ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТЕНЫ
DETERMINATION OF WALL THERMAL RESISTANCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для определения величины, характеризующей тепловое сопротивление разделительной стены между первой средой и второй средой.
Уровень техники
Изобретение может быть применено для определения величины, характеризующей тепловое сопротивление любого типа разделительной стены между двумя средами, особенно стены здания, стены транспортного средства, стены печи, стены резервуара.
В частности, изобретение может быть применено для определения величины, характеризующей тепловое сопротивление элемента конструкции, относящегося к оболочке помещения, такой как стена, пол, крыша, окно, дверь и т.д., при этом элемент конструкции в дальнейшем представляет собой разделительную стену между внутренней частью и внешней средой помещения.
В данном документе термин "помещение" обозначает любое место для проживания или хранения. В частности, данное помещение можно быть местом для постоянного проживания или хранения, таким как отдельный дом или здание, в частности, для проживания или третьестепенного использования, или частью такого здания, например, квартирой в здании с многочисленными этажами, или же таким как машина, в частности, в секторе для бытовых электроприборов, печи, холодильника и т.д. Это помещение может также быть передвижным местом для постоянного проживания или хранения, таким как вагон поезда, салон автомобиля, кабина грузовика или место для хранения в грузовике, каюта на судне или место для хранения на судне.
В рамках изобретения выражение "величина, характеризующая тепловое сопротивление стены" обозначает любую величину, характеризующую способность стены пропускать через себя тепловой поток. В рамках способа и устройства согласно изобретению, это выражение можно, в частности, определить как любую величину, характеризующую тепловое сопротивления стены:
коэффициент теплопропускания стены, обозначенный ;
общее тепловое сопротивление стены, обозначенное ;
тепловое сопротивление от поверхности до поверхности стены, обозначенное .
Коэффициент теплопропускания стены определяется как отношение теплового потока через единицу площади поверхности, в установившемся состоянии к разности температур между средами, расположенными по обе стороны от стены. Коэффициент теплопропускания определяется соотношением:
,
где  - плотность теплового потока через стену, - температура среды, расположенной с первой стороны от стены, - температура среды, расположенной со второй стороны от стены.
-
Общее тепловое сопротивление стены является таким, что , где тепловое сопротивление от поверхности до поверхности стены, при этом - температура поверхности первой стороны стены, и  температура поверхности второй стороны стены,  - поверхностное тепловое сопротивление первой стороны стены,  - поверхностное тепловое сопротивление второй стороны стены.
Определение коэффициента  теплопропускания составляющих элементов конструкции оболочки помещений является полезным, в частности, для проведения диагностики тепловой изоляции помещения, будь то новое или старое помещение. В частности, когда рассматривается вопрос о ремонте помещений, это позволяет целенаправленно определять меры, которые должны необходимо предпринять для повышения тепловых характеристик.
Известно определение коэффициента  теплопропускания элемента конструкции, относящегося к оболочке помещения в соответствии с квазистатическим методом, определенным стандартом ISO 9869: 1994, под названием "Метод измерения тепловых потоков". Этот метод предполагает проведение измерений на месте, с одной стороны, теплового потока через элемент конструкции с помощью по меньшей мере одного измерителя теплового потока, установленного на поверхности элемента, который находится рядом с местом наиболее стабильной температуры, и, с другой стороны, температуры внутри помещения и температуры вне помещения вблизи измерителя теплового потока. Измерения теплового потока и температуры выполняются в течение периода времени, который может составлять от трех дней до нескольких недель, при этом продолжительность измерения зависит, в частности, от вида элемента конструкции, колебаний внутренней и наружной температур, метода, используемого для анализа данных. Основным недостатком этого метода является его продолжительность реализации.
Более конкретно, настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков за счет выполнения способа и устройства, которые позволяют быстро определить величину, характеризующую тепловое сопротивление разделительной стены между первой средой и второй средой, в частности, в течение одной ночи или даже нескольких часов, независимо от типа стены, с умеренной стоимостью и разумной точностью, при этом стена может быть, например, элементом конструкции, относящимся к оболочке помещения.
Сущность изобретения
С этой целью одним предметом изобретения является способ определения величины, характеризующей тепловое сопротивление разделительной стены между первой средой и второй средой, который характеризуется тем, что он содержит этапы, на которых:
- в течение по меньшей мере двух последовательных периодов времени, соответствующих разным мощностям нагревапервой среды, выполняют мероприятия по измерению теплового потока  через стену и температуры в первой среде через близкие временные интервалы, а также определяют температуру  во второй среде через близкие временные интервалы;
- определяют значение величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, добиваясь совпадения: с одной стороны, тепловой модели, выражающей изменение во времени температуры в одной среде, отделенной от другой среды стеной, в зависимости от теплового потока через стену, температуры в другой среде и физических параметров стены, на основе которых рассчитывают величину, характеризующую тепловое сопротивление стены; и, с другой стороны, измеренного изменения температуры в первой среде в зависимости от времени.
Как это определено изобретением, тот факт, что добиваются совпадения тепловой модели и измеренного изменения  означает, что значение физических параметров стены, которые используются в тепловой модели, регулируется таким образом, чтобы минимизировать разность по меньшей мере на протяжении временного интервала, включенном в каждый период времени, между изменением во времени температуры в первой среде, вычисленной на основе тепловой модели, и изменением во времени температуры, фактически измеренным в первой среде . Таким образом, аппроксимацию можно выполнить в пределах каждого периода времени или в течение одного или более временных интервалов, включенных в каждый период времени.
В качестве примера в случае, где тепловая модель является простой моделью R-C с одним резистором и одним конденсатором, и где для каждого периода времени существует временной интервал , для которого измеренное изменение температуры в первой среде в зависимости от времени является по существу линейным, добиваются совпадения простой модели R-C и измеренного измененияв течение временных интервалов следующим образом: для каждого периода времени угол наклона касательной к кривой  определяют на протяжении временного интервала и значения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, на основе значений угла наклона и значений среднего теплового потока через стену, взятого за период времени или предпочтительно взятого за временной интервал .
