Исследования теплотехнических характеристик секционных ворот при низких температурах наружного воздуха

В нашей прошлой статье [1] мы рассматривали секционные ворота с панелями "сэндвич", которые в настоящее время широко используются в качестве подвижных ограждающих конструкций в современных зданиях и сооружениях различного назначения. К нашему сожалению, сейчас нет теплофизической модели секционных ворот, которая позволила бы провести корректную оценку теплопередачи ворот в целом, согласно требованиям нормативных документов (НТД) (СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" [2], СП 23-101-2004 "Проектирование тепловой защиты зданий" [3]) как единой строительной конструкции, состоящей из различных конструктивных узлов и элементов (см. например, [4-5]).

Введение

В рекламных материалах зарубежных производителей ворот приводятся данные по величине коэффициента теплопередачи (теплопроводности) U, Вт/м2·оК секционных ворот с полотном из «сэндвич»-панелей, который составляет 1,64-0,98 Вт/м2·оК в соответствии с DIN4108. Если не учитывать краевые эффекты и принять, что приведённое сопротивление теплопередаче ворот в целом R0прив= 1/U, то R0прив в этом случае будет равно 0,61-1,02 Вт/м2·оС. Вышеприведённые значения U даны для ворот площадью от 16м2 до 25 м2 и не подтверждены никакими документами, подтверждающими определения этих показателей в результате прямых лабораторных испытаний.

В связи с вышесказанным, представляло интерес решить эту проблему по определению теплотехнических характеристик такого вида ограждающей подвижной встроенной конструкции, как секционные ворота, путем комплексных теоретических и экспериментальных исследований.

Совместно и при технической поддержке группы компаний «DoorHan» для исследования и испытаний было представлено три типа секционных ворот различных производителей: производитель из Белоруссии (до 20% российского рынка), производитель из Германии (около7 %) и отечественный производитель «DoorHan» (65 %).

Цель работы

1. Разработка и постановка методики лабораторных испытаний полноразмерных  конструкций секционных ворот в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации при температурах холодного периода года от -10 до -40 оС.

2. Создание на основе результатов испытаний адекватной теплофизической модели секционных ворот, как единой строительной конструкции с целью последующего расчёта приведённого сопротивления теплопередаче.

3. Сравнение теплотехнических характеристик ворот различных производителей по приведённому сопротивлению теплопередаче и условию выпадения/невыпадения конденсата на внутренней поверхности ворот на соответствие требованиям НД и определение возможной области применения в строительстве.

4. Разработка рекомендаций по оптимизации конструкции секционных ворот с целью повышения их теплозащитных характеристик.

Особенности конструкции «сэндвич»-панелей секционных ворот различных производителей

Секционные ворота с полотном из «сэндвич»-панелей устанавливаются, как правило, в проеме наружных стен зданий и обеспечивают функциональную связь между внутренним помещением здания и прилегающей территории.

Конструктивные и иные требования к секционным воротам нормированы в ГОСТ 31174.

По своей конструкции и функциональным свойствам секционные ворота различных производителей аналогичны друг другу, однако имеются некоторые, весьма важные различия.

В конструкции полотна секционных ворот производители применяют различные виды «сэндвич»-панелей, отличающиеся по толщине и технологии изготовления. «Сэндвич»-панель состоит из двух, внешней и внутренней, металлических оболочек, изготовленных из профилированного стального листа с полимерным покрытием толщиной 0,45-0,5 мм. Пространство между панелями заполняется пенополиуретаном для придания готовой панели необходимых прочностных и теплозащитных свойств. Специальные стыковочные выступы/пазы по краям панели, обеспечивают плотное, надежное и подвижное соединение панелей в составе полотна ворот (см. рис. 1).

«Сэндвич»-панели условно можно разделить на два типа:

1 – «сэндвич»-панели с завальцованными по краям металлическими листами. При этом внешний и внутренний листы металла представляют собой единую конструктивно металлическую оболочку.

2 – «сэндвич»-панели с терморазрывом. При этом внешний и внутренний листы металла не соединяются между собой.

Подавляющее большинство Европейских производителей секционных ворот применяют в своих конструкциях «сэндвич»-панели типа 1. Такие ворота в условиях достаточно мягкого климата Центральной и Западной Европы хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации.

Опыт их применения в климатических условиях России оказался менее успешным. Замкнутая металлическая оболочка панели, являясь «мостиком холода», приводит к значительным дополнительным потерям тепла в холодный период года, промерзанию межпанельных стыков, образованию конденсата, инея и наледи на внутренней поверхности ворот.

