CC BY
3УДК 697.1
Сабидуллаева М.М.
магистрант 1 курса ОП «Строительство» Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан)
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ СТРОЕНИЯ
Аннотация: в данной статье представлены новые экспериментальные методики измерения теплопроводности материалов, широко применяемые в строительстве. Главной целью данной работы является анализ существующих методов определения тепловых характеристик строения, обусловленных тепловыми свойствами строительных материалов, а также рассмотрение их пригодности для различных инженерных задач и технологий, таких как теплопроектирование, численное моделирование и определение теплопотерь.
Ключевые слова: теплоизоляция, критерии, определение характеристик.
Учитывая активное участие в развитии энергоэффективности, тепловое проектирование зданий играет ключевую роль в регулировании энергопотребления для обеспечения теплового комфорта в течение всего года. Эффективный контроль этого параметра тесно связан с правильным выбором материалов (типа, размеров и т.д.), используемых при строительстве здания.
На сегодняшний день многие исследования направлены на оптимизацию теплоизоляции и конструкции стен зданий. MaЫia [1] установили связь между теплопроводностью изоляции и оптимальной толщиной, представленной полиномом второго порядка. СошакН и Уйкзе1 [2], опираясь на жизненный цикл зданий в более холодных городах, определили оптимальную толщину утеплителя для наружных стен. Al-Khawaja [3] определил оптимальную толщину для каждого типа изоляции, используя общую стоимость потребляемой энергии
и изоляции в жарких странах в качестве критерия оптимизации. Al-Sanea и остальные [4], используя динамическую модель теплопередачи, исследовали влияние тарифа на электроэнергию на оптимальную толщину изоляции здания в Саудовской Аравии. Lollinia и другие [5] провела исследование для определения оптимального уровня изоляции в новых зданиях с учетом энергетических, экономических и экологических аспектов.
Тема роли тепловой инерции здания широко обсуждается в литературе. Например, в работе Balaras [6] отмечается важность тепловой массы для охлаждающей нагрузки здания. Автор провел обзор инструментов моделирования, используемых для расчета тепловой нагрузки и температуры внутри здания, учитывая эффект тепловой инерции. Аsan и Sancaktar [7] выявили влияние теплофизических свойств стен на задержку и затухание тепловой волны, а Ulgen [8] предложил использовать многослойные стены с изоляцией для зданий, используемых длительное время, и однослойные стены для зданий с периодическим использованием.
Antonopoulos и Koronaki [9] определили кажущуюся и эффективную емкость для характеристики динамики здания. Другие исследователи, такие как Asan [10] и [11] и Bojic и Loveday [12], подчеркнули важность расположения изоляционного слоя в стене для динамического поведения зданий, а также проанализировали влияние распределения изоляции и каменной кладки в стене с тремя слоями на энергопотребление для отопления и охлаждения.
Thomas и McKinley. [13] представил процедуру оптимизации тепловых параметров здания, используя численное решение прямой модели и алгоритм Reflective-Newton. Sambou и соавторы [14] разработали модель, основанную на методе теплового квадруполя в сочетании с эволюционным многоцелевым генетическим алгоритмом, с целью найти компромисс между теплоизоляцией и тепловой инерцией стены, представленный в виде фронта Парето.
Цель нашего исследования заключается в анализе существующих методов определения тепловых характеристик зданий, обусловленных тепловыми свойствами строительных материалов.
Существует несколько подходов к измерению теплопроводности, применяемых в научных исследованиях. Общими методами являются стационарные и методы с переходными или нестационарными режимами [15, 16]. Оба этих метода применимы в ограниченном диапазоне материалов и основаны на фундаментальных законах теплопроводности, а также принципах электрической аналогии. Традиционно предпочтение отдавалось стационарным методам из-за их математической простоты. Важно отметить существенное различие между стационарными и переходными методами. Переходные методы теплопередачи способны напрямую измерять коэффициент температуропроводности, в то время как стационарные методы считаются более точными при тестировании сухих материалов [17].
Метод стационарного измерения применяется для регистрации измерений в тот момент, когда тепловое состояние материала подвергаемого испытания достигает полного равновесия. Полное равновесие достигается, когда температура в каждой точке образца остается постоянной и не изменяется со временем. Однако недостатком этого метода является то, что обычно требуется значительное количество времени для достижения необходимого уровня равновесия. Этот метод также требует дорогостоящего оборудования, так как обычно необходима хорошо спроектированная система экспериментальной установки. Тем не менее, следует отметить, что это основной и наиболее точный метод измерения.
В отличие от стационарного метода, нестационарный или переходный метод регистрирует измерения в процессе нагрева. Этот метод определяет теплопроводность материала с использованием датчиков, измеряющих переходные процессы. Преимущество переходного метода заключается в том, что такие измерения могут быть выполнены относительно быстро, что предоставляет преимущества перед методами, основанными на достижении стационарного состояния [18]. В связи с этим было предложено множество решений для уравнения переходной теплопроводности, включая случаи с
использованием одно-, двух- и трехмерной геометрии [18]. В переходных методах обычно применяются игольчатые зонды или провода.
В сравнении с транспортом, использующим электричество или тепловую энергию, коэффициенты теплопроводности при оптимальных условиях теплопроводности и изоляции представляют собой существенные и определяющие величины. Следовательно, приборы для измерения тепловых свойств часто проектируются с учетом конкретных видов материалов или температурных диапазонов. В таблице 1 представлено сравнение наиболее распространенных методов измерения теплопроводности [18]. Измерительные системы также могут быть классифицированы по трем категориям в зависимости от рабочей температуры устройства: (1) функционирование при комнатной температуре (20-25°С), (2) работа при температуре ниже комнатной (приблизительно до -180°С) и (3) операции при повышенной температуре (до 600°С или выше) [18]. Измерительная система обычно оптимизирована для одного из указанных температурных диапазонов.
Таблица 1. Сравнительный анализ методов измерения теплопроводности.
Метод Диапазон температур Неопределен ность Материалы Положител ьный Отрицатель ный
Стационарн ые Защищенная испарительн ая пластина (GHP) 80-800 К [18], -180-1000°С [18], 80-1500 К [19] 2% [18] и 0.0001-2 W/(m K) [18] 2-5% и 0.0001-1 W/(m K) [19] Изоляция Материалы [18] и твердые, непрозрачны е изоляторы [19] Высокая точность Длительное измерение, большой размер образца, материалы с низкой электропров одностью
методы Диапазон температур,
Цилиндр (Cylinder) 4-1000 К [18] 2% [18] Металлы [18] одновремен ное определени е электропро водности Длительное измерение
Измеритель теплового потока (HFM) -100-200°С для нормального [18] 90-1300 К для осевого теплового потока и 298-2600 К для радиального теплового потока [19] 3-10% [18] 0.007-1.0 W/(m K) [9] 0.5-2% и 10500 W/(m K) (axial) и 315% and 0.01-200 W/(m K) (radial) [19] Изоляционн ые материалы, пластмассы, стекло, керамика [18] Некоторые металлы, горные породы, полимеры [18] Металлы и твердые вещества [19] Простая конструкци я и эксплуатац ия Неопределен ность измерения, относительн ое измерение
Сравнитель ный (Comparativ e) 20-1300°С [18] 0-1000°С [18] 10-20% [18] и 0.2-200 W/(m K) [18] Металлы, керамика, пластмассы [18] Простая конструкци я и эксплуатац ия Неопределен ность измерения, относительн ое измерение
Прямой нагрев (Direct heating) 400-3000 К [18, 19] 2-10% [18] 2-5% [1Y] и 10-200 W/(m K) [19] Металлы [18] Провода, стержни, трубки из электрическ их проводников [19] Простые и быстрые измерения, одновремен ное определени е электропро водности Только электропров одящие материалы
Трубный метод (Pipe method) 20-2500°С [18] и 50-800°С [18] 3-20% [18] и 0.02-2 W/(m K) [18] Твердые вещества [18] силикаты кальция, минеральны е и огнеупорные волокнистые покрытия) [18] Диапазон температур Подготовка образца, длительное время измерения
Переходные методы Горячая проволока, горячая лента 20-2000°С [19], -40-1600°С для горячей проволоки и -50 Ю 500°С для горячей проволоки [18] 298-1800 К [19] для горячей проволоки 1-10 % [18] 0.001-20 W/(m K) для горячей проволоки и 0.1-5 W/(m K) для горячей ленты [18] 5-15% [19] and 0.02-2 W/(m K) для горячей проволоки[19] Жидкости, стекла, твердые вещества[18] огнеупорные материалы [18, 19] и пластмассы, гранулы, порошки для горячей проволоки [18] и Диапазон температур, быстрота, точность Ограничено материалами с низкой электропров одностью
стекла, пищевые продукты, керамика для горячей ленты [18]
Горячий диск (TPS technique) 30-1200 K [18] - жидкости, пасты, твердые вещества и порошки точность за очень короткое время, различные тепловые свойства одновремен но диапазон от 0,005 до 500 Вт/(м К) (проводящи й или изолирующи й материал)
Лазерная вспышка (Laser flash) -100-3000°C [18] и 100-3300 K [19] 3-5% [18] 1.5-5 % [10] и 0.1-1500 W/(m K) [18, 19] твердые вещества, жидкости и порошки [18] и жидкие металлы, полимеры, керамика [18, 19] Диапазон температур, самый маленький образец, быстрота, точность при высокой температур е Дорогие, не для изоляционн ых материалов
Фототермич еская, Фотоакусти ческая (Phototherma l, Photoacousti c) 30-1500K [18] -50-500°C [18] и 200800 K [19] для фототермиче ского Недостаточно известен [18], 1-10 % [19] 0.1-200 W/ (m K) для фототермичес кого [18, 19] Твердые тела, жидкости, газы, тонкие пленки [18], мелкие частицы большинства твердых веществ [18,19] Может использоват ься для тонких пленок, жидкостей и газов нестандартн ые, знания о точности
Для измерения коэффициента теплопроводности применяются четыре основных типа измерительных установок: защищенная испарительная пластина ^НР), измеритель теплового потока (ЮМ), горячая проволока и коэффициент рассеяния лазерной вспышки [19]. Выбор инструмента/метода зависит от различий в технике, типе материала, предполагаемом размере образца, времени измерения, возможностях и методологии измерения [20].
