Способ определения теплофизических свойств строительных объектов

Одной из актуальных проблем в повышении энергоэффективности является применение простых и надежных способов (методов) определения потерь теплоты через ограждающие конструкции объекта в окружающую среду и анализ теплофизических свойств (ТФС) – коэффициент теплопередачи и сопротивление теплопередаче, которые существенным образом влияют на тепловой режим. Чтобы решить проблему уменьшения теплопотерь объекта, необходимо знать его ТФС. Известно, что с течением времени свойства материалов подвержены изменениям. Точная информация о теплопотерях позволяет с большей достоверностью определить нужную мощность системы теплоснабжения, что, в свою очередь, существенно влияет на энергосбережение объекта. Для определения ТФС ограждения основным источником информации является эксперимент.

Цель исследования

Целью исследования является разработка нового метода определения ТФС объектов методом неразрушающего контроля, отвечающего современным требованиям и позволяющего с высокой достоверностью определить и ТФС объекта.

Результаты исследования и их обсуждение

В настоящее время существуют различные способы и устройства для определения ТФС (коэффициент теплопередачи и сопротивление теплопередаче) исследуемого объекта [1 - 18]. На основе метода неразрушающего контроля (МНК) разработана установка для определения ТФС поверхностей ограждающих конструкций [1]. Установка выполнена в форме прямоугольника с расположенным внутри нее нагревательным элементом. В ходе выполнения исследования нагревательный элемент потребляет определенную мощность. На присоединенном к нагревательному элементу терморегуляторе устанавливается определенная температура воздуха внутри исследуемого объекта. Датчики измерения плотности теплового потока устанавливают на исследуемую ограждающую конструкцию. Через установленный промежуток времени фиксируют значения температуры с обеих сторон исследуемой конструкции, измеряется плотность теплового потока. По полученным данным определяется приведенное сопротивление теплопередаче по формулам, представленным в [1]. Ограничением данного способа и устройства является низкая функциональная возможность контроля строительных работ при определении приведенного сопротивления теплопередаче. Это вызвано тем, что размеры устройства определяют применение только для локального участка ограждающей конструкции [2]. Также на основе МНК разработана установка для измерения сопротивления теплопередаче строительных ограждающих конструкций [3]. Установка выполнена в виде стенда, предназначенного для измерения сопротивления теплопередаче исследуемых строительных конструкций. Установка позволяет создавать заданные температурные режимы по обеим сторонам исследуемого объекта, температуру воздуха на поверхности различных участков объекта и температуру теплового потока, проходящего через объект в стационарных условиях. Ограничением данной установки является то, что невозможно определить ТФС всего исследуемого объекта в целом, а также большая длительность проведения исследования объекта. Для определения сопротивления теплопередаче строительной конструкции МНК известен способ [4]. Данный способ реализуется следующим образом: с обеих сторон строительной конструкции устанавливают друг напротив друга теплоизолированный короб с плоскими термостатами, термометр и регулируемый вентилятор, а также тепломер. Термостат поддерживает в неизменном состоянии Т н , термостат в противоположном коробе поддерживает тем-пературу Т _в , которая не равна Т_н . Через определенный промежуток времени определяют температуру поверхностей строительной конструкции термометрами, установленными в теплоизолированном коробе, определяют плотность теплового потока, проходящего через строительную конструкцию. Регулируемым вентилятором в наружном и внутреннем изолированном коробе изменяют интенсивность скорости воздушного потока, чтобы происходило изменение теплоотдачи исследуемой конструкции согласно условиям, описанным в [4]. После установления заданной теплоотдачи q осуществляют нахождение сопротивления теплопередаче по формуле [4]:

