Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Термографический контроль энергоэффективности зданий. Учебное пособие
.pdf
сопротивления. Оно может быть достигнуто лишь в многослойной ограждающей
конструкции, где в качестве утеплителя применяется эффективный теплоизоляционный
материал.
В соответствии с современными строительными нормами требуемое сопротивление
теплопередачи увеличилось в 3 – 3,5 раза по сравнению со старыми нормами. Рост цен на
тепловую энергию и коммунальные услуги также выдвигает на передний план жизненно
важную потребность в повышении теплозащиты зданий для снижения затрат на отопление в
процессе эксплуатации.
По зарубежной статистике, отопление жилых помещений составляет 30% конечного
объема потребляемой энергии и является областью наибольших энергозатрат. Однако,
вместе с этим, в этой области потенциал энергоэкономии составляет свыше 50% (дома
старой и новой постройки) и связан с незначительным капиталовложением.
Одним из основных источников тепловых потерь в здании являются окна. Удельный
тепловой поток через двухслойное остекление примерно в 5 раз превышает тепловой поток,
проходящий через стены. Но, учитывая, что площадь остекления в обычном доме составляет
15 – 20% от площади стен, можно считать, что тепловые потери через стены превышают
потери через оконные проемы. В общем объеме суммарных тепловых потерь всего здания
потери тепла через стены – максимальны.
Энергетическая эффективность от утепления фасадов достигается при условии
выполнения одновременно работ по замене оконных и балконных блоков, остеклению
балконов и лоджий.
При отсутствии теплоизоляции здания, точка росы внутри ограждающей
конструкции - стены промерзают. Потери тепла составляют до 80% (рис. 4, а).
При применении внутренней теплоизоляции ограждающая конструкция не может
аккумулировать тепло, помещение быстро нагревается и быстро охлаждается. Между
внутренней стеной и теплоизолирующем слоем возникает зона конденсации пара. На
внутренней стене появляется грибок и плесень. Возможность промерзания стен остается.
Потери тепла частично уменьшаются (рис. 4, б).
При применении наружной теплоизоляции точка росы переходит в
теплоизолирующий слой, ограждающая конструкция накапливает тепло и температурные
колебания в ней минимальны. Потери тепла приблизительно равны 0 (рис. 4, в).
а) б) в)
Рис. 4. Схема здания: а) без теплоизоляции; б) с внутренней теплоизоляцией стен;
в) с наружной теплоизоляцией стен
11
Одним из способов снижения энергозатрат является применение навесной фасадной
системы.
Энергозатраты жилого дома с установленной системой навесного вентилируемого
фасада на 30% ниже и составляет 30-70 кВтч/(м2), что соответствует 3-7 л жидкого топлива в
год на каждый м
2
. Такое жилье по праву может называться энергоэкономичным.
Для того чтобы устранить теплопотери, рекомендуется на стадии проектирования
производить подробные технические расчеты и расчет температурных полей всех узлов
сопряжений здания. Для этого используют данные теплограмм (рис. 5). При наличии
указанных расчетов, возможно, предсказать слабые места и провести теплотехническую
оптимизацию уже на стадии проектирования.
Рис. 5. Температура наружной поверхности исследуемых участков
определяется по полученным теплограммам
2. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Термография. Применение тепловизоров
Инфракрасная термография
Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это
научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах,
показывающего картину распределения температурных полей. Инфракрасное излучение
является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения
созданы специальные приборы - тепловизоры (термографы), позволяющие улавливать это
излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину. Тепловизоры
относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом
человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и
12
автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля
объекта для его визуальной и количественной оценки.
Современные тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне
электромагнитного спектра (примерно 0,9-14 мкм) и на основе этого излучения создают
изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места.
Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное
излучение. Интенсивность теплового излучения тела меняется с изменением его
температуры, поэтому термография позволяет фиксировать все нюансы распределения
температуры по поверхности тела.
Создание термограмм на основе тепловых изображений нашло широкое применение в
различных областях науки, производства и быта. Например, пожарные используют их для
обнаружения в условиях задымления людей и установления очагов возгорания. С помощью
тепловых изображений в технике, обслуживающей линии электропередач обнаруживают
перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие
устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут
видеть утечку тепла и предотвратить неисправности при охлаждении или обогреве
системами кондиционирования воздуха.
Отличие инфракрасной съёмки от термографии
Инфракрасное (ИК) излучение является электромагнитным излучением с длиной
волны от 0,7 до 300 микрон, что соответствует частоте примерно от 1 до 430 ТГц. Длина
волны ИК-излучения больше (а частоты ниже), чем у видимого света.
Суммарная мощность излучения яркого солнечного света - около 1 киловатта на
квадратный метр земной поверхности. Из этого количества 527 ватт приходится на ИКизлучение, 445 ватт – на видимый свет, и 32 ватта – на ультрафиолетовое излучение.
