становила 0,8 0C.

Придбані результати розрахунку показали, що на внутрішній поверхні полотна на ділянці стику може бути випадання конденсату при вологості внутрішнього повітря більше 42%. Згідно СНіП 23-02-2003 «Тепловий захист будівель», температура точки роси приймається при розрахунковій відносній вологості внутрішнього повітря Jв = 55%, що при температурі внутрішнього повітря tв = 16 0C складе tр = 7 0C.

Внесення конструктивних змін у стик методом зростання зазору з внутрішньої сторони панелі не призвело до позитивного ефекту по температурі.

Підвищення розміру терморазрива між зовнішньою і внутрішньою оболонками «сендвіч»-панелі до 6 мм призводить до збільшення внутрішньої температури в порожнині до 6 0C. Ділянка температури найменш 7 0C складає менше 5 мм. Температура на внутрішній поверхні в однорідної зоні панелі становить 9,7 оС (див. малюнок 3).

За результатами підготовчого розрахунку опір теплопередачі центральній частині панелі становить 1,04 м2 0C/Вт.

За результатами підготовчого розрахунку можна зробити наступні висновки:

1. Мала температура на внутрішній поверхні місця міжпанельних з'єднань може бути нижче температури точки роси. Внесення конструктивних змін у стик методом зростання зазору в стику з внутрішньої сторони панелі, не призводить до хорошого результату.

2. Підвищення розміру терморазрива між зовнішньою і внутрішньою оболонками «сендвіч»-панелі призводить до збільшення внутрішньої температури в порожнині, але не виключає можливого випадання конденсату.

3. Для проведення коректного розрахунку температурних полів потрібно уточнити теплопровідність пінополіуретану, також провести прямі лабораторні тести захисної конструкції в цілому.

Причини, що визначають теплотехнічні властивості

Теплотехнічні властивості огороджувальних конструкцій залежать, спочатку, від подальших причин:

від погодних характеристик регіону будівництва в прохолодний період року (температура більш прохолодною п'ятиденки tн, 0С по СНіП23-01-99 «Будівельна кліматологія» [6] і [7]);

від температури і відносної вологості внутрішнього повітря в приміщенні [8];

від технічних рішень, реалізованих в конструкції.

Не рахуючи Roпрів теплотехнічні властивості полотна (і воріт у цілому) визначаються значенням температури на його внутрішній поверхні, яка повинна бути такою, щоб не створювалися умови випадання конденсату на панелях полотна воріт, також несучих елементах обрамлення, з'єднаннях (монтажних швах) конструкції воріт зі стіновим просвітом і інших конструктивних елементах. Вимоги за цим показником нормовані в СНиП 23-02-2003 [2]. При проектуванні будівель (споруд) для певного будівельно-кліматичного регіону принципово врахувати не тільки лише характеристики зовнішнього повітря за будівельними нормами [6], та й теплотехнічні властивості використовуваних будівельних конструкцій і матеріалів.

Найвищі теплозахисні характеристики огороджувальних конструкцій роблять позитивний вплив на реалізацію комфортабельних критерій всередині приміщення і в літній період року, захищаючи приміщення від перегріву.

Як вже було зазначено вище, при визначенні теплотехнічних рис огороджувальних конструкцій потрібно врахувати і характеристики внутрішнього повітря приміщення. Згідно санітарно-гігієнічним нормам [8] для виробничих приміщень хорошою нормою по температурі tв і відносній вологості внутрішнього повітря j,% в прохолодний період року і різних категорій робіт є:

температура, tв, ° = 16 – 20;

вологість, j,% = 40 – 60.

У наведеному нижче аналізі та розрахунках теплотехнічних рис секційних воріт ми задаємося такими параметрами внутрішнього повітря: температура +16 оС, відносна вологість – 40-50%. Відзначимо, що дані характеристики не суперечать санітарно-гігієнічним вимогам СанПіН 2.2.4.548-96.

На рис. 4 наведено графіки залежності температури точки роси tр, оС від відносної вологості внутрішнього повітря при температурах від 13 до 18 ° С

Згідно СанПіН [10], для прохолодного періоду року на постійних і непостійних робочих місцях виробничих приміщень, для категорій робіт «важка» раціональні норми по температурі внутрішнього повітря і відносній вологості внутрішнього повітря складають 16-18 оС і 40-60% відповідно, де температура точки роси може змінюватися від 2,4 ° С до 10,1 ° С (див. графіки на рис. 4).

Згідно з положеннями СНіП 23-02-2003 головним аспектом застосовності тієї чи іншої будівельної конструкції в певному будівельно-кліматичному регіоні головним аспектом є величина приведеного опору теплопередачі в погодженні градусо-добами опалювального періоду даного регіону.

