Термография как способ технической диагностики ограждающих

Термография как способ технической диагностики ограждающих конструкций
http://www.stroinauka.ru/biblio.asp?d=12&dc=12&dr=4658
При том условии, что отечественные тепловизоры не уступают зарубежным по точности измерений
и способны заполнить пробелы, возникшие при переходе ведущих производителей на матричные
приемники инфракрасного излучения, российских стандартов по качественному обследованию
строительных сооружений не существует, кроме ГОСТ 26629-85 «Метод тепловизионного контроля
качества теплоизоляции ограждающих конструкций», не обновлявшегося с 1985 года.
Тепловизионное обследование ограждающих конструкций строительных сооружений
Диагностика оболочек строительных сооружений является одной из наиболее сложных и
востребованных областей термографии. В развитых странах для характеристики качества здания
(сооружения), оценки его стоимости (при страховании, продаже) по завершению строительных работ,
реконструкции или обслуживании принято выполнять тепловизионное обследование его оболочки.
В процессе эксплуатации в теплоэнергетический паспорт вносятся данные по фактическому значению
сопротивления теплопередаче элементов ограждающих конструкций. Температурное поле на
поверхности оболочки строительных сооружений формируется под воздействием источников тепла или
охлаждения (солнца, атмосферного воздуха, системы отопления зданий, среды внутри оболочки
сооружения). Неоднородность теплофизических свойств ограждающих конструкций проявляется в
различии температуры на их поверхности.
Для объектов, расположенных на открытом воздухе, температурное поле обязательно будет
нестационарным из-за изменения температуры атмосферного воздуха, условий теплообмена на
поверхности, связанных с метеорологическими факторами. Чем больше толщина ограждающей
конструкции, чем меньше ее эффективная теплопроводность (и соответственно больше плотность и
теплоемкость), тем дольше будут проявляться на ее температурном поле любые изменения граничных
условий.
Для типичных теплозащитных оболочек зданий и сооружений температура поверхности определяется
не только взаимодействием с наружной и внутренней средой на данный момент, но и историей
теплообмена в течение нескольких часов и даже дней. Необходимое время учета тепловой инерции
можно установить количественными расчетами нестационарного температурного поля применительно к
конкретной задаче, решаемой посредством термографии, и применительно к имеющимся условиям.
Все физические явления, формирующие распределение температуры на поверхности оболочек
строительных сооружений, уже хорошо изучены, и в настоящее время существуют мощные средства для
расчета температурного поля ограждающих конструкций. Но многообразие и совокупное влияние
различных процессов теплопередачи осложняют моделирование реальной ситуации. А необходимость
задания многих теплофизических параметров и граничных условий в течение длительного времени
приводит к неизбежности выполнения большого объема различных натурных и лабораторных
измерений, а также - к фатальному увеличению погрешности.
Поэтому очень важно разумное упрощение адекватного физического описания теплопередачи с малым
числом задаваемых параметров вместе с соответствующим методологическим подходом для
осуществления термографического обследования конструкции и интерпретации его результатов.
Для большинства практических приложений целесообразно рассматривать одномерную задачу
теплопередачи через оболочку сооружения, в зависимости только от одной координаты,
перпендикулярной поверхности ограждающей конструкции. То есть использовать приближение
однородности "куска" оболочки вдоль ее поверхности.
Чтобы рассчитать температурное поле, численными методами решают дифференциальное уравнение в
частных производных, описывающее явление нестационарной теплопроводности в однородной области.
На границах слоев ограждающей конструкции используют условие сопряжения - равенства плотности
теплового потока. На внешних границах необходимо задать зависимость от времени температуры
атмосферного воздуха и температуры внутренней среды, а также коэффициента теплоотдачи на
наружной и (при необходимости) на внутренней поверхности оболочки (граничные условия).
Граничные условия необходимо задать или функционально описать, как минимум начиная за 1 - 3 суток
до предполагаемого момента тепловизионного обследования (из-за тепловой инерции ограждающих
конструкций). Следует учитывать, что начальное условие (профиль температуры в некий начальный
момент времени) тоже неизвестно.