Согласно другому примеру в случае, где тепловая модель является более сложной моделью R-C, такой как так называемая модель "2R2C" с двумя резисторами и двумя конденсаторами или же так называемая модель "3R2C" с тремя резисторами и двумя конденсаторами, добиваются совпадения более сложной модели R-C и измеренного изменения  путем регулировки значения физических параметров стены, используемых в модели для того, чтобы минимизировать различие во всех периодах времени между изменением во времени температуры в первой среде, вычисленной на основе более сложной модели R-C, и изменением во времени температуры, фактически измеренной в первой среде .
На практике в тепловую модель вводятся входные данные, такие как размеры стены, теплового потока  через стену, который измеряется в течение каждого периода  времени, температура  во второй среде, которая определяется в течение каждого периода  времени.
Примеры физических параметров стены, которые могут служить помехой для тепловой модели и которые будут регулироваться таким образом, чтобы добиться совпадения тепловой модели и измеренного изменения , содержат, в частности, теплопроводность стены, теплоемкость стены, толщину стены, коэффициент конвективно-радиационного теплообмена между стеной и первой средой.
Изобретение позволяет на месте определять тепловое сопротивление стены. Принцип, лежащий в основе изобретения, заключается в использовании переходных изменений температуры в первой среде, когда первая среда подвергается управляемым внутренним импульсным воздействиям, и в измеренной внешней окружающей обстановке. Количественный анализ изменения температуры в первой среде позволяет количественно определить энергоэффективность стены в течение короткого периода, продолжающегося в течение нескольких часов, при этом ограничивая количество параметров, способных влиять на тепловое поведение стены и первой и второй сред. В частности, в случае определения теплового сопротивления элемента конструкции, относящегося к оболочке помещения, краткость измерений позволяет обойти влияние условий использования помещения и изменений внешних климатических условий.
Предпочтительно, чтобы изменение температуры в первой среде анализировалось вблизи стены, для которой необходимо определить величину, характеризующую тепловое сопротивление.
В рамках изобретения, " мощность нагрева первой среды" означает любое рабочее состояние, вызывающее изменение температуры в первой среде для заданных температурных условий во второй среде. Предполагается, что мощность нагрева может быть положительной, равна нулю или отрицательной. Положительная мощность нагрева соответствует подаче тепла в первую среду, тогда как отрицательная мощность нагрева соответствует подаче холода в первую среду.
Периоды времени могут быть либо неперекрывающимися, либо непосредственно следующими друг за другом. В последнем случае можно считать, что способ выполняется полностью в течение непрерывного периода времени, образованного последовательностью периодов времени.
Предпочтительно, способ реализуют в двух последовательных периодах  и  времени, соответствующих двум различным настройкам имощности нагрева первой среды.
В предпочтительном варианте осуществления с целью ограничения времени реализации способа при уменьшении вклада солнечной радиации способ выполняется полностью и непрерывно в течение одного ночного периода.
Согласно одному аспекту изобретения измерения теплового потока  через стену, проводятся с помощью по меньшей мере одного датчика теплового потока, расположенного на поверхности стены. Датчик теплового потока может быть измерителем теплового потока или калориметром.
В предпочтительном варианте датчик теплового потока представляет собой измеритель теплового потока, совместимый со стандартом ISO 9869:1994, в частности, градиентный измеритель теплового потока.
Согласно одному аспекту изобретения учитывается сопротивление потоку благодаря измерителю теплового потока, и в измеренный тепловой поток вносится поправка для того, чтобы получить тепловой поток, относящийся только к стене, для которой необходимо определить тепловое сопротивление. Это особенно важно для стен с низким тепловым сопротивлением, таких как одинарное остекление.
В предпочтительном варианте измерения температуры первой среды выполняются с помощью по меньшей мере одного датчика температуры, который располагается в первой среде вблизи датчика теплового потока. Предпочтительно, расположение датчика или датчиков температуры в первой среде осуществляется в соответствии с пунктом 6.1.3 стандарта ISO 9869: 1994.
Согласно одному аспекту изобретения измерения температуры первой среды выполняются с помощью по меньшей мере одного датчика окружающей температуры , который способен измерять температуру воздуха в первой среде. Затем можно обратиться непосредственно к коэффициенту теплопропускания стены или к общему тепловому сопротивлению стены. Примеры датчиков окружающей температуры , которые можно использовать в рамках изобретения содержат, в частности, термопары, например, термопары типа T или типа K; термосопротивления, например, датчики температуры Pt100. Такие датчики окружающей температуры располагаются в объеме воздуха в первой среде.
Согласно одному аспекту изобретения измерения температуры первой среды выполняются с помощью по меньшей мере одного датчика температуры поверхности, который способен измерять температуру поверхности стены в первой среде. Затем можно обратиться непосредственно к тепловому сопротивлению  от поверхности до поверхности стены. Примеры датчиков температуры поверхности, которые можно использовать в рамках изобретения, содержат, в частности, тонкие термопары или плоские термосопротивления, которые располагаются на поверхности стены в первой среде; инфракрасные камеры, которые располагаются перед поверхностью стены в первой среде.
Тепловая модель, используемая для определения значения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, может быть любого типа, известного специалисту в данной области техники. Она может быть особенно моделью R-C с подходящим количеством резисторов и конденсаторов.
Предпочтительно тепловая модель, используемая для определения значения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, является простой моделью R-C с одним резистором и одним конденсатором.
Согласно варианту тепловая модель, используемая для определения значения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, может быть так называемой моделью R-C "2R2C" с двумя резисторами и двумя конденсаторами или же так называемой моделью R-C "3R2C" с тремя резисторами и двумя конденсаторами.
В предпочтительном варианте осуществления тепловая модель, используемая для определения значения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, является простой моделью R-C с одним резистором и одним конденсатором, и для каждого периода времени имеется временной интервал, в течение которого измеренное изменение температуры в первой среде в зависимости от времени является по существу линейным. Далее, добиваются совпадения модели R-C и измеренного изменения  следующим образом: для каждого периода времени угол наклона касательной к кривой  определяют в течение временного интервала , и затем значение величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, определяется на основе значений угла наклона и значений среднего теплового потока  через стену, взятого за период времени или предпочтительно взятого за временной интервал .
