Тепловизионная диагностика ограждающих конструкций зданий и сооружений: проблемы, перспективы

лоэнергетики (ЗШО) предполагает предметного изучения конъюнктурных факторов рынка сбыта, таких как ассортимент, цена, количество, качество поставляемой продукции.

Библиографический список

1. Бирюков В.В. и др. Российская экономика: проблемы формирования ресурсосберегающей модели развития и подходы к их решению. Под общ. ред. В.В.Бирюкова. -Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 178 с.

2. Долгосрочный прогноз развития экономики России на 2007-2030 гг.// Проблемы прогнозирования. - 2007. - № 6. - С. 21 - 37.

3. Некрасов А.С., Синяк Ю.В. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2030 года// Проблемы прогнозирования. - 2007, № 4, С. 21 - 52.

4. Рациональное применение золы ТЭЦ: результаты научно-практических исследований/ Сост.Э.П.Гужулев, Ю.Т. Усманский. -Омск: ОмГУ, 1998-238 с.

Prublems and prospects of use oshes wastes

V.V. Biryukov, V.V. Sirotuk, V.R. Shevtsov

In this work is shown problems and prospects of use ashes wastes.

Рецензент: В.Ю. Кирничный, доктор экономических наук, профессор СибАДИ.

Статья поступила 04.03.2008 г.

УДК 697

ТЕПЛОВИЗИОННАЯ ДИАГНОСТИКА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ: ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Б.Н. Епифанцев, доктор технических наук, профессор, СибАДИ А.Д. Кривошеин, кандидат технических наук, доцент, СибАДИ

Аннотация. Рассмотрены ограничения на выявление тепловым контролем дефектов в оболочке зданий. Предложена усовершенствованная модель теплови-зионной диагностики ограждающих конструкций строительных сооружений.

Введение

При надлежащей эксплуатации здания, отлаженной работе отопительного и вентиляционного оборудования, использовании при строительстве качественных материалов и соблюдении технологии строительных работ теплопотери построенного объекта будут соответствовать заложенным в проекте.

Практика свидетельствует о существенном неблагополучии в этой сфере человеческой деятельности. Из 800 строительных объектов, обследованных институтом «ВЕМО», более чем в 40% случаев выявлены существенные нарушения строительных работ и отступления от проекта по качеству тепловой изоляции [1]. По результатам энергоаудита зданий в С-Петербурге потенциал энергосбережения оценен в 2335 млн. м3 природного газа [2]. Если учесть, что ~ 40% топливно-энергетических ресурсов страны уходит на обеспечение требуемых условий в зданиях и сооружениях, решение задачи по повышению их энергоэффективности приобретает решающее значение. Для этого необходим отлаженный кон-

троль теплопотерь как в целом по зданию, так и его отдельным участкам.

Известные методы контроля, базирующиеся на нормативных документах (ГОСТ 2625484 «Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций», СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и др.), неоперативны и трудоемки. Это обстоятельство стимулировало использование в приемосдаточных испытаниях технологии тепловизи-онной диагностики. В основу ее положен российский стандарт ГОСТ 22629-85 «Метод теп-ловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций».

Изложенная в ГОСТ 22629-85 методика контроля неоднократно подвергалась серьезной критике [3]. По результатам ее применения сделан вывод: «Для интерпретации материалов тепловизионного обследования строительных сооружений простого разглядывания тепловых изображений и оглашения «диагноза», ссылаясь на опыт, правдоподобные размышления и имеющиеся методологии, - недостаточно» [4].

Рис. 1. Схематическое изображение операции в тепловизионной диагностике ограждающих конструций

Описание и постановка задачи

Сложившаяся неопределенность мнений в отношении тепловизионной диагностики ограждающих конструкций строительных объектов стимулирует проведение более углубленного анализа тепловых процессов в оболочке здания. Основное допущение существующей методики - анализ тепловых изображений в рамках стационарной модели. В реальных условиях тепловые процессы в ограждающей конструкции нестационарны. Нестацио-нарность приводит к тому, что «горячие» и «холодные» участки со временем могут исчезать или меняться местами. Тепловое изображение также отражает аномалии излучатель-ной способности поверхности конструкции, ее фоновую освещенность и др. Учет перечис-

ленных факторов существенно меняет технологию тепловизионной диагностики строительных объектов и ставит вопросы о достоверности ее результатов. На одном из возможных вариантов такой технологии целесообразно оценить перспективы учета «нестационарно-сти» в тепловизионной диагностике.

Метод решения

Возможны два подхода для решения поставленной задачи. Первый основан на использовании эталонной конструкции (участка оболочки с полностью известными теплофизическими и радиационными характеристиками - аналог дефектометра в радиационной дефектоскопии). В ближайшей перспективе его использование проблематично.

