Динамическая изоляция

Динамическая изоляция - это форма изоляции, при которой холодный наружный воздух, проходящий через теплоизоляцию в оболочке здания, забирает тепло от изоляционных волокон. Здания могут быть разработаны , чтобы использовать это , чтобы уменьшить потери тепла передачи ( U-значение ) и обеспечить предварительно нагревают, проект свободного воздуха для внутренних пространств. Это известно как динамическая изоляция, поскольку значение U больше не является постоянным для данной конструкции стены или крыши, а изменяется в зависимости от скорости воздуха, проходящего через изоляцию ( адаптирующаяся к климату оболочка здания ). Динамическая изоляция отличается от дыханиястены. Положительные аспекты динамической изоляции необходимо сопоставить с более традиционным подходом к проектированию здания, который заключается в создании воздухонепроницаемой оболочки и обеспечении соответствующей вентиляции с использованием естественной вентиляции или механической вентиляции с рекуперацией тепла. Герметичный подход к проектированию ограждающих конструкций здания, в отличие от динамической изоляции, приводит к созданию ограждающих конструкций здания, которые обеспечивают стабильные характеристики с точки зрения потерь тепла и риска образования межклеточной конденсации независимо от скорости и направления ветра. При определенных ветровых условиях динамически изолированное здание может иметь более высокие потери при теплопередаче, чем воздухонепроницаемое здание с такой же толщиной изоляции.

Вступление

Основная функция стен и крыши здания - быть ветро- и водонепроницаемыми. В зависимости от функции здания также будет требоваться поддерживать внутри приемлемый температурный диапазон таким образом, чтобы минимизировать как использование энергии, так и связанные с этим выбросы углекислого газа.

Стена с динамической изоляцией

Рис.1 Сравнение герметичных и воздухопроницаемых стен

Динамическая изоляция обычно применяется в деревянных каркасных стенах и потолках. Он переворачивает с ног на голову давно принятую мудрость проектировщиков зданий и инженеров по обслуживанию зданий «строить плотно и правильно вентилировать» . ^[1] Требуются воздухопроницаемые стены и / или крыша / потолок, чтобы при разгерметизации здания воздух мог проходить снаружи внутрь через изоляцию в стене, крыше или потолке (рис. 1 и 2). Следующее объяснение динамической изоляции для простоты будет приведено в контексте умеренного или холодного климата, где основное потребление энергии направлено на обогрев, а не охлаждение здания. В жарком климате он может применяться для увеличения теплопотерь здания.

Когда воздух проходит внутрь через изоляцию, через изоляционные волокна он улавливает тепло, которое отводится наружу. Таким образом, динамическая изоляция может выполнять двойную функцию: уменьшать потери тепла через стены и / или крышу, одновременно обеспечивая подачу предварительно нагретого воздуха во внутренние помещения. Таким образом, динамическая изоляция может преодолеть главный недостаток воздухонепроницаемых оболочек, заключающийся в том, что качество воздуха в помещении будет ухудшаться, если не будет естественной или механической вентиляции. Однако динамическая изоляция также требует механической вентиляции с рекуперацией тепла (MVHR) для рекуперации тепла из отработанного воздуха.

Чтобы воздух постоянно проходил через стены и / или крышу / потолок, необходим вентилятор, чтобы поддерживать в здании давление на 5–10 Па ниже давления окружающей среды. Воздух, который постоянно втягивается через стену или крышу, должен постоянно выводиться наружу. Это означает потерю тепла, которую необходимо восстановить. Воздух-воздух теплообменник (рис.2) является самым простым способом сделать это.

Аннотация к конструкции воздухонепроницаемого деревянного каркаса

Рис.2 Дом с динамической изоляцией как система

Аннотация к конструкции воздухопроницаемой стены

Наука о динамической изоляции

Все основные особенности динамической изоляции можно понять, рассмотрев идеальный случай одномерной стационарной теплопроводности и потока воздуха через однородный образец воздухопроницаемой изоляции. Уравнение ( 1 ), которое определяет температуру T на расстоянии x, измеренном от холодной стороны изоляции, выводится из постоянного общего чистого потока теплопроводности и конвективного тепла через небольшой элемент изоляции.