Разумеется, способ согласно изобретению не обязательно требует графического представления изменения .
В частности, для каждого временного интервала угол наклона касательной к кривой равен производной изменения на интервале . Следовательно, этап определения угла  наклона касательной к кривой на протяжении временного интервала можно выполнить, в рамках изобретения, путем вычисления производной изменения на протяжении временного интервала , не обращаясь к графическому представлению изменения .
Этапы вычисления способа, в частности, для определения углов  наклона, можно реализовать с помощью любого соответствующего средства вычисления. В частности, это может быть электронный вычислительный блок, который соединен с системой сбора данных для получения измерений, требуемых способом, и который содержит средство вычисления для выполнения всех или части этапов расчета способа на основе полученных измерений.
В рамках изобретения согласно принципу, объясненному в заявке на патент WO 2012/028829 A1, простая модель R-C используется для описания помещения, с двумя однородными температурными узлами, одним внутри помещения и другим вне помещения, которые разделены резистором, представляющим общий коэффициент теплопотерь помещения и описывающим потери при теплопередаче и теплопропускании через оболочку помещения. Температурный узел внутри помещения связан с конденсатором, который представляет удельную теплоемкость или эффективную теплоемкость помещения. Мощность, подводимая в помещение, компенсируется потерей тепла через оболочку и теплом, запасенным в конструкции оболочки, что описывается уравнением:
,
-
и
-
-
-
где  общая мощность, подводимая в помещение,  температура внутри помещения и наружная температура, соответственно,  общий коэффициент теплопотерь помещения, и  эффективная теплоемкость помещения.
Предполагается, что температурный отклик помещения является простой убывающей показательной функцией, и что его постоянная времени является произведением общего коэффициента теплопотерь на эффективную теплоемкость помещения. В действительности тепловой отклик помещения является более сложным и является суперпозицией большого количества убывающих показательных функций, но при проведении испытаний в течение достаточно длительного периода, только самая большая постоянная времени играет роль, и ранее описанная модель является действительной.
Применяя две мощностиинагрева помещения с различными значениями для двух периодов ивремени можно затем определить общий коэффициент теплопотерь помещения по формуле:
,
k
=1 или 2
k
=1 или 2
где () - угол наклона на протяжении временного интервала касательной к кривой изменения температуры внутри помещения , и () - разность между средней температурой внутри помещения и средней температурой вне помещения в течение временного интервала .
Согласно настоящему изобретению аналогичным образом можно определить коэффициент теплопропускания разделительной стены между первой средой и второй средой по формуле:
,
k
=1 или 2
k
=1 или 2
k
=1 или 2
где () - угол наклона на протяжении временного интервала касательной к кривой изменения температуры в первой среде , () - разность между средней температурой первой среды и средней температурой во второй среде на протяжении временного интервала , и () - средний тепловой поток через стену, который берется за период времени или, предпочтительно и для большей точности, за период временного интервала .
Согласно одному варианту осуществления способ содержит этапы, на которых:
- в течение двух последовательных периодов ивремени выполняются:
,
-
-
1) в течение первого периода времени, подвод первой мощности нагрева первой среды и мероприятия по измерению теплового потока  через стену, и температуры первой среды через близкие временные интервалы, а также определение температуры вовторой среде через близкие временные интервалы, причем первая мощность  нагрева должна быть такой, чтобы параметр был меньше или равен 0,8, при где  - начало отсчета первого периода времени,  средняя температура во второй среде во всех периодах  и времени, и  контрольное значение коэффициента теплопотерь первой среды, и затем
2) в течение второго периода времени, подвод по существу нулевой второй мощности нагрева первой среды и мероприятия по измерению теплового потока  через стену, и температуры первой среды через близкие временные интервалы, а также определение температуры вовторой среде через близкие временные интервалы;
определяют значение величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, добиваясь совпадения: с одной стороны, тепловой модели, выражающей изменение во времени температуры одной среды, отделенной от другой среды стеной, в зависимости от теплового потока через стену, температуры другой среды и физических параметров стены, на основе которых рассчитывают величину, характеризующую тепловое сопротивление стены; и, с другой стороны, измеренного изменения температуры в первой среде в зависимости от времени.
В данном варианте осуществления выбрана удельная тепловая нагрузка первой среды, которая позволяет обращаться к значению величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, с хорошей точностью и за меньшее время, причем эта удельная тепловая нагрузка представляет собой подвод строго положительной или строго отрицательной первой мощности  нагрева, подходящей для выработки принудительного изменения температуры в первой среде, которое сопровождается подводом по существу нулевой второй мощности  нагрева, обеспечивая изменение температуры в первой среде.
,
Предпочтительно первая мощность нагревадолжна быть такой, чтобы параметр  был больше или равен 0,25, более предпочтительно был больше или равен 0,3. Действительно, для хорошо изолированной среды, когда параметр  меньше 0,25 или 0,3, чувствительность традиционных измерительных датчиков не позволяет получить удовлетворительные данные, касающиеся изменения температуры первой среды в течение первого периода времени, что приводит к увеличению неопределенности значения коэффициентов ,  или определенных согласно изобретению.
Определение значения первой мощности  нагрева, которая будет подводиться в течение первого периода времени для того, чтобы удовлетворять критериям в отношении параметра , обусловливает необходимость того, чтобы знать контрольное значение коэффициента теплопотерь первой среды.
