АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ОЦЕНКИ (ИЗМЕРЕНИЯ) ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА

Одной из актуальных проблем, в повышении энергоэффективности, является применение простых и надѐжных способов (методов) определения потерь теплоты через ограждающие конструкции объекта, в окружающую среду и анализ теплофизических свойств (ТФС) – коэффициент теплопередачи и коэффициент термического сопротивления, которые влияют существенным образом на тепловой режим. Чтобы решить проблему уменьшения теплопотерь ограждающей конструкции объекта, необходимо знать её ТФС. Известно, что с течением времени, свойства материалов подвержены изменениям. Точная информация о теплопотерях позволяет с большей достоверностью определить нужную мощность системы теплоснабжения, что, в свою очередь, существенным образом оказывает влияние на энергосбережение объекта. Для определения ТФС ограждения основным источником информации является эксперимент. В настоящее время существуют различные способы и устройства для определения ТФС (коэффициент теплопередачи и коэффициент термического сопротивления ограждающей конструкции) исследуемого объекта [5,6,7,8,910,11,12,13, 14,15,16,17,18,19,20]. На методе неразрушающего контроля (МНК) разработана установка для определения ТФС поверхностей ограждающих конструкций [10]. Установка выполнена в форме прямоугольника, с расположенным внутри неё нагревательным элементом. В ходе выполнения исследования нагревательный элемент потребляет определенную мощность. На присоединенном к нагревательному элементу терморегуляторе устанавливается определённая температура воздуха, внутри исследуемого объекта. Датчики измерения плотности теплового потока устанавливают на исследуемую ограждающую конструкцию. Определив время нагрева, необходимое для получения результатов исследования фиксируют также значения температуры с обеих сторон исследуемой конструкции, измеряется плотность теплового потока через установленный временной промежуток. По полученным данным определяется приведенное сопротивление теплопередаче по формулам, представленным в [10].

Ограничением данного (способа и устройства) является низкая функциональная возможность контроля строительных работ при определении приведенного сопротивления теплопередаче. Это вызвано тем, что размеры устройства определяют применение только для локального участка ограждающей конструкции [11].

Так же на МНК разработана установка для измерения сопротивления теплопередаче строительных ограждающих конструкций [12].Установка выполнена в виде стенда предназначенного для измерения сопротивления теплопередаче исследуемых строительных конструкций. Установка позволяет создавать заданные температурные режимы по обеим сторонам исследуемого объекта, температуру воздуха на поверхности различных участков объекта, а также теплового потока, проходящего через объект в стационарных условиях. Ограничением данной установки является то, что невозможно определить ТФС всего исследуемого объекта в целом, большая длительность проведения исследования объекта.

Для определения сопротивления теплопередаче строительной конструкции МНК известен способ [13]. Данный способ реализуется следующим образом: с обеих сторон строительной конструкции устанавливают друг напротив друга теплоизолированный короб с плоскими термостатами, термометр и регулируемый вентилятор, а так же тепломер. Термостат поддерживает в неизменном состоянии tн , термостат в противоположном коробе – поддерживает температуру tв , которая не равна tн . Через определенный промежуток времени, определяют температуры поверхностей строительной конструкции, термометрами, установленными в теплоизолированном коробе, определяют плотность теплового потока, проходящего через строительную конструкцию. Регулируемым вентилятором в наружном и внутреннем изолированном коробе, изменяют интенсивность скорости воздушного потока, что бы происходило изменение теплоотдачи исследуемой конструкции, что бы выполнялись условия [13]:

Ограничение - большая длительность процедуры исследования, что бы определить коэффициенты сопротивления теплопередаче всего объекта в целом потребуется большое количество времени.

Богоявленским А. И., Ивановым С. В., разработан МНК измерения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект и устройство для его осуществления [14]. Метод основан на измерении промежутка времени, который между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке, на внешней (или боковой) поверхности исследуемого объекта. Затем устанавливают зависимость величины перегрева внешней (или боковой) поверхности исследуемого объекта от времени. Принимают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней (или боковой) поверхности исследуемого объекта. Рассчитывают значение удельного сопротивления теплопередаче через объект, для разных моментов времени. Устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через объект или рассчитывают его среднее значение. Ограничением является то, что размеры данной установки определяют ТФС конструкции, только для локального участка ограждающей конструкции, большая длительность проведения исследования, сложная конструкция установки.

Сергеевым  С.С.  разработано  устройство  измерения  сопротивления  теплопередаче     строительной конструкции [15]. На строительную конструкцию, например стену задания, крепится приставная камера, с находящимся в ней нагревательным элементом. С другой стороны здания соответственно к приставной камере крепится обойма, со встроенным в нее термоэлектрическим модулем. Приставная камера и обойма могут иметь прямоугольную или круглую форму, при этом их  размер выбирается равными 3÷5 толщины строительной конструкции [5,6]. С помощью нагревательного элемента, строительная конструкция нагревается до температуры, превышающей, температуру окружающей среды на 5-10°С. Одновременно с нагревом включается, термоэлектрический модуль, который охлаждает поверхность строительной конструкции, до отрицательной температуры. По истечению некоторого времени, температуры на обеих сторонах становятся стабильными, не изменяющимися по времени. В этот момент регистрируют величину теплового потока q, проходящего через строительную конструкцию, затем вычисляют сопротивления  теплопередаче по формуле (1). Ограничением данной установки является то, что размеры данной установки определяют ТФС конструкции, только для локального участка ограждающей конструкции, невозможность определения сопротивления теплопередаче всего объекта в целом.

На МНК разработан способ измерения теплового сопротивления и устройство для его осуществления [16].Суть приведённого способа заключается в следующем: производят термическое воздействие на наружную поверхность, данное воздействие осуществляют путем охлаждения подвижным теплоносителем, при этом измеряют стационарное значение температуры внутренней поверхности исследуемого объекта, в области нагревания, измеряют стационарное значение температуры наружной поверхности объекта, подвергаемого исследованию в области охлаждения, измеряют стационарное значение температуры подвижного теплоносителя. Устройство для реализации данного способа содержит источник тепла, измеритель температуры, электронный блок обработки, и наружный теплообменник. Ограничения: большая длительность проведения исследования, сложная конструкция установки, невозможность определения сопротивления теплопередаче всего объекта в целом.

К МНК теплозащитных свойств ограждающей конструкции так же относится способ [17]. Производятся натурные измерения температур и плотности тепловых потоков, в реперной точке, в реальных климатических условиях эксплуатации здания, в период не менее двух суток. Рассчитывают сопротивление теплопередаче в реперной точке путем обработки результатов, натурных измерений, с отбраковкой отдельных значений сопротивления теплопередаче. Рассчитывают сопротивление теплопередаче в произвольных точках по температурным полям, полученных в результате тепловизионной съемки, и результатам расчета сопротивления теплопередаче в реперной точке. Проводят измерение и регистрацию температуры наружного и внутреннего воздуха в помещении, а так же температуры и плотности теплового потока на внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции в течение не менее двух суток. Расчет сопротивления теплопередаче в реперной точке проводят по результатам измерения температур и плотностей теплового потока для каждого i-го измерения. Ограничением данного способа является большая длительность процедуры исследования, от двух суток.

Варфоломеевым Б. Г., Орловой Л. П., разработан способ определения теплофизических характеристик строительных, многослойных конструкций, без нарушения их целостности [18]. Способ заключается в осуществлении активного теплового воздействия на поверхность каждого наружного слоя, адиабатически, от дисковых нагревателей, расположенных в полости зондов, окаймленных охранными (теплоизоляционными) кольцами, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого объекта от времени, при этом, для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции, регистрируют зависимость температуры от  времени, в четырех  поверхностных  точках. Определение коэффициентов теплопроводности наружных и внутренних слоев конструкции проводят с использованием специальной аппроксимации, полученных зависимостей температуры от времени и искомые теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам. Ограничением данного способа является большая методическая погрешность определения искомых ТФС, также сложность и громоздкость вычислений, при определении контролируемых ТФС. Еще одним существенным ограничением способа является то, что определение ТФС наружных слоев конструкции предлагается осуществлять контактным методом, что обуславливает значительную погрешность температурно- временных измерений, из-за влияния контактных термосопротивлений, значение которых носит случайный характер, зависит от состояния поверхности контактирующих тел, степени их прижатия друг к другу и т.д., что не позволяет определить величину термосопротивления без внесения поправок или коррекции результатов измерений [19].

Известен тепловой МНК определения ТФС материалов разработанный в Японии. Способ заключается в облучении  участка  исследуемой  поверхности,  измеряют  теплопроводность  материала,  информацию  о распределении температурного поля объекта передают для анализа на устройство термографического контроля и затем на устройство отображения, которое показывает изменения в распределении температурного поля [20]. Данный способ позволяет определить состояние конструкции и её теплопотери, однако он не применимы для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений [20].

В Российской Федерации на практике в основном применяется способ оценки теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий, состоящий из измерения плотности теплового потока, проходящего через исследуемую конструкцию,  измерения температур на наружной и внутренней ее поверхностях, вычисления значения общего сопротивления теплопередаче конструкции, а так же способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче [5, 6]. Через заданный интервал времени производят измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, и температуру на обеих поверхностях строительной конструкции по формуле (1). Ограничением известного способа является то, что формула применима только для условий стационарного процесса теплопередачи, через исследуемый объект. Большая длительность процедуры исследования – 15 суток, невозможность получить ТФС всего исследуемого объекта в целом.

Существующие методы определения коэффициента сопротивления теплопередаче и коэффициента тепло сопротивления устанавливают данные коэффициенты, только определённого участка исследуемой поверхности, что бы определить данные коэффициенты всего объекта в целом потребуется большое количество времени, так же для проведения одного измерения требуется время от одних суток. Такая длительность исследования по определению искомых коэффициентов существенным образом влияет на стоимость проводимых работ. В ходе проведения исследования так же необходимо обеспечивать создание специальных условий (стабильную температуру на внутренней и наружной поверхности исследуемого объекта) в течение всего времени исследования -      высокая энергоёмкость проводимого исследования. Анализ существующих методов определения ТФС исследуемого объекта показал, что возможна разработка установки, которая будет определять ТФС объекта МНК с использованием современных средств управления и обработки информации за более короткий промежуток времени, и всего исследуемого объекта в целом - нестационарным способом. Вследствие того, что нестационарные способы определения ТФС являются наиболее перспективными, за счёт простоты, небольшого времени проведения исследования и т.д. [1,2,3,4,21].

 

Список литературы

1.     Аметистов Е.В. Основы теории теплообмена. М.:Изд. МЭИ, 2000. 242с.

2.     Белов Е.А., Соколов Г.Я., Платунов Е.С. Цифровой экспресс-измеритель теплоограждающих конструкций с прямым отсчетом // Промышленная теплотехника.1986. № 4.756 – 760с.

3.     Богословский В.Н. Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования. М.: Высшая школа, 1982. - 415с.

4.     Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник. М.: Машиностроение, 1991. 240 с.

5.     ГОСТ 26254 - 84 Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

6.     ГОСТ 31166 - 2003 Конструкции ограждающие зданий и сооружений. Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи.

7.     Кабанов О.В., Панфилов С.А., Барычев В.И. Обзор современных методов определения теплофизических свойств материалов и объектов с использованием электротехнических устройств. // Сб. науч.трудов. Развитие технических наук в современном мире. Выпуск II. Воронеж 2015. с.178 -180.

8.     Кабанов О.В., Панфилов С.А. Современные  методы определения  теплофизических свойств  объектов. Материалы научной конференции «XLIV Огарёвские чтения» - 8-15 декабря 2015 г.

9.     Кабанов О.В., Панфилов С.А., Хрёмкин А.С., Бобров М.А. Разработка метода определения теплофизических свойств объектов. Научно-технический вестник Поволжья. №5 2015г. – Казань. с. 253-256.

10. Патент №2468359. РФ. МПК G01N 25/18. Способ определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций строительных сооружений. Вавилов В. П., Григорьев А. В., Иванов А. И. Дата подачи заявки: 09.06.2011. Опубликовано: 27.11.2012 Бюл. № 33.

11. Патент №146590. РФ. МПК G01N 25/28. Устройство определения приведённого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций в летний период. Патент на полезную модель. Головнев С. Г., Мозгалев К. М. Дата подачи заявки: 16.06.2014. Опубликовано: 10.10.2014 Бюл. № 28.

12. Патент №105998. РФ. МПК G01N 25/58. Стенд для измерения сопротивления теплопередаче строительных ограждающих конструкций, оснащенный передвижной кассетой для установки образца. Верховскй А. А., Шубин И. Л., Шеховцов А. В. Дата подачи заявки: 15.12.2010. Опубликовано: 27.06.2011 Бюл. № 18.

13. Патент №2480739. РФ. МПК G01N 25/72. Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительной конструкции. Походун А. И., Соколов А. Н., Соколов Н. А. Дата подачи заявки: 23.08.2011. Опубликовано: 27.04.2013 Бюл. № 12.

14. Патент №2478938. РФ. МПК G01N 25/18. Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект (варианты) и устройство для его осуществления. Богоявленский А. И., Иванов С. В., Лаповков Е. В., Платонов А. С. В. Дата подачи заявки: 04.02.2008. Опубликовано: 10.04.2013 Бюл.№10.

15. Патент №2476866. РФ. МПК G01N 25/18.Устройство измерения сопротивления теплопередаче строительной конструкции. Сергеев С.С. Дата подачи заявки: 20.04.2011. Опубликовано: 27.02.2013 Бюл. № 6.

16. Патент №2308710. РФ. МПК  G01N 25/18. Способ измерения теплового  сопротивления (варианты) и устройство для его осуществления. Дацюк Т. А., Исаков П. Г., Лаповок Е. В., Платонов С. А. Дата подачи заявки: 27.05.2005. Опубликовано: 20.10.2007 Бюл. № 29.

17 . Патент №2285915. РФ. МПК G01N 25/00. Способ контроля теплозащитных свойств ограждающей конструкции. Лавров В. Н., Титаев В. А. Дата подачи заявки:  20.10.2004. публиковано: 20.10.2006 Бюл.

№ 29.

18 . Патент №2140070 РФ. МПК G01N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов многослойных конструкций без нарушения их целостности. Варфоломеев Б. Г., Орлова Л. П. Дата подачи заявки:  26.02.1998. Опубликовано: 20.10.1999.

19. Патент №2287807. РФ. МПК G01N 25/00. Способ определения теплофизических свойств многослойных строительных конструкций и изделий. Чернышов А. В., Слонова А. С. Дата подачи заявки: 09.03.2005. Опубликовано: 20.11.2006 Бюл. № 32.

20. Патент №2323435. РФ. МПК G01N 25/72. Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций Будадин О. Н., Абрамова Е. В., Сучков В. И. ,Марков Т. Е. Дата подачи заявки: 22.09.2005. Опубликовано: 27.04.2008 Бюл. № 12.

21. Табунщиков Ю.А., Хромец Д. Ю. Тепловая защита ограждающих - конструкций зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1986. 381с.