Способ определения временного интервала при проведении натурных теплофизических исследований наружных стен зданий, выполненных из кирпича, при котором в толще стенового ограждения возникают условия квазистационарного режима теплопередачи Российский патент 2018 года по МПК G01N25/18 

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.

Хорошо известен и широко используется на практике способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче - см. ГОСТ 26254-84. «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций». Введен постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 02 августа 1984 года № 127, УДК 624.01.001.006.354. Описанный здесь способ заключается в измерении плотности теплового потока (q) через контролируемое ограждение и температуры сред около ее поверхностей (Т_н) и (Т_в) в течение не менее 15 суток при достижении в контролируемом ограждении стационарного или близкого ему теплового режима. Достижение данного режима определяется по поведению измеряемой температуры наружной (Т_пн) и внутренней (Т_пв) поверхности ограждения.

Согласно ГОСТ 26254-84 в наружных ограждающих конструкциях стационарный процесс теплопередач и в зависимости от их тепловой инерции устанавливается через 1,5-7,5 суток. Однако на практике при контроле строительных конструкций разница температуры наружного воздуха в ночное и дневное время, например, достигает 10-15 градусов. Это вызывает нестационарные процессы теплопередачи в исследуемых конструкциях и делает метод неприменимым.

Известен способ, которым определяют локальные термические сопротивления обследуемых участков при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент № 2219534, кл. G01N 25/72, от 12.09.02 г.). Согласно известному способу определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение всего временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях исследуемого ограждения.

Необходимо сказать, что определение временного интервала, при котором обеспечиваются условия стационарной теплопередачи, являются главным условием необходимым для определения термического сопротивления исследуемого ограждения. В то же время обеспечение в течение выбранного временного интервала постоянства температуры на внутренних и наружных поверхностях не может являться необходимым и достаточным условием стационарности режима теплопередачи (см. патент на изобретение № 2454659, кл. G01N 25/28 от 02.08.2010 г.) или возникновение температурных экстремумов по толщине стены (рис. 5), что приводит к некорректным значениям определяемого термического сопротивления.

Известен способ, в котором определяют термическое сопротивление при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент РФ № 2316760, кл. 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 определяют термическое сопротивление всех участков.

Известен способ (см. патент РФ № 2383008, кл. G01N 25/18, от 19.12.08 г.), 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.

Известен способ (см. патент РФ № 2262686, кл. G01N 25/72, от 23.04.04 г.), который используется для технической диагностики неоднородных конструкций по термическому сопротивлению.

В известном способе из нестационарного процесса теплопередачи в течение времени (t) определяют интервал времени, в течение которого в исследуемом объекте реализуется квазистационарный процесс. Для этого рассматривают тепловые потоки q_н(t), q_в(t) и определяют моменты времени, в которые величины плотности тепловых потоков на противоположных поверхностях ограждения равны с погрешностью Δq≤Δq_max.

Во всех перечисленных способах из нестационарного процесса теплопередачи в течение времени (Т) определяют интервал времени, в течение которого процесс теплопередачи становится стационарным или с небольшой погрешностью, близкой к стационарному. В то же время не учитываются те процессы, которые происходят в толще стены (возникновение физического эффекта встречных тепловых потоков или возникновение локальных температурных экстремумов, которые могут иметь место в выбранном интервале времени и характеризуемый как стационарный по условиям теплопередачи, что и приводит к некорректным значениям определения термического сопротивления.

Ближайшим техническим решением (прототипом) является способ определения термического сопротивления участка элемента конструкции при нестационарном режиме теплопередачи (см. патент РФ № 2457471, кл. G01N 25/18, от 27.07.2012 г.), используется в области измерительной техники. Сущность заключается в определении условий существования квазистационарного режима теплопередачи и его критерия . Из определенных условий квазистационарного режима для конкретного участка выбирают продолжительность временного интервала измерений τ^min в зависимости от времени тепловой инерционности участка τ_ин и общую продолжительность интервала измерений τ≥τ^min≥3τ_ин. Определяют предельную величину критерия квазистационарности , произвольно выделяют временные промежутки τ_i и из множества значений (τ_i) выделяют те временные промежутки τ_ij, где критерий квазистационарности меньше . Эти временные промежутки τ_ij и будут близки к стационарным. При этом сложный для диагностики и обсчета нестационарный режим исключается и известный стационарный способ находит свое применение при определении термического сопротивления участка конструкции.