Практический опыт применения панелей типа 2 с терморазрывом в конструкции полотна секционных ворот для российских условий оказалось более успешным. Кроме того, толщина «сэндвич»-панели у различных производителей может изменяться от 20 до 45 мм, а размер панелей от 400 до 650 мм, что также необходимо учитывать при проектировании полотна ворот.

Предварительные расчёты распределения температурных полей межпанельных стыков полотна ворот

Для определения температурных полей и их анализа с целью соответствия нормам проектирования предварительно были выполненены расчты на ЭВМ с использованием программного комплекса Window.

Исследования заключались в построении математической модели двухмерного процесса теплопередачи через ограждение с последующим расчетом полей температуры и тепловых потоков в конструкции. По полученным расчетным данным строились графики распределения температуры по толщине конструкции.

Для сопоставимости результатов расчетов теплового режима теплофизические характеристики составляющих их материалов были приняты в соответствии с Приложением к СП23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий [3]» и библиотекой материалов программы Window.

Для расчетов были приняты следующие граничные условия.

Температура воздуха внутри помещения tв = 16 оC, коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции aв= 8,7 Вт/м2 0C. Температура наружного воздуха tн = -28 0C, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции aн= 23,0 Вт/м2 0C. Температура наружного воздуха принята по СНиП 23-01-99 [6], как температура наиболее холодной пятидневки для города Москвы. Согласно положениям СНиП 23-02-2003 [2] «Тепловая защита зданий», температура непрозрачных элементов ограждающих конструкций зданий должна быть не ниже точки росы при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период года.

На рис. 2 представлены расчетные температурные поля узла подвижного соединения смежных панелей полотна ворот при заданных условиях. Из результатов расчета следует, что минимальная температура на внутренней поверхности составляет 4,1 0C, температура на внутренней поверхности в однородной зоне панели 9,3 0C. Минимальная температура в воздушной полости стыка панели составляла 0,8 0C.

Полученные результаты расчета показали, что на внутренней поверхности полотна на участке стыка возможно выпадение конденсата при влажности внутреннего воздуха свыше 42 %. Согласно требованиям СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», температура точки росы принимается при расчетной относительной влажности внутреннего воздуха jв = 55%, что при температуре внутреннего воздуха tв = 16 0C составит tр = 7 0C.

Внесение конструктивных изменений в стык путем увеличения зазора с внутренней стороны панели не привело к положительному эффекту по температуре. Увеличение размера терморазрыва между наружной и внутренней оболочками «сендвич»-панели до 6 мм приводит к повышению внутренней температуры в полости до 6 0C. Участок температуры менее 7 0C составляет не более 5 мм. Температура на внутренней поверхности в однородной зоне панели составляет 9,7 оС (см. рисунок 3).

По результатам предварительного расчета сопротивление теплопередаче центральной части панели составляет 1,04 м2 0C/Вт.

По результатам предварительного расчёта можно сделать следующие выводы:

1. Минимальная температура на внутренней поверхности пространства межпанельных стыков может быть ниже температуры точки росы. Внесение конструктивных изменений в стык путем увеличения зазора в стыке с внутренней стороны панели, не приводит к положительному результату.

2. Увеличение размера терморазрыва между наружной и внутренней оболочками «сендвич»-панели приводит к повышению внутренней температуры в полости, но не исключает вероятного выпадения конденсата.

3. Для проведения корректного расчета температурных полей необходимо уточнить теплопроводность пенополиуретана, а также провести прямые лабораторные испытания ограждающей конструкции в целом.

Факторы, определяющие теплотехнические характеристики

Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций зависят, в первую очередь, от следующих факторов:

• от климатических параметров региона строительства в холодный период года (температуры наиболее холодной пятидневки tн, 0С по СНиП23-01-99 «Строительная климатология» [6] и [7]);
• от температуры и относительной влажности внутреннего воздуха в помещении [8];
• от технических решений, реализованных в конструкции.

Помимо Roприв теплотехнические характеристики полотна (и ворот в целом) определяются значением температуры на его внутренней поверхности, которая должна быть такой, чтобы не создавались условия выпадения конденсата на панелях полотна ворот, а также несущих элементах обрамления, стыках (монтажных швах) конструкции ворот со стеновым проемом и других конструктивных элементах. Требования по этому показателю нормированы в СНиП 23-02-2003 [2]. При проектировании зданий (сооружений) для конкретного строительно-климатического региона важно учитывать не только параметры наружного воздуха по строительным нормам [6] , но и теплотехнические характеристики применяемых строительных конструкций и материалов.

Высокие теплозащитные свойства ограждающих конструкций оказывают положительное влияние на реализацию комфортных условий внутри помещения и в летний период года, защищая помещение от перегрева.

