Способ определения временного интервала при проведении натурных теплофизических исследований наружных стен зданий, выполненных из кирпича, при котором в толще стенового ограждения возникают условия квазистационарного режима теплопередачи
METHOD OF DETERMINING THE TIME INTERVAL WHEN CARRYING OUT FIELD THERMOPHYSICAL RESEARCHES OF EXTERNAL WALLS OF BRICK BUILDINGS, IN WHICH IN THE WALL FENCING, OCCUR CONDITIONS OF THE QUASI-STATIONARY HEAT TRANSFER REGIME

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.
н
в
пн
пв
Хорошо известен и широко используется на практике способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче - см. ГОСТ 26254-84. «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций». Введен постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 02 августа 1984 года № 127, УДК 624.01.001.006.354. Описанный здесь способ заключается в измерении плотности теплового потока (q) через контролируемое ограждение и температуры сред около ее поверхностей (Т) и (Т) в течение не менее 15 суток при достижении в контролируемом ограждении стационарного или близкого ему теплового режима. Достижение данного режима определяется по поведению измеряемой температуры наружной (Т) и внутренней (Т) поверхности ограждения.
Согласно ГОСТ 26254-84 в наружных ограждающих конструкциях стационарный процесс теплопередач и в зависимости от их тепловой инерции устанавливается через 1,5-7,5 суток. Однако на практике при контроле строительных конструкций разница температуры наружного воздуха в ночное и дневное время, например, достигает 10-15 градусов. Это вызывает нестационарные процессы теплопередачи в исследуемых конструкциях и делает метод неприменимым.
Известен способ, которым определяют локальные термические сопротивления обследуемых участков при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент № 2219534, кл. G01N 25/72, от 12.09.02 г.). Согласно известному способу определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение всего временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях исследуемого ограждения.
Необходимо сказать, что определение временного интервала, при котором обеспечиваются условия стационарной теплопередачи, являются главным условием необходимым для определения термического сопротивления исследуемого ограждения. В то же время обеспечение в течение выбранного временного интервала постоянства температуры на внутренних и наружных поверхностях не может являться необходимым и достаточным условием стационарности режима теплопередачи (см. патент на изобретение № 2454659, кл. G01N 25/28 от 02.08.2010 г.) или возникновение температурных экстремумов по толщине стены (рис. 5), что приводит к некорректным значениям определяемого термического сопротивления.
Известен способ, в котором определяют термическое сопротивление при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент РФ № 2316760, кл. G01N 25/72, 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 определяют термическое сопротивление всех участков.
Известен способ (см. патент РФ № 2383008, кл. G01N 25/18, от 19.12.08 г.), 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.
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.
н
в
max
В известном способе из нестационарного процесса теплопередачи в течение времени (t) определяют интервал времени, в течение которого в исследуемом объекте реализуется квазистационарный процесс. Для этого рассматривают тепловые потоки q(t), q(t) и определяют моменты времени, в которые величины плотности тепловых потоков на противоположных поверхностях ограждения равны с погрешностью Δq≤Δq.
Во всех перечисленных способах из нестационарного процесса теплопередачи в течение времени (Т) определяют интервал времени, в течение которого процесс теплопередачи становится стационарным или с небольшой погрешностью, близкой к стационарному. В то же время не учитываются те процессы, которые происходят в толще стены (возникновение физического эффекта встречных тепловых потоков или возникновение локальных температурных экстремумов, которые могут иметь место в выбранном интервале времени и характеризуемый как стационарный по условиям теплопередачи, что и приводит к некорректным значениям определения термического сопротивления.
min
min
ин
ин
i
i
ij
ij
Ближайшим техническим решением (прототипом) является способ определения термического сопротивления участка элемента конструкции при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент РФ № 2457471, кл. G01N 25/18, от 27.07.2012 г.), используется в области измерительной техники. Сущность заключается в определении условий существования квазистационарного режима теплопередачи и его критерия . Из определенных условий квазистационарного режима для конкретного участка выбирают продолжительность временного интервала измерений τ в зависимости от времени тепловой инерционности участка τ и общую продолжительность интервала измерений τ≥τ≥3τ. Определяют предельную величину критерия квазистационарности , произвольно выделяют временные промежутки τ и из множества значений (τ) выделяют те временные промежутки τ, где критерий квазистационарности  меньше . Эти временные промежутки τ и будут близки к стационарным. При этом сложный для диагностики и обсчета нестационарный режим исключается и известный стационарный способ находит свое применение при определении термического сопротивления участка конструкции.
Общие признаки прототипа и заявленного способа состоят в том, что определяют временной интервал измерений, необходимый и достаточный для обеспечения требуемого уровня достоверности результата. В течение этого временного интервала непрерывно регистрируют на поверхностях исследуемого участка мгновенные значения температур и плотности тепловых потоков, из полученных значений определяют термическое сопротивление участка.
Недостатком прототипа является то, что в изобретении определенный интервал времени, в течение которого процесс теплопередачи определяется условиями существования квазистационарного режима теплопередачи, в то же время не учитываются при выборе временного интервала с квазистационарными условиями существования процессов, которые происходят в толще стены (возникновение эффекта встречных тепловых потоков, возникновение локальных температурных экстремумов), которые могут привести к некорректным значениям определения термического сопротивления.