${\ displaystyle \ lambda {\ frac {d ^ {2} T \ left (x \ right)} {dx ^ {2}}} - u \ rho _ {a} c_ {a} {\ frac {dT \ left (x \ right)} {dx}} = 0}$

( 1 )

куда

u  скорость воздуха через изоляцию (м / с)

с удельной теплоемкостью воздуха (Дж / кг К) 

р _а плотность воздуха (кг / м ³ ) 

λ теплопроводность изоляции (Вт / м · К) 

Для двух- и трехмерной геометрии требуются инструменты вычислительной гидродинамики (CFD) для одновременного решения уравнений потока жидкости и теплопередачи через пористую среду. Идеализированная одномерная модель динамической изоляции обеспечивает хорошее физическое понимание кондуктивных и конвективных процессов теплопередачи, что позволяет проверить достоверность результатов расчетов CFD. Кроме того, такой же простой одномерный установившийся тепловой поток предполагается при расчете коэффициентов теплопередачи (U-значений), которые используются при проектировании, утверждении и оценке энергоэффективности зданий, так что простая одномерная модель установившегося состояния динамической изоляции подходит для проектирования и оценки характеристик динамически изолированного здания или элемента здания.

Такие изоляционные материалы, как полиуретановые (PUR) плиты, которые из-за своей микроструктуры не пропускают воздух, не подходят для динамической изоляции. Такие изоляционные материалы, как минеральная вата , стекловата, овечья шерсть, целлюлоза, являются воздухопроницаемыми и поэтому могут использоваться в динамически изолированной оболочке. В уравнении ( 1 ) скорость воздуха через изоляцию u принимается положительной, когда воздушный поток направлен в направлении, противоположном токопроводящему тепловому потоку (встречный поток). Уравнение ( 1 ) также применимо к установившемуся тепловому потоку в многослойных стенах. ^[2]

Уравнение ( 1 ) имеет аналитическое решение ^[3]

${\displaystyle {\frac {T\left(x\right)-T_{o}}{T_{L}-T_{o}}}={\frac {e^{\left(Ax\right)}-1}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

( 2 )

Для граничных условий:

T (x) = T _o при x = 0

T (x) = T _L при x = L

где параметр A с размерами длины определяется как:

${\displaystyle A={\frac {u\rho _{a}c_{a}}{\lambda }}}$

( 3 )

Температурный профиль, рассчитанный с использованием уравнения ( 2 ) для воздуха, проходящего через плиту из целлюлозной изоляции толщиной 0,2 м, в которой одна сторона имеет температуру 20 ° C, а другая - 0 ° C, показан на рис. 3. Тепловой Электропроводность целлюлозной изоляции принята равной 0,04 Вт / м ² К. ^[4]

Contra-flux

На рис. 3 показано типичное поведение температурного профиля через динамическую изоляцию, когда воздух течет в направлении, противоположном тепловому потоку. По мере увеличения потока воздуха от нуля температурный профиль становится все более искривленным. На холодной стороне изоляции (x / L = 0) градиент температуры становится все более горизонтальным. Поскольку теплопроводный поток пропорционален температурному градиенту, наклон температурного профиля на холодной стороне является прямым показателем теплопотерь теплопроводности через стену или крышу. На холодной стороне изоляции градиент температуры близок к нулю, что является основанием для утверждения, что динамическая изоляция может достичь нулевого значения U Вт / м ² К.

На теплой стороне изоляции температурный градиент становится более крутым с увеличением потока воздуха. Это означает, что тепло проникает в стену с большей скоростью, чем при использовании обычной изоляции (скорость воздуха = 0 мм / с). Для показанного случая, когда воздух проходит через изоляцию со скоростью 1 мм / с, градиент температуры на теплой стороне изоляции x / L = 1) составляет 621 ° C / м, что для сравнения составляет всего 100 ° C / м для обычной изоляции. Это означает, что при потоке воздуха 1 мм / с внутренняя поверхность поглощает в 6 раз больше тепла, чем обычная изоляция.

Следствием этого является то, что в стену должно поступать значительно больше тепла, если через нее проходит воздух. В частности, потребуется система отопления помещений в шесть раз больше, чем для дома с традиционной изоляцией. Часто утверждается, что при динамической изоляции наружный воздух нагревается теплом, которое в любом случае будет потеряно. ^[5] Подразумевается, что наружный воздух нагревается «свободным» теплом. О том, что поток тепла в стену увеличивается со скоростью воздуха, свидетельствует снижение температуры внутренней поверхности (таблица 2 и рисунок 4 ниже). Дом с динамической изоляцией требует также теплообменника воздух-воздух, как и герметичный дом. Последний имеет еще одно преимущество: если он хорошо изолирован, то потребуется лишь минимальная система обогрева помещения.

