Независимая Экспертиза Волгоград

Лекция №30(ПиМТРК)

Диагностика строительных конструкций

методом инфракрасной термографии

 

1. Терминология

Инфракрасная (ИК) термография (тепловидение) включает методы и средства бесконтактного анализа теплового излучения физических объек­тов, складывающегося из собственного излучения тел, интенсивность кото­рого определяется их температурой и излучательными свойствами, а так­же из отраженного и прошедшего излучений посторонних источников. При низком уровне посторонних излучений ИК термограммы отражают структуру температурного поля исследуемого тела. В этом случае мы имеем дело с пирометрией - бесконтактным измерением температуры по собственному тепловому излучению тел. Основное отличие ИК тепловизоров от ИК термометров (пирометров) состоит в уникальной возможности фиксировать температуру в огромном количестве точек (до 106) с частотой телевизионной развертки. Современные портативные измерительные тепловизоры обеспечивают формат 320x240 пикселей при частоте кадров 30 Гц. Другие стандартные параметры тепловизоров без охлаждения приемника излучения: температурная чувствительность 0,1° С, диапазон измеряемых температур – 20… 2000° С, масса прибора 2…3 кг, запись до 200…1000 термограмм на РСМСI карту. Приборы с азотным, термоэлектрическим или компрессорным охлаждением могут иметь более высокое температурное разрешение, но не всегда удобны при практической полевой съемке. Показывающие тепловизоры, то есть не обеспечивающие измерения температуры, могут иметь до 1024x1024 пикселей в кадре.

ИК термограммы визуализируются в одной из цветовых палитр, чаще применяются черно-белая, цветов радуги и компромиссная палитра цветов каления. Тепловидение характеризуется такими же особенностями расшифровки псевдоцветов, как и другие диагностические методы, работающие с изображениями (рентген, ультразвук, ЯМР и т. п.). Профессионалы зачастую предпочитают серые полутона, которые делают изображения более естественными. Компьютерная обработка изображений с последующим формированием цветных термограмм позволяет представить результаты съемки в наиболее наглядном виде.

2. Краткая историческая справка

Основные области промышленного применения тепловизионной диагностики: энергетика, нефтехимия, строительство, металлургия.

В строительстве различают диагностику крыш и ограждающих конструкций. Плоские гидроизолированные крыши являются идеальным объектом тепловизионной диагностики зон инфильтрации влаги [1]. Осмотр проводится с борта вертолета или непосредственно путем обхода крыши. Ограждающие конструкции, как правило, инспектируются с земли. Объективной предпосылкой метода является наличие перепада температуры между внутренними помещениями и окружающей средой - не менее 10° С согласно требованиям стандарта ISО 6781-83.

В мировой практике строительная тепловизионная диагностика используется с 60-х гг. Пионером строительной термографии была шведская фирма АОА (затем АGЕМА Infrared Sysnems), которая в 1998-99 гг. слилась с американскими фирмами FLIR и Inframenrics, создав в настоящее время крупнейшую мировую компанию FSI Эта фирма поставляет на мировой рынок наибольшее число тепло­визоров военного, а также промышленного и медицинского применения.

В силу особенностей климата Скандинавия, а затем Финляндия, Канада и США стали первыми странами, где тепловидение в строительстве нашло широкое применение [2, 3]. Начало внедрения метода в России (бывшем СССР) также датируется 60-ми гг., когда фирма АGА начала осваивать наш рынок. На протяжении ряда лет на базе шведских и отечественных систем во ВНИИ строительной физики, НИИ Мосстроя и некоторых других организациях проводились исследования и практические осмотры ограждающих конструкций, крыш, дымовых труб и других объектов. Большого распространения эти работы, обобщенные в монографии [4], не получили из-за высокой стоимости зарубежных тепловизоров и низкого качества отечественных приборов. Переход к новой экономической системе в России сопровождался, с одной стороны, большей доступностью зарубежной тепловизионной техники, с другой - повышенным интересом к энергосберегающим технологиям и технической диагностике сложных инженерных систем. С 1998 г. введена в действие новая редакция СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника», согласно которой при проектировании нового жилья сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций должно быть существенно увеличено (до 3 раз).

В последние годы на Западе произошла смена поколений тепловизоров. На место приборов со встроенными холодильниками пришли порта­тивные тепловизоры с неохлаждаемыми мозаичными детекторами двух типов: показывающими (стоимостью 15-30 тыс. долларов) и измерительными (стоимостью 40 - 50 тыс. долларов). Разрыв между типичными зарубежными и отечественными приборами по нашим оценкам составляет 10-15 лет. Основными недостатками отечественных тепловизоров являются низкая метрологичность, необходимость охлаждения детектора, большие габариты и вес, отсутствие автономного питания и современных устройств записи термограмм.

В настоящей работе приводятся результаты использования тепловидения в строительстве, полученные в Томском НИИ интроскопии, начиная с 1994 г.

3. Цели тепловизионной диагностики в строительстве

В зависимости от технического задания заказчика тепловидение может применяться для

- общей качественной оценки теплового режима и количественного определения теплопотерь на отдельных участках;

- обнаружения дефектов строительства;

- оценки сопротивления теплопередаче.

Из опыта НИИ интроскопии следует, что тепловизионная диагностика эффективна

- на стадии передачи здания от строителей заказ­чику (при работе государственной комиссии);

- при определении объема ремонтных работ;

- расследовании жалоб жильцов;

- составлении энергетического паспорта здания, в котором отмечают особенности теплового режима и оценивают теплопотери как отдельных частей, так и всего здания в целом; - при анализе эффективности новых строительных материалов и конструкций и оптимизации архитектурных решений.

4. Нормативная база

В США, Швеции, Финляндии утверждены национальные стандарты и разработаны инструктивные указания по строительному тепловидению [5, 6]. В Европе действует стандарт ISО 6781-83 [7], который вводит соответствующую терминологию и определяет самые общие положения. Репликой данного документа является ГОСТ 26629-85 [8]. В ряде СНиП тепловизоры упомянуты в качестве средства измерения температуры в строительстве. В Москве силами ряда организаций, в частности, НИИ Мосстроя, разработаны местные инструктивные документы по строительному тепловидению [9, 10]. На базе этих документов в Томском НИИ интроскопии разработана методика диагностики строительных конструкций, на основе которой в г. Северске Томской области указом главы администрации с 1999 г. внедрена 100 % тепловизионная диагностика нового жилья. Расценки на тепловизионные осмотры утверждены Прейскурантом Минтопэнерго РФ.

