СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD OF DETERMINING HEAT-TRANSFER RESISTANCE OF BUILDING ENCLOSURES

Изобретение относится к области измерения теплофизических свойств ограждающих конструкций строительных сооружений и может быть использовано для определения их количественных характеристик в условиях нестационарного теплообмена с окружающей средой.
Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций строительных сооружений определяют согласно ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций» и СНиП 23-02-03. Обязательным условием измерений является наличие разности температур с различных сторон ограждения, в частности внутри помещения и на открытом воздухе, а также стационарный характер теплообмена ограждающей конструкции с окружающей средой. Первое условие выполняется в течение отопительного периода, в то время как тепловой режим ограждающих конструкции зданий может считаться стационарным лишь с той или иной степенью приближения, будучи зависимым от амплитуды перепадов температуры наружного воздуха в течение суток. В летнее время, при слабом температурном напоре, приходится использовать нагреватели для создания разности температур с различных сторон ограждения. В этом случае для соблюдения условия стационарности температуру стен начинают измерять лишь через несколько суток после начала нагрева.
Известен способ контроля теплозащитных свойств ограждающей конструкции [Патент РФ №2285915, МПК G01N 25/00, опубл. 20.10.2006], при котором проводят натурные измерения температуры и плотности теплового потока в реперной точке в реальных климатических условиях эксплуатации здания в период не менее двух суток. Сопротивление теплопередаче рассчитывают в реперной точке путем обработки результатов натурных измерений с отбраковкой отдельных значений сопротивления теплопередаче, после чего рассчитывают сопротивление теплопередаче в произвольных точках по температурным полям, полученных в результате тепловизионной съемки, и результатам расчета сопротивления теплопередаче в реперной точке.
Недостатком этого способа является большая длительность процедуры контроля (не менее двух суток).
Известен также способ измерения теплового сопротивления [Патент РФ №2308710, МПК G01N 25/18, опубл. 20.10.2007], который состоит в нагревании внутренней поверхности исследуемого объекта, термическом воздействии на наружную поверхность исследуемого объекта, измерении температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области нагревания и измерении температуры наружной поверхности исследуемого объекта в области термического воздействия. Термическое воздействие на наружную поверхность осуществляют путем охлаждения подвижным теплоносителем, при этом измеряют стационарное значение температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области нагревания, измеряют стационарное значение температуры наружной поверхности исследуемого объекта в области охлаждения, измеряют стационарное значение температуры подвижного теплоносителя.
Недостатком этого способа является также большая длительность процедуры измерений.
Наиболее близким к заявленному способу является способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций [Патент РФ №2323435, МПК G01N 25/72, опубл. 27.04.2008]. Способ включает установку на одной стороне строительной конструкции первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента, реализующего нагрев контролируемой конструкции, осуществляемое через заданный интервал времени измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, а также температур на обеих поверхностях строительной конструкции, определение сопротивления теплопередаче строительной конструкции по формуле:
∗
где R - сопротивление теплопередаче строительной конструкции,
Тв, Тн - температура на внутренней и наружной поверхностях строительной конструкции соответственно,
Q - тепловой поток через строительную конструкцию.
Напротив первого нагревательного элемента дополнительно устанавливают второй теплоизолированный плоский нагревательный элемент, реализующий нагрев контролируемой конструкции с температурой, отличной от температуры первого плоского нагревательного элемента, термостабилизируют оба нагревательных элемента, при этом линейные размеры нагревательных элементов выбирают в диапазоне от 3 до 5 размеров толщины строительной конструкции, измеренной в средней части нагревательных элементов.
Недостатком данного способа измерения сопротивления теплопередаче строительных конструкций, как и вышеупомянутых, является большая длительность процедуры контроля, так как формула (1) применима только при стационарном режиме теплообмена, который наступает через несколько суток после начала нагрева.
