Методика определения сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций различного назначения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Н.В. Пилипенко, Н.В. Лазуренко

Важнейшим показателем энергоэффективности здания является сопротивление теплопередаче Я0 его ограждающих конструкций (ОК), значение которого, определенное при натурных измерениях, должно соответствовать проекту и строительным нормам для конкретного типа зданий. Традиционный способ определения Я0 путем осреднения показаний измерений имеет ряд существенных недостатков, поэтому предлагается метод восстановления теплового потока, проходящего через ОК, и уточнения теплотехнических свойств путем решения нестационарной граничной обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) с использованием параметрической идентификации искомого параметра (теплового потока).

Введение

На этапе проектирования объектов строительства различного назначения преследуется цель снижения энергозатрат на отопление зданий при обеспечении комфортных условий пребывания в них людей путем использования архитектурных, строительных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов.

Однако на этапе строительства и после его завершения необходим контроль качества и соответствия теплозащиты здания и его отдельных элементов проекту и действующим строительным нормам. Для этого определяются теплотехнические и энергетические показатели эксплуатируемого здания, важнейшим из которых является сопротивление теплопередаче Я0 ограждающих конструкций (ОК) различного типа (наружных стен, окон, балконных и входных дверей и т.п.). Данная характеристика, определяемая в натурных условиях, позволяет количественно оценить теплотехнические свойства ограждений и их соответствие нормативным значениям, а также установить реальные потери тепла через наружные ОК здания.

Метод осреднения результатов измерений

Традиционным способом определения сопротивления теплопередаче ОК является метод, описанный в [1]. В соответствии с данным методом проводятся натурные измерения плотности теплового потока q и температур внутреннего I и наружного I воздуха на базовом участке конструкции. За базовый участок принимается термически однородная зона наружной ОК, имеющая линейные размеры не менее трех толщин ограждения. Для выявления термически однородных участков перед началом контактных измерений проводится обзорное тепловизионное обследование конструкций с соблюдением необходимых требований к оборудованию и климатическим условиям [2].

ж — I

ш ■ 1

ш ■

1

Рис. 1. Схема разбиения поверхности стены на базовые участки при измерении температуры внутреннего воздуха и плотности теплового потока

На рис. 1 приведена типичная конфигурация наружной стены, на которой заштрихованные области обычно являются однородными по теплофизическим свойствам участками, и, следовательно, на них могут быть размещены приборы для контактных измерений плотности теплового потока и температур. При этом измерительные приборы устанавливаются в центральных зонах заштрихованных участков стены, а с наружной стороны ОК термопреобразователи устанавливаются в точках, соответствующих местам измерений на внутренней поверхности. Продолжительность измерений, согласно [1], составляет 15 суток, однако методика, описанная в [4], позволяет проводить измерения в течение 1-2 суток, в зависимости от значения тепловой инерции ОК, причем регистрация значений q, I и I осуществляется с интервалом не более 20 мин.

При обработке результатов натурных испытаний строятся графики изменения во времени q, I и t , на которых выбираются временные промежутки с наиболее установившемся режимом - с отклонениями температуры наружного воздуха от среднего значения за этот период в пределах ±2,5 0С [4], и вычисляется среднее значение сопротивления теплопередаче базового участка ОК.

18:00: ¡!Ю 12:00:00 12:00:00 06:00:00

08.04.05 00.04.05 I, ССК. 10.04.05 11 04.05

18:00:00 12:00:00 12:00:00 06:00:00 08.04.05 09.04.05 Т? СеК. 1 □ и4.05 11.04.05

Рис. 2. Зависимости д(т), 1в(т) и Ы(т) для типичной наружной стены жилого дома

На рис. 2 представлен результат измерения температур воздуха и теплового потока для наружной стены жилого здания, состоящей из железобетонных блоков толщиной 0,160 м (ДСК «БЛОК») с коэффициентом теплопроводности =2,04 Вт/(м-К), удельной теплоемкостью =840 Дж/(кг-К), плотностью =2500 кг/м3.

