Способ определения изменений действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях Российский патент 2023 года по МПК G01N25/56 

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.

Известен способ определения теплофизических характеристик поверхностным преобразователем используя межгосударственный стандарт «Материалы и изделия строительные» ГОСТ 30290-94 разработан НИИСФ Российской Федерации.

Недостатком способа является то, что возникает необходимость лабораторных исследований, отбор образцов и их теплостатирования.

Известен способ определения термического сопротивления ограждающей конструкции зданий и сооружений по ГОСТ 26254-84.

Недостатком предлагаемой методики натурных испытаний является то, что не измеряется скорость изменения температуры в толще ограждения.

Известен способ определения теплотехнических характеристик стенового ограждения при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях, описанных в патентах на полезную модель РФ № 94709 «Устройство для определения теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений по температуропроводности в натурных условиях» / Муреев П. Н. и др./. Опубликовано 27.05.2010 г. Бюллетень № 15; патенте на полезную модель № 124395 «Устройство для определения теплофизических качеств теплоограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных условиях» / Муреев П. Н. и др. /. Опубликовано 20.01.2013г. Бюллетень №2; патенте на полезную модель № 135420 «Лабораторная установка для определения теплотехнических характеристик образцов стеновых ограждений при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях» / Муреев П. Н. и др. /. Опубликовано 10.12.2013.; патенте на изобретение РФ № 2454659 «Способ оценки теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, выполненных из кирпича в зимний период по результатам испытаний в натурных условиях» / Муреев П. Н. и др. /. Опубликовано 27.06.2012г. Бюллетень №18.

Лабораторный комплекс для определения теплотехнических характеристик образцов стеновых ограждений при длительных режимах испытаний год и более в натурных условиях, включающий образцы исследуемых моделей, выполненных размером 1 х 1 м, установленных в ячейках, оборудованных в ограждающих конструкциях с возможностью их замены, в каждом образце размещены термопары, расположенные по всей толщине, тепломер, закрепленный на внутренней поверхности, концы проводов от тепломера и теплопар подсоединены к устройству контроля температуры и через адаптер с помощью разработанной программы соединены с ПК с выходом в Интернет, отличающийся тем, что с наружной стороны исследуемого образца установлена метеостанция DAVIS instruments Vantage Pro 2, включающая датчики внутренней и наружной температур, датчики относительной влажности воздуха внутри и снаружи, датчики атмосферного давления, датчик осадков, анемометр, датчик солнечной радиации, датчик ультрафиолетового излучения, метеостанция через кабель соединения с консолью Vantage Pro 2, обеспечивающей сохранение показаний всех датчиков и передачу их с помощью специальной программы в ПК для совместной обработки всех данных.

Недостатком предлагаемых методик является то, что в них не решается задача определения изменений сопротивления паропроницанию, коэффициента паропроницаемости и изменение действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях.

Известен способ прогнозирования защиты от переувлажнения многослойной стены здания, заключающийся в том, что измеряют температуру стены и влажность стены с помощью сенсоров с передачей результатов измерения на дисплей (см. патент CN № 105678971, кл. G08D 21/20, опубл. 15.06.2016).

Данный способ позволяет проводить мониторинг состояния стены путем измерения температуры стены и температуры влажности воздуха. Однако способ не позволяет определить распределение влажности по толщине стены, что не позволяет проводить прогнозирование защиты от переувлажнения многослойной стены здания и, как результат, возможность дальнейшего использования здания с данными стенами.

Известен нестационарный способ последовательного увлажнения [Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. - НИИСФ Госстроя СССР, - М., Стройиздат, 1984.], заключающийся в том, что проводят эксперименты на паропроницаемость, статическую влагопроводность и сорбцию, строят графики зависимости температуры и относительной влажности воздуха от времени в течении года, затем оценивают количество влаги в стене с помощью численного метода. Однако данный способ не решает задачи определения изменений сопротивления паропроницанию, коэффициента паропроницаемости и действительной упругости водяных паров по толщине наружного ограждения при проведении испытаний в любой момент времени.

