Способ определения изменений термического сопротивления и коэффициента теплопроводности по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях

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 сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций по ГОСТ 26254-84, согласно п. 3.2 которого сопротивление теплопередаче R₀ для термически однородной зоны ограждающей конструкции вычисляется по формуле:

где R_в и R_н - сопротивления теплопередаче соответственно внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции, ;

R _к - термическое сопротивление однородной зоны ограждающей конструкции, ;

t_в и t_н - средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутреннего и наружного воздуха, °С;

τ_в и τ_н - средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутренней и наружной поверхностей ограждающей конструкции, °С;

q _ф - средняя за расчетный период измерения фактическая плотность теплового потока, .

Недостатком способа является то, что способ решает задачу определения общего сопротивления теплопередачи и не рассматривает определение изменений термических сопротивлений отдельных внутренних слоев исследуемой конструкции наружного ограждения.

Известен способ, которым определяют локальные термические сопротивления обследуемых участков при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент №2219534, кл. МПК G01N 25/72, от 12.09.02 г.), согласно известному способу определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают произвольно и многократно значение теплопроводности нужного слоя. Используя разработанную обобщенную физико-математическую модель теплового неразрушающего контроля многослойных объектов с неоднородностями и заданное значение теплопроводности, рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру и плотность теплового потока соответственно наружной и внутренней поверхностей, проводят мгновенное тепловизионное обследование и измеряют температуры и плотности тепловых потоков соответственно на внутренней и наружной поверхностях. Сравнивают теоретически возможные значения с измеренными. Выбирают для дальнейших расчетов то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения.

Известен способ, в котором определяют термическое сопротивление при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент РФ №2316760, кл. МПК 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 вычисляют коэффициент теплоотдачи (α). Выбирают значения теплопроводности (λ), при которых α=α+Δα. Определяют термическое сопротивление всех участков с аномалиями температурного поля и соответственно сопротивление термопередаче этих участков и приведенное сопротивление теплопередаче многослойного объекта.

Известен способ (см. патент РФ №2383008, кл. МПК G01N 25/18, от 19.12.08), 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, и определение сопротивления теплопередачи контролируемого участка и определение термического сопротивления по всей поверхности исследуемого объекта.

Известен способ (см. патент РФ №2262686, кл. МПК G01N 25/72, от 23.04.04 г.), который используется для технической диагностики неоднородных конструкций по термическому сопротивлению. Сущность способа заключается в том, что определяют плотность теплового потока через контролируемое ограждение, измеряют его величину (q) на одной из поверхностей (например, на внутренней поверхности -q_в, измеряют температуры сред около противоположных поверхностей (Т_н, Т_в), температуры противоположных поверхностей (Т_{п н}, Т_{п в}) и определяют качества контролируемого объекта по его сопротивлению теплопередаче R₀ в соответствии с формулой ГОСТ 26254-84.

Известные способы универсальны, однако, как и предыдущий способ определения сопротивления теплопередачи по ГОСТ 26254-84 направлены на решение определения R₀ всей конструкции в целом и не решают задачу определения термического сопротивления внутренних слоев ограждения.

Прототипом предложенного способа может служить способ оценки теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича в зимний период по результатам испытаний в натурных условиях (см. патент РФ №2454659, опубл. 27.06.2012, бюл. №18).

Сущность способа оценки теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича, в зимний период по результатам испытаний в натурных условиях включает измерение температур внутренней и наружной поверхностей конструкций в дневное время суток путем размещения датчиков в толще ограждения. Согласно изобретению, в дневное время суток при наличии солнечного излучения на поверхность ограждения по показаниям датчиков моделируют процесс проявления встречных тепловых потоков в толщине ограждения с использованием направления вектора температурного градиента, при этом учитывают по показаниям температур на поверхности и в толщине ограждения характер колебаний тепловых потоков от наружного слоя ограждения во внутренние слои, определяя возникновение в толщине ограждения более прогретого слоя по сравнению с поверхностью ограждения, являющегося источником разнонаправленных тепловых потоков.

Недостатком прототипа является тот факт, что в изобретении моделируется процесс нестационарной теплопередачи с возникновением в толще стены физического эффекта встречных тепловых потоков и рассматривается теплофизическое состояние в общем и целом.

Технический результат состоит в разработке графического способа, позволяющегося обеспечить решения задачи определения изменения термического сопротивления (R) и коэффициента теплопроводности (λ) по толщине исследуемой конструкции наружного ограждения при проведении натурных теплофизических исследований.

Технический результат достигается тем, что способ определения изменений термического сопротивления и коэффициента теплопроводности 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 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, параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка исследуемого образца строится в масштабе термического сопротивления, в случае с многослойной исследуемой конструкцией наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного термического сопротивления, далее переносим точки графика температур на наружную и внутреннюю 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 термических сопротивлений слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения термических сопротивлений, определяемые по формуле

,

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м K;

δ - толщина слоя стены, м;

R - термическое сопротивление стены, м² K/Вт;

определяется значение коэффициента теплопроводности каждого слоя.

На рис. 1 представлен графический способ определения термического сопротивления внутренних слоев стенки исследуемого образца/

На рис. 2 - суточный график изменения температуры по слоям в наружном стеновом ограждении.

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, опубл. 10.07.2015, бюл. №19), поступает в компьютерный банк данных, где проходит первичную обработку, систематизацию в виде таблиц и графиков. Для анализа распределения температур по сечению используем графический способ. На первом разрезе (рис.1) 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 (рис. 2).

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 линии графика с большим углом наклона.

На втором разрезе (рис. 1) изображается эта же стенка в масштабе термического сопротивления R, определяемого по формуле [2], поскольку термическое сопротивление пропорционально толщине стенки:

где t₁ и t₂ - температура на внутренней и наружной поверхности, °С;

Q - тепловой поток, .

Переносим точки графика температур с первого разреза, сначала точки с температурами на внутренней и наружной поверхности на наружную и внутреннюю поверхность второго разреза и соединяем прямой линией, переносим точки графика с внутренних слоев на прямую наклонную линию второго разреза и проектируем 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, можем определить коэффициент теплопроводности λ по формуле [3]:

,

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м K;

δ - толщина слоя стены, м;

R - термическое сопротивление стены, м² K/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.