5. Оценка сопротивления теплопередаче

Сопротивление теплопередаче К является основной количественной характеристикой ограждающей конструкции:

, (1)

 

где и коэффициенты теплообмена соответственно внутренней и наружной поверхностей с учетом конвективной и лучистой компоненты,

- термическое сопротивление ограждающей конструкции (d- толщина стенки;

 -коэффициент теплопроводности).

Коэффициенты теплообмена на внутренних и наружных поверхностях зависят от условий съемки и требуют специальных измерений, в частности, с помощью датчиков теплового потока. Непосредственной характеристикой ограждающей конструкции является термическое сопротивление стенки , которое легко определяется, если известны коэффициент теплопроводности и толщина стенки.

В строительной практике необходимо оценивать сопротивление теплопередаче на «живом» доме с целью установить соответствие фактических значений проектным. Методика определения этой величины регламентирована ГОСТ 26254-84 [19]. Расчетной формулой является

 

, (2)

 

где и - температура соответственно внутреннего и наружного воздуха,

- температура наружной стенки.

Формула (2) является модификацией соотношения, реко­мендуемого ГОСТ 26254-84.

Значения коэффициентов теплоотдачи на внутренних и наружных поверхностях измеряются экспериментально по средним тепловым потокам и средним температурам с помощью датчика теплового потока, например, ИТП-11.

Основная методическая проблема заключается в том, что определение R путем натурных измерений является типичной обратной задачей технической диагностики. Математически такие задачи являются некорректными (неустойчивыми), поскольку малым изменениям измеряемых параметров, например, температуры оответствуют значительные изменения определяемых параметров, в частности R. Другим источником погрешности определения R является нестационарный характер реального теплообмена в зданиях, тогда как формула (2) справедлива для стационарного случая. По ГОСТ 26254-84 натурные испытания ограждающих конструкций следует проводить в течение 15 суток. С этой точки зрения тепловизор является таким же средством измерения температуры, как и термопара, поэтому необходимость отслеживать процесс нестационарного теплообмена снижает привлекательность тепловидения как оперативного способа исследования больших поверхностей.

По нашему опыту, применение тепловизоров в работах по оценке R, требуемых Госархстройнадзором при сдаче зданий в эксплуатацию, не дает преимуществ по сравнению со стандартными термопарами, поскольку эти работы требу­ют дополнительно применять датчики теплового потока и измерять температуру в течение длительного времени.

Тепловизионный метод более применим в лабора­торных условиях, где легко выполнимо условие стационарности, и все необходимые параметры можно измерить с требуемой точностью. Например, размещая в климатической камере несколько образцов строительных материалов, возможно определить как абсолютные, так и относительные значения R_t. Разработанная в НИИ интроскопии компьютерная программа «Buildidge» позволяет преобразовывать стандартные термограммы в цветные распреде­ления значения R_t.по исследуемым поверхностям. Погрешность такого метода нами оценена на уровне ± 15 %.

Тепловизионная оценка сопротивления теплопередаче окон имеет свою специфику из-за:

1) неламбертовского характера излучения и отражения на стеклянных поверхностях,

2) влияния воздушных протечек из оконных щелей на температуру поверхности стекла и

3) возможной полупрозрачности конструктивных элементов для ИК излучения, например, пленок, покрытий и т. д. Соответствующие методики разрабатываются.

6. Дефекты строительных конструкций (пассивный режим обнаружения)

Пассивный режим обнаружения скрытых дефектов возможен, если дефекты столь значительны, что температурные аномалии в зоне их нахождения возникают даже в стационарном режиме. В ограждающих конструкциях такими дефектами являются протечки воздуха, мостики холода и существенные локальные изменения сопротивления теплопередачи.

Амплитуда температурного сигнала в месте протечки (инфильтрации) воздуха зависит от перепада давления (температурного напора) между внутренними помещениями и наружной атмосферой. Температурный напор может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от особенностей вентиляции и высоты точки контроля. Во многих случаях именно протечки создают легко идентифицируемые температурные сигналы амплитудой до 6- 12° С на внутренних поверхностях и до 3 - 6° С на наружных. Протечки характерны для угловых и температурных швов зданий, оконных проемов, подбалконных плит, козырьков и т. п.

Мостики холода возникают в местах заделки элементов несущих конструкций (ригелей, балок, колонн), в частности, в результате непродуманных архитектурных решений. Например, при определенных температурных условиях металлические балки между крышей и стенами могут приводить к обильному образованию сосулек.

Локальные изменения R, если они не сопровождаются протечками воздуха, приводят к существенно меньшим температурным аномалиям: на наружных поверхностях температурные сигналы достигают 0,5-3° С, например, в зонах низкокачественной кирпичной кладки, в результате оседания утеплителя в панелях и т. п. При одинаковых температурах внутри помещений дефектные панели характеризуются по­вышенной температурой наружной поверхности.

Более тщательный анализ дефектов строительства производят при осмотре внутренних помещений.

Конечным результатом тепловизионного осмотра является карта дефектов, которая составляется на основе анализа как панорамных, так и отдельных термограмм.

 

7.Дефекты строительных конструкций, активный режим обнаружения

Активная диагностика предусматривает наличие дополнительных источников теплового стимулирования объектов контроля. Выявление мест протечек воздуха может быть существенно улучшено путем искусственного понижения давления в отдельных помещениях.

Отслоения штукатурки от основной стены могут быть обнаружены как при естественном солнечном нагреве, так и путем принудительного нагрева с помощью электрических ламп накаливания или воздушных пушек. В частности, метод активной тепловизионной диагностики разрабатывается автором совместно с итальянскими исследователями при диагностике настенных фресок [11]. В России этот метод был использован при обнаружении дефектов декоративной штукатурки на здании сценической коробки Новосибирского театра оперы и балета.

