Проблемы определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций

В обследование зданий и сооружений при составлении энергетических паспортов входит определение количественных теплофизических характеристик вертикальных ограждающих конструкций. Цель определения этих характеристик заключается, в конечном счете, в создании возможности проводить количественные оценки энергетических величин, связанных с формированием микроклимата в помещениях. Анализируются пути достижения этой цели.

Теплообмен между внутренним объемом зданий и сооружений и окружающей средой определяется в основном именно тепловыми потоками через вертикальные ограждающие конструкции и потоками воздуха при вентиляции, но последние нормируются в зависимости от потребностей и управляются техническими средствами (включением и выключением побудителей приточной и/или вытяжной вентиляции, открытием и закрытием форточек, задвижек и пр.). Минимизация непроизводительных затрат тепла связана в значительной мере с ограничением теплопередачи через вертикальные ограждающие конструкции. Определение тепловых потоков через них позволяет прогнозировать энергопотребление при заданной погоде, создает возможность оценивать экономическую эффективность различных методов утепления зданий, рассчитывать динамику остывания здания при аварийном отключении теплоснабжения в зимний период и др. Последнее, например, важно для принятия решения о целесообразности слива теплоносителя: желательно избежать эту длительную и дорогостоящую операцию, но в случае промерзания трубопроводов с теплоносителем в течение периода проведения ремонтных работ аварийная ситуация может существенно ухудшиться. В конечном счете именно комплекс характеристик, характеризующих потери тепла через ограждающие конструкции, определяет энергетическую эффективность конструкции здания.

Этот комплекс характеристик, влияющих на основные процессы теплопереноса, должен отражать не только свойства конструкции, но и расположение здания. Например, одиночное здание на холме и такое же здание в окружении плотной высотной застройки будут по -разному обмениваться теплом с окружающей средой. Он должен быть достаточен для того, чтобы можно было при заданной погоде и микроклимате в здании определить соответствующие тепловые потоки.

Так как существующие объекты отличаются от проектов в силу ряда причин, эти характеристики должны находиться на основе результатов натурных измерений.

Для определения указанного комплекса характеристик рассмотрим основные процессы теплопереноса через вертикальные ограждающие конструкции.

Элементы вертикальной ограждающей конструкции здания (окна, двери, стены различной конструкции и т.д.) представляют собой параллельные термосопротивления. Теплоперенос через каждый из элементов, как известно, определяется следующими физическими процессами: тепловая конвекция на наружной и внутренней поверхностях, вынужденная конвекция на наружной поверхности, теплопроводность через ограждающую конструкцию, радиационные потоки (видимое и инфракрасное излучение), поглощающиеся на наружной и внутренней поверхностях, собственное инфракрасное излучение наружной и внутренней поверхностей, и конвективный перенос с фильтрацией воздуха сквозь ограждающую конструкцию. Последний процесс (конвективный перенос) из данного рассмотрения можно исключить, рассматривая только непроницаемые участки (поток массы воздуха принято включать в вентиляционную составляющую).

Указанные физические процессы зависят от погодных условий, конструкции и окружения здания.

Тепловой поток за счет вынужденной конвекции определяется температурой воздуха вдали от стенки Ta, температурой стенки Te, числом Рейнольдса Re=Lv/n, и коэффициентом Кf, учитывающим форму поверхности (гладкая, с выступами и впадинами и т.д.). Здесь n -- характерная вязкость воздуха, слабо зависящая от Ta и Te, v -- характерная скорость ветра (которая зависит от характерной скорости ветра в данной местности в данное время и от окружения здания), L -- характерный размер стенки в направлении движения воздуха вдоль стенки. Таким образом, в частности, стены одинаковой конструкции для зданий разного размера L при прочих равных имеют различные коэффициенты теплоотдачи; сильный ветер интенсифицирует теплоперенос.

Тепловая конвекция зависит от температур Ta и Te, а также от формы поверхности (коэффициент Кq) и от n.

Собственное инфракрасное излучение поверхности зависит от ее температуры и от степени черноты в инфракрасном диапазоне eIR, которая может меняться от значений порядка единицы для традиционных конструкционных материалов (бетон -- около 0,9, дерево -- около 0,8, стекло -- 0,94) до гораздо меньших значений (0,2… 0,01) для металлов (Al -- 0,008… 0,062, нержавеющая сталь -- 0,13… 0,2) и современных, и перспективных энергосберегающих материалов (на них обычно для обеспечения малого теплопереноса излучением наносятся специальные покрытия).

Инфракрасное излучение, поглощаемое поверхностью, зависит и от eIR, и от значений средней температуры Т, степени черноты e и эффективных телесных углов W окружающих зданий (Тb» Te, eb, Wb), грунта (Тg»Ta, eg, Wg), облаков (Tc, ec» 1, Wc=WsKc, где Kc -- коэффициент облачности в данный момент), открытых частей неба (To, eo<<1, Wo=Ws(1-Kc)).

Теплопроводность через ограждающую конструкцию зависит от произведения ее толщины Хи приведенного коэффициента теплопроводности 1 (на практике часто применяют обратную величину -- термосопротивление R=1/(lХ) [1]). В ста-ционарном случае R=(Tw in-1 ex)/q, где 1 in и T ех -- температуры внутренней и внешней поверхностей, q -- тепловой поток. В отличие от вышеуказанных процессов теплоотдачи, теплопроводность во многих случаях нестационарна и зависит от предыстории тепловой обстановки. Характерное время установления стационарного распределения температуры по толщине стенки при стационарных граничных условиях на поверхностях (время прогрева) определяется как tсh=X 2rCр/l, где r -- плотность, Cр -- теплоемкость. Следует отметить относительно большие значения tсh: например, для 50Iсм кирпичной стены с пористостью 24-30% (r =1,5Ч 103 кг/м3, Cр=1,05Ч103 Дж/(кгЧК), l = 0,4Вт/(мЧК) [2]) время прогрева составляет 11,4 суток.

Если ставится задача нахождения термосопротивления, то либо следует проводить численное решение обратной задачи и нестационарного дифференциального уравнения теплопроводности [3, 4] , либо проводить статистическое усреднение значения R [1, 5]. При этом в первом случае следует учитывать, что неопределенность начального распределения температуры по толщине стены влияет на результаты определения термосопротивления в течение начального периода времени порядка tсh с начала измерений (за это время ошибка, связанная с неточным заданием начального распределения температуры, экспоненциально спадает). Сами вычисления R с учетом нестационарности можно проводить по результатам измерений, занимающих, по крайней мере, время порядка tсh после такого начального периода; т.о., измерения нужно проводить в течение времени порядка 2tсh. Во втором же случае (статистическое усреднение) время измерения t должно быть значительно (в несколько раз) больше tсh и тем больше, чем выше требуемая точность.

Следует отметить, что все вышеуказанные процессы могут быть существенны и должны быть учтены. Так, оценки показывают, что при характерных условиях перенос тепла излучением и конвекцией играют сравнимые роли в теплоотдаче от поверхности. Температуры на внешней и внутренней поверхностях при заданных погоде и микроклимате в здании существенно зависят как от теплопроводности, так и от теплоотдачи на внешней и внутренней поверхностях, т.е. для определения интенсивности одного из указанных механизмов нужно, как правило, учитывать и все остальные.

Эти процессы достаточно хорошо известны даже на бытовом уровне. Из личного опыта каждый знает, что теплообмен существенно интенсифицируется при сильном ветре (в ветреную погоду зимой гораздо холоднее); если небо ночью чистое, то становится значительно холоднее, чем при облачности; что в здании и без отопления и кондиционирования температура меняется гораздо медленнее, чем на улице (летом в здании днем прохладнее, а ночью теплее); что в термосе для минимизации тепловых потоков делают двойные стенки с имеющей малую ет (блестящей) поверхностью, и т.д.

Тем не менее, в современной российской нормативной базе внимание уделяется практически только одному показателю -- стационарному термосопротивлению R [1]. Это приводит к тому, что определяется недостаточно данных для оценки энергоэффективности здания. Например, в последнее время все больше внимания уделяется ограничению потерь энергии, связанных с радиационным теплообменом. Современные и перспективные строительные материалы (в т.ч. стекло, покрытия, экраны и др.) имеют малую степень черноты eIR<<1, в частности, за счет специальных тонких поверхностных пленок. Очевидно, что существующая методика определения энергоэффективности здания никак это не отражает, и одинаковыми с точки зрения нормативной базы могут оказаться здания с потерями тепла через ограждающие конструкции, отличающимися в два и более раз.

Известна попытка прогнозирования на основе поиска корреляции внешней температуры и мощности энергозатрат на отопление [6]. Однако в указанном методе не учитываются многие существенные факторы теплообмена (ветер, облачность, тепловая инерция и др.), и потому результаты обследования сильно зависят от погодных условий в течение времени проведения натурных измерений t. На этом пути вряд ли можно обеспечить приемлемую точность прогнозирования. Кроме того, здесь требуются очень длительные натурные измерения: должно выполняться условие t>>tсh (реально порядка месяцев), что трудно выполнимо.

При требовании определения R с точностью выше 30% нестационарность вносит существенные затруднения в процедуру измерений. Продолжительность измерений в натурных условиях эксплуатации по ГОСТ [1] должна составлять не менее 15 суток. За это время в типичных условиях, например, европейской части России, колебания температуры могут составить 15-20 градусов; если в зимний период это соответствует изменению разницы температур на 25-30%, то в осеннее-весенний и особенно в летний период это делает невозможным определение значения R по разовым измерениям. В [1] содержится требование обеспечения погрешности измерений не более 15%; это резко ограничивает проведение обследований только теми редкими погодными условиями, когда температура воздуха в течение натурных испытаний (не менее 15 суток [1]) ниже средней зимней, а отклонение среднесуточной температуры наружного воздуха от среднего значения не превышает несколько градусов. Очевидно, что это делает задачу проведения массовых обследований практически невыполнимой.

Следует также отметить, что при практическом проведении натурных измерений температур и тепловых потоков, по которым находят R, практически никогда не достигаются значения длительности периода измерений, необходимые для нивелирования нестационарности; более того, они часто оказываются меньше tсh. Например, в [4] указано время t в 5 суток, что во многих случаях даже в несколько раз меньше tсh. Это связано со значительными техническими и организационными трудностями обеспечения длительных измерений в условиях реальных объектов. Очевидно, что это упрощение, предпринятое в интересах проведения массовых обследований, сильно снижает точность измерений.

Более того, практически реализуемые методики измерений, как правило, вносят дополнительные погрешности. Определение температуры поверхности, например, нередко проводят с помощью тепловизоров, в которых достаточно точно определяются относительные яркостные температуры, но абсолютные показания «плавают» на 3-5°С, в частности, в зависимости от температуры самого тепловизора (сама конструкция его излучает в инфракрасном диапазоне с мощностью, сравнимой с измеряемыми тепловыми потоками). Такого недостатка в принципе лишены модели тепловизоров с криогенным охлаждением, но такие модели неудобны и практически не используются при обследованиях зданий.

Далеко не всегда учитывается отличие истинной и яркостной температуры поверхности за счет отличия e IR от единицы. Это может делать измерения и последующие вычисления R весьма условными (ошибки до нескольких раз).

Определение потока тепловой энергии с помощью датчика теплового потока также может быть источником значительных ошибок [7]. Дело в том, что такой датчик измеряет поток через себя, а не через стенку. Обычно датчик достаточно тонкий, его температура почти не отличается от температуры поверхности, и влияние его на поле скоростей воздуха практически отсутствует. Но если степень черноты поверхности датчика (которая обычно близка к 1) не равна степени черноты поверхности стены, то тепловой поток через датчик может значительно (до двух раз и более) отличаться от теплового потока через стену. Поскольку учет степени черноты не описан в нормативных документах, похоже, что этот учет действительно не производится.

Таким образом нормативная база и многие практически применяемые методики не обеспечивают ни возможности оценить энергетическую эффективность конструкции здания, ни требуемой точности определения термосопротивления.

Практическая реализация определения указанного комплекса характеристик не является недостижимым идеалом. Наиболее последовательно в настоящее время вышеуказанные процессы учтены в методике, применяемой ООО «Энергоэконом» при обследованиях зданий в г. Москве [8, 9]. Согласно этой методике проводятся измерения истинных и яркостных температур на внутренней и внешней поверхностях ограждающих конструкций, а также измеряются температура воздуха в помещении и на улице, скорость ветра, облачность, задаются размеры данного здания, расстояния до окружающих зданий, их высота, и др. Вычисление указанных характеристик производится автоматически с помощью разработанного оригинального программного продукта. Определение всего комплекса характеристик позволяет автоматически прогнозировать энергопотребление при заданной погоде, рассчитывать динамику остывания здания при аварийном отключении теплоснабжения в зимний период, и др. Наиболее сильное упрощающее предположение -- стационарность процессов переноса тепла -- приводит к тому, что либо необходимо проводить ряд измерений в течение времени, превышающего tсh, по крайней мере, в несколько раз (при этом применяется усреднение характеристик по измерениям), либо приходится мириться с погрешностью, связанной с колебаниями погодных условий. В этом случае точность методики ограничивается на уровне порядка 25-30%. Однако в любом случае обеспечивается реальная возможность оценить энергетическую эффективность конструкции здания.

В настоящее время разработана и проходит апробацию новая, уточненная методика автоматизированного определения указанного комплекса характеристик, основанная на аккуратном измерении температур, потоков и др., и решении нестационарных дифференциальных уравнений теплопереноса. Эта методика и вновь разрабатываемый оригинальный программный продукт предназначены для проведения массовых обследований на новом уровне точности и полноты получаемых сведений об энергоэффективности конструкции здания. При этом удалось разработать такой метод определения начального распределения температуры по толщине стенки, который позволяет ограничить необходимое время измерения значениями порядка и даже меньше tсh, что существенно снижает затраты на проведение обследования. Анализ показывает, что указанная методика с точностью значительно лучше, чем 15%, дает значения термосопротивления, а также других значений из вышеописанного комплекса характеристик.

По нашему мнению, в настоящее время назрела необходимость корректировки нормативной базы в отношении расширения номенклатуры измеряемых величин, которые следует отражать во вкладыше энергетического паспорта: эти величины должны составлять комплекс характеристик, на основе которого при заданных погодных условиях можно проводить количественное определение энергетических величин, связанных с формированием микроклимата в помещениях. Следует также более строго подходить к организации измерений и методам интерпретации их результатов, чтобы обеспечить приемлемую точность определения термосопротивления ограждающих конструкций.

теплофизический ограждающий конструкция

Литература

теплофизический ограждающий конструкция

1. ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.-- М.: НИИСФ Госстроя СССР, 1984.

2. Физические величины. Справочник/Под ред. Григорьева И.С. и Мейлихова Е.З.-- М.: Энергоато-миздат, 1991.

3. Anderlind G. A method to calculate the heat flow for an arbitrary wall with constant material properties in a natural climate//Nordic Journal of Building Physics. 1997.

4. Avramenko V., Lebedev O., Kirzhanov D., Budadin O. Mathematical Methods of Thermal Nondestructive Testing//Proc. ECNDT 2006 - Poster 77.

5. NFRC Test Procedure for Measuring the SteadyIState Thermal Transmittance of Fenestration Systems. -- Silver Spring, MD: National Fenestration Rating Council. -- 1997.

6. Ghiaus C. Experimental estimation of building energy performance by robust regression//Energy and Buildings, 2006. V. 38.- № 6.

7. Diller T. E. Advances in Heat Flux Measurements//Advances in Heat Transfer. 1993. V. 3.

8. Мельник А.П., Чувашев С.Н. Моделирование процессов теплопередачи для определения реальных теплофизических характеристик зданий//XXXIII Междунар. конф. «Гагаринские чтения». Тез. докл. - М: МАТИIРГТУ, 2007.

9. Мельник А.П., Чувашев С.Н. Моделирование процессов теплопередачи для определения реальных теплофизических характеристик зданий//Информационные технологии, 2008.

Размещено на Allbest.ru