Основной количественной теплотехнической характеристикой элементов теплозащитных оболочек
сооружений служит сопротивление теплопередаче R или термическое сопротивление r. Они
определяются эффективной теплопроводностью
и толщиной х слоев ограждающей конструкции, а
сопротивление теплопередаче - еще и величиной коэффициентов теплоотдачи с наружной и внутренней
поверхности ( aH и aB ):
где - суммирование по всем слоям. Для зданий (внутри - воздух) R r + 0,15. На рис. 1 и 2 приведены
расчетные графики температуры Т(0, t) и плотности теплового потока q(0, t) на наружной поверхности
кирпичной стены типового 5-этажного дома постройки 60-х годов c 19 по 22 декабря 2003 года. Расчеты
выполнены по измеренному фактическому графику температуры атмосферного воздуха Тв(t) при
постоянной температуре воздуха внутри дома, равной +20°С, для проектного значения термического
сопротивления r = 0,8 м2 К/Вт
и заниженного r = 0,5 м2 К/Вт.
Рис. 1. Расчетный график температуры Т(0, t) на наружной поверхности
кирпичной стены типового 5-этажного дома
Рис. 2. Расчетный график плотности теплового потока
q(0, t) на наружной поверхности кирпичной стены
типового 5-этажного дома
С 0.00 часов 19.12.03 по 20.00 часов 20.12.03 плохие (по малой величине r) участки стены по данным
термографии нельзя выявить на фоне хороших. В интервале времени с 20.00 20.12.03 до 4.00 21.12.03
тепловое изображение будет инверсным - участки стены с плохими теплоизолирующими свойствами
будут выглядеть более , чем хорошая стена. Позже, в том числе во время тепловизионной съемки,
плохие участки стены значительно отличаются по температуре от хороших, причем "правильно" - они
теплее, примерно на 1,5°С. Для кирпичных стен (как и для других массивных типов ограждающих
конструкций с большим сопротивлением теплопередаче) явление инверсии, когда снаружи воздух
теплее, чем поверхность стены, - ситуация обычная. Нагрев и охлаждение наружной поверхности
ограждающей конструкции вследствие естественных колебаний температуры атмосферного воздуха и
других метеорологических факторов позволяют выполнить теплотехнические и термографические
обследования оболочки даже неотапливаемых (неохлаждаемых) зданий, сооружений. На рис. 3
приведены график отклонения температуры атмосферного воздуха от среднего значения в течение трех
суток в масштабе 1 : 10, обозначенный как (Та - Т)/10, и соответствующий расчетный график разности
температуры наружной поверхности панельной стены неотапливаемого здания при термическом
сопротивлении r, равном 2 и 3 м 2 К/Вт. Последний обозначен как Т(r = 2) - Т(r = 3).
Графики иллюстрируют возможность в определенные
интервалы времени выявить методом термографии
неоднородности стены по термическому
сопротивлению с чувствительностью около 0,4 °С на
единицу термического сопротивления. На основании
сопоставления расчетного и измеренного графиков
плотности теплового потока (чувствительность
составляла около 20 Вт/м 2 на единицу термического
сопротивления) было определено фактическое значение
сопротивления теплопередаче стены с погрешностью
15%.
Рис. 3. График отклонения температуры
атмосферного воздуха (Та - Т)/10 от среднего
значения в течение трех суток в масштабе 1:10
и расчетный график разности температуры Т(r
= 2) - Т(r = 3) наружной поверхности панельной
стены неотапливаемого здания при
термическом сопротивлении r = 2 и 3 м2 К/Вт
На порядок сильнее температурный эффект, связанный
с влажными зонами ограждающих конструкций,
особенно кровли. Опытные термографисты
рекомендуют его обнаруживать вне зависимости от
того, отапливается здание или нет. Температурное поле
окон и застекленных балконных дверей, двойного
стеклянного фасада, а также отдельных тонких
выносных элементов ограждающих конструкций в естественных природных условиях можно
рассматривать как стационарное для мгновенных значений температуры наружной и внутренней
поверхности.
Существующие методики термографической инспекции строительных сооружений в естественных
условиях ориентированы главным образом на качественный характер получаемых результатов и не
претендуют на количественные оценки. Они не регламентируют жесткую технологию, а дают более
широкое описание необходимых действий, не ограничивая исполнителей в том, как их следует
выполнять. Эти методики не являются догмами, ежегодно обсуждаются и пересматриваются,
совершенствуются при участии всех заинтересованных сторон.
Основной методикой, разработанной под эгидой международной организации стандартов (ISO)
является: ISO 6781 "Thermal insulation, qualitative detection of thermal irregularities in building envelopes,
Infrared Method" (Тепловая изоляция, качественное выявление температурных неоднородностей в
оболочке зданий, инфракрасный метод).
В следующих методиках заложена основа для количественных расчетов температурного поля элементов
оболочки зданий:



ISO 13786 (1999) "Thermal performance of building components. Dynamic thermal characteristics.