Для каждого выделенного периода с установившемся температурным режимом, например, 1 и 2 (см. рис. 2) рассчитываются средние значения q, t и t, а затем средняя за период измерений фактическая плотность теплового потока q определяется по фор-

муле [4] Я =

я(г -г )

я(г - г )

Вт/м2

(1)

( - г )-д(ят - Яс) ( - г )-д(ят - Яс)

где я - средняя за расчетный период измеренная плотность теплового потока, Вт/м2; г и г - средние за расчетный период измерений значения температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; г - температура поверхности преобразователя теплового потока, обращенной внутрь помещения, измеренная при испытаниях, °С; Ят - термическое сопротивление преобразователя теплового потока, определяемое по его паспортным данным, м2-К/Вт; Яс - термическое сопротивление слоя подложки, прикрепляющего преобразователь теплового потока к поверхности, определяемое расчетом, м2-К/Вт.

Сопротивление теплопередаче ОК вычисляется по общей формуле [1]:

Я = Я + Я + Я =

г -т

■ + ■

т - т

т - г

м2-К/Вт,

(2)

Я Я Я

где Я и Я - сопротивления теплопередаче внутренней и наружной поверхностей ОК, соответственно, м2-К/Вт; Я - термическое сопротивление однородной зоны ОК, м -К/Вт; т и т - средние за расчетный период измерений значения температур соответственно внутренней и наружной поверхностей ОК, °С. При измерении температур внутреннего и наружного воздуха формула (2) упрощается:

Я 0 =

г - г Я

м2-К/Вт.

(3)

Абсолютная суммарная погрешность измерения ДЯо определяется по формуле:

АЯ„ = Яо

(ДЯ)2/ 2+А(А )2

>2

м2-К/Вт,

(4)

Я / Аг

где Дя- абсолютная погрешность измерения плотности теплового потока, Вт/м2; Д(Дг ) - абсолютная погрешность измерения разности температур, °С.

Относительная погрешность определения Яо вычисляется по формуле

Яо =■

АЯ0

Я0

-100%.

(5)

Однако при более детальном анализе погрешности определения Я0 следует учитывать объем выборки значений измеренных я, г и г и применять теорию погрешностей, описанную в [3], по которой сопротивление теплопередаче Я0 является косвенно измеряемой величиной, и его абсолютная погрешность вычисляется по формуле:

ДЯ =

Г 1 )2

Г 1 )

(Дя)2=и (Дг)2 + -1 (Аг)2 +

Кя) I Я)

(А) (6)

Здесь Дг, Дг и Дя - границы доверительных интервалов температур внутреннего, наружного воздуха и теплового потока, соответственно, вычисленные с учетом инструментальной погрешности измерительных приборов по следующим формулам [3]:

Аг =

Аг =

^ Н-А^ +

^ (т).А^ + ^' 8'

(7)

АЯ =

га (т)-А^-2 +

Г к

-а \ 8

3 ) Я

2

2

2

Здесь ta (m) - коэффициент Стьюдента для заданной надежности ( =0,95) и числа измерений m; ка = tа (ю ) ; 5 - величина погрешности измерительного прибора; AS—, AS—, AS- - среднеквадратические погрешности результата серии измерений

соответственно температур внутреннего, наружного воздуха и теплового потока.

Погрешность данной методики не превышает 15%, что не противоречит требованиям современных строительных норм. Тем не менее, метод определения R0 путем осреднения результатов измерений за выбранный промежуток времени [1, 4] имеет ряд существенных недостатков:

• длительный период проведения измерений;

• увеличение погрешности измерений за счет осреднения;

• трудоемкость расчета и анализа погрешности для конкретного частного случая натурных испытаний.

