Метрологическое обеспечение теплофизических свойств светопрозрачных ограждающих конструкций

Госстрой является одной из немногих организаций, которым дано право выпускать свои ГОСТ наравне с Госстандартом. В том числе и на аппаратуру для измерения теплофизических свойств строительных материалов и конструкций. Метрологические характеристики этой аппаратуры обеспечиваются эталонными средствами Госстандарта. Государственные первичные эталоны, предназначенные для хранения и воспроизведения единиц теплопроводности и теплоемкости при используемых в строительстве температурах, находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии {ВНИИМ} им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге.
Теплофизическая аппаратура в советские времена «врабатывалась и создавалась предприятиями Министерства приборостроения и Госстандарта(Государствен¬ное специальное конструкторское бюро теплофизического приборостроения в Ленинграде и завод «Эталон» в Актюбинске). Рабочие эталоны и соответственно право на поверку этой аппаратуры имели Центры стандартизации и метрологии в Москве, Ленинграде, Киеве и Новосибирске. В настоящее время поверенный в установлен¬ном порядке рабочий эталон теплопроводности сохранен лишь во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
После развала СССР структура производства теплофизических приборов была полностью разрушена, а созданный ранее парк приборов физически изношен и морально устарел. Вместе с тем, перед страной во весь рост встала проблема энергосбережения. На конференции «Энергетика Северо-Запада России» в 1998 г. было отмечено, что энергоемкость валового национального продукта в России в 3-4 раза выше, чем в Западной Европе. В северных странах на отопление жилых помещений расходуют примерно 30% общего объема потребляемой энергии. Поэтому снижение тепловых потерь является ключевой составляющей в энергосбережении.
В 1999 г. Госстрой утвердил новые ГОСТ, направленные на применение в строительстве энергосберегающих конструкций и материалов. Их теплофизические свойства предлагалось измерять с точностью, которая в несколько раз превышала точность имеющихся в стране рабочих приборов. В такой ситуации сакраментальная фраза «несоблюдение ГОСТ преследуется по закону» просто повисала в воздухе. Поэтому в том же 1999 г. ВНИИМ приступил к созданию новых эталонов и организации производства прецизионных рабочих приборов для измерения теплофизических свойств ограждающих конструкций и эффективных теплоизоляторов [2]. Решиться поднимать такой пласт проблем в условиях практически полного отсутствия бюджетного финансирования было весьма нелегко для обеих организаций. Однако благодаря совместным усилиям поставленную задачу в основном удалось решить уже к настоящему времени.
Основополагающими документами, определяющими теплофизические свойства ограждающих конструкций и материалов, являются:

• ГОСТ 26602.1-99 Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче.
  
• ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.1
  
• ГОСТ 23166-99 Блоки оконные. Общие технические условия.
  
• ГОСТ 30673-99 Профили поливинилхлоридные для оконных и дверных блоков. Технические условия.
  

Проанализируем, насколько хорошо согласованы между собой метрологические параметры перечисленных ГОСТ.
Согласно ГОСТ 26602.1-99 термическое сопротивление однородного образца (однородной зоны) R_k измерении плотности теплового потока с помощью тепломера q определяют по формуле
R_K = (t_B-t_H)/q, (1)
где t_B, t_H- измеренные термопарами температуры соответственно внутренней и наружной поверхностей образца. Для проведения испытаний применяют

• термопары по ГОСТ 1790-77, отградуированные в установленном порядке, то есть с предельным отклонением от номинальной статической характеристики преобразования e₁(t) = 1,5 °С (1 класс допуска) или e₂(t) = 2,5 °С (2 класс допуска);
  
• тепломеры по ГОСТ 25380-82, которые как рабочие средства измерения в соответствии с государственной поверочной схемой (МИ 1855-88) в лучшем случае имеют погрешность e(q) = 4 %.
  

