employee
Vologda, Russian Federation
VAC 05.02.2000 Машиностроение и машиноведение
VAC 05.17.00 Химическая технология
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
The current issues of excess heat losses by construction projects are identified and analyzed. It is established that the heat loss of buildings depend on the thermal qualities of external building structures of different materials, the main of which are density, humidity, thermal conductivity. In this regard, practical methods for identifying temperature and humidity fields of the surfaces of building structures in the mode of their operation are of particular importance. The technical capabilities of modern thermal imaging equipment for obtaining and processing thermograms of thermal imaging of the controlled object are presented. A practical example of thermal definition and analysis of temperature and humidity fields of translucent enclosing building structures in the form of a window in a window opening is given. It is confirmed that thermal imaging diagnostics is able to state the distribution of heat losses in the control zone. On the basis of this knowledge, measures are developed to reduce them (alignment) and subsequently assess the effectiveness of their implementation
temperature field, humidity field, building structures, thermal imager, thermal imaging, thermogram, controlled object
Введение. Влажностный режим наружных ограждающих строительных конструкций неразрывно связан с теплотехническим режимом. Рост влажности строительных материалов и изделий повышает их теплопроводность и влажность воздуха внутри помещения. Нормальный влажностный режим имеет важное санитарно-гигиеническое и теплотехническое значения, так как обусловливает нормативные параметры микроклимата и долговечность строительных конструкций. Так, например, применение в наружных ограждающих конструкциях, подверженных увлажнению, недостаточно влагостойких материалов и изделий также может быть причиной их преждевременного износа [1, 2].
Пористость, плотность, влажность, теплопроводность, теплоемкость, тепловое излучение являются основными теплотехническими свойствами строительных материалов [1]. Однако всю совокупность сложных явлений, участвующих в передаче теплоты в толще материалов обычно сводят к теплопроводности. Коэффициент теплопроводности для строительных материалов – собирательный эквивалентный коэффициент, учитывающим все физические явления, происходящие в материале и связанные с передачей теплоты [1, 3–5].
Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является величиной постоянной. Коэффициент теплопроводности материала может изменяться в зависимости от его плотности, влажности, температуры, направления теплового потока, структуры (рис. 1, а, б, в).
Установить общую математическую зависимость между теплопроводностью материала и его влажностью, одинаковую для всех строительных материалов, не представляется возможным, т. к. значительное влияние оказывают форма и расположение пор материала. Поэтому особую актуальность приобретают практические методы определения температурных и влажностных полей поверхностей строительных конструкций зданий и сооружений в режиме их эксплуатации.
Актуализация и обоснование решаемой проблемы. Повышение эффективности
Вопросы экономии и повышения эффективности использования тепловой энергии являются приоритетными направлениями в различных отраслях промышленности: строительство, энергетика, машиностроение, транспорт и др. [6–8]. Исследования показывают, что сверхнормативно теряется до 40 % энергии, расходуемой на отопление зданий и сооружений [9–11].
Учет и контроль рационального использования тепловой энергии возможен за счет проведения теплового контроля и определения фактических теплотехнических характеристик строительных конструкций зданий и сооружений в условиях их эксплуатации. Причем особое внимание следует уделить термографированию светопрозрачных ограждающих строительных конструкций, так как через них теряется большая часть тепловой энергии [12–16]. Также необходимо учитывать динамику изменения влажностного состояния ограждающих конструкций при проведении натурного тепловизионного контроля в период эксплуатации строительного объекта.
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности: а) кирпичной кладки от влажности кирпича;
б) газозолобетона и в) пенобетона от температуры при различной их влажности: φ1 = 4,8 %; φ2 = 17 %;
φ3 = 33 %; φ4 = 38 %; φ5 = 1,4 %; φ6 = 6 %; φ7 = 28 %
Экономические издержки от сверхнормативных тепловых потерь определяют исходя из рассчитанных значений количества тепловых потерь с учетом фактических тарифов на энергию. Очевидно, что сама по себе тепловизионная диагностика в состоянии лишь констатировать распределение тепловых потерь в зоне контроля, на основании чего можно разработать мероприятия по их снижению (выравниванию) и в последующем оценить их эффективность. Например, в жилых и производственных зданиях тепловизионный метод позволяет оценить эффективность оптимизации системы теплоснабжения и вентиляции.
