Развитие методики неразрушающего контроля теплотехнического состояния ограждающих конструкций зданий
Описана новая методика неразрушающего контроля теплотехнического состояния ограждающих конструкций зданий, в основу которой положена разработанная ранее автором методика, базирующаяся на совместном использовании двух неразрушающих физических методов контроля — диэлькометрического (электрического) и тепловизионного (теплового). Новая методика позволяет в натурных условиях экспериментально-расчетным способом определить приведенное сопротивление теплопередаче обследуемой конструкции одновременно с количественным определением фактических значений влажности и теплопроводности отдельных слоев, в том числе внутреннего теплоизоляционного слоя. Приведен пример практической реализации описанной методики.
Основной теплозащитной характеристикой ограждающих конструкций зданий является, как известно, сопротивление теплопередаче, а точнее, приведенное сопротивление теплопередаче, метод расчета которого представлен в приложении Е СП 50.13330.2012 («Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП 23-02—2003. Минрегион России, 2012). Аналогичный расчет используется и в европейских нормах, регламентирующих требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций [1]. Эти расчеты проводят по формулам, в которых используются, в частности, такие величины, как количество и геометрические размеры структурных неоднородностей различного типа, количественная оценка которых без экспериментального подтверждения весьма условна и существенно снижает достоверность расчета.
В практике натурных обследований жилых и общественных зданий широкое применение нашел неразрушающий тепловизионный метод контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций [2, 3]. Однако вследствие изменчивости теплофизических величин, наблюдаемых в натурных условиях по данным разовых (одномоментных) измерений, можно получить лишь качественную оценку теплозащитных свойств массивных стеновых конструкций, обладающих значительной тепловой инерцией. Причиной температурных аномалий на отдельных участках поверхности конструкции, выявляемых при тепловизионной съемке, могут быть структурные неоднородности материала и дефекты, такие как пустоты, мостики холода, чрезмерная влажность и теплопроводность материала в разных слоях конструкции, например во внутреннем теплоизоляционном слое и другие факторы. Также достаточно широко в строительной практике применяют неразрушающий диэлькометрический метод контроля влажности и теплопроводности [4, 5].
Диэлькометрический и тепловизионный методы измерений каждый по отдельности не позволяют проконтролировать процесс распределения влаги между слоями конструкции, происходящий в натурных условиях в процессе эксплуатации зданий, в то время как совместное их применение в натурных условиях открывает новые возможности определения теплозащитных качеств многослойных Ограждающих конструкций как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации современных зданий. Дальнейшее развитие методики [6], основанной на совместном использовании тепловизионных и диэлькомезрических измерений, позволяет количественно оценить теплофизические характеристики отдельных слоев многослойных стен, влияющие на теплотехническое состояние ограждающей конструкции в целом и его соответствие нормативным требованиям.
Ниже описан основной регламент (объем работ и последовательность операций) комплексной проверки теплозашитных качеств с количественным определением сопротивления теплопередаче, теплопроводности и влажности как отдельных слоев, так и ограждающих конструкций в целом.
Комплексное теплотехническое обследование ограждающих конструкций зданий с использованием тепловизионного и диэлькометрического методов контроля включает в себя:
- получение термограмм с помощью тепловизора, сканирующего температуры поверхностей ограждающих конструкций, между внутренними и наружными поверхностями которых имеется температурный перепад;
- измерение температур внутреннего и наружного воздуха;
- измерение теплового потока с помощью контактных датчиков (тепломеров);
- измерение фактических значений влажности и теплопроводности материала наружной и внутренней поверхностей конструкции диэлькометрическим методом;
- обработку полученных экспериментальных данных и вычисление сопротивлений теплопередаче как отдельных слоев, так и всей конструкции в целом.
Тепловизионному контролю подвергают наружные и внутренние поверхности ограждающих конструкций. По термограммам наружной поверхности ограждающих конструкций выявляют участки с температурными аномалиями, которые затем подвергают летальному обследованию и с внутренней стороны.
