Коефициент на повърхностно топлопредаване на материали за декоративно оформяне на ограждащи конструкции

Доц. д-р Светлана Джамбова, д-р арх. Огнян Симов, УАСГ Настоящата публикация отразява втора част на изследването на топлинните и излъчвателните характеристики на нови енергоефективни материали за повърхностно оформяне на ограждащи конструкции. Традиционните материали за повърхностно оформяне имат степен на излъчване в целия инфрачервен спектър (топлинно лъчение) около 0,9, което предполага фиксирана стойност за термичното съпротивление при повърхностния топлообмен. Такива фиксирани стойности са включени в таблици към нормативите. Енергийната ефективност на сградите и топлинният комфорт в тях изискват по-висока повърхностна температура на материалите за декоративно оформяне на ограждащите конструкции. В практиката се появяват все повече нови материали, чиято степен на излъчване е значително по-ниска от цитираната по-горе стойност, което е предпоставка за преизчисляване на коефициента за повърхностен топлообмен αi и отчитане по този начин на енергоспестяващия ефект от приложението им. Материали от този тип са нискоизлъчващи полимерни покрития, модифицирани термокерамични покрития с нискоемисионен (low-e) компонент, нискоизлъчващи фолиа и тапети. Повечето от тях са предназначени за декоративно оформяне на стените и на таваните в помещенията, а прозрачните – за инсталация върху остъклените части на ограждащата конструкция. В първата част на изследването (1) бяха установени и потвърдени ниските стойности на степента на излъчване ε (по-ниски от традиционната 0,9) на тези материали, както и ниските стойности на коефициента на топлопроводност λ на някои от тях. Ниската стойност на ε води до намаляване на радиационния компонент αрадиац. (αрадиац. = f (ε)) (2) на коефициента на топлопредаване на вътрешната повърхност, а оттам и на целия коефициент на топлопредаване αi, увеличавайки по този начин термичното съпротивление Ri = 1/αi в тази зона и намалявайки преминалия топлинен поток. Коефициентът на топлопредаване вътрешен въздух – стенна повърхност αi обаче съдържа още един компонент – конвекционния αконвекц. (αi = αконвекц. + αрадиац.), който остава неотчетен за новите материали. С тази цел предмет на втората част на изследването е директното експериментално измерване на пълната стойност на коефициента на топлопредаване на вътрешната повърхност α, [W/m2K] за същите материали по метода на директния топлинен поток. Експериментално измерване на пълната стойност на коефициентите на повърх­ностно топлопредаване α по метода на директния топлинен поток Измерванията се извършват с тестова постановка (3), която представлява въздушна камера, топлоизолирана от външната среда. Камерата е представена схематично на фиг. 1. Състои се от 2 части: зона на вътрешен въздух с температура, задавана и контролирана от първичен темпериращ контур, и зона на вторичния темпериращ контур. Тестваният тип материал (по 5 образеца от него) се намира на границата между двете зони и контактува с тях съответно с двете си повърхности. Материалът е нанесен съгласно препоръчваната за него технология върху основа от алуминиево самозалепващо се фолио. При подготовката за изпитания образците се залепват плътно върху датчици за топлинен поток. Фиг. 2 показва разположението на образците в камерата. Размерът на датчика е 11,9 mm на 46,2 mm. Чувствителността е 0,92 μV/(W/m2) при 25 °C. Измерването на параметрите от датчиците се извършва от компютърна конфигурация. Датчиците измерват директно плътността на топлинния поток q, преминаващ през тествания материал, във W/m2, поради което методът се нарича метод на директния топлинен поток. Тестовата постановка позволява реверсивни измервания, т.