программное приложение для расчета температур на

ПРОГРАММНОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУР
НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ
О. Н. Ненарокомов
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий,
механики и оптики
Рассматривается алгоритм расчета температур на внутренней поверхности
ограждающих конструкций здания и сооружений, необходимый для качественного и
количественного анализа полученных результатов измерения – распределения
температур на поверхности ограждающей конструкции. Так же рассмотрены факторы,
оказывающих влияние при обследовании современных строительных конструкций на
распределение тепловых полей, оценивается степень их влияния и приводятся
выработанные рекомендации по их учету.
Тепловизионное обследование ограждающих конструкций зданий проводится с
целью оценки качества их теплозащитных свойств. Одним из основных показателей
качества теплоизоляции элементов ограждающих конструкций при приемке здания в
эксплуатацию является отсутствие скрытых дефектов [1]. Наиболее удобным средством
для определения такого рода недостатков является измерительный тепловизор.
Существующий метод тепловизионного контроля качества ограждающих конструкций
здания [2] в необходимой мере описывают порядок проведения обследования, хотя и не
в полной мере. Но обработка результатов в большей степени предназначена для
тепловизионного контроля с применением термопар, что осложняет процедуру
контроля, хотя для определенного рода измерений такой метод необходим. Ниже
предлагается ряд формул для расчета температуры внутренней поверхности
ограждения, которые использовались при написании программной приложения для
расчета температурного режима ограждающих конструкций здания.
Тепловизионное обследование является эффективным средством контроля
качества теплозащитных свойств наружных ограждений зданий, в ходе которого
регистрируются температурные поля на обследуемых поверхностях ограждающих
конструкций зданий.
а)
б)
Рис. 1. Термограммы обследованных ограждающих конструкций:
а) помещения, б) фасада здания.
Наблюдаемые тепловые изображения автоматически преобразуются в
термограммы (рис. 1 а, б) путем амплитудного преобразования шкалы сигнала в
температурную шкалу в соответствии с градуировочной характеристикой тепловизора
и условиями формирования изображения, такими как: дистанцией наблюдения,
коэффициентом излучения поверхности объекта, температурой воздуха, температурой
окружающего
фона.
Термограмма
является
графическим
представлением
распределения температуры по поверхности и снабжается температурной шкалой,
которая устанавливает связь между цветом на термограмме и температурой на
87
поверхности [3]. Выбранные термограммы запоминаются в цифровой форме и
записываются на флэш-карте памяти, установленной в электронном блоке тепловизора,
вместе с информацией об условиях регистрации.
Термограммы, записанные на картах памяти, обрабатываются на компьютере с
помощью специализированной программы ThermaCam Reporter. Программа позволяет
выставить на изображении температурную шкалу. Воспользовавшись меню
программы, можно получить информацию о температуре и влажности на момент
обследования, а также узнