Разработка расчетно-экспериментального метода определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждающие конструкции промышленных зданий с применением тепловизионной техники
На правах рукописи
Горелов Михаил Валентинович
Разработка расчетно-экспериментального метода определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждающие конструкции промышленных зданий с применением тепловизионной техники
Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва, 2011 г.
Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, |
| старший научный сотрудник Яковлев Игорь Васильевич | |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор |
| Шелгинский Александр Яковлевич | |
| кандидат технических наук | |
| Крылов Андрей Николаевич | |
| Ведущая организация: | ООО «Газпромэнергодиагностика» |
Защита диссертации состоится «27» октября 2011 года в 15 часов 30 минут в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.
Автореферат разослан « » _____________2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета
Д 212.157.10
к.т.н., доцент Т. А. Степанова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Здания, в том числе и промышленного назначения, являются крупнейшими потребителями энергетических ресурсов. На нужды отопления зданий в России расходуется примерно 400 млн. т у.т., что составляет около 40% от общего потребления энергоресурсов. Примерно половина потребления энергоресурсов приходится на здания промышленного назначения. Потребление энергоресурсов зданиями и сооружениями напрямую связано с тепловыми потерями через ограждающие конструкции.
Существенная составляющая расходной части теплового баланса промышленных предприятий – это тепловые потери через наружные ограждающие конструкции зданий и сооружений. Большинство промышленных предприятий на территории бывшего СССР возведены в 50-70 годы, когда стоимость энергоресурсов была минимальна. Поэтому существующие промышленные здания и их ограждающие конструкции не соответствуют современным требованиям по тепловой защите, как следствие затраты на отопление промышленных зданий и сооружений велики.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наибольшую эффективность в сокращении удельного энергопотребления имеют мероприятия с дополнительной теплоизоляцией стен, светопрозрачных ограждений. Расчеты показывают, что возможно сократить энергопотребление в промышленных зданиях не менее, чем на 10 % и ежегодно экономить за счет этого до 2,5 – 5 млн. т. у. т.
Для зданий, как потребителей энергетических ресурсов, современными нормативными документами в области энергосбережения нормируется ряд показателей энергоэффективности. На разных стадиях создания и эксплуатации зданий заполняется энергетический паспорт. При этом преследуются две цели: контроль соответствия нормируемых показателей существующим нормам и разработка мероприятий по снижению тепловых потерь.
Доля светопрозрачных ограждений от общей площади ограждающих конструкций промышленных зданий и сооружений велика. В производственных помещениях площадь наружного остекления может составлять до 40 % суммарной площади наружных ограждений. Как следствие, тепловые потери через светопрозрачные ограждения представляют существенную часть общих тепловых потерь промышленных зданий.
Разработка метода, который позволит оперативно количественно определить тепловые потери через светопрозрачное ограждение является актуальной и важной задачей. Тепловой неразрушающий контроль (тепловизионный метод), который сейчас широко применяется при энергетических обследованиях, позволяет оперативно получить термограммы наружных ограждающих конструкций. Однако существующие нормативные документы и методики проведения таких обследований распространяются только на несветопрозрачные ограждении. Метод тепловизионного контроля используется только для качественного анализа состояния тепловой защиты наружных ограждений. Количественные результаты получают на основании контактных измерений в заранее определенных точках ограждающей конструкции.
Цель диссертационной работы. Разработка расчетно-экспериментального метода определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждения зданий и сооружений с применением тепловизионной техники.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
- разработаны новые математические модели процессов переноса теплоты через светопрозрачные ограждающие конструкции зданий с учетом лучистого теплообмена, естественной и вынужденной конвекции;
- впервые предложен расчетно-экспериментальный метод определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждения зданий и сооружений с применением тепловизионной техники;
- проведены экспериментальные исследования по определению плотности теплового потока через два различных типа светопрозрачных ограждений путем контактных и бесконтактных (тепловизионных) измерений;
- впервые экспериментально обосновано применение тепловизионной техники для количественного определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждения на различных объектах. Количественные данные о тепловых потерях, полученные расчетным путем по результатам тепловизионных измерений, удовлетворительно (в пределах 7 %) согласуются с данными экспериментальных измерений тепловых потоков контактным методом.
