Отражающая теплоизоляция

В предыдущем разделе было установлено, что характерный перепад температур в непродаваемых полостях стен достигает 20°С при характерных величинах тепловых потоков через стены бани порядка 100 Вт/м². А раз противоположные стенки полостей имеют разные температуры, то они и излучают разные потоки лучистой (радиационной, инфракрасной) энергии q. В результате, в полости возникает некомпенсированный поток тепла ∆q = q₁ — q₂, где q₁ и q₂ — потоки лучистой энергии с противоположных стенок полостей (рис. 38).

Рис. 38. Схемы, поясняющие возникновение дополнительного теплопереноса за счёт лучистого теплового потока в воздушной прослойке
Рис. 38. Схемы, поясняющие возникновение дополнительного теплопереноса за счёт лучистого теплового потока в воздушной прослойке. При потоке тепла через стену 100 Вт/м² за счёт пограничных слоев в воздушной прослойке образуется перепад температур 20 °С. При температурах абсолютно чёрных стенок воздушной прослойки 60 °С и 40 °С результирующий лучистый поток ∆q = q₁ —q₂ составит 160 Вт/м², а при температурах 20°С и 0°С — 110 Вт/м², что превышает тепловой поток 100 Вт/м², рассчитанный в предположении полного отсутствия лучистого теплопереноса (то есть при абсолютно отражающих зеркальных стенках прослойки). Это означает, что теплоизолирующая способность воздушного зазора может значительно увеличиваться (в 2-3 раза) при замене черных ( в инфракрасной области) стенок зазора на отражающие.

Мощность теплового излучения поверхности (во все стороны в целом) составляет q = εσТ⁴, где Т — температура поверхности в градусах Кельвина Т = (273 +t), где t — температура в градусах Цельсия,  σ = 5,67•10⁻⁸ Вт/м² град⁴ — постоянная Стефана-Больцмана, ε — степень черноты поверхности. При степени черноты поверхностей воздушной прослойки, равной единице (абсолютно чёрное тело), дисбаланс лучистых потоков тепла ∆q может превысить кондуктивный поток тепла через воздух Q, особенно при высоких температурах стенок.

На практике степень черноты поверхностей (равная коэффициенту поглощения лучистой энергии поверхностью) строительных материалов (даже визуально белых) в дальней инфракрасной спектральной области (5-15) мкм (отвечающей излучению тел с температурой от минус 50 °С до плюс 100 °С) составляет обычно величину на уровне ε=0,9, поэтому учёт процессов излучения необходим. Единственным материалом, имеющим в инфракрасной области спектра малую степень черноты, является полированный металл, в качестве которого обычно используют алюминий, напылённый на подложку (лавсановую плёнку, бумагу, картон, холст и т. п.). Такие блестящие (зеркальные) материалы имеют степень черноты в инфакрасной области на уровне 0,02-0,05, то есть имеют коэффициент отражения 95-98%. В кирпичной кладке такие материалы использовать сложно, а в деревянных каркасных строениях удобно. 

В видимой же области спектра помимо полированных металлов малую степень черноты имеют белые материалы (табл. 9).

Таблица 9. Степени черноты (коэффициенты поглощения лучистой энергии) поверхностей материалов по отношению к солнечному излучению:

Материал Степень черноты
Алюминий листовой кровельный волнистый 0,3-0,5
Асбестоцементные листы 0,65
Бетон 0,7
Дерево некрашенное 0,6
Кирпич глиняный красный 0,7
Кирпич силикатный 0,6
Окраска известковая белая 0,3
Рубероид 0,9
Сталь листовая, окрашенная масляной краской: белой 0,45
зелёной 0,6
тёмно-красной 0,8
Сталь кровельная оцинкованная 0,65
Асфальт 0,9

При анализе процессов лучистого теплообмена необходимо учитывать реальные спектральные степени черноты излучающих и поглощающих поверхностей. Так, например, тепловой баланс 1 м² поверхности бака с водой, расположенного на солнце, складывается:

— из притока тепла солнечного излучения εc•βc•Ic, где Iс = 1400Вт/м² — солнечная постоянная, βс — степень пропускания солнечного излучения атмосферой, εс — степень черноты поверхности бака в видимой области спектра (табл.9);