Второй подход основан на расчетных схемах теплового изображения контролируемой оболочки. На рисунке1 представлена структурная схема технологии тепловизион-ной диагностики, учитывающая обозначенный выше фактор «нестационарность».

Идея, реализуемая в технологии: рассчитать ожидаемое поле температур на поверхности ограждающих конструкций, собранных согласно проектной документации с учетом метеорологической и радиационной обстановки за предшествующий период. Далее, сравнить рассчитанное и действительное тепловые изображения конструкции и принять решение о соответствии ее параметров проектным. Фактически эталонная физическая конструкция заменяется виртуальной (расчетной).

Расчетная схема (численное решение уравнений теплопроводности с эквивалентными граничными условиями 3 рода на поверхностях пластины) не имеет особенностей, погрешность расчетных данных определяется точностью задания параметров конструкции, описания состояния окружающей среды, начальных условий [5]. Избежать влияние неизвестных начальных условий на результаты расчета можно путем просчета предыстории формирования теплового изображения. Измерение метеорологических параметров и радиационных потоков с погрешностью 1% на сегодняшний день не представляет проблемы. Что касается радиационных и теплофизических параметров конструкции, степень их влияния (и, следовательно, ожидаемая погрешность) на формирование теплового поля не определена. Для снятия этого вопроса проанализируем выражение плотности потока излучения, исходящего из разрешаемого оптической системой участка конструкции:

qi (х, У , *) = | ел (х, у [Т (х, у , t )]л +

мл

+ |[1 -ел{х у )]• qp (л,і №

МЛ

ЄЛ[Х,

(х, У) -

где - спектральная степень черноты

в точке с координатами (х’У);

WлЛт(x,У’ і)] - функция Планка;

qp

р ’ - спектральная плотность солнечного излучения у поверхности здания;

ЛЛ - обозначение рабочего диапазона длин волн;

Выражение для температуры поверхности пластины, одна сторона которой находится в условиях естественного теплообмена с атмосферой, а другая в стационарных условиях известно:

1 т

Г = Го + N £^к(К.,0) +

у=0

Ва2 - Ва5 Ва2 + Ва5

У

V V

/у

0 - температура пластины в момент изо-термии;

N = 5 45^ + а

и - интегральный коэффициент теплообмена;

а,,

- конвективный коэффициент теплообме-

на;

^8- толщина пластины;

Ва2 = л/а2/Л Ва8 = /Л8 -

а а

2 , 8 - коэффициенты температуры воздуха и пластины;

л л

2 ’ 8 , - соответствующие им коэффициенты теплопроводности;

К8= N • Ва^*

с

Коэффициенты 1/ и функции тепловой

инерции ^(К8,ь) определяются теплофизическими и радиационными параметрами конструкции, в том числе интегральным коэффициентом поглощения солнечной ради-

а

ации в, а также метеопараметрами окружающей среды.

В таблице 1 приведены результаты расчета приращений температуры и плотности

потока излучения qi при изменении пара-а р В

метров 8, , а8 на 1% для погодных условий, наблюдаемых и июле на широте 450 и параметрах бетонного изделия

Ва8 = 0,035 2 „ в-г-1 ,,„/*-0.5 а8 м К  Вт  час ,

р = 0,9 , а8 = 0,75.

Данные о дqi /дВа2 не приводятся ввиду их малости по сравнению с другими частными производными при Г18 > 0,1 м.

і -

время.

а

Таблица 1

Приращение поверхностей температуры и плотности теплового потока излучения бетонной стены при однопроцентном измерении а3 ,е,Ва3

Частные производные Время ^ час.

10 11 12 13 14

и = 0

(дТ / да8 )• 10 ~2,К 0,320 0,370 0,410 0,430 0,440

(дТ / де)- 10 -2, К -0,113 -0,121 -0,133 -0,142 -0,151

(дТ / дВаа)-10 -2,К 3,55 4,05 4,29 4,28 4,01

(дд / да3 )• 10-2 ,Вт/м2 0,051 0,059 0,065 0,068 0,07

(дд / де)-10 -2 Вт/м2 -0,067 -0,070 -0,069 -0,066 -0,057

(дд / дВаа)-10-2 Вт/м2 0,559 0,640 0,676 0,670 0,631

и = 5 м-с-1

(дТ / да8 )• 10 ~2 К 0,194 0,217 0,231 0,237 0,233

(дТ / де)-10 -2 К -0,058 -0,062 -0,065 -0,067 -0,068

(дТ / дВаа)-10 -2 К 1,65 1,72 1,67 1,51 1,25

(дд / да3 )• 10 -2 Вт/м2 0,030 0,033 0,036 0,037 0,036

(дд / де)-10 -2 Вт/м2 -0,066 -0,073 -0,072 -0,068 -0,060

(дд / дВаа)-10-2 Вт/м2 0,259 0,270 0,264 0,237 0,196

Расчеты проведены для диапазона Д,-2 = (3 - 5) мкм.