Для анализа теплопередачи изоляции обычно используют защищенную испарительную пластину или измеритель теплового потока. Метод горячей проволоки и оплавления включает использование специальных устройств для консолидации образцов изоляции. Метод лазерной вспышки часто применяется
при исследовании высокопроводящих керамических материалов, металлов и определенных композитов [21]. Для измерения теплопроводности крупных образцов огнеупорных материалов применяют системы с горячей проволокой [21].
Стационарные методы измерения теплопроводности применяют закон теплопроводности Фурье. Для упрощения математического анализа задачи теплопередачи трансформируют в одномерную постановку. Расчеты адаптируются к геометрии бесконечных плит, цилиндров и сфер. Различные типы измерений теплопроводности различают по геометрии образца, конфигурации измерительной системы и величине теплопроводности. Тепловые характеристики объекта измерения определяются методами, использующими направление теплового потока, сохранение теплового потока и вспомогательный слой с известными тепловыми свойствами [22].
Среди преимуществ стационарного метода отмечается простое математическое выражение, абсолютность и пригодность для образцов с низкой электропроводностью, а также приемлемые временные затраты. Он также частично подходит для различных форм образцов и обладает низкими погрешностями (1-2%) для изоляционных материалов при комнатной температуре. С другой стороны, метод сопряжен с сложностью устройства с высокой точностью, высокими погрешностями (10% и выше), затратами времени на измерения, а также сложностью в случае образцов геометрической формы и проблемами, такими как потери тепла. Также выделяется сложность измерения теплового потока для двух образцов.
Преимущества переходных методов в основном обусловлены относительно небольшим временным интервалом, что позволяет получать разнообразные тепловые параметры в процессе измерения. Этот метод основан на анализе сигнала при малом изменении температуры и измеряется через оценку обратной связи после передачи сигнала на образец для определения тепловых свойств материала.
Продолжительность времени тестирования при переходных методах измерения составляет несколько минут или субсекунд, что представляет собой его важное отличие. Данный метод также применим в случае материалов с высоким содержанием влаги, благодаря чувствительности сигнала и отклика образца. Во многих сценариях возможно заменить измерения температуры на двух противоположных поверхностях анализом зависимости от времени в одной точке образца [18].
Среди переходных методов измерения теплопроводности различных материалов, перечисленных в таблице 1, широко используются методы горячей проволоки и лазерной вспышки. Модификацией метода горячей проволоки является метод горячей полосы или диска, который применяется к твердым неэлектропроводящим материалам для измерения их теплопроводности и электропроводности [20].