Известен стационарный способ защиты от переувлажнения, изложенный в СП «Тепловая защита зданий» [СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»], заключающийся в том, что проводят эксперименты на паропроницание и теплопроводность, определяют среднемесячную температуру и относительную влажность наружного воздуха для периода с отрицательной среднемесячной температурой, затем в предположении стационарного распределения реальной температуры и температуры максимального увлажнения в стене вычисляют баланс влагопереноса в стене. Однако данный способ не учитывает нестационарные тепловые и влажностные климатические воздействия на стену в зависимости от времени.

Известен способ определения расположения плоскости максимального увлажнения стены для прогнозирования защиты от переувлажнения многослойной стены здания, заключающийся в том, что измеряют температуру наружной поверхности стены, температуру внутренней поверхности стены и температуру между слоями материалов, образующих стену и дополнительно измеряют среднюю температуру наружного воздуха для периода с отрицательной среднемесячной температурой и температуру внутри помещения, затем путем построения графика вычисляют положение плоскости максимального увлажнения в стене. Однако способ позволяет определить только место максимального влагонакопления в предположении стационарного климатического воздействия на стену и не позволяет оценить количество влаги, находящейся в стене в любой момент времени года с учетом нестационарной зависимости изменения количества влаги в стене по времени (см. патент RU 2628530 С2, кл. G01В 25/26, опубл. 18.08.2017).

Известен способ определения влажностного режима стены здания, заключающийся в том, что измеряют температуру наружной поверхности стены, температуру внутренней поверхности стены, среднюю температуру наружного воздуха для каждого месяца и температуру внутри помещения, измеряют относительную влажность внутри помещения, среднюю относительную влажность наружного воздуха для каждого месяца, после этого строят график зависимости относительной влажности наружного воздуха от времени года с разбивкой до одного дня с учетом непрерывно изменяющихся климатических воздействий, а также график зависимости температуры наружного воздуха от времени года с разбивкой до одного дня с учетом квазистационарного помесячного изменения температуры, проводят замеры паропроницаемости, статической влагопроводности и сорбции строительного материала стены, на основании которых строят шкалу потенциала влажности, затем строят зависимость отношения эквивалентного дополнительного давления, обусловленного влагопроводностью строительного материала, к максимальной упругости водяного пара при данной температуре ( см. патент RU 2674659 С1 опубл. 12.12.2018). Однако данный способ не может в данный момент времени проведения натурных теплофизических исследований наружной стены здания, показать изменения действительной упругости водяных паров (e) по толщине наружного ограждения.

Наиболее близким прототипом, предложенным для решения поставленной задачи определения изменений действительной упругости водяных паров (e) по толщине наружного ограждения в данный момент времени проведения натурных теплофизических исследований может служить метод изложенный в патенте на изобретение № 2791814 опубл. 13.03.2023 Бюллетень № 8.

Способ заключается в определении изменений сопротивления паропроницанию и коэффициента паропроницаемости по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях, включающий измерение температур на внутренней и наружной поверхности, а также по всей толщине конструкции путем размещения датчиков в толще ограждения, получения информации с установленной за исследуемой наружной стеной метеостанция DAVIS instruments Vantage Pro 2. Она включает в себя: датчики внутренней и наружной температуры, датчики относительной влажности воздуха внутри и снаружи, датчики атмосферного давления, датчик осадков, анемометр, датчик солнечной радиации, датчик ультрафиолетового излучения, поступающая информация с которых направляется в банк данных компьютера, где проходит обработку и систематизацию в виде графиков (фиг. 1), с использованием которых на поперечном разрезе (фиг. 2) исследуемого наружного ограждения, построенного в выбранном масштабе и предварительно разбитом на слои в местах размещения датчиков, строится график распределения температур по слоям, согласно изобретению, для построения графика распределения температур по слоям в произвольном масштабе изображается толщина стенки исследуемого образца, разбитая на слои в местах установления термопар, параллельно поверхности стенки проводится вертикальная шкала температур, с которой на выделенные слои переносятся точки соответствующих температур, взятых из графика, полученного из банка данных компьютера, вычисляют значения максимально возможной упругости водяных паров Е (Па) по известным температурам τ полученных с датчиков размещенных в толще исследуемого ограждения и построенных графиков распределения температур по слоям.