Измерения диэлькометричсским методом производят с помощью экспресс-измерителя, снабженного контактным емкостным датчиком, прикладываемым к поверхности контролируемого объекта.
Для практического использования описываемой методики используют следующие средства измерений (приборы): тепловизор — для визуализации тепловых полей и измерения температуры; термогигрометр — для измерения температуры и относительной влажности воздуха; многоточечный измеритель теплового потока в комплекте с контактными датчиками (тепломерами); диэлькометрический экспресс-измеритель влажности и теплопроводности строительных материалов в комплекте с контактным датчиком поверхностного типа.
Все приборы, используемые при обследовании, должны быть внесены в Госреестр средств измерений или иметь сертификат соответствия с разрешением к применению в РФ. Средства измерения должны быть поверены (или откалиброваны) в установлен ном порядке. Основные технические характеристики применяемых средств измерения должны удовлетворять следующим требованиям:
- Тепловизор: спектральный
- диапазон…………………3—5 мкм
- диапазон измерений температуры………от -20°С до 40°С
- температурная чувствительность……..не более 0,1 °С
- абсолютная погрешность измерения температуры.не более 1 °С
- разрешения кадра……………….не менее 256 х 256
- Термогигрометр ТГЦ-МГ4
- диапазон измерений температуры воздуха.от — 40°С до +50°С
- абсолютная погрешность измерения……не более ±2°С
- диапазон измерения влажности воздуха..от 10 до 100%
- абсолютная погрешность измерения……не более ±3%
- Измерители температуры и теплового потока в комплекте с датчиками ИТП-МГ4-10 «Поток»
- диапазон измерений температуры от ….-40°С до +50°С
- абсолютная погрешность измерения……..не более ±1°С
- диапазон измерения плотности теплового потока…2-50 Вт/м2
- относительная погрешность измерения плотности теплового потока…….не более ±7%
- период регистрации отсчетов…………..2-300 мин
- количество запоминаемых отсчетов……..не менее 1000
- длина линии связи с датчиками……….не менее 5 м
- Экспресс-измеритель влажности Влагомер-МГ4 и теплопроводности ИТП-МГ4
- диапазон измерений влажности……….от 0,3 до 20%
- абсолютная погрешность………….не более ± 1,5%;
- диапазон измерения теплопроводности от 0,03 до 1,5 Вт/м °С
- относительная погрешность………………..не более ±10%
- глубина зоны контроля……………..не менее 50 мм
- время единичного измерения…………не более 10 с
Процедура теплотехнического обследования является комплексной и предусматривает осуществление контроля основных теплотехнических параметров конструкций, используя при этом только неразрушающие и расчетные способы получения нужной информации.
Перед началом обследований проверяют комплектность применяемой аппаратуры и подготавливают ее к измерениям в натурных условиях, при этом у портативных приборов с автономным питанием проверяют работоспособность и при необходимости заряжают аккумуляторы или меняют химические источники питания (батарейки). Затем производят визуальный осмотр наружных и внугренних поверхностей ограждающих конструкций объекта, выбранных для обследования, оценивают степень их состояния. В случае необходимости подвергают их дополнительной обработке и очистке поверхностей в соответствии с требованиями нормативных документов, регламентирующих технические условия (технические требования) к конкретной строительной продукции.
Конкретные средства измерений подготавливают к работе в соответствии с инструкциями (руководствами) по эксплуатации.
Диэлькометрические измерения выполняют по ГОСТ Р 8.621-2006 («ГСИ. Материалы и изделия строительные. Методика выполнения измерений влажности и теплопроводности диэлькометрическим методом». М.: Стандартинформ, 2006.18 с.)
Тепловизионные измерения выполняют по ГОСГ Р 54852-2011 («Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций». М.: Стандартинформ, 2011. 20 с.)
Измерения плотности тепловых потоков выполняют по ГОСТ 25380-82 («Здания и сооружения. Метол измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции». М.: Изд-во стандартов, 1982. 12с.)
