CC BY
131
УДК 666.762:621.928.9 ТЕПЛОВАЯ ДИАГНОСТИКА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
В.В. Дыбок1, А.Р. Кямяря2, Н.В. Лазуренко3 ЗАО Проектно-конструкторско-технологический институт (ПКТИ),
197341, Санкт-Петербург, Афонская ул., д.2
Аннотация - Разработана методика оценки теплозащитных свойств ограждающих конструкций основанная на тепловизионном обследовании и инструментальными методами определения плотности теплового потока с учетом «температурной истории» здания. Алгоритм методики включает тепловизионную съёмку наружных и внутренних поверхностей, определение дефектных участков и их нормирование с учетом расчетных условий эксплуатации зданий.
Ключевые слова: теплозащитные свойства; плотность теплового потока; коэффициент теплоотдачи; температура воздуха; тепловизионная съёмка; ограждающие конструкции; эксплуатация зданий.
THERMAL DIAGNOSTICS OF PROTECTING DESIGNS OF BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS IN NATURAL CONDITIONS
V.V.Dybok, A.R.Kjamjarja, N.V.Lazurenko Joint-Stock Company Design-konstruktorsko-institute of technology (JSC DKIT),
197341, St.-Petersburg, Athos street,.2 Summary -The technique of an estimation of heat-shielding properties of protecting designs based on thermal inspection and tool methods of definition of density of a thermal stream with the account of "a temperature history» buildings is developed. The algorithm of a technique includes thermal shooting of external and internal surfaces, definition of defective sites and their rationing taking into account settlement service conditions of buildings..
Keywords: heat-shielding properties; density of a thermal stream; factor теплоотдачи; air temperature; heat- shooting; protecting designs; operation of buildings.
С целью обеспечения заданной энергетической эффективности зданий и сооружений СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1] и СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника» [2], предписывают контроль теплозащитных свойств их ограждающих конструкций (ОК) на этапе приёмки в эксплуатацию в соответствии с ГОСТ 26629-85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» [3] для обнаружения скрытых дефектов и их устранения. Указанным ГОСТом предусмотрено дистанционное измерение тепловизором полей температур ОК, между внутренними и наружными поверхностями которых создан перепад температур (данный стандарт не распространяется на светопрозрачные ОК). В качестве критериев оценки теплозащитных свойств ОК, а
также участков «:.. .примыкания пола и потолка к наружным стенам здания в помещениях первого и верхнего этажей, угловых участков сопряжений наружных стен.» ГОСТ [3] предусматривает температуру внутренней поверхности (тв) и относительное сопротивление теплопередаче (г) для расчётных условий.
Температуру внутренней поверхности ОК - тв для расчётных условий рекомендуется вычислять по результатам измерений в условиях, отличающихся от расчётных, по выражению (приложение 7 ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций»
[4]):
тГ^в-^в-т’в)^, (1)
(X в
где: ¿в ~ расчётная температура внутреннего воздуха, °С; т^- температура внут-
ренней поверхности ОК при расчётном перепаде температур (^ - ^ ) без учёта изменения коэффициента теплоотдачи ав , определяемая по зависимости:
эксп в "
ЭКСПч
.эксп _ .эксп 'в 'н
(2)
ав= ак + ал - коэффициент теплоотдачи от воздуха внутри помещения к внутренней поверхности ОК в эксперименте, Вт/(м2- град; а^-а^ + ад - то же, при Тд и ¿в, Вт/м2 град; ак,а^. - коэффициенты конвективного теплообмена внутренней поверхности ОК с воздухом внутри помещения при
д . .ЭКСП ЭКСП
А* = *в - хв
и А/в = /в - соот-
ветственно, Вт/м • град, определяемые по эмпирическому графику приложения 7; ад,а'л - коэффициенты лучистого теплообмена внутренней поверхности ОК с воздухом внутри помещения при
^ср
.ЭКСП . ЭКСП
в +тв
2
и ¿ср = В
¿с
2
соот-
ветственно, Вт/(м • град), также определяемые по эмпирическому графику приложения 7; ^ксп - средняя за период наблюдений температура внутреннего воздуха, °С; ТвКСП-то же внутренней поверхности ОК в рассматриваемой точке, °С; 1и - расчётная температура наружного воздуха, °С; /^ксп - средняя за период наблюдений температура наружного воздуха, °С.