Практическая значимость работы:
- разработанные математические модели могут быть использованы при проектировании светопрозрачных ограждающих конструкций и оценки их теплозащитных свойств;
- разработанный метод определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждения может быть применен в процессе комплексных энергетических обследований промышленных и общественных зданий и сооружений с целью разработки энергетического паспорта и мероприятий по энергосбережению.
На защиту выносятся:
- математическая модель «светопрозрачное ограждение – внешняя среда», учитывающая совместный лучистый и конвективный теплообмен светопрозрачных ограждающих поверхностей зданий с окружающей средой при заданных граничных условиях на наружных поверхностях ограждений;
- математическая модель «многослойная конструкция», описывающая процессы теплопереноса в светопрозрачной конструкции – однокамерном стеклопакете при заданных граничных условиях на внутренних и наружных поверхностях ограждений;
- расчетно-экспериментальный метод определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждающие конструкции промышленных и общественных зданий с применением тепловизионной техники;
- результаты экспериментальных исследований процессов переноса теплоты через светопрозрачные конструкции зданий с применением контактных и бесконтактных (тепловизионных) измерений;
- вывод о том, что предложенный расчетно-экспериментальный метод позволяет проводить количественные измерения тепловых потерь зданий через светопрозрачные ограждения с применением тепловизионного метода обследования.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих научных и научно–практических конференциях:
- 12 - 17 Международная научно–техническая конференция студентов и аспирантов: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2006 - 2011 г.г., Москва;
- Пятая Международная Школа–семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», 18–22 октября 2010 г., Москва;
- Пятая Российская Национальная конференция по теплообмену (РНКТ–5), 25–29 октября 2010 г., Москва.
Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 9 опубликованных работах, в т. ч. в 1 публикации в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 65 наименований, и приложений. Общий объем диссертации составляет 153 страницы, включая рисунки и таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении указывается на значительное превышение фактических теплопотерь зданиями и сооружениями над проектными значениями. Приводится сравнение эффективности энергопотребления России и зарубежных стран. Указывается на необходимость контроля и количественной оценки качества тепловой защиты зданий и сооружений с применением тепловизионной техники. Обработка результатов такого контроля производится по методикам, ссылки на которые приведены в тексте.
В первой главе проводится детальный анализ существующих методов определения тепловых потерь ограждающими конструкциями. Рассматриваются как расчетные, так и инструментальные методы. Отдельное внимание уделено методикам определения тепловых потерь ограждающих конструкций на основе тепловизионных измерений. Проанализированы немногочисленные экспериментально–исследовательские работы, в которых рассматривается влияние разных факторов на результаты тепловизионного контроля качества тепловой защиты ограждающих конструкций. Отмечены достоинства и недостатки данных методик и работ. Основным недостатком рассмотренных методик является ограниченное применение на практике, так как они позволяют проводить тепловизионный контроль только несветопрозрачных ограждающих конструкций. Однако, на современном этапе развития строительства все чаще и чаще в качестве ограждений используются светопрозрачные конструкции.
В главе также представлен краткий обзор оптических и теплозащитных характеристик различных марок оконных стекол.