Температурный градиент в точке динамической изоляции может быть получен путем дифференцирования уравнения ( 2 )

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}={\frac {\left(T_{L}-T_{o}\right)Ae^{\left(Ax\right)}}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

( 4 )

Отсюда градиент температуры на холодной стороне изоляции (x = 0) определяется выражением

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}{\Bigg |}_{x=0}={\frac {\left(T_{L}-T_{o}\right)A}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

( 5 )

а градиент температуры на теплой стороне изоляции (x = L) определяется выражением

${\displaystyle {\frac {dT}{dx}}{\Bigg |}_{x=L}={\frac {dT}{dx}}{\Bigg |}_{x=0}e^{\left(AL\right)}}$

( 6 )

Из температурного градиента на холодной стороне изоляции (уравнение ( 5 )) можно рассчитать теплопотери при передаче или значение U для динамически изолированной стены, U _dyn (таблица 1).

${\displaystyle U_{dyn}={\frac {\lambda \,A}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

( 7 )

Это определение динамического U-значения, по-видимому, согласуется с определением Валлентена. ^[3]

Отношение динамического значения U к статическому значению U (u = 0 м / с) составляет

${\displaystyle {\frac {U_{dyn}}{U_{static}}}={\frac {A\,L}{e^{\left(AL\right)}-1}}}$

( 8 )

Таблица 1 Динамическое значение U

При таком определении значение U динамической стенки экспоненциально уменьшается с увеличением скорости воздуха.

Как указывалось выше, теплопроводный поток тепла в изоляцию на теплой стороне намного больше, чем на выходе из холодной стороны. В данном случае это 6,21 X 4 / 0,0504 = 493 раза для скорости воздуха 1 мм / с (Таблица 1). Этот дисбаланс в теплопроводном потоке повышает температуру входящего воздуха.

Этот большой поток тепла в стену имеет еще одно последствие. На поверхности стены, пола или потолка имеется тепловое сопротивление, которое учитывает конвективную и лучистую теплопередачу на этих поверхностях. Для вертикальной внутренней поверхности это тепловое сопротивление составляет 0,13 м ² К / Вт. ^[6] В динамически изолированной стене по мере того, как теплопроводный поток в стену увеличивается, увеличивается и падение температуры на этом внутреннем тепловом сопротивлении. Температура поверхности стены будет становиться все ниже (Таблица 2). Температурные профили через динамическую изоляцию с учетом снижения температуры поверхности с увеличением потока воздуха показаны на рис.4.

Таблица 2 Падение температуры на тепловом сопротивлении воздушной пленки

Поскольку рабочая температура в комнате представляет собой комбинацию температуры воздуха и средней температуры всех поверхностей в комнате, это означает, что люди будут чувствовать себя все более прохладными по мере увеличения потока воздуха через стену. У людей может возникнуть соблазн включить комнатный термостат, чтобы компенсировать это и тем самым увеличить потери тепла.

Pro-flux

На рис. 5 показано типичное поведение профиля температуры динамической изоляции, когда воздух течет в том же направлении, что и теплопроводный поток (про-поток). По мере того, как воздух комнатной температуры выходит наружу с нарастающей скоростью, температурный профиль становится все более искривленным. На теплой стороне изоляции температурный градиент становится все более горизонтальным, поскольку теплый воздух препятствует линейному охлаждению изоляции, которое могло бы происходить при отсутствии воздушного потока. Кондуктивные потери тепла в стену намного меньше, чем у обычной изоляции. Это не означает, что теплопотери изоляции очень низкие.

На холодной стороне изоляции температурный градиент становится более крутым с увеличением потока воздуха наружу. Это связано с тем, что воздух, который теперь охладился, больше не может передавать тепло изоляционным волокнам. В режиме проплавления тепло отводится от стены с большей скоростью, чем в случае обычной изоляции. Теплый влажный воздух, выходящий через изоляцию и охлаждение, быстро увеличивает риск образования конденсата внутри изоляции, который ухудшит тепловые характеристики стены и может, если продлится длительное время, привести к росту плесени и гниению древесины.

Как тепловой поток (Вт / м ² K) от внешней или холодной поверхности изоляции изменяется в зависимости от потока воздуха через изоляцию, показано на рис. 6. Когда воздух, который также является холодным, течет внутрь (скорость воздуха положительная) тогда тепловые потери уменьшаются по сравнению с традиционной изоляцией до нуля. Однако, когда теплый воздух выходит наружу через изоляцию (скорость воздуха отрицательная), потери тепла резко возрастают. Поэтому в здании с традиционной изоляцией желательно сделать оболочку герметичной. В динамически изолированной стене необходимо обеспечить приток воздуха внутрь во всех точках здания при всех скоростях и направлениях ветра.