Отдельной сравнительно малоисследованной обла­стью применения тепловидения в строительстве является анализ механических напряжений в конструкциях при цикли­ческой нагрузке. Известно, что механические деформации приводят к появлению температурных градиентов. Лабора­торные исследования в этой области описаны, например, в [12]. Анализ здания казармы Томского военного училища связи, разрушившейся в результате катастрофы в 1997 г., показал, что спустя неделю после разрушения в некоторых стыках горизонтальных ригелей и вертикальных колонн наб­людались температурные аномалии, которые через месяц полностью исчезли [13]. Тем не менее, практическое использование тепловидения для предсказания разрушения зданий, в особенности при работающей в здании системе отопления, остается проблематичным и требует фундаментальных исследований.

 

8. Заключение

Тепловизионная диагностика строи­тельных конструкций испытывает возрождение благодаря появлению на рынке портативных тепловизоров с неохлаждае­мыми мозаичными детекторами излучения. Стандартная процедура диагностики включает 100 % осмотр наружных поверхностей здания и выборочный осмотр внутренних помещений в течение 1-2 часов с фиксацией 30 - 200 термограмм на гибких дисках или РСМСI картах. Конечным результатом осмотра является карта дефектов, на основе которой производится ремонт здания. Основными обнаруживаемыми дефектами являются протечки воздуха, мостики холода и участки пониженного сопротивления теплопередаче.

При дополнительной тепловой стимуляции возможно обнаружение скрытых структурных дефектов в активном режиме.

Тепловидение также может служить наглядным средством исследования механических напряжений в строительных конструкциях, однако его практическое применение для прогнозирования несущей способности сооружений остается проблематичным.

Современное состояние тепловизионной диагностики в строительстве характеризуется качественными оценками, в которых существенную роль играет опыт оператора-термографиста. Количественная оценка сопротивления теплопередаче в натурных экспериментах возможна по методике, регламентируемой ГОСТ 26254-84, и не дает тепловизорам существенных преимуществ перед стандартными контактными средствами измерения температуры.

Широкое внедрение тепловизионного метода сдерживается высокой стоимостью зарубежных и относительно низким качеством отечественных тепловизоров, а также отсутствием нормативных документов, которые бы создавали мотивацию для использования метода как строительными, так и эксплуатирующими организациями.

 

 

Тепловизионная квалиметрия ограждающих

конструкций зданий

(Сидельников Сергей Спартакович, В мире неразрушающего контроля 2003, №2(20), с.26-29)

 

Под кваалиметрией понимают научную область, объединяющая методы количественной оценки качества продукции. Основные задачи квалиметрии: обоснование номенклатуры показателей качества, разработка методов их определения и оптимизации, разработка принципов построения обобщенных показателей качества и обоснование условий их использованияв задачах нормирования и управления качеством.

Под качеством (ИСО 8402:1994) понимается – совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности.

Использование метода инфракрасной термографии для диагностики ограждающих конструкций строительных сооружений и испытание строительных материалов достаточно известено.( Вавилов В.П. Диагностика строительных конструкций методом инфракрасной термографии._ В мире НК.,.2000. №2(8) С.8-11. Будадин.О.Н. и др. Автоматизированный тепловизионный комплекс оперативного мониторинга теплотехнических характеристик зданий и сооружений. В мире НК.,.2001. №2(12) С.40-42

Кроме этого ИК-термография зарекомендовала себя как надежное средство оперативного контроля состояния электрооборудования под рабочим напряжением , что определило возможность ее широкого применения всеми энергосистемами. Тепловизионное обследование дымовых труб для контроля состояния футеровки включено в перечень рекомендуемых периодических обследований «Правилами надзора, обследования и ремонта промышленных дымовых и вентиляционных труб» (СП 13-101-99).

Достаточно широко применяется ИК-термография для контроля обмуровки котельных агрегатов, тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, в том числе и трубопроводов подземной прокладки. Фирмой ОРГЭС (РАО ЕЭС России) выпущены методики ИК-диагностики электрооборудования (РД 153-34.0-20.363-99) и тепломеханического оборудования (РД 153-34.0-20.364-00)

При всех очевидных успехах в нормативном и методическом обеспечении ИК-термографии как средства контроля технического оборудования и сооружений и при расширяющемся внедрении тепловизионного контроля, сегодня нельзя сказать, что решены все проблемы, связанные с ее эффективным использованием. И наиболее важной задачей , стоящей сегодня перед тепловизионной диагностикой, представляется переход от качественного анализа температурных полей на поверхности контролируемых объектов к количественной оценке параметров или характеристик, определяющих качество объектов контроля.

Тепловизионная квалиметрия представляет собой совокупность методов проведения тепловизионных обследований различных технических объектов с целью количественной оценки параметров и характеристик, определяющих их качество. Решение квалиметрической задачи предполагает определенный набор средств измерения и контроля. К средствам тепловизионной квалиметрии относятся как тепловизионная измерительная система, так и вспомогательные измерительные системы контроля метеоусловий, тепловых потоков, эксплуатационных режимов объекта, необходимые для определения искомых показателей качества контролируемых технических объектов.

Тепловизионная квалиметрия, как правило, не может претендовать на получение своими средствами обобщенного показателя качества объекта, относящегося ко всей совокупности свойств, по которой принято оценивать его качество. Но для ряда технических объектов, прежде всего, таких как электрооборудование и теплозащита зданий она позволяет получить определяющий показатель качества, по которому собственно и выполняют оценку качества объекта.

Принятая методика тепловизионного контроля электрооборудования (РД. 153-34.020.363-99) не ориентирована на количественную оценку контрольного параметра или характеристики, определяющих качество (состояние) оборудования: например, сопротивление контактного соединения или величину тангенса угла диэлектрических потерь изоляции. Критериями оценки состояния электрооборудования по действующим Нормам являются температура нагрева элементов оборудования и производные от нее превышения температуры нагрева оборудования над температурой окружающего воздуха или температурой аналогичных узлов (избыточная температура). Отсутствие связи между, определяемой методикой или Нормами, между температурным и эксплуатационным режимом оборудования, с одной стороны, и значением физического параметра, являющегося определяющим показателем качества контролируемого электрооборудования, с другой стороны, порождает ряд негативных последствий.