Проведенный анализ существующих методов определения тепловых потерь и методик тепловизионного контроля тепловой защиты ограждающих конструкций позволил сформулировать основные задачи работы:
- разработать математические модели процессов переноса теплоты через светопрозрачные ограждающие конструкции зданий, учитывающие лучистый теплообмен, естественную и вынужденную конвекцию и позволяющие количественно определять тепловые потери через светопрозрачные конструкции, используя результаты тепловизионных измерений;
- провести экспериментальные исследования процессов переноса теплоты через светопрозрачные ограждающие конструкции с применением современной тепловизионной техники, с целью обоснования адекватности предложенных математических моделей;
- на основе разработанных математических моделей и результатов экспериментальных исследований, предложить метод для количественного определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждающие конструкции промышленных зданий с применением тепловизионной техники.
Во второй главе приведена математическая модель теплообмена в системе «светопрозрачное ограждение – внешняя среда», которая позволяет осуществить раздельный учет лучистого и конвективного потоков.
| Рис. 1. Геометрическая модель системы «светопрозрачное ограждение – внешняя среда» | Рис. 2. Два прямоугольника, расположенных под углом друг к другу |
На рис. 1 представлена геометрическая модель системы «светопрозрачное ограждение – внешняя среда», на базе которой исследуется теплообмен излучением.
Лучистая составляющая потока рассчитывалась по формуле:
 | (1) |
 | (2) |
Двойные индексы при угловых коэффициентах излучения обозначают номера поверхностей, между которыми происходит теплообмен излучением.
В основу расчета средних угловых коэффициентов положена формула, которая позволяет определить искомую величину для системы двух прямоугольников, образующих угол в 90 градусов и имеющих общую сторону (рис. 2):
 | (3) |
При наличии оконных откосов в формулу (1) вводилась поправка, которая учитывает частичное затенение окна откосами, используя угловой коэффициент для системы двух параллельных прямоугольных пластин представленных на рис. 3.
 |
| Рис. 3. Система из двух одинаковых параллельных прямоугольных пластин |
Формула для расчета углового коэффициента для системы тел, приведенной на рис. 3, имеет вид:
 | (4) |
В главе также приводится математическая модель конвективного теплообмена в системе «светопрозрачное ограждение – внешняя среда». Для описания конвективного теплообмена между светопрозрачным ограждением и внешней средой использована система дифференциальных уравнений конвективного переноса (в том числе естественного), включая уравнения неразрывности, сохранения импульса, сохранения энергии, кинетической энергии турбулентных пульсаций и диссипации турбулентной энергии.
Для решения задачи в данной постановке использовался программный комплекс PHOENICS. Данный программный продукт позволяет производить расчеты локальных значений и направлений скорости воздушных потоков, коэффициентов теплоотдачи, полей температур, давлений и т.д. Алгоритм основан на аппроксимации частных дифференциальных уравнений в частных производных конечными разностями на данном элементарном объеме. Для получения таких элементарных объемов рассчитываемая область покрывается ортогональной сеткой. Минимальная ячейка сетки, ограничивающая элементарный объем, должна быть меньше или, по крайней мере, равна минимальному физическому элементу, участвующему в данном процессе. При проведении расчетов использовалась стандартная k– модель турбулентности.
Обработка результатов расчета осуществлялась с использованием программ Phoenics Reader и MathCad 14. Для нахождения значения коэффициента теплоотдачи и величины конвективного теплового потока использовался следующий алгоритм:
- из файла результатов находилась скорость в первом контрольном объеме и определяется число Рейнольдса;
 ; | (5) |
- вычислялась итерационным методом величина SKIN
 ; | (6) |
- рассчитывалось местное касательное напряжение на стенке
 ; | (7) |
- определялся коэффициент трения из выражения
 ; | (8) |
- вычислялась величина STAN
 , | (9) |
где 
;
- находилось число Нуссельта
 ; | (10) |
- определялся коэффициент теплоотдачи
 ; | (11) |
- вычислялся тепловой поток
 . | (12) |
Также в главе рассматривается математическая модель «многослойная конструкция», которая позволяет рассчитывать одномерное стационарное температурное поле и поток теплоты, проходящий через модель стеклопакета при заданных (измеренных) температурах его поверхностей и внешних источников излучения.
