RSS

Исследование теплотехнической неоднородности стеклопакетов.

14:23 17.07.2018

Стеклопакеты получили повсеместное распространение и являются неотъемлемой частью различных типов современных светопрозрачных ограждающих конструкций: жилых домов и общественных зданий, высотных и уникальных зданий (например, башни комплекса «Москва-Сити»); применяются в вагонах поездов, в общественном транспорте и т.п. В этой связи мониторинг теплотехнических неоднородностей стеклопакетов (при разности температур внутреннего и наружного воздуха) от которых зависят их теплозащитные свойства, крайне важен.

Сотрудники отдела экспертиз зданий и сооружений на соответствие теплотехническим и акустическим требованиям ГБУ «ЦЭИИС» осуществляют госработу 1.12.1 «Оценка показателей энергоэффективности объектов капитального строительства по результатам комплексного инструментального обследования теплозащитной оболочки зданий на базе тепловизионного метода требованиям технических регламентов и проектной документации» и 1.12.2 «Оценка соответствия приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной строительной конструкции в натурных условиях требованиям технических регламентов и проектной документации».

В процессе исследований или определения теплотехнических показателей окон мы периодически сталкиваемся с явлением аномального распределения температур по стеклопакету.

По ГОСТ 26602.1-99 «БЛОКИ ОКОННЫЕ И ДВЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ» различают и определяют большую зону в центре стеклопакета и зоны, расположенные по краям. Для удобства рассмотрения различных типов распределений температур на поверхности стеклопакета назовем их соответственно: центральная, верхняя краевая, боковая краевая и нижняя краевая зона (рис.1).

Рис. 1 Зоны стеклопакета согласно ГОСТ 26602.1-99 и введенным обозначениям. Размеры в мм.

Пример типового распределения температур на внутренней поверхности в центральной и боковых краевых зонах стеклопакета (без явных дефектов) показано на рис. 2. При этом температурный перепад между температурами наружного

(text= -8оС) и внутреннего (tint= +20оС) воздуха составлял 28оС.

Рис. 2Термограмма. Типовое распределение температур по высоте в направлении «сверху вниз» на поверхности центральной (линия 1) и боковой краевой зоны (линия 2) стеклопакета. Вид со стороны помещения.

На графике термограммы (рис. 2) видно, что в целом температуры на всем участке линии 1 (черным на графике) в центральной зоне типового стеклопакета выше, чем в краевой (линия 2,красным на графике). Минимальные температуры на поверхности наблюдаются ближе к нижней угловой зоне на заключительном фрагменте графика. Вывод: в случае типового стеклопакета центральная зона со стороны помещения теплее краевой по вертикали. Минимальные температуры стеклопакета наблюдаются в зоне нижнего угла.

Однако в некоторых случаях (рис. 3) распределение температур на поверхности стеклопакета становится аномальным. Такое поведение распределения температур в узких кругах называют «линзой», а сами стеклопакеты – «стеклопакеты с линзами», у которых на термограмме видно характерное пятно теплотехнической неоднородности по центру стеклопакета (рис.3).

Рис. 3 Термограмма. Распределение температур по высоте в направлении «сверху вниз» центральной (линия 1) и боковой краевой зоны (линия 2) стеклопакета с «линзой». Вид со стороны помещения.

На рис.3 представлена термограмма светопрозрачной конструкции при температурном перепаде между температурами наружного (text = -5 оС) и внутреннего (tint=+19оС) воздуха 24 оС. На графике термограммы видно, что температуры на рассматриваемом участке центральной зоны (линии 1, черным на графике) стеклопакета ниже чем на параллельном участке по вертикали в краевой боковой зоне (линия 2, красным на графике) и достигают минимума в центре стеклопакета (характерное голубое пятно на термограмме). Вывод: в отличие от типового стеклопакета без явных дефектов в случае стеклопакета с «линзой» на поверхности со стороны помещения наблюдаются характерная зона пониженных температур по центру стеклопакета.

Причина образования линз.

Согласно закону Гей-Люссака «Для одной массы газа при постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры газа» (рис.4).

Рис. 4 График изобарического процесса.