Влияние ветра

Обычно, когда ветер дует на здание, давление воздуха P _w изменяется по всей поверхности здания (рис. 7). ^[7]

${\displaystyle P_{w}-P_{o}=C_{p}\left({\tfrac {1}{2}}\rho _{a}v_{w}^{2}\right)}$

( 9 )

куда

P _o  эталонное давление (Па)

Коэффициент ветрового давления C _p (безразмерный) 

Liddament, ^[7] и CIBSE, ^[6] предоставляют приблизительные данные о коэффициенте ветрового давления для малоэтажных зданий (до 3 этажей). Для квадратного плана здания на открытой площадке с ветром, дующим прямо на фасад здания, коэффициенты ветрового давления такие, как показано на рис. 8. Для скорости ветра 5,7 м / с на высоте гребня (принимаемой за 8 м) там - это нулевой перепад давления на боковых стенах, когда в здании понижено давление до -10 Па. Изоляция в наветренной и подветренной стенах динамически ведет себя в режиме встречного потока со значениями U 0,0008 Вт / (м ² K) и 0,1 Вт / (м ² К) соответственно. Поскольку здание имеет квадратную опору, средний коэффициент теплопроводности стен составляет 0,1252 Вт / м ^2.K. Для других скоростей и направлений ветра значения U будут другими.

При скорости ветра более 5,7 м / с на высоте гребня боковые стенки находятся в режиме прохождения потока со значением U, резко возрастающим со скоростью ветра (рис. 6). При скорости ветра более 9,0 м / с на высоте гребня подветренная палата переключается из режима контрафлюса в режим прохождения потока. Среднее значение U для четырех стен теперь составляет 0,36 Вт / (м ² K), что значительно больше, чем 0,2 Вт / (м ² K) для герметичной конструкции. Эти изменения из режима встречного потока в режим прохождения потока могут быть задержаны путем сброса давления в здании ниже -10 Па.

Разместив это здание в определенном географическом месте, данные о скорости ветра для этого участка могут быть использованы для оценки доли года, в которой одна или несколько стен будут работать в рискованном режиме с высокими потерями тепла. По рэлеевскому распределению скорости ветра на месте строительства можно оценить количество часов в году, в течение которых скорость ветра на высоте 10,0 м превышает 7,83 м / с (оценка из скорости ветра 5,7 м / с). м / с при высоте гребня 8,0 м). ^[7] Это общее время в течение среднего года, когда в здании с динамически изолированными стенами наблюдаются значительные потери тепла.

Если, например, здание на рис. 8 было расположено в Футди, Абердин, то в сетке наземных рейнджеров Ordnance Survey будет NJ955065. Ввод NJ9506 в базу данных скорости ветра Великобритании ^[8] возвращает для этого участка среднегодовую скорость ветра 5,8 м / с на высоте 10 м. Распределение Рэлея для этой средней скорости ветра указывает на то, что скорость ветра, превышающая 8 м / с, вероятно, будет наблюдаться в течение 2348 часов в году или около 27% в году. Коэффициенты ветрового давления на стены здания также меняются в зависимости от направления ветра, которое меняется в течение года. Тем не менее, приведенные выше расчеты показывают, что двухэтажное квадратное здание, расположенное в Футди, Абердин, может иметь одну или несколько стен, работающих в рискованном режиме с высокими потерями тепла в течение примерно четверти года.

Более надежный способ введения динамической изоляции в здание, позволяющий избежать колебаний давления вокруг оболочки здания, состоит в использовании того факта, что в вентилируемом пространстве под крышей давление относительно равномерно над потолком (рис. 9). ^[7] Таким образом, здание с динамически изолированным потолком будет обеспечивать стабильные характеристики независимо от меняющейся скорости и направления ветра.

Слой контроля воздуха

Максимальный сброс давления для динамически изолированного здания обычно ограничивается 10 Па, чтобы избежать захлопывания дверей или затруднений при открытии дверей. ^[9] Dalehaug также рекомендовал, чтобы перепад давления через конструкцию при проектном минимальном расходе воздуха (> 0,5 м ³ / м ² ч) составлял около 5 Па. Функция слоя контроля воздуха (рис. 1) в динамически изолированной стена или потолок обеспечивает достаточное сопротивление воздушному потоку для достижения необходимого падения давления при расчетной скорости воздушного потока. Слой контроля воздуха должен иметь подходящую воздухопроницаемость, и это ключ к работе динамической изоляции.

