15. Термическое сопротивление воздушных прослоек

15.1. Общие положения

Передача теплоты воздушными прослойками происходит иначе, чем в телах твердых и сыпучих. Термическое сопротивление слоя, состоящего из твердого или сыпучего материала, прямо пропорционально его толщине, а следовательно, количество теплоты, проходящей через слой, при постоянной разности температур на его поверхностях обратно пропорционально его толщине. Для воздушной прослойки такой пропорциональности не существует. В твердом материале передача теплоты происходит только теплопроводностью, в воздушной прослойке к этому присоединяется еще передача теплоты конвекцией и излучением. Таким образом, если полное количество теплоты, проходящей через 1 м² вертикальной воздушной прослойки в течение 1 ч, обозначим Q, то на основании сказанного можно написать:

, (15.1)

где — количество теплоты, передаваемой теплопроводностью, Вт/м²; — количество теплоты, передаваемой конвекцией, Вт/м²; — количество теплоты, передаваемой излучением, Вт/м².

Передача теплоты теплопроводностью подчиняется закону передачи теплоты

в твердом теле и может быть выражено формулой:

, (15.2)

где — коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха Вт/(м°С) (при температуре 0 =0,023 Вт/(м°С)); — толщина прослойки, м.,

— температуры на ограждающих поверхностях, причем , .

Конвекция воздуха в прослойке возникает вследствие разности температур на ее поверхностях и имеет характер естественной конвекции. При этом у поверхности с более высокой температурой воздух нагревается и движется в направлении снизу вверх, а у более холодной поверхности охлаждается и движется в направлении сверху вниз. Таким образом, в вертикальной воздушной прослойке создается постоянная циркуляция воздуха.

Количество теплоты, передаваемой конвекцией может быть определено по формуле:

, (15.3)

где — условный коэффициент, называемый коэффициентом передачи теплоты конвекцией, Вт/(м°С).

В отличие от обычного коэффициента теплопроводности этот коэффициент не является постоянной величиной, а зависит от толщины прослойки, температуры воздуха в ней, разности температур на поверхностях прослойки и расположения прослойки в ограждении.

Для вертикальных прослоек значения величин коэффициентов даны в табл. 15.1 в зависимости от толщины прослойки и разности температур на ее поверхностях . Влияние температуры воздуха в пределах от +15 до -10 °С на теплопередачу конвекцией не превышает 5 %, а поэтому им можно пренебречь.

Табл. 15.1 показывает, что коэффициент передачи теплоты конвекцией возрастает с увеличением толщины прослойки. Это возрастание объясняется тем, что в тонких прослойках восходящий и нисходящий токи воздуха взаимно тормозятся и в очень тонких прослойках (меньше 5 мм) величина становится равной нулю. С увеличением толщины прослойки, наоборот, конвекционные токи воздуха становятся более интенсивными, увеличивая значение . С увеличением разности температур на поверхностях прослойки величина возрастает вследствие повышения интенсивности конвекционных токов в прослойке.

Таблица 15.1

Значения величин при температуре воздуха 0 °С для вертикальных воздушных прослоек в зависимости от толщины прослойки и разности температур на ее поверхностях

, °С	Значения , Вт/(м°С), при , см
	1	2	3	5	7	10	12	15	20	25
1	0,0233	0,0244	0,0337	0,0488	0,0628	0,0814	0,0930	0,1116	0,1396	0,1628
2,5	0,0233	0,0314	0,0419	0,0616	0,0791	0,1035	0,1175	0,1396	0,1745	0,2059
5	0,0244	0,0372	0,0500	0,0733	0,0942	0,1233	0,1407	0,1663	0,2070	0,2407
10	0,0256	0,0442	0,0593	0,0872	0,1116	0,1454	0,1651	0,1977	0,2477	0,2966
15	0,0279	0,0488	0,0651	0,0965	0,1233	0,1605	0,1838	0,2186	0,2745	0,3210
20	0,0302	0,0523	0,0709	0,1035	0,1326	0,1733	0,1977	0,2349	0,2942	0,3454
25	0,0326	0,0558	0,0744	0,1093	0,1407	0,1826	0,2093	0,2489	0,3117	0,3652
30	0,0337	0,0582	0,0779	0,1151	0,1465	0,1907	0,2210	0,2605	0,3256	0,3826
Для горизонтальных прослоек при потоке теплоты снизу вверх приведенные значения увеличивать на:
	20%	40%	42%	43%	38%	26%	20%	13%	6%	3%

Увеличение значений в горизонтальных прослойках при потоке теплоты снизу вверх объясняется непосредственным направлением конвекционных токов по вертикали от нижней поверхности, имеющей более высокую температуру, к верхней поверхности, имеющей более низкую температуру. В горизонтальных прослойках при потоке теплоты сверху вниз конвекция воздуха отсутствует, поскольку поверхность с более высокой температурой расположена над поверхностью с более низкой температурой. В этом случае принимается .

