Современные возможности тепловизионного контроля зданий

Л. И. Шубин, заведующий лабораторией тепловизионного контроля, ООО «ИнжСтройИзыскания»

Для определения качест-ва требуемых характеристик тепловой защиты зданий НИИСФом был разработан ряд нормативных документов (СП 23-101-2000 и СНиП 23-02-2003), которые поставили определенные задачи перед строителями в вопросах энергосбережения.

Для определения энергосберегающих характеристик и тепловых потерь конструкций зданий и сооружений, согласно с новыми нормативными документами, разрабатывается энергетический паспорт здания и проводится тепловизионная съемка объекта.

Энергетический паспорт регистрирует и устанавливает расчетным способом реально полученные теплофизические характеристики строительных конструкций.

С помощью тепловизионной съемки производится качественная проверка теплозащиты здания.

Следует заметить, что данные энергетического паспорта являются усредненными и они важны лишь для того, чтобы подтвердить правильность выбранного конструктивного решения теплозащиты здания на этапе проектирования или согласования соответствующих документов.

Насколько качественно выбрана конструкция теплозащиты здания, правильно и корректно проведен подбор строительных материалов и конструкций, присутствуют ли отклонения и отступления от проектной документации, и наконец, насколько грамотно выполнены строительно-монтажные работы – на все эти вопросы можно ответить с помощью тепловизионной съемки.

Проведение обследований зданий с помощью тепловизионной съемки требует от организации наличия необходимого специального оборудования и группы высококвалифицированных в тепловизионной съемке и строительном деле специалистов.

Современная конструкция тепловизора представляет собой цифровой прибор, принцип работы которого основан на способности улавливать ИК-излучения от обследуемых объектов и определять температуру либо преобразовывать его в визуальную картинку распределения тепловых полей по поверхности объекта.

Температурные поля поверхностей ограждающих конструкций получаются на экране тепловизора в виде цветного изображения, градации цвета которого соответствуют различным температурам (рис. 1).

Рисунок 1. (подробнее) Температурные поля поверхностей ограждающих конструкций получаются на экране тепловизора в виде цветного изображения, градации цвета которого соответствуют различным температурам

Тепловизоры снабжены устройством для высвечивания на экране изотермических поверхностей, а также устройством для измерения выходного сигнала, значение которого функционально связано с измеряемой температурой поверхности.

Прибор позволяет регистрировать температурное поле на поверхности любого объекта бесконтактным методом за счет излучения, а термограммы являются основой для анализа полученной информации по тепловому состоянию объекта.

Наличие неоднородностей в тепловом состоянии объекта характеризуется изменением температуры в этой части поверхности и плотности теплового потока, по сравнению с теплотехническими параметрами других участков в исследуемом объекте.

Методика работы с тепловизором использует неразрушающие методы измерений – тепловой неразрушающий контроль – и дает возможность оперативно, в течение нескольких часов, проводить натурные обследования объекта.

В настоящее время на российском рынке имеются различные модели тепловизоров производства США, Японии, Китая и России (рис. 2).

Рисунок 2. В настоящее время на российском рынке имеются различные модели тепловизоров производства США, Японии, Китая и России

Учитывая, что прибор имеет широкое применение в военных целях, в случае его американского или японского производства необходимо получить соответствующее разрешение в Госдепартаменте США или правительстве Японии.

Чтобы не ошибиться при выборе тепловизора, необходимо знать важные характеристики аппарата, определяющие его технический уровень: температурное разрешение, размер изображения, охлаждение ИК-детектора, скорость формирования изображения, спектральный диапазон, диапазон измеряемых температур, автокомпенсацию воздействия внешних факторов, расход энергии и др.

При выборе прибора для целей тепловизионного контроля объектов строительства особое внимание нужно обращать на диапазон измеряемых температур, который должен иметь в верхнем пределе не менее 100 °С, а нижний – не менее -20 °С.

При использовании прибора в районах Крайнего Севера нижний предел желательно иметь до -50 °С, однако, учитывая, что питание приборов осуществляется от аккумуляторов, при погодных условиях ниже -20 °С работа прибора будет ограничена во времени.

Кроме того, важным для точности проведения тепловизионной съемки является наличие специальных дополнительных объективов – широкоугольников и объективов, приближающих объекты исследований.

