Experimental confirmation of the heat loss dependencies through the windows

Целью исследования являлась оценка теплозащитных свойств наружных стен с учетом влияния теплотехнических неоднородностей, таких, как оконные откосы, стыки панелей и т.д. При этом проводились определения температуры на внутренней поверхности стен в зонах влияния теплотехнических неоднородностей для уточнения их влияния на теплозащитные свойства стен. Такая задача в настоящее время является актуальной в связи с пересмотром действующих нормативных документов в области теплозащиты зданий [1]. Одновременно представлялось целесообразным подтверждение имеющихся аналитических зависимостей, описывающих теплопотери через теплотехнические неоднородности ограждений и температуры на их внутренней поверхности [2] для возможности их дальнейшего использования в инженерной практике.

Настоящая статья посвящена описанию экспериментального исследования температурного режима оконного откоса и сопоставления результатов с недавно предложенной аналитической зависимостью, описывающей распределение температуры по оконному откосу.

Методика проведения измерений соответствовала ГОСТ 26254 [3]. Для получения наиболее достоверных результатов данные параметры следует определять в условиях, близких к стационарным. С этой целью на фрагментах изучаемых наружных ограждений устанавливались датчики температуры и теплового потока, показания которых записывались в автоматическом режиме. При этом выбор периода измерений осуществлялся в соответствии с условиями проведения исследований с учетом показателей погоды за предшествующие трипять суток. При небольших суточных колебаниях температуры наружного воздуха невозможно получить процесс теплопередачи, близкий к стационарному, что позволяет по результатам замеров оценить тепло-физические свойства ограждений.

В процессе исследования в качестве средств измерений использовались тепло-визионные камеры NEC TN 9100 и NEC Sanei (Япония), электронные измерители плотности тепловых потоков ИТП-МГ4.03 «Поток» (завод «Стройприбор», Россия), комплект датчиков температуры «Термохрон» и комплект датчиков температуры и влажности «Гигрохрон» (США), а также анемометр цифровой testo 405-V1 (Германия). Относительная погрешность измерений данных приборов находится в пределах ± (5–7) %.

Эта статья посвящена описанию экспериментального исследования температурного режима оконного откоса и сопоставления результатов

Измерения проводились в трех тестовых помещениях: помещениях спортивного зала (игровой) и лечебного изолятора на первом этаже, а также помещении № 1 детского сада. Оконные откосы исследовались в помещении № 1. Для анализа результатов измерений использовались показания датчиков № 1 (среднее значение по глади наружной стены) и № 2 (откос).

На рис. 1 приведены данные по изменению значений наружной температуры в период с 11 по 15 февраля 2010 г. Показания приборов записывались через каждые 10 мин., так что всего было сделано 550 замеров. Легко видеть, что отклонение t_н здесь, как правило, не превышает 2–3 °С в обе стороны от среднего уровня, что и дает возможность считать теплопередачу стационарной без значительной погрешности.

Рассмотрим экспериментальное подтверждение аналитической зависимости для фактора формы оконного откоса f_отк. По определению он равен отношению фактических теплопотерь через двумерный элемент к теплопотерям через такой же по площади участок наружной стены с одномерным температурным полем [4]. В качестве границы двумерного элемента здесь принимают расстояние в два калибра, причем один калибр равен произведению теплопроводности слоя утеплителя Λ_т на величину R_о— приведенного сопротивления наружной стены теплопередаче [м²·K/Вт].

Фактор формы может быть использован для расчета величины R_о через R_о.усл — условное сопротивление стены теплопередаче по ее глади вдали от откосов и теплопроводных включений. Одна из зависимостей для f_отк была получена в работе [2] с помощью численного решения дифференциального уравнения теплопроводности методом конечных разностей с использованием разработанной автором программы для ЭВМ на языке Fortran. Графически эта зависимость представлена на рис. 2. В качестве основного параметра здесь используется безразмерное отношение R_о/R_в, где R_в— сопротивление теплообмену на внутренней поверхности стены [м²·K/Вт].

Исходя из определения f_отк, его фактический уровень можно вычислить по формуле:

где q_гл— значение плотности теплового потока q[Вт/м²] для глади наружной стены вдали от откоса; q_отк— то же в среднем по откосу в пределах двух калибров от строительного проема.

В экспериментах, однако, измерялась не средняя величина q_отк, а максимальная q_max— непосредственно у узла примыкания заполнения светопроема (точка 2 на рис. 1). Но на основании анализа температурного поля откоса, полученного в [2], следует, что:

На рис. 3 показаны значения q_отк (верхние точки) и q_гл (нижние) по результатам обработки замеров в одном из помещений исследуемого здания для периода с 11 по 15 февраля 2010 г., а на рис. 4 — экспериментальный уровень f_отк, вычисленный по выражению (1).

Статистическая обработка данных, представленных на рис. 4, дает для рассматриваемой конструкции среднее значение f_отк, равное 1,329 при среднеквадратичном отклонении ± 0,103, или в относительном выражении ± 7,75 %. Это сопоставимо с погрешностью используемых измерительных приборов. Для сопоставления с теоретической зависимостью, изображенной на рис. 2, следует вычислить фактическое отношение R_о/R_в. Для наружной стены значение R_о, вычисленное с использованием экспериментальных t_в, t_н и q по формуле:

оказывается равным 0,86 м²·К/Вт, а в соответствии с [5] — 0,115 м²·К/Вт:

откуда:

что дает по рис. 2 f_отк= 1,28.

Таким образом, расхождение экспериментального и теоретического уровня f_отк оказывается равным примерно 3,8 %, что даже меньше заявленной инструментальной погрешности и, следовательно, не может быть признано существенным. Именно поэтому полученные в [2] теоретические результаты для f_отк достаточно удачно подтверждаются данными измерений и могут быть рекомендованы для использования в инженерной практике.