Прежде всего, не может быть определена фактическая точность оценки состояния оборудования. Эта неопределенность приводит к появлению ложной отбраковки или пропуску дефекта. На основе статистического анализа разработан метод установления зависимости между превышением температуры нагрева элементов высоковольтного оборудования, полученным по данным тепловизионного обследования, и значением контрольного параметра (тангенса угла диэлектрических потерь) изоляции. Этот метод реализован в «Методике тепловизионного контроля», описанный в журнале Новости электротехники. 2001. №5(11).

 

На сегодняшний день тепловизионная квалиметрия в наиболее полном виде реализуется при контроле качества теплозащиты зданий. Это обусловлено двумя факторами.

Во-первых, имеется определяющий показатель качества теплоизоляции ограждающих конструкций зданий – приведенное сопротивление теплопередаче, требуемое значение которого определяется СНиП II-3-79.

Во-вторых, имеются нормативные методы определения этой характеристики, включающие термографический контроль. Это метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций, устанавливаемый ГОСТ 26629-85, и метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций стен – по ГОСТ 26254-84. Основная проблема заключается в том, что оба этих ГОСТа не распространяются на светопрозрачные ограждающие конструкции, а ГОСТ 26602-99 (Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче) не предусматривает использование термографического контроля. Также остается за рамками нормативных методов контроль ограждающих конструкций не отапливаемых зданий (неэксплуатируемое здание перед капитальным ремонтом или здание в летний период эксплуатации или в процессе строительства.

Специалистами из С.Пб разработана комплексная методика контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций зданий и сооружений. Она реализует нормативные методы, обозначенные выше. При таком объединении она позволяет распространить возможности тепловизионного метода на контроль окон и других светопрозрачных ограждающих конструкций. Это оказалось возможным благодаря использованию для контроля окон электромагнитных волн в диапазоне 3…5 мкм, где отражение почти на порядок ниже, чем в диапазоне 8…14 мкм. В методику включены дополнительные процедуры определения тепловых потерь и параметров микроклимата помещений: радиационной и результирующей температуры (по ГОСТ 30494-96).

Система контроля реализована на основе комплексного использования контактных и бесконтактных методов теплового контроля: тепловизора и набора контактных датчиков температуры и тепловых потоков, объединенных в единую систему измерения и регистрации. Такой подход позволяет наряду с регистрацией теплового поля стенки с высокой точностью регистрировать температуру контактными датчиками.

Проводя тепловизионную съемку, получают двухмерные изображение тепловых полей, где температура закодирована яркостью или цветом. По результатам наружной тепловизионной съемки выбираются помещения для проведения контактных измерений, которые должны соответствовать зданию в целом и иметь в составе своего ограждателя необходимые для обследования типы ограждающих конструкций: стены, перекрытия, покрытия, окна и балконные двери и т.д.

По термограммам внутренних поверхностей ограждений выбираются базовые участки – термически однородные зоны ограждения (вне зон влияния углов, конструкционных стыков и теплопроводных включений), в которых устанавливаются контактные датчики температур поверхности ограждения и воздуха у поверхности и тепловых потоков. Результаты измерений автоматически регистрируются в ЗУ контроллера, к которому подключены датчики. Продолжительность цикла измерения определяется инерционными свойствами ОК и динамикой измерения погодных условий и должна составлять не менее суток с небольшой тепловой инерцией (1,5) и не менее 3-х суток для зданий с большей тепловой инерцией. Анализ термограмм и контактных измерений позволяют :

1. Определить тепловое сопротивление теплопередаче базового участка ОК (стен, перекрытия, рам и остекленения).

2. Определить коэффициент теплотехнической однородности и приведенной сопротивление теплопередаче обследованных ОК.

3. Выявить аномальные участки ОК и проверить их на возможность выпадения конденсата на их внутренней поверхности при расчетных условиях эксплуатации здания.

Обследование ограждающик конструкций должно проводиться при перепаде температур между наружным и внутренним воздухом не менее 20 0С, т.е. в зимний период. Относительная погрешность определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций не превышает 15%.

 

Литература

4. Дроздов В. А., Сухарев В. И. Термография в строитель­
стве. - М.: Стройиздат, 1987. - 238 с. *

5. А8ТМ 81апс1агс1 С1060 /ТпегтодгарЫс 1пзресНоп о/71пзи1аНоп т Епуе1оре СауШез т И/оос/ Ргате ВиМ'тдз / - Рп//ас/е/рп/а (иЗА): А8ТМ. 1987

7. Международный стандарт ISO 6781-83 „Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод".

8. ГОСГ 26629-85 "Метод тепловизионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций".

9. Инструктивные указания по осуществлению прямых тепловизионных методов определения фактических теплотехниче­ских показателей ограждающих конструкций при паспортизации жилых домов массовых серий. - Разр. НИИ Мосстроя г. Москвы по договору № 6-4/97 от 3 июня 1998г. с Управлением внебюджетного планирования и развития г. Москвы.

10. Ведомственные строительные нормы по теплотехническим обследованиям наружных ограждающих конструкций зданий с применением малогабаритного тепловизора (ВСН 43-96). -Утв. 30.07.96 Департаментом строительства г. Москвы.

Административные, производственные и жилые здания

Общие сведения. Одним из путей экономии топлива является уменьшение теплопотерь и теплопоступлений через ограждающие конструкции строительных сооружений, достигающих до 30% - энергопотерь.

Тепловизионное обследование строительных сооружений, благодаря своей оперативности, наглядности и достоверности получаемых результатов, успело зарекомендовать себя в качестве одного из основных способов диагностики ограждающих конструкций по окончании строительства и в период эксплуатации. Первые систематические исследования в области строительной диагностики были выполнены по инициативе фирмы AGA (ныне фирма FLIR systems) в Швеции и других странах, где необходимость экономии энергии диктуется климатическими условиями. аналогичные работы были выполнены в Канаде и США, причем в южных штатах США решалась обратная задача – не допустить проникновение наружного тепла внутрь здания.

