Метод определения реальных теплопотерь существующих строительных объектов

Введение. Одной из существующих проблем в исследовании энергосбережения, является применение простых и надёжных способов определения потерь теплоты через ограждающие конструкции объекта в окружающую среду и анализ ТФС, которые влияют существенным образом на тепловой режим. В настоящее время существуют различные методы и устройства по определению ТФС исследуемого объекта [1–16, 24, 25].

Методы, используемые для определения ТФС объектов, делят на три основных вида: нестационарные, стационарные и комплексные [14–16]. Нестационарные методы по определению ТФС объекта являются наиболее перспективными, за счёт простоты, небольшого времени проведения исследования и т. п. Они, в отличие от стационарных, при определении ТФС требуют меньших затрат времени и тепловой энергии. Из вышеперечисленных ведущее место занимают ТМНК (температурные методы неразрушающего контроля). В то же время существующие методы имеют ограничения, к которым можно отнести: сложные уравнения для расчёта теплофизических свойств; сложность определения реальных граничных условий в процессе исследования; большую длительность процедуры определения ТФС (не менее двух суток); возможное начало экспериментов только после достижения стационарного режима и другие.

Основная часть. Существующие способы определения сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи устанавливают данные коэффициенты только для определённого участка исследуемой конструкции, для того чтобы определить данные теплофизические свойства всего объекта в целом требуется большое количество времени. Затраты времени существенным образом влияют на стоимость проводимых работ. В ходе проведения исследования так же необходимо обеспечивать создание специальных условий (стабильную температуру на внутренней и наружной поверхности исследуемого объекта) в течение всего времени исследования, что, как следствие, определяет высокую энергоёмкость проводимого исследования. Анализ существующих методик показал, что возможна разработка установки, которая будет определять ТФС объекта МНК с использованием современных средств обработки информации за более короткий промежуток времени. В литературе [17–25] отмечается, что нестационарные способы определения ТФС являются наиболее перспективными за счёт простоты и сокращения времени проведения исследования. Основываясь на проведённом анализе, был разработан алгоритм исследования ТФС объекта, представленный на рис. 1.

Блок схема алгоритма содержит 16 блоков. В 1 осуществляется ввод исходных данных, а именно: мощность источника теплоснабжения, общая площадь исследуемого объекта по внешнему обмеру, объём исследуемого объекта по внешнему обмеру, поддерживаемая температура внутри исследуемого объекта во время проведения исследования, диапазон изменения температуры внутри

Рис. 1. Блок-схема алгоритма определения ТФС объекта

исследуемого объекта, время проведения исследования, время задержки до момента включения установки. В 2 осуществляется запуск таймера отсчёта времени проведения исследования. В 3 проверка условия по времени начала эксперимента, при выполнении условия управление передаётся блоку 4 разогрева исследуемого объекта, в 5 регистрируется окружающая температура вне исследуемого объекта. Блок 6 производит подсчёт времени работы установки в активном режиме. В 7 осуществляется анализ условия «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования». При выполнении условия в 8 осуществляется проверка условия на- грева объекта до заданной температуры, если условие не выполняется, происходит возврат в 6, при выполнении условия блок 9 производит остановку подачи теплоснабжения, в 10 регистрируется окружающая температура, далее в 11 производится подсчёт работы установки в активном режиме в течение заданного времени. В 12 производится проверка условия «время проведения исследования больше или равно заданному времени проведения исследования», если условие выполняется, в 13 проверяется условие нагрева до заданной температуры, при невыполнении возврат в 4, иначе переход в блок 14 подсчёта времени работы установки в активном режиме. В 15 регистрируется

Рис. 2. Блок-схема переносной установки для определения ТФС объекта

температура вне исследуемого объекта, в 16 расчёт значений ТФС (коэффициента теплопередачи, сопротивления теплопередаче и удельной тепловой характеристики) исследуемого объекта в целом.

На рис. 2 представлена блок-схема разработанной авторами [23] переносной автоматизированной установки для определения ТФС исследуемого объекта.