Основные технические возможности современного тепловизионного оборудования. Основными техническими возможностями современных тепловизоров являются: 1) технология цифровой съемки. Встроенная в тепловизор цифровая камера выполняет автоматическое одновременное сохранение инфракрасного и видимого изображений; 2) технология SuperResolution. Позволяет увеличивать текущее разрешение теплового изображения в несколько раз без замены детектора; 3) технология измерения влажности. Позволяет кроме обычных термограмм получать информацию по уровню влажности исследуемых поверхностей контролируемого объекта. Данная функция важна при обнаружении зон возможного образования конденсата и биокоррозии. Для реализации этой технической возможности предварительно выполняют замеры температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Далее специализированное прикладное программное обеспечение, поставляемое с тепловизором, по заданным параметрам воздуха автоматически определяет температуру точки росы и проецирует полученное значение на температурное поле поверхности исследуемой области объекта контроля. Участки изображения, в которых фактическая температура поверхности ниже точки росы, тепловизор выделяет красным цветом («зона повышенного риска»), а неповрежденные влагой – зеленым цветом (рис. 2).
Рис. 2. Влажностное поле контролируемого объекта (дверь на балкон) при ta = 20 °С и φa = 50 %
(зеленый: φsur,a = 0–64 %, не критично; желтый / оранжевый: φsur,a = 65–80 %, потенциально критично; красный: φsur,a > 80 %, критично)
Практический пример тепловизионного определения температурного и влажностного полей светопрозрачной ограждающей строительной конструкций. В качестве объекта теплового контроля рассмотрим светопрозрачную ограждающую строительную конструкцию в виде окна в оконном проеме квартиры жилого здания. На рис. 3 представлено видимое (цифровое) и тепловое изображения объекта контроля.
Рис. 3. Видимое (цифровое) и тепловое изображения окна в оконном проеме
В табл. 1 представлены параметры и условия проведения внутренней тепловизионной съемки окна в оконном проеме.
В табл. 2 приведены результаты обработки и анализа в специализированной прикладной программной среде IRSoft (для тепловизора марки Testo) термограммы контролируемого объекта.
Таблица 1
Исходные данные тепловизионной съемки окна в оконном проеме
|
Наименование объекта |
Параметры окружающей среды |
Параметры поверхности излучения |
l, м |
|||
|
tint,a, °С |
φint,a, % |
text,a, °С |
материал |
ε |
||
|
Окно в оконном проеме |
20 |
50 |
-1 |
стекло / дерево |
0,94 / 0,90 |
3,5 |
По результатам обработки и анализа термограммы окна в оконном проеме заключаем о присутствии наличия: 1. Избыточных тепловых потерь через стыки оконных переплетов. 2. Зон повышенной влажности, которые могут привести к образованию конденсата. Физическое явление конденсации влаги связано с негерметичностью стыковых соединений, вследствии чего внутрь помещения проникает холодный наружный воздух. Пограничный со стыком внутренний воздух охлаждается до температуры точки росы
(td = 9,3 °С), что приводит к конденсации водяных паров.
Основными проблемными участками объекта теплового контроля являются вертикальный стык оконных переплетов и горизонтальный стык оконного блока с подоконником. Для устранения данных тепловых дефектов рекомендуется заделка негерметичных зон утеплителем и / или силиконовым герметиком.
Вывод. Современные тепловизоры, необходимые для проведения тепловизионной съемки строительных объектов и отдельных строительных конструкций, относятся к портативным оптико-механическим устройствам. Они воспроизводят изображение нагретых объектов и идентифицируют температурное поле контролируемого объекта. Результатом тепловизионной съемки является термограмма, которая обрабатывается и анализируется в оперативной памяти тепловизора или в специализированном прикладном программном обеспечении.
Причиной утечек тепловой энергии в окружающую среду являются тепловые мостики. Они способствуют конденсации влаги из внутреннего воздуха помещения, вызванного понижением его температуры на границе теплового дефекта. При известных температуре, относительной влажности окружающей среды, температуре поверхности объекта контроля, с помощью тепловизионной техники для каждой отдельной точки теплового изображения контролируемого объекта можно определять относительную поверхностную влажность.
