Способ определения изменения термического сопротивления и коэффициента теплопроводности при возникновении в наружной стене физического эффекта встречных тепловых потоков по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях
METHOD OF DETERMINING CHANGE IN THERMAL RESISTANCE AND COEFFICIENT OF HEAT CONDUCTIVITY WHEN EXTERNAL EFFECT OF COUNTER HEAT FLUX ORIGINATES IN EXTERNAL WALL BASED ON RESULTS OF THERMOPHYSICAL TESTS IN NATURAL CONDITIONS

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и может быть использовано в строительстве для оценки теплозащитных свойств по результатам испытаний в натурных условиях.
Известен способ определения сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций по ГОСТ 26254-84, согласно п. 3.2 которого сопротивление теплопередаче  для термически однородной зоны ограждающей конструкции вычисляется по формуле:
=+,            [1]
где  и  – сопротивления теплопередаче соответственно внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции, ;
– термическое сопротивление однородной зоны ограждающей конструкции, ;
и  – средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутреннего и наружного воздуха, °С;
- средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции, °С;
– средняя за расчетный период измерения фактическая плотность теплового потока, .
Недостатком способа является то, что способ решает задачу определения общего сопротивления теплопередачи и не рассматривает определение изменений термических сопротивлений отдельных внутренних слоев исследуемой конструкции наружного ограждения.
Известен способ, которым определяют локальные термические сопротивления обследуемых участков при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент № 2219534, кл. G01N25/72, от 12.09.02 г.). согласно известному способу определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают произвольно и многократно значение теплопроводности нужного слоя. Используя разработанную обобщенную физико-математическую модель теплового неразрушающего контроля многослойных объектов с неоднородностями и заданное значение теплопроводности, рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру и плотность теплового потока соответственно наружной и внутренней поверхностей, проводят мгновенное тепловизионное обследование и измеряют температуры и плотности тепловых потоков соответственно на внутренней и наружной поверхностях. Сравнивают теоретически возможные значения с измеренными. Выбирают для дальнейших расчетов то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения.
Известен способ, в котором определяют термическое сопротивление при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент РФ №2316760, кл. G01N25/72, от 22.08.05 г.).
Согласно известному способу выделяют не менее двух термически однородных зон на термограмме внутренней поверхности объекта. На выделенных участках измеряют и рассчитывают температуры их наружной и внутренней поверхностей при задаваемых значениях теплопроводности (λ). Сравнивают эти температуры в одной системе координат. Задают погрешность между сравниваемыми температурами δ±8,5%. Определяют временные интервалы и на выбранных временных интервалах вычисляют коэффициент теплоотдачи (α). Выбирают значения теплопроводности (λ), при которых α=α+∆α. Определяют термическое сопротивление всех участков с аномалиями температурного поля и соответственно сопротивление термопередаче этих участков и приведенное сопротивление теплопередаче многослойного объекта.
Известен способ (см. патент РФ № 2383008, кл. G01N 25/18, от 19.12.08.), позволяющий определить состояние конструкций и их теплопотери при исследовании нестационарных процессов. Известный способ включает измерение средних значений температуры и теплового потока на наружной и внутренней поверхностях в течение нескольких интервалов времени, последовательное изменение величины и начальных значений временных интервалов фиксацию тех временных интервалов и измеренных средних значений температуры и теплового потока, в которых данные величины отличаются на величину, не превышающую величину заранее заданной погрешности, и определение сопротивления теплопередачи контролируемого участка и определение термического сопротивления по всей поверхности исследуемого объекта.
н
в
п н
п в
Известен способ (см. патент РФ № 2262686, кл. G01N 25/72, от 23.04.04 г.), который используется для технической диагностики неоднородных конструкций по термическому сопротивлению. Сущность способа заключается в том, что определяют плотность теплового потока через контролируемое ограждение, измеряют его величину (q) на одной из поверхностей (например, на внутренней поверхности -, измеряют температуры сред около противоположных поверхностей (Т, Т), температуры противоположных поверхностей (Т, Т) и определяют качества контролируемого объекта по его сопротивлению теплопередаче  в соответствии с формулой ГОСТ 26254-84.
Известные способы универсальны, однако, как и предыдущий способ определения сопротивления теплопередачи по ГОСТ 26254-84 направлены на решение определения  всей конструкции в целом и не решают задачу определения термического сопротивления внутренних слоев ограждения.
Известен способ оценки теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича в зимний период по результатам испытаний в натурных условиях (см. патент РФ № 2454659, опубл. 27.06.2012, бюл. № 18). Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и может быть использовано для оценки теплозащитных свойств по результатам испытаний в натурных условиях.
