СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/58 

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик изделий и может быть использовано в строительстве для оценки теплозащитных свойств (например, термического сопротивления R_t, приведенного сопротивления теплопередаче R_o ^пр) находящихся в условиях нестационарной теплопередачи ограждающих конструкций (ОК) (или их элементов) как наземных и подземных зданий и сооружений различного назначения, эксплуатируемых или сдаваемых в эксплуатацию после окончания строительства или реконструкции, так и подводных сооружений по результатам испытаний в натурных условиях.

Известен способ определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций наземных зданий и сооружений по результатам испытаний в натурных условиях [1], заключающийся в создании в ОК условий стационарной теплопередачи, измерении температур их внутренней и наружной поверхностей, внутреннего и наружного воздуха, а также плотности теплового потока через ОК с последующим расчетом на основе полученных экспериментальных данных величин, характеризующих теплозащитные свойства ОК. Недостатком способа является невозможность его использования в условиях нестационарной теплопередачи, а также его применимость только для оценки теплозащитных свойств наружных ОК наземных зданий и сооружений без теплопроводных включений.

Известен также способ определения приведенного коэффициента теплопередачи наружных ОК наземных зданий и сооружений по результатам испытаний в натурных условиях [2], являющийся наиболее близким аналогом предлагаемому способу, суть которого аналогична способу, описанному в [1], за исключением определения плотности теплового потока, который усредняют по поверхности ОК с учетом участков с теплопроводными включениями.

Недостатком указанного способа является невозможность его использования в условиях нестационарной теплопередачи, а также его применимость только для оценки теплозащитных свойств наружных ОК наземных объектов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности оценки теплозащитных свойств ограждающих конструкций при изменяющихся условиях наружной среды.

Решение задачи предлагается на основе моделирования нестационарных теплофизических процессов в ограждающих конструкциях в течение требуемого нормативными документами периода до момента начала испытаний с использованием уравнения (1) теплопередачи через многослойные наружные ограждающие конструкции и данных независимого мониторинга параметров состояния наружной окружающей среды за указанный период для приближения расчетного профиля температур в ОК к реальному:

где с_i - удельная теплоемкость i-го слоя ограждения, кДж/кг К;

γ_i -плотность i-го слоя материала ограждения, кг/м³;

λ_i - коэффициент теплопроводности i-го слоя материала ограждения, Вт/м К;

t_i - температура i-го слоя ограждения, t_i=t(z,х), °С;

х - координата, м;

z - время, ч;

i=1...............n.

Решение уравнения (1) предполагается известными, например, конечно-разностными методами при начальных условиях

где х∈0÷L; L - толщина конструкции, м.

Граничные условия при этом задают в зависимости от направления теплового потока Q через ОК (профиля температур в ОК):

1) при направлении Q от внутренней поверхности ОК к наружной:

а) для условий t_в>t_н при t_в=const, t_н=t_н(z) (конвективный нагрев внутренней поверхности ОК от внутренней среды),

где t_в - температура внутренней среды; t_н - температура наружной среды,

где α_н - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности ограждения к наружной среде, Вт/м²К;

τ_н - температура наружной поверхности ограждения, К;

α_в - коэффициент теплоотдачи от внутренней среды к внутренней поверхности ограждения, Вт/м²К;

τ_в - температура внутренней поверхности ограждения, К;

б) для условий t_в≈t_н, при t_в=const (для создания локального температурного напора на ОК Δτ=(τ_н-τ_в) используется конвективный или радиационный нагрев внутренней поверхности ОК от постороннего источника):

где q′ - плотность теплового потока, Вт/м²К, от источника нагрева;

2) при направлении Q от наружной поверхности ОК к внутренней:

а) для условий t_в<t_н при t_в=const (конвективное охлаждение внутренней поверхности ОК внутренней средой):

б) для условий τ_н>>t_н; t_в<t_н при t_в=const (радиационный нагрев наружной поверхности ОК от постороннего источника - солнца, источника инфракрасного излучения и т.п.):

где - эквивалентная температура наружной среды, К;

S - интенсивность излучения, действующего на ограждение, Вт/м²;

ρ - коэффициент поглощения излучения от источника излучения наружной поверхностью ограждения.

Схема процесса теплопередачи для варианта 1a (t_в>t_н при t_в=const, t_н=t_н(z)) представлена на чертеже.

Оценку теплового состояния наружных ограждающих конструкций в начальный момент проведения измерений их теплотехнических параметров в натурных условиях осуществляют расчетным методом с использованием экспериментальных данных о следующих параметрах в суточном цикле:

- значениях температуры наружной и внутренней поверхностей ОК, τ_н, τ_в, К;

- значениях температуры наружного и внутреннего воздуха, t_н, t_в, K.

В качестве расчетных характеристик материалов наружных ограждающих конструкций в первом приближении принимают данные Приложения «Д» «Свода правил по проектированию и строительству» СП 23-101-2004.

Новым в заявляемом изобретении является определение интенсивности излучения, действующего на наружную поверхность ограждения, для расчета величины эквивалентной температуры наружной среды либо замер плотности теплового потока, действующего на внутреннюю поверхность ОК от источника радиационного нагрева, математическое моделирование процесса нестационарной теплопередачи через многослойные наружные ограждающие конструкции при начальных и граничных условиях с учетом характера теплообмена между внутренней и наружной средами и соответствующими поверхностями ограждающих конструкций с использованием эквивалентной температуры наружной среды либо плотности теплового потока от источника радиационного нагрева для формирования граничных условий и расчет по экспериментальным данным и результатам моделирования величин, характеризующих теплозащитные свойства ОК. Причем эквивалентную температуру наружной среды в граничные условия вводят в случае радиационного нагрева наружной поверхности и конвективного охлаждения внутренней поверхности при направлении теплового потока от наружной поверхности к внутренней, а плотность теплового потока от источника радиационного нагрева - при конвективном охлаждении наружной поверхности и радиационном нагреве внутренней поверхности при направлении теплового потока от внутренней поверхности к наружной.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена следующим образом.