е. при температура на вътрешния въздух, по-висока или по-ниска от тази на външния вторичен контур. Снимка на датчика (4) е дадена на фиг. 3. Пълната стойност на коефициента на повърхностен топлообмен α се определя от формулата α = q/Δt [W/m2K], Δt = tp - tair, където tp е повърхностната температура на образеца, отчетена с датчик 7 на фиг. 1, а tair е температурата на вътрешния въздух, измерена с датчик 8 на същата фигура. Обработка и анализ на резултатите В табл. 1 са представени експерименталните стойности на коефициента на повърхностен топлообмен за изследваните 25 материала. Величината αср. е средната стойност за съответния материал, получена като средноаритметична стойност от измерените стойности на α за 5-те образеца от материала. Измерените стойности са в диапазона 2,662 – 2,788 W/m2K за нискоизлъчващи полимерни прозрачни или метализирани материали и 2,874 – 6,962 W/m2K за модифицирани термокерамични покрития с нискоемисионен компонент. Половината от получените стойности са нови, а останалите отлично се съгласуват със съществуващите в литературата референтни стойности. В последната колона са представени именно референтните стойности α' за част от материалите, получени от други автори. Средното процентно отклонение на настоящите измервания от тези на други автори варира от 0,03% до 0,47%, т.е. по-малко е от половин процент и само за един материал достига до 0,87% (позиция 2 от табл. 1). Това убедително свидетелства за високата точност на измерените стойности на α. Сравнението с резултатите от първата част на изследването за стойностите на степента на излъчване ε (част от αрадиац.) подкрепя предположението, че другата част на α, а именно αконвекц. също не е константа за тези нови групи наноматериали. Изчисляване на стойностите на термичните съпротивления R за различните групи материали Стойностите на термичните съпротивления R за различните групи материали са изчислени по дадената по-долу формула. Резултатите са закръглени с точност до третия знак. R=1/αср., m2K/W. За групата на нискоизлъчващи полимерни прозрачни материали стойностите варират в диапазона 0,359 – 0,380 m2K/W. За групата на нискоизлъчващи метализирани покрития диапазонът на получените стойности е 0,353 – 0,429 m2K/W. За последната група модифицирани термокерамични покрития с нискоемисионeн компонент стойностите на коефициента на повърхностен топлообмен принадлежат на интервала 0,353 – 0,358 m2K/W. За сравнение в Наредба №7 за вътрешни стени и тавани под неотопляеми помещения, обработени с традиционни декоративни материали, е фиксирана стойност за R = 1/αi = 0,13 m2K/W, т.е. αi = 7,69 W/m2K. Разликата в стойностите на R недвусмислено доказва енергоспестяващия потенциал на изследваните нанопокрития. Оценка на енергоспестяващия ефект на покритията Получените резултати за коефициента на повърхностно топлопредаване α и термичното съпротивление R на тестваните образци, съчетани и с резултатите за ε и λ от първата част на изследването, позволяват разглежданите материали за повърхностно оформяне да се класифицират в 3 основни групи: Група 1. Материали за екраниране на инфрачервено лъчение в необитаеми таванни, покривни пространства и въздушни кухини на конструкциите Външният вид на материалите в групата се характеризира със специфична метализирана, най-често сребриста или златиста блестяща повърхност. Приложението им в интериора е ограничено в пространства зад радиатори и други нагревателни уреди. Те са алтернатива в топлотехническо отношение на алуминиевото фолио (ε = 0,03), като в приложението си предлагат някои предимства. В групата съществуват две подгрупи: Група 1.1. Метализирани фолиа и меки гъвкави плоскости (позиции 1, 2 и 3 на табл. 1). Дебелината им варира от 0,2 до 4 mm, като тези с по-голяма дебелина са многослойни и включват затворени въздушни кухини. Те съчетават ниска топлопроводност (λ в границите 0,035 – 0,05 W/m2K) с много ниска степен на излъчване (0,04 – 0,06). Благодарение на това съчетание те превъзхождат в топлоизолационно отношение алуминиевото фолио и са най-ефективните в топлотехническо отношение нискоизлъчващи материали със сериозен енергоспестяващ потенциал. Стойностите на термичното им съпротивление са високи от 0,363 до 0,429 m2K/W. Освен това те се отличават и с много добри якостни качества и еластичност. Недостатък е невъзможността им за директно използване за изолация на видимите повърхности в интериора поради външния им вид и комплицирания монтаж в тесни пространства и върху повърхности със сложна конфигурация. Група 1.2. Метализирани покрития, нанасящи се под формата на спрейове и бои (поз. 7, 8 и 16 на табл. 1). Формират сребриста или златиста блестяща повърхност и дебелината на активния слой след изсъхване е от порядъка 0,15 – 0,25 mm. Притежават ниска степен на излъчване (0,22 – 0,26), но сравнително по-висока в сравнение с материалите от първата подгрупа. Топлопроводността им е висока (λ>1), но поради малката им дебелина това няма съществено значение при формиране на термичното им съпротивление, което е високо, със средна стойност 0,355 m2K/W. Те могат да се нанасят в тесни пространства и повърхности със сложна конфигурация, като нискоизлъчващият филм е непрекъснат и равномерен. Група 2. Материали за екраниране на инфрачервено лъчение през прозрачни повърхности Това са метализирани прозрачни фолиа (позиции 11, 12 и 13 на табл. 1). Дебелината на металния филм, който екранира инфрачервеното излъчване, е много малка – няколко микрона. Поради това те пропускат 75% – 80% от лъчите на видимия спектър, а екранират почти напълно инфрачервеното лъчение. Степента на излъчване е много ниска – от 0,06 до 0,09. На външен вид са подобни на слънцезащитните прозрачни фолиа, но в топлотехническо отношение се различават от тях. Слънцезащитните фолиа ефективно рефлектират слънчевата радиация (до 5 μm дължина на вълната), докато изследваните материали запазват ниска степен на излъчване и висока рефлексия в инфрачервения спектър до 20 μm и повече. Това ги прави ефективни както за предпазване от слънчево прегряване през лятото, така и за намаляване на топлинните загуби през зимата. Термичното им съпротивление е с големина от 0,359 до 0,380 m2K/W. Монтажът на фолиата се извършва по специфични, но неособено сложни технологии: при еднослойни витрини от дебело стъкло или стъклопакети – отвътре към помещението, а при двукатно остъкляване или слепени прозорци – върху вътрешното стъкло от страната на въздушната междина между двете крила. Група 3. Материали за интериорно и екстериорно покритие на ограждащи конструкции, намаляващи повърхностния топлообмен Към тази група се отнасят всички останали материали от табл. 1. Те трябва едновременно да изпълняват топлотехнически и декоративни функции, понеже са последен слой върху ограждащата конструкция (5). Повечето покрития в тази група са бели, като е допустимо слабо оцветяване до определена наситеност с пигмент. Физическият модел, по който функционират този тип покрития, се характеризира със сполучливо съчетание на ниска степен на излъчване (около 0,4 за най-добрите представители на групата) и ниска топлопроводност (от 0,045 до 0,090 W/m2K) преди всичко за интериорните варианти). Стойностите на термичното им съпротивление се менят според материала от 0,144 до 0,348 m2K/W. Сравнително ниската топлопроводност има преди всичко антикондензни и противоплесенни функции. Основният енергоспестяващ ефект (6) се реализира чрез намаляване на повърхностния топлообмен (до около 35%) благодарение на ниската степен на излъчване и високото термично съпротивление. Изследванията са финансирани по договор № БН-141/12 с ЦНИП при УАСГ. ЛИТЕРАТУРА 1. Джамбова, С., О. Симов. Степен на излъчване и коефициент на топлопроводност на материали за повърхностно оформяне на ограждащи конструкции. С.: Годишник на УАСГ 2012 – 2013. Св. 8. Научни изследвания, 2012, 31 – 36. ISSN 1310-814X. 2. Симов, О. Топлотехнически покрития – приложение в архитектурата и строителството. Дисертационен труд. С.: 2010. 3. Chandrasekhar, P., B. J. Zay, T. McQueeney, D. A. Ross, A. Lovas, R. Ponnappan, C. Gerhart, T. Swanson L. Kauder, D. Douglas, W. Peters, and G. Birur. Variable Emittance Materials Based on Conducting Polymers for Spacecraft Thermal Control. AIP Conference Proceedings 654, Melville, New York, 2003, pp. 157 – 161. 4. Kislov, N., H. Groger, and R. Ponnappan. All-Solid-State Electrochromic Variable Emittance Coatings for Thermal Management in Space. AIP Conference Proceedings 654, Melville, New York, 2003, pp. 172 – 179. 5. Джамбова, С. Термопокритията – кога и как да ги прилагаме. – Списание за стъкла, дограма, фасади, бр. 8, 2005, 10 – 11. 6. Djambova, S. T., O. Simov. The finishing touch for better energy efficiency of episodically used masonry wall single family houses. Proceedings of the Second International Conference on Structures and Architecture, Guimaraes, Portugal 24-26 July 2013, p. 629 – 631. ISBN: 978-0-415-66195-9.