Первый способ обращения к контрольному значению коэффициента теплопотерь первой среды представляет собой использование величины, получающейся в результате теплового анализа первой среды. В частности, когда первая среда представляет собой внутреннюю часть помещения, контрольное значение помещения можно получить на основе коэффициента теплопередачи или теплообмена оболочки помещения. Предпочтительно, коэффициент теплообмена оболочки помещения определяется с использованием стандарта ISO 13789:2007, "Тепловые характеристики зданий. Коэффициенты теплопотерь в результате теплопередачи и вентиляции. Метод расчета", затем контрольное значение коэффициента теплопотерь выводится посредством применения выражения:
,
-
-
где  коэффициент теплообмена в результате теплопередачи, и  коэффициент теплообмена вентиляции. Предпочтительно коэффициент теплообмена оболочки помещения определяется в соответствии со стандартом ISO 13789:2007 при отсутствии вентиляции в помещении. В качестве варианта вентиляция в помещении может быть активной, и в дальнейшем необходимо измерять или оценивать скорость вентиляционного потока.
Использование стандарта ISO 13789:2007 является предпочтительным способом обращения к контрольному значению коэффициента теплопотерь. Однако можно также рассматривать и другие способы, в частности, когда доступна не вся информация, необходимая для применения стандарта ISO 13789:2007.
Второй способ обращения к контрольному значению коэффициента теплопотерь первой среды в случае внутренней части помещения состоит в том, чтобы подвергнуть помещение квазистатическому испытанию, такому как испытание на "совместное нагревание".
int
ext
int
ext
"Совместное нагревание" представляет собой квазистатический способ, цель которого состоит в том, чтобы измерить общие теплопотери незанятого помещения. Испытание с использованием "совместного нагревания" включает в себя нагревание помещения в течение нескольких дней, как правило, в течение одной - трех недель при постоянной и равномерной температуре посредством электрических радиаторов, на которых установлены вентиляторы и которые подключены к системе регулирования. Установка температуры должна быть достаточно высокой, порядка 25°C, чтобы иметь разность температур между внутренней частью помещения и внешней поверхностью не менее 10°C. При достижении насыщения, то есть когда достигается квазистатическое состояние, измеряется мощность P, необходимая для поддержания помещения при температуре 25°C, внутренней температуре T и наружной температуре T. В частности, внутреннюю температуру T можно измерить с помощью термопар или термисторов, тогда как наружную температуру T можно измерить посредством метеорологической станции. Обработка данных позволяет затем получить значение коэффициента теплопотерь.
Более точная процедура состоит в следующем:
Сначала проводится первое испытание на герметизацию, которое позволяет измерить потери, связанные с вентиляцией и пропусканием тепла.
После этого закрываются отверстия, такие как дымоходы или вентиляционные отверстия, с тем чтобы потери, связанные с вентиляцией, больше не были бы доступны для измерения.
Затем помещение равномерно нагревается электрическим способом до тех пор, пока не установится высокая температура порядка 25°C.
int
ext
Затем измеряют мощность P, внутреннюю температуру T и наружную температуру T. Обработка этих измерений позволяет получить доступ к потерям из-за теплопередачи и пропускания тепла.
Наконец, проводится второе испытание на герметичность с тем, чтобы определить теплопотери только из-за пропускания тепла, при этом отверстия в помещении остаются закрытыми.
Для обработки измерений среднее значение мощности, необходимое для поддержания в помещении при установке температуры, и среднее значение разности температур между внутренней частью и внешней средой определяются каждый день, в течение двадцати четырех часов. Затем эти усредненные данные отображаются на графике, показывающем мощность в зависимости от разности температур. Следует внести коррекцию вследствие солнечной радиации, которая также участвует в нагревании помещения. Угол наклона прямой, проходящей через начало координат, задается линейной регрессией, что соответствует коэффициенту теплопотерь.
Этот способ "совместного нагревания" является относительно простым в реализации и обеспечивает непосредственно контрольное значение коэффициента теплопотерь помещения. Согласно предпочтительному варианту для помещения с очень низкой тепловой инерцией можно проводить испытания на "совместное нагревание" ночью, при этом корректировка из-за вклада солнечной радиации не требуется.
Третий способ обращения к контрольному значению коэффициента теплопотерь первой среды в случае внутренней части помещения представляет собой использование величины, получающейся в результате исследования потребляемой энергии помещения. В частности, контрольное значение можно определить как отношение энергии, потребляемой помещением в течение заданного периода времени к произведению продолжительности данного периода времени на разность средних температур между внутренней и внешней средой помещения в течение заданного периода времени.
,
,
и
k
=1 или 2
Когда тепловая модель, используемая для определения значения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, является моделью R-C с одним резистором и одним конденсатором, для каждого из первого и второго периодов  и времени выбирается временной интервал илив течение которого изменение илиявляется по существу линейным, где временные интервалы идолжны быть такими, чтобы временной интервалпродолжался до конца первого периода  применения первой мощности  нагреваитакими чтобы, когда начальные точки первого периода и второго периода накладываются, временные интервалы имели бы одну и ту же конечную точку; при этом угол или наклона касательной к кривой () определяется для каждого временного интервала или; и значение величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, выводилось бы на основе значений углов ,  наклона и значений средних тепловых потоков ,  через стену. Каждое значение среднего теплового потока через стену может быть взято за соответствующий период  времени или, предпочтительно и для большей точности, взято за соответствующий временной интервал .
Предпочтительно временные интервалы иимеют одинаковую продолжительность.
В предпочтительном варианте для каждого периода времени мощность нагревапервой среды содержит мощность  нагрева, поданную посредством управляемого источника энергии.
Управляемый источник энергии для нагревания первой среды может быть стационарным элементом оборудования первой среды, то есть нагревательным средством, установленным в первой среде независимо от реализации способа при условии, что это нагревательное средство имеет низкую инерцию, и его можно регулировать для того, чтобы обеспечить быстрое нагревание первой среды. В частности, это средство может быть тепловым насосом, чей коэффициент преобразования энергии (COP) является известным.
В качестве варианта управляемый источник энергии для нагревания первой среды может быть источником, введенным в первую среду специально для реализации способа.
Согласно другому варианту нагревание первой среды на протяжении каждого периода времени можно реализовать, используя комбинацию из по меньшей мере одного нагревательного элемента, стационарно расположенного в первой среде независимо от реализации способа, и по меньшей мере одного нагревательного элемента, введенного в первую среду специально для реализации способа.