Термографические камеры (тепловизоры) чувствительны к излучению в ИК
диапазоне электромагнитного спектра (0.9-14 мкм) и создают изображения этого излучения,
называемые термограммами. Чувствительность современных тепловизоров позволяет
регистрировать разницу температур даже на сотые доли градуса, типовое разрешение
современных тепловизоров — 50 mK.
Инфракрасная съёмка излучения соответствует температуре между 250 °C и 500 °C,
в то время как диапазон термографии примерно от −50 °C до более, чем 2000 °C. Так, для
получения изображения при инфракрасной съёмке, температура объекта должна быть свыше
250 °C или объект должен отражать инфракрасное излучение, исходящее от горячего тела.
Пассивная и активная термография
В пассивной термографии особый интерес представляет повышение или понижение
температурного уровня по сравнению с температурой окружающей среды. Пассивный метод
термоконтроля (ПМТ) не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия.
Тепловой контроль с использованием пассивного метода является наиболее
распространенным методом контроля и широко применяется практически во всех отраслях
современной промышленности. Основное преимущество метода — контроль объектов без
вывода из эксплуатации и отсутствие необходимости дополнительных манипуляций
связанных с нагревом объекта. Типичные объекты пассивного теплового контроля это
13
строительные конструкции, работающие электроприборы, контакты под напряжением и
другие промышленные объекты. Приборы теплового неразрушающего контроля, наиболее
часто применяемые при пассивном методе это тепловизоры, пирометры, инфракрасные
термометры, измерители тепловых потоков и логгеры данных.
В активной термографии источник энергии должен создавать температурный
контраст между интересующим объектом и фоном.
Активный метод теплового контроля применяется, когда во время эксплуатации
объект самостоятельно не выделяет тепловое излучение достаточное для проведения ТК.
При активном методе теплового контроля, объект нагревается различными внешними
источниками. Типичные объекты контролируемые данным методом это многослойные
композитные материалы, объекты искусства и другие объекты требующие внешней тепловой
нагрузки.
Активный подход необходим во многих случаях, когда исследуемые части находятся
в температурном равновесии с окружающей средой.
Значение термографии в строительстве
В настоящее время результаты тепловизионного обследования представляют собой
едва ли не самый достоверный источник информации о состоянии строительного объекта.
Термографический анализ зарекомендовал себя как надежный способ обнаружения
доказательств производственного брака или некачественного проектирования. Термограмма
позволяет обнаружить потенциально слабые участки в, казалось бы, надежных стенах, полах
и потолках. Тепловизионное обследование помогает не только увидеть проблему, но и
установить ее причину, тем самым, указывая на способ решения.
Так, например, благодаря способности металлических конструкций удерживать тепло,
тепловизионное обследование позволяет легко обнаружить местонахождение опорных
балок, труб, электрических кабелей, дымоходов и определить их состояние.
Наиболее распространенным дефектом в строительстве, является нарушение
термоизоляции монтажных швов. Подобные недостатки становятся причиной промерзания
стен, а это негативно отражается на уровне комфорта проживания. Но самое неприятное, что
такие дефекты тяжело обнаружить визуально. И только с использованием тепловизионного
обследования становится ясно, как и где тепло уходит из здания. Поэтому, проведение
диагностических работ позволяет своевременно устранить такие неприятные моменты.
Тепловизионный метод – идеальный способ диагностики нарушений теплоизоляции.
Подобный принцип обнаружения скрытых недостатков применяется и для других
ограждающих конструкций: цокольных этажей, подвалов, кровли и окон.
Среди изъянов в ограждающих конструкциях, увеличивающих теплопотери,
основными являются проблемы с окнами.
Их можно подразделить на 2 вида: дефекты стеклопакета и нарушения технологии,
допущенные при установке.
Оба вида нарушений диагностируются при помощи термографических камер (рис 6).
Термограмма отлично иллюстрирует места утечек тепла в области окон и остекленных
участков зданий, возникающих по причине некачественного монтажа или производственных
дефектов. Утечки тепла через вентиляционные системы также могу быть локализованы при
помощи тепловизионного метода.
14
Рис.6. Термография энергопотерь здания через окна
Обнаружение влаги. Влага часто попадает в здания и вызывает разрушение
строительных материалов. Обычно влага проникает в здание через негерметичные стыки
конструкций или швы. Влага так же может появиться в результате конденсации.
Конденсация обычно возникает, когда влажный теплый воздух из здания попадает в более
холодные полости в здании. Другими источниками влаги могут быть наводнения, подземные
воды, а так же течи из водопровода и систем пожаротушения.