Метод определения сопротивления теплопередаче ОК путем параметрической идентификации тепловых потоков и теплофизических свойств

Параметрическая идентификация указанных величин подробно описана в работах [5-7] и сводится к решению прямой и обратной задач теплопроводности и использованию для получения оптимальных оценок параметров рекуррентного фильтра Калмана. При этом конструкция ограждения (например, наружной стены) разбивается по толщине на n блоков со средними температурами t1, t2, ...tn, составляющими так называемый вектор состояния Т(г). Для каждого из блоков записывается уравнение теплового баланса с учетом различных теплофизических свойств материалов слоев ОК и без учета контактного термического сопротивления между слоями.

Полная математическая модель стены представляется двумя уравнениям:

• моделью теплопереноса

= F • Т(г) + GU(r); (8)

аг

• моделью измерений

Yk = H • Тк + s . (9)

Здесь F - матрица обратных связей; G и U - матрица и вектор управления; Yk и s -

векторы измерений и погрешностей; H - матрица измерений.

Метод позволяет определять распределение температур по толщине стены и восстанавливать потоки, входящие и выходящие из стены, в любой момент времени при различных граничных условиях - изменениях температуры и коэффициентов теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях стены. При этом возможно одновременно и уточнение коэффициента эффективной теплопроводности ОК .

Нами проведены экспериментальные исследования с целью определения вышеназванных параметров ОК зданий различного назначения. В качестве примера рассмотрим неоднородную стенку со следующими характеристиками (рис. 3): 51=0,51 м, ^1=0,52 Вт/(м-К), 02=0,075 м, ^=0,081 Вт/(м-К), 5з=0,12 м, Хз=0,056 Вт/(м-К), у которой измеряется температура внутренней поверхности ( ) и задаются температура среды t ( ) со стороны наружной поверхности и коэффициент теплоотдачи а .

В результате решения задачи методом параметрической идентификации определяются: тепловые потоки q1( ) и q2( ); распределение температуры по всей толщине , в том числе и на наружной поверхности; уточняется и рассчитывается сопротивление теплопередаче ОК по формуле

= t (т)-т (т) + + (т)-t (т)

(10)

ql(т) ^ q2(т)

где t() и t() - температуры внутреннего и наружного воздуха, соответственно, °С; ( ) и ( ) - температуры внутренней и наружной поверхностей ОК, °С; q1( ) - тепловой поток, идущий от внутренней среды к внутренней поверхности стены, м2-К/Вт; с/2( ) - тепловой поток, идущий от внешней поверхности стены в наружную среду, м2-К/Вт.

1|рё

а,

ш

у^/

„ _

ш

а.,

Рис. 3. Модель ОК

Результаты, полученные различными методами, практически не отличаются друг от друга и позволяют сделать вывод о предпочтении второго метода для определения сопротивления теплопередаче ОК.

В заключение отметим, что предлагаемый метод обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционным, а именно позволяет моделировать различные граничные условия на поверхностях ОК и определять распределение температуры ^ ) по толщине ОК и потоки q( ) с различных сторон ОК, т.е. не требует длительного времени для проведения замеров и, в конечном счете, позволяет внедрять более эффективные энергосберегающие технологии.

Литература

1. ГОСТ 26254-84 Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, М., 1985.

2. ГОСТ 26629-85 Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций, М., 1985.

3. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений, М.: Наука, 1970.

4. Могутов В.А. Обобщение опыта натурных экспериментальных обследований объектов ЖКХ. / отчет НИИСФ РААСН. М., 2005.

5. Пилипенко Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теп-лометрии (ч. 1). // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т.46. №8.

6. Пилипенко Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теп-лометрии (ч. 2). // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т.46. №10.

7. Пилипенко Н.В., Лазуренко Н.В., Лебедев П.В. Параметрическая идентификация нестационарных потоков с помощью тепломеров типа "вспомогательная стенка". // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т.48. №9.

8. ТСН 23-340-2003 Санкт-Петербург «Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Нормативы по энергопотреблению и теплозащите». Санкт-Петербург, 2003.