Техническим результатом является определение при проведении натурных теплофизических исследований натурных наружных стен зданий, выполненных из кирпича, временного интервала, при котором в толще наружной стены возникают квазистационарные условия теплопередачи.
Технический результат достигается тем, что в качестве контролируемых величин принимаются: температура и влажность наружного и внутреннего воздуха; температура наружной и внутренней поверхностей наружной стены; температура и влажность в 5 точках, расположенных на равных расстояниях в толще стены; величина теплового потока, проходящего через толщу стены, данные по указанным величинам через адаптеры поступают в центр управления, а затем на ПК с интервалом измерений - 1 мин (рис. 1).
На рис. 1 показана схема лабораторной установки для определения фактического сопротивления теплопередаче; на рис. 2 - график распределения температур на поверхности и в толще стенового ограждения (01.11.14-25.04.15 г.); на рис. 3 - распределение значений относительной влажности по сечениям толщи стенового ограждения; на рис. 4 - возможное фактическое и теоретическое распределение температуры в толще стены; на рис. 5 - распределение температуры в толще стенового ограждения по времени с выделением временных промежутков со стационарным режимом теплопередачи.
На рисунке 1 показана принципиальная схема установки: 1-5 - датчики температуры и влажности материала, расположенные в толще ограждающей конструкции через 110 мм; 6 - датчик температуры и влажности воздуха в помещении; 7 - датчик температуры и влажности наружного воздуха; 8 - датчик температуры внутренней поверхности; 9 - датчик температуры наружной поверхности; 10 - датчик теплового потока; 11 - адаптеры; 12 - центр управления (теплограф).
Данные, получаемые с экспериментальной установки, отслеживают изменения температуры и влажности снаружи, на поверхности и в толще стенового ограждения (Рис. 2, Рис. 3).
в
н
Выбираем для рассмотрения интервалы с постоянной температурой, тепловой поток будет постоянным, если разность t-t=const, но это не может быть достаточным условием стационарности режима теплопередачи (см. патент № 2454659, кл. G01N 25/58 от 02.08.2010 г.).
Для исключения временных интервалов с непостоянным тепловым потоком необходимо оставить лишь те интервалы, где распределение температур в толще стенового ограждения будет по прямой (рис. 4).
Среди всего периода измерений количество временных промежутков, удовлетворяющих этому требованию, будет мало или не будет совсем, введем коэффициент Δt:
,
ф i
где t - фактическое значение температуры в i-ом слое, °С,
т i
t - теоретическое значение температуры в i-ом слое, °С, т.е. при линейном распределении температуры в толще стены.
треб
треб
треб
треб
Распределение температур будем считать линейным, если Δt≤Δt, где Δt - допустимая погрешность получения результатов измерения, возможен случай (рис. 4), когда локальные экстремумы будут располагаться не в точках контроля, а между ними, т.е. условие Δt≤Δt будет выполняться, но распределение температур не будет линейным с заданной допустимой погрешностью Δt.
треб
v
Для нахождения длительности периода, в котором температура в толще стенового ограждения будет распределяться с заданной погрешностью Δt по прямой, определяем время прохождения локального экстремума температуры от наружной поверхности до i-ой измеряемой плоскости, сумма этих временных интервалов t будет временем прохождения локального экстремума до внутренней поверхности стены.
стац
Выделяем промежутки времени t, в период которых амплитуда колебаний температуры наружного воздуха не более 2°С и длительность которых не менее времени тепловой инерции стены (рис. 5).
ν
Находим время прохождения t ближайшего локального экстремума температур от наружной до внутренней поверхности стены (рис. 5).
стац
ν
стац 1
ν
стац
Исключаем из начала выделенного промежутка t период времени, равный t. Дальнейшие операции проводим с оставшимся промежутком t. В случае если t>t, данный интервал исключается из рассмотрения.
треб
Задаемся допустимой погрешностью Δt.
треб
стац 1
треб
стац 1
Проверяем условие Δt≤Δt для каждого результата измерения. Если условие не выполняется, данный результат исключается из временного интервала t. Если доля исключенных результатов превышает значение Δt, данный интервал t не подходит для определения сопротивления теплопередаче, рассматривается следующий интервал.
стац
Рассмотрим промежуток времени с 18 по 21 декабря 2014 года. Как видно из рисунка 19, промежуток времени с 18:00 18 декабря по 2:00 20 декабря длительностью 32 часа удовлетворяет условию 1 алгоритма, т.е. больше 24 часов, и амплитуда колебаний температуры не превышает 2°С. Принимаем этот промежуток за t (для стен из силикатного кирпича время тепловой инерции 24 часа).
v
Величина ближайшего локального экстремума температуры наружного воздуха составляет -1°С. Из рисунка 19 величина t составляет 13 часов.
стац
v
стац 1
Исключаем из периода t с 18:00 18 декабря по 2:00 20 декабря промежуток времени t длительностью 13 часов. Оставшийся промежуток времени с 7:00 19 декабря по 2:00 20 декабря принимаем за t. Длительность промежутка 32-13=19 часов.