В таких случаях поверхность будет выглядеть более холодной. Влажные
строительные материалы так же имеют более высокую теплопроводность, и в случае
нестационарного теплообмена, имеют большую теплоемкость по сравнению с сухими. В
таком случае тепловые следы могут быть не всегда четкими. Необходимо убедиться в том,
что условия позволяют увидеть наличие влаги. Например, рекомендуется произвести
дополнительные измерения с помощью измерителя влажности, чтобы в случае обнаружения
подозрительных областей, произвести подтверждение.
Немаловажно, что тепловизионное обследование позволяет документально
зафиксировать наличие проблем, а также при необходимости подтвердить правильность
установки оконной конструкции.
Кроме того, подобная диагностика позволяет получить результаты почти мгновенно,
без необходимости вмешательства во внутреннюю структуру объектов.
Диагностический осмотр здания с использованием тепловизионной камеры помогает:
визуализировать потери энергии;
обнаружить дефекты изоляции;
найти источники утечки воздуха;
обнаружить влажность в изоляции, на крыше и стенах как во внутренних, так и
в наружных конструкциях;
обнаружить плесень и плохо изолированные участки;
15
обнаружить тепловые мосты;
обнаружить места просачивания воды в плоских перекрытиях;
обнаружить прорывы в трубопроводах горячей воды;
обнаружить повреждения конструкций;
контролировать сушку зданий;
обнаружить дефекты гидромагистралей и линий центрального отопления;
обнаружить неисправности электрооборудования.
Пример: Тепловое пятно от наличия влаги всегда бывает четким (рис.7), особенно
когда условия подходят для испарения с влажной поверхности.
а)
б)
в)
Рис. 7. а) фотография здания; б) термограмма в кровле здания;
в) термограмма на полу здания
Другим направлением строительной термографии является энергоаудит – анализ
энергоэффективности зданий и сооружений с целью оптимизации расходов на энергию.
Проведение инспекции здания с последующим анализом его особенностей и фактических
данных о расходе энергии позволяет определять оптимальные методы по снижению
энергопотерь.
Тепловизионное обследование проводится как на внешних, так и на внутренних
поверхностях ограждающих конструкций. Определение проблемных участков теплозащиты
помогает локализовать источник энергопотерь (рис.8 и 9).
16
Рис. 8. Нарушение циркуляции теплоносителя
Рис. 9. Энергоаудит дома - утечка тепла на чердаке
Еще одним важным типом исследования конструкций является инспекция
внутреннего пространства. Данный способ диагностики применяют для выявления мостиков
холода, которые возникают из-за недостатков в теплоизоляции и участков, имеющих
температуру ниже точки росы. В таких местах конденсируется влага, что негативно
сказывается на эксплуатационных свойствах здания и может стать причиной разрушения
строительного материала.
2.2. Аппаратура и оборудование
Принцип работы и устройство тепловизоров
Тепловизор — устройство для наблюдения за распределением температуры
исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в
памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует
определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в
объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C.
В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация записывается в память
устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие
тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и
17
программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме
реального времени.
Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают
изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале.
Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала
каждого пикселя соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина
распределения температур.
Принцип работы тепловизора.
Рис. 10. Общая схема работы тепловизора
Общая схема работы тепловизора (Рис. 10) показывает что, инфракрасное излучение
концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который
избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Излучение
фотоприемника приводит к изменению его электрических свойств, что регистрируется и
усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке, и
это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации
имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный
цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует
численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник.
Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит
последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора, в результате чего
получается видимая картина инфракрасного излучения объекта (термограмма).
Термограмма – это изображение объекта, обработанное электроникой для
отображения на дисплее таким образом, что различные градации цвета соответствуют
распределению инфракрасного излучения по поверхности объекта.
Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного
излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной
цветовой палитре (черно-белой или цветной).
18
По своей сути, принцип работы тепловизора подобен обычной видеокамере. Разница
только в воспринимаемом спектре светового сигнала. Видеокамера фиксирует видимый
спектр, а тепловизор — невидимый, инфракрасный свет.
С помощью современных тепловизоров можно обнаружить излучение
электромагнитного спектра в инфракрасном диапазоне (900-14000 нанометров) с точностью
0,1С.
Компоненты тепловизора
Все виды тепловизоров имеют несколько общих компонентов, включающих объектив,
дисплей, приемник излучения и обрабатывающую электронику, органы управления,
устройства хранения данных, а так же программное обеспечение для обработки данных и
создания отчетов. Эти компоненты могут несколько изменяться в зависимости от типа и
модели тепловизионной системы.
Объективы
Тепловизоры имеют как минимум один объектив. Объектив тепловизора собирает
инфракрасное излучение и фокусирует его на приемнике излучения. Приемник излучения
выдает сигнал и создает электронное (тепловое) изображение или термограмму. Объектив
тепловизора используется для того, чтобы собрать и сфокусировать приходящее
инфракрасное излучение на приемнике излучения. Объективы большинства длинноволновых
тепловизоров изготовлены из германия.