Измерения температуры наружного и внутреннего воздуха проводят на расстоянии 10 см от поверхности ограждающей конструкции.
После проведения натурных обследований проводят обработку полученных экспериментальных данных. Обработка результатов диэлькометрических измерений заключается в нахождении среднеарифметических значений влажности и теплопроводности материала поверхностного слоя ограждающей конструкции для полученного массива локальных измерений отдельно по наружной и внутренней поверхностям. Обработка результатов тепловизионных измерений сводится к расшифровке термограмм. Расшифровку термограмм проводят либо с помощью компьютера по специальной программе, либо программными средствами, имеющимися непосредственно в тепловизоре. Расшифровки термограмм на компьютере не требуется, если полученные с помощью тепловизора значения температур на реперных участках совпадают с температурами, измеренными с помощью контактных датчиков.
Приведенное сопротивление теплопередаче отдельных слоев многослойной ограждающей конструкции находят путем выполнения следующих действий:
- измеряют фактические значения влажности (wн, wв) и теплопроводности (λн, λв) наружного и внутреннего поверхности ых слоев ограждающей конструкции. Измерения проводят в соответствии с ГОСТ Р 8.621 — 2006;
- вычисляют значения сопротивлений теплопередаче поверхностных слоев конструкции (Rн, Rв) по формулам Rн = δн/ λн; Rв = δв/ λв, где δн и δв — толщина наружного и внутреннего поверхностных слоев, соответственно. Величины δн и δв известны, как правило, из проектной документации;
- измеряют температуру (tн, tв) на наружной и вну-тренней поверхностях конструкции и плотность проходящего через нее теплового потока (Q) в условиях, близких к стационарной теплопередаче;
- вычисляют значение сопротивления теплопередаче всей конструкции (Rк) по формуле Rк = Δt/Q, где Δt = tв — tн
- вычисляют значение сопротивления теплопередаче внутреннего слоя теплоизоляции (Rт) по формуле: Rт = Rк — 1/αв — 1/αн — Rн — Rв
- вычисляют фактическое значение теплопроводности (λт) утеплителя по формуле: λт = δт/Rт, где δт — толщина слоя теплоизоляции;
- вычисляют влажность утеплителя (wт) по формуле wт = (λт—λт0)/Δλw, где λт0 — значение теплопроводности сухого утеплителя; Δλw — приращение теплопроводности на 1% влажности (значения λт и λт0 берутся из приложения Т СП 50.13330.2012 («Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. Минрегион России. М.: 2012. С. 83-93);
- сравнивают полученное значение wт с нормируемым значением допустимой влажности материала утеплителя по приложению Т СП 50.13330.2012 и делают вывод о соответствии (несоответствии) тепловой защиты обследуемой конструкции здания нормативным требованиям. Условия эксплуатации в зоне влажности А или Б в зависимости от региона России выбирают по приложению В СП 50.13330.2012.
Ниже приведен пример практической реализации описанной методики в практике натурных обследованиях, проведенных НИИСФ РААСН в 2013 г.
Обследовали стеновые панели типа «сэндвич» эксплуатируемого жилого дома в Московской области. Из проектной документации известно, что панели представляют собой трехслойную конструкцию, состоящую из двух поверхностных слоев бетона плотностью 1600 кг/м3 и слоя теплоизоляции из минеральной ваты плотностью 75 кг/м3, причем толщина поверхностных слоев панелей составляет 40 мм с внутренней стороны и 60 мм с наружной стороны панели, а толщина слоя теплоизоляции составляет 160 мм.
Измерили температуры tв, tн внутренней и наружной поверхностей нескольких наружных стен здания и после обработки результатов измерений получили: tв = +18,2°С; tн = -12,5°С.
В результате измерений плотности теплового потока Q по методике ГОСТ 25380—82 после обработки результатов измерений получили: Q = 9,6 Вт/м2.
Значение общего сопротивления теплопередаче Rк конструкции, рассчитанное по формуле: Rк = (tв — tн)/Q, составило Rк = 30,7/9,6 = 3,2 м2·ºС/Вт.