Создают нормативный перепад температур на ОК путем нагрева (за счет конвекции от отопительных приборов работающей системы отопления или источника радиационного нагрева при неработающей системе отопления и направлении теплового потока через ОК от внутренней поверхности к наружной) или охлаждения (при работающем в помещении кондиционере и направлении теплового потока от наружной поверхности к внутренней) ее внутренней поверхности и оценивают тепловое состояние ОК (профиль температур) в начальный момент проведения измерений, для чего контактными и/или бесконтактными методами определяют значения температур их наружной и внутренней поверхностей - τ_н, τ_в, К и наружной и внутренней сред - t_н, t_в, К, а также контактным методом - среднюю плотность теплового потока через OK q=Q/FΔτ (где Q - тепловой поток через ОК, Вт; F - площадь поверхности ОК, м²; Δτ - перепад температур на ОК, К). С использованием полученных экспериментальных данных определяют текущий профиль температур в ОК. Используя данные мониторинга параметров состояния наружной окружающей среды за нормативный период, решают уравнение теплопередачи через плоскую стенку известными методами при граничных условиях, определяемых направлением теплового потока через ОК, и способом нагрева (охлаждения) ее внутренней и наружной поверхностей для приведения текущего профиля температур в соответствие с «температурной» историей здания или сооружения. При конвективном охлаждении наружной поверхности и конвективном нагреве внутренней поверхности ОК в качестве граничных условий используют уравнения (3), (4); при конвективном нагреве наружной поверхности и конвективном охлаждении внутренней поверхности - уравнения (7), (8); при конвективном охлаждении наружной поверхности и радиационном нагреве внутренней поверхности - уравнения (5), (6). При радиационном нагреве наружной поверхности ОК и конвективном охлаждении ее внутренней поверхности в качестве граничных условий используют уравнения (9), (10). Для формирования граничного условия по уравнению (6) дополнительно определяют контактным методом плотность теплового потока от источника радиационного нагрева q′, Вт/м²К, а по уравнению (10) - интенсивность излучения, действующего на ограждение, S, Вт/м², с использованием которой определяют эквивалентную температуру наружной среды, .

С использованием частного решения дифференциального уравнения теплопередачи определяют требуемые теплотехнические характеристики ОК и сравнивают их с нормативными. По результатам сравнения делают вывод о соответствии теплозащитных свойств ОК требованиям нормативов.

Подтверждением достижения решения поставленной задачи является следующее:

применение предлагаемого способа позволяет обеспечить оценку теплозащитных свойств наружных ОК наземных, подземных и подводных зданий и сооружений в условиях нестационарой теплопередачи при различных направлениях теплового потока через ограждения и при различных теплофизических характеристиках сред, разделяемых ОК.

Вышеуказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».

Библиография

1. ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций».

2. ГОСТ 31166-2003 «Конструкции ограждающие зданий и сооружений. Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи».

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик изделий. В способе для учета направления теплового потока через наружную ограждающую конструкцию (ОК) и нестационарности теплопередачи в ней в течение требуемого нормативного периода до момента начала испытаний осуществляют моделирование процесса нестационарной теплопередачи с использованием уравнения теплопередачи через многослойные ОК при начальных и граничных условиях, приведенных в соответствие направлению теплового потока, с использованием данных независимого мониторинга параметров наружной окружающей среды. Технический результат - изобретение позволяет осуществить оценку теплозащитных свойств наружных ОК наземных, подземных и подводных зданий и сооружений при различных направлениях теплового потока через них в условиях нестационарой теплопередачи при различных теплофизических характеристиках сред, разделяемых ОК, сократить затраты времени на проведение такой оценки. 1 ил.

Способ оценки теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений в условиях нестационарной теплопередачи по результатам испытаний в натурных условиях, включающий создание нормативного перепада температур между их внутренней и наружной поверхностями, измерения температур внутренней и наружной поверхностей конструкций контактным или бесконтактным методом, температур внутренней и наружной сред контактным методом и определение плотности теплового потока через наружные ограждающие конструкции контактным методом с усреднением его величины по всей поверхности с последующим расчетом по экспериментальным данным величин, характеризующих теплозащитные свойства, и их сравнение с нормативными значениями, отличающийся тем, что определяют эквивалентную температуру наружной среды с учетом величины интенсивности излучения, действующего на ограждение, либо плотность теплового потока от источника радиационного нагрева и при расчете по экспериментальным данным величин, характеризующих теплозащитные свойства, моделируют процесс нестационарной теплопередачи с использованием уравнения теплопередачи через многослойные наружные ограждающие конструкции при начальных и граничных условиях, при этом учитывают характер теплообмена между внутренней и наружной средами и соответствующими поверхностями ограждающих конструкций и при конвективном охлаждении наружной поверхности и радиационном нагреве внутренней поверхности при направлении теплового потока от внутренней поверхности к наружной в граничные условия вводят плотность теплового потока от источника радиационного нагрева, а при радиационном нагреве наружной поверхности и конвективном охлаждении внутренней поверхности при направлении теплового потока от наружной поверхности к внутренней в граничные условия вводят эквивалентную температуру наружной среды.