Проницаемость материала для воздушного потока Φ (м ² / гПа) определяется как объем воздуха, который проходит через куб материала 1 м X 1 м X 1 м за один час.

${\displaystyle \Phi ={\frac {L\ V'}{A\ \Delta \!P}}}$

( 10 )

куда

 Площадь материала , через который проходит воздух (м ² )

L  толщина материала, через который проходит воздух (м)

V '  объемный расход воздуха (м ³ / ч)

ΔP  перепад давления по длине материала L (Па)

Уравнение ( 10 ) представляет собой упрощенную форму закона Дарси . В строительстве воздух находится при атмосферном давлении и температуре, и небольшие изменения вязкости воздуха не являются значительными. Закон Дарси можно использовать для расчета воздухопроницаемости пористой среды, если проницаемость среды (м ² ) известна.

Воздухопроницаемость некоторых материалов, которые могут быть использованы в динамически изолированных стенах или потолке, перечислены в Таблице 3. Данные воздухопроницаемости имеют решающее значение для выбора правильного материала для слоя контроля воздуха. Другие источники данных о воздухопроницаемости включают ASHRAE ^[10] и Kumaran. ^[11]

Таблица 3: Измеренная воздухопроницаемость строительных материалов ^[12]

(1) Перепад давления рассчитан при расходе 1 м ³ / м ² ч.

Проектирование динамически изолированного здания

Применение теории динамической изоляции лучше всего пояснить на примере. Предположим, дом площадью 100 м ² с динамически изолированным потолком. Использование динамической изоляции в потолке эффективно ограничивает дом до одноэтажного дома.

Первый шаг - выбрать подходящую скорость воздухообмена для хорошего качества воздуха. Поскольку этот расход воздуха будет подаваться через динамически изолированный потолок и систему механической вентиляции и рекуперации тепла (MVHR), потеря энергии не является серьезной проблемой, поэтому предполагается 1 воздухообмен в час (ач). Если высота от пола до потолка составляет 2,4 м, это означает расход воздуха 240 м ³ / ч, часть которого подается через динамически изолированный потолок, а часть - через MVHR.

Затем выбирается материал для слоя управления воздухом, обеспечивающий подходящую скорость воздушного потока при выбранной разгерметизации, принимаемой в данном случае равной 10 Па. (Скорость воздушного потока может быть определена по желаемому значению U при разгерметизации 10 Па.) Из таблицы 4 фибровый картон имеет соответствующую воздухопроницаемость 1,34x10 ^-3 (м ² / гПа).

Для листа фибрового картона толщиной 12 мм это дает при максимальной разнице давлений 10 Па расход воздуха 1,12 м ³ / ч на м ² потолка. Это эквивалентно скорости воздуха через потолок 1,12 м / ч или 0,31 мм / с. Таким образом, потолок 100 м ² будет обеспечивать 112 м ³ / ч, и, следовательно, теплообменник воздух-воздух обеспечит баланс 128 м ³ / ч.

Динамическая изоляция лучше всего работает при хорошей толщине изоляции, поэтому, взяв 200 мм целлюлозной изоляции (k = 0,04 Вт / м ° C), значение динамического U для воздушного потока 0,31 мм / с рассчитывается с использованием уравнения ( 7 ) выше: 0,066 Вт / м ² ° C. Если требуется более низкое динамическое значение U, тогда для слоя контроля воздуха необходимо выбрать материал с более низкой воздухопроницаемостью, чем фибровый картон, чтобы можно было достичь более высокой скорости воздуха через изоляцию при 10 Па.

Последним шагом будет выбор воздухо-воздушного теплообменника с хорошей эффективностью рекуперации тепла с расходом приточного воздуха 128 м ³ / ч и расходом вытяжного воздуха 240 м ³ / ч.

Смотрите также

• Список изоляционного материала
• Ветровые нагрузки на здания
• Ламинарный поток
• Пористая среда

использованная литература

внешние ссылки

• «OpenAir @ RGU» Дополнительные ресурсы по теории и применению динамической изоляции можно найти в OpenAIR @ RGU, институциональном репозитории с открытым доступом Университета Роберта Гордона.