— из притока тепла инфракрасного излучения от окружающей среды (неба, земли, деревьев и т. п.) ε₀σТ₀⁴, где Т₀ и ε₀ = 1 — абсолютная температура и степень черноты окружающей среды в дальней инфракрасной области спектра;

— из оттока собственного теплового излучения с поверхности бака εбσТ₀⁴, где Т₀ — абсолютная температура бака с водой, εб — степень черноты поверхности бака в дальней инфракрасной области спектра. Таким образом, лучистый тепловой поток на стенки бака равен q = εcβcIc + ε₀σТ₀⁴ — εбσТб⁴. В ясную солнечную погоду преобладающий вклад вносит первая составляющая при условии высокой черноты бака εc = 1.

Но если бак не чернить, а покрасить белой масляной краской (а лучше белой краской с минимальным количеством связующего, например, известковой так, чтобы белоснежная поверхность пигмента - мела, извести, окиси цинка, окиси титана и т. п., не заслонялась плёнкой полимера) или сделать блестящей, с зеркально отражающей поверхностью, то за счёт низкого значения сс влияние солнечного нагрева может стать незначительным, особенно в пасмурную погоду. 

Так, белоснежный снег в высокогорьях имеет степень черноты в видимой области εc=0,15, а в дальней инфракрасной εб=0,9. Небо (из-за необычайно чистого воздуха и малого содержания водяных паров в атмосферном воздухе) имеет радиационную температуру порядке минус 30°С при степени черноты неба ε0 =1 в дальней инфракрасной области. Поэтому снег с температурой 0°С получает от солнца в зените даже в безоблачную погоду всего лишь 210 Вт/м², получает от неба около 200 Вт/м² и отдаёт за счёт собственного теплового излучения около 300 Вт/м². Таким образом, возникает известная ситуация, когда в горах на солнце снег может нагреваться (таять или испаряться) даже зимой, а в тени (или при сильных наклонах солнца к поверхности снега) — охлаждаться даже летом. Среднесуточный тепловой баланс лучистого теплообмена определяет температуру воздуха в высокогорьях точно также, как в низовьях при антициклонах, когда влияние атмосферы на нагрев поверхности земли незначителен ввиду высокой сухости воздуха (поскольку атмосфера влияет на погоду, в основном, через процессы выделения тепла конденсации водяных паров во время циклонов и также через оптическое пропускание солнечного излучения βс).

Оптические факты бывают очень важными и в быту. Так, белая одежда эффективно отражает прямое солнечное излучение, но излучение от печи в бане белая одежда поглотит практически полностью, поскольку в видимой области степень черноты белой ткани низка 0,2-0,4, а в дальней инфракрасной области спектра велика 0,8-1,0. Конечно, белая простыня загородит человека от излучения от печи, но нагреется от длинноволнового инфракрасного излучения точно также, как и чёрная. Белая батарея центрального водяного отопления излучает практически также, как чёрная, хотя та же белая батарея нагревается на солнце (например, при работе в составе солнечного водогрейного коллектора) много хуже, чем такая же, но чёрная.

Рис. 39. Спектры поглощения инфракрасного излучения полимерными плёнками. Всплески вниз указывают на поглощение.
Рис. 39. Спектры поглощения инфракрасного излучения полимерными плёнками. Всплески вниз указывают на поглощение.

Внутри полостей в стенах зданий лучистый обмен происходит в дальней инфракрасной (10-15) мкм спектральной области, поэтому и белые, и чёрные стенки полостей (воздушных прослоек) имеют примерно одинаковые степени черноты ε=0,9. Единственными материалами, имеющими в дальней инфракрасной области спектра низкие степени черноты (высокие степени отражения), являются полированные (блестящие, зеркальные) металлические поверхности, из которых практический интерес для строительства представляют только блестящие алюминизированные материалы (бумага, картон, стеклохолст, полиэтиленовая, пропиленовая плёнки и т. п.). Отметим, что лаковый или стеклянный слой на поверхности металла не допустим, поскольку натриевые стёкла и пластмассы (кроме полиэтилена и полипропилена) сильно поглощают в дальней инфракрасной области спектра (рис. 39). Так, обычное зеркало, несмотря на очень сильное отражение в видимой области спектра, является чёрным материалом в спектральной области (10-15) мкм. Очень высокие отражающие характеристики имеют тонкие лавсановые плёнки с напылённым зеркальным алюминиевым слоем, использовавшиеся для постановки радиопомех с самолётов в системах военной антирадарной защиты и применявшихся в порядке двойных технологий и в быту для изготовления ёлочных игрушек и украшений. Так, если в сауне оклеить потолок такой блестящей плёнкой, то сауна при потушенной печи сразу же станет намного «холодней», хотя температура воздуха в сауне от обивки потолка плёнкой, конечно же, не изменится. Но если в сауне имеется раскалённая металлическая печь (или дымовая труба), то блестящая алюминизированная плёнка может отразить лучистое тепло от печи и дополнительно обогреть им человека. В то же время визуально чёрные и белые потолки саун греют человека сверху практически одинаково.

