Например, Бобцов

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОМЕТРИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 536.6

Н. В. ПИЛИПЕНКО, Д. А. ГЛАДСКИХ
НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОМЕТРИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Рассмотрен перспективный нестационарный метод восстановления проходящих через ограждающие конструкции различных зданий и сооружений тепловых потоков на основе дифференциально-разностных моделей процесса теплопереноса.

Ключевые слова: тепловой поток, параметрическая идентификация, температура, дифференциально-разностная модель, ограждающие конструкции.

Введение. Проблема энергосбережения является важной частью социально-экономической политики государства. В 2009 г. был утвержден Федеральный закон № 261 „Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации“. Особое внимание в нем уделено энергетической эффективности зданий, строений, сооружений, поскольку значительная часть территории России находится за Полярным кругом, где отопительный сезон достигает 300 дней в году. Наиболее жесткие требования по эффективному использованию тепловой энергии предъявляются к жилым зданиям и сооружениям. Удельное энергопотребление жилых зданий в России (85 Вт·ч/м2·К·сут) существенно выше, чем в зарубежных странах (Швеция — 34, США — 44) [1].
Теплозащита отапливаемого здания является одним из важнейших эксплуатационных критериев оценки его качества, поскольку от этого показателя зависят благоприятный микроклимат зданий, тепловые потери в зимнее время, температура внутренней поверхности ограждения. Эта характеристика определяет расходы на отопление помещений и поддержание в них нормативного микроклимата.
Постановка задачи и метод решения. Одним из наиболее важных теплоэнергетических показателей зданий и сооружений является сопротивление теплопередаче элементов ограждающих конструкций (несущие стены, перекрытия, кровля, окна, двери и другие аналогичные конструктивные элементы зданий и сооружений), под которым обычно понимают сумму конвективных сопротивлений на наружной и внутренней поверхностях стен и суммарное кондуктивное сопротивление слоев ограждающей конструкции (ОК):

∑R = 1 + m hi + 1 ,
αвн i=1 λi αнар

(1)

где αвн и αнар — коэффициенты теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности ОК и от наружной поверхности ОК к наружному воздуху, hi и λi — толщина (м) и теплопро-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12

Нестационарная теплометрия зданий и сооружений

75

водность (Вт/м·К) i-го слоя. В уравнении (1) предполагается идеальный тепловой контакт между слоями ОК.
Как следует из литературы [2], вклад первого и последнего членов в правой части уравнения (1) в общее сопротивление незначителен и в зависимости от конструкции ОК не превышает 5 %.
Для качественной и, что важнее, количественной оценки величины тепловых потерь, возникающих при эксплуатации зданий и сооружений, необходимо определить тепловое сопротивление ОК. При этом принципиально возможно использовать два подхода: нестационарный и стационарный. Сильной стороной нестационарного подхода определения теплового сопротивления ОК является относительно малое время измерений, необходимое для расчетов (менее одного рабочего дня).
При стационарном подходе время измерений составляет 15 суток и более [3, 4]. Авторы на основе расчетно-экспериментальных исследований утверждают, что установившееся тепловое состояние ОК в зависимости от тепловой инерции достигается в течение 120—150 часов. При этом необходимо выполнять многократные измерения температурного напора ∆t(τ)
(разности температуры воздуха внутри и вне помещения). Предложенный А. В. Шишкиным [1] подход заключается в решении в общем виде
дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности с начальными и граничными условиями с дальнейшей подстановкой результата в уравнение теплового баланса на поверхности теплообмена с атмосферой. Как утверждает автор, при этом подходе можно получить решение только для наружной поверхности ОК. Но приведенные в работе [1] формулы для расчета температуры и удельного теплового потока на наружной поверхности ОК громоздки и малопригодны для использования. Однако подход, основанный на решении дифференциального уравнения нестационарной теплопередачи, является перспективным. Применять его возможно практически в любое время года, в неотапливаемых помещениях, его реализация не требует продолжительного времени.
Представим метод решения задачи с помощью параметрической идентификации тепловых потоков и уточнения теплофизических свойств материалов ОК [5]. Поскольку системой теплоснабжения температура внутри помещения поддерживается практически постоянной, то на величину тепловых потерь существенно влияют коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности ОК и температура наружного воздуха. Термическое сопротивление ОК с изменением температуры внутренней поверхности стенки изменяется незначительно, поэтому, измерив температуру наружной поверхности ОК и рассчитав или измерив удельный тепловой поток через исследуемый участок ОК, можно вычислить термическое сопротивление рассматриваемого участка ОК.
Динамика одномерного теплопереноса в ОК может быть описана системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Математические модели, в которых выполнена дискретизация пространства теплопереноса вдоль одной оси, а время считается непрерывным, принято называть дифференциально-разностными моделями (ДРМ) [6].
Предлагается использовать ДРМ в качестве основной универсальной модели теплопереноса в одномерных стенках ОК различных тепловых схем. В качестве примера рассмотрим однородную стенку, которая может быть представлена в виде теплоизолированной на боковой
поверхности пластины толщиной h = 0,2 м с теплофизическими свойствами: λ = 0,076 Вт/м·К,
cρ = 1, 69 ⋅105 Дж/м3·К, где λ, с, ρ — теплопроводность, теплоемкость, плотность материала
ОК. На рисунке приведены тепловая схема (а) и топология (б) ОК в виде пластины (tст.вн и tст.нар — температура внутренней и наружной стенки соответственно, q — тепловой поток).
Для построения ДРМ пластину по толщине h, разбиваем на n слоев (в данном случае n = 11) с температурой t1, t2, ..., t11. Средние значения температуры слоев, отнесенные к их

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12

76 Н. В. Пилипенко, Д. А. Гладских

центрам, составляют вектор состояния пластины. При этом для расчетов толщину граничных

слоев удобно установить как ∆/2, а средние значения их температуры — t1 и t11 — отнести к торцевым поверхностям.

а) б) qнар(τ), αнар, tнар(τ)

t1

tст. вн qвн α, tвн

qнар(τ) αнар, tнар(τ) tст. нар

h

ttttttttt9413526780

∆/2 ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆

h

t11 qвн α, tвн

∆/2

Для каждого слоя составим уравнение теплового баланса между изменением его теплосодержания и потоками тепла от соседних слоев, а для граничных слоев — от внешней и внутренней среды при постоянных теплофизических характеристиках. Проведя преобразование уравнений, получим ДРМ в развернутой форме:

⎧ ⎪ ⎪

dt1 dτ

=



2a ∆2

t1

+

2a ∆2

t2



2q cρ∆

,



⎪ ⎪ ⎨ ⎪

dti dτ

=

a ∆2

ti−1



2a ∆2

ti



a ∆2

ti+1,

⎪…

⎪ ⎪

dt11

⎪⎩ d τ

=

2a ∆2

t10



⎛ ⎜



2α cρ∆

+

2a ∆2

⎞ ⎟

t11



+

2α cρ∆

tср ,

(2)

где a = λ cρ — температуропроводность материала пластины. Окончательно ДРМ (2) можно записать в векторно-матричной форме [3]:

dT dτ

=

FT

+

GU

,

(3)

где T = t1 t2 …t11 T — (11×1)-вектор состояния, U = q(τ) — (1×1)-вектор управления (вход-

ных

воздействий),

G=

−2 c1ρ1∆1

0 0… 2α c3ρ3∆3

T


(11×1)-матрица

управления.

Матрица

обрат-

ных связей F размерности (11×11) имеет обычную трехдиагональную форму.

Предложенный подход был использован при восстановлении плотности теплового по-

тока по измеренным значениям температуры наружного воздуха для ряда зданий Вологод-

ской области [1].

Заключение. Полученные в настоящей статье результаты хорошо совпадают с данны-

ми, приведенными в работе [1]. Изложенная методика прошла многократную апробацию как

для восстановления тепловых потоков, так и для уточнения теплофизических свойств мате-

риалов ОК, и в настоящее время используется различными организациями [5].

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12

Нестационарная теплометрия зданий и сооружений

77

В работе рассмотрен перспективный нестационарный метод восстановления тепловых потоков, проходящих через ОК различных зданий и сооружений, который позволяет проводить исследования в режиме реального времени.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шишкин А. В. Разработка методики расчета теплового сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с использованием тепловизионной диагностики. Дис. … канд. техн. наук. СПб, 2001.

2. ГОСТ 26254-84 Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

3. Пилипенко Н. В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Ч. 1 // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, № 8. С. 50—54.

4. Пилипенко Н. В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Ч. 2 // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, № 10. С. 67—71.

5. Пилипенко Н. В., Сиваков И. А. Метод определения нестационарных тепловых потоков и теплопроводности путем параметрической идентификации // Измерительная техника. 2011. № 3. С. 48—51.

6. Pilipenko N. Parametrical identification of differential-difference heat transfere models in non-stationary thermal measurements // Heat Transfer Research. 2008. Vol. 39, N 4. P. 311—315.

Николай Васильевич Пилипенко Дмитрий Аркадьевич Гладских

Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: pilipenko38@mail.ru — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: gladskih@gmail.com

Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга

Поступила в редакцию 14.04.11 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12