Приведем описание работы установки. Перед началом проведения исследования по определению ТФС объекта устанавливают датчики температуры 3 и 4 по внутреннему и внешнему периметрам объекта на равноудаленном расстоянии друг от друга. После достижения заданной температуры программируемым реле 1 фиксируется время активной работы источника теплоснабжения 2 в течение всего времени проведения исследования. С датчиков через установленный интервал времени снимаются показания температуры окружающей среды. По окончании эксперимента производится расчет искомых ТФС следуемого объекта (коэффициента теплопередачи, сопротивления теплопередаче и удельной тепловой характеристики) по следующим формулам [22, 23].

Определяют среднюю окружающую темпера- туру за время исследования:

окр i

T окр =           ,

n

где Tокр – температура окружающей среды в i мо- мент исследования; n – объём выборки Токрi за время исследования.

Определяют среднюю расходуемую мощность необходимую для поддержания установленной температуры за время эксперимента:

tраб рас уст ,                                        ( )

tпод где Pрас – номинальная мощность источника теплоснабжения, tраб – время активной работы ис- точника теплоснабжения, tпод – заданное время поддержания установленной температуры Тв.

Определяют коэффициент теплопередачи объекта в целом Вт/(м2∙ º C):

р к =-------- рас

.

—

S общ ■ ⁽ Т в - Т ^ок Р )

Определяют сопротивление всего объекта (м2∙ º C)/Вт):

R = 1.

k теплопередаче

Из литературных источников [21] известно соотношение:

q 0 V T — Т окр ) = Р рас ,                      (5)

согласно которому определяют удельную тепловую характеристику объекта – q ₀ Вт/(м³∙ º C)).

Проведены исследования по апробации данной установки с предустановленным алгоритмом действий [22, 23] на модели объекта. На рис. 3 представлена модель объекта.

На рис. 4 представлен вид экспериментального объекта исследования с установленным оборудованием.

Объект исследования выполнен в форме куба, состоит из пенополистирола ПСБ-С25 и имеет заявленную производителем теплопроводность 0,039 Вт/(м·°С), площадь одной поверхности равную 1,09 м2, толщину слоя 0,1 м. После проведения подготовительных процедур в объекте поддерживалась заданная температура, температура окружающего воздуха определялась с помощью изготовленного портативного модуля. На рис. 5 представлен внешний вид модуля для измерения окружающей температуры.

Модуль для измерения температуры окружающего воздуха состоит из микроконтроллера ArduinoNano 3.0 (ATmega328), датчиков температуры DS18D20, подключенных к микроконтроллеру, и модуля TF Cardreader для регистрации дан-

Рис. 3. Модель объекта исследования

Рис. 4. Вид объекта исследования с установленным оборудованием

Рис. 5. Модуль измерения окружающей температуры

ных, полученных в ходе эксперимента. На рис. 6 представлен модуль для управления источником теплоснабжения отапливаемого объекта.

Модуль управления источником теплоснабжения, устанавливаемого внутри отапливаемого объекта, состоит из Arduino Mega 2560 на базе микроконтроллера ATmega2560, 4 датчиков температуры DS18D20 подключенных к микроконтроллеру, модуля TF Cardreader, реле включения и отключения источника теплоснабжения при выполнении алгоритма эксперимента.

На рис. 7 представлены внешний вид и схема подключения анализатора качества электрической энергии CicutorAR6 для определения значений

Рис. 6. Модуль управления источником теплоснабжения

Рис. 7. Внешний вид и схема подключения анализатора качества электрической энергии Cicutor AR6 к установке по определению ТФС строительных объектов

потребляемых силы тока, напряжения и мощности в ходе эксперимента.

На рис. 8 представлен график изменения напряжения в течение времени проведения эксперимента.

На рис. 9 представлен график изменения силы тока в течение эксперимента.

На рис. 10 представлен график, потребляемой источником теплоснабжения активной мощности.

Время поддержания заданной температуры t _под – 28880 с, время активной работы источника теплоснабжения t _раб – 5023 с. Потребляемая мощность во время работы источника тепла по показаниям анализатора 258 Вт. Средняя расходуемая мощность, необходимая для поддержания заданной температуры за время эксперимента, определена по формуле (2) и составила 44,87 Вт.