 |
| Рис. 3. Распределение лучистых потоков в трехслойной системе при несимметричном её облучении. а). облучение левой стороны системы; б). облучение правой стороны системы; в). результирующие потоки излучения в системе |
Получены следующие математические зависимости, которые описывает процесс теплопереноса в многослойной конструкции:
 ,  | (13) |
 ,  ,  ,  | (14) |
 | (15) |
 | (16) |
Поток теплоты через воздушную прослойку стеклопакета можно рассчитать по следующей зависимости:
 | (17) |
где 
– суммарный коэффициент теплоотдачи в воздушной прослойке.
Конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи:
 | (18) |
Лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи:
 | (19) |
В третьей главе приводятся постановка задачи экспериментальных исследований и их результаты.
В состав оборудования, которое применялось для проведения экспериментальных исследований входит: тепловизор «ИРТИС–200»; тепловизор Thermo Tracer TH7700; инфракрасный термометр Testo 845; измеритель плотности тепловых потоков и температуры ИТП–МГ4.03–10 (3 канала на измерение плотности теплового потока, 7 каналов на измерение температуры поверхности); термогигрометр цифровой ТГЦ–МГ4; термоанемометр ТТМ–2–02; лазерный дальномер Leica DISTO A6.
Все указанные выше приборы прошли регистрацию, поверку, имеют соответствующие сертификаты и признаны годными к эксплуатации.
На момент проведения экспериментальных исследований погодные условия удовлетворяли требованиям нормативных документов (ГОСТ 26629–85, ВСН 43–96).
Экспериментальные исследования состояли из двух этапов: контактные измерения температуры в заранее определенных точках наружной и внутренней поверхностей ограждающей конструкции, в том числе и светопрозрачной, плотности теплового потока на внутренней поверхности светопрозрачного ограждения; тепловизионная съемка наружной и внутренней поверхностей ограждения. Пример результатов контактных измерений представлен на рис. 4., пример термограммы светопрозрачной ограждающей конструкции на рис. 5.
Результаты экспериментальных исследований с помощью тепловизионной техники являются исходными данными для расчета плотности теплового потока с поверхности светопрозрачного ограждения по математическим моделям, которые описаны в главе 2.
В главе приведены расчеты погрешностей определения температуры поверхностей при помощи тепловизионных и контактных измерений.
Погрешность определения температуры при помощи тепловизора «ИРТИС–200» состоит из методической и инструментальной. Методическая погрешность, в свою очередь, подразделяется на погрешность, которая обусловлена влиянием излучательной способности объекта, и на погрешность, которая вызвана фоновым излучением.
 | |
| Рис. 4. Изменение локальных значений температуры на внешних поверхностях элементов наружного ограждения во времени | |
 | |
| Рис. 5. Пример термограммы наружной поверхности светопрозрачного ограждения | |
Для определения излучательной способности объекта был использован метод пирометра, который позволяет определить значение W с погрешностью ± 10%.
Значение инструментальной погрешности в определении температуры поверхности рассчитывалось по формуле:
 | (20) |
 , |
где W – относительная погрешность задания W поверхности; b – калибровочная константа. Для тепловизора «ИРТИС–200» величина b составляет примерно 3000.
Фоновое излучение во время экспериментальных исследований отсутствовало.
Величина инструментальной погрешности определялась суммированием всех составляющих погрешности, имеющих случайный характер. Для упрощения расчета инструментальная погрешность была взята из паспорта измерительного прибора, который прошел государственную поверку и признан годным к эксплуатации.
Погрешность измерения температуры тепловизором «ИРТИС–200» составляет около ± 2 % (для рассмотренных экспериментальных исследований).
Исходными данными для определения погрешности измерения температуры контактным способом являлись экспериментальные табулированные значения температур, которые были получены при помощи прибора ИТП–МГ4.03–10 «Поток». Инструментальная погрешность прибора ИТП–МГ4.03–10 «Поток» (для канала температуры) составляет 0,2 оС. Среднее значение серии измерений определялось по формуле:
 , | (21) |
где tn – отсчет величины t, N – число отсчетов.