Нагревательные элементы первой среды могут быть конвективного, проводящего или излучательного типа или сочетать в себе несколько из этих технологий. Предпочтительно нагревательные элементы представляют собой электрические приборы, что позволяет прямо и точно определять мощность нагрева. Примеры электронагревательных приборов содержат, в частности, бытовые электроприборы конвективного типа, в том числе, с продувкой воздуха, нагретого с помощью электрических резисторов; нагревательных матов или пленок; зонтикообразные инфракрасные обогреватели и т.д. В качестве варианта нагревательные элементы могут быть бытовыми приборами, работающими на газе или жидком топливе, при условии, что эффективность горелок и расход топлива могут быть оценены достаточно точным образом для обращения к мощности нагрева.
В предпочтительном варианте осуществления нагревательные элементы первой среды представляют собой электрические нагревательные маты, которые распределены в первой среде путем их вертикального размещения и свертывания с тем, чтобы вся их мощность нагрева рассеялась в воздухе в первой среде. Такая компоновка обеспечивает быстрый и равномерный нагрев первой среды, гарантируя, что температура среды достаточно близка к температуре поверхности стены на стороне первой среды. Согласно варианту нагревательные элементы первой среды представляют собой небольшие электрические конвекторы, распределенные в первой среде.
Если способ изобретения реализуется с помощью первой среды, содержащей внутренние перегородки, которые разделяют несколько комнат или областей первой среды, температуру можно измерять в нескольких комнатах или зонах первой среды, и температуру в первой среде в каждый момент времени t можно рассматривать как среднее значение измерений температуры, полученных в момент времени t в различных комнатах или областях первой среды, каждое из которых взвешивается по объему комнаты или области.
Согласно одному аспекту изобретения мощность нагрева, подаваемая в первую среду, измеряется с использованием по меньшей мере одного датчика мощности. Один или каждый датчик мощности может представлять собой датчик напряжения (вольтметр) и/или датчик тока (амперметр). Предпочтительно, один или каждый датчик мощности представляет собой измеритель мощности, снабженный как датчиком напряжения, так и датчиком тока. Это позволяет точно измерять мощность в первой среде, избегая при этом возможных колебаний напряжения в сети или определения сопротивления каждого нагревательного элемента.
Согласно одному аспекту изобретения способ реализуется таким образом, чтобы определить, на основе одной и той же тепловой нагрузки первой среды, коэффициент теплопропускания нескольких элементов конструкции, относящихся к оболочке одного и того же помещения, где каждый элемент конструкции представляет собой разделительную стену между первой средой, которая является внутренней частью помещения, и второй средой, которая является внешней средой помещения. В предпочтительном варианте выполняются мероприятия по измерению теплового потока  через различные элементы конструкции, и внутренней температуры  в течение одинаковых периодов времени для всех элементов конструкции оболочки, соответствующих одинаковым различным мощностям нагрева помещения. Таким образом, можно обращаться к коэффициентам теплопропускания различных составляющих элементов конструкции оболочки помещения во время одного и того же испытания. Получение коэффициентов теплопропускания различных составляющих элементов конструкции оболочки помещения является полезным, в частности, для проведения диагностики тепловой изоляции помещения.
Согласно предпочтительному аспекту определяется также общий коэффициент теплопотерь помещения. Это позволяет обращаться к относительным вкладам различных составляющих элементов конструкции оболочки помещения в общие потери количества тепла помещения и, таким образом, намечать меры, которые необходимо предпринимать для повышения тепловой характеристики.
В одном варианте осуществления общий коэффициент теплопотерь помещения определяется следующим образом:
-выполняют, в течение каждого из упомянутых периодов времени, мероприятия по измерению по меньшей мере одной температуры внутри помещения через близкие временные интервалы и определение температуры наружного воздуха через близкие временные интервалы;
- определяют значение коэффициента теплопотерь помещения, добиваясь совпадения:
- тепловой модели, выражающей изменение во времени температуры внутри помещения в зависимости от мощности нагрева, подводимой в помещение, температуры наружного воздуха и физических параметров помещения, на основе которых рассчитывается коэффициент теплопотерь помещения, с одной стороны, и
- измеренного изменения температуры внутри помещения в зависимости от времени, с другой стороны.
В предпочтительном варианте мероприятия по измерению теплового потока  через различные составляющие элементы конструкции оболочки помещения и внутренней оболочки помещения выполняются в течение одинаковых периодов времени, соответствующих одинаковым различным мощностям нагрева помещения. Таким образом, можно обращаться во время одного и того же испытания, то есть на основе одной и той же тепловой нагрузки первой среды, которая представляет собой внутреннюю часть помещения, в одно и то же время к коэффициентам теплопропускания различных составляющих элементов конструкции оболочки помещения и к общему коэффициенту теплопотерь помещения.
Как описано ранее, в изобретении предложено подводить различные мощности  нагрева первой среды в течение по меньшей мере двух последовательных периодов времени и измерять в течение каждого периода времени изменение во времени температуры первой среды.
В качестве варианта можно также устанавливать различные температуры в первой среде в течение по меньшей мере двух последовательных периодов  времени и измерять в течение каждого периода времени изменение во времени мощности в первой среде .
Согласно данному варианту один предмет изобретения представляет собой способ определения величины, характеризующей тепловое сопротивление разделительной стены между первой средой и второй средой, содержащий этапы на которых:
- в течение по меньшей мере двух последовательных периодов времени, соответствующих различным температурам , применяемым в первой среде, выполняют мероприятия по измерению теплового потока  через стену, и мощности в первой среде через близкие временные интервалы, а также определяют температуру вовторой среды через близкие временные интервалы;
определяют значение величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, добиваясь совпадения: с одной стороны, тепловой модели, выражающей изменение во времени мощности в одной среде, отделенной от другой среды стеной, в зависимости от теплового потока через стену, температуры другой среды и физических параметров стены, на основе которых рассчитывается величина, характеризующая тепловое сопротивление стены; и, с другой стороны, измеренного изменения мощности в первой среде в зависимости от времени.