На поперечном разрезе (фиг. 2) исследуемого наружного ограждения, как и для построения графика температур, параллельно поверхности стенки проводится в масштабе вертикальная шкала упругости водяных паров Е (Па). Затем на поперечном разрезе исследуемой наружной стены, разбитой по слоям, как и график температур строится график упругости водяных паров Е по сечению, значения упругости водяного пара Е для каждой температуры по сечению получаем из таблицы, каждому значению температуры соответствует максимальная величина упругости водяного пара Е, и является табличным значением. Параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка исследуемого образца строится в масштабе сопротивления паропроницанию, в случае многослойной исследуемой конструкцией наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного сопротивления паропроницанию, далее переносим точки графика Е (Па) с наружной и внутренней поверхности с первого разреза на второй разрез и соединяем прямой линией, переносим остальные точки первого разреза на наклонный график в виде прямой линии на втором разрезе и проектируем точки вниз на горизонтальную линию, полученные отрезки на горизонтальной линии численно выражают значения сопротивлений паропроницанию слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения сопротивлений паропроницанию.

По формуле определяем значения коэффициента паропроницаемости μ

где μ - коэффициент паропроницаемости, м² / (м⋅ч⋅Па);

δ - толщина слоя стены, м;

- сопротивление паропроницанию стены, (м²⋅ч⋅Па)/мг;

Определяется значение коэффициента паропроницаемости каждого слоя.

Недостатком прототипа является тот факт, что предложенный в прототипе способ не решает задачи определения изменений действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения при проведении теплофизических исследований в натурных условиях.

Технический результат состоит в разработке графического способа, позволяющего обеспечить решения задачи определения изменений действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения при проведении теплофизических исследований в натурных условиях.

Технический результат достигается тем, что способ определения действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях состоит в разработке графического способа определения изменений действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях, включающий измерение температур на внутренней и наружной поверхности, а также по всей толщине конструкции путем размещения датчиков в толще ограждения, получения информации с установленной за исследуемой наружной стеной метеостанции DAVIS instruments Vantage Pro 2. включает в себя: датчики внутренней и наружной температуры, датчики относительной влажности воздуха внутри и снаружи, датчики атмосферного давления, датчик осадков, анемометр, датчик солнечной радиации, датчик ультрафиолетового излучения, поступающая информация с которых направляется в банк данных компьютера, где проходит обработку и систематизацию в виде графиков, с использованием которых на поперечном разрезе исследуемого наружного ограждения, построенного в выбранном масштабе и предварительно разбитом на слои в местах размещения датчиков, строится график распределения температур по слоям, согласно изобретения, для построения графика распределения температур по слоям в произвольном масштабе изображается толщина стенки исследуемого образца, разбитая на слои в местах установления термопар, параллельно поверхности стенки проводится вертикальная шкала температур, с которой на выделенные слои переносятся точки соответствующих температур, взятых из графика, полученного из банка данных компьютера, вычисляются значения максимально возможной упругости водяных паров Е (Па) по известным температурам τ, полученных с датчиков, размещенных в толще исследуемого ограждения и построенных графиков распределения температур по слоям; на поперечном разрезе исследуемого наружного ограждения, как и для построения графика температур, параллельно поверхности стенки проводится в масштабе вертикальная шкала упругости водяных паров Е (Па); затем на поперечном разрезе исследуемой наружной стены, разбитой по слоям, как и график температур, строится график упругости водяных паров Е по сечению, значения упругости водяного пара Е для каждой температуры по сечению берутся из таблицы, каждому значению температуры соответствует максимальная величина упругости водяного пара Е, и является табличным значением; параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка исследуемого образца строится в масштабе сопротивления паропроницанию, в случае многослойной исследуемой конструкцией наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного сопротивления паропроницанию, далее переносятся точки графика Е (Па) с наружной и внутренней поверхности с первого разреза на второй разрез и соединяются прямой линией, переносятся остальные точки первого разреза на наклонный график в виде прямой линии на втором разрезе и проектируются точки вниз на горизонтальную линию, полученные отрезки на горизонтальной линии численно выражают значения сопротивлений паропроницанию слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения сопротивлений паропроницанию; по формуле определяются значения коэффициента паропроницаемости μ

где μ - коэффициент паропроницаемости, м² / (м⋅ч⋅Па);

