Сабидуллаева М.М.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ СТРОЕНИЯ *
Аннотация:
в данной статье представлены новые экспериментальные методики измерения теплопроводности материалов, широко применяемые в строительстве. Главной целью данной работы является анализ существующих методов определения тепловых характеристик строения, обусловленных тепловыми свойствами строительных материалов, а также рассмотрение их пригодности для различных инженерных задач и технологий, таких как теплопроектирование, численное моделирование и определение теплопотерь.
Ключевые слова:
теплоизоляция, критерии, определение характеристик
Учитывая активное участие в развитии энергоэффективности, тепловое проектирование зданий играет ключевую роль в регулировании энергопотребления для обеспечения теплового комфорта в течение всего года. Эффективный контроль этого параметра тесно связан с правильным выбором материалов (типа, размеров и т.д.), используемых при строительстве здания.На сегодняшний день многие исследования направлены на оптимизацию теплоизоляции и конструкции стен зданий. Mahlia [1] установили связь между теплопроводностью изоляции и оптимальной толщиной, представленной полиномом второго порядка. Comakli и Yu?ksel [2], опираясь на жизненный цикл зданий в более холодных городах, определили оптимальную толщину утеплителя для наружных стен. Al-Khawaja [3] определил оптимальную толщину для каждого типа изоляции, используя общую стоимость потребляемой энергии и изоляции в жарких странах в качестве критерия оптимизации. Al-Sanea и остальные [4], используя динамическую модель теплопередачи, исследовали влияние тарифа на электроэнергию на оптимальную толщину изоляции здания в Саудовской Аравии. Lollinia и другие [5] провела исследование для определения оптимального уровня изоляции в новых зданиях с учетом энергетических, экономических и экологических аспектов.Тема роли тепловой инерции здания широко обсуждается в литературе. Например, в работе Balaras [6] отмечается важность тепловой массы для охлаждающей нагрузки здания. Автор провел обзор инструментов моделирования, используемых для расчета тепловой нагрузки и температуры внутри здания, учитывая эффект тепловой инерции. Аsan и Sancaktar [7] выявили влияние теплофизических свойств стен на задержку и затухание тепловой волны, а Ulgen [8] предложил использовать многослойные стены с изоляцией для зданий, используемых длительное время, и однослойные стены для зданий с периодическим использованием.Antonopoulos и Koronaki [9] определили кажущуюся и эффективную емкость для характеристики динамики здания. Другие исследователи, такие как Asan [10] и [11] и Bojic и Loveday [12], подчеркнули важность расположения изоляционного слоя в стене для динамического поведения зданий, а также проанализировали влияние распределения изоляции и каменной кладки в стене с тремя слоями на энергопотребление для отопления и охлаждения.Thomas и McKinley. [13] представил процедуру оптимизации тепловых параметров здания, используя численное решение прямой модели и алгоритм Reflective-Newton. Sambou и соавторы [14] разработали модель, основанную на методе теплового квадруполя в сочетании с эволюционным многоцелевым генетическим алгоритмом, с целью найти компромисс между теплоизоляцией и тепловой инерцией стены, представленный в виде фронта Парето.Цель нашего исследования заключается в анализе существующих методов определения тепловых характеристик зданий, обусловленных тепловыми свойствами строительных материалов.Существует несколько подходов к измерению теплопроводности, применяемых в научных исследованиях. Общими методами являются стационарные и методы с переходными или нестационарными режимами [15, 16]. Оба этих метода применимы в ограниченном диапазоне материалов и основаны на фундаментальных законах теплопроводности, а также принципах электрической аналогии. Традиционно предпочтение отдавалось стационарным методам из-за их математической простоты. Важно отметить существенное различие между стационарными и переходными методами. Переходные методы теплопередачи способны напрямую измерять коэффициент температуропроводности, в то время как стационарные методы считаются более точными при тестировании сухих материалов [17].Метод стационарного измерения применяется для регистрации измерений в тот момент, когда тепловое состояние материала подвергаемого испытания достигает полного равновесия. Полное равновесие достигается, когда температура в каждой точке образца остается постоянной и не изменяется со временем. Однако недостатком этого метода является то, что обычно требуется значительное количество времени для достижения необходимого уровня равновесия. Этот метод также требует дорогостоящего оборудования, так как обычно необходима хорошо спроектированная система экспериментальной установки. Тем не менее, следует отметить, что это основной и наиболее точный метод измерения.В отличие от стационарного метода, нестационарный или переходный метод регистрирует измерения в процессе нагрева. Этот метод определяет теплопроводность материала с использованием датчиков, измеряющих переходные процессы. Преимущество переходного метода заключается в том, что такие измерения могут быть выполнены относительно быстро, что предоставляет преимущества перед методами, основанными на достижении стационарного состояния [18]. В связи с этим было предложено множество решений для уравнения переходной теплопроводности, включая случаи с использованием одно-, двух- и трехмерной геометрии [18]. В переходных методах обычно применяются игольчатые зонды или провода.