 оС |
Среднее квадратическое отклонение отсчета вычислялось по формуле:
 | (22) |
 |
Выборочное среднее квадратическое отклонение среднего значения определялось по формуле:
 | (23) |
 |
Коэффициент доверия для заданной надежности и полученного числа отсчетов (>20) составляет 0,95. Случайная погрешность измерений равна:
 , | (24) |
где ta – безразмерный коэффициент доверия (коэффициент Стьюдента).
 оС |
Полная погрешность (абсолютная) равна:
 , | (25) |
где a – инструментальная составляющая погрешности; x – случайная составляющая погрешности.
 оС |
Относительная погрешность составляет:
 , | (26) |
 % |
Погрешность определения температуры различных поверхностей (наружная и внутренняя поверхности ограждений, поверхность отопительного прибора) составила от 1,0 до 14,3 %.
В четвертой главе приводятся результаты расчетно-экспериментальных исследований процессов теплопереноса в рассматриваемых системах «светопрозрачное ограждение – внешняя среда» и «многослойная конструкция» на основе математических моделей, приведенных в главе 2.
Существенной частью предлагаемого расчетно-экспериментального метода определения тепловых потерь является расчет коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности светопрозрачного ограждения. С целью тестирования расчетного программного продукта применительно к условиям проведения экспериментов была рассмотрена модельная задача конвективного теплообмена на вертикальной поверхности при вынужденном ее обтекании потоком воздуха. Расчетная область занимала определенную зону поверхности, моделируя геометрическое положение светопрозрачной конструкции. По результатам сравнения значений локальных коэффициентов теплоотдачи, полученных при помощи программного комплекса PHOENICS, и известных эмпирических формул расхождение составило не более 11,8 %. Данный результат является удовлетворительным и позволяет проводить расчет процессов конвективного теплообмена в данном программном комплексе.
Для проверки адекватности математических моделей использовались данные, полученные в результате обработки термограмм. Пример такой обработки приведен на рис. 6.
 Рис.6. Локальные значения температур, полученных тепловизионным и контактным методами |
Объект экспериментальных исследований представлял собой окно, разделенное на три секции («камеры»). На рис. 7 представлено распределение плотности теплового потока qц.ост по внутренней поверхности центрального остекления светопрозрачного ограждения, построенное в результате аппроксимации данных, полученных с помощью датчиков.
 |
| Рис. 7. Распределение плотности теплового потока на внутренней поверхности центральной части окна |
Лучистая составляющая теплового потока была рассчитана по формуле (1). Значения углового коэффициента для одного из экспериментов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения угловых коэффициентов излучения
Значение лучистой составляющей плотности теплового потока составило 57,4 Вт/м2.
Конвективная составляющая плотности теплового потока рассчитывалась при помощи программного комплекса PHOENICS. На рис. 8, в качестве примера, представлены результаты расчета полей скорости воздуха для одного из экспериментов.
Среднее значение конвективной составляющей коэффициента теплоотдачи у наружной поверхности светопрозрачного ограждения, рассчитанное по алгоритму, приведенному выше, составило 1,13 Вт/(м2.К).
Рис. 8. Поле скоростей воздуха в характерных сечениях при обтекании здания
Обработка результатов, полученных в программном комплексе PHOENICS, проводилась при помощи программы Phoenics Reader. Результат такой обработки приведен на рис. 9.
Рис. 9. Изменение локальных значений коэффициентов теплоотдачи по высоте рассматриваемого здания, цифрами обозначены скорость набегающего потока (1 – 1 м/с, 2 – 2 м/с, 3 – 3 м/с, 4 – 4 м/с, 5 – м/с, 6 – 6 м/с)
В таблице 2 представлены результаты расчета тепловых потерь с поверхности светопрозрачного ограждения для условий экспериментов.