С 1980 по 2000 гг. в вышеуказанных странах выпущен ряд стандартов и методических документов по применению тепловидения в строительстве (см. главу 10).

В СССР исследовательские организации строительного профиля (ВНИИ строительной физики, НИИ Мосстроя и др.) выполняли исследования по теплопередаче в строительных конструкциях и их тепловизионной диагностике. Опыт этих исследований обобщен в монографии В.А.Дроздова и В.И. Сухарева [104], а также в ряде недавних публикаций [15]. Тем не менее, в силу невысокой отпускной стоимости энергии и общей низкой культуры строительства, экономическая мотивация внедрения ИК-термографии в отечественное строительство в доперестроечные годы была низкой.

Ситуация изменилась с переходом к рыночной экономике, что привело к удорожанию энергоносителей и обусловило повышенный интерес к экономии энергии. Непосредственным толчком к интенсифи­кации исследований по строительной теп­лофизике явилось введение в 1998 г. новой редакции строительных норм и правил (СНиП И-3-79* "Строительная теплотехника"), согласно которым теплозащита строительных сооружений должна быть усилена приблизительно в 3 раза. Невозможность обеспечить нормируемые показатели теплозащиты с использованием традиционных строительных материалов обусловила разработку новых строительных материалов и конструкций, в связи с чем встал вопрос экспрессной инструмен­тальной диагностики показателей теплозащиты.

Администрации ряда городов, взаимодействуя с органами архитектурно-строительного надзора, все более активно интересуются тепловидением как инструментом решения задач, стоящих перед жилищно-коммунальным хозяйством: реновации жилья, повышения качества строительства, оптимизации расходов на отопление и т.п. С 1998 г. в г. Северске Томской области введена обязательная 100%-я ИК-термографическая диагностика сдаваемых в эксплуатацию жилых зданий. Пакет нормативных документов по энергосбережению в строительстве принят в гг. Москве и Санкт-Петербурге.

Согласно методике тепловизионной диагностики строительных сооружений, утвержденной Госстандартом РФ (МВИ № 1305/442 от 10.01.2001), понятие тепловизионной диагностики строительных сооружений включает:

-определение частичных и общих теплопотерь;

-обнаружение скрытых дефектов строительства;

-определение (оценку) сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Отдельной областью возможного применения тепловизионной диагностики является прогнозирование возможных разрушений строительных сооружений путем обнаружения "тепловых предвестников" катастроф. Периодически случающиеся в России и за рубежом непредска­зуемые разрушения зданий, в том числе и с человеческими жертвами, делают эту область применения социально значимой. Лабораторные исследования, выполненные М. Люонгом (Франция), показали, что при циклическом нагружении бетона температурные градиенты могут достигать нескольких градусов [84]. Пример феноменологического подхода к экспериментальному анализу катастрофы, произошедшей в 1997 г. в г. Томске, описан в п. 9.1.7. В целом, возможность тепловизионного прогнозирования разрушения зданий с работающей системой отопления представляется сомнительной ввиду трудностей обнаружения предвестников катастроф малой амплитуды на фоне многочисленных тепловых шумов.

Определение теплопотерь.

Нормативными характеристиками жилых зданий являются: расчетная температура наружного (своя для каждой географиче­ской местности) и внутреннего воздуха (20 ... 21 °С), его относительная влажность (50 ... 60 %), перепад между температурой воздуха в помещении и на внутренней поверхности наружной стены (4 ... 6 °С), температура на внутренней поверхности стены, которая должна превышать температуру точки росы. Главной эксплуатационной характеристикой зданий являются удельные энергозатраты на отапливаемой площади за один отопительный период в годовом цикле, выраженные в кВт ч/(м2 год). На рис.1 представлена схема формирования теплового баланса здания в отопительный период годового цикла [112].

Доходная часть обусловлена:

1) отопительными приборами;

2) бытовыми электрическими приборами;

3) солнечной радиацией.

Расходная часть представлена:

1) теплопередачей через стены, окна, чердачное перекрытие, полы первого этажа;

2) дополнительными затратами энергии на нагревание в объеме помещения инфильтрующегося холодного воздуха;

3) энергозатратами на горячее водоснабжение.

Наибольшая доля теплопотерь (до 50 %) приходится на инфильтрацию холодного воздуха, основная часть которого поступает через притворы и неплотности окон и балконных дверей.

Тепловизионный метод позволяет проанализировать работу системы вентиляции, оценить интенсивность инфильтрации воздуха, а также выявить нарушения теплозащиты ограждающих конструкций, возникшие в результате следующих причин:

-ошибок проектирования;

-нарушений технологии изготовления строительных материалов правил складирования, перевозки и т.д.

-ошибок и нарушений при строительстве зданий,

-неправильного режима эксплуатации.

Перечисленные факторы приводят к преждевременному снижению теплозащитных свойств в отдельных участках ограждающих конструкций в результате воздействия погодных (ветер, атмосферные осадки) и естественно-климатических условий (циклы тепло-холод, влажность). Это, в свою очередь, приводит к ухудшению микроклимата внутри зданий и перерасходу топлива на обогрев вследствие увеличения теплопотерь. ИК-термография позволяет определить пути устранения ошибок проектирования, в результате которых температура в помещениях держится на недопустимо низком упровне.

Таким образом, тепловизионная диагностика может служить одним из важных инструментов энергоаудита жилых и производственных зданий; результаты осмотра являются составной частью энергетических паспортов зданий, форма которых разработана в ряде регионов России

Теплопотери ограждающих конструкций определяют на момент тепловизионной съемки, а затем экстраполируют на годовой период с учетом нормируемой температуры внутри помещений, средних климатических условий в данной местности и длительности отопительного сезона.

Экономический ущерб от сверхнормативных теплопотерь определяют исходя из их рассчитанных значений с учетом тепловой (электрической) энергии. очевидно, что сама по себе тепловизионная диагностика в состоянии лишь констатировать распределение теплопотерь в зоне контроля, на основании чего можно разработать мероприятия по их снижению (выравниванию) и в последующем оценить их эффективность. Например, в жилых и производственных зданиях тепловизионный метод позволяет оценить эффективность оптимизации системы теплоснабжения и вентиляции.