В сравнении с транспортом, использующим электричество или тепловую энергию, коэффициенты теплопроводности при оптимальных условиях теплопроводности и изоляции представляют собой существенные и определяющие величины. Следовательно, приборы для измерения тепловых свойств часто проектируются с учетом конкретных видов материалов или температурных диапазонов. В таблице 1 представлено сравнение наиболее распространенных методов измерения теплопроводности [18]. Измерительные системы также могут быть классифицированы по трем категориям в зависимости от рабочей температуры устройства: (1) функционирование при комнатной температуре (20-25°C), (2) работа при температуре ниже комнатной (приблизительно до -180°C) и (3) операции при повышенной температуре (до 600°C или выше) [18]. Измерительная система обычно оптимизирована для одного из указанных температурных диапазонов.Таблица 1. Сравнительный анализ методов измерения теплопроводности. Для измерения коэффициента теплопроводности применяются четыре основных типа измерительных установок: защищенная испарительная пластина (GHP), измеритель теплового потока (HFM), горячая проволока и коэффициент рассеяния лазерной вспышки [19]. Выбор инструмента/метода зависит от различий в технике, типе материала, предполагаемом размере образца, времени измерения, возможностях и методологии измерения [20].Для анализа теплопередачи изоляции обычно используют защищенную испарительную пластину или измеритель теплового потока. Метод горячей проволоки и оплавления включает использование специальных устройств для консолидации образцов изоляции. Метод лазерной вспышки часто применяется при исследовании высокопроводящих керамических материалов, металлов и определенных композитов [21]. Для измерения теплопроводности крупных образцов огнеупорных материалов применяют системы с горячей проволокой [21].Стационарные методы измерения теплопроводности применяют закон теплопроводности Фурье. Для упрощения математического анализа задачи теплопередачи трансформируют в одномерную постановку. Расчеты адаптируются к геометрии бесконечных плит, цилиндров и сфер. Различные типы измерений теплопроводности различают по геометрии образца, конфигурации измерительной системы и величине теплопроводности. Тепловые характеристики объекта измерения определяются методами, использующими направление теплового потока, сохранение теплового потока и вспомогательный слой с известными тепловыми свойствами [22].Среди преимуществ стационарного метода отмечается простое математическое выражение, абсолютность и пригодность для образцов с низкой электропроводностью, а также приемлемые временные затраты. Он также частично подходит для различных форм образцов и обладает низкими погрешностями (1-2%) для изоляционных материалов при комнатной температуре. С другой стороны, метод сопряжен с сложностью устройства с высокой точностью, высокими погрешностями (10% и выше), затратами времени на измерения, а также сложностью в случае образцов геометрической формы и проблемами, такими как потери тепла. Также выделяется сложность измерения теплового потока для двух образцов.Преимущества переходных методов в основном обусловлены относительно небольшим временным интервалом, что позволяет получать разнообразные тепловые параметры в процессе измерения. Этот метод основан на анализе сигнала при малом изменении температуры и измеряется через оценку обратной связи после передачи сигнала на образец для определения тепловых свойств материала.Продолжительность времени тестирования при переходных методах измерения составляет несколько минут или субсекунд, что представляет собой его важное отличие. Данный метод также применим в случае материалов с высоким содержанием влаги, благодаря чувствительности сигнала и отклика образца. Во многих сценариях возможно заменить измерения температуры на двух противоположных поверхностях анализом зависимости от времени в одной точке образца [18].Среди переходных методов измерения теплопроводности различных материалов, перечисленных в таблице 1, широко используются методы горячей проволоки и лазерной вспышки. Модификацией метода горячей проволоки является метод горячей полосы или диска, который применяется к твердым неэлектропроводящим материалам для измерения их теплопроводности и электропроводности [20].Таким образом, в данной статье представлен обзор прогресса в исследованиях методов измерения теплопроводности материалов, с учетом их эффективности для изоляционных материалов. Моделирование позволяет выявить сходства и различия методов в зависимости от наличия стационарных состояний. Методы классифицируются как стационарные и с переходными процессами, основанные на установлении постоянной температуры и градиента сигнала. Предпочтительными методами измерения теплопроводности являются метод защищенной горячей пластины, метод теплового потока, а также методы горячей проволоки/диска и лазерной вспышки. Важно учитывать анизотропию материалов и подбирать методы в соответствии с конкретными условиями и требованиями конструкций. Существующие теоретические модели, основанные на различных структурных подходах, предоставляют инструменты для более глубокого понимания поведения пористых материалов. Стандартизация методов измерения теплопроводности становится важным направлением для будущих исследований, с учетом разнообразия материалов и необходимости обеспечения точности измерений.
Номер журнала Вестник науки №3 (72) том 1
Ссылка для цитирования:
Сабидуллаева М.М. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СВОЙСТВ СТРОЕНИЯ // Вестник науки №3 (72) том 1. С. 563 - 573. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/13234 (дата обращения: 19.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+