Сущность способа оценки теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича, в зимний период по результатам испытаний в натурных условиях включает измерение температур внутренней и наружной поверхностей конструкций в дневное время суток путем размещения датчиков в толще ограждения. Согласно изобретению, в дневное время суток при наличии солнечного излучения на поверхность ограждения по показаниям датчиков моделируют процесс проявления встречных тепловых потоков в толщине ограждения с использованием направления вектора температурного градиента, при этом учитывают по показаниям температур на поверхности и в толщине ограждения характер колебаний тепловых потоков от наружного слоя ограждения во внутренние слои, определяя возникновение в толщине ограждения более прогретого слоя по сравнению с поверхностью ограждения, являющегося источником разнонаправленных тепловых потоков.
Недостатком изобретения является тот факт, что в изобретении моделируется процесс нестационарной теплопередачи с возникновением в толще стены физического эффекта встречных тепловых потоков и рассматривается теплофизическое состояние, в общем и целом.
Предложенное техническое решение с использованием графического способа позволяет определить значения термических сопротивлений и коэффициентов теплопроводности по сечению многослойной стенки из разнородных материалов или внутренних слоев однорядного ограждения при его послойном разделении.
Прототипом предложенного способа может служить способ определения изменения термического сопротивления (R) и коэффициента теплопроводности (λ) по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях (см. патент РФ № 2650052, опубл. 06.04.2018, бюл. № 10). Сущность способа состоит в разработке графического способа, позволяющегося обеспечить решения задачи определения изменения термического сопротивления (R) и коэффициента теплопроводности (λ) по толщине исследуемой конструкции наружного ограждения при проведении натурных теплофизических исследований. Полученные значения R и λ по толщине наружной стены позволяет более точно оценить теплозащитные качества всего ограждения. Способ заключается в том, что вся измерительная информация, полученная с лабораторного комплекса для определения теплотехнических характеристик образцов стеновых ограждений при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях (патент на полезную модель № 153276, опубл. 10.07.2015, бюл. № 19), поступает в компьютер банк данных, где проходит первичную обработку, систематизацию в виде таблиц и графиков. Для анализа распределения температур по сечению используем графический способ.
Недостатком существующего способа является то, что в ряде случаев, возникающих при построении графика распределения температуры по толщине стены, невозможно воспользоваться предлагаемым способом без его корректировки и существенной модернизации. Например, при возникновении в толще стены физического эффекта встречных тепловых потоков (патент на изобретение №24546559, опубл. 27.06.2012 г., бюл. №18).
Предложенное техническое решение с использованием в графическом методе определения термического сопротивления с использованием мнимых точек позволяет решать все возникающие случаи распределения температур по толщине стены, включая случаи возникновения в толще стены физического эффекта встречных тепловых потоков.
Технический результат состоит в разработке графического способа с использованием мнимых точек, позволяющего обеспечить решение задачи по определению изменений термического сопротивления (R) и коэффициента теплопроводности (λ) по толщине стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях, включая случаи возникновения в толще стены физического эффекта встречных тепловых потоков.
Технический результат достигается тем, что способ определения изменений термического сопротивления (R) и коэффициента теплопроводности (λ) построением на графике распределения температур по толщине стены мнимых точек по результатам испытаний в натурных условиях, включающий измерение температуры на внутренней и наружной поверхности, а также по всей толщине конструкции путем размещения датчиков в толще ограждения, поступающая информация с которых направляется в банк данных (БД) компьютера (ПК), где проходит обработку и систематизацию в виде графиков, с использованием которых на поперечном разрезе исследуемого наружного ограждения, построенного в выбранном масштабе и предварительно разбитом на слои в местах размещения датчиков, строится график распределения температур по слоям, для построения которого предварительно и параллельно поверхности стенки проводится шкала температур, с которой на выделенные внутри слои переносятся точки соответствующих температур взятых из графика, полученного из (БД, ПК), параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка строится в масштабе термического сопротивления (R), в случае с многослойной исследуемой конструкцией наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного термического сопротивления, далее переносим токи графика температур на наружную и внутреннюю поверхности с первого разреза на второй разрез и соединяем прямой линией. Переносим остальные точки первого разреза на наклонный график в виде прямой линии на втором разрезе и проектируем точки вниз на горизонтальную линию. Полученные отрезки на горизонтальной линии численно выражают значения термических сопротивлений слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения термических сопротивлений, по формуле