Запишем формулу (МИ 1552-86) для оценки погрешности результата измерения термического сопротивления:
(2)
При использовании термопар 1-го класса допуска для измерения разности температур t_B- t_H аналогично имеем ε_l(t_B-t_H)=ε_l(t)2 , или ε₁(t_B-t_H)=2,1°C . При обычной разности температур на внутренней и внешней поверхности образца 30 °С получим в процентном выражении ε(t_B-t_H)=7% ε (R_k)=8,1% . (В случае применения термопар 2-го класса допуска эта погрешность составит 9,2%.)
Приложение А (справочное) ГОСТ 26602.1-99 регламентирует допустимое значение методической погрешности определения термического сопротивления для эталонного заполнения проема климатической камеры не более Θ_м= 5%. Таким образом, даже при использовании лучшего испытательного оборудования, вероятность того, что термическое сопротивление испытуемого образца будет измерено с заданной погрешностью, весьма невысока.
Допустим, однако, что поверка средств измерений при эталонном заполнении проема климатической камеры случайно прошла успешно. В качестве эталонного заполнения проема климатической камеры используют плоскопараллельную пластину (эталонную меру) из полиметилметакрилата. Она должна быть аттестована в установленном порядке, то есть по рабочему эталону, имеющемуся, как было указано выше, только во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Погрешность аттестации эталонной меры в соответствии с МИ 1605-87 обычно равна Θ_о= 3%. Эта составляющая суммарной погрешности в каждом испытательном центре (лаборатории) является систематической, поскольку при поверке используется одна и та же эталонная мера.
Методическая и систематическая составляющие погрешности измерений являются случайными величинами, подчиняются равномерному закону распределения и согласно ГОСТ 8.207-76 суммируются следующим образом:
(3)
Подставляя численные значения, получим, что при доверительной вероятности 0,95 суммарная погрешность определения сопротивления теплопередаче по ГОСТ 26602.1-99 оценивается как Θ = 6,4%. С каким знаком эта погрешность - неизвестно. Поэтому интервал возможных отклонений измеренного значения сопротивления теплопередаче от действительного составляет ±6,4%.
Согласно ГОСТ 23166-99 оконные блоки делятся на классы от Д2 с сопротивлением теплопередаче 0,35-0,39 м² °С/ Вт до А1 с сопротивлением теплопередаче 0,80 м².°С/Вт и более. Принимая среднее значение сопротивления теплопередаче каждого класса за 100 %, получим следующее деление изделий на классы в процентном выражении:
А1: 100 и более
А2: 100 ± 2,6%
Б1: 100 + 2,7%
Б2: 100 ± 3,0%
В1: 100 + 3,2%
В2: 100 ± 3,5%
Г1: 100 ± 3,8%
Г2: 100 ± 4,3%
Д1: 100 ± 4,8%
Д2: 100 ± 5,4%.
Используя аппаратуру с погрешностью ±6,4%, невозможно произвести сортировку изделий со столь малым допуском.
Согласно ГОСТ 30673-99, поливинилхлоридные профи¬ли для оконных и дверных блоков делятся всего на 5 классов. Аналогично получим:
класс 1: 100%
класс 2: 100 ±6%
класс 3: 100 ±7%
класс 4: 100 ± 8%
класс 5: 100 ± 10%
Сортировка изделий с регламентируемым этим ГОСТом допуском уже гораздо более реальна.
Коварность рассмотренных погрешностей заключается в том, что они совершенно незаметны в пределах одного испытательного центра. Сходимость результатов бывает отличная, воспроизводимость - замечательная, но вот само измеренное значение может отличаться от истинного процентов на 15-20 даже в том случае, если j поверка с помощью эталонной меры прошла успешно.
Рассмотрим конкретный пример. В 1999 г. была про- : ведена первичная аттестации системы измерения сопротивления термического ограждающих конструкций (СИСТОК) для ИЦ «ПКТИ СтройТЕСТ» (С.-Петербург). Типичные отклонения показаний СИСТОК от номинального значения термического сопротивления эталонной меры приведены в табл.1.
Таблица 1 Типичные отклонения показаний СИСТОК от номинального значения термического сопротивления эталонной меры для первых пяти каналов

№ канала	Отклонение от номинала, %	Среднее значение, %	Отклонение от среднего, %	СКО, %
1	+12,8		+0,14
2	+16,8		+4,14
3	+7,5	12,66	-5,16	1,8
4	+16,2		+3,54
5	+10,0		-2,66