Випробувальні стенди, обладнання, контрольно-вимірювальні прилади

Для випробувань з визначення теплотехнічних рис секційних воріт використовувалася кліматична камера КТК-2007 НИИСФ. Камера пройшла встановлену функцію атестації у відповідних органах ФА «Ростехрегулювання». Основне призначення камутверждена в установленому порядку.

Вимірювач теплопровідності багатоканальний ІТП-2, внесений єри – тести повнорозмірних (4,0 х4, 0 м) фасадних, вітражних, віконних та інших світлопрозорих конструкцій, також склопакетів. Використовувані при випробуваннях прилади для вимірювання температури і щільності термічних потоків пройшли відповідну функцію повірки.

Методика проведення випробувань та вимірювання теплопровідності теплового опору конструкції відповідає вимогам ГОСТ 26254-84 і ГОСТ 26602.1-99, узгоджена і в Муніципальний реєстру засобів вимірювань.

Технічні властивості кліматичної камери КТК-2007

Спектр температур в "теплому" отделеніі18 ° С

Спектр температур в "прохолодному" відділенні-10 ° С до -45 ° С

Непостійність підтримки температури на більш + – плюс-мінус 1,0 ° С

Спектр регулювання відносної вологості повітря в "теплому" отделенііот 30 до 98%

Непостійність підтримки відносної влажностіне більш ± 5%

Внутрішні габаритні розміри камері4.0 х 4.0 х 4.0 м

Умови проведення та методика випробувань

Об'єкти випробувань

Випробувань піддавалися три типи секційних воріт:

тип «D» – ворота російського виробника «групи компаній DoorHan»;

тип «N1» – ворота виробника з Білорусії;

тип «N2» – ворота виробника з Німеччини.

У воротах типу «D» полотно зроблене з «сендвіч»-панелей розміром 575 мм, шириною 40 мм.

Ворота типів «N1» і «N2» подібні за власної конструкції воріт типу «D» крім «сендвіч»-панелей (без терморазрива). Розмір панелей воріт типу «N1» 625 мм, товщина 45 мм. Розмір панелей воріт «N2» 565 мм, товщина 42 мм.

Умови проведення випробувань

Після закінчення монтажу включалося холодильне обладнання та встановлювався такий режим, щоб перепад температур між прохолодним і теплим відділеннями камери становив більше 20 °. Після встановлення стаціонарного термічного режиму, який характеризується тим, що результати двох почергових, з інтервалом в 3 години, вимірювань температури на поверхнях воріт з боку теплого відділення не відрізнялися один від одного більш ніж на 0,3 ° С, а коливання вологості повітря в теплому відділенні камери становили менше 5%.

Проводилася контрольна тепловізіонная зйомка внутрішньої поверхні воріт за допомогою тепловізора ТН9100. Мета тепловізійної зйомки полягала у виявленні неоднорідних по температурі і відповідних зон тепловтрат для встановлення (вибору) схеми встановлення датчиків температури і щільності термічних потоків. Приклад панорамної термограмми наведені в роботі [1].

Після цього виконувалася установка датчиків температури і щільності термічних потоків.

Області установки датчиків:

верхній вузол примикання полотна воріт до косяка;

нижній вузол примикання полотна воріт до підлоги;

бічний вузол примикання;

міжпанельні з'єднання в центрі полотна і нижній половині, в тому числі, на поверхні внутрішніх петель;

посеред центральних панелей уздовж вертикальної осі розташування петель.

Наявні методики випробувань зовнішніх огороджувальних конструкцій, наведені в різних нормативних документах, що мають відношення до звичайних типів огороджувальних конструкцій (стінки, вікна, двері, перекриття). Дослідженої нами конструкцію можна віднести до типу рухливих огороджувальних конструкцій.

Даний тип конструкції в силу своїх багатофункціональних параметрів і призначення має завищену повітропроникність. Розміри і розподіл по поверхні таких конструкцій крайових і однорідних зон і однорідних по температурі зон, також аспекти їх визначення не досліджені.

У базу визначення теплозахисних властивостей досліджених конструкцій воріт різних виробників, за результатами їх випробувань, вживався підхід, викладений у ГОСТ 26602.1-99

Тести проводилися при різних температурах зовнішнього повітря (температура в прохолодному відділенні камери) з метою визначення залежності теплотехнічних рис конструкції, розмірів крайових та інших неоднорідних зон від градієнта зовнішньої і внутрішньої температур (температура в теплому відділенні камери).

Відразу з контактними вимірами (термопари і датчики термічних потоків) проводився контроль розподілу температур з впровадженням тепловізора, в якості незалежного способу.

