Экспериментальное исследование динамики теплообмена через ограждающую конструкцию Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Даниил Александрович Данилов Владимир Иванович Егоров

Светлана Викторовна Фадеева —

Александр Васильевич Шарков —

Сведения об авторах ФГУП „Аврора", Санкт-Петербург; инженер

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: KTF@grv.ifmo.ru

студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: ktf@grv.ifmo.ru

Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО

Поступила в редакцию 07.12.09 г.

УДК 536.2:536.5:53.087

К. С. Костенко, Г. Н. Лукьянов, Д. С. Петров

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛООБМЕНА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩУЮ КОНСТРУКЦИЮ

Рассмотрены особенности теплообмена через ограждающие конструкции зданий и сооружений в статическом и динамическом режимах. Приведены результаты экспериментов по измерению колебаний температуры вне и внутри здания и анализ их взаимосвязи.

Ключевые слова: ограждающая конструкция, теплообмен, тепловая инерция, спектральная плотность мощности, фазовый сдвиг.

Экспериментальное исследование теплообмена через ограждающую конструкцию (ОК) является основой для решения задач контроля качества тепловой изоляции и оценки тепловой эффективности зданий и сооружений.

Существующие методики оценки тепловой эффективности базируются на стационарных методах, основная суть которых состоит в следующем. Для рассматриваемой задачи тепловая схема процесса теплопередачи может быть представлена как одномерная задача теплопроводности через плоскую многослойную стену: схема процесса представлена на рис. 1, где Q — тепловой поток, проходящий через ограждающую конструкцию; 7], 72,..., Тп — температура на границе 1-го, 2-го, ..., п-го слоя ОК; 7^ — температура окружающей среды при различных погодных условиях; Гвнп — температура воздуха внутри помещения; §ь§2,..., 5п —

толщина 1-го, 2-го, ..., п-го слоя ОК

Уравнение для определения теплового потока имеет следующий вид:

Q = Ту^Гп+1 Б,

^ п '

I Я

1=1

п п §.

где I Я. = I — — суммарное термическое сопротивление п слоев ОК; £ — площадь ОК;

.=1 .=1 к

§., К. — толщина и коэффициент теплопроводности материала .-го слоя ОК соответственно.

Для расчетной схемы процесса теплопередачи (см. рис. 1) при установившемся тепловом режиме ОК тепловые потоки, проходящие через каждый из слоев конструкции, одинаковы. Термическое сопротивление и площадь ОК остаются неизменными, а тепловой поток поддерживается системой управления теплоснабжением здания на уровне, обеспечивающем нормативные параметры воздуха внутри помещения.

Рис. 1

Таким образом, переменными параметрами процесса теплопередачи для рассматриваемого случая являются разность температур вне и внутри помещения ( AT = T - 7и+1 ^ const) и находящийся в пропорциональной зависимости от нее тепловой поток через ОК ( Q ^ const), а неизменным параметром является термическое сопротивление ОК. Тогда, определив удельный тепловой поток через ОК одним из инструментальных методов и используя уравнение теплопроводности

q = £ ^ (7 - Tn+i), i=1 Si

можно вычислить термическое сопротивление ОК:

R=£ ^ = (T - Tn+i) i=i Si q '

Для получения достоверных результатов при контроле теплозащитных свойств ОК согласно нормативным документам требуется проведение измерений при режиме теплопередачи, близком к стационарному (в условиях отсутствия атмосферных осадков, тумана, задым-ленности и исключения воздействия на ОК в течение 12 ч до проведения измерений прямого и отраженного солнечного облучения). При этом предусматривается минимальная длительность периода наблюдения Z0 (в сутках) за температурами воздуха вне и внутри помещения, которая определяется зависимостью [1 ]

Zn =-

Z1D 2п

где Б — тепловая инерция ОК при периоде колебаний температуры воздуха, равном 24 ч.

По результатам натурных испытаний строятся графики изменения во времени температур и плотности тепловых потоков (рис. 2), по которым выбираются периоды с наиболее установившимся режимом и вычисляются средние значения термического сопротивления для данного периода; на рис. 2: а — изменения температуры воздуха внутри помещения

Твн.п (кривая 1) и температуры воздуха окружающей среды Тср (кривая 2); б — изменение температуры Тср; в — изменение теплового потока через ОК; г — изменения Твн.п (кривая 1) и Тср (кривая 2) — нормированные значения.