Таблица 2
Расчетные и измеренные величины плотности теплового потока
| qПоток, Вт/м2 | qМодель, Вт/м2 | qК, Вт/м2 | qЛ, Вт/м2 | q, % | ||
| Эксперимент №1 | 42,9 | 41,9 | 16,9 | 25 | 2,35 | |
| Эксперимент №2 | 64,6 | 62,2 | 4,8 | 57,4 | 3,7 | |
Сравнение qМодель, рассчитанное при помощи математических моделей, и qПоток, измеренное прибором ИТП–МГ4.03–10 «Поток», который предназначен для измерений и регистрации плотности тепловых потоков, а также температур поверхностей и (или) окружающих их газообразных сред, показало незначительное расхождение, не превышающее в данном случае 4 %. Это подтверждает возможность обработки результатов термограмм и расчетно-экспериментального определения потерь через ограждение по предложенным моделям.
Математическая модель «многослойная конструкция» также позволяет получить значения qМодель. Для определения одномерного стационарного температурного поля и потока теплоты, проходящего через модель стеклопакета при заданных температурах его наружных поверхностей и внешних источников излучения, также использовались результаты экспериментальных исследований.
Для расчета значения qМодель использовались оптические характеристики оконных стекол, которые были взяты из технической документации. Оптические характеристики представлены в таблице 3.
Таблица 3
Оптические характеристики исследуемых стеклопакетов
| Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания стекол стеклопакета 4F-16Air-4F | Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания стекол стеклопакета 3F-78Air-3F | ||||||||||
| № | Величина | 1-ое стекло | 2-ое стекло | № | Величина | 1-ое стекло | 2-ое стекло | ||||
| слева | справа | слева | справа | слева | справа | слева | справа | ||||
| 1 | r | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 1 | r | 0,08 | 0,08 | 0,08 | 0,08 |
| 2 | a | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 2 | a | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 |
| 3 | 0,89 | 0,89 | 0,89 | 0,89 | 3 | 0,89 | 0,89 | 0,89 | 0,89 | ||
В расчетах коэффициентов отражения и пропускания с учетом многократных отражений (рис. 3) использовались формулы:
, 
, 
, 
, 
, 
Потоки излучения от внешних источников, расположенных слева и справа от стеклопакета, Вт/м2:
, 
, 
, 
, 
, 
Расчетные выражения для определения распределения температуры по сечению стекол в стеклопакете имеют вид:
 | (27) |
 | (28) |
Расчетные значения температур поверхностей стекол приведены на рис. 10, 11.
 |  | |
| Рис. 10. Значения температуры на поверхностях стекол (эксперимент №1) | Рис. 11. Значения температуры на поверхностях стекол (эксперимент №2) |
Расчетные (по формуле 17) и измеренные значения плотности теплового потока приведены в табл. 4.
Таблица 4
Расчетные и измеренные величины плотности теплового потока
| qПОТОК, Вт/м2 | qМодель, Вт/м2 | q, % | |
| Эксперимент №1 | 42,9 | 39,93 | 6,9 |
| Эксперимент №2 | 62,2 | 59,0 | 5,1 |
Математическая модель «многослойная конструкция» позволяет рассчитать плотность теплового потока с поверхности светопрозрачного ограждения без применения программных комплексов, таких как PHOENICS, FLUENT, ANSYS, что позволяет сэкономить время. Для использования данной модели не требуются специалисты с высокой квалификацией, вполне достаточно базовых знаний программы Mathcad, в которой можно реализовать данную модель. Однако, точность данной модели ниже, чем модели «светопрозрачное ограждение – внешняя среда». Кроме того применение модели «многослойная конструкция» требует детальных данных о фактических терморадиационных и оптических свойствах светопрозрачного ограждения.
