Учет нестационарности теплопередачи при тепловизионном обследовании инерционных ограждающих конструкций зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учет нестационарности теплопередачи при тепловизионном обследовании инерционных ограждающих конструкций зданий

С.А. Псаров

ТОГУ, Хабаровск, Россия

Абстракт

тепловизионное обследование контроль качества изоляция

Тепловизионное обследование является основным методом неразрушающего контроля качества тепловой изоляции ограждающих конструкций и ее монтажа. Согласно ГОСТ на проведение тепловизионного обследования погрешность, вызванная нестационарностью теплопередачи через конструкцию не должна превышать 15%. В данной работе показано, что для достижения стационарной теплопередачи необходимо, чтобы на протяжении 10 суток средняя температура наружного воздуха изменялась не более, чем на 0,2-0,5^оС, что практически не наблюдается в отопительный период. Поэтому в работе предложен метод учета нестационарности теплопередачи через ограждающую конструкцию путем усреднения среднесуточной температуры наружного воздуха с весовыми коэффициентами, рассчитанными на основании тепловой инерции отдельных слоев ограждающей конструкции. Данный метод позволяет получить погрешность тепловизионного обследования за счет нестационарности теплопередачи в пределах 10-15%, что удовлетворяет требованиям ГОСТ.

Ключевые слова: тепловизионное обследование, погрешность тепловизионного обследования, нестационарный режим теплопередачи через ограждающие конструкции.

Abstract

ACCOUNTING FOR THE NONSTATIONARITY OF HEAT TRANSFER DURING THERMAL IMAGING OF INERTIAL BUILDING ENVELOPES

S.A. Psarov

PNU, Khabarovsk, Russia

Thermal imaging inspection is the main method of non-destructive testing of the quality of enclosing structures thermal insulation and its installation. According to GOST for conducting a thermal imaging survey, the error caused by the non-stationarity of heat transfer through the design should not exceed 15%. During a thermal imaging survey of modern insulated and inertia enclosing structures, the main cause of the nonstationarity of heat transfer, which leads to significant errors in processing the results, is the variation of the average daily outdoor temperature. It is necessary that for about 10 days the average outside air temperature should change by no more than 0.2-0.5 ° C to achieve stationary heat transfer. This situation is practically not observed during the heating period. The paper proposes a method for taking into account the nonstationarity of heat transfer through the building envelope by averaging the outdoor air temperature with weighting factors. These weighting factors are calculated on the basis of the thermal inertia of individual layers of the building envelope. This method allows to reduce the error of thermal imaging due to the variation of the average daily outdoor temperature to 1-2% and meet the requirements to the error caused by the nonstationary heat transfer.

Keywords: thermal imaging, thermal imaging data precision, nonstationarity frame filling heat transfer.

Введение

Согласно современным требованиям к тепловой защите зданий сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций должны составлять для большей части России более 3 м^2оС/Вт. Подобные значения сопротивлений теплопередаче возможно обеспечить только с использованием многослойных ограждающих конструкций со слоем высокоэффективного утеплителя толщиной от 50 мм. Учитывая необходимость крепления слоя утеплителя и возможное наличие вентилируемого фасада, ограждающие конструкции становятся теплотехнически неоднородными, содержащими большое количество теплопроводных включений («мостиков холода»). Кроме крепления утеплителя и фасада конструкции также часто содержат другие дефекты: высокую воздухопроницаемость стыков плит, сквозное включение теплопроводных элементов каркаса здания и тому подобные.

В данных условиях увеличивается роль тепловизионного обследования ограждающих конструкций с целью определения тепловых дефектов теплоизоляционного и конструкционного слоев. Тепловизионное обследование проводится на основании ГОСТ 26629-85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» и ГОСТ Р 548522011 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций». Оба документа на данный момент времени являются действующими и практически не отличаются друг от друга в части общих положений, требований к оборудованию, проведению тепловизионного обследования, оценки погрешности обследования.