δ - толщина слоя стены, м;

R - сопротивление паропроницанию стены, (м²⋅ч⋅Па)/м²;

определяется значение коэффициента паропроницаемости каждого слоя; используя термодинамическую аналогию, по которой распределение температуры определяют аналитический методом, как распределяется температура на границе каждого слоя в толще ограждения , °С, при температуре наружного воздуха , равной средней температуре наиболее холодной пятидневки :

,

где суммарное термическое сопротивление теплопередаче, начиная от внутреннего воздуха до данного сечения в толще ограждения, ;

расчетная температура внутреннего воздуха, °С принимаемая по нормам проектирования соответствующих зданий;

расчетная зимняя температура, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92;

коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

общее сопротивление теплопередачи .;

по аналогии значения действительной упругости водяных паров на границах отдельных слоев определим по формуле:

,

где суммарное сопротивление паропроницанию слоев ограждений, считая от внутреннего воздуха до i-го сечения, включая сопротивление влагообмену у внутренней поверхности;

общее сопротивление паропроницанию всей конструкции ограждения, ;

значения действительной упругости водяных паров соответственно в наружном и внутреннем воздухе, Па;

общее сопротивление паропроницанию всей окружающей конструкции ,, вычисляют по формуле:

,

где ; сопротивление паропроницанию соответственно внутренней и наружной поверхностей, ;

значения сопротивлений паропроницанию отдельных слоев ограждения, , определяемые по формуле:

,

где толщина отдельного слоя ограждающей конструкции, м;

расчетный коэффициент паропроницаемости материала слоя ограждения, , то действительная упругость водяных паров в помещении и в наружном воздухе , Па, определяется как:

;

;

где относительная влажность внутреннего и наружного воздуха определяемая с лабораторной установкой в момент проведения испытаний;

максимально возможная упругость водяных паров, табличные значения при температурах внутреннего и наружного воздуха полученных с лабораторной установки в момент проведения испытания;

разбивается исследуемая конструкция наружного ограждения на отдельные слои, нумерация слоев считается от внутренней поверхности ограждения и рассчитывается действительное значение упругости водяных паров на границах отдельных слоев;

на поверхности 1

;

на поверхности 2

;

на поверхности 3

;

на поверхности 4

;

на поверхности 5

;

на поверхности 6

;

по полученным значениям строится график изменения действительной упругости водяных паров по толщине наружного ограждения в момент испытаний (фиг. 3).

Значение расчетной температуры внутреннего воздуха ( принимается по нормам проектирования соответствующих зданий ГОСТ 12.1.005-88.

Использование: для определения действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение температур на внутренней и наружной поверхности, а также по всей толщине конструкции путем размещения датчиков в толще ограждения, строят график распределения температур по слоям, на основании которого строится график упругости водяных паров Е по сечению стенового ограждения, затем с использованием полученных графиков определяются значения сопротивлений паропроницанию слоев ограждения, после чего на основании полученных данных с учетом толщины отдельного слоя ограждающей конструкции и измеренной относительной влажности внутреннего и наружного воздуха, а также ряда других параметров строят график изменения действительной упругости водяных паров по толщине наружного ограждения в момент испытаний. 3 ил.