Как уже было отмечено выше, при определении теплотехнических характеристик ограждающих конструкций необходимо учитывать и параметры внутреннего воздуха помещения. В соответствии с санитарно-гигиеническими нормами [8] для производственных помещений оптимальной нормой по температуре tв и относительной влажности внутреннего воздуха j,% в холодный периода года и различных категорий работ является:

• температура, tв, оС = 16 – 20;
• влажность, j,% = 40 – 60.

В приведенном ниже анализе и расчетах теплотехнических характеристик секционных ворот мы задаемся следующими параметрами внутреннего воздуха: температура +16 оС, относительная влажность – 40-50 %. Отметим, что данные параметры не противоречат санитарно-гигиеническим требованиям СанПиН 2.2.4.548-96.

На рис. 4 приведены графики зависимости температуры точки росы tр, оС от относительной влажности внутреннего воздуха при температурах от 13 до 18 оС

В соответствии с СанПиН [10], для холодного периода года на постоянных и непостоянных рабочих местах производственных помещений, для категорий работ «тяжелая» оптимальные нормы по температуре внутреннего воздуха и относительной влажности внутреннего воздуха составляют 16-18 оС и 40-60% соответственно, где температура точки росы может изменяться от 2,4 оС до 10,1 оС (см. графики на рис. 4).

Согласно положениям СНиП 23-02-2003 основным критерием применимости той или иной строительной конструкции в конкретном строительно-климатическом регионе основным критерием является величина приведенного сопротивления теплопередаче в соответствии градусо-сутками отопительного периода данного региона.

Испытательные стенды, оборудование, контрольно-измерительные приборы

Для испытаний по определению теплотехнических характеристик секционных ворот использовалась климатическая камера КТК-2007 НИИСФ. Камера прошла установленную процедуру аттестации в соответствующих органах ФА «Ростехрегулирование». Основное назначение камутверждена в установленном порядке.

Измеритель теплопроводности многоканальный ИТП-2, внесен еры – испытания полноразмерных (4,0х4,0 м) фасадных, витражных, оконных и других светопрозрачных конструкций, а также стеклопакетов. Применяемые при испытаниях приборы для измерения температуры и плотности тепловых потоков прошли соответствующую процедуру поверки.

Методика проведения испытаний и измерения теплопроводности термического сопротивления конструкции соответствует требованиям ГОСТ 26254-84 и ГОСТ 26602.1-99, согласована и в Государственный реестр средств измерений.

Технические характеристики климатической камеры КТК-2007

Условия проведения и методика испытаний

Объекты испытаний

Испытаниям подвергались три типа секционных ворот:

• тип «D» - ворота отечественного производителя «группы компаний DoorHan»;
• тип «N1» - ворота производителя из Белоруссии;
• тип «N2» - ворота производителя из Германии.

В воротах типа «D» полотно изготовлено из «сэндвич»-панелей  размером 575 мм, толщиной 40 мм.

Ворота типов «N1» и «N2» аналогичны по своей конструкции воротам типа «D» за исключением «сэндвич»-панелей (без терморазрыва). Размер панелей ворот типа «N1» 625 мм, толщина 45 мм. Размер панелей ворот «N2» 565 мм, толщина 42 мм.

Условия проведения испытаний

После завершения монтажа включалось холодильное оборудование и устанавливался такой режим, чтобы перепад температур между холодным и теплым отделениями камеры составлял не менее 20 оС. После установления стационарного теплового режима, характеризующегося тем, что результаты двух последовательных, с интервалом в 3 часа, измерений температуры на поверхностях ворот со стороны теплого отделения не отличались друг от друга более чем на 0,3 оС, а колебания влажности воздуха в теплом отделении камеры составляли не более 5%.

Проводилась контрольная тепловизионная съемка внутренней поверхности ворот с помощью тепловизора ТН9100. Цель тепловизионной съёмки состояла в выявлении неоднородных по температуре и характерных зон теплопотерь для установления (выбора) схемы установки датчиков температуры и плотности тепловых потоков. Пример панорамной термограммы приведен в работе [1].

После чего производилась установка датчиков температуры и плотности тепловых потоков.

Области установки датчиков:

• верхний узел примыкания полотна ворот к притолоке;
• нижний узел примыкания полотна ворот к полу;
• боковой узел примыкания;
• межпанельные стыки в центре полотна и нижней половине, в том числе, на поверхности внутренних петель;
• в середине центральных панелей вдоль вертикальной оси расположения петель.

