DE4333482A1

DE4333482A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in Bauwerkswänden

Info

Publication number: DE4333482A1
Application number: DE19934333482
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof Dr Heimke; Volker Prof Dr Christoph
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-06

Description

Die Erfindung betrifft die in-situ-Messung der Wärmeleitfähigkeit in Bauwerken sowie die Bestimmung der räumlichen Variation der Wärmeleitfähigkeit.

Es ist bekannt, daß alle im Einsatz befindlichen Geräte und Anordnungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in Bauwerks wänden im stationären Betrieb, d. h. mit einem zeitunabhängigen Temperaturfeld, arbeiten. Die Wärmeleitfähigkeit wird aus dem Quotienten von Wärmestrom zu Temperaturdifferenz zwischen zwei Meßpunkten bestimmt, wobei die Wärmequelle auf die Oberfläche des Bauwerkes aufgesetzt wird. Eine einfache Auswertung der Messung ist jedoch nur möglich, wenn die folgenden Voraussetzungen erfüllt sind:

1. Die Wärmestromdichte muß im Meßbereich ortsunabhängig und senkrecht zur Bauwerksoberfläche gerichtet sein.
2. Der Wärmestrom muß durch eine Hilfsvorrichtung (Hilfswand) gesondert bestimmt werden, da der Wärmestrom wegen unvermeidlicher Verluste nicht gleich der Heizleistung der Wärmequelle gesetzt werden kann.
3. Während der Messung müssen Schwankungen der Umgebungstem peratur, die zu unerwünschten, schwer kontrollierbaren Wärme strömen führen, zu vernachlässigen sein.

Um die 1. Voraussetzung zu erfüllen, werden flächenhaft ausge dehnte Wärmequellen verwendet, die zusätzlich von einer Randquelle umgeben sind. Die Hilfswand zur Bestimmung des Wärmestromes (2. Voraussetzung) wird zwischen Wärmequelle und Wand angeordnet. Sie muß sehr flach sein, um Wärmestromverluste auszuschließen; daraus resultieren jedoch größere relative Fehler bei der Bestimmung der Temperaturdifferenz. Die Bedingung eines stationären Betriebes erfordert sehr lange Meßzeiten, in denen sich die 3. Voraussetzung in der Regel nicht erfüllen läßt. Aus diesen Gründen werden Wärme leitfähigkeitsmessungen nicht in situ, sondern unter Labor bedingungen an Modellwänden ausgeführt.

Wegen der oben aufgeführten Schwierigkeiten, eine ideales statio näres Temperaturfeld zu erzeugen und daraus die Wärmeleitfähig keit in situ zu bestimmen, sind eine Reihe von Meßvorrichtungen vorgeschlagen worden, die mit zeitlich veränderlichen Temperatur feldern arbeiten. Alle bisher vorgeschlagenen instationären Verfahren beruhen jedoch auf Annahmen (Punktförmigkeit der Heizquelle, Berührung zweier unendlich ausgedehnter Halbebenen) die in der Praxis nicht verwirklicht sind. Das führt dazu, daß mit diesem Verfahren die Wärmeleitfähigkeit üblicherweise nur nach Kalibrierung mit einer Eichprobe bestimmt werden kann. Ein praktikables Meßgerät zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Bauwerkswänden aus instationären Temperaturfeldern ist nicht bekannt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anord nung zur Bestimmung des Absolutwertes der Wärmeleitfähigkeit in Bauwerkswänden zu entwickeln, womit die vorgenannten Nachteile vermieden werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Heizelement im Inneren der zu unter suchenden Bauwerkswand angeordnet wird und die Messung des zeitlichen Temperaturverlaufes an verschiedenen Meßstellen an der Oberfläche der Wand erfolgt. Die zum Einbringen des Heizelementes benötigte Bohrung wird mit einem Stöpsel verschlossen, dessen thermophysikalische Kenngrößen bekannt sind. Bei dieser Anordnung der Wärmequelle ist der Wärmestrom gleich der Heizleistung der Wärmequelle. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit nutzt den Vergleich des an der Oberfläche der Bauwerkswand gemessenen Temperaturverlaufs an verschiedenen Meßstellen mit berechneten Temperaturfeldern. Die Wärmeleit fähigkeit selbst wird mit der "trial an error"-Methode bestimmt.