По степени влияния на изменение температуры контролируемой поверхности параметры бетонного изделия следует расставить в такой последовательности: поглощательная способность солнечной излучения as, плотность материала р3(Др3 /Рз) = -2(ДВа3 /Ва3), степень черноты е.

Первый параметр as можно измерить дистанционно и по нему скорректировать расчетное поле температур. В конкретных условиях может оказаться более простым воспользоваться патентными решениями, например, проводить контроль в предрассветное время. Флуктуации излучательной способности е порождают «паразитную» составляющую изображения, соизмеримую по амплитуде с чувствительностью тепловизионной аппаратуры и могут не учитываться. Что касается диагностического параметра р , он наиболее сильно

Оценка

влияет на формирование температурного поля в безветренную погоду.

Для оценки суммарной погрешности расчетной методики по (1), (2) проведен эксперимент с модельными телами, параметры которых известны с достаточно высокой точностью. В качестве модели конструкции взята мраморная плита, параметры которой (х5,а5,е,as) измерены на специальных приборах с погрешностью 3%. В качестве «дефектной» конструкции выбрана резиновая плита. Температура поверхности плит измерялась «термопауком» и тепловизором, параметры метеорологической обстановки регистрировались стандартными приборами измерения температуры и влажности воздуха, плотности потока солнечной радиации и скорости ветра. Перед началом эксперимента имитаторы бездефектной и дефектной конструкций выдерживались в помещении до установления режима изотермии. Результаты экспериментов и расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2

расчетных данных

^ час 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

АТ расч., К 1.2 4.2 6.2 7.5 8.5 9.0 8.5 7.8 6.0 4.8

АТ изм., К 1.0 2.2 4.0 6.0 6.8 7.2 6.7 5.5 4.5 3.2

Рис. 2. Температурный контраст при наличии внутреннего дефекта в конструкции (экспериментальные кривые); 1 - пасмурная погода с прояснениями; 2 - интервалы, когда сигнал не регистрируется (дефект не виден при чувствительности тепловизора 0,5°С).

Расхождение данных определяется как использованием упрощенной методики расчета (1), (2), так и методическими просчетами при проведении измерений и выборе времени съемок. Требуется предпринять усилия по устранению явных причин формирования систематической погрешности (измеренные данные занижены по сравнению с расчетными; см. табл.2). Тем не менее, полезность упрощенных расчетов очевидна.

На рисунке 2 приведены экспериментальные кривые ДТизм© для конструкции с внутренним дефектом в пасмурную погоду.

Проведение расчетов позволяет указать временные зоны, когда контроль конструкций на предмет выявления дефектов проводить нельзя: будут сделаны неверные выводы об отсутствии дефекта.

Обсуждение результатов и выводы

Для выявления дефектных мест конструкции тепловизионная диагностика продуктивна (оперативность, дистанционность). Однако во избежание пропуска дефектов необходимо проводить расчеты температурных полей контролируемых объектов, используя данные о метеорологических параметрах за предшествующий период для указания периодов времени отсутствия сигнала от дефекта.

Для получения количественных оценок (требуемых СНиП 23-02-2003 в отношении приведенного сопротивления теплопередаче) необходимо усовершенствовать расчетную методику, используя новации патентной литературы и методики международной организации ISO 13786 «Thermal performance jf building components. Dynamic thermal characteristics. Calculation method» u ISO 10077-1 «Ther-

mal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal transmittance».

Сильная зависимость потока теплового излучения от плотности изделия позволяет рекомендовать метод тепловой диагностики для контроля качества бетонных (железобетонных) изделий в заводских условиях, а также для контроля качества дорожных покрытий.

Библиографический список

1. www.wemo.ru. - ООО Технологический институт «ВЕМО»

2. OKNA.com.ua - Введение и применение энергетического паспорта здания в России

3. Ливчак В.И. Тепловизионное обследование не может заменить тепловые испытания зданий/ Энергосбережение, 2006, № 5, - 6с.

4. Шишкин А. Интерпретация данных термографического обследования// Строительная инженерия, 2005. - № 6. - С. 12-16.

5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика -М.: Высш. школа, 1982.- 415с.

Thermal imaging diagnostics of buildings and structures protecting designs: problems and prospects

B.N. Epifantsev, A.D. Krivoshein

Restrictions on revealing defects in an environment of buildings by the thermal control are considered. The advanced model of thermal imaging diagnostics of protecting designs of building constructions is offered.

Рецензент: В.М. Валов, доктор технических наук, профессор СибАДИ

Статья поступила 21.03.2008 г.