Дисплеи
Тепловое изображение отображается на жидкокристаллическом дисплее (ЖКД),
расположенном на тепловизоре. Дисплей должен иметь большой размер и высокую яркость,
чтобы изображение на нем можно было легко увидеть в различных условиях освещенности в
различных местах работы. На дисплее часто отображается дополнительная информация,
такая как уровень заряда аккумулятора, дата, время, температура объекта (в °F, °C, или K),
видимое изображение и цветовая шкала температур.
Приемник излучения и схемы обработки сигнала
Приемник излучения и схемы обработки сигнала используются для превращения
инфракрасного излучения в полезную информацию. Тепловое излучение от объекта
фокусируется на приемнике излучение, который обычно изготовлен из полупроводниковых
материалов. Тепловое излучение генерирует измеряемый сигнал на выходе приемника
излучения. Сигнал обрабатывается электронными схемами внутри тепловизора, чтобы на
дисплее прибора появилось тепловое изображение.
Органы управления
С помощью органов управления можно выполнить разнообразные электронные
настройки для улучшения теплового изображения на дисплее. В электронном виде
изменяются такие настройки, как диапазон температур, тепловой уровень и диапазон,
цветовая палитра и настройки слияния изображения. Так же можно установить значение
коэффициента излучения и отраженной фоновой температуры.
Устройства хранения данных
Электронные цифровые файлы, содержащие тепловые изображения и
дополнительные данные, сохраняются на различных типах электронных карт памяти или
устройств хранения и передачи данных. Многие тепловизионные системы позволяют
сохранять дополнительные голосовые и текстовые данные, а так же соответствующее
19
видимое изображение, полученное с помощью встроенной камеры, работающей в видимом
спектре.
Программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов
Цифровые тепловые и видимые изображения (термограммы) импортируются на
персональный компьютер, где их можно просмотреть с использованием различных цветовых
палитр, построить изотермы и гистограммы, произвести другие настройки всех
радиометрических параметров, а так же воспользоваться функциями анализа. Обработанные
изображения можно вставить в шаблоны отчетов и либо отправить на принтер, либо
сохранить в электронном виде, или отправить заказчику через Интернет. Например,
программа обработки теплограмм «Протон-Эексерт» позволяет дополнительно построить
тренд температуры во времени, что позволяет спрогнозировать остаточный ресурс
исследуемого объекта с помощью термографии.
Классификация тепловизоров
Современные тепловизоры представляют собой портативные приборы, позволяющие в
режиме реального времени отображать картину распределения поверхностных температур
(термограмму), сохранять ее в собственной памяти и отправлять на компьютер или иные
устройства, поддерживающие проводные (USB, RS 232) и беспроводные (Bluetooth)
интерфейсы передачи данных. Возможность подключения к стационарному компьютеру или
ноутбуку, мгновенного вывода результатов измерений на периферийные устройства
(принтер, монитор) обеспечивают оперативность и удобство, благодаря чему новейшее
поколение тепловизоров справляется с широким кругом практических задач, находя
применение в строительстве, медицине, криминалистике, на этапах диагностики в различных
отраслях промышленности.
Основными требованиями, предъявляемыми к переносным тепловизорам, являются
температурная чувствительность и диапазон оцениваемых температур. На текущий момент
температурная чувствительность хорошего тепловизора составляет около 0.1 °C (или 100
мК), а величина диапазона варьирует в зависимости от специфики предполагаемых задач.
Кроме того, многие модели тепловизоров поддерживают работу в нескольких
переключаемых режимах, что позволяет существенно расширить диапазон измерений без
потери точности. Также немаловажным параметром являются размер оптического поля и
минимальное фокусное расстояние. Эти характеристики тепловизора определяются оптикой
его объектива и полупроводниковой матрицей.
Классифицировать тепловизоры можно по самым различным критериям:
по принципу получения изображения
1) сканирующие тепловизоры (тепловизоры с оптико-механическим сканированием).
Термограмма получается в результате сканирования пространства. Система из
вращающихся и качающихся зеркал и призм поочередно экспонирует на приемник
излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Приемник излучения может
быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей.
Преимуществом сканирующих систем считают то, что измерение в каждой точке
термограммы получено одним датчиком (в одноэлементной системе). К недостаткам
можно отнести наличие движущихся деталей и относительно низкую скорость
формирования термограммы. В качестве примера сканирующих тепловизоров можно
привести модели AGEMA 470, ИРТИС;
2) матричные тепловизоры (тепловизоры с матрицей в фокальной плоскост). В
фокальной плоскости оптической системы таких тепловизоров установлен
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]