Предпочтительно, способ реализуют в двух последовательных периодах ивремени,соответствующих двум различным настройкам итемпературы, применяемым в первой среде.
Другой аспект изобретения, который может рассматриваться независимо от определения величины, характеризующей тепловое сопротивление разделительной стены между первой средой и второй средой, представляет собой способ определения общего коэффициента теплопотерь помещения, содержащий этапы на которых:
- в течение по меньшей мере двух последовательных периодов времени, соответствующих различным температурам , применяемым в помещении, выполняются мероприятия по измерению мощности в помещении через близкие временные интервалы, а также определяется температура наружного воздуха через близкие временные интервалы;
- определяют значение коэффициента теплопотерь помещения, добиваясь совпадения: с одной стороны, тепловой модели, выражающей изменение во времени мощности в помещении в зависимости от температуры, установленной в помещении, температуры наружного воздуха и физических параметров помещения, на основе которых рассчитывается коэффициент теплопотерь помещения; и, с другой стороны, измеренного изменения мощности в помещении в зависимости от времени.
Предпочтительно, способ реализуют в двух последовательных периодах ивремени, соответствующих двум различным настройкам и температуры, применяемым в помещении.
Одним предметом изобретения является также носитель информации, содержащий инструкции для реализации всех или части этапов вычисления способа, как описано ранее, при исполнении этих инструкций электронным блоком вычисления.
Другим предметом изобретения является устройство для реализации способа, как описано ранее, содержащее:
- по меньшей мере один нагревательный элемент содержащий управляемый источник энергии;
- по меньшей мере один датчик теплового потока, предназначенный для установки на поверхности стены для измерения теплового потока через стену;
- по меньшей мере один датчик температуры, предназначенный для измерения температуры первой среды вблизи датчика теплового потока;
- электронный блок вычисления;
- носитель информации, содержащий инструкции, предназначенные для исполнения электронным блоком вычисления, для реализации всех или части этапов вычисления способа.
В соответствии с предпочтительной особенностью один или каждый нагревательный элемент нагревает воздух в первой среде. Это позволяет быстро нагревать первую среду. Так обстоит дело, в частности, с множеством электрических конвекторов, распределенных в первой среде, или с электрическими нагревательными матами, которые описаны ранее и которые расположены вертикально в первой среде, и свернуты таким образом, чтобы вся мощность нагрева рассеивалась в воздухе.
Согласно одному аспекту изобретения датчик или датчики температуры содержат по меньшей мере один датчик окружающей температуры, предназначенный для установки в объеме воздуха в первой среде.
Согласно одному аспекту изобретения датчик или датчики температуры содержат по меньшей мере один датчик температуры поверхности, предназначенный для установки на или напротив поверхности стены в первой среде.
В предпочтительном варианте электронный блок вычисления содержит средство управления источником энергии одного или каждого нагревательного элемента.
В одном варианте осуществления устройство содержит по меньшей мере один корпус, содержащий датчик теплового потока и датчик температуры, и средство связи, особенно беспроводное, между корпусом и электронным блоком вычисления.
Краткое описание чертежей
Особенности и преимущества изобретения станут очевидными из последующего описания варианта осуществления способа и устройства согласно изобретению, приведенного исключительно в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показан схематичный вид бунгало, чья оболочка содержит несколько элементов конструкции, а именно, пол, потолок, стену с дверью (которая считается частью стены), набора из двух остеклений, где необходимо определить коэффициент теплопропускания каждого из этих элементов в соответствии с изобретением;
на фиг.2 и 3 показаны графики, иллюстрирующие, для одного из остеклений, относящихся к оболочке бунгало (фиг.1), соответственно, изменение внутренней температуры в зависимости от времени , которое измеряется датчиком температуры воздуха, расположенным вблизи измерителя теплового потока, закрепленного на остеклении, и изменение теплового потока  через единицу площади, с учетом остеклении в зависимости от времени, которое измеряется с помощью вышеупомянутого измерителя теплового потока, установленного на остеклении, в ходе реализации способа в соответствии с изобретением, содержащего первый период времени, в ходе которого первая мощность нагреваподается в бунгало, где должна быть такой, чтобы параметр бунгало находился между 0,3 и 0,8, за которым следует второй период времени, в ходе которого по существу нулевая вторая мощность  нагрева, подается в бунгало для того, чтобы бунгало охлаждалось естественным образом, при этом изменение наружной температуры  также показано на этих фигурах;
на фиг.4 показан график, иллюстрирующий распределение относительных вкладов различных составляющих элементов конструкции оболочки бунгало (фиг.1) в общие теплопотери бунгало;
на фиг.5 показана схема так называемой модели "2R2C" бунгало (фиг.1) с двумя резисторами и двумя конденсаторами;
на фиг.6 показан график, иллюстрирующий соответствие модели 2R2C (фиг.5) изменению внутренней температуры в зависимости от времени (фиг.2), полученной путем совпадения модели 2R2C и измеренного изменения в течение каждого из двух периодов ивремени.
Подробное описание изобретения
Способ согласно изобретению реализован для определения коэффициента теплопропускания нескольких составляющих элементов конструкции оболочки бунгало 1, изображенного на фиг.1, а именно пола, потолка, стены и ряда остеклений бунгало.
2
2
3
2
Бунгало 1 имеет общую площадь 13,5 м, площадь остекления 3,9 м, высоту внутри помещения 2,5 м, объем 34,2 м и общую площадь оболочки 68,5 м. Внешняя стена бунгало 1 состоит из изолирующей многослойной панели, содержащей полиуретановый слой толщиной 35 мм, помещенной между двумя металлическими пластинами, двери (считающейся частью стены) и двух остеклений, которые представляют собой тройное остекление.
Способ реализуется при условии, что бунгало 1 не занято.