Особый интерес для бань имеют толстые плёнки вспененного полиэтилена, с двух сторон покрытые алюминиевой фольгой с отражательной способностью 97%. Такой материал, например, марки Пенофол-В, по рекламной информации завода-изготовителя ЛИТ (г. Переславль-Залесский) обладает исключительно высокой теплоизолирующей способностью: при толщине плёнки всего 4 мм имеет термическое сопротивление 1,2 м² град/Вт (при перепаде температур 40°С от минус 20°С до плюс 20°С). Это соответствует кладке кирпича толщиной 670 мм (2,5 кирпича) или стене газопенобетона толщиной 350 мм или плите пенополистирола (или того же пенополиэтилена, но без алюминиевой фольги) толщиной 46 мм (см. Справочник «Теплый дом», М.: Стройинформ, 2000, с. 351). Поэтому у многих доверчивых дачников возникло устойчивое мнение, что такой тонкий материал 4 мм способен сказочным образом заменить (по теплоизолирующим характеристикам) брусовую стену толщиной 15 см, тем более, что в рекламе заявляются рабочие температуры Пенофола от минус 60°С до плюс 200°С.

К сожалению это не так, вернее не совсем так. Если плёнку алюминизированного пенополиэтилена толщиной 4 мм заложить внутрь стены совсем без зазоров (например, между двух слоев оргалита), то он будет вести себя просто как слой пенополиэтилена с обычной теплопроводностью 0,04 Вт/м град и термическим сопротивлением всего лишь 0,1 м²град/Вт. Отражательная изоляция будет заметно «работать» только в зазорах (в газовых или вакуумных прослойках), причём только при высоких температурах и при как можно более высоких перепадах температур на стенках зазоров. Наибольший эффект будет наблюдаться, если мы сделаем (гипотетически) из такой плёнки стену здания-палатки (рис. 40). Если температура воздуха внутри помещения равна плюс 20°С, а снаружи — минус 20°С, то при термическом сопротивлении самой плёнки и каждого из пограничных слоев 0,1 м² град/Вт общее термическое сопротивление стены составит всего лишь 0,3 м² град/Вт. Это значит, что плёнка алюминизированного полиэтилена толщиной 4 мм кондуктивно проводит за счёт теплопроводности 133 Вт/м² (пунктирная кривая распределения температур на рисунке 40 а).

Рис. 40. Распределение температур и тепловых потоков в плёнке пенополиэтилена толщиной 4 мм
Рис. 40. Распределение температур и тепловых потоков в плёнке пенополиэтилена толщиной 4 мм. Прямые стрелки — кондуктивные теплопотоки, волнистые стрелки — лучистые теплопотоки, пунктирные стрелки — теплопотоки при коэффициенте отражения поверхностей 97%, сплошные стрелки — теплопотоки при абсолютно чёрных поверхностях: а — плёнка при температуре воздуха справа плюс 20 °С, слева — минус 20 °С; б — плёнка при температуре воздуха справа плюс 20 °С, слева — минус 20 °С, справа поступает тепловое излучение от чёрной горячей поверхности регистра с температурой 200 °С; в — плёнка при температуре воздуха справа плюс 200 °С, слева — минус 80 °С, справа поступает тепловое излучение от чёрной горячей поверхности с температурой 200 °С.