Однако, следует отметить, что в соответствии с графиками для определения ал,а'л и ак,а^ эти величины изменяются в довольно узком диапазоне (0,4<ак< 4,4 ; 3,0<ал< 4,8 ) и отношение -5- в формуле (1) вносит неболь-ссв
шой вклад в тРасч ( в пределах <0,5 °С ), что находится в пределах погрешности метода её определения. В связи с этим представляется, что с достаточной для инженерных расчётов точностью при оп-
ределении тРасч может быть использова-
‘'В
на зависимость:
расч _
^в (^в тв) 5
(3)
Относительное сопротивление теплопередаче г участка ОК по результатам измерений рекомендуется вычислять по зависимости:
ґб-тб 1в ив
и
(4)
где: tв,tн — температуры внутреннего и
наружного воздуха в зоне исследуемого
б б
фрагмента ОК,°С; /в,/н - температуры
внутреннего и наружного воздуха в зоне
базового участка, °С; т“ - температура внутренней поверхности базового участка, °С; тв(х,>’) - температура изотермы, проходящей через точку с координатами (х,у),°С.
Дефектным в соответствии с [3] считается участок, ограниченный изотермой, температура по линии которой при расчётных условиях эксплуатации здания равна температуре точки росы внутреннего воздуха, линейные размеры больше двух толщин ОК, а относительное сопротивление теплопередаче равно или меньше его критического значения
'кр •
При этом температура внутренней поверхности ОК по линии изотермы при расчётных условиях эксплуатации, ограничивающей дефектный участок, должна определяться из выражения:
.расч _ .расч
= ',расч -------------------, (5)
а
расч .расч
■—расчетные температур
и наружного воздуха, °С;
¿васч, ¿н ~ расчётные температуры
где: внутреннего расч
а£ - коэффициент теплоотдачи от
воздуха к внутренней поверхности ОК, определяемый «согласно технической
нормативно-документации», Вт/(м2
град); і?о _ сопротивление теплопередаче
базового участка, определяемое по результатам натурных испытаний в соответствии с ГОСТ 26254-84 либо «согласно нормативно-технической документа-
Б
В
ции по данным проекта ОК», м хград/Вт, а критическое сопротивление теплопередаче - из выражения:
>тр
Ми = / (Не,Сг, Рг)
(9)
гкр —
<0,85,
(6)
где: Яр - требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое (в соответствии с [4]) по нормативно-технической
2 б документации, (м хград)/ Вт; Яд - сопротивление теплопередаче базового участка, определяемое в соответствии с [4] либо же «согласно нормативнотехнической документации по данным проекта ОК» (в редакции [3]). В качестве базового участка должен выбираться участок ОК с линейными размерами, большими двух её толщин, и с равномерной температурой, равной или превышающей нормативную.
Под сопротивлением ОК теплопередаче понимается следующее равенство:
1 '=п ■ 1
■2Х+ —, (7)
''В /=1
¿=и / = И 5
~ суммарное термиче-
Я =
ат
а.
где:
г= 1
■ 1
1= 1 1
ское сопротивление п слоёв ОК теплопередаче от внутреннего воздуха к наружному; 5/ Д,- - толщина (м) и коэффициент теплопроводности материала (Вт/м К) I -го слоя; ав,ан- коэффициенты теплоотдачи от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ОК и от наружной поверхности ОК к наружному воздуху соответственно.
Известно, что коэффициенты теплоотдачи являются функциональной зависимостью большого количества факторов, обуславливающих протекание конвективного теплообмена, являющегося превалирующим для рассматриваемых условий, то есть
а = /(юД,ц,р,Ср,р,Гв,т,Ф,/1,/2^з)’ (8)
В критериальной форме с использованием критериев подобия, которая широко используется для описания процессов теплопереноса, эта зависимость в общем виде будет следующей:
а
критерий теплоотдачи
где: Ми - 1 -
X
(Нуссельта), характеризующий интенсивность теплоотдачи на границе «воздух
14>/р
- твёрдое тело»; Ие -
критерий
Рейнольдса, являющийся отношением сил инерции к силам внутреннего трения и характеризующий режим движения воздуха (ламинарный - Я.е<2300, переходный - 2300<Яе< 104, турбулентный -
4 а/3
Ие> 10 ); Сг = (5А/ - критерий Грас-
V
гофа, учитывающий подъёмные силы, возникающие в воздухе вследствие разности плотностей его слоёв, и вызываю-
\lCpg
щие свободную конвекцию; Рг —
критерий Прандтля, характеризующий физические свойства воздуха и механизм
Ц
распространения в нем теплоты; V =
коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; с - изобарная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг К); и1 - скорость движения воздуха, м/с; (5 - коэффициент объёмного расширения воздуха, м3/К; р
- плотность воздуха, кг/м ; Ф,/. - форма и характерные линейные размеры омываемой воздухом поверхности.
Применительно к вынужденному турбулентному движению воздуха уравнение (8) преобразуется к виду:
Ш = сКепРтт, (10)
При определении ав для отапливаемых зданий в [5] рекомендуется использовать уравнение:
]\и = 0,135(СгРг)0,333 , (11)
хотя правомерность его применения для всех типов отапливаемых зданий и без учёта планировочных решений представляется некорректной, учитывая, что свободный член и показатели степени в уравнениях (10, 11) определяются в результате обработки опытных данных, получаемых в специально поставленном
факторном эксперименте, графическими либо расчётно-статистическими методами, а уравнения справедливы только в области, определяемой диапазоном изменения параметров, входящих в выражения для определения критериев подобия.
Как показывает анализ, вклад первого и последнего членов правой части уравнения (7) в числовое значение величины R незначителен и в зависимости от конструктивного исполнения ОК составляет 3 - 5%, что находится в пределах погрешности метода экспериментального определения сопротивления теплопередаче. Так для ОК, состоящей из 4-х слоёв: кладка из кирпича лицевого (5 = 0,13 м, А,= 0,36 Вт/м град), кладка из кирпича рядового (5 = 0,12 м, >.= 0,36 Вт/м град), утеплитель - плита минераловатная КАВИТИ БАТТС производства фирмы Rockwool (8= 0,05 м, Х= 0,041 Вт/м град), газобетон (8 = 0,2 м, Л- = 0,13 Вт/м град) величина сопротивления теплопередаче при расчётных условиях для Санкт-Петербурга R = 3,6 (м хград)/ Вт, а
1 1 2
----1----) = 0,15 (м хГрад)/ Вт, что со-
ос
Н
а
в
ставляет 4,1% от Я . Дробь в правой части выражения (5) после замены приведенного сопротивления теплопередаче базового участка на термическое сопротивление ОК изменяется в пределах 1,1 -1,2 %, что также незначительно влияет на
величину тРасч(*,.у) (в пределах 0,1 - 0,2 %).
Вышеизложенное показывает, что при определении Г и Гкр с допустимой
для инженерных расчётов точностью сопротивление теплопередаче в числителе и знаменателе выражений (5) и (6) можно заменить термическим сопротивлением ОК, определение которого возможно с меньшей погрешностью.
Из уравнения для определения теплового потока через плоскую многослойную стенку:
_ — ^п+1
-xF
(12)
1^-
7 = 1
для расчётной схемы процесса теплопередачи, представленной на рис.1, можно сделать вывод, что при установившемся тепловом режиме ОК тепловые потоки, проходящие через каждый из слоёв, одинаковы.
При изменении температуры наружного воздуха поддержание температуры внутренней поверхности ОК (Т1) на нормативном уровне возможно изменением теплового потока через неё. При этом изменится и температурный напор на строительной конструкции (вместо
(XI - 1п+\) установится (- 1)1+1 )• термическое сопротивление ОК ( ^ —) и её
7=Л‘
площадь F остаются неизменными, а тепловой поток поддерживается на уровне, обеспечивающем нормативные параметры внутреннего воздуха, системой управления теплоснабжением здания.
Рисунок 1 - Расчётная схема процесса теплопередачи
Таким образом, переменными параметрами процесса теплопередачи для рассматриваемого случая являются температурный напор на ОК (А/ = - хп+\ = уаг), являющийся функ-
циональной зависимостью параметров состояния наружного воздуха, и находящийся в пропорциональной зависимости от него тепловой поток через ОК (() = уаг), а неизменным параметром яв-
=п
ляется термическое сопротивление ОК. Поэтому, если поля температур внутренней и внешней поверхностей ОК определены тепловизионным методом, то, определив плотность теплового потока через дефектный участок ОК одним из инструментальных методов, например, с помощью измерителя плотности теплового потока, и используя уравнение теплопроводности через плоскую стенку:
1=п\
я = Х^(т1-т«+1),
/=15/
(13)
можно вычислить термические сопротивления дефектного и базового участков из выражения
/=и5,-
,= 1^7
Т1 Т777+1
Я
(14)
долее с их использованием определить Г и Гкр .
Для получения достоверных результатов при проведении контроля теплозащитных свойств ОК ГОСТы [3,4] требуют проведения измерений при режиме теплопередачи, близком к стационарному (в условиях отсутствия атмосферных осадков, тумана, задымлённости и исключения воздействия на ОК в течение 12 часов до проведения измерений прямого и отражённого солнечного облучения). Приложение 2 ГОСТа [3] предусматривает с этой целью минимальную длительность периода наблюдения г0 (в сутках) за температурами внутреннего и наружного воздуха, определяемую по зависимости:
го =
2п
2
(15)
где Б - тепловая инерция ОК при периоде колебаний температуры воздуха г = 1 сут.