Коэффициент теплопропускания оболочки бунгало 1, определенный с использованием стандарта ISO 13789:2007, приводит к контрольному значению коэффициента теплопотерь бунгало 60 Вт/K ± 12 Вт/K. Бунгало является очень легким зданием, то есть имеет очень низкую тепловую инерцию. Его постоянная времени равна нескольким часам.
Нагревание бунгало 1 обеспечивается электронагревательными матами 2, где каждый нагревательный мат имеет номинальную мощность 112,5 Вт. Нагревательные маты 2 распределены в бунгало путем размещения в вертикальном свернутом положении, как схематично показано на фиг.1, что позволяет быстро и равномерно нагревать бунгало.
Способ согласно изобретению реализуется непрерывно и полностью в течение одного ночного периода времени, чтобы исключить вклад солнечной радиации в нагрев бунгало 1.
Для начала проводится нагревание бунгало в течение первого периода времени с 0 час 15 мин до 1 час 10 мин, что соответствует подведению строго положительной первой мощности  нагрева, и затем производится охлаждение бунгало естественным образом в течение второго периода времени от 1 час 10 мин до 2 час 05 мин, которое соответствует подведению по существу нулевой второй мощности нагрева. Второй период времени следует сразу за первым периодом времени.
Для каждого периода времени подводимая мощность по существу равна мощности нагрева, подводимой нагревательными матами 2, за исключением остаточных мощностей, возникающих, в частности, из-за измерительного и вычислительного оборудования, присутствующего в бунгало во время реализации способа. Датчики мощности в виде амперметров с токовыми клещями измеряют мощность, подаваемую в бунгало во время реализации способа.
На первом этапе способа, который соответствует первому периоду времени, нагревание бунгало 1 производится с помощью нагревательных матов 2. Первая мощность нагрева, подводимая в течение первого периода времени, выбрана таким образом, чтобы параметр находился между 0,3 и 0,8. В этом примере контрольное значение равно 60 Вт/K ± 12 Вт/K, начальная внутренняя температура внутри бунгало равна 25,6°C, и начальная температура наружного воздуха равна 18,7°C, что, таким образом соответствует значению параметра , по существу равному 0,4, значению первой мощности  нагрева, равному приблизительно 1370 Вт.
Затем внутри бунгало измеряется температура среды каждые десять секунд, с одной стороны, вблизи каждого элемента конструкции, включая пол, потолок, стены, два остекления, и, с другой стороны, в середине объема воздуха. Для этой цели в бунгало в объеме воздуха установлено несколько датчиков температуры, которые в этом примере являются термопарами типа K, а именно, термопара, установленная вблизи каждого элемента конструкции, и термопара, установленная в середине объема воздуха на высоте 110 см.
На фиг.2 показана кривая, характеризующая изменения внутренней температуры вблизи остекления бунгало в зависимости от времени в течение первого периода времени. Как видно на этой фигуре, кривая повышения температуры вблизи остекления демонстрирует по существу линейную часть на протяжении временного интервала . Приближение уравнения к этой линейной части кривой дает угол наклона 4,79 K/час. Значения угла наклона для различных элементов представлены ниже в таблице 1.
=
На фиг.2 также показано изменение температуры наружного воздуха в течение первого периода времени. Температура наружного воздуха на протяжении временного интервала является достаточно стабильной, чтобы можно было ее считать по существу постоянной и равной средней температуре на протяжении временного интервала , а именно, в этом примере 18,1°C.
Тепловой поток через каждый элемент конструкции, также измеряется каждые десять секунд с помощью измерителя теплового потока градиентного типа HFP01, продаваемого компанией Hukseflux, который расположен на внутренней поверхности элемента конструкции. На фиг.3 в качестве примера показана кривая, характеризующая изменения теплового потока при остеклении в зависимости от времени в течение первого периода времени. Значения средних тепловых потоков за временной интервал для различных элементов представлены ниже в таблице 1.
На втором этапе способа, который соответствует второму периоду времени, по существу нулевая вторая мощность нагрева применяется в бунгало 1, начиная с начальной температуры = 34,7°C, то есть нагревательные маты 2 не работают в течение этого второго периода . Как и на первом этапе, температура среды внутри бунгало  затем измеряется каждые десять секунд, с одной стороны вблизи каждого элемента конструкции, включая пол, потолок, стены, два остекления, и с другой стороны в середине объема воздуха, с помощью термопар типа K, установленных в бунгало в объеме воздухе, а именно, термопары вблизи каждого элемента конструкции и термопары в середине объема воздуха на высоте 110 см.
На фиг.2 показана кривая, характеризующая изменения внутренней температуры вблизи остекления бунгало в зависимости от времени за второй период времени. Как видно на этой фигуре, кривая падения температуры вблизи остекления демонстрирует по существу линейную часть на протяжении временного интервала . Приближение уравнения к этой линейной части кривой дает угол  наклона-5,58 K/час. Значения угла наклона для различных элементов представлены ниже в таблице 1.
=
Изменение температуры наружного воздуха в течение одного и того же периода  времени также показано на фиг.2. Как и на первом этапе, температура наружного воздуха на протяжении временного интервала является достаточно стабильной, чтобы можно было ее считать по существу постоянной и равной средней температуре за временной интервал , а именно, в этом примере 17,1°C.
Тепловой поток через каждый элемент конструкции, также измеряется каждые десять секунд, с помощью измерителя теплового потока градиентного типа HFP01, установленного на внутренней поверхности элемента конструкции. В качестве примера кривая, характеризующая изменения теплового потока посредством остекления бунгало в зависимости от времени за второй период времени, показана на фиг.3. Значения средних тепловых потоков за временной интервал для различных элементов представлены ниже в таблице 1.
,
=
=
=
=
2
2
Так как  полагая 15,9°C, 7,8°C, 18,70 Вт/м, -3,90 Вт/м, получаем значение коэффициента теплопропускания остекления бунгало 1:
=
2
0,68 Вт/мK.
Значения коэффициента теплопропускания для различных составляющих элементов конструкции оболочки бунгало 1 представлены ниже в таблице 1.
