Как видно из вышеприведенных графиков, все без исключения тепловые потери, рассчитанные теоретически на основании значений К0, на 15—25% больше действительных. Так обстояло дело, когда для расчетов брали внутреннюю температуру, измеренную посредине комнаты на высоте 1,5 м от пола. В поисках объяснения этого расхождения обратили внимание на разность внутренней и наружной температур, т. е. на Δt. При предварительных контрольных измерениях было установлено, что температура на разных высотах в комнате меняется не линейно и что указанная температура в середине комнаты не соответствует средней температуре в комнате.
Но чтобы доказать это на основании точных измерений, в доме VI стали производить измерения вдоль поверхностей стен. Для температурных измерений применялись медно-константановые термоэлементы, количество которых достигало 100, когда исследования были наиболее широкими.
Методика измерений
При точных измерениях циркуляция воздуха может вызвать решающие помехи. Чтобы избежать этого, нагреватели были расположены в четырех разных точках. В каждой группе имелось по пять батарей, причем они были подключены таким образом, чтобы количество тепла, отдаваемое каждой группой, было всегда одинаковым. Чтобы избежать подогрева батарей и вызванной этим местной радиации, батареи были включены последовательно и так, что температура каждой не превышала 35°. За батареями поместили алюминиевую фольгу во избежание излучения тепла непосредственно на точки замеров.
По мере необходимости батареи можно было симметрично выключать из сети.
Расположение батарей показано на рис. 89. Такой системой удалось достичь настолько равномерного распределения тепла, что никаких мешающих воздушных потоков не было замечено.
Как уже выше упоминалось, в качестве термометров использовались медно-константановые термоэлементы. Они были помещены в пробирках, которые примерно наполовину были залиты хозяйственным спиртом. Цель этого устройства заключалась в том, чтобы придать точке замера некоторую теплоемкость, чтобы мгновенное, случайное изменение температуры не влияло на результаты измерений. Пробирки были прижаты плотно к поверхности стен с тем, чтобы их температура точно соответствовала температуре стены. Позже было произведено сравнение между показателями термоэлементов в этих пробирках и термоэлементов, прижатых непосредственно к стене. При этом было установлено, что между ними имеется маленькая разница — Δ, которая на графике рис. 90 представлена как функция от tк—tн.
Расположение термометров
Расположение термоэлементов видно из рис. 89. Посередине всех стен, а также по углам было размещено по четыре термоэлемента на равных расстояниях друг от друга. Верхняя точка измерения находилась на расстоянии 10 см от потолка, а нижняя — 10 см от пола. Пронумерованные термоэлементы были размещены следующим образом:
- стена А — элементы 1—4;
- угол В — элементы 5—8;
- степа С — элементы 9—12;
- угол D — элементы 13—16;
- стена Е — элементы 17/1—17/4;
- угол F — элементы 17/5—17/8;
- стена С — элементы 17/9—17/12;
- угол Н — элементы 17/13—17/16.
Посредине опытного дома была устроена лестница из ртутных термометров, расположенных на расстоянии около 30 см друг от друга. Верхний термометр соприкасался с потолком, а нижний — находился на полу. К каждому термометру для контроля был присоединен термоэлемент (18/0—18/8). Кроме того, на месте будущих окон были установлены одна измерительная точка снаружи и четыре внутри в соответствии с рис. 91. При этом на месте первого окна были установлены измерители 18/12—18/16, на месте второго — измерители 19/4—19/8 и на месте третьего — измерители 19/9—19/13.
За наружной температурой велось наблюдение при помощи элемента 21, за температурой на чердаке — 22 и под полом — 23. Рядом с термоэлементом 21 был контрольный прибор (ртутный термометр), показания которого записывались всегда в начале каждой серии наблюдений (tн).
Позже.были сделаны следующие дополнения и изменения.
После того как были сделаны окна, перед окном I1 (рис. 92) в 2 см от его поверхности были установлены три точки измерения следующим образом: 18/9 в верхней части, 18/10 — посредине и 18/11 — внизу и соответственно у второго окна: 19/1 наверху, 19/2 — посредине и 19/3 — внизу.
У третьего окна были установлены следующие приборы: 20/9 и 20/12 — наверху, 20/11 — посредине, а 20/10 и 20/13 — внизу. Кроме того, были еще установлены приборы 20/6 в верхней части и приборы 20/7 и 20/8 посредине. Окончательное расположение приборов у третьего окна видно на рис. 92.
16/11 1953 г. в воздушном пространстве второго окна были установлены точки измерения: 19/6 — в нижней части, 19/10 — в верхней и 19/11 — посредине; на внутренней поверхности внутреннего стекла приклеили еще элементы 19/12 — внизу, 19/13 — наверху и 19/14 — посредине.
28 февраля началось измерение поверхностного сопротивления и тогда расположение точек измерения было изменено следующим образом:
Правильный теоретический метод расчета тепловых потерь и получаемые результаты
Как показывают результаты измерений, температура поверхности стен понижается весьма резко сверху (с потолка) вниз. На графике рис. 93 показано изменение температуры средних линий стен и углов при температуре в середине комнаты t'к — 20,0° и при наружной температуре t'и — 10,0°. Из графика видно, что средняя температура колеблется между значениями 16,7—18,8°. Если предположить, что температура меняется прямолинейно между точками измерения, то получится средняя температура стенных поверхностей в соответствии с графиком рис. 94. Средние значения на отдельных стенах получились следующие: стена DF=17,2°, BD=17,5°, FH=17,5°, HGB=17,6°.
Из этих значений получается средняя температура для поверхностей всех степ 17,45°С.
Учитывая значения Δt (см. рис. 90 справа, внизу), получаем следующие средние значения температуры t для различных поверхностей при tк=+20° и tи=—10°:
Если еще принять во внимание разницу между значениями температуры, показанную в точках измерения № 22 и № 23 (на чердаке и под полом) и наружной температурой (график рис. 95), получаем следующие разницы температур:
Ранее были определены площади этих поверхностей и значения К0:
Поскольку значения внутренней температуры рассчитаны при помощи термоэлементов, прикрепленных непосредственно к стене, из значений К0 необходимо вычесть внутреннее поверхностное сопротивление ms. Тогда получаем следующие значения для К0:
Таким образом, получаем следующие значения для теоретических тепловых потерь:
Измеренное значение равно 965 ккал/час. Значит, разница равна 16 ккал/час, или только 1,8%.
На графике рис. 63 рассчитанная таким образом теоретическая кривая расхода тепла обозначена QPтеор.
Разница, полученная в результате вышеприведенного расчета (1,8%), настолько мала, что точность расчета можно считать совпадающей с точностью приборов.
В домах I, II и IV были произведены такого же рода дополнительные измерения, при которых использовалось 20 ртутных термометров. Эти исследования дали примерно такие же результаты, как и исследования в доме VI.
Измерения поверхностного сопротивления
На графике рис. 90 изображено изменение температуры вблизи поверхности. По этим данным можно подсчитать термическое сопротивление внутренней поверхности ms.
Если температура внутренней поверхности стены на 1,3° ниже температуры внутреннего воздуха и разность температур внутреннего и наружного воздуха составляет 20°, то термическое сопротивление внутренней поверхности стены может быть определено из следующего равенства:
где:
Для данной стены m=2,20 м2·час·град/ккал, значит m'=2,06 м2·час·град/ккал. Отсюда
В литературе для ms дается значение 0,13 м2·час·град/ккал. Для сравнения можно отметить, что в Норвегии принимается ms=0,15 м2·час·град/ккал.