Способ определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницаемости по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях
METHOD FOR DETERMINING CHANGES IN VAPOR PERMEABILITY RESISTANCE AND VAPOR PERMEABILITY FACTOR OVER THE THICKNESS OF AN EXTERNAL WALL ENCLOSURE BASED ON THE 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 теплофизических характеристик поверхностным преобразователем, используя межгосударственный стандарт «Материалы и изделия строительные» (ГОСТ 30290-94, разработан НИИСФ Российской Федерации). Недостатком данного способа является то, что возникает необходимость лабораторных исследований, отбор образцов и их теплостатирования.
Известен способ определения термического сопротивления ограждающей конструкции зданий и сооружений по ГОСТ 26254-84. Недостатком предлагаемой методики натурных испытаний является то, что не измеряется скорость изменения температуры в толще ограждения.
Известен способ определения теплотехнических характеристик стенового ограждения при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях, описанных в патентах на полезную модель РФ: № 94709 «Устройство для определения теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений по температуропроводности в натурных условиях»; № 124395 «Устройство для определения теплофизических качеств теплоограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных условиях»; № 135420 «Лабораторная установка для определения теплотехнических характеристик образцов стеновых ограждений при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях»; патенте на изобретение РФ № 2454659 «Способ оценки теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича в зимний период по результатам испытаний в натурных условиях».
Лабораторный комплекс для определения теплотехнических характеристик образцов стеновых ограждений при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях, включающий образцы исследуемых моделей, выполненных размером 1 × 1 м, установленных в ячейках, оборудованных в ограждающих конструкциях с возможностью их замены, в каждом образце размещены термопары, расположенные по всей толщине, тепломер, закрепленный на внутренней поверхности, концы проводов от тепломера и теплопар подсоединены к устройству контроля температуры и через адаптер, с помощью разработанной программы, соединены с ПК с выходом в Интернет, отличающийся тем, что с наружной стороны исследуемого образца установлена метеостанция DAVIS instruments Vantage Pro 2, включающая датчики внутренней и наружной температур, датчики относительной влажности воздуха внутри и снаружи, датчики атмосферного давления, датчик осадков, анемометр, датчик солнечной радиации, датчик ультрафиолетового излучения, метеостанция через кабель соединения с консолью Vantage Pro 2, обеспечивающей сохранение показаний всех датчиков и передачу их с помощью специальной программы в ПК для совместной обработки всех данных.
Недостатком предлагаемых методик является то, что в них не решается задача определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницаемости по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях.
Известен способ прогнозирования защиты от переувлажнения многослойной стены здания, заключающийся в том, что измерение температуры и влажности стены происходит с помощью сенсоров с передачей результатов измерения на дисплей (см. патент CN № 105678971, кл. G08D 21/20, опубл. 15.06.2016). Данный способ позволяет проводить мониторинг состояния стены путем измерения температуры стены и температуры влажности воздуха.  Однако способ не позволяет определить распределение влажности по толщине стены, что не позволяет проводить прогнозирование защиты от переувлажнения многослойной стены здания и, как результат, возможность дальнейшего использования здания с данными стенами.
Известен нестационарный способ последовательного увлажнения [Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. – НИИСФ Госстроя СССР, - М., Стройиздат, 1984], заключающийся в том, что проводят эксперименты на паропроницаемость, статическую влагопроводность и сорбцию, строят графики зависимости температуры и относительной влажности воздуха от времени в течении года, затем оценивают количество влаги в стене с помощью численного метода. Однако данный способ не решает задачи определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницания по толщине наружного ограждения при проведении испытаний в любой момент времени.
Известен стационарный способ защиты от переувлажнения, изложенный в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», заключающийся в том, что проводят эксперименты на паропроницание и теплопроводность, определяют среднемесячную температуру и относительную влажность наружного воздуха для периода с отрицательной среднемесячной температурой, затем в предположении стационарного распределения реальной температуры и температуры максимального увлажнения вычисляют баланс влагопереноса в стене. Однако данный способ не учитывает нестационарные тепловые и влажностные климатические воздействия на стену в зависимости от времени.