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К);
δ – толщина слоя стены, м;
2
R – термическое сопротивление стены, м⋅К/Вт,
определяется значение коэффициента теплопроводности λ каждого слоя, в случае, если датчик, установленный во внутреннем слое, покажет значение температур ниже температуры с датчика, который установлен в предыдущем слое, показав на графике «яму», поступают следующим образом: через точку на графике предыдущую понижению температуры проводят ось симметрии и симметрично оси находят мнимую точку, значение которой интерполируют на график разреза стены, построенный в масштабе термических сопротивлений, согласно изобретения,
в случае, если датчик, установленный во внутреннем слое, показывает значение температуры выше температуры с датчика, установленного в следующем слое, и показывает на графике пик, направление теплового потока в этом случае будет направлено к внутренней поверхности, и мы будем наблюдать физический эффект встречных тепловых потоков через точку, следующую за пиком проводим ось симметрии и находим мнимую точку, значение которой интерполируют на график разреза стены, построенный в  масштабе термических сопротивлений, в случае, если датчик, установленный в следующем слое от наружной поверхности, показывает температуру ниже значения температуры на наружной поверхности, необходимо на графике распределения температур по слоям через точку, следующую от точки на наружной поверхности, где установлен датчик, провести ось симметрии и перенести точку на наружной поверхности симметрично относительно оси, получив на наружной поверхности мнимую точку, значение которой интерполируют на график второго разреза,
1
2
в случае если датчик, установленный в следующем слое от наружной поверхности, показывает значение температуры одинаковые со значением температуры на наружной поверхности, на графике распределения температур по слоям получим: в первом слое график в виде прямой линии, в этом случае направление теплового потока будет определено значениями температур в точках с датчика, установленного на наружной поверхности и датчика, установленного на границе второго и третьего слоев от наружной поверхности, проектируем точку на наружной поверхности на график второго разреза, значения R первого слоя и Rвторого слоя будут получены делением горизонтальной проекции точки на наружной поверхности и точки, расположенной на границе второго и третьего слоев пополам и будут равны,
в случае, если датчик, установленный во внутреннем слое, показывает значение температуры одинаковые со значением температуры с предыдущего слоя, на графике распределения температур по слоям получим прямую линию, например, если температуры в точках на границе второго и третьего слоев и датчика, установленного на границе третьего и четвертого слоев будут равны,
3
4
3
4
3
4
3
4
в этом случае направление теплового потока будет определено значениями температур с датчика, установленного на границе второго и третьего слоев и датчика, установленного на границе четвертого и пятого слоев, переносим эти значения на график второго разреза и в случае, если толщина третьего и четвертого слоев одинакова, получим значение термического сопротивления R, равное термическому сопротивлению R, в случае неравенства толщины 3-го и 4-го слоев δ≠δ значения R и Rопределяется пропорционально δ и δ,
4
5
в случае, если датчик установлен на внутренней поверхности ограждения и показывает температуру ниже значения температуры с датчика, установленного в предыдущем слое, необходимо на графике распределения температур по слоям через точку на границе четвертого и пятого слоев провести ось симметрии и перенести точку на внутренней поверхности симметрично оси, получив на внутренней поверхности мнимую точку, значение которой интерполируют на график второго разреза и вниз до пересечения с горизонтальной линией, получим значения термических сопротивлений R и R четвертого и пятого слоев.
Изобретение поясняется рисунками.
Рис. 1. - графический способ определения термического сопротивления внутренних слоев стены; рис. 2. - суточный график изменения температуры по слоям в наружном ограждении; рис. 3. - график распределения температур по толще стены (разрез 1) и график распределения температуры (разрез 2) в стене, построенный в масштабе термических сопротивлений; рис. 4. - график распределения температур по толще стены (разрез 1) и график распределения температуры (разрез 2) в стене, построенный в масштабе термических сопротивлений; рис. 5. - график распределения температур по толще стены (разрез 1) и график распределения температуры (разрез 2) в стене, построенный в масштабе термических сопротивлений; рис. 6. - график распределения температур по толще стены (разрез 1) и график распределения температуры (разрез 2) в стене, построенный в масштабе термических сопротивлений; рис. 7. - график распределения температур по толще стены (разрез 1) и график распределения температуры (разрез 2) в стене, построенный в масштабе термических сопротивлений; рис. 8. - график распределения температур по толще стены (разрез 1) и график распределения температуры (разрез 2) в стене, построенный в масштабе термических сопротивлений.