Если заменить отражающие алюминиевые обкладки плёнки на зачернённые, то поверхность плёнки сможет полностью поглощать испускаемое изнутри помещения лучистое тепло мощностью 417 Вт/м² (отвечающее мощности излучения абсолютно чёрного тела при 20°С), и в то же время сможет испускать назад в помещение собственное тепловое излучение мощностью 365 Вт/м². В результате на поверхность плёнки будет дополнительно поступать лучистый поток 52 Вт/м². Поверхность плёнки нагреется с 6,7°С до 8,4°С, поток тепла внутри плёнки несколько повысится с 133 Вт/м² до 168 Вт/м² (сплошная кривая распределения температуры на рисунке 40 а). Иными словами, все тепловые расчёты стен жилых помещений, не учитывающие лучистой составляющей теплопереноса, могут, в принципе, обладать погрешностью до 25%. Тем не менее, общие теплоизолирующие характеристики плёнки пенополиэтилена не очень сильно зависят от отражательных свойств алюминиевого покрытия: общее термическое сопротивление слоя пенополиэтилена толщиной 4 мм (используемого в качестве оголённой стены) составляет 0,24 м² град/Вт при абсолютно чёрных его поверхностях и 0,30 м² град/Вт при абсолютно отражающих. Достичь заявленных рекламой значений термического сопротивления 1,2 м² град/Вт в рассмотренном случае невозможно.

Ясно, что отражающая изоляция будет эффективно работать только там, где имеются мощные лучистые потоки, например, при теплоизоляции горячих труб (трубопроводов с горячим теплоносителем) или защите легкоплавкого утеплителя (пенополиэтилена, пенопропилена) от инфракрасного излучения металлической печи в бане. Как и ранее, отражающая сторона изоляции должна монтироваться с воздушным зазором от горячей трубы, в противном случае кондуктивный поток тепла разогреет отражающий слой, а пенополиэтилен может попросту расплавиться. Сначала мы рассмотрим случай, когда воздух внутри помещения имеет ту же температуру 20 °С, но на внутреннюю поверхность плёнки пенополиэтилена поступает лучистый поток тепла от раскалённой абсолютно чёрной поверхности с температурой 200 °С. Такая ситуация имеет место, в частности, при расположении парового регистра (батареи центрального отопления) у стены, теплозащищаемой рассматриваемой отражающей теплоизоляцией (рис. 40 б). Будем условно считать, что воздух между регистром и стеной остается с той же температурой 20 °С (то есть он достаточно быстро циркулирует в помещении). Сначала рассмотрим случай, когда поверхности пенополиэтилена абсолютно чёрные. В этом случае всё испускаемое регистром тепло мощностью 2750 Вт/м² полностью поглощается плёнкой, что приводит к разогреву внутренней поверхности плёнки до критической температуры 105 °С, при которой размягчающийся полиэтилен начинает деформироваться под своей тяжестью («плыть»). При этом разогревшаяся чёрная плёнка отдаёт «назад» испускаемый ею лучистый поток 1150 Вт/м² и кондуктивный поток в воздух 850 Вт/м². Оставшиеся 750 Вт/м² проходят через плёнку, нагревая наружную сторону плёнки до плюс 30 °С (при температуре на улице минус 20 °С). Теплопотери через стены огромные, и чёрная плёнка, таким образом, малоэффективна: термическое сопротивление составляет 0,3 м² град/Вт (если формально принять перепад температур на стене 220°С) и 0,05 м² град/Вт (если перепад температур, как и прежде, принять равным 40 °С). Если же поверхности плёнки сделать блестящими с коэффициентом отражения 97%, то картина резко изменится: плёнка будет поглощать лишь 85 Вт/м² из излучаемого трубой лучистого тепла 2750 Вт/м². А это значит, что плёнка практически вообще не будет ощущать наличие вблизи себя раскалённой поверхности, и тепловой поток через неё снизится с 750 Вт/м² до 160 Вт/м². Термическое сопротивление составит (1,25-1,37) м² град/Вт (если перепад температур условно принять на уровне 200-220 °С с учётом температуры регистра) и 0,25 м² град/Вт (если перепад температур, как и прежде, принять по перепаду температур воздуха 40 °С). Таким образом, при определённой методике условного расчёта можно в этом случае формально достичь термического сопротивления 1,2 м² град/Вт (и даже выше), но эта цифра не отвечает общепринятому инженерному определению понятия термического сопротивления. Этот пример ещё раз показывает, что рекламными сведениями при конкретных инженерных расчётах надо пользоваться критически и крайне осторожно. К сожалению, предприятия-изготовители не всегда понимают, что слишком приукрашивающая реклама может вредить респектабельности даже безупречного товара.