Сегодня стоимость стандартной комплектации тепловизора колеблется от 25 до 60 тыс. долларов США. Дополнительные устройства к прибору также недешевы и составляют от 10 до 30 тыс. долларов США.

Кроме того, необходимо учитывать, что одного тепловизора для проведения исследований будет недостаточно.

Необходимо обеспечить группу специалистов преобразователем (датчиком) теплового потока, термоэлектрическим термопреобразователем, цифровым измерителем термоэдс, анемометром, пиромет-ром и влагомером строительных конструкций.

Общая стоимость приборной базы может колебаться от 1 до 2 млн рублей. Этот факт объясняет высокую стоимость работ на проведение натурных тепловизионных исследований строительных объектов, которые составляют сегодня от 100 до 250 тыс. рублей за один объект, в зависимости от сложности конструкции здания и его площади.

Нужно сразу предупредить большинство руководителей предприятий, которые хотят заниматься тепловизионной съемкой, что наличия одной приборной базы будет недостаточно.

Если в энергетике, автомобилестроении, космонавтике тепловизор используется для оценки качественных характеристик дефектов отдельных мелких элементов, которые после исследований можно легко заменить, что обычно и делается, то в строительстве объекты имеют значительные размеры, и простая замена одного материала (или конструкции) на другой не всегда возможна, особенно если здание уже готово к эксплуатации.

В результате исследований необходимо поставить точный диагноз для конструкций теплозащиты здания.

От того, насколько правильным будет принятое решение, зависит не только энергосбережение здания в целом, но и долговечность его конструкций, комфортность проживания и т. д.

Здесь очень важным является степень подготовки специалистов, занимающихся тепловизионными исследованиями.

Нужно, чтобы данные специалисты отвечали бы двум условиям – были подготовлены как по специальной программе к работе с тепловизорами, так и в строительном деле.

Исследование здания начинается с оценки его конструктивной схемы: фундамента, конструкции стен, светопрозрачных ограждающих конструкций, элементов крыши.

Данные по проекту с его техническими и строительными характеристиками отражаются в протоколе или отчете проведения инструментального и тепловизионного обследования.

Далее проводится внешний визуальный осмотр здания и наружных ограждений и определяется доступность ограждающих конструкций для съемки тепловизионной камерой.

На этапе подготовительных работ специалистами определяется методика проведения натурных обследований.

В каждой организации существует своя оригинальная методика исследований.

В методике устанавливают порядок организации, проведения и обработки результатов испытаний ограждающих конструкций и контроля уровня теплозащиты при проведении комплексного тепловизионного обследования в натурных условиях с использованием контактных методов измерений.

Кроме того, в ней регламентируется проведение испытаний ограждающих конструкций зданий: наружных стен, покрытий, чердачных перекрытий, перекрытий над проездами, холодными подпольями и подвалами, ворот и дверей в наружных стенах, а также оконных и балконных дверных блоков, фонарей и других ограждающих конструкций, разделяющих помещения с различными температурно-влажностными условиями, и устанавливает методы определения:

• приведенного сопротивления теплопередаче в натурных и лабораторных условиях;

• сопротивления теплопередаче участков ограждающих конструкций, неоднородных по теплотехническим параметрам, имеющих другой уровень теплозащитных свойств.

Лучше всего методику проведения тепловизионного обследования ограждающих конструкций зданий сочетать с контактными методами определения теплотехнических характеристик выборочных участков ограждающих конструкций.

При этом тепловизионное обследование ограждающих конструкций проводится в соответствии с ГОСТом 26629-85.

Теплотехнические параметры базовых участков ограждающих конструкций определяются в соответствии с ГОСТами 26253-84 и  26254-84.

Тепловизионные измерения наружных поверхностей ограждающих конструкций проводят в зимний или переходные периоды года при температурном перепаде между внутренним и наружным воздухом (15 °С), превосходящем минимальное допустимое значение Dt_min,°C, определяемое в соответствии с ГОСТом 26629-85 по формуле:

где Q – предел температурной чувствительности тепловизора, °С;

R_o– значение сопротивления теплопередаче, принимаемое по проектной технической документации на здание, м² • °С/Вт;

a – расчетный коэффициент теплоотдачи, принимаемый равным:

• для внутренней поверхности стен по нормативно-технической документации на здание 1, 3, 6 м/с (принимаемых по СНиП 23-01-99);

• для региона строительства, соответственно – 11, 20, 30 Вт/м² • °С;

r –относительное сопротивление теплопередаче выбранного участка ограждающей конструкции, принимаемое равным отношению прогнозируемого значения к проектному значению сопротивления теплопередаче, но не более 0,85.