Задачей изобретения является сокращение длительности процедуры измерения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций строительных сооружений при небольшой разности температур с различных сторон ограждения.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций строительных сооружений, так же как в прототипе, нагревают одну из поверхностей ограждающей конструкции с помощью нагревателя, создающего зону равномерного нагрева, измеряют температуру нагреваемой и противоположной поверхностей ограждающей конструкции в центре зоны нагрева, измеряют плотность теплового потока на нагреваемой и противоположной поверхностях ограждающей конструкции в центре зоны нагрева через фиксированное после начала нагрева время.
Согласно изобретению дополнительно измеряют температуру и плотность теплового потока на поверхности ограждающей конструкции, противоположной нагреву, на расстоянии не менее двух максимальных линейных размеров зоны нагрева от центра зоны нагрева, при этом измерения температуры и плотности теплового потока на нагреваемой и противоположной поверхностях ограждающей конструкции в центре зоны нагрева производят в момент времени τ, когда на поверхности, противоположной нагреву, разность температуры в центре зоны нагрева и дополнительно измеренной температуры, а также разность плотности теплового потока в центре зоны нагрева и дополнительно измеренной плотности превысят пороги чувствительности соответствующих измерительных устройств, а сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции определяют по формулам:
если тепловой поток измеряют на нагреваемой поверхности:
если тепловой поток измеряют на противоположной поверхности:
причем поправочные коэффициенты kн, kп определяют из выражений:
где R - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции,
Тн, Тп - температуры нагреваемой и противоположной поверхностей ограждающей конструкции в центре зоны нагрева соответственно,
Qн, Qп - плотность теплового потока на нагреваемой и противоположной поверхностях ограждающей конструкции в центре зоны нагрева соответственно,
D - площадь зоны равномерного нагрева,
L - толщина ограждающей конструкции,
τ - время измерения температуры и плотности теплового потока на поверхностях ограждающей конструкции в центре зоны нагрева.
Сокращение длительности процедуры измерения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций происходит за счет того, что измерения проводятся до наступления режима стационарного теплообмена.
На фиг.1 приведен общий вид реализации предлагаемого способа (Н - линейный размер зоны нагрева).
Фиг.2 иллюстрирует практическое применение способа определения сопротивления теплопередаче:
а), б) - внешний вид и крепление нагревателя к кирпичной стене;
2
в) - зона прогрева (1×1) м на стене, противоположной нагреву (инфракрасная термограмма).
2
На фиг.3 приведены зависимости поправочных коэффициентов kн, kп от времени при определении сопротивления теплопередаче кирпичной стенки толщиной 1 м, нагрев в зоне размером 1×1 м (получены с помощью программного пакета Mathematica).
В таблице 1 приведены результаты расчета поправочных коэффициентов с помощью компьютерной программы ThermoCalc-6L.
Способ осуществляют следующим образом (фиг.1). Производят нагрев поверхности однородной ограждающей конструкции 1 в зоне прямоугольной (или округлой) формы 2 с помощью нагревателя 3.
2
Проводилось экспериментальное определение сопротивления теплопередаче стены из красного кирпича толщиной 0,7 м. Нагрев производился с внутренней стороны стены. Нагреватель (фиг.2) был изготовлен в соответствии с ГОСТ 31166-2003 и представлял собой металлический ящик с одной открытой поверхностью размером (1×1) м, стенки которого были утеплены теплоизоляционным материалом (изофлексом), облицованным внутри отражающим излучение материалом (фольгированным пеноизолом). Суммарная мощность нагрева 2000 Вт.
Для измерения температуры нагрева внутренней и наружной сторон стены использовался тепловизор FLIR ThermaCam AGEMA 570 (№18224-99 в Госреестре средств измерения РФ). Диапазон измеряемых температур: (-10…+350)°C. Температурная чувствительность (порог чувствительности прибора): 0,2°C.
2
Для измерения плотности теплового потока использовался измеритель теплового потока ИПП-2 (заводская калибровка по сертификату №23/287/442 от 27.01.2010). Диапазон измерения: (0…2000) Вт/м. Время измерения: 3,5 минуты. Основная погрешность (порог чувствительности прибора): 5%.