Таблица 1
<b>Элемент</b>
<maths num="323"><img file="00000166.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(K/час)
<maths num="324"><img file="00000149.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(K/час)
<maths num="325"><img file="00000167.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(Вт/м<sup>2</sup>)
<maths num="326"><img file="00000165.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(Вт/м<sup>2</sup>)
<maths num="327"><img file="00000168.jpg" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(°C)
<maths num="328"><img file="00000163.jpg" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(°C)
<maths num="329"><img file="00000001.jpg" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(Вт/м<sup>2</sup>K)
Остекление
4,79
-5,58
18,70
-3,90
15,9
7,8
0,68
Стена(в том числе дверь)
4,46
-5,42
21,97
-4,47
16,7
8,1
0,78
Пол
4,13
-4,21
7,82
0,25
13,3
8,0
0,38
Потолок
4,42
-5,75
6,66
5,28
16,8
8,1
0,46
2
2
2
2
2
Для сравнения значение, вычисленное в соответствии со стандартом ISO 6946:2007 коэффициента теплопропускания стены, равно 0,70 Вт/мK ± 0,13 Вт/мK, и это значение для потолка равно 0,43 Вт/мK ± 0,07 Вт/мK. Более того, значение, обеспечиваемое изготовителем и вычисленное в соответствии со стандартом ISO 10077:2012, коэффициента теплопропускания остекления равно 0,70 Вт/мK. Для пола существует слишком большая неопределенность с обращением к расчетному значению коэффициента теплопропускания в соответствии со стандартом ISO 13370:2007.
=
=
=
=
=
=
На основании измерений, выполненных в течение периодов  и времени, можно также определить значение коэффициента теплопотерь бунгало 1. Так как , полагая 4,62 K/час, -5,37 K/час, 16,6°C, 8,0°C, 1370 Вт, 5 Вт, получаем значение коэффициента теплопотерь бунгало 1:
=
58,70 Вт/K.
Далее, можно построить график, показывающий распределение относительных вкладов различных составляющих элементов конструкции оболочки помещения в общие теплопотери помещения. Этот график, полученный путем взвешивания коэффициента теплопропускания каждого элемента конструкции с учетом площади A поверхности с потерями, показан на фиг.4. Подробности для каждого элемента конструкции представлены ниже в таблице 2.
Таблица 2
<b>Элементы</b>
<maths num="344"><img file="00000001.jpg" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(Вт/м<sup>2</sup>K)
A(м<sup>2</sup>)
<maths num="345"><img file="00000041.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>(Вт/K)
Остекление
0,68
3,9
2,65
Стена(в том числе дверь)
0,78
37,6
29,3
Пол
0,38
13,5
5,1
Потолок
0,46
13,5
6,2
Другие(пропускание тепла, тепловые мосты и т.д.)
-
-
15,4
Получение распределения потерь между различными элементами конструкции является полезным инструментом для рекомендации, в частности, в контексте реконструкции.
Способ обработки данных, описанный выше, соответствует случаю, где используемая тепловая модель является простой моделью R-C с одним резистором и одним конденсатором.
В качестве варианта кривые изменения внутренней температуры в зависимости от времени для каждого составляющего элемента конструкции оболочки бунгало 1, а именно, для пола, потолка, стены, набора двух остеклений, были обработаны с помощью модели 2R2C бунгало с использованием двух резисторов и двух конденсаторов, схема которой показана на фиг.5.
E
P
I
1
2
1
2
В этой модели 2R2C предполагается, что во внешней области будет установлена постоянная температура T, два узла T и T схематично представляют удельные теплоемкости стенок и внутреннего воздуха, каждая из них имеет связанное значение инерции C, C, и два резистора R, R размещаются между узлами. Один резистор R2, расположенный между внешней областью и узлом стенок, представляет собой сопротивление стены, в то время как другой резистор R1, расположенный между узлом стенок и внутренним участком, представляет собой сопротивление внутренней конвекции. В этом случае коэффициент теплопотерь обратно пропорционален общему сопротивлению, то есть сумме двух сопротивлений сети.
В качестве примера на фиг.6 показано соответствие модели 2R2C, описанной выше, изменению внутренней температуры вблизи остекления в зависимости от времени (фиг.2). Значения коэффициента теплопропускания, полученные для различных составляющих элементов конструкции оболочки бунгало 1 в случае, где используемой тепловой моделью является модель 2R2C, представлены ниже в таблице 3.
Таблица 3
<b>Элемент</b>
<maths num="348"><img file="00000001.jpg" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths> (Вт/м<sup>2</sup>K)
Остекление
0,68
Стена(в том числе дверь)
0,78
Пол
0,56
Потолок
0,45
Следует отметить, что значения коэффициентов теплопропускания, полученные с помощью модели 2R2C, в целом совпадают со значениями, полученными с помощью простой модели R-C, причем некоторое несовпадение связано с большой погрешностью подхода, в котором используется модель 2R2C.
На практике, в предыдущем примере при использовании простой модели R-C этапы выбора временных интервалов для обработки данных, линеаризации и вычисления  и  на основе углов  наклона преимущественно выполняются с помощью электронного блока вычисления.
Изобретение не ограничивается примерами, описанными выше.
В частности, способ согласно изобретению можно реализовать с помощью нагревательного средства, которым стационарно оборудована первая среда, и/или с помощью нагревательного средства, которое принесено в первую среду специально для реализации способа, при условии, что можно точно определить мощность, обеспечиваемую этим нагревательным средством в течение импульсов, требуемых для выполнения способа.
Кроме того, в приведенных выше примерах способ определения величины, характеризующей тепловое сопротивление стены, и способ определения коэффициента теплопотерь помещения реализуются с периодами времени, соответствующими различным настройкам мощности нагрева. Конечно, в качестве варианта мощность нагрева может измениться за один (или несколько) периодов времени при условии, что она обеспечивает в течение периодов времени среднюю мощность  нагрева, отличную от мощностей нагрева, подаваемых в течение периодов времени, которые охватывают ее. В этом случае рассмотренная мощность нагрева представляет собой среднюю мощность нагрева за периодвремени.