(Т - Т ) вн

q

Ограничение – большая длительность процедуры исследования, чтобы определить сопротивление теплопередаче всего объекта, в целом требуется большое количество времени. А.И. Богоявленским, С.В. Ивановым разработан МНК измерения сопротивления теплопередаче через исследуемый объект и устройство для его осуществления [5]. Метод основан на измерении промежутка времени, который определяется между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке, на внешней (или боковой) поверхности исследуемого объекта. Затем устанавливают зависимость величины перегрева внешней (или боковой) поверхности исследуемого объекта от времени. Принимают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней (или боковой) поверхности исследуемого объекта. Рассчитывают значение сопротивления теплопередаче через объект, для разных моментов времени. Устанавливают постоянное значение сопротивления теплопередаче через объект или рассчитывают его среднее значение. Ограничениями является то, что размеры данной установки определяют ТФС конструкции только для локального участка ограждающей конструкции, большая длительность проведения исследования, сложная конструкция установки.

О.Н. Будадиным разработан способ, основанный на МНК и заключающийся в том, что на строительную конструкцию (например стену здания) устанавливают первый и второй плоские теплоизолированные нагревательные элементы. Их монтируют на противоположных сторонах здания - наружной и внутренней стенах. При этом линейные размеры нагревательных элементов составляют от 3 до 5 величин толщины строительной конструкции, измеренной в средней части установленных нагревательных элементов, например, по их оси. Причем второй нагревательный элемент реализует нагрев конструкции до температуры, отличной от той, до которой нагревает соответствующую сторону конструкции первый нагревательный элемент. С помощью исполнительных нагревательных узлов внутри элементов устанавливаются соответствующие температуры, например, Тв и Тн, которые измеряются датчиками температуры, которые также установлены по разные стороны строительной конструкции. Данные температуры стабилизируют посредством систем термостабилизации исполнительных нагревательных элементов в течение определенного времени Δt от 1 сут [6]. Ограничения данного способа заключаются в том, что размеры данной установки определяют ТФС конструкции только для локального участка ограждающей конструкции, невозможности определения сопротивления теплопередаче всего объекта в целом, а также большой длительности процедуры исследования.

Также к изобретениям О.Н. Будадина относится способ, который включает тепловизионное обследование одной из поверхностей исследуемого объекта, сравнение теоретических и полученных измерением результатов и выбор для дальнейших расчетов значения теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения. Перед тепловизионным обследованием конструкции определяют время тепловой инерции и дискретность разрешения тепловизора, исходя из минимального дефекта. Тепловизионное обследование проводят путем измерения температурного поля поверхности с пространственным периодом, определяемым размерами минимального дефекта конструкции. Измеряют значения температуры на противоположных сторонах конструкции с временными интервалами и тепловой поток на внутренней стороне конструкции [7]. Возможным ограничением данного способа является высокая себестоимость оборудования, необходимого для определения ТФС объекта, а также сложность расчета.

С.С. Сергеевым разработано устройство измерения сопротивления теплопередаче строительной конструкции [8]. На строительную конструкцию, например стену задания, крепится приставная камера с находящимся в ней нагревательным элементом. С другой стороны здания соответственно к приставной камере крепится обойма со встроенным в нее термоэлектрическим модулем. Приставная камера и обойма могут иметь прямоугольную или круглую форму, при этом их размер выбирается равным 3÷5 толщины строительной конструкции [9, 10]. С помощью нагревательного элемента строительная конструкция нагревается до температуры, превышающей температуру окружающей среды на 5-10 °С. Одновременно с нагревом включается термоэлектрический модуль, который охлаждает поверхность строительной конструкции до отрицательной температуры. По истечении некоторого времени температуры на обеих сторонах становятся стабильными, не изменяющимися по времени. В этот момент регистрируют величину теплового потока q, проходящего через строительную конструкцию, затем вычисляют сопротивления теплопередаче по формуле (1). Ограничением данной установки является то, что ее размеры определяют ТФС только для локального участка ограждающей конструкции, а также невозможность определения сопротивления теплопередаче всего объекта в целом.