Известен способ определения расположения плоскости максимального увлажнения стены для прогнозирования защиты от переувлажнения многослойной стены здания, заключающийся в том, что измеряют температуру наружной поверхности стены, температуру внутренней поверхности стены и температуру между слоями материалов, образующих стену и дополнительно измеряют среднюю температуру наружного воздуха для периода с отрицательной среднемесячной температурой и температуру внутри помещения, затем путем построения графика вычисляют положение плоскости максимального увлажнения в стене. Однако способ позволяет определить только место максимального влагонакопления в предположении стационарного климатического воздействия на стену и не позволяет оценить количество влаги, находящейся в стене в любой момент времени года с учетом нестационарной зависимости изменения количества влаги в стене по времени (см. патент RU 2628530 С2, кл. G01В 25/26, опубл. 18.08.2017).
Известен способ определения влажностного режима стены здания, заключающийся в том, что измеряют температуру наружной поверхности стены, температуру внутренней поверхности стены, среднюю температуру наружного воздуха для каждого месяца и температуру внутри помещения, измеряют относительную влажность внутри помещения, среднюю относительную влажность наружного воздуха для каждого месяца, после этого строят график зависимости относительной влажности наружного воздуха от времени года с разбивкой до одного дня, с учетом непрерывно изменяющихся климатических воздействий, а также график зависимости температуры наружного воздуха от времени года с разбивкой до одного дня с учетом квазистационарного помесячного изменения температуры, проводят замеры паропроницаемости, статической влагопроводности и сорбции строительного материала стены, на основании которых строят шкалу потенциала влажности, затем строят зависимость отношения эквивалентного дополнительного давления, обусловленного влагопроводностью строительного материала к максимальной упругости водяного пара при данной температуре (см. патент RU 2674659). Однако указанный способ не может в данный момент времени проведения натурно теплофизических исследований наружной стены здания показать изменения сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницания по толщине ограждения.
Наиболее близким прототипом, предложенным для решения поставленной задачи определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницаемости по толщине наружного ограждения в данный момент времени проведения натурных теплофизических исследований может служить метод, изложенный в патенте RU 2650052.
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), поступает в компьютерный бланк данных, где проходит первичную обработку, систематизацию в виде таблиц и графиков. Для анализа распределения температур по сечению используется графический способ. На первом разрезе  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.
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 графика с большим углом наклона.
На втором разрезе изображается эта же стенка в масштабе термического сопротивления R, определяемого по формуле [1], поскольку термическое сопротивление пропорционально толщине стенки:
[1],
1
2
где t и t – температура на внутренней и наружной поверхности, °С;
2
Q – тепловой поток, Вт/ м.
Переносятся точки графика температур с первого разреза, сначала точки с температурами на внутренней и наружной поверхности на наружную и внутреннюю поверхность второго разреза и соединяются прямой линией, переносятся точки графика с внутренних слоев на прямую наклонную линию второго разреза и проектируются 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
Зная толщину выделенного слоя и термическое сопротивление, определяется коэффициент теплопроводности λ по формуле [2]
[2],
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м K;
δ – толщина слоя стены, м;
2
R – термическое сопротивление стены, мK/Вт;
определяется значение коэффициента теплопроводности каждого слоя.
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 и более точно оценить теплозащитные качества всего ограждения.
Недостатком прототипа является тот факт, что предложенный в прототипе метод не решает задачи определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницания по толщине наружного ограждения при проведении теплофизических исследований в натурных условиях.
Технический результат состоит в разработке графического способа, позволяющего обеспечить решения задачи определения изменения сопротивления паропроницанию (R) и коэффициента паропроницаемости (μ) по толщине исследуемой конструкции наружного ограждения при проведении натурных теплофизических исследований.