Calculation methоd";
ISO 13788 (2001) "Hydrothermal performance of building components and building elements. Internal
surface temperature to avoid critical surface humidity and interstitial condensation. Calculation
methods";
ISO 10077-1 (2000) "Thermal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal
transmittance. Part 1: Simplified method".
Действующими американскими стандартами являются:


C1060-90 (2003) "Standard Practice for Thermographic Inspection of Insulation Installations in
Envelope Cavities of Frame Buildings" ("Стандартная практика термографической инспекции
теплоизоляции оболочки секционных зданий");
C1153 "Standard Practice for location of Wet Insulation in Roofing Systems using Infrared Imaging"
("Стандартная практика для обнаружения влажной изоляции в кровельных
конструкциях путем использования инфракрасной съемки");
 D 4788 "Test Method for Detecting Delaminations in Bridge Decks Using
Infrared Тhermography" ("Метод контроля для определения мест отслаивания
покрытия (палубы) мостов с помощью инфракрасной термографии").
Россия пока стоит особняком от мирового прогресса в этой области, следуя своим
путем. Государственных стандартов по качественному (без количественных
оценок) обследованию строительных сооружений не существует. Хотя имеется
много примеров термографического обследования и обнаружения дефектов
ограждающих конструкций (зданий, дымовых труб, печей, дорожного покрытия),
но без тщательно отработанных, отрецензированных и узаконенных стандартных
процедур они являются несертифицированными, своего рода кустарными, невоспроизводимыми и,
вполне возможно, спорными. Российским стандартом по тепловизионному обследованию зданий и
сооружений (не обновлявшимся с 1985 года) и, по-видимому, никогда даже не рецензировавшимся,
является ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих
конструкций". Голословно утверждается, что этот стандарт соответствует требованиям ISO 6781 в части
выявления нарушений теплозащиты зданий.
Согласно этому ГОСТу проводится обзорная термография наружной поверхности отапливаемого здания
и выявляются участки с нарушенными теплозащитными свойствами. Таковыми считаются "участки,
тепловое изображение которых не соответствует модели термограммы" (откуда эта модель берется неизвестно), или участки более "теплые", чем выбранный базовый, самый "холодный". Затем
обнаруженные участки "с нарушенными теплозащитными свойствами" и базовый участок подвергаются
"детальному термографированию с внутренней стороны". Изнутри выполняется тепловизионная съемка
граней здания. По тепловым изображениям внутренней поверхности определяется распределение
температуры на основе контактных измерений (градуировки тепловизора). Затем, измерив температуру
наружного и внутреннего воздуха, вычисляются значения относительного сопротивления теплопередаче
(для стационарной модели температурного поля). В качестве погрешности результатов принимается
аппаратурная погрешность измерений.
Эта методика является невнятной, теряющей все преимущества термографии (точность,
дистанционность, производительность), нарушающей все необходимые вышеизложенные условия
получения достоверных и обоснованных результатов (количественное физическое обоснование, учет
основ тепловидения, своего рода радиационной температуры, правила описания и обоснования
технологии действий). Она требует множества контактных измерений и практически нереальна для
исполнения, особенно для ограждающих конструкций с сопротивлением теплопередаче более 2 м 2 К/Вт
или с затруднительным доступом вовнутрь (аккумуляторный бак котельной с горячей водой,
действующая газоотводная труба, доменная печь, квартира, владелец которой не желает прихода
посторонних, двигающих мебель, снимающих ковры и обои). Однако это одна из немногих методик,
направленных на получение количественных результатов.
В России существуют и местные методики (различных организаций и фирм), утвержденные в
соответствующих отраслевых управленческих структурах. Наиболее сильной стороной тех, с которыми
мне довелось познакомиться, является опора на ГОСТ 26629-85. Из приведенного выше описания
физических основ термографии и процессов теплопередачи следует, что тепловое изображение
неоднородной по свойствам ограждающей конструкции:



во-первых, изменяется со
временем, "горячие" и
"холодные" участки могут
появляться, исчезать и даже
меняться местами;
во-вторых, отражает не только
распределение температуры
(вызванное свойствами толщи
ограждающей конструкции), но
и изменение свойств самой
поверхности;
в-третьих, содержит фиктивные
Рис. 4, 5. Тепловые (8–12 мкм) изображения фрагментов фасадов
аномалии, связанные с
зданий с соответствующими видеоизображениями
излучательными свойствами
поверхности и фоновой освещенностью, которые могут значительно превышать неоднородность
реальной температуры поверхности зданий и сооружений.