Кроме передачи теплоты теплопроводностью и конвекцией в воздушной прослойке происходит еще непосредственное излучение между поверхностями, ограничивающими воздушную прослойку. Количество теплоты Q₃, передаваемой в воздушной прослойке излучением от поверхности с более высокой температурой к поверхности с более низкой температурой , можно выразить по аналогии с предыдущими выражениями в виде:

, (15.4)

где — коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м°С).

В этом равенстве отсутствует множитель , т.к. количество теплоты, передаваемой излучением, в воздушных прослойках, ограниченных параллельными плоскостями, не зависит от расстояния между ними.

Коэффициент определяется по формуле:

, (15.5)

где С₁ и С₂ — коэффициенты излучения поверхностей Вт/(м²°С⁴); С₀ — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²°С⁴); и — температуры поверхностей, °С.

Формула 15.5 показывает, что коэффициент также не является постоянной величиной, а зависит от коэффициентов излучения поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку и, кроме того, от разности четвертых степеней абсолютных температур этих поверхностей.

Для определения величины , входящей в правую часть

Формулы 15.5 и называемой «температурным коэффициентом», достаточно знать среднюю температуру воздушной прослойки , т. к. для температур наружных ограждений величина температурного коэффициента может быть принята не зависящей от значений и , а зависящей только от их средней величины. Значения температурного коэффициента формулы 15.5 для средних температур воздушной прослойки от +25 и до -25 °С приведены в табл. 15.2

Таблица 15.2

Значения температурного коэффициента в зависимости от средней температуры воздушной прослойки

Средняя температура воздушной прослойки	+25	+20	+15	+10	+5	0	-5	-10	-15	-20	-25
Температурный коэффициент	1,06	1,01	0,96	0,91	0,86	0,81	0,77	0,73	0,69	0,65	0,61

Данные табл. 15.2 показывают, что значения температурного коэффициента растут с увеличением средней температуры воздушной прослойки. При температуре, равной 25 °С, значение температурного коэффициента увеличилось на 74 % по сравнению с его значением при температуре -25 °С. Следовательно, теплозащитные свойства воздушной прослойки будут улучшаться по мере понижения ее средней температуры. В теплотехническом отношении лучше располагать воздушные прослойки ближе к наружной поверхности ограждения, где температуры в зимнее время будут более низкими.

Если сложить значения , получим:

, (15.6)

Выражение можно рассматривать как коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, подчиняющийся законам передачи теплоты через твердые тела. Этот суммарный коэффициент носит название «эквивалентного коэффициента теплопроводности воздушной прослойки» .

Таким образом, имеем:

, (15.7)

Зная эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, термическое сопротивление его определяют так же, как и для слоев из твердых или сыпучих материалов, т. е. .

Формула 15.7 применима только для замкнутых воздушных прослоек, т. е. не имеющих сообщения с наружным или внутренним воздухом. Если прослойка имеет сообщение с наружным воздухом, то в результате проникания холодного воздуха термическое сопротивление ее может не только стать равным нулю, но и послужить причиной уменьшения сопротивления теплопередаче ограждения.

Для определения величины входящей в формулу 15.7, необходимо знать температуры на поверхностях прослойки, которые в свою очередь зависят от термического сопротивления прослойки, определяемого по величине . Поэтому при точных расчетах предварительно задаются значениями температур на поверхностях прослойки, по ним определяют и термическое сопротивление прослойки R. Определив на основании полученного значения R и величины общего сопротивления теплопередаче ограждения значения температур на поверхностях прослойки, пересчитывают по ним величину . Если вновь полученная величина окажется близкой к принятой, расчет считают законченным, в противном случае пересчет делается еще раз.

Для практических расчетов, не требующих большой точности, можно пользоваться величинами термических сопротивлений воздушных прослоек, приведенными в приложении 11.

Приведенные в приложении 11 данные показывают нерациональность воздушных прослоек большой толщины: так, например, увеличение толщины прослойки в 5 раз (с 1 до 5 см) повысило термическое сопротивление вертикальной прослойки только на 12,5 %, а при дальнейшем увеличении толщины прослойки ее термическое сопротивление возрастает совсем незначительно.