По результатам проведенных исследований можно предложить следующие рекомендации по применению тепловизионной техники для определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждающие конструкции. Подготовка и проведение обследования включают:
- ознакомление с проектом ограждающих конструкций;
- визуальный осмотр объекта;
- установку точек съемки тепловизора;
- регистрацию видимых дефектов;
- определение излучательной способности поверхностей;
- регистрацию метеоусловий (перепад температур между наружным и внутренним воздухом не менее 10 оС. Отсутствие атмосферных осадков);
- тепловизионную съемку внутренних и наружных поверхностей ограждающих конструкций;
- регистрацию внутренних параметров.
Обработка результатов обследования проводится в следующей последовательности:
- обработка файлов термограмм;
- выделение на термограмме областей, которые соответствуют типам ограждающих конструкций;
- вычисление инструментальной и методической погрешностей определения температуры поверхности;
- расчет плотности теплового потока: 1) по математической модели конвективного и лучистого теплообмена в системе «светопрозрачное ограждение внешняя среда»; 2) по математической модели «многослойная конструкция»;
- определение термического сопротивления ограждающей конструкции.
Выводы
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Анализ существующих методик и математических моделей определения тепловых потерь через наружные ограждения зданий с помощью тепловизионной техники показал:
- существующие методики использования тепловизора для экспериментальных измерений не учитывают особенностей теплообмена светопрозрачных ограждений с окружающей средой, и могут быть использованы только для получения качественной картины температурного поля ограждений. Количественные значения плотности теплового потока, используя существующие методики, определить нельзя;
- математические модели не учитывают теплообмен излучением между светопрозрачным ограждением и близлежащими зданиями, поверхностью земли и «небом», однако, пренебрежение этим механизмом теплообмена вносит серьезную ошибку в значение плотности теплового потока с поверхности светопрозрачного ограждения.
2. Разработанная математическая модель «светопрозрачное ограждение – внешняя среда» впервые учитывает совместный лучистый и конвективный теплообмен светопрозрачных ограждающих поверхностей зданий с окружающей средой и граничные условия на наружных поверхностях ограждений.
3. На основе предложенной модели разработан расчетно-экспериментальный метод определения тепловых потерь через светопрозрачные ограждающие конструкции промышленных зданий с применением тепловизионной техники. Метод позволяет определить тепловые потери зданий через светопрозрачные ограждения по тепловизионным снимкам температурных полей наружных поверхностей. Метод учитывает реальную форму здания, оптические и терморадиационные свойства поверхностей теплообмена, условия наружной среды. Для объектов экспериментальных исследований расхождение между значениями плотности теплового потока, измеренной контактным способом и полученной расчетно-экспериментальным методом, не превышает 4 %.
4. Разработанная математическая модель «многослойная конструкция» позволяет описать процессы теплопереноса в светопрозрачной конструкции – однокамерном стеклопакете при граничных условиях на внутренних и наружных поверхностях ограждения.
5. Получены экспериментальные данные (геометрические характеристики объекта, температурное поле, метеорологические характеристики окружающей среды), которые использовались в разработанном расчетно-экспериментальном методе, для определения тепловых потерь. Показано, что предлагаемый расчетно-экспериментальный метод позволяет проводить количественные измерения тепловых потерь зданий через светопрозрачные ограждения с применением бесконтактного метода тепловизионного обследования. Количественные данные о тепловых потерях, полученные расчетно-экспериментальным методом по результатам тепловизионных измерений согласуются с данными измерений контактным способом в пределах 7 %.