Фактические средние значения теплопроводности λв и λн внутреннего и наружного поверхностных слоев обследованных стен, измеренные с помощью экспресс-измерителя типа ИТП-МГ4 по ГОСТ 8.621—2006, после статистической обработки результатов измерений составили соответственно λв = 0,65 Вт/м°С; λн = 0,75 Вт/м°С.
Значения сопротивлений теплопередаче Rв, Rн внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции, вычисленные по формулам: Rв = δв/λв; Rн = δн/λн, составили: Rв = 0,04/0,65 = 0,06 м2·°С/Вт и Rн = 0,06/0,75 = 0,08 м2·°С/Вт, соответственно.
В результате вычисления значения сопротивления теплопередаче слоя теплоизоляции Rт, по формуле: Rт = Rк — 1/αв — 1/αн — Rв — Rн получен следующий результат: Rт = 3,2 — 0,11 — 0,04 — 0,06 — 0,08 = 2,91 м2·°С/Вт (табличные значения αв = 8,7 и αн = 23 взяты из СП 50.13330.2012).
Фактическое значение теплопроводности слоя тепло-изоляции, рассчитанное по формуле: λт = δт / Rт , составило λт = 0,16/2,91 = 0,055 Вт/м·ºС.
В результате вычисления влажности минеральной ваты по формуле wт = (λт — λ0) / Δλw получено: wт = (0,055 — 0,046)/0,005 = 1,8% (значение λо=0,046 для минеральной ваты по ГОСТ 9573-96 плотностью 75 кг/м2 взято из таблицы Т1 приложепия ТСПСП50.13330.2012, а значение Δλw = 0,005 получено расчетным путем по той же таблице).
Таким образом, количественно определены фактические значения теплозащитных свойств (сопротивления теплопередаче, теплопроводности и влажности) материалов по отдельности всех слоев обследуемой трех слойной ограждающей конструкции без нарушения ее целостности.
Следует отметить, что разработанная методика экспериментального определения основных теплотехнических показателей ограждающих конструкций [7] ни в коей мере нс является альтернативой расчетным методам, регламентируемым действующими нормативным и документами.
Основные отличия и достоинства разработанной методики контроля теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций при обследовании зданий в натурных условиях заключаются в следующем.
Методика позволяет в течение нескольких минут дать количественную оценку теплозащите ограждающих конструкций при обследованиях зданий; применима как к однослойным, так и к многослойным строительным конструкциям; вместе с экспериментально-расчетным определением приведенного сопротивления теплопередаче обследуемой конструкции в целом получают фактические значения влажности и теплопроводности отдельных слоев, в том числе внутреннего теплоизоляционного слоя, что невозможно осуществить другими неразрушающими методами контроля.
Список литературы
1. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических неоднородностей при оценке теплозащиты офаждающих конструкций в России и европейских странах //Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14—16.
2. Левин Е.В., Окунев А.Ю., Умнякова Н.П., Шубин И.Л. Основы современной строительной термографии. М.: НИИСФ РААСН. 2012. 176с.
3. Гагарин В. Г., Козлов В. В. идр. Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки // АВОК. 2009. № 6. С.48-55.
4. Ройфе В.С. К обоснованию выбора неразрушаюше-го метода оценки теплозащитных свойств строительных материалов. // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 22-23.
5. Royfe. V.S. Physical meaning of correlation between the thermo- and electro-physical characteristics of nonmetallic materials. // Measurement Techniques. 2012. Vol. 55. №2. pp. 193-198.
6. Ройфе B.C. Экспресс-методика комплексного неразрушающего контроля теплотехнического состояния ограждающих конструкций зданий // Жилищное строительство. 2011. № 1. С. 24—26.
7. Патент РФ 2497106. Способ перазрушающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий / В.С. Ройфе; Заявл. 22.05.2012. Оиубл. 27.10.2013. Бюл. № 30.