Для выяснения доли участия в передаче теплоты через воздушные прослойки теплопроводности, конвекции и излучения в табл. 15.3 приведены их значения в процентах от общего количества теплоты, проходящей через 1 м² вертикальной прослойки в 1 с при разности температур на ее поверхностях, равной 5 °С.

Данные табл.15.3 показывают следующее:

1) увеличение толщины воздушной прослойки мало влияет на уменьшение количества теплоты, проходящей через прослойку;

2) главная доля теплоты (79 %), проходящей через прослойку, передается излучением;

3) максимальная доля передачи теплоты конвекцией составляет только 20 % полного количества теплоты, проходящей через прослойку;

4) толстые прослойки следует заполнять малотеплопроводными материалами; так, например, заполнение вертикальных прослоек материалом с коэффициентом теплопроводности = 0,233 Вт/(м°С) оказывается выгоднее, начиная с толщины 5 см и больше; чем толще прослойка, тем целесообразнее ее засыпка для увеличения термического сопротивления ограждения. Прослойки большой толщины нерациональны. Так, для прослойки толщиной 20 см = 0,951 Вт/(м°С), что выше коэффициента теплопроводности кирпичной кладки ( = 0,814 Вт/(м°С)).

Таблица 15.3

Количество теплоты, проходящей через вертикальные воздушные прослойки, при разности температур на их поверхностях 5 °С

Толщина прослойки , см	Количество теплоты Q, Вт/м2	Количество теплоты, %, передаваемой			Эквивалентный коэффициент теплопроводности , Вт/(м°С)
		теплопроводностью	конвекцией	излучением
1 5 10 20	30,8 25,9 24,8 23,8	38 9 5 2	2 19 20 19	60 72 75 79	0,062 0,259 0,495 0,951

Примечание. Приведенные в таблице величины соответствуют температуре воздуха в прослойке, равной 0 °С, и коэффициентам излучения ее поверхностей С = 5,12 Вт/(м² °С⁴).

Для уменьшения количества теплоты, проходящей через воздушную прослойку, необходимо уменьшить одну из составляющих полного количества теплоты, передаваемой прослойкой. Эта задача прекрасно решена в стенках сосудов, предназначенных для хранения жидкого воздуха. Стенки этих сосудов состоят из двух стеклянных оболочек, между которыми выкачивается воздух; поверхности стекла, обращенные внутрь прослойки, покрываются тонким слоем серебра. При этом количество теплоты, передаваемой конвекцией, сводится к нулю вследствие значительного разрежения воздуха в прослойке.

В строительных конструкциях с воздушными прослойками передача теплоты изучением значительно сокращается при покрытии излучающих поверхностей алюминием, имеющим малый коэффициент излучения С=0,26 Вт/(м² °С⁴). Передача теплоты теплопроводностью при обычных разрежениях воздуха не зависит от его давления, и только при разрежении ниже 200 Па коэффициент теплопроводности воздуха начинает уменьшаться.

В порах строительных материалов передача теплоты происходит так же, как и в воздушных прослойках. Вот почему коэффициент теплопроводности воздуха в порах материала имеет различные значения в зависимости от размеров пор. Повышение теплопроводности воздуха в порах материала при повышении температуры происходит, главным образом, вследствие увеличения теплопередачи излучением.

Поскольку пористые строительные материалы воздухопроницаемы, к замкнутым могут быть отнесены, например, воздушные прослойки в конструктивных элементах из плотного бетона или других плотных материалов, практически не пропускающих воздуха при тех величинах разности давлений, которые типичны для эксплуатируемых зданий.

Экспериментальные исследования показывают, что термическое сопротивление воздушных прослоек в кирпичной кладке снижается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в приложении 11. При недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором (например, при выполнении работ в зимних условиях) воздухопроницаемость кладки может возрасти, а термическое сопротивление воздушных прослоек приблизиться к нулю. Достаточная защита конструкций с воздушными прослойками от воздухопроницания является совершенно необходимой для обеспечения требуемых теплофизических свойств ограждающих конструкций.

Применение воздушных прослоек в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями более рационально, чем в наружных стенах, поскольку передача тепла конвекцией в горизонтальных прослойках этих конструкций существенно уменьшается.

Теплофизическая эффективность воздушных прослоек в летних условиях (защита от перегрева помещений) снижается по сравнению с холодным периодом года; однако эта эффективность возрастает за счет использования прослоек, вентилируемых в ночное время наружным воздухом.