Вместе с тем, отражающая теплоизоляция (в том числе и безусловно качественная продукция завода ЛИТ марки Пенофол) без сомнения незаменима, именно там, где имеются мощные источники лучистого тепла. В этом случае даже неважно, на каком носителе нанесено отражающее покрытие: на высокотеплопроводной ли стеклоткани или на низкотеплопроводном пенополиэтилене. Кстати завод ЛИТ выпускает также алюмофольгированную стеклосетку Армофол (с той же, якобы, рабочей температурой 200 °С и тем же термическим сопротивление 1,2 м² град/Вт, что и алюминизированный пенополиэтилен Пенофол). Отражающая теплоизоляция возвращает назад падающее на неё тепловое излучение и тем самым уменьшает тепловые потери помещения. Например, если в палатке горит раскалённая неэкранированная металлическая печь («буржуйка»), то излучение от неё идёт не на нагрев воздуха, а на нагрев тента, который тотчас отдаёт тепло на улицу. Если ткань палатки изнутри алюминизировать, то она начнёт отражать лучистое тепло и перенаправлять его на пол, мебель, на тела людей. Температура воздуха в палатке при этом возрастает (точно так же, как и температура воздуха в зазоре между горячей трубой и отражательной изоляцией). Рассмотрим, как поведёт себя плёнка пенополиэтилена при температуре воздуха 200 °С (заявленной в рекламе Пенофола якобы в качестве «рабочей») при наличии источника излучения с температурой 200 °С (то есть при изоляции трубы с температурой 200 °С). Если бы плёнка пенополиэтилена была чёрной, то она тотчас бы «поплыла», а затем расплавилась. Но алюминизированный пенополиэтилен отразит основную долю лучистого потока и нагреется лишь до 100°С. При этом внутри плёнки возникнет тепловой поток 1050 Вт/м², который должен быть «снят» охлаждением внешней (левой) стороны плёнки (рис. 40 в). Расчёт показывает, что это самое узкое место теплопередачи: холодный воздух может «снять» такое количество тепла лишь при температуре ниже минус 80 °С. При более высоких температурах воздуха внешняя сторона плёнки нагреется до температуры выше минус 5°С и «потянет» за собой вверх температуру внутренней (справа) стороны, и плёнка расплавится. Иными словами, режим на рис. 40 в является критическим, требующим, вообще говоря, мощного принудительного обдува внешней стороны плёнки холодным воздухом со скоростью 10-20 м/сек. С этой точки зрения, заявленная рабочая температура 200°С действительно является формально предельно допустимой расчётной для идеальных экстремальных условий. Но стоит алюминизированному слою где-то почернеть или порваться, а температуре наружного воздуха подняться, то плёнка тотчас расплавится. Так что, правильней было бы всё же считать рабочей температурой алюминизированного пенополиэтилена для длительной эксплуатации всё те же 70-80°С (максимум 100°С).

В заключение отметим, что именно в области теплового излучения и отражательной изоляции встречается наибольшее число недоразумений, неправильных толкований, непониманий. Это особенно проявляется в простонародной среде, пользующейся чисто интуитивными чувственными понятиями типа «древесина отражает тепло», «камень и металл притягивают тепло», «свод печи отталкивает жар» и др. Вообще-то говоря, «жар» — это лучистое тепло, например, от ярко тлеющих углей («жар-птица»), а «пыл» — это огонь (пламя). Пылкий жар — это полыхающие огнём угли. Жаркое тепло — это тепло в печи от углей или от стенок печи после прогорания углей. Жаровня — это очаг (противень, мангал), заполненный горящими углями, испускающими лучистое тепло. Но и металлический раскалённый огнём лист тоже излучает тепло и тоже называется жаровней (грилем). Жар — это лучистое тепло, но сейчас жарким называется любое чересчур теплое помещение. Поэтому лучистое тепло часто называют «сухим жаром» (пеклом) в отличие от «влажного» и «парового жара». Но всё же, как правило, жаром называют то, от чего можно отгородиться экраном (заслониться рукой или ладонью).

Источник: health.totalarch.comДачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер