Натурные измерения сопротивлении теплопередаче ограждающих конструкций зданий
Об авторе
Шишкин Андрей Викторович
Санкт-Петербург. Специалист по теплотехническому обследованию объектов жизнедеятельности человека, к. т. н.
Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Я является основным показателем теплозащиты зданий, и его минимальное требуемое значение установлено строительными нормами (СниП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»). Данные о проектном и фактическом значении R должны быть внесены в теплоэнергетический паспорт здания, являющийся обязательной частью технической документации.
Способ расчета R, определенный в ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций», очень прост. Сопротивление теплопередаче вычисляют как R = дельтаТ/q, где дельтаТ и q - соответственно средние значения температурного напора (разности температур воздуха внутри помещения и атмосферного воздуха) и плотности теплового потока с поверхности ограждающей конструкции за длительный интервал времени.
Способ «средних значений» помимо долгого времени измерений нуждается в большой величине температурного напора. Последнее означает, что измерения можно выполнять только в холодное время года или же - специально разогревать помещения.
Необходимое значение величины дельтаТ определяется исходя из заданной относительной погрешности вычисления сопротивления теплопередаче, которая определяется, главным образом, аппаратурной погрешностью измерения средней плотности теплового потока: дельтаq = дельтаq/q, где дельтаq, Вт/м2, - абсолютная погрешность измерения плотности теплового потока. Относительной погрешностью измерения дельтаТ можно пренебречь, и тогда дельтаR= Rдельтаq/дельтаТ.
При аппаратурной погрешности дельтаq > 3 Вт/м2 (для серийных приборов ИТП-11, ИПТПЦ и пр.), R = 3 м2 К/Вт и требуемой погрешности дельтаR < 15 % температурный напор должен превышать 60° С. Поэтому для определения Я стен современных зданий необходимо с большой точностью измерять плотность теплового потока, а значит - использовать специальную аппаратуру.
Нормативные документы не содержат обоснования необходимой длительности измерений. В ГОСТ 26254-84, п. 5.3. указано: «Продолжительность измерений в натурных условиях эксплуатации должна составлять не менее 15 суток». Однако затем данные измерений в то время, когда температура атмосферного воздуха отличалась от средней более чем на 1,5° С, не рассматриваются. Общая продолжительность оставшихся «кусков» графиков дельтаТ(t) и q(t), где t - время, должна быть 1-3 суток. В методиках различных фирм общая длительность измерений прямо сокращена до 1-3 суток и лишь при необходимости - увеличивается.
Цель статьи - показать, почему требуются длительные измерения, определить их продолжительность, а также указать на необходимость расчета нестационарного температурного поля, чтобы уменьшить время измерений и правильно определить величину R.
Расчет в способе «средних значений» строится на том, что за достаточно долгое время все отклонения значений дельтаТ(t) и q(t) от средних стационарных величин взаимно компенсируются. Так будет только в том случае, если эти функции являются периодическими, и измерения выполняются в течение всего периода. При этом, конечно же, никакие значения нельзя выбрасывать из рассмотрения.
Пусть в течение времени [tstart, tfin] измеряются температурный напор дельтаТ(t) и плотность теплового потока q(t) (с наружной или внутренней поверхностей ограждающей конструкции - не имеет значения).
Теплозащитные ограждающие конструкции обладают значительной «тепловой инерцией». Необходимо длительное время для того, чтобы температурное поле преобразовалось под изменившиеся граничные условия (температуру воздуха). Это время релаксации зависит от температуропроводности (частного от деления теплопроводности на плотность и теплоемкость) и толщины ограждающей конструкции. Для типичных теплозащитных стен и перекрытий зданий в качестве длительности релаксации достаточно принять 2-3 суток.
На это время приходится 90 % отличия величины плотности теплового потока или температуры поверхности стены от значений, соответствующих новым граничным условиям. Время релаксации можно назвать «переходным процессом», временем, по прошествии которого «забывается» начальное условие или за пределами которого предшествующая история не влияет на температурное поле.
Поэтому, если до момента tstart граничные условия не совпадали с пунктирной линией на рис. 1, то только по истечению времени релаксации, начиная с trelax, плотность теплового потока будет соот-ветствовать графику граничных условий - дельтаT(t) на интервале времени [tstart, tfin]. В зоне релаксации [tstart, trelax] график q(t) будет отличаться от того, который был бы при периодическом процессе.
Это отличие, собственно, и обуславливает погрешность определения сопротивления теплопередаче по способу «средних значений». Ее можно непосредственно рассчитать на компьютере. Для этого необходимо рассматривать больший временной интервал, включающий предшествующее время релаксации (на рис. 1 - это интервал [t0, tfin, где [t0, tstart]= t start , t relax]).
Такие расчеты для разных фактических «спокойных» графиков температуры атмосферного воздуха в течение 4-7 суток и постоянной температуры воздуха внутри помещения показали, что дельтаqm - систематическое отклонение среднего значения плотности теплового потока в зоне релаксации [tstart, trelax] от среднепериодического, равного стационарному, составляет от 0,9 до 2,8 Вт/м2 для теплового потока с внутренней стороны стены. Для теплового потока с наружной стороны стены дельтаqm изменялась в пределах 1,4-4,5 Вт/м2. По окончанию времени релаксации дальнейшее среднее систематическое отклонение дельтаqm не превышало 0,6 Вт/м2 для такого же интервала времени.
Пример расчетов для максимального дополнительного теплового потока переходного процесса дельтаqm (t) показан на рис. 2. Конечно же, погрешность дельтаqm, обусловленная отличием функции AT(t) от периодической, может быть различной в зависимости от природных условий. Кроме того, помимо непериодического изменения температуры атмосферного воздуха, дополнительную погрешность могут вызвать также изменения других условий теплообмена. Фактическое значение дельтаqm следует вычислять для каждого конкретного случая. При этом можно оптимизировать выбор интервала [tstart, tfin], чтобы добиться минимальной погрешности.
Если такие расчеты не осуществлены, то в качестве ожидаемой погрешности в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации можно использовать указанные выше максимальные величины, полученные по фактическим графикам температуры атмосферного воздуха. Для теплового потока, измеряемого с внутренней поверхности стен, дельтаqm = 3 Вт/м2, а для теплового потока с наружной стороны стены дельтаqm = 5 Вт/м2. Реальная величина дельтаqm может оказаться еще больше.
Относительная погрешность дельтаRm определения сопротивления теплопередаче, обусловленная непериодичностью функций граничных условий, будет тем меньше, чем больше длительность интервала измерений: дельтаR = дельтаq = дельтаt relax. дельтаqm/ (дельтаt qm)= дельтаtrelaxдельтаqm/(дельтаt дельтаT), где дельтаtrelax сутки, - интервал времени релаксации; дельтаt, сутки, - интервал времени измерения графиков температуры воздуха и плотности теплового потока [t start, t fin]; дельтаqm, Вт/м2, - систематическая погрешность в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации; qm, Вт/м2, - средняя периодическая, стационарная плотность теплового потока; R, м2К/Вт, - сопротивление теплопередаче; дельтаT - средняя разность температуры воздуха (среды) с внутренней и наружной сторон ограждающей конструкции.
Чтобы определить R с погрешностью 10 % (учитывая, что еще имеется аппаратурная погрешность измерений), при дельтаТ = 20° С, ожидаемой величине R = 3 м2К/Вт, времени релаксации 2 суток и измерении плотности теплового потока изнутри, необходимо осуществлять измерения в течение 9 суток. Если R = 3 м2К/Вт, время релаксации 3 суток, дельтаТ = 10° С, то надо измерять 27 суток. При измерениях изнутри в течение 3 суток, ожидаемой величине R = 3 м2К/Вт, времени релаксации 3 суток, дельтаТ = 20° С погрешность дельтаRm может составить 50 % и более. Учитывая аппаратурную погрешность измерения д при весьма высокой точности в 1 Вт/м2, суммарная погрешность определения R может превысить 65 %. Соответственно и результаты определения сопротивления теплопередаче, полученные по данным измерений за трое суток, заранее можно считать неправильными. То же относится и к ГОСТ 26254-84, где расчет R выполняется по отдельным, еще более «коротким» кускам функций дельтаТ(t) и q(t).
Об авторе
Шишкин Андрей Викторович
Санкт-Петербург. Специалист по теплотехническому обследованию объектов жизнедеятельности человека, к. т. н.
Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Я является основным показателем теплозащиты зданий, и его минимальное требуемое значение установлено строительными нормами (СниП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»). Данные о проектном и фактическом значении R должны быть внесены в теплоэнергетический паспорт здания, являющийся обязательной частью технической документации.
Способ расчета R, определенный в ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций», очень прост. Сопротивление теплопередаче вычисляют как R = дельтаТ/q, где дельтаТ и q - соответственно средние значения температурного напора (разности температур воздуха внутри помещения и атмосферного воздуха) и плотности теплового потока с поверхности ограждающей конструкции за длительный интервал времени.
Способ «средних значений» помимо долгого времени измерений нуждается в большой величине температурного напора. Последнее означает, что измерения можно выполнять только в холодное время года или же - специально разогревать помещения.
Необходимое значение величины дельтаТ определяется исходя из заданной относительной погрешности вычисления сопротивления теплопередаче, которая определяется, главным образом, аппаратурной погрешностью измерения средней плотности теплового потока: дельтаq = дельтаq/q, где дельтаq, Вт/м2, - абсолютная погрешность измерения плотности теплового потока. Относительной погрешностью измерения дельтаТ можно пренебречь, и тогда дельтаR= Rдельтаq/дельтаТ.
При аппаратурной погрешности дельтаq > 3 Вт/м2 (для серийных приборов ИТП-11, ИПТПЦ и пр.), R = 3 м2 К/Вт и требуемой погрешности дельтаR < 15 % температурный напор должен превышать 60° С. Поэтому для определения Я стен современных зданий необходимо с большой точностью измерять плотность теплового потока, а значит - использовать специальную аппаратуру.
Нормативные документы не содержат обоснования необходимой длительности измерений. В ГОСТ 26254-84, п. 5.3. указано: «Продолжительность измерений в натурных условиях эксплуатации должна составлять не менее 15 суток». Однако затем данные измерений в то время, когда температура атмосферного воздуха отличалась от средней более чем на 1,5° С, не рассматриваются. Общая продолжительность оставшихся «кусков» графиков дельтаТ(t) и q(t), где t - время, должна быть 1-3 суток. В методиках различных фирм общая длительность измерений прямо сокращена до 1-3 суток и лишь при необходимости - увеличивается.
Цель статьи - показать, почему требуются длительные измерения, определить их продолжительность, а также указать на необходимость расчета нестационарного температурного поля, чтобы уменьшить время измерений и правильно определить величину R.
Расчет в способе «средних значений» строится на том, что за достаточно долгое время все отклонения значений дельтаТ(t) и q(t) от средних стационарных величин взаимно компенсируются. Так будет только в том случае, если эти функции являются периодическими, и измерения выполняются в течение всего периода. При этом, конечно же, никакие значения нельзя выбрасывать из рассмотрения.
Пусть в течение времени [tstart, tfin] измеряются температурный напор дельтаТ(t) и плотность теплового потока q(t) (с наружной или внутренней поверхностей ограждающей конструкции - не имеет значения).
Теплозащитные ограждающие конструкции обладают значительной «тепловой инерцией». Необходимо длительное время для того, чтобы температурное поле преобразовалось под изменившиеся граничные условия (температуру воздуха). Это время релаксации зависит от температуропроводности (частного от деления теплопроводности на плотность и теплоемкость) и толщины ограждающей конструкции. Для типичных теплозащитных стен и перекрытий зданий в качестве длительности релаксации достаточно принять 2-3 суток.
На это время приходится 90 % отличия величины плотности теплового потока или температуры поверхности стены от значений, соответствующих новым граничным условиям. Время релаксации можно назвать «переходным процессом», временем, по прошествии которого «забывается» начальное условие или за пределами которого предшествующая история не влияет на температурное поле.
Поэтому, если до момента tstart граничные условия не совпадали с пунктирной линией на рис. 1, то только по истечению времени релаксации, начиная с trelax, плотность теплового потока будет соот-ветствовать графику граничных условий - дельтаT(t) на интервале времени [tstart, tfin]. В зоне релаксации [tstart, trelax] график q(t) будет отличаться от того, который был бы при периодическом процессе.
Это отличие, собственно, и обуславливает погрешность определения сопротивления теплопередаче по способу «средних значений». Ее можно непосредственно рассчитать на компьютере. Для этого необходимо рассматривать больший временной интервал, включающий предшествующее время релаксации (на рис. 1 - это интервал [t0, tfin, где [t0, tstart]= t start , t relax]).
Рис. 1. График разности температуры воздуха с внутренней и наружной сторон ограждающей конструкции, дельтаТ(t); пунктирная линия - периодическое продолжение дельтаТ(t) до момента tstart
Такие расчеты для разных фактических «спокойных» графиков температуры атмосферного воздуха в течение 4-7 суток и постоянной температуры воздуха внутри помещения показали, что дельтаqm - систематическое отклонение среднего значения плотности теплового потока в зоне релаксации [tstart, trelax] от среднепериодического, равного стационарному, составляет от 0,9 до 2,8 Вт/м2 для теплового потока с внутренней стороны стены. Для теплового потока с наружной стороны стены дельтаqm изменялась в пределах 1,4-4,5 Вт/м2. По окончанию времени релаксации дальнейшее среднее систематическое отклонение дельтаqm не превышало 0,6 Вт/м2 для такого же интервала времени.
Пример расчетов для максимального дополнительного теплового потока переходного процесса дельтаqm (t) показан на рис. 2. Конечно же, погрешность дельтаqm, обусловленная отличием функции AT(t) от периодической, может быть различной в зависимости от природных условий. Кроме того, помимо непериодического изменения температуры атмосферного воздуха, дополнительную погрешность могут вызвать также изменения других условий теплообмена. Фактическое значение дельтаqm следует вычислять для каждого конкретного случая. При этом можно оптимизировать выбор интервала [tstart, tfin], чтобы добиться минимальной погрешности.
Рис. 2. Различие фактической и периодической функции температуры атмосферного воздуха Та(t) за 53 ч до начала измерений и вызванное им отличие в плотности теплового потока
с внутренней q(h,t) и наружной q(0,t) поверхностей кирпичной стены толщиной 0,5 м (в течение времени релаксации от 53 до 106 ч с внутренней поверхности среднее значение дельтаqm= -2,8 Вт/м2, с наружной - дельтаqm = 4,5 Вт/м2)
с внутренней q(h,t) и наружной q(0,t) поверхностей кирпичной стены толщиной 0,5 м (в течение времени релаксации от 53 до 106 ч с внутренней поверхности среднее значение дельтаqm= -2,8 Вт/м2, с наружной - дельтаqm = 4,5 Вт/м2)
Если такие расчеты не осуществлены, то в качестве ожидаемой погрешности в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации можно использовать указанные выше максимальные величины, полученные по фактическим графикам температуры атмосферного воздуха. Для теплового потока, измеряемого с внутренней поверхности стен, дельтаqm = 3 Вт/м2, а для теплового потока с наружной стороны стены дельтаqm = 5 Вт/м2. Реальная величина дельтаqm может оказаться еще больше.
Относительная погрешность дельтаRm определения сопротивления теплопередаче, обусловленная непериодичностью функций граничных условий, будет тем меньше, чем больше длительность интервала измерений: дельтаR = дельтаq = дельтаt relax. дельтаqm/ (дельтаt qm)= дельтаtrelaxдельтаqm/(дельтаt дельтаT), где дельтаtrelax сутки, - интервал времени релаксации; дельтаt, сутки, - интервал времени измерения графиков температуры воздуха и плотности теплового потока [t start, t fin]; дельтаqm, Вт/м2, - систематическая погрешность в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации; qm, Вт/м2, - средняя периодическая, стационарная плотность теплового потока; R, м2К/Вт, - сопротивление теплопередаче; дельтаT - средняя разность температуры воздуха (среды) с внутренней и наружной сторон ограждающей конструкции.
Чтобы определить R с погрешностью 10 % (учитывая, что еще имеется аппаратурная погрешность измерений), при дельтаТ = 20° С, ожидаемой величине R = 3 м2К/Вт, времени релаксации 2 суток и измерении плотности теплового потока изнутри, необходимо осуществлять измерения в течение 9 суток. Если R = 3 м2К/Вт, время релаксации 3 суток, дельтаТ = 10° С, то надо измерять 27 суток. При измерениях изнутри в течение 3 суток, ожидаемой величине R = 3 м2К/Вт, времени релаксации 3 суток, дельтаТ = 20° С погрешность дельтаRm может составить 50 % и более. Учитывая аппаратурную погрешность измерения д при весьма высокой точности в 1 Вт/м2, суммарная погрешность определения R может превысить 65 %. Соответственно и результаты определения сопротивления теплопередаче, полученные по данным измерений за трое суток, заранее можно считать неправильными. То же относится и к ГОСТ 26254-84, где расчет R выполняется по отдельным, еще более «коротким» кускам функций дельтаТ(t) и q(t).