На основе МНК разработан способ измерения сопротивления теплопередаче и устройство для его осуществления [11]. Суть приведенного способа заключается в следующем: производят термическое воздействие на наружную поверхность, данное воздействие осуществляют путем охлаждения подвижным теплоносителем, при этом измеряют стационарное значение температуры внутренней поверхности исследуемого объекта в области нагревания, измеряют стационарное значение температуры наружной поверхности объекта, подвергаемого исследованию в области охлаждения, измеряют стационарное значение температуры подвижного теплоносителя. Устройство для реализации данного способа содержит источник тепла, измеритель температуры, электронный блок обработки и наружный теплообменник. Ограничения: большая длительность проведения исследования, сложная конструкция установки, невозможность определения сопротивления теплопередаче всего объекта в целом. К МНК теплозащитных свойств ограждающей конструкции также относится способ [12]. Производятся натурные измерения температур и плотности тепловых потоков, в реперной точке, в реальных климатических условиях эксплуатации здания в период не менее двух суток. Рассчитывают сопротивление теплопередаче в реперной точке путем обработки результатов, натурных измерений, с отбраковкой отдельных значений сопротивления теплопередаче. Рассчитывают сопротивление теплопередаче в произвольных точках по температурным полям, полученных в результате тепловизионной съемки, и результатам расчета сопротивления теплопередаче в реперной точке. Проводят измерение и регистрацию температуры наружного и внутреннего воздуха в помещении, а также температуры и плотности теплового потока на внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции в течение не менее двух суток. Расчет сопротивления теплопередаче в реперной точке проводят по результатам измерения температур и плотностей теплового потока для каждого i-ного измерения. Ограничением данного способа является большая длительность процедуры исследования.

Б.Г. Варфоломеевым, Л.П. Орловой разработан способ определения теплофизических характеристик строительных, многослойных конструкций, без нарушения их целостности [13]. Способ заключается в осуществлении активного теплового воздействия на поверхность каждого наружного слоя, адиабатически, от дисковых нагревателей, расположенных в полости зондов, окаймленных охранными (теплоизоляционными) кольцами, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого объекта от времени, при этом, для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках. Определение коэффициентов теплопроводности наружных и внутренних слоев конструкции проводят с использованием специальной аппроксимации, полученных зависимостей температуры от времени. Искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам. Ограничением данного способа является большая методическая погрешность определения искомых ТФС. Еще одним существенным ограничением способа является то, что определение ТФС наружных слоев конструкции предлагается осуществлять контактным методом, что обусловливает значительную погрешность температурно-временных измерений, от влияния контактных термосопротивлений, значение которых носит случайный характер, зависит от состояния поверхности контактирующих тел, степени их прижатия друг к другу и т.д., что не позволяет определить величину сопротивления теплопередаче без внесения поправок или коррекции результатов измерений [14].

Известен тепловой МНК определения ТФС материалов, разработанный в Японии. Способ заключается в тепловом облучении участка исследуемой поверхности, данные о распределении температурного поля объекта передают для анализа на устройство термографического контроля и затем на устройство отображения, которое показывает изменения в распределении температурного поля [15]. Данный способ позволяет определить состояние конструкции и ее теплопотери, однако он неприменим для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений [15].

В Российской Федерации на практике в основном применяется способ оценки теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий, состоящий из измерения плотности теплового потока, проходящего через исследуемую конструкцию, измерения температур на наружной и внутренней ее поверхностях, вычисления значения общего сопротивления теплопередаче конструкции, а также способ определения ТФС объектов по анализу их сопротивления теплопередаче [9, 10]. Через заданный интервал времени производят измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, и температуру на обеих поверхностях строительной конструкции по формуле (1). Ограничением известного способа является то, что формула применима только для условий стационарного процесса теплопередачи через исследуемый объект. Большая длительность процедуры исследования – 15 сут, невозможность получить ТФС всего исследуемого объекта в целом.