При анализе теплопотерь зданий особое внимание следует уделять термографированию окон, поскольку именно через них теряется большая часть тепловой энергии. Тепловизионное определение истинной температуры окон требует специфических приемов, поскольку на показания тепловизора существенное влияние оказывает угол съемки и отраженное излучение окружающей среды и Солнца. Применение окон специальной конструкции, например с покрытиями, может потребовать отдельного анализа радиационной компоненты теплопотерь.

 

Выявление скрытых дефектов. Основными видами строительных дефектов, обнаруживаемых с помощью ИК термографии, являются:

-места протечек воздуха и воды (дефектная зачеканка швов с наружной стороны, отслоения пленки мастики от бетонной поверхности, недостаточное обжатие гермита и трещины в растворе и мастике, дефекты оконных блоков и проемов: некачественное уплотнение стен замазкой, сквозные щели в соединениях нижних элементов коробок, прерывистость мастики в устье стыка защелки оконного блока);

-мостики тепла и холода; ухудшение сопротивления теплопередаче (отсутствие теплоизоляции, аномальная увлажненность, некачественная кирпичная кладка, некорректные архитектурные и строительные решения и т.п.);

-дефектные панели ограждающих конструкций (нарушения толщины и расстановки утеплителя, адсорбция влаги в утеплителе, завышение объемного веса керамзитобетона, оседание утеплителя, скол края панели);

-отслоение штукатурки, облицовки и других покрытий.

Современные тепловизионные системы позволяют быстро и точно выявить дефектные участки и определить их границы. Количественную оценку обнаруженных дефектов производят в лабораторных условиях с использованием стандартного математического аппарата и соответствующих программных средств.

Обнаружение скрытых дефектов основано на использовании принципа сравнения текущей зоны контроля с эталонной (бездефектной) зоной. Эталонную зону указывают из технологических соображений или определяют в ходе тепловизионного осмотра, например, путем оценки сопротивления теплопередаче (см. ГОСТ 26629-85 "Метод тепловизионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций"). Определение теплопотерь и сопротивления теплопередаче осуществляют согласно ГОСТ 26254-84 "Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций" и СНиП II-3-79 "Строительная теплотехника". Тепловизор используют в качестве средства измерения поверхностной температуры, а тепловой поток (коэффициент теплообмена) измеряют с помощью датчиков теплового потока.

Обнаруживать скрытые дефекты строительства тепловизионны методом можно внутри и снаружи помещений. наружный осмотр более пригоден для оценки общих теплопотерь зданий и сопротивления теплопередаче, включая анализ эффективности архитектурных решений, а также для выявления существенных дефектов, которые значительно искажают поверхностное температурное поле. Внутренний осмотр является более детальным и предназначен для обнаружения, в том числе незначительных строительных дефектов и анализа теплового режима помещений.

Имеются методики проведения тепловизионной диагностики внутри отдельных помещений путем локального понижения давления, например, с помощью вентилятора; при этом резко возрастает температурный сигнал, обусловленный протечками воздуха через стены, и появляется возможность отличить протечки от локального ухудшения теплоизоляционных свойств. В летнее время при слабом температурном напоре возможно использование нагревателей для повышения температуры внутри помещений; в этом случае измерение температуры стен начинают через несколько дней после начала нагрева.

Качество строительства большинства зданий, в частности, главных корпусов тепловых станций, энергообъектов, возведенных в 60-70-е годы, было невысоким, поэтому по мере их эксплуатации интенсивно ржавеют металлические соединения стеновых панелей, что может привести к выпадению отдельных фрагментов стен наружу или внутрь помещений. Интенсивность коррозии связана с промоканием панелей, что хорошо идентифицируется с помощью тепловидения.

Контроль за влажностью кровли крыш

 

Невидимые глазу скопления воды в кровле плоских крыш производственных зданий являются серьезным дефектом, приводящим к преждевременному разрушению кровли и протечкам внутрь помещений. Например, протечки воды в турбинный зал тепловой станции, которые могут произойти в весенний период, в состоянии нарушить юстировку турбин, а при больших массах воды возможно обрушение кровли.

Аномальная поверхностная влажность может быть обнаружена в стационарном режиме за счет испарения воды и соответствующего понижения температуры. Однако вода, скрытая внутри многослойной крыши, может быть обнаружена, как правило, только в динамическом режиме: за счет высокой теплоемкости воды участки видны холодными в дневное время и теплыми ночью.

Обследование кровли можно проводить путем обхода крыши с тепловизором, однако в этом случае производительность осмотра низка и затруднено получение общей картины. В США широко используют тепловизионную съемку плоских крыш с воздуxa (с борта мотодельтаплана, вертолета или самолета, в том числе, непилотируемoro). При этом обеспечивают высокую производительность обследоваания при сравнительно простой идентификации и координатной привязке дефектных зон.

 

Методические особенности термографирования

строительных объектов

 

Диагностику выполняют снаружи или внутри помещений согласно стандартным методикам работы с тепловизором и вспомогательными устройствами. Температурный напор в контролируемом строительном сооружении, измеряемый как разность внутренней и внешней температур воздуха, должен быть не менее 10 °С в течение последних 24 ч (требование международного стандарта ISO 6781-83 "Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод"), что выполняется в течение отопительного сезона.

Во время съемки изменение температурного напора не должно превышать ± 30 % от действительной начальной величины; температура воздуха внутри помещения не должна изменяться более чем на ± 2 °С, а ограждающие конструкции не должны подвергаться воздействию солнечной радиации в течение предшествующих 12 ч.

При определении (оценке) сопротивления теплопередаче следует руководствоваться требованиями ГОСТ 26254-84, который требует, чтобы продолжительность периодов с наиболее установившимся режимом с отклонением среднесуточной температуры за этот период в пределах ± 1,5 °С составлял от 1 до 3 суток в зависимости от тепловой инерции ограждающей конструкции. Поскольку в российских условиях обследования проводят в основном зимой, особое значение имеет возможность работать с тепловизором при низкой температуре окружающей среды. Метрологические показатели даже лучших моделей портативных тепловизоров "плывут" при быстром перемещении приборов из помещения наружу, что требует их длительной адаптации. В ряде случаев положительные результаты получают, проводя измерения из окна автомобиля.