Существенное отличие ГОСТов наблюдается в одном пункте, определяющем требования к условиям стационарности режима теплопередачи через наружное ограждение. Нарушение стационарности теплопередачи происходит из-за суточных колебаний температуры наружного воздуха и воздуха внутри помещений; изменения средней суточной температуры наружного воздуха; прямого и отраженного солнечного облучения. Нередки случаи, когда жильцы закрывают холодные поверхности коврами, плюшевыми игрушками и другими материалами, которые являются теплоизоляторами, и открывают их непосредственно перед термо- графированием. Очевидно, что подобное тепловизионное обследование нельзя считать корректным, поскольку холодная поверхность, будучи закрытой теплоизоляционным материалом еще сильнее остывает и при освобождении от теплоизоляции начинает прогреваться, то есть режим теплопередачи становится нестационарным.

ГОСТ 26629-85 требует, чтобы за несколько дней до проведения теплови- зионного обследования обследуемая поверхность была освобождена от картин, ковров, отслоившихся обоев и других предметов, исключающих прямую видимость обследуемой конструкции и влияющих на качество тепловизионного обследования. После этого в течение определенного промежутка времени (обычно несколько суток) проводится контроль стационарности режима теплопередачи по формулам, которые будут рассмотрены ниже в данной статье. Данные формулы учитывают суточные колебания температуры воздуха наружного и внутри помещений; изменения средней суточной температуры наружного воздуха.

ГОСТ Р 54852-2011 также требует, чтобы тепловизионный контроль проводился в режиме, близком к стационарному: «...Анализ термограмм при нестационарных условиях часто затруднен ввиду того, что температурные аномалии, обусловленные переходными процессами и некачественной теплоизоляцией ограждающей конструкции, могут оказаться неразличимыми. . Главными критериями оценки нестационарности режима теплопередачи являются тепловая инерция ограждающей конструкции и коэффициент теплоусвоения материала. Оценка степени стационарности режима теплопереноса может проводиться расчетным путем.» Однако при этом в ГОСТ Р 54852-2011 не приводятся ни методика натурного определения, ни способ расчета стационарности режима теплопередачи. Причины столь неконкретного описания важной составляющей тепловизионного обследования приведены ниже.

Постановка задачи

Согласно ГОСТ 26629-85 минимальная продолжительность наблюдения за температурами внутреннего и наружного воздуха для оценки стационарности теплопередачи составляет zo= D²/(2tc),где D- инерционность конструкции. Для кирпичных и керамзито-бетонных стен, которые использовались до конца прошлого столетия, эта продолжительность составляет 2-4 суток. Для современных стен, имеющих массивный конструкционный слой из кирпичной кладки, железобетона и подобных материалов и слой теплоизоляции толщиной 100-200 мм, продолжительность наблюдения за температурами воздуха должна составлять 9-12 суток.

Максимальная относительная погрешность тепловизионного обследования, обусловленная нестационарными тепловыми воздействиями на конструкцию, не должна превышать 15% (5r_c< 0,15). Оценка максимального значения относительной погрешности тепловизионного обследования, обусловленная нестационарными тепловыми воздействиями на конструкцию, проводится по формуле, содержащей три слагаемых, которую удобно переписать в следующем виде:

где 4, t_H- температуры внутреннего и наружного воздуха в момент обследования, П4 - вариация среднесуточной температуры наружного воздуха (разность между максимальной и минимальной среднесуточной температурой за период наблюдений с целью оценки стационарности), ^в, ^н - максимальные амплитуды суточных колебаний температур внутреннего и наружного воздуха, R- расчетное сопротивление теплопередачи конструкции, П_в = 8.7 Вт/(м^2оС) - коэффициент теплоотдачи для внутренней поверхности конструкции, Ув, Ун - затухание амплитуды колебаний температуры внутреннего и наружного воздуха относительно внутренней поверхности конструкции.