Таким образом, в данной статье представлен обзор прогресса в исследованиях методов измерения теплопроводности материалов, с учетом их эффективности для изоляционных материалов. Моделирование позволяет выявить сходства и различия методов в зависимости от наличия стационарных состояний. Методы классифицируются как стационарные и с переходными процессами, основанные на установлении постоянной температуры и градиента сигнала. Предпочтительными методами измерения теплопроводности являются метод защищенной горячей пластины, метод теплового потока, а также методы горячей проволоки/диска и лазерной вспышки. Важно учитывать анизотропию материалов и подбирать методы в соответствии с конкретными условиями и требованиями конструкций. Существующие теоретические модели, основанные на различных структурных подходах, предоставляют инструменты для более глубокого понимания поведения пористых материалов. Стандартизация методов измерения теплопроводности становится важным направлением для будущих исследований, с учетом разнообразия материалов и необходимости обеспечения точности измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Mahlia T.M.I, Taufiq B.N., Masjuki H.H. Correlation between thermal conductivity and the thickness of selected insulation materials for building wall. Energy and Buildings, 2007, 39, pp. 182-187;
2. Comakli K., Yuksel B. Optimum insulation thickness of external walls for energy saving. Applied Thermal Engineering, 2003, 23, pp. 473-779;
3. Al-Khawaja M.J. Determination and selecting the optimum thickness of insulation for buildings in hot countries by accounting for solar radiation. Applied Thermal Engineering, 2004, 25, pp. 2601-2610;
4. Al-Sanea S.A., Zedan M.F., Al-Ajlan S.A. Effect of electricity tariff on the optimum insulation-thickness in building walls as determined by a dynamic heat-transfer model. Applied Energy, 2005, 82, pp. 313-330;
5. Lollinia, Barozzia, Fasanob, Meronia, Zinzib. Optimization of opaque components of the building envelope", Energy, economic and environmental issues. Building and Environment, 2006, 41, pp. 1001-1013;
6. Balaras A. The role of thermal mass on the cooling load of buildings. An overview of computational methods. Energy and building, 1996, 24, pp. 1-10;
7. Asan H., Sancaktar Y.S. Effects of Wall's thermophysical properties on time lag and decrement factor. Energy and Buildings, 1998, 28, pp.159-166;
8. Ulgen K. Experimental and theoretical investigation of effects of wall's thermophysical properties on time lag and decrement factor. Energy and Building, 2002, 34, pp. 273-278;
9. Antonopoulos K.A., Koronaki E. Apparent and effective thermal capacitance of buildings. Energy, 1998, 23, 3, pp.183-192;
10. Asan H. Effects of Wall's insulation thickness and position on time lag and decrement factor. Energy and Buildings, 1998, 28, pp. 299-305;
11. Asan H. Investigation of wall's optimum insulation position from maximum time lag and minimum decrement factor point of view. Energy and Buildings, 2000, 32, pp. 197-203;
12. Bojic M.L., Loveday D.L., The influence on building thermal behavior of the insulation/masonry distribution in a three layered construction. Energy and buildings, 1997, 26, pp. 153-157;
13. Thomas L., McKinley. Identification of building model parameters and loads using-on-site data logs. Third National Conference of IBPSA-USA, Berkeley, California, July 30 - August 1, 2008;
14. Sambou V., Lartigue B., Monchoux F., Adj M. Thermal optimization of multilayered walls using genetic algorithms. Energy and Buildings, 41, p. 1031-1036;
15. Yuksel N. The investigation of structure and operating parameters effect on the heat transfer coefficient in porous structures [thesis]. Bursa: Uludag University, 2010;
16. Yuksel N, Avci A, Kiliç M. The effective thermal conductivity of insulation materials reinforced with aluminium foil at low temperatures. Heat and Mass Transfer. 2012, 48: 1569-1574;
17. Гамаюнова, О.С. Выбор оптимального варианта утепления жилых домов в различных климатических зонах / О.С. Гамаюнова // Строительство и техногенная безопасность. - 2019. - No 16 (68). - С. 89-97;
18. Czichos H, Saito T, Smith L E, editors. Springer Handbook of Materials Measurement Method. 1st ed. New York: Springer Science & Business Media, 2006. 1208 p;
19. Bankvall C. Guarded hot plate apparatus for the investigation of thermal insulations. Laboratory Methods and Devices. Matériaux et Construction. 1973, 6: 3947;
20. Al-Ajlan S A, Measurements of thermal properties of insulation materials by using transient plane source technique. Applied Thermal Engineering 2006, 26: 21842191;
21. Turgut A. A study on Hot Wire method of measuring thermal conductivity [thesis]. Izmir: Dokuz Eylul University, 2004;
22. Мусорина, Т.А. Тепловой режим ограждающих конструкций высотных зданий / Т.А. Мусорина, О.С. Гамаюнова, М.Р. Петриченко // Вестник МГСУ. -2018. - Т. 13. - No 8 (119). - С. 935-943.
Sabidullayeva M.M.
Eurasian National University (Astana, Kazakhstan)
ALTERNATIVE METHODS FOR DETERMINING THERMAL CHARACTERISTICS AND FEATURES OF A BUILDING
Abstract: this article presents new experimental methods for measuring the thermal conductivity of materials that are widely used in construction. The main purpose of this work is to analyze existing methods for determining the thermal characteristics of a structure due to the thermal properties of building materials, as well as to consider their suitability for various engineering tasks and technologies, such as heat projection, numerical modeling and determination of heat loss.
Keywords: thermal insulation, criteria, determination of engineering characteristics.