Erfindungsgemäß werden bei inhomogenen Körpern durch Veränderung der Anordnung der Meßstellen an der Oberfläche der Bauwerkswand Aussagen über die räumliche Variation der Wärmeleitfähigkeiten in der Wand gewonnen. Dazu sind - wie auch beim Einsatz der Meßanord nung an homogenen Wänden - numerische Berechnungen des Temperatur feldes mit variablen Werten der in die Wärmeleitungsgleichung eingehenden Konstanten erforderlich. Die Nachteile der mit einem stationären Temperaturfeld arbeitenden Wärmeleitfähigkeits- Meßgeräte werden also dadurch vermieden , daß in der erfindungs gemäßen Anordnung die vom Heizelement erzeugte Wärme vollständig durch das Mauerwerk bzw. den Bohrlochstöpsel abfließen muß. Auf das Anbringen einer Hilfswand kann somit verzichtet werden. Außerdem wird nicht auf einfache stationäre Temperaturfelder zurückgegriffen, die in der Praxis nicht realisierbar sind, sondern es werden instationäre und räumlich inhomogene Temperatur felder betrachtet, die in Abhängigkeit von der Geometrie und den thermophysikalischen Konstanten des Problems durch numerische Lösung der Wärmeleitungsgleichung zu bestimmen sind. Da nicht das Einstellen des stationären Temperaturfeldes abgewartet zu werden braucht, sind die Meßzeiten bedeutend geringer und der Einfluß klimatischer Schwankungen entsprechend kleiner.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles, dargestellt in Fig. 1, näher erläutert. Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Heizpatrone 2 (U_H - Heizspannung), die in einem Bohrloch in der Bauwerkswand 1 versenkt ist. Das Bohrloch wird mit einem Stöpsel 3 mit bekannten thermophysikalischen Konstanten verschlossen; durch diesen werden die Zuleitungsdrähte für das Heizelement geführt. Der Einfluß der dünnen Zuleitungs drähte ist unerheblich und wird numerisch berücksichtigt. Der Zwischenraum zwischen Heizpatrone 2, Stöpsel 3 und Mauerwerk 1 wird mit Wärmeleitpaste 4 ausgefüllt, was einen Wärmeübergangs widerstand weitgehend ausschaltet. Das von der Heizpatrone in einem homogenen Mauerwerk aufgebaute Temperaturfeld ist zylindersymmetrisch und wird durch numerische Integration der Wärmeleitungsgleichung bestimmt. Die Oberflächentemperaturen werden an fünf verschiedenen Stellen (T₁ . . . T₅) gemessen, und die in die numerischen Rechnungen eingehenden thermophysikalischen Konstanten so lange gezielt variiert, bis eine Übereinstimmung von gemessenen und berechneten Temperatur-Zeit-Verläufen erreicht ist. Um einen definierten Wärmeverlust an den Wandoberflächen zu erhalten, werden diese im weiteren Umkreis der Meßstellen mit einer Wärmedämmschicht 5 bedeckt, deren geringer Restwärme transport in der numerischen Rechnung berücksichtigt wird.

Claims

1. Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in Bauwerkswänden, gekennzeichnet dadurch, daß der zeitliche Temperaturverlauf am Bauwerk an verschiedenen Meßstellen gemessen wird, wobei die Wärmequelle in der Wand eingesetzt ist.

2. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch eine geeignete Anordnung der Meßstellen die räumliche Verteilung der Wärmeleitfähigkeiten mittels der "trial and error"-Methode im Bauwerk bestimmt wird.