При проектировании полезно иметь в виду, что ограждающие конструкции с воздушными прослойками обладают меньшей влажностной инерцией по сравнению со сплошными. В сухих условиях конструкции с воздушными прослойками (вентилируемыми и замкнутыми) быстро подвергаются естественной сушке и приобретают дополнительные теплозащитные свойства за счет малой влажности материала; во влажных помещениях наоборот – конструкции с замкнутыми прослойками могут сильно переувлажняться, что связано с потерей теплофизических качеств и вероятностью преждевременного их разрушения.

Как было сказано выше, передача тепла через воздушные прослойки в большой мере зависит от излучения. Однако применение отражательной изоляции с ограниченной долговечностью (алюминиевой фольги, окраски и т. д.) для повышения термического сопротивления воздушных прослоек может быть целесообразным только в конструкциях сухих зданий с ограниченным сроком службы; в сухих капитальных зданиях дополнительный эффект отражательной изоляции также полезен, но следует учитывать, что даже при утрате ее отражательных качеств теплофизические свойства конструкций должны быть не менее требуемых с тем, чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию конструкций.

В каменных и бетонных конструкциях с большой начальной влажностью (а также во влажных помещениях) использование алюминиевой фольги, утрачивает смысл, так как ее отражательные свойства могут быть быстро нарушены из-за коррозии алюминия во влажной щелочной среде. Применение отражательной изоляции наиболее эффективно в горизонтальных замкнутых воздушных прослойках при направлении потока тепла сверху вниз (цокольные перекрытия и т. д.), т. е. в том случае, когда конвекция почти отсутствует и передача тепла происходит в основном путем излучения.

Отражательной изоляцией достаточно покрыть только одну из поверхностей воздушной прослойки (более теплую, сравнительно гарантированную от эпизодического появления конденсата, быстро ухудшающего отражательные свойства изоляции).

Возникающие иногда предложения о теплофизической целесообразности разделения воздушных прослоек по толщине экранами из топкой алюминиевой фольги в целях резкого уменьшения потока лучистого тепла не могут быть использованы для ограждающих конструкций капитальных зданий, поскольку малая эксплуатационная надежность такой теплозащиты не соответствует необходимой долговечности конструкций указанных зданий.

Расчетное значение термического сопротивления воздушной прослойки с отражательной изоляцией на более теплой поверхности повышается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в приложении 11.

В южных районах конструкции с воздушными прослойками обладают достаточной эффективностью в отношении защиты помещений от перегрева; применение отражательной изоляции приобретает в этих условиях особенно большой смысл, поскольку превалирующая часть тепла передается в жаркое время года излучением. Целесообразно в целях повышения теплозащитных свойств ограждений и снижения их веса, экранировать наружные стены многоэтажных зданий лучеотражающими долговечными отделками (например, полированными алюминиевыми листами) с тем, чтобы под экранами была расположена воздушная прослойка, другая поверхность которой покрыта окрасочной или иной экономичной отражательной изоляцией.

Усиление конвекции в воздушных прослойках (например, за счет активного вентилирования их наружным воздухом, поступающим с затененных, озелененных, и обводненных участков прилегающей территории) превращается для летнего периода в положительный теплофизический процесс, в противоположность зимним условиям, когда этот вид переноса тепла, в большинстве случаев, совершенно нежелателен.

Таким образом при проектировании наружных ограждений с воздушными прослойками необходимо учитывать следующее:

1) эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины;

2) при выборе толщины воздушных прослоек желательно учитывать, чтобы воздуха в них не был больше коэффициента теплопроводности материала, которым можно было бы заполнить прослойку; обратный случай может быть, если это оправдывается экономическими соображениями;

3) рациональнее делать в ограждающей конструкции несколько прослоек малой толщины, чем одну большой толщины;

4) воздушные прослойки желательно располагать ближе к наружной стороне ограждения, т. к. при этом в зимнее время уменьшается количество теплоты, передаваемой излучением;

5) воздушная прослойка должна быть замкнутой и не сообщаться с воздухом; если необходимость сообщения прослойки с наружным воздухом вызывается другими соображениями, как например, обеспечением бесчердачных покрытий от конденсации в них влаги, то это необходимо учитывать при расчете;

6) вертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий; более частое перегораживание прослоек по высоте практического значения не имеет;

7) для сокращения количества теплоты, передаваемой излучением, можно рекомендовать одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой, имеющей коэффициент излучения С=1,116 Вт/(м²К⁴). Покрытие фольгой обеих поверхностей практически не уменьшает передачу теплоты.