Технический результат достигается тем, что способ определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницания по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях, включающий измерение температур 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 компьютера, где проходит обработку и систематизацию в виде графиков, с использованием которых на поперечном разрезе исследуемого наружного ограждения, построенного в выбранном масштабе и предварительно разбитого на слои в местах размещения датчиков, строится график распределения температур по слоям, согласно изобретения, для построения графика распределения температур по слоям 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, полученного из банка данных компьютера, вычисляют значения максимально возможной упругости водяных паров Е (Па) по известным температурам, полученных с датчиков, размещенных в толще исследуемого ограждения и графиков температур по слоям, на поперечном разрезе с построенном графиком температуры по слоям, параллельно поверхности стенки проводится вертикальная шкала упругости водяных паров Е (Па) и  строится график упругости водяных паров Е (Па) по табличным значениям Е, взятых их справочника физических величин максимальных значений упругости водяных паров Е (Па), соответствующих значениям температур воздуха. Параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка исследуемого образца строится в масштабе сопротивления паропроницанию, в случае с многослойной исследуемой конструкцией наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного сопротивления паропроницанию, далее переносим точки графика Е (Па) с наружной и внутренней 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 сопротивлений паропроницанию слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения сопротивлений паропроницанию, по формуле определяем значения коэффициента паропроницаемости
μ
=  ,
2
где μ – коэффициент паропроницания, м/(м ∙ ч ∙ Па);
δ – толщина слоя стены, м;
2
2
R – сопротивление паропроницания стены, (м ∙ ч ∙ Па)/м;
определяется значение коэффициента паропроницания каждого слоя.
На рис. 1 – суточный график изменения температуры по слоям в наружном стеновом ограждении.
На рис. 2 представлен графический способ определения сопротивления паропроницания внутренних слоев стенки исследуемого образца.
Способ определения изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницаемости по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях, включающий измерение температур на внутренней и наружной поверхности, а также по всех толщине конструкции путем размещения датчиков в толще ограждения, получения информации с установленной за исследуемой наружной стеной метеостанция DAVIS instruments Vantage Pro 2, которая включает в себя: датчики внутренней и наружной температуры, датчики относительной влажности воздуха внутри и снаружи, датчики атмосферного давления, датчик осадков, анемометр, датчик солнечной радиации, датчик ультрафиолетового излучения, поступающая информация с которых направляется в банк данных компьютера, где проходит обработку и систематизацию в виде графиков (рис. 1), с использованием которых на поперечном разрезе (рис. 2) исследуемого наружного ограждения, построенного в выбранном масштабе и предварительно разбитом на слои в местах размещения датчиков, строится график распределения температур по слоям, согласно изобретению, для построения графика распределения температур по слоям 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, полученного из банка данных компьютера, вычисляют значения максимально возможной упругости водяных паров Е (Па) по известным температурам τ, полученных с датчиков, размещенных в толще исследуемого ограждения и построенных графиков распределения температур по слоям.
На поперечном разрезе (рис. 2) исследуемого наружного ограждения, как и для построения графика температур, параллельно поверхности стенки проводится в масштабе вертикальная шкала упругости водяных паров Е (Па). Затем на поперечном разрезе (рис. 1) исследуемой наружной стены, разбитой по слоям, как и график температур строится график упругости водяных паров Е по сечению, значения упругости водяного пара Е для каждой температуры по сечению получаем из таблицы, каждому значению температуры соответствует максимальная величина упругости водяного пара Е, и является табличным значением. Параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка исследуемого образца строится в масштабе сопротивления паропроницанию, в случае многослойной исследуемой конструкцией наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного сопротивления паропроницанию, далее переносим точки графика Е (Па) с наружной и внутренней 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 сопротивлений паропроницанию слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения сопротивлений паропроницанию.
По формуле определяем значения коэффициента паропроницания μ
,
2
где μ – коэффициент паропроницания м/(м ⋅ ч ⋅ Па);
δ – толщина слоя стены, м;
2
2
R – сопротивление паропроницания стены, (м ⋅ ч ⋅ Па)/м.
Определяется значение коэффициента паропроницания каждого слоя.
Работа выполнена с использованием ресурсов ЦКП «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Поволжского государственного технологического университета, г. Йошкар-Ола при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение № 075-15-2021-674).