Для получения результатов измерений, не зависящих от колебаний температуры окружающей среды, дополнительно измерялись температура Тдоп и плотность теплового потока Qдоп на поверхности стены (фиг.1), противоположной нагреву. Для того чтобы исключить влияние нагревателя на величины Тдоп и Qдоп, их измерения проводились на расстоянии не менее двух максимальных линейных размеров зоны нагрева от центра зоны нагрева. В момент времени, когда разности температуры (Тп-Тдоп) и плотности тепловых потоков (Qп-Qдоп) начинают превышать пороги чувствительности соответственно тепловизора и измерителя теплового потока, измерялось время τ, прошедшее с момента включения нагревателя, и вычислялось сопротивление теплопередаче по формулам (2) или (3).
Следует подчеркнуть, что для определения сопротивления теплопередаче измеряют температуру и плотность теплового потока как на нагреваемой поверхности стены, так и на поверхности стены, противоположной нагреву, однако для определения момента измерения τ используют результаты измерений только на поверхности стены, противоположной нагреву, где соответствующие сигналы малы и для надежных измерений необходимо, чтобы они превышали порог чувствительности соответствующих измерительных устройств.
∗
Для определения сопротивления теплопередаче по формулам (2) или (3) необходимо знать значения поправочных коэффициентов kн, kп, представляющих собой отношение теоретического и измеренного по формуле (1) R сопротивлений теплопередаче:
если тепловой поток измеряют на нагреваемой поверхности:
если тепловой поток измеряют на противоположной поверхности:
где λ - коэффициент теплопроводности материала ограждающей конструкции.
Для вычислений kн и kп использовалась компьютерная программа моделирования нестационарной теплопередачи в строительных конструкциях ThermoCalc-6L, разработанная в Томском политехническом университете. С помощью программы ThermoCalc-6L было рассчитано 108 вариантов трехмерной модели нестационарного нагрева стены, параметрами которой являлись переменные, приведенные в Таблице 1.
Все значимые значения поправочных коэффициентов kн, kп в Таблице 1 были аппроксимированы с помощью программного пакета Mathematica формулами (4) и (5).
2
На фиг.3 приведен пример значений коэффициентов kн, kп в зависимости от времени нагрева для кирпичной стены толщиной 1 м, нагреваемой в зоне квадратной формы (1×1) м. Очевидно, что при больших временах нагрева, соответствующих переходу в стационарный режим, коэффициенты kн и kп стремятся к 1.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что для стены из красного кирпича толщиной 0,7 м разности температуры (Тп-Тдоп) и плотности тепловых потоков (Qп-Qдoп) превысили пороги чувствительности соответственно тепловизора и измерителя теплового потока через 24 часа. Тдоп и Qдоп измерялись на расстоянии 2,8 м от центра зоны нагрева.
Измеренные значения составили:
- температура обеих поверхностей стены перед началом нагрева +21°C;
- температура нагреваемой поверхности стены через 24 часа Тн=+44°C;
- температура поверхности стены, противоположной нагреву, через 24 часа Тп=+21,9°C;
2
- плотность теплового потока на поверхности стены, противоположной нагреву, через 24 часа Qп=7 Вт/м.
На фиг.2в показан вид теплового поля на поверхности кирпичной стены, противоположной нагреву, через 24 часа после начала нагрева (инфракрасная термограмма).
Таким образом, сопротивление теплопередаче стены из красного кирпича, определенное по формуле (3), составило
2
R=0,306·(44-21,9)/7=0,97 м·К/Вт,
что близко к теоретическому значению (7):
2
R=L/λ=0,7/0,76=0,92 м·К/Вт.
Погрешность определения сопротивления теплопередаче стены составила 5,4%.
На стационарный режим нагрев этой стены вышел только через 7 суток, что подтверждает эффективность (сокращение времени процедуры измерений) предложенного способа определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.
Экспериментальные исследования проводились также специалистами Центра энергосбережения г. Барнаула в соответствии с требованиями ГОСТ 26254-84, ГОСТ 26629-85 и СНиП 23-02-2003 и подтвердили эффективность (сокращение времени процедуры измерений) предложенного способа определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.