Тепловизионный контроль качества светопрозрачных конструкций

Петров Д.С., Сидельников С.С. к.т.н., Лездин Д.Ю.

Тепловизионное обследование состоит из двух основных этапов: собственно тепловизионной съемки и обработки полученной информации. Качество и достоверность результатов обследования большей частью зависит именно от корректности получения и обработки материалов, т.е. используемых методик. Без методик, специально разработанных под конкретные задачи, как в нашем случае – обследование светопрозрачных конструкций, тепловидение способно дать не более чем картинки.

Тепловизионное обследование светопрозрачных конструкций выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 26629-85, устанавливающего "Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций", и "Временных методических рекомендаций по проведению тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения.

Основными задачами, решаемыми с помощью тепловизионного обследования светопрозрачных конструкций, являются:

определение теплотехнических характеристик;
определение потерь теплоты;
выявление дефектов теплоизоляции;
выработка рекомендаций по повышению теплозащитных свойств.

Определение теплотехнических характеристик светопрозрачных конструкций

Теплоизолирующая способность светопрозрачных конструкций определяется для теплотехнически однородного элемента конструкции термическим сопротивлением и сопротивлением теплопередаче, а для неоднородного элемента конструкции - приведенным сопротивлением теплопередаче (приведенным термическим сопротивлением).

Перечисленные параметры определяются в ходе комплексного обследования. Комплексное обследование включает тепловизионную съемку внутренней и наружной поверхностей ограждения, включающего светопрозрачную конструкцию, контактные измерения тепловых потоков и температур, регистрацию метеоусловий на момент обследования.

Контактные измерения тепловых потоков через однородные элементы светопрозрачных конструкций и температур их поверхностей позволяют определить термическое сопротивление базового участка элемента конструкции и значения теплообменных коэффициентов. В качестве базового участка элемента светопрозрачной конструкции выбирается теплотехнически однородный участок, расположенный вне зон влияния теплопроводных включений, углов, швов, стыков и т.д.

Как отмечалось выше, комплексное тепловизионное обследование состоит из двух основных этапов: натурной тепловизионной съемки ограждающих конструкций и обработки полученных результатов. Натурная часть обследования, в свою очередь, включает обследование внутренних и наружных поверхностей светопрозрачных конструкций. По результатам съемки внутренней поверхности выбираются базовые участки элементов конструкции, в которых проводятся контактные измерения тепловых потоков. Натурная съемка сопровождается регистрацией температур воздуха внутри помещений, метеоусловий и фотосъемкой обследованных конструкций.

Основная проблема, которая возникает при тепловизионном обследовании светопрозрачных конструкций, это необходимость пересчета температур поверхностей стекол, получаемых в ходе тепловизионной съемки (радиационных температур стекол), для определения истинных температур остекления. Возникновение данной проблемы связано с тем, что оконные стекла обладают коэффициентом отражения существенно более высоким, чем материалы непрозрачных конструкций (за исключением металлических конструкций или деталей с полированной поверхностью), и сохраняют частичную прозрачность в рабочем спектральном диапазоне тепловизионной аппаратуры. В результате температура поверхности остекления на термограмме будет искажена присутствием в ней составляющих отраженного и прошедшего излучений.

Пересчет радиационных температур остекления в температуру самих стекол выполняется по разработанной методике, с помощью аппарата математического моделирования процесса регистрации тепловизионной камерой излучения светопрозрачных компонентов конструкций. Для реализации данной процедуры должны быть известны оптические спектральные характеристики отражения, пропускания и поглощения излучения для стекол светопрозрачной части конструкции (с учетом дополнительных покрытий) в рабочем спектральном диапазоне тепловизионной камеры (3-5 мкм или 8-14 мкм). Кроме того, должны быть известны радиационные фоны, облучающие внутреннюю и наружную поверхность остекления на момент обследования.

Рис.1. Термограммы фрагмента внутренней (слева) и наружной (справа) поверхностей окна производственного корпуса, пунктиром выделены базовые участки.

Исходя из специфики светопрозрачных конструкций их тепловизионное обследование потребует: априорную информацию об оптических спектральных характеристиках используемых стекол, а в ходе обследования – регистрацию термограмм, определяющих фоновое облучение (подсветку) внутренней и наружной поверхности остекления.

Исходными данными для обработки являются фактические температурные поля на внутренней и наружной поверхностях обследуемых конструкций - Т_В, Т_Н, формируемые по результатам тепловизионной съемки (см. рис.1), а также тепловой поток через базовые участки элементов конструкции (светопрозрачные и непрозрачные части конструкции) - q , температура внутреннего воздуха - t_В , температура наружного воздуха - t_Н , метеоусловия, получаемые по результатам контактных измерений.

Для базового участка выполняется расчет следующих параметров:

термического сопротивления

где Т – результат усреднения температур по поверхности базового участка,

сопротивления теплопередаче

где α_В, α_Н – коэффициенты теплообмена внутренней и наружной поверхностей.

Относительная погрешность определения параметров

где δq, δ(Dt) – погрешности измерения потока и температурного напора.