Идентификацию объектов на термограмме рекомендуется производить сравнением термограмм с видимым изображением, которое получают с помощью фотоаппарата, цифрового фотоаппарата и/или цифровой (аналоговой) видеокамеры

 

Проблема коэффициента излучения.

При обнаружении скрытых строительных дефектов знание коэффициента излучения объекта является желательным, но не обязательным, особенно в тех случаях, когда дефекты обнаруживают на однородном излучательном фоне (кирпичная стена, панель, оштукатуренные стены и т.п.). Более того, различия в излучательных свойствах объектов диагностики могут служить дополнительными признаками их идентификации на термограмме.

При определении теплопотерь и сопротивления теплопередаче поправку на коэффициент излучения объекта следует вводить, используя соответствующую опцию тепловизора. Связь погрешности задания коэффициента излучения и погрешности определения истинной температуры была описана в п. 6.2.4.

 

Метеоусловия при тепловизионной съемке.

Тепловизионную съемку не производят в дождь, туман, сильный снегопад, а также при наличии снега, измороси и влаги на контролируемых поверхностях. Погрешность измерений, вносимая вышеуказанными факторами, возрастает с увеличением расстояния до объекта.

Прямое и рассеянное солнечное излучение, особенно в весенне-летний период, может нагревать части ограждающих конструкций и создавать области аномальной температуры, которые следует отличать от температурных распределений, обусловленных теплопередачей через ограждающие конструкции.

Эффект солнечного нагрева особенно существен при диагностике крыш. На гладких (глянцевых) поверхностях, например окнах, могут возникать солнечные блики, которые на термограмме выглядят как зоны повышенной температуры. В большинстве случаев наличие бликов легко подтверждают путем перемещения тепловизора: изображение блика будет перемещаться, в то время как изображение аномально нагретой зоны останется на месте. Кроме того, на окнах можно наблюдать эффект холодного неба, который особенно заметен при безоблачном небе, при визировании которого тепловизор может показывать температуру до –25⁰.

Тепловизионную съемку рекомендуется проводить в предрассветные или ночные часы, когда тепловое влияние окружающей среды минимально. В дневное время наилучшие результаты получают при пасмурном небе.

Сильный ветер существенно увеличивает теплоотдачу с поверхностей и снижает их температуру. Рекомендуется проводить тепловизионную съемку при скорости ветра не более 5…7 м/с. При необходимости учитывать изменение коэффициента теплоотдачи, например при определении сопротивления теплопередаче, следует использовать cоответствующие формулы, рекомендованные теорией теплопередачи.

При определении теплопотерь и сопротивления теплопередаче следует принимать во внимание суточный ход температуры окружающего воздуха. в силу различной теплоинерционности отдельных элементов ограждающих конструкций соотношение измеренных значений в любой момент времени может не соответствовать истинному соотношению теплозащитных свойств данных элементов. Оценку отклонение режима теплопередачи от стационарного проводят согласно ГОСТ 26629-8. Следует отметить, что при определении сопротивления теплопередаче согласно ГОСТ 26254-84, метод ИК-термографии не обладает преимуществами по сравненению со стандартными средствами измерения температуры, вследствие необходимости выбирать период слабого изменения температуры ограждающей поверхности в течение длительного времени.

 

Расстояние до объекта контроля

С увеличением расстояния до объекта контроля возрастает поле обзора, ухудшается детальность осмотра и искажаются значения истинной температуры за счет поглощения в атмосфере. Последний эффект несущественен при расстояниях менее 30 м, на которых обычно проводят съемку. При больших расстояниях следует применять соответствующие поправочные формулы, учитывающие поглощение излучения в атмосфере. Во многих современных тепловизорах такую коррекцию можно осуществить непосредственно в приборе для стандартного состояния атмосферы и заданного расстояния до объекта контроля..

 

Условия внутри помещений.

При прочих равных условиях один и тот же дефект строительства (протечка воздуха, мостик холода) как правило, лучше обнаруживается при осмотре внутри помещения, за исключением случаев, когда анализируемый феномен, например металлический вкладыш располагается вблизи наружной поверхности. Основными мешающими факторами при таком осмотре являются:

-наличие вентиляторов и нагревателей;-

-экранировка зон контроля мебелью, коврами и другими предметами;

-отслоение обоев, штукатурки и др.

-неравномерная окраска зоны контроля.

Радиационное влияние нагревателей можно устранить их экранированием теплонепроницаемыми предметами (например, используя полиэтилентерефталатную метализированную пленку типа ПЭТФ-С или ПЭТФ-Н согласно ГОСТ 26629-85) или правильным выбором зоны и ракурса съемки.

При термографировании оконных стекол может возникать эффект отражения близкостоящих источников теплового излучения, включая людей, в стекле; при этом оператор видит слабое отраженное изображение указанных источников на термограмме. Еще более сильное влияние оказывает отраженное солнечное излучение.

Термографирование полупрозрачных объектов, таких как диэлектрические пленки, оконные стекла и т.п., требует использования специальных методических приемов, которые должны разделять эффекты теплопередачи от чисто оптических эффектов. Например, на оконных стеклах целесообразно размещать самоклеящуюся пленку любого цвета и измерять ее температуру. Предметы, экранирующие стены и стыки, целесообразно удалить. Расслоения между декоративными покрытиями и штукатуркой, а также между основной стеной и штукатуркой могут сами по себе расцениваться как дефекты.

Влияние неоднородного распределе­ния коэффициента излучения по зоне контроля можно учесть путем визуального осмотра, а также введением соответствующих поправок в установки тепловизора. Не рекомендуется проводить измерение температуры поверхностей с коэффициентом излучения ниже 0,7 (ГОСТ 26629-85). Влияние величины коэффициента излучения велико при визировании металлических, в особенности блестящих, поверхностей. Большинство строительных материалов, а также металлы, покрытые слоем ржавчины, грязи и пыли, обладают достаточно высоким значением коэффи­циента излучения для выполнения изме­рений с требуемой точностью (± 1 °С).