Общие признаки прототипа и заявленного способа состоят в том, что определяют временной интервал измерений, необходимый и достаточный для обеспечения требуемого уровня достоверности результата. В течение этого временного интервала непрерывно регистрируют на поверхностях исследуемого участка мгновенные значения температур и плотности тепловых потоков, из полученных значений определяют термическое сопротивление участка.

Недостатком прототипа является то, что в изобретении определенный интервал времени, в течение которого процесс теплопередачи определяется условиями существования квазистационарного режима теплопередачи, в то же время не учитываются при выборе временного интервала с квазистационарными условиями существования процессов, которые происходят в толще стены (возникновение эффекта встречных тепловых потоков, возникновение локальных температурных экстремумов), которые могут привести к некорректным значениям определения термического сопротивления.

Техническим результатом является определение при проведении натурных теплофизических исследований натурных наружных стен зданий, выполненных из кирпича, временного интервала, при котором в толще наружной стены возникают квазистационарные условия теплопередачи.

Технический результат достигается тем, что в качестве контролируемых величин принимаются: температура и влажность наружного и внутреннего воздуха; температура наружной и внутренней поверхностей наружной стены; температура и влажность в 5 точках, расположенных на равных расстояниях в толще стены; величина теплового потока, проходящего через толщу стены, данные по указанным величинам через адаптеры поступают в центр управления, а затем на ПК с интервалом измерений - 1 мин (рис. 1).

На рис. 1 показана схема лабораторной установки для определения фактического сопротивления теплопередаче; на рис. 2 - график распределения температур на поверхности и в толще стенового ограждения (01.11.14-25.04.15 г.); на рис. 3 - распределение значений относительной влажности по сечениям толщи стенового ограждения; на рис. 4 - возможное фактическое и теоретическое распределение температуры в толще стены; на рис. 5 - распределение температуры в толще стенового ограждения по времени с выделением временных промежутков со стационарным режимом теплопередачи.

На рисунке 1 показана принципиальная схема установки: 1-5 - датчики температуры и влажности материала, расположенные в толще ограждающей конструкции через 110 мм; 6 - датчик температуры и влажности воздуха в помещении; 7 - датчик температуры и влажности наружного воздуха; 8 - датчик температуры внутренней поверхности; 9 - датчик температуры наружной поверхности; 10 - датчик теплового потока; 11 - адаптеры; 12 - центр управления (теплограф).

Данные, получаемые с экспериментальной установки, отслеживают изменения температуры и влажности снаружи, на поверхности и в толще стенового ограждения (Рис. 2, Рис. 3).

Выбираем для рассмотрения интервалы с постоянной температурой, тепловой поток будет постоянным, если разность t_в-t_н=const, но это не может быть достаточным условием стационарности режима теплопередачи (см. патент № 2454659, кл. G01N 25/58 от 02.08.2010 г.).

Для исключения временных интервалов с непостоянным тепловым потоком необходимо оставить лишь те интервалы, где распределение температур в толще стенового ограждения будет по прямой (рис. 4).

Среди всего периода измерений количество временных промежутков, удовлетворяющих этому требованию, будет мало или не будет совсем, введем коэффициент Δt:

,

где t_{ф i} - фактическое значение температуры в i-ом слое, °С,

t_{т i} - теоретическое значение температуры в i-ом слое, °С, т.е. при линейном распределении температуры в толще стены.

Распределение температур будем считать линейным, если Δt≤Δt_треб, где Δt_треб - допустимая погрешность получения результатов измерения, возможен случай (рис. 4), когда локальные экстремумы будут располагаться не в точках контроля, а между ними, т.е. условие Δt≤Δt_треб будет выполняться, но распределение температур не будет линейным с заданной допустимой погрешностью Δt_треб.

Для нахождения длительности периода, в котором температура в толще стенового ограждения будет распределяться с заданной погрешностью Δt_треб по прямой, определяем время прохождения локального экстремума температуры от наружной поверхности до i-ой измеряемой плоскости, сумма этих временных интервалов t_v будет временем прохождения локального экстремума до внутренней поверхности стены.