Рассмотрим простейший случай – однокамерный стеклопакет в условиях постоянного атмосферного давления. Поскольку стеклопакет является герметичной конструкцией, масса газа внутри его камеры постоянна. При понижении температуры газа (аргон или воздух) внутри стеклопакета (вследствие воздействия наружных температур, отличных от температуры газа внутри стеклопакета на момент его цехового изготовления) объем газа внутри стеклопакета уменьшается. Это приводит, при зафиксированных стеклах по краям, к втягиванию стекол внутрь с максимумом по центру и образованию "линз" (рис.5). Чем больше температура цехового изготовления стеклопакета, чем меньше температура наружного воздуха в конкретных условиях эксплуатации тем прогиб стекла будет больше.

Рис.5 Вид стеклопакета в разрезе. Жирным – на момент цехового изготовления. Пунктиром – положение стекол при понижении температуры газа внутри относительно температуры цехового изготовления стеклопакета.

Межстекольные расстояния центра стеклопакета относительно края становятся минимальными, что в некоторых случаях может привести к появлению в центре зоны пониженных температур со стороны помещения, зоны повышенных температур со стороны улицы. При повышении температуры газа внутри стеклопакета все происходит с точностью до наоборот, таким образом, стекла постоянно находятся в движении.

Существуют и другие причины, влияющие на распределение температур по поверхности стеклопакета, которые требуют дополнительного изучения.

Примеры образования «линз» и зон повышенных температур на стеклопакетах при различных температурах внутреннего и наружного воздуха, обнаруженные при наружной тепловизионной съемке (рис. 6-7).

Рис. 6 Пятна «линз», наблюдаемые с уличной стороны в центральной зоне ряда стеклопакетов. Температура в центре стеклопакета с «линзой»выше на 6оС, чем у другого на той же высоте.

Рис. 7 Пятно «линзы», наблюдаемое с уличной стороны в центральной зоне стеклопакета большего размера. Температура в центре стеклопакета с «линзой» выше на 3оС, чем у другого той же конструкции.

Как видно из термограмм (рис. 6-7) значения температур в центральной зоне стеклопакета с «линзой» при съемке в помещении и на улице отличаются: в помещении (рис. 3 и рис. 8) мы наблюдаем пониженные значения температур относительно краевых зон, с улицы – повышенные. Чем это плохо, к чему может все это привести?

1.) Наличие повышенных теплопотерь через центральную зону стеклопакета. В норме, если стеклопакет качественно спроектирован и сертифицирован для применения в конкретных климатических условиях, быть не должно, т.е. стеклопакет «не работает как надо». В ряде случаев «линзы» приводят к снижению приведенного сопротивления теплопередаче стеклопакетов, а, следовательно, при наличии высокой степени остекления, и всей конструкции, снижая ее теплозащитные свойства и применимость.

2.) Пониженные значения температур на поверхности стеклопакета со стороны помещения в отопительный период при определенной влажности внутреннего воздуха могут привести к выпадению конденсата в центральной зоне (запотевание), а это уже является снижением его потребительских качеств.

3.) Появление оптических искажений стеклопакета. В холодный период года (в ряде случаев это можно заметить на стеклопакетах высотных зданий по искажению отражений контуров близлежащих объектов). По ГОСТ 24866-2014 п.5.1.6. «Под углом 90 градусов от наблюдателя и под углом не более 30 градусов от линии просмотра оптические искажения не допускаются».

4.) Разгерметизация стеклопакета с образованием трещин (в случае образования достаточно больших прогибов стекла).

Стеклопакет может не соответствовать требованиям ГОСТ’ов в конкретных условиях эксплуатации.

Методы исследования теплотехнических неоднородностей стеклопакетов.

Помимо тепловизионного обследования для первичной диагностики и обнаружения дефектов снаружи (рис.6-7) и изнутри помещения (рис.2-3 и рис.8), теплотехнические неоднородности стеклопакета можно обнаружить и исследовать:

- определением структуры стеклопакета в центре и в боковой краевой зоне с помощью детектора для определения структуры стекла (рис.9). Высокие значения суммарного прогиба стеклопакета по центру относительно краевых значений при наличии перепада температур внутреннего и наружного воздуха и есть основная причина появления «линз» и теплотехнических неоднородностей центральной зоны.

- расположением датчиков измерительного оборудования в каждой из зон стеклопакета (рис. 10-11) снаружи и изнутри помещения с последующей обработкой полученных экспериментальных данных. Данный метод более точного измерения значений температур в точках (по отношению к тепловизионной съемке) а также тепловых потоков применяется для оценки всей конструкции с определением приведенного сопротивления теплопередачи (не только стеклопакета) и на соответствие строительным нормативам и требованиям проектной документации.

Рис.8 Тепловизионное исследование светопрозрачной конструкции