Средняя температура внутри объекта исследования составила 32,69 °С, средняя окружающая температура за время проведения исследования 17,35 °С. Общая площадь по наружному обмеру объекта исследования 7,13 м2. Общий объём по наружному обмеру объекта исследования составил 1,295 м3.

Коэффициент теплопередачи k _эксп для исследуемого объекта в целом, определялся по формуле (3), k _эксп = 0,41 Вт/(м²∙°С).

Используя экспериментальные данные, так же была определена удельная тепловая характеристика q _0эксп исследуемого объекта по формуле (5), q 0эксп = 2,26 Вт/(м³∙°С).

Сопротивление теплопередаче объекта в целом определялось по формуле (4), R _эксп= 2,44 (м²∙°С)/Вт.

Так же было определённо расчётное сопротивление теплопередаче по [23]. Расчётное сопротивление теплопередаче для исследуемого объекта определялось согласно зависимости (6):

R расч = — +1^ + —, (6) a В X i a Н где a в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции; aн - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции; Xi - теплопроводность i слоя ограждающей конструкции; 5i - толщина i слоя ограждающей конструкции; a В = 8,7 Вт/(м2-°С).

Рис. 8. График изменения напряжения питания установки теплоснабжения в течение проводимого эксперимента

Рис. 9. График изменения силы тока в проводимом эксперименте

Рис. 10. График потребляемой мощности

Заявленная производителем теплопроводность материала X i = 0,039 Вт/(м^°С).

Коэффициент а Н определяется по формуле [23]:

а н = 1,16 ■ (5 + 10 Vv),                        (7)

где и - скорость движения наружного воздуха, в эксперименте равной 1 м/с, тогда а Н = 17,4 Вт/(м²∙°С).

R_a сч = — + -°^ + — = 2,74 (м²^°С)/Вт.

расч 8,7 0,039 17,4

Для подтверждения тепловых характеристик материала объекта, проводилась процедура опре- деления теплопроводности используемого материала пенополистирола ПСБ-С 25. В качестве средства измерения использовался прибор ИПП-2 измеритель плотности теплового потока, представленный на рис. 11.

Образец толщиной 0,032 м помещался в специальный отсек, представленный на рис. 12. С двух сторон к образцу пенополистирола ПСБ-С 25 крепились датчики температуры, с одной – зонд для измерения теплового потока. По прошествии длительного промежутка времени, в течение которого тепловой поток перестал изменяться, были зафиксированы значения температур с горячей и холодной сторон, а также тепловой поток.

Рис. 11. ИПП2 – измеритель плотности теплового потока

Рис. 12. Исследуемый образец пенополистирола ПСБ-С 25

Рис. 13. Измерение тепловых характеристик пенополистирола ПСБ-С 25

Результаты измерения температуры сторон образца пенополистирола ПСБ-С 25, а также тепловой поток представлены на рис. 13.

Теплопроводность λ материала определяется по формуле, Вт/(м∙°С):

Q ⋅δ Δ t ,

где Q – тепловой поток, проходящий через исследуемый образец материала; Δ t – температура на разных сторонах исследуемого образца.

Теплопроводность λ пенополистирола ПСБ-С 25 по результатам эксперимента составила 0,0395 Вт/(м∙°С).

Подставив полученные данные в формулу (6), получаем сопротивление теплопередаче с учётом полученного значения теплопроводности пенополистирола ПСБ-С 25, R _расч =2,70 (м²∙°С)/Вт.

Различия экспериментального R _эксп= 2,44 (м²∙°С)/Вт и расчётного R _расч = 2,70 (м²∙°С)/Вт значения сопротивления теплопередаче обусловлены неоднородностью материала и отсутствием полной герметичности в местах соединения стен. Расчётные значения предполагают наличие идеальных условий, что на практике не выполняется.

Анализ результатов проведённых экспериментов позволяет сделать вывод о применимости предложенной переносной автоматизированной установки и способа для определения ТФС объектов.

Выводы. По сравнению с известными техническими решениями, предлагаемое позволяет установить коэффициент теплопередачи, удельную тепловую характеристику, сопротивление теплопередаче для исследуемого объекта в целом, с учетом всех неоднородностей оградительных конструкций, а также существенно уменьшить длительность проведения и энергоёмкость эксперимента.