В названных методиках указанные обстоятельства практически не учитываются. Это приводит к
отсутствию четкого обоснования условий и времени выполнения термографии, определения тех
неоднородностей свойств ограждающих конструкций, которые могут быть обнаружены, полноценной
интерпретации тепловизионных изображений, отбраковки фиктивных термографических аномалий,
возможности получения количественных оценок (требуемых СНиП 23-02-2003 в отношении
приведенного сопротивления теплопередаче). Даже только качественные результаты диагностики
строительных сооружений могу быть сочтены уникальными (например, как фотография НЛО) и
спорными.
Обоснованно авторы статьи, размещенной на сайте украинского общества неразрушающего контроля,
считают, что "практически отсутствуют методики расшифровки термограмм и отсутствует
нормативно-методическая база проведения термографических обследований".
Для создания технологии качественной или даже количественной тепловизионной диагностики вполне
достаточно приведенных сведений. При этом в методике должны подразумеваться измерения
параметров граничных условий (температуры атмосферного воздуха, внутренней среды, если нужно солнечной радиации, влажности), расчет нестационарного температурного поля, сравнение участков
ограждающих конструкций с обнаруженными дефектами с аналогичными участками при тех же
условиях, оценка достоверности (точности) получаемых результатов.
В качестве примера обоснованных
количественных результатов
тепловизионного обследования приведены
рис. 4, 5, 6. На рис. 4, 5 представлены
тепловые (8-12 мкм) изображения фрагментов
фасадов зданий вместе с соответствующими
видеоизображениями. Результаты
количественной термографии даны в виде
псевдоцветового изображения, цветам
которого поставлена в соответствие величина
сопротивления теплопередаче R. Ширина
диапазонов шкалы значений F и R равна
удвоенной погрешности измерений и
количественной оценки.Величина F - это
относительный тепловой поток (для
однородной поверхности оболочки):
,
где Tв(t) - температура атмосферного
воздуха, T(0,t) и TОП(0,t) - температура
поверхности оболочки в текущей и опорной
точке поверхности (°С), t - время.
Величина F вычисляется непосредственно по
Рис. 6. Графики температуры и плотности теплового
цифровому тепловому изображению, причем
потока на наружной поверхности стены с разным
гораздо точнее, чем абсолютное значение
термическим сопротивлением, рассчитанные по
температуры. Зависимость F от R для стен
фактическим данным измерения функций температуры зданий установлена для конкретного времени
внутреннего и наружного воздуха
тепловизионной съемки. В опорной точке
определено фактическое значение
сопротивления теплопередаче. Относительно него установлены значения R по всей стене здания в
соответствии с полученной величиной F. Рис. 5 показывает, что у верхних четырех панелей отсутствует
теплоизоляция. Окна на инфракрасном изображении (рис. 4) выглядят более холодными, чем на самом
деле (примерно на 2°С), потому что характеризуются большим, чем стена коэффициентом отражения
теплового излучения неба. В диапазоне 8 - 12 мкм стекла окон непрозрачны. На окнах температура
воздуха между стеклами.
На рис. 6 приведены графики температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности
стены с разным термическим сопротивлением, рассчитанные по фактическим данным измерения
функций температуры внутреннего и наружного воздуха. Графики иллюстрируют то обстоятельство,
что с 0.00 часов 29.10.04 до 7.00 30.1004 (в течение 31 часа) различие в сопротивлении теплопередаче
стены вообще никак не проявляется термографически. А во время обследования тепловизионная
чувствительность к изменению R превышает 2°С или 35 Вт/м2 по температуре или плотности теплового
потока с наружной поверхности стены на единицу сопротивления теплопередаче - 1 м2 К/Вт.
На тепловых изображениях хорошо виден каркас зданий (перекрытия и вертикальные несущие стенки,
переборки между листами теплоизоляции) и зоны пенопластовой теплоизоляции трехслойных панелей
(самые холодные, с минимальным F).
Литература
1. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.: - Л. Госзнергоиздат, 1962. - 332 с.
2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. - М.: Мир. 1988. - 416 с.
3. Инфракрасная термография в энергетике. Т 1. Основы инфракрасной термографии / Под ред. Р.К.
Ньюпорта, А.И. Таджибаева, авт.: А.В. Афонин, Р.К. Ньюпорт, В.С. Поляков и др.. - СПб.: Изд.
ПЭИПК, 2000. - 240 с.
"Строительная инженерия" »
Андрей Шишкин, к.т.н.
Информационные технологии в строительстве и архитектуре »
Концепция инновационной деятельности »
Методика (методология) научных исследований »
No. 5/2005
28.06.2005