 

Качественная и количественная оценка результатов.

Классификацию обнаруженных тепловых аномалий должен производить обученный оператор -термографист, имеющий соответствующую лицензию и уровень квалификации не ниже II-го по системе Госгортехнадзора. Наилучшие результаты достигают при использовании результатов в виде цветных и черно-белых термограмм, анализ которых оператор производит на основе своего опыта и критериев, изложенных ниже.

Предпочтительность использования цветного изображения перед черно-белым зависит от объекта контроля, применен­ной палитры и опыта оператора. Черно-белые изображения имеют более естественный вид и наиболее пригодны, когда тепловую аномалию обнаруживают на фоне множества "тепловых отпечатков", носящих шумовой характер. Черно-белые изображения легче интерпретировать, чем цветные, при наличии отраженной солнечной засветки. Цветное представление термограмм эффективно, если анализируемая тепловая аномалия отличается незначительно по температуре от окружающего температурного фона. Цветные термограммы также являются более наглядными при документировании результатов. Широко распространенная в настоящее время цветная палитра цветов каления (Iron) является компромиссной между черно-белым и цветным представлением термограмм.

При качественной оценке тепловых аномалий (анализе термограмм дефектов) решающими факторами являются сведения о тепловом режиме здания, опыт оператора и вид изображения соседних зон, на фоне которых обнаруживается данная аномалия.

Количественную оценку тепловых аномалий проводят с целью оценить степень их опасности для нормального функционирования здания. При этом значения средних температур пола, стен и потолка внутри помещений должны соответствовать нормам СНиП II-3-79*. Степень опасности обнаруженных аномалий оценивают:

-по дополнительным потерям тепла через дефект;

-по несоответствию измеренных значений сопротивления теплопередаче требованиям СНиП П-3-79;

-по возможным последствиям разрушения ограждающей конструкции вследствие дефекта (сдвиг точки росы внутрь стены, коррозия материала стены, повышение влагопроницаемости и снижение за счет этого качества теплозащиты и т.п.);

-по дискомфорту внутри помещения.

Соотношения между степень опасности аномалий и экспериментально наблюдаемыми температурными перепадами в местах тепловых аномалий не регламентированы ввиду отсутствия необходимых статистических сведений. Сами амплитуды температурных перепадов и должны нормироваться на температурные напоры поскольку, например, понижение температуры в зоне межпанельного шва на 1 градус при температуре наружного воздуха 0 0С свидетельствует о значительна серьезном дефекте, чем такой же обнаруженный при температуре наружного воздуха -20 °С.

 

Примеры термограмм

Идентификацию и привязку дефектных участков целесообразно делать совмещением ИК и видимого изображений.

Преимущество теплововизионного контроля состоит в возможности оценить величину дефектных зон и принять решение либо об их "лечении", либо об обрушении отслоившейся штукатурки и нанесении нового слоя.

Оптимизация разводки системы отопления в здании, где наблюдается перегрев отдельных этажей, может обеспечить экономию до 20 % тепловой энергии.

Специфическим строительным объектом являются взлетно-посадочные полосы и другие дорожные покрытия аэродромов. В работе [113] показано, что при использовании солнечного нагрева возможен оперативный контроль больших поверхностей с целью выявления трещин и пустот, возникших в результате старения. При этом инспекцию следует проводить в солнечный день на сухих поверхностях. Основным недостатком метода считают невозможность оценки глубину и толщину трещин и пустот, поэтому в качестве дополнительной техники предложено использовать георадар с излучением частотой 1 ... 2,5 ГГц, проникающим в в землю.

Аналогичный вариант ИК-термографической съемки используют при выявлении расслоений в дорожном покрытии мостов (величина температурного градиента достигает 2 ... 5 °С). Данная техника описана в американском стандарте D4788. Тепловизор устанавливают на томобиль, движущийся со скоростью 16 км/час. ИК-термограммы записывают на видеопленку и параллельно ведут видеозапись для того, чтобы при последующем сравнении данных по двум каналам исключить поверхностные помехи (заплатки и т.п.). Службы контроля мостов на Западе рассматривают термографию как привлекательный метод, хотя его эффективность зависит от погодных условий и состояния покрытия. В качестве недостатка упоминается невозможность определить глубину залегания дефектов, которые могут быть как между асфальтом, так и глубоко в армированном бетоне. Дополнительная георадарная съемка дополняет ИК-термографию и в этом случае.

Фирма Astec Industries (США) сообщила о применении портативнго тепловизора для контроля качества укладки асфальта. Известно, что температура асфальта должна находиться в определенных границах, выход за пределы которых приводит к преждевременному разрушению дорожного покрытия. На выполнение заплаточного ремонта на автострадах США федеральные власти расходуют от 300 до 400 миллионов долларов в год, в то время как на местном уровне расходы удваиваются, и ИК-термография может стать средством снижения этих расходов.

На российских железных дорогах одной из важных проблем является своевременное обнаружение начальной стадии разрушения опор линий тяговой сети, в особенности, если речь идет о подземной части опор. Обычно эту проблему решают, метод акустической эмиссии. Те не менее в работе [114] сообщается о тепловизионных исследованиях, выполненных электрической компанией Румынии. Установлено, что солнечный нагрев железобетонных опор позволяет выявить дефектные зоны, образующиеся как вследствие низкого качества строительства, так и в результате старения.

Вернуться: тепловизионное обследование

Вернуться: экспертиза

Специалисты организации Независимая Экспертиза готовы помочь как физическим, так и юридическим лицам в определении различных видов оценки, экспертиз, проведение тепловизионного обследования.

Если же после изучения этих разделов у Вас останутся нерешенные вопросы или же Вы захотите лично пообщаться с нашими специалистами или заказать тепловизионную экспертизу, всю необходимую для этого информацию можно получить в разделе "Контакты".

С нетерпением ждем Вашего звонка и заранее благодарим за оказанное доверие

Теполовизионная экспертиза проводится

400074, г. Волгоград, ул. Иркутская, 7 (остановка ТЮЗ, отдельный вход с торца здания).

Заключение Независимой экспертизы имеет статус официального документа доказательного значения и может быть использовано в суде.