Выделяем промежутки времени t_стац, в период которых амплитуда колебаний температуры наружного воздуха не более 2°С и длительность которых не менее времени тепловой инерции стены (рис. 5).

Находим время прохождения t_ν ближайшего локального экстремума температур от наружной до внутренней поверхности стены (рис. 5).

Исключаем из начала выделенного промежутка t_стац период времени, равный t_ν. Дальнейшие операции проводим с оставшимся промежутком t_{стац 1}. В случае если t_ν>t_стац, данный интервал исключается из рассмотрения.

Задаемся допустимой погрешностью Δt_треб.

Проверяем условие Δt≤Δt_треб для каждого результата измерения. Если условие не выполняется, данный результат исключается из временного интервала t_{стац 1}. Если доля исключенных результатов превышает значение Δt_треб, данный интервал t_{стац 1} не подходит для определения сопротивления теплопередаче, рассматривается следующий интервал.

Рассмотрим промежуток времени с 18 по 21 декабря 2014 года. Как видно из рисунка 19, промежуток времени с 18:00 18 декабря по 2:00 20 декабря длительностью 32 часа удовлетворяет условию 1 алгоритма, т.е. больше 24 часов, и амплитуда колебаний температуры не превышает 2°С. Принимаем этот промежуток за t_стац (для стен из силикатного кирпича время тепловой инерции 24 часа).

Величина ближайшего локального экстремума температуры наружного воздуха составляет -1°С. Из рисунка 19 величина t_v составляет 13 часов.

Исключаем из периода t_стац с 18:00 18 декабря по 2:00 20 декабря промежуток времени t_v длительностью 13 часов. Оставшийся промежуток времени с 7:00 19 декабря по 2:00 20 декабря принимаем за t_{стац 1}. Длительность промежутка 32-13=19 часов.

Использование в строительстве для оценки теплозащитных свойств по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях. Сущность способа определения временного интервала при проведении натурных теплофизических исследований наружных стен зданий, выполненных из кирпича, при котором в толще стенового ограждения возникают условия квазистационарного режима теплопередачи, включает измерение температуры наружного и внутреннего воздуха, температуры внутренней и наружной поверхности стены, температуры в 5 точках путем размещения датчиков на равных расстояниях в толще стены. По результатам измерений строится график, на котором выделяются промежутки времени t_стац, в период которых амплитуда колебаний температуры наружного воздуха не более 2°С и длительность которых не менее времени тепловой инерции стены. Находится время прохождения t_ν ближайшего локального экстремума температур от наружной до внутренней поверхности стены. Исключается из начала выделенного промежутка t_стац период времени, равный t_ν. Дальнейшие операции проводятся с оставшимся промежутком t_{стац 1}. В случае, если t_ν>t_стац, данный интервал исключается из рассмотрения. Задаемся допустимой погрешностью Δt_треб. Проверяется условие Δt≤Δt_треб для каждого результата измерения. Если условие не выполняется, данный результат исключается из временного интервала t_{стац 1}. Если доля исключенных результатов превышает значение Δt_треб, данный интервал t_{стац 1} не подходит для определения сопротивления теплопередаче, рассматривается следующий интервал. Технический результат - расширение диапазона определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций. 5 ил.

Способ определения временного интервала при проведении натурных теплофизических исследований наружных стен зданий, выполненных из кирпича, при котором в толще стенового ограждения возникают условия квазистационарного режима теплопередачи, заключающийся в том, что для исследуемого участка элемента наружной стены по показаниям датчиков строим график распределения температуры в толще стены; определяем временной интервал измерений, обеспечивающий квазистационарные условия теплопередачи; на выбранном временном интервале выделяем промежутки времени t_стац, в период которых амплитуда колебаний температуры наружного воздуха не более 2°C и длительность которых не менее времени тепловой инерции; находим время прохождения t_v ближайшего локального экстремума температур от наружной до внутренней поверхности; исключаем из выделенного промежутка t_стац период времени t_v и дальнейшие вычисления проводим с оставшимся промежутком t_{стац 1}, в случае если t_v>t_стац, то данный интервал исключается из рассмотрения и рассматривается следующий временной интервал.