В ходе первичной аттестации каждый канал СИСТОК был заново отградуирован по эталонной мере, систематическая составляющая погрешности - устранена. Таким образом, в данном случае точность СИСТОК ограничивалась лишь наличием случайной составляющей погрешности. Она оценивается средним квадратическим отклонением (СКО) S = 1,8%. Следует заметить, что к этой погрешности в соответствии с формулой (3) нужно добавить еще погрешность аттестации эталонной меры Θо = 3%. Оценку суммарного СКО результата измерений можно сделать по формуле (ГОСТ 8.207-76):
(4)
Подставив численные значения, получим S_Σ = 2,5%. При доверительной вероятности 0,95 это соответствует суммарной погрешности измерения 5%.
Таким образом, проведение первичной метрологической аттестации СИСТОК с комплексной поверкой (градуировкой) аппаратуры по эталонной мере теплопроводности(термического сопротивления) позволяет выйти на требуемые по ГОСТ 26602.1-99 точностные параметры. Методика поверки средств измерений, применяемых 1цля определения сопротивления теплопередаче, предусматривает использование эталонной меры из полиметил-метакрилата толщиной не менее h = 10 мм. Нетрудно подсчитать, что при h = 10 мм ее сопротивление теплопередаче составит примерно 0,22 м² °С/Вт. Это меньше, чем у самого плохого однокамерного стеклопакета. То есть ГОСТ 26602.1-99 допускает проведение поверки за пределами диапазона измерений, что не совсем правильно.
Далее. Как уже было сказано, в качестве одного из средств измерений используются термопары. Даже если в точке поверки показания термопар обеспечивают допустимое значение погрешности определения термического сопротивления, это еще не дает никаких гарантий того, что на другом конце диапазона измерений расхождения статических характеристик не приведут ко вполне допускаемому по ГОСТ 1790-77 отклонению 1,5°С или 2,5°С. При разности температур теплой и холодной поверхностей изделия 30°С это вызовет появление дополнительной погрешности определения его термического сопротивления соответственно 5% или 8%. Именно по этой причине в разных испытательных центрах чаще всего расходятся результаты измерений сопротивления теплопередаче элитных оконных блоков. Итак, основные источники возникновения неисключенных систематических и методических погрешностей перечислены. Для их уменьшения необходимо:
1. Уменьшить погрешности термопар.
Задача решается путем их индивидуальной градуировки, которая позволяет построить градуировочные характеристики с погрешностью не более 0,1 °С.
2. Уменьшить методическую составляющую погрешности.
Снижение этой составляющей погрешности до приемлемого уровня достигается за счет проведения поверки (градуировки) всей системы измерения сопротивления термического ограждающих конструкций (СИСТОК) в нескольких {по крайней мере, в трех) точках диапазона измерений. ВНИИМ им. Д.И. Менделеева разработал и освоил выпуск эталонных мер с сопротивлением теплопередаче от 0,27 до 0,83 м2 °С/Вт, что охватывает весь диапазон измерения теплофизических свойств светопрозрачных конструкций, описанных в новых ГОСТах Госстроя.
3. Уменьшить погрешности определения границ однородных температурных зон на внутренней поверхности испытуемого образца. Достигается применением пирометра, например, типа «Raynger». Этот прибор для неконтактного измерения температуры имеет разрешающую способность 0,1 °С и позволяет надежно установить однородность температурного поля на поверхностях с одинаковой отражающей способностью.
4. Уменьшить неисключенную систематическую составляющую погрешности.
Для решения этой задачи необходимо:

• повысить точность аттестации эталонных мер (в на¬стоящее время ВНИИМ им. Д.И. Менделеева разработал и освоил выпуск новых эталонных мер с погрешностью 2%);
  
• оснастить все испытательные центры эталонными мерами, изготовленными из одной партии материала (тогда они будут получать сопоставимые результаты).
  

Некоторые организации уже оснащены такими эталонными мерами. Это ИЦ «ПКТИ СтройТЕСТ» (Санкт-Петербург), НИИСМ (Республика Беларусь), БГПА (Республика Беларусь). Следует, кстати, отметить, что перечень организаций, имеющих аттестованные в установленном порядке эталонные меры теплопроводности с действующими свидетельствами о поверке, весьма невелик.
Как получают и как продают результаты своих «точных» измерений другие организации, остается только догадываться. Предварительные расчеты показывают, что в результате выполнения п.п.1-4 итоговое значение суммарной по¬грешности должно снизиться до 4-5% во всем диапазоне измерений термического сопротивления свегопрозрачных конструкций.
В настоящее время все перечисленные мероприятия реализуются в рамках первичной аттестации новой модели СИСТОК испытательного центра «ПКТИ СтройТЕСТ», где в дополнение к имеющейся построена еще одна климатическая камера для испытаний теплозащитных свойств ограждающих конструкций при температурах до -60°С.

Примечание

1. Ханов Н.И., Чистяков Ю.А. Эталонная база единиц измерения - основа решения проблемы сертификации строительных материалов //Измерительная техника. 1999. № 3. :.19-23.
   
2. Соколов Н.А. Новое поколение систем измерения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Светопрозрачные конструкции. 2002. № 1. С. 62-63.
   
3. Н.А. Соколов, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева Метрологическое обеспечение теплофизических свойств светопрозрачных ограждающих конструкций// Светопрозрачные конструкции. 2011, №5-6

Вклад участника:

Смирнова Дана