Существующие методики испытаний наружных ограждающих конструкций, приведенные в различных нормативных документах, имеют отношение к традиционным типам ограждающих конструкций (стены, окна, двери, перекрытия). Исследованную нами конструкцию можно отнести к типу подвижных ограждающих конструкций.

Данный тип конструкции в силу своих функциональных свойств и назначения обладает повышенной воздухопроницаемостью. Размеры и распределение по поверхности таких конструкций краевых и однородных зон и однородных по температуре зон, а также критерии их определения не изучены.

В основу определения теплозащитных свойств исследованных конструкций ворот различных производителей, по результатам их испытаний, использовался подход, изложенный в ГОСТ 26602.1-99

Испытания проводились при различных температурах наружного воздуха (температура в холодном отделении камеры) с целью определения зависимости теплотехнических характеристик конструкции, размеров краевых и других неоднородных зон от градиента наружной и внутренней температур (температура в тёплом отделении камеры).

Одновременно с контактными измерениями (термопары и датчики тепловых потоков) проводился контроль распределения температур с использованием тепловизора, в качестве независимого метода.

Теплозащитные свойства ограждающей конструкции рассчитывались на основе измеренных значений температур на внешней и внутренней поверхности конструкции и тепловых потоков путем определения приведенного сопротивления теплопередачи [2, 9] по формуле: где Rпр0 — приведенное термическое сопротивление испытуемой строительной конструкции, м2·оС/Вт;

aв, aн — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей конструкции.

Измерения температуры и плотности тепловых потоков производят после установления стационарного режима теплопередачи.

Rпр0= 1/a в + Rпрк + 1/ан

Режим теплопередачи следует считать стационарным, если результаты двух последовательных, с интервалом 3 часа, измерений температуры в некоторой точке поверхности со стороны теплого отделения не отличаются друг от друга более, чем на 0,3 оС. При этом изменения влажности воздуха в теплом отделении камеры составляют не более 5%.

Измерения температуры и плотности тепловых потоков проводят не менее десяти раз после установления стационарного режима.

Испытания всех типов ворот проводилось в четырех режимах (таблица. 3).

Как видно из вышеприведенных данных, для режимов I-IV нам не удалось реализовать одинаковые условия по параметрам микроклимата в теплом отделении камеры КТК-2007. Это объясняется тем, что оборудование по регулированию и поддержанию стабильных параметров в теплом отделении камеры проектировалась для проведения лабораторных испытаний герметичных строительных конструкций, таких как: современные оконные блоки, фасадные модули, стеклопакеты.

Секционные ворота в силу своих функциональных свойств и области применения обладают повышенной воздухопроницаемостью. В частности по притвору полотна ворот к строительной конструкции. Инфильтрация холодного воздуха из холодного отделения в теплое и встречная эксфильтрация из теплого отделения в холодное через притвор и, особенно, через нижний узел примыкания полотна ворот к полу помещения приводит к выхолаживанию теплой зоны.

Выводы:

1. Проанализированы конструкции современных секционных ворот с применением полотна из «сэндвич»-панелей. В результате предварительного расчета выявлено влияние терморазрыва между внутренним и внешним металлическими листами «сэндвич»-панели на распределение температур в области межпанельного стыка. Этот фактор является одним из определяющих по критерию образования конденсата на внутренней поверхности полотна ворот в стыке.

2. Разработана методика проведения лабораторных испытаний по определению приведенного сопротивления теплопередачи секционных ворот, распределения температур на их внутренней поверхности в специализированной климатической камеры КТК-2007 НИИСФ РААСН.

3. Отмечена важность учета при определении теплотехнических характеристик такого вида подвижных ограждающих конструкций, не только параметров наружного воздуха, но и параметров внутреннего воздуха помещения.

4. Предложено применение тепловизионного метода для получения корректных экспериментальных данных, выявления краевых неоднородных по температуре зон (областей теплопотерь), а также выбора оптимальной схемы расстановки контактных датчиков.

Табл.3 Параметры четырех режимов проведенных испытаний

Литература

1. С.И. Тихомирнов, А.А. Верховский. К вопросу о теплотехнических характеристиках секционных ворот ж. «Оконная и фасадная практика» №9 октябрь 2008г. Стр. 28

2. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

3. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.

4. ГОСТ31174-2003 Ворота металлические.

5. Каталог комплектации секционных ворот DoorHan

6. СНиП23-01-99* «Строительная климатология»

7. Строительная климатология. Справочное пособие к СНиП 23-01-1 99*. М., НИИСФ, 2006

8. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

9. ГОСТ 26602.1-99 Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередачи

10. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений

11. МГСН 4.19-05

Подготовлено ГК DoorHan