На первом разрезе (рис. 1) в произвольном масштабе изображается толщина стенки (исследуемого образца), разбитая на слои в местах установления термопар. Параллельно поверхности стенки проводится вертикальная шкала температур, с которой на выделенные слои переносятся точки соответствующих температур, взятых из графика (рис. 2).
Прямые линии, соединяющие эти точки, показывают изменение температуры по сечению ограждения. Полученный температурный график представляет собой ломаную линию. Более интенсивное изменение температуры в слоях характеризует состояние слоя с меньшим значением λ и имеет вид линии графика с большим углом наклона.
На втором разрезе (рис. 1) изображается эта же стенка в масштабе термического сопротивления R, определяемое по формуле [2], поскольку термическое сопротивление пропорционально толщине стенки:
1
2
где t и t – температура на внутренней и наружной поверхности, К;
2
Q – тепловой поток, Вт/м.
Переносим точки графика температур с первого разреза, сначала точки с температурами на внутренней и наружной поверхности на наружную и внутреннюю поверхность второго разреза и соединяем прямой линией, переносим точки графика с внутренних слоев на прямую наклонную линию второго разреза и проектируем точки пересечения с наклонной прямой вниз на горизонтальную линию. Полученные отрезки на горизонтальной линии являются численными значениями термических сопротивлений слоев ограждений.
Построенные оба разреза на миллиметровой бумаге позволяют определить с выбранным масштабом значения термического сопротивления слоев ограждений с точностью до 2 го знака после запятой.
В случае, если датчик, установленный в следующем слое от наружной поверхности, показывает температуру ниже значения температуры на наружной поверхности, необходимо на графике распределения температур по слоям через точку 3, где установлен датчик, провести ось симметрии (0-0) (рис. 3), перенести точку 2 симметрично относительно оси (0-0), получив на наружной поверхности мнимую точку 2, значение которой интерполируют на график разреза 2.
В случае, если датчик, установленный во внутреннем слое, покажет значение температуры ниже температуры с датчика, который установлен в предыдущем слое, показав на графике «яму», поступают следующим образом: через точку на графике предыдущую понижению температуры проводят ось симметрии (0-0) и симметрично оси находят мнимую точку (рис. 4), значение которой интерполируют на график разреза 2.
2
3
1
2
В случае если датчик, установленный в следующем слое от наружной поверхности, показывает значение температуры одинаковые со значением температуры на наружной поверхности, т.е. τ=τ, на графике распределения температур по слоям получим: в первом слое график в виде прямой линии (рис. 5), в этом случае направление теплового потока будет определено значениями температур в точках 2 и 4 с датчика, установленного в следующем слое, переносим точку 2 на график разреза 2 и проектируем точки вниз на горизонтальную линию, значения термического сопротивления R слоя 1 и Rслоя 2 будут получены делением горизонтальной проекции точек 2 и 4 пополам и будут равны.
В случае, если датчик, установленный во внутреннем слое, показывает значение температуры выше температуры с датчика, установленного в следующем слое и показывает на графике пик, направление теплового потока в этом случае будет направлено к внутренней поверхности, и мы будем наблюдать физический эффект встречных тепловых потоков (рис. 6), через точку, следующую за пиком проводим ось симметрии (0-0) и находим мнимую точку, значение которой интерполируют на график разреза 2.
3
4
3
4
3
4
3
4
В случае, если датчик, установленный во внутреннем слое, показывает значение температуры одинаковые со значением температуры с предыдущего слоя, на графике распределения температур по слоям получим прямую линию (рис. 7), в этом случае направление теплового потока будет определено значениями температур в т. 4 и 6, переносим точки 4 и 6 на разрез 2 и, в случае, если толщина 3-го и 4-го слоев одинакова, то получим значение термического сопротивления R, равное термическому сопротивлению R, в случае неравенства δ≠δ, толщины 3-го и 4-го слоев различны, то R и Rопределяется пропорционально δ и δ.
В случае, если датчик установлен на внутренней поверхности ограждения и показывает температуру ниже значения температуры с датчика, установленный в предыдущем слое, необходимо на графике распределения температур по слоям через т. 6 провести ось симметрии (рис. 8) и перенести т. 7 на внутреннюю поверхность ограждения симметрично относительно оси (0-0), получив на внутренней поверхности мнимую точку 7’, значение которой интерполируют на график разреза 2 вниз до пересечения с горизонтальной линией, получим значения термических сопротивлений слоев ограждения.
Зная толщину выделенного слоя и термическое сопротивление можем определить коэффициент теплопроводности λ по формуле [3]:
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К);
δ – толщина слоя стены, м;
2
R – термическое сопротивление стены, м⋅К/Вт.