Второе слагаемое в приведенной формуле определяет нестационарность, вызванную колебаниями температуры внутреннего воздуха. При использовании малоинерционных тепловентиляторов для поддержания постоянной температуры в обследуемом помещении данное слагаемое будет находиться в пределах 5-10%.

Третье слагаемое в приведенной формуле определяет нестационарность, вызванную колебаниями температуры наружного воздуха. При проведении теп- ловизионного обследования внутренней поверхности ограждающей конструкции амплитуда колебаний наружного воздуха сильно затухает при прохождении через конструкцию. Затухание для современных конструкций составляет от 1000 до 2000, поэтому даже при амплитуде колебаний температуры наружного воздуха 10^оС данное слагаемое составляет 1-2%.

Первое слагаемое в приведенной формуле определяет нестационарность, вызванную вариацией среднесуточной температуры наружного воздуха. Для старых неутепленных конструкций легко получить, что при разнице температур внутреннего и наружного воздуха 30^оС, zo= 2-4 суток и требуемой погрешности 5-10% вариация среднесуточной температуры наружного воздуха может составлять 3-6^оС. Для современных конструкций при разнице температур внутреннего и наружного воздуха 30^оС, zo= 9-12 суток и требуемой погрешности 5-10% вариация среднесуточной температуры наружного воздуха должна составлять 0,2-0,5^оС. Очевидно, что, если для старых неутепленных конструкций можно было выбрать 3-4 суток, когда средняя температура наружного воздуха колеблется в пределах 5-6^оС, то для современных конструкций выбрать в отопительный период 9-12 суток, когда колебания среднесуточной температуры составляют менее 0,5^оС, просто невозможно. Поэтому ГОСТ Р 54852-2011 не содержит каких-либо способов оценки стационарности режима теплопередачи и предлагает экспертам самим выбирать способ обоснования стационарности при проведении тепловизи- онного обследования.

Метод учета нестационарности теплопередачи

Одним из наиболее простых и очевидных способов учета нестационарности режима теплопередачи за счет вариации температуры наружного воздуха является усреднение температуры наружного воздуха за период наблюдения с определенными весовыми коэффициентами. В современных термически массивных и инерционных конструкцияхпроходит несколько суток прежде, чем изменение наружного воздуха достигает внутренней поверхности конструкции. Поэтому можно учесть, что при проведении тепловизионного обследования температура внутренней поверхности ограждающей конструкции соответствует температуре наружного воздуха, которая была за несколько суток до проведения обследования и тем самым существенно увеличить точность обследования.

При расчете весовых коэффициентов для усреднения температуры наружного воздуха можно воспользоваться методом конечного объема и линейностью уравнения теплопроводности. Для линейных уравнений линейная комбинация двух решений также является решением. Поэтому нестационарное уравнение теплопроводности достаточно решить один раз для температуры внутреннего воздуха равной 0^оС и температуры наружного воздуха в форме прямоугольного импульса: для периода времени от 0 до 86400 с (1 сутки) температура наружного воздуха равна 1^оС и равна 0^оС в остальных случаях.

Согласно методу конечного объема конструкцию необходимо разделить на элементарные слои, при этом толщина слоев необязательно должна быть одинаковой. Каждый слой необходимо представить в виде двух сопротивлений и теплоемкости (рис. 1).

Рисунок 1. Представление слоя конструкции по методу конечного объема

Теплоемкость элементарного слоя является произведением удельной теплоемкости материала слоя на его плотность и толщину слоя: C= Cpp8.Термическое сопротивление является отношением половины толщины слоя к его теплопроводности: R= 8/(2 А,).

Расчет температурного отклика внутренней поверхности на импульсное изменение температуры наружного воздуха приведен на рис. 2.