Основные обозначения
Вт/(м2.К4) – постоянная Стефана–Больцмана; пр – приведенная степень черноты; W – степень черноты поверхности тела; – угловой коэффициент излучения; t – температура излучающей или поглощающей поверхности, оС; U – скорость движение воздуха в контрольном объеме, м/с; y – координата контрольного объема; – коэффициент кинематической вязкости, м2/с; U– скорость движения воздуха, м/с; – коэффициент теплопроводности, Вт/м2.К; T – температура воздуха, оС; Tw – температура стенки, оС; k1, k2 – спектральный показатель поглощения, ai – коэффициент поглощения i-стекла, i – коэффициент пропускания i-стекла, ri – коэффициент отражения i-стекла, q1inLi – плотность потока излучения, вошедшего в i–ое стекло с левой стороны, Вт/м2; q1inRi – плотность потока излучения, вошедшего в i–ое стекло с правой стороны, Вт/м2; qВП – суммарная плотность теплового потока через воздушную прослойку стеклопакета, Вт/м2; сi – коэффициент теплопроводности i–го стекла, Вт/м.К; L.ВП – температура левой границы воздушной прослойке, оС; tсi – температура поверхности стекла, оС; R.ВП – температура правой границы воздушной прослойке, оС; b=0,81+0,01.ср – температурный коэффициент; ср – средняя температура теплообменивающихся поверхностей, оС.
Основные положения опубликованы в следующих работах:
- В. С. Глазов, М. В. Горелов, И. В. Яковлев. Определение тепловых потерь через светопрозрачные ограждения зданий методом математического моделирования и тепловизионного обследования// Вестник МЭИ. –2010. –№1. –С. 6–12.
- Горелов М. В., Данилов О. Л. Особенности расшифровки тепловизионных изображений при определении тепловых потерь ограждающими конструкциями зданий// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 12 Межд. научно-техн. конф. студ. и асп.–М.: Издательство МЭИ. –2006. –Т. 2.–С. 446–447.
- Горелов М. В., Данилов О. Л. Определение теплового потока с поверхности светопрозрачных ограждающих конструкций// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 13 Межд. научно-техн. конф. студ. и асп.–М.: Издательство МЭИ–2007.–Т. 2. –С. 471–472.
- Горелов М. В., Яковлев И. В. Экспериментальные исследования тепловых потерь светопрозрачных конструкций тепловизионным методом// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 14 Межд. научно-техн. конф. студ. и асп.–М.: Издательство МЭИ–2008. –Т. 2.–С. 375–376.
- Горелов М. В., Яковлев И. В. Математические модели расчета теплообмена системы «Светопрозрачное ограждение – Внешняя среда»// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тез. докл. 15 Межд. научно-техн. конф. студ. и асп.–М.: Издательство МЭИ–2009.–Т. 2.–С. 409–410.
- Горелов М. В., Глазов В. С. Математическая модель теплопереноса через светопрозрачное ограждение// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 16 Межд. научно-техн. конф. студ. и асп.–М.: Издательский дом МЭИ–2010.–Т. 2.–С. 440–441.
- Хоровских И. Ю., Горелов М. В., Яковлев И. В., Глазов В. С. Определение теплового потока с поверхности светопрозрачного ограждения с использованием тепловизионных измерений// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 17 Межд. научно-техн. конф. студ. и асп.–М.: Издательский дом МЭИ–2011.–Т. 2.–С. 541–542.
- В. С. Глазов, М. В. Горелов, И. В. Яковлев. Моделирование тепловых потерь через светопрозрачные ограждения зданий с применением тепловизионных измерений// Российская национальная конференция по теплообмену: Тр. V-й. конф., в 8-и томах.–М.: Издательский дом МЭИ–2010.–Т. 8.–С. 77–80.
- М. В. Горелов, В. С. Глазов, И. В. Яковлев. Определение тепловых потерь через светопрозрачные ограждения зданий с применением тепловизионных измерений// Энергосбережение – теория и практика: Тр. V-ой Всерос. Школы-семинара молодых ученых и специалистов.–М.: Издательский дом МЭИ–2010. –С. 47–50.
Подписано в печать Зак. Тир.100 П.л.
Полиграфический центр МЭИ (ТУ)
Красноказарменная ул., д.13