Существующие методы определения сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи устанавливают только для определенного участка исследуемой поверхности, чтобы определить данные коэффициенты всего объекта в целом, потребуется большое количество времени, для проведения одного измерения требуется время от одних суток. Такая длительность исследования существенным образом влияет на стоимость проводимых работ. В ходе проведения исследования необходимо обеспечивать создание специальных условий (стабильную температуру на внутренней и наружной поверхности исследуемого объекта) в течение всего времени исследования - высокая энергоемкость проводимого исследования. Анализ существующих методов определения ТФС исследуемого объекта показал, что возможна разработка установки, которая будет определять ТФС объекта МНК (и всего исследуемого объекта в целом) с использованием современных средств управления и обработки информации за более короткий промежуток времени нестационарным способом, так как данный способ определения ТФС является наиболее перспективным за счет простоты, небольшого времени проведения исследования и т.д. [19 - 23]. С учетом проведенного анализа разработана установка, принцип работы которой заключается в том, что перед началом проведения исследования устанавливают датчики температуры по периметру исследуемого объекта на равноудаленное расстояние друг от друга, задают значения, необходимые для дальнейшего проведения исследования, а именно мощность источника теплоснабжения Р ист , общую площадь исследуемого объекта S общ , время поддержания t (температуры исследования) и диапазон температуры исследования T. Далее, при помощи датчиков температуры, снимают показания, которые зафиксированы программируемым реле, и передают на персональный компьютер для исследования. Во время процедуры исследования снимают показания внутренней и наружной температуры, необходимые для дальнейшего расчета искомых показателей. На рисунке 1 представлена принципиальная схема переносной автоматизированной установки для определения ТФС.

Рисунок 1 – Принципиальная схема переносной автоматизированной установки для определения ТФС исследуемого объекта

По окончании исследования производится расчет теплофизических свойств исследуемого объекта по следующим формулам [24]:

Определяют среднюю начальную температуру, с которой производится нагрев:

Т

н

∑ Т нi n

где Т - начальная температура в i-ный момент времени проведения исследования; n - коли- чество снятых показаний Т во время проведения исследования.

Определяют среднюю температуру поддержания, до которой происходит нагрев (ºC):

Т

к

∑ ^Т кi n

где Т - конечная температура нагрева в i-ный момент времени проведения исследования. Определяют среднюю температуру во время поддержания (ºC):

___ = Тн-Тк .(4)

в ₂

Определяют среднюю температуру на улице, за время проведения исследования (ºC):

_Т__ул=∑Тnулi,(5)

где Т - температура окружающей среды в i-ный момент времени проведения исследования.

Определяют площадь стен, потолка, пола исследуемой ограждающей конструкции здания или строительного сооружения (м2):

Si = a ⋅ b,(6)

где a - высота; b - ширина.

Определяют общую площадь исследуемого объекта (м2):

Sобщ = ∑Si.(7)

Определяют затраченную мощность на поддержание установленной температуры за заданное время поддержание установленной температуры (Вт):

t раб Pзатр. = Pуст . ⋅

tпод где Руст. - номинальная мощность источника теплоснабжения; tраб - время работы источ- ника теплоснабжения при поддержании установленной температуры; tпод - заданное время поддержания установленной температуры.

Определяют коэффициент теплопередачи (Вт/(м2∙ ºC):

k =

S

Р затр

. общ . ⋅ ( Т ^__ в - Т ^__ ул )

Определяют коэффициент термического сопротивления (м²∙ ºC)/Вт): R = ¹.

k

Выводы

По сравнению с известными техническими решениями предлагаемое позволяет установить фактические коэффициенты сопротивления теплопередачи и термического сопротивления для всего исследуемого объекта в целом, с учетом всех неоднородностей оградительных конструкций, с высокой достоверностью результата, за счет получения реальных значений в ходе эксперимента, для каждого отдельного объекта с учетом его специфических особенностей, уменьшить длительность и увеличить скорость проведения исследования за счет упрощения конструкции и мобильности установки (является малогабаритной).