а)

Т °с

25

24

23

•к-ч/че*

1 '

2

в)

Q, Вт/(м2-°С)

5 г, сутки

1

2

3

4

б)

Тср, °С 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6

г)

Т, °С

2 1 0 -1 -2 -3

-4 -5 -6

Л А \

Ч

и / Г

=1 1

' и

V

г

5 г, сутки

1 ^

Г Л

\

Г* г ш Л 1 VI 1 1

да 1

V

IV

1 1

1

2

3

4

5 г, сутки

5 г, сутки

Рис. 2

Далее, согласно методике [2], по результатам измерений для расчетов выбирается период отклонения среднесуточной температуры наружного воздуха от среднего ее значения за этот период в пределах ± 1,5 оС. Данные ограничения позволяют снизить влияние теплоемкости ограждающей конструкции (которая не учитывается в методике расчета тепловых сопротивлений) на тепловой поток. Вследствие непредсказуемости погодных явлений эти условия не всегда удается выполнить, но согласно методике [2] эти данные для расчетов не используются. Однако они содержат полезную информацию о поведении ограждающих конструкций в процессе изменения условий окружающей среды, что позволяет получить дополнительные данные для оценивания изоляционных свойств ОК.

Для оценки термического сопротивления ОК при нестационарном процессе можно использовать колебания температуры окружающей среды и колебания температуры внутренней поверхности стены. О теплофизических свойствах ОК можно судить по запаздыванию колебаний температуры ее внутренней поверхности относительно колебаний температуры окружающей среды, а также по коэффициенту передачи этих колебаний.

Определить запаздывание колебаний температуры внутри помещения относительно температуры окружающей среды можно путем определения взаимной спектральной плотности мощности [1]:

Бху (/) = | X(/)¥*(/),

где Х(/) — фурье-преобразование от колебаний температуры окружающей среды; У(/) — фурье-преобразование от колебаний температуры в помещении; — функция взаимной спектральной плотности мощности колебаний температуры в помещении и вне его.

Взаимная спектральная плотность мощности позволяет определить, какой частоте соответствует максимальная интенсивность взаимодействия между внешней средой и помещением, и чему равен фазовый сдвиг колебаний температуры внутри помещения относительно колебаний температуры вне его.

1

2

3

4

1

2

3

4

Как показывает анализ рис. 2, а, г, колебания температуры вне и внутри помещения происходят синхронно с периодом 24 ч, но с временным сдвигом, составляющим примерно 11 ч.

На рис. 3 показан результат вычисления функции взаимной спектральной плотности мощности, которая представлена как фаза (кривая 1) и модуль (кривая 2). Максимальное взаимодействие происходит на частоте 1 • 10-4 Гц, что соответствует периоду в 24 ч, сдвиг по

Рис. 3

Описанным выше образом были обработаны результаты измерений по 18 объектам с конструктивно схожими решениями. Результаты показали, что на 16 объектах значения фазового сдвига колебаний температуры внутри помещения относительно температуры вне его находятся в диапазоне от 3,4 до 3,8 рад. На данных объектах не было выявлено существенных дефектов тепловой изоляции, а термическое сопротивление по результатам измерений превышало нормативное значение. На двух объектах значение фазового сдвига составило менее 3,3 рад, а термическое сопротивление ограждающих конструкций было ниже нормативного.

Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, позволяют оценить не только термическое сопротивление ограждающей конструкции, но и влияние ее теплоемкости на тепловые потоки и теплоизоляционные свойства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

2. Сидельников С. С., Лездин Д. Ю., Мотуз М. И. Комплексная методика контроля качества ограждающих конструкций зданий и сооружений. М.: Госстрой РФ, 2002.

Константин Сергеевич Костенко

Геннадий Николаевич Лукьянов —

Дмитрий Сергеевич Петров

Сведения об авторах студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: kks@sald.ru

д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра электроники; E-mail: gen-lukjanow@yandex.ru ЗАО „Техника. Тепловидение. Медицина", Санкт-Петербург, директор; E-mail: ttm@ttm.spb.ru

Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО

Поступила в редакцию 07.12.09 г.