Теплозахисні характеристики захисної конструкції розраховувалися на базі виміряних значень температур на зовнішній і внутрішній поверхні конструкції і термічних потоків методом визначення приведеного опору теплопередачі [2, 9] за формулою: де Rпр0 – приведений теплове опір перевіреного будівельної конструкції, м2 · ° С / Вт;

aв, aн – коефіцієнти тепловтрати внутрішньої і зовнішньої поверхонь конструкції.

Вимірювання температури і щільності термічних потоків проводять після встановлення стаціонарного режиму теплопередачі.

Rпр0 = 1 / a у + Rпрк + 1/ан

Режим теплопередачі слід вважати стаціонарним, якщо результати двох почергових, з інтервалом 3:00, вимірювання температури в деякій точці поверхні з боку теплого відділення не відрізняються один від одного більш ніж на 0,3 оС. При всьому цьому конфігурації вологості повітря в теплому відділенні камери становлять менше 5%.

Вимірювання температури і щільності термічних потоків проводять більше десяти разів після встановлення стаціонарного режиму.

Тести всіх типів воріт проводилося в чотирьох режимах (табліца. 3).

Як видно з вищенаведених даних, для режимів I-IV нам не вдалося втілити схожі умови за характеристиками локального клімату в теплому відділенні камери КТК-2007. Це пояснюється тим, що обладнання з регулювання та підтримання стабільних характеристик в теплому відділенні камери проектувалася для проведення лабораторних випробувань герметичних лад конструкцій, таких як: сучасні віконні блоки, фасадні модулі, склопакети.

Секційні ворота в силу власних багатофункціональних параметрів і області впровадження володіють завищеною повітропроникність. А саме по притвору полотна воріт до будівельної конструкції. Інфільтрація прохолодного повітря з прохолодного відділення в тепле і зустрічна ексфільтрація з теплого відділення в прохолодну через притвор і, особливо, через нижній вузол примикання полотна воріт до підлоги приміщення призводить до вихолажіванію теплої зони.

Висновки:

1. Проаналізовано конструкції сучасних секційних воріт із застосуванням полотна з «сендвіч»-панелей. У підсумку підготовчого розрахунку виявлено вплив терморазрива між внутрішнім і зовнішнім металевими листами «сендвіч»-панелі на розподіл температур в області міжпанельних з'єднань. Цей фактор є одним з визначальних по аспекту утворення конденсату на внутрішній поверхні полотна воріт у стику.

2. Розроблено методику проведення лабораторних випробувань з визначення приведеного опору теплопередачі секційних воріт, розподілу температур на їх внутрішній поверхні в спец кліматичної камери КТК-2007 НИИСФ РААБН.

3. Відзначено значимість обліку при визначенні теплотехнічних рис такого виду рухливих огороджувальних конструкцій, не тільки лише характеристик зовнішнього повітря, та й характеристик внутрішнього повітря приміщення.

4. Запропоновано застосування тепловізійного способу для отримання коректних експериментальних даних, виявлення крайових неоднорідних по температурі зон (областей тепловтрат), також вибору оптимальної схеми розстановки контактних датчиків.

Табл.3 Характеристики чотирьох режимів проведених випробувань

Температура повітря в прохолодному відділенні tн, ° СТемпература повітря в теплому відділенні tв, ° СОтносітельная вологість внутрішнього повітря, °,% Температура в точці роси ° С

1-10,019,745-507,4-9,2

2-17,817,045-505,0-6,5

3-27,314,345-502,6-4,0

4-35,613,345-500,7-2,2

Література

1. С.І. Тіхомірнов, А.А. Верховський. До питання про теплотехнічних властивостях секційних воріт ж. «Віконна і фасадна практика» № 9 жовтень 2008р. Стор. 28

2. СНиП 23-02-2003. Термічна захист будівель.

3. СП 23-101-2004. Проектування термічний захисту будівель.

4. ГОСТ31174-2003 Ворота.

5. Каталог комплектації секційних воріт DoorHan

6. СНіП23-01-99 * «Будівельна кліматологія»

7. Будівельна кліматологія. Довідковий посібник до СНиП 23-01-1 99 *. М., НИИСФ, 2006

8. СанПіН 2.2.4.548-96. Гігієнічні вимоги до локального клімату виробничих приміщень.

9. ГОСТ 26602.1-99 Блоки віконні та дверні. Способи визначення опору теплопередачі

10. СанПіН 2.2.4.548-96 Гігієнічні вимоги до локального клімату виробничих приміщень

11. МГСН 4.19-05

Джерело: gradostroitel.com.ua