Способ определения действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях состоит в разработке графического способа определения изменений действительной упругости водяных паров по толщине наружного стенового ограждения по результатам теплофизических испытаний в натурных условиях, включающий измерение температур на внутренней и наружной поверхности, а также по всей толщине конструкции путем размещения датчиков в толще ограждения, получения информации с установленной за исследуемой наружной стеной метеостанции DAVIS instruments Vantage Pro 2. включает в себя: датчики внутренней и наружной температуры, датчики относительной влажности воздуха внутри и снаружи, датчики атмосферного давления, датчик осадков, анемометр, датчик солнечной радиации, датчик ультрафиолетового излучения, поступающая информация с которых направляется в банк данных компьютера, где проходит обработку и систематизацию в виде графиков, с использованием которых на поперечном разрезе исследуемого наружного ограждения, построенном в выбранном масштабе и предварительно разбитом на слои в местах размещения датчиков, строится график распределения температур по слоям, отличающийся тем, что для построения графика распределения температур по слоям в произвольном масштабе изображается толщина стенки исследуемого образца, разбитая на слои в местах установления термопар, параллельно поверхности стенки проводится вертикальная шкала температур, с которой на выделенные слои переносятся точки соответствующих температур, взятых из графика, полученного из банка данных компьютера, вычисляются значения максимально возможной упругости водяных паров Е (Па) по известным температурам τ, полученным с датчиков, размещенных в толще исследуемого ограждения, и построенным графикам распределения температур по слоям; на поперечном разрезе исследуемого наружного ограждения, как и для построения графика температур, параллельно поверхности стенки проводится в масштабе вертикальная шкала упругости водяных паров Е (Па); затем на поперечном разрезе исследуемой наружной стены, разбитом по слоям, как и график температур, строится график упругости водяных паров Е по сечению, значения упругости водяного пара Е для каждой температуры по сечению берутся из таблицы, каждому значению температуры соответствует максимальная величина упругости водяного пара Е, которая является табличным значением; параллельно с первым разрезом строится второй разрез, где эта же стенка исследуемого образца строится в масштабе сопротивления паропроницанию, в случае многослойной исследуемой конструкции наружного ограждения, выполненной из различных материалов, в масштабе приведенного сопротивления паропроницанию, далее переносятся точки графика Е (Па) с наружной и внутренней поверхности с первого разреза на второй разрез и соединяются прямой линией, переносятся остальные точки первого разреза на наклонный график в виде прямой линии на втором разрезе и проектируются точки вниз на горизонтальную линию, полученные отрезки на горизонтальной линии численно выражают значения сопротивлений паропроницанию слоев ограждения, зная толщину слоя и полученные значения сопротивлений паропроницанию, по формуле определяются значения коэффициента паропроницаемости μ

,

где μ - коэффициент паропроницаемости, м²/(м⋅ч⋅Па);

δ - толщина слоя стены, м;

R - сопротивление паропроницанию стены, (м²⋅ч⋅Па)/м²;

определяется значение коэффициента паропроницаемости каждого слоя; используя термодинамическую аналогию, по которой распределение температуры, определяют аналитический методом, как распределяется температура на границе каждого слоя в толще ограждения , °С, при температуре наружного воздуха , равной средней температуре наиболее холодной пятидневки :

,

где суммарное термическое сопротивление теплопередаче, начиная от внутреннего воздуха до данного сечения в толще ограждения, ;

расчетная температура внутреннего воздуха, °С, принимаемая по нормам проектирования соответствующих зданий;

расчетная зимняя температура, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92;

коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

общее сопротивление теплопередачи ;

по аналогии значения действительной упругости водяных паров на границах отдельных слоев определим по формуле

,

где суммарное сопротивление паропроницанию слоев ограждений, считая от внутреннего воздуха до i-го сечения, включая сопротивление влагообмену у внутренней поверхности;

общее сопротивление паропроницанию всей конструкции ограждения, ;

значения действительной упругости водяных паров соответственно в наружном и внутреннем воздухе, Па;

общее сопротивление паропроницанию всей окружающей конструкции , , вычисляют по формуле

,

где ; сопротивление паропроницанию соответственно внутренней и наружной поверхностей, ;

значения сопротивлений паропроницанию отдельных слоев ограждения, , определяемые по формуле

,

где толщина отдельного слоя ограждающей конструкции, м;

расчетный коэффициент паропроницаемости материала слоя ограждения, , то действительная упругость водяных паров в помещении и в наружном воздухе , Па, определяется как:

;

;

где относительная влажность внутреннего и наружного воздуха, определяемая с лабораторной установкой в момент проведения испытаний;

максимально возможная упругость водяных паров, табличные значения при температурах внутреннего и наружного воздуха, полученных с лабораторной установки в момент проведения испытания;

разбивается исследуемая конструкция наружного ограждения на отдельные слои, нумерация слоев считается от внутренней поверхности ограждения и рассчитывается действительное значение упругости водяных паров на границах отдельных слоев:

на поверхности 1

;

на поверхности 2

;

на поверхности 3

;

на поверхности 4

;

на поверхности 5

;

на поверхности 6

;

по полученным значениям строится график изменения действительной упругости водяных паров по толщине наружного ограждения в момент испытаний.