Рисунок 2. Изменение температуры внутренней поверхности в зависимости от суток при импульсом изменении температуры наружного воздуха (температура наружного воздуха в нулевые сутки равна 1^оС, остальное время 0^оС)

Расчет был проведен для конструкции, состоящей из слоя внутренней штукатурки толщиной 20 мм, слоя кирпичной кладки толщиной 380 мм, слоя утеплителя толщиной 150 мм, слоя наружной штукатурки толщиной 20 мм. При дискретизации по методу конечного объема кирпичная кладка была разделена на 4 слоя равной толщины, слой утеплителя был разделен на 3 слоя равной толщины, слои штукатурки дополнительно не разделялись.

На рис.2 видно, что основное изменение температуры внутренней поверхности конструкции наблюдается на вторые сутки после изменения температуры наружного воздуха. А существенное влияние импульсного изменения температуры наружного воздуха сохраняется для данной конструкции в течение 12 суток.

На рис. 3 приведен пример учета нестационарности теплопередачи, выполненный по данной методике, при проведении тепловизионного обследования стен жилого здания в январе 2018 года. Температура воздуха в одном из обследуемых помещений поддерживалась приблизительно 27^оС. Тепловизионное обследование проводилось в сутки, обозначенные на рис. 3 цифрой ноль.

С учетом весовых коэффициентов среднесуточная температура наружного воздуха, соответствующая температуре внутренней поверхности в момент проведения обследования, составила минус 14,2^оС. При этой температуре наружного воздуха конструкция, не имеющая дефектов, должна иметь температуру внутренней поверхности 25,58^оС. Фактическая температура внутренней поверхности составила 25,54^оС, то есть отклонение из-за нестационарности теплопередачи составляет 1,5% и находится в пределах погрешности тепловизора. При этом если средняя температура внутренней поверхности конструкции больше 25,2^оС, то конструкция признается не имеющей дефектов теплоизоляции.

Следует отметить, что, если при тепловизионном обследовании использовать не среднюю температуру минус 14,2^оС, а фактическую в момент проведения обследования минус 22,4^оС, то допустимая температура внутренней поверхности составила бы не 25,2^оС, а 24,4^оС. В этом случае даже утеплитель толщиной 100 мм вместо 150 мм был бы признан не имеющим дефектов из-за отклонения от стационарной теплопередачи почти на 39%.

Рисунок 3. Температура наружного воздуха (нижняя кривая); средняя температура наружного воздуха минус 14,2^оС, рассчитанная с использованием полученных весовых коэффициентов (пунктирная прямая); температура внутренней поверхности стены (верхняя кривая); температура стены (25,5^оС), определенная по средней температуре наружного воздуха (сплошная прямая)

Заключение

При проведении тепловизионного обследования современных утепленных, инерционных ограждающих конструкций основной причиной нестационарности теплопередачи, которая приводит к существенным погрешностям при обработке результатов, является вариация среднесуточной температуры наружного воздуха. Для достижения стационарной теплопередачи необходимо, чтобы в течение приблизительно 10 суток средняя температура наружного воздуха изменялась не более чем на 0,2-0,5^оС, что практически не наблюдается в отопительный период. В работе предложен метод учета нестационарности теплопередачи через ограждающую конструкцию путем усреднения температуры наружного воздуха с весовыми коэффициентами, рассчитанными на основании тепловой инерции отдельных слоев ограждающей конструкции. Данный метод позволяет уменьшить погрешность тепловизионного обследования за счет вариации среднесуточной температуры наружного воздуха до 1-2% и удовлетворить требования ГОСТ к погрешности тепловизионного обследования, вызванной нестационарностью теплопередачи.

Библиографические ссылки

2. ГОСТ Р 54852-2011 Здания и сооружения. Метод тепловизионного контролякачества теплоизоляции ограждающих конструкций.

3. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003

4. Fritzson P. Introduction to Modeling and Simulation of Technical and Physical Systems with Modelica. - Wiley-IEEE Press, 2011. - 232 p.

Размещено на Allbest.ru