При отсутствии проектно-технической документации на здание тепловизионная съемка должна проводиться при перепаде температур между внутренним и наружным воздухом не менее 15 °С.

Следует отметить, что современные тепловизоры устанавливают определенные требования к проведению исследований:

• измерения проводят при отсутствии атмосферных осадков, тумана, задымленности воздуха, инея на поверхностях, а также прямого солнечного облучения поверхностей ограждающих конструкций;

• обследуемые поверхности ограждающих конструкций не должны находиться в зоне прямого и отраженного солнечного облучения за 12 часов до проведения измерений.

Проведение измерений производится в 2 этапа. Вначале проводится обзорное тепловизионное обследование всех наружных ограждений здания, затем – анализ обзорных термограмм и выбор характерных зон (участков конструкции).

Фактическая схема расстановки термодатчиков предусматривает их установку на внутренней и наружной поверхностях в количестве, необходимом для получения информации в плоскости ограждения с учетом возможных зон неоднородности.

Допускается определение теплотехнических параметров неоднородных по свойствам стен при обязательном условии тепловизионной съемки наружной и внутренней поверхностей.

При этом после обработки термограмм выделяется изотермический участок конструкции, на котором устанавливается комплект термодатчиков.

Для определения тепловых потоков через конструкцию на основе технической документации проводятся вычисления двухмерных или объемных температурных полей с учетом расчетных теплотехнических характеристик материалов этой конструкции при граничных условиях, соответствующих периоду обследования.

Для выбранного изотермичес-кого участка конструкции по расчетным температурным полям вычисляется плотность теплового потока, величина которого сравнивается с данными натурных измерений и корректируется в соответствии с ними.

Места установки тепловизионной камеры выбирают так, чтобы поверхность объекта измерений находилась в прямой видимости под углом наблюдения (между нормалью к поверхности и оптической осью прибора) не более 60 °С, а допустимую удаленность тепловизора L в метрах от поверхности объекта определяют по формуле:

где 2j – угловой размер поля зрения объектива тепловизора, °С;

D – линейный размер подлежащего исследованию участка ограждающей конструкции, принимаемый при контроле внутренней поверхности до 0,1 м, при контроле наружной поверхности – до 0,5 м;

N_c– число элементов разрешения по строке термограммы.

Выбранные точки съемки отмечаются на плане застройки.

Производится фотографирование объекта, после чего регистрируются дефекты и нарушения наружных поверхностей ограждающих конструкций, а также зоны, коэффициент излучения которых требует уточнения.

Тепловизионная регистрация температурных полей поверхности ограждающих конструкций должна производиться с учетом излучательной способности обследуемой поверхности.

Одновременно со съемкой тепловизором наружной поверхности ограждающих конструкций здания проводятся дополнительные измерения и регистрация метеоусловий снаружи здания: температуры воздуха, направ-ления и скорости ветра, а изнутри – температуры, подвижности и влажности воздуха.

По обзорным термограммам наружной поверхности выбирают участки ограждающих конструкций для проведения тепловых контактных измерений. При этом должны соблюдаться определенные условия, выбранные участки не должны быть изотермическими, т. е. не должны иметь температурных аномалий.

Далее проводят определение термического сопротивления ограждающих конструкций, температуры внутреннего и наружного воздуха вблизи ограждающих конструкций, плотности теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию.

После проведения тепловизионных измерений проводится обработка полученных термограмм и их сравнение с расчетными данными.

Обычно опытный специалист по термограммам может определить места с пониженной теплоизоляцией, а также места с различными дефектами, полученными из-за некачественного монтажа конструкций или неграмотного решения определенных конструктивных узлов здания. Поэтому здесь хотелось бы особенно отметить фактор профессионального подхода к процессу обработки и анализа полученных данных измерений.

E-mail: lubim2000@mail.ru