Для всей обследуемой поверхности элементов светопрозрачной конструкции определяются коэффициент теплотехнической однородности

где – параметры базового участка, - средние по поверхности величины теплового потока и температуры наружной поверхности элемента конструкции,

а также приведенное термическое сопротивление элемента конструкции

Для количественной оценки выявленных неоднородностей и определения соответствия фактического и проектного конструктива элементов светопрозрачного ограждения рассчитывается относительное превышение теплового потока в зоне неоднородности (i) над потоком через базовый участок:

При наличии проектной документации на обследуемые элементы светопрозрачной конструкции производится расчет температурных полей по их поверхностям (см. рис.2). Сопоставляя расчетные и фактические распределения и варьируя исходные данные аналитического расчета (по геометрическим и теплофизическим параметрам элементов конструкции) определяется набор параметров, наилучшим образом обеспечивающих совпадение сравниваемых распределений. Найденные значения параметров принимаются за фактические для обследованной конструкции. Данная процедура моделирования позволяет не только выявить соответствие или несоответствие фактической реализации конструкции проекту или требованиям СНиП, но и более детально установить причину несоответствия обследованной конструкции нормативным требованиям, определив отклонение в параметрах комплектующих компонентов.

Обследование зданий тепловизором BALTECH TR-0110-ZERO

Рис. 2. Распределение температур по поверхностям двухслойного стеклопакета (1) в металлическом переплете (2). Штриховая линия – расчетные данные, сплошная – экспериментальные.

По полученным значениям приведенного термического сопротивления элементов светопрозрачной конструкции выполняется расчет приведенного термического сопротивления конструкции в целом

где Fi , βi - площадь (абсолютная и относительная) элементов светопрозрачной конструкции.

А также может быть рассчитана температура внутренней поверхности конструктивных элементов при расчетных условиях [2], которая, согласно требованиям СНиП II-3-79*, не должна быть меньше 3°С.

Определение потерь теплоты через ограждающие светопрозрачные конструкции

Текущие потери теплоты через обследованные светопрозрачные конструкции на момент обследования определяются по термограммам наружных поверхностей с использованием данным контактных измерений тепловых потоков и температур воздуха. Они рассчитываются как сумма потерь теплоты через элементы конструкции

Величина теплопотерь не постоянна и изменяется вместе с изменением метеоусловий, теплового режима помещений и т.д. Поэтому для целей энергоаудита важно знать не текущее значение потерь теплоты через светопрозрачные конструкции, а величину теплопотерь при расчетных условиях или условиях средних за отопительный период. Для определения потерь теплоты при заданных условиях необходимо знать фактическое значение приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачной конструкции

где t_В и t_Н –температуры внутреннего и наружного воздуха расчетных условий.

Значение приведенного сопротивления передаче конструкции может быть рассчитано по полученному значению текущих потерь теплоты при подстановке значений температур воздуха, действующих на момент обследования,

Кроме теплопотерь, обусловленных теплопроводностью светопрозрачных конструкций, тепловизионный метод позволяет определить потери теплоты за счет пропускания теплового излучения через светопрозрачные компоненты конструкции. Эти потери рассчитываются по радиационным температурам остекления. и данным контактных измерений температуру стекол. Расчет выполняется с помощью аппарата математического моделирования процесса регистрации тепловизионной камерой излучения светопрозрачных компонентов конструкций аналогично расчету истинных температур стекол, только в этом случае истинная температура стекла должна быть известна.

Выявление дефектов теплоизоляции

Тепловизионный метод, визуализируя температурное поле поверхностей светопрозрачных конструкций, позволяет выявлять различные дефекты теплоизоляции, возникающие как на стадии изготовления и монтажа конструкций так и в процессе эксплуатации.

Рис. 3. Термограммы наружных поверхностей окон с двойным остеклением в металлических раздельных переплетах (а) и с двухслойными стеклопакетами в металлических переплетах (б).

На термограммах хорошо видны участки с повышенной инфильтрацией и нарушенной теплоизоляцией. На термограмме внутренней поверхности окон (рис. 1) участки с повышенной инфильтрацией через щели в заделке стекол в переплеты видны как зоны пониженной температуры.

Кроме того, по полученным термограммам возможно проводить наглядное сравнение различных типов светопрозрачных конструкций. Пример результатов тепловизионной съемки окон производственного здания с двойным остеклением в металлических раздельных переплетах и при использовании двухслойных стеклопакетов в металлических переплетах показан на рисунке 3. Для стеклопакетов выявлены: характерная неравномерность температуры на поверхности остекления и повышенные потери теплоты через рамы.

Заключение

В настоящее время основными видами тепловизионных обследований ограждающих конструкций являются:

испытания конструкций,
энергоаудит зданий,
обследования на стадии эксплуатации (предремонтные),
обследования на стадии приемки здания (по завершении строительства или ремонта).

В зависимости от типа обследования делается упор на решение той или иной задачи. Так при испытаниях конструкций основным является оценка качества проекта и его соответствие нормативам. При энергоаудите здания – определение потерь теплоты через светопрозрачные конструкции. При предремонтном обследовании важно определить необходимость и объемы работ, а при приемке – их качество и соответствие конструкций проектной документации.