Таблица 2
Результаты обработки и анализа термограммы окна в оконном проеме
|
|
|
|
Температурные аномалии: 1, 2 – избыточные 3 – стояк системы отопления |
Значения температур в реперных точках: М1: +16,0 °С; М2: +8,3 °С; М3: +9,9 °С; М4: +50,4 °С; М5: +20,5 °С |
|
|
|
|
«Горячие» и «холодные» точки: HS1: +50,9 °С; CS1: +9,7 °С |
Цветовая палитра «Радуга» |
|
|
|
|
Термопрофилограмма фрагмента теплового изображения |
Температурный рельеф фрагмента теплового изображения |
|
|
|
|
Влажностное поле объекта теплового контроля |
Область образования конденсата. Желтым цветом отмечен участок tsur ≤ td (td = 9,3 °С при ta = 20 °С, φa = 50 %) |
1. Fokin K.F. Construction heat engineering of enclosing parts of the building [Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchih chastej zdaniya]. M.: AVOK-PRESS. 2006. 256 p. (rus)
2. Khutornoy A.N., Tsvetkov N.A., Kuzin A.Ya. Thermal insulation properties of inhomogeneous exterior walls of buildings: monograph [Teplozashchitnye svojstva neodnorodnyh naruzhnyh sten zdanij: monografiya]. Tomsk. Publishing House of Tomsk State University of Architecture and Construction. 2006. 287 p. (rus)
3. Korotkih A.G. Thermal conductivity of materials [Teploprovodnost' materialov]: textbook for universities. Tomsk. Tomsk Polytechnic University. Publishing house of Tomsk Polytechnic University. 2011. 97 p. (rus)
4. Fokin V.M., Boikov G.P., Vidin Yu.V. Fundamentals of technical thermophysics: monograph [Osnovy tekhnicheskoj teplofiziki: monografiya]. M.: "Publishing house of mechanical engineering-1". 2004. 172 p. (rus)
5. Mazo A.B. Fundamentals of theory and methods of calculation of heat transfer [Osnovy teorii i metody rascheta teploperedachi]: textbook. Kazan. Kazan University. 2013. 144 p. (rus)
6. Energy strategy of Russia for the period up to 2030 [Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda]: decree of the Government of the Russian Federation of 13.11.2009 № 1715-p. (rus)
7. Federal law on energy saving and energy efficiency and on amendments to certain legislative acts of the Russian Federation [Ob energosbere-zhenii i o povyshenii energeticheskoj effektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossijskoj Federacii]. M.: OOO "Reed Group". 2012. 80 p. (rus)
8. Igonin V.I. Ways to improve the efficiency of thermal power systems: monograph [Puti povysheniya effektivnosti teploenergeticheskih sistem: monografiya]. Vologda. VSTU. 2007. 119 p. (rus)
9. Skanavi A.N., Mahov L.M. Heating [Otoplenie]: textbook for universities. M.: ACU. 2002. 576 p. (rus)
10. Mahdavi A., Doppelbauer E.M. A performance comparison of passive and low-energy buildings. Energy and buildings. 2010. Volume 42. No. 8. Pp. 1314–1319.
11. Kavga A., Konstas I., Panidis T. Assessment of infrared heating benefits in a production green-house. Applied Engineering in Agriculture. 2015. Volume 31 (1). Pp. 143–151.
12. Budadin O.N., Potapov A.I., Kolganov V.I., Troitsky-Markov T.E., Abramova, E.V. Thermal nondestructive testing products [Teplovoj nerazrushayushchij kontrol' izdelij]. M.: Publishing House "Science". 2002. 473 p. (rus)
13. Budadin O.N., Vavilov V.P., Abramova E.V. Thermal control [Teplovoj kontrol']: textbook for universities. Edition 2. M.: Publishing House "SPECTRUM". 2013. 176 p. (rus)
14. Vavilov V.P. Infrared thermography and thermal control [Infrakrasnaya termografiya i teplovoj kontrol']. Second edition, revised and enlarged. M.: 2013. 544 p. (rus)
15. Vavilov V.P. Thermal Imaging and thermal control for engineers [Teplovidenie i teplovoj kontrol' dlya inzhenerov]. First edition. M.: Publishing house "SPETRUM". 2017. 72 p. (rus)
16. George S., Goravar S., Mishra D. etc. al. Stress monitoring and analysis using lock-in thermography. Insight. 2010. Volume 52. No. 9. Pp. 470–474.