Наблюдение должно осуществляться с помощью метеорологических термографов, устанавливаемых специальным образом, в помещениях первого, верхнего и одного из промежуточных этажей, а также на расстоянии 20 - 1000 м от объекта с последующей оценкой от-
носительной систематической погрешности, вносимой отклонением режима теплопередачи от стационарного. В то же время, авторы [6] на основе результатов расчётно-экспериментальных исследований утверждают, что установившееся тепловое состояние ОК в зависимости от их тепловой инерции достигается в течение 120 - 150 часов. Следовательно, если измерения проводятся после прогрева здания в течение указанного интервала времени, то «температурную историю» здания можно учесть расчётным методом с использованием данных метеорологического контроля состояния атмосферного воздуха, проводимого стационарными постами Гидрометеорологической службы.
Для светопрозрачных ОК представляется правомерным оценивать теплозащитные свойства путём сравнения определённой по результатам измерений температуры их внутренних поверхностей в расчётных условиях эксплуатации с нормативной, которая составляет 3 °С (кроме производственных зданий) [2]. В случае её отклонения в меньшую сторону на величину, превышающую погрешность измерения, и отсутствии инфильтрации, которая может быть этому причиной, необходимо определить приведенное термическое сопротивление конструкции в соответствии с ГОСТ 26602.199 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче» [7] и сравнить его с проектным.
Что касается участков ОК с теплопроводными включениями, то в соответствии с [2] температура таких участков в расчётных условиях эксплуатации не должна быть ниже температуры точки росы внутреннего воздуха (10,7°С при относительной влажности воздуха 65 % -для жилых зданий).
В лаборатории тепловидения ЗАО ПКТИ разработана методика оценки теплозащитных свойств наружных ОК в натурных условиях основанная на следующих положениях:
1. Качество теплозащиты ОК и их сопряжений с допустимой для инженерных расчётов точностью можно оценивать по отклонению температуры их внутренней поверхности при расчётных условиях эксплуатации, определённой с использованием экспериментальных данных тепловизионного обследования.
2. В качестве проверочного критерия для определения дефектных участков и оценки степени отклонения их теплозащитных свойств от проектных значений представляется целесообразным использование относительного термического сопротивления ОК, не зависящего от метеорологических условий в отличие от относительного сопротивления теплопередаче.
3. Определение термического сопротивления ОК дефектных и базовых участков как величин относительно постоянных в данных условиях эксплуатации целесообразно проводить одновременно с тепловизионным обследованием, определяя инструментальными методами плотность теплового потока и полагая процессы теплообмена квазистационар-ными по истечении времени «адаптации» ОК к условиям эксплуатации, учитывая «температурную историю» здания расчётными методами.
4. Алгоритм оценки теплозащитных свойств ОК представляется следующим:
• тепловизионная съёмка наружных ОК и анализ термограмм с выявлением участков с температурными аномалиями;
•тепловизионная съёмка внутренних поверхностей участков с температурными аномалиями, анализ термограмм с целью выявления предполагаемых дефектных участков;
• выбор базовых участков, теплови-зионная съёмка их внутренних поверхностей, замер плотности тепловых потоков;
• определение температур внутренних поверхностей предполагаемых дефектных участков при расчётных условиях эксплуатации и сравнение с нормативными, выявление участков с отклонениями температур, превышающими погрешность измерения;
• определение термических сопротивлений и относительных термических сопротивлений выявленных участков;
• сравнение относительных термических сопротивлений с критическими термическими сопротивлениями для выявления участков, которые следует отнести к дефектным;
• выявление причин наличия дефектов и разработка рекомендаций по их устранению.
Литература
1. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», М., ГосстройРФ, 2003.
2. СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника», М., Госстрой РФ, 1998.
3. ГОСТ 26629-85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций», М.., Госкомитет СССР по делам строительства,1985.
4. ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций», М.., Госкомитет СССР по делам строительства, 1984.
5. К.В. Тихомиров. Теплотехника, теплогазо-снабжение и вентиляция, М., Стройиздат, 1974.
6. О.Н. Будадин и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. М., Наука, 2002.
7. ГОСТ 26602.1-99 «Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче». М.,МНТКС, 2000.
1 Дыбок Василий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ЗАОПКТИ, тел.: 938-40-22; 447-98-52,: (812)388-00-01'тел./факс 302-03-20;*
2 Кямяря А.Р., инженер ЗАО ПКТИ, тел./факс (812) 302-03-20;
3 Лазуренко Николай Владимирович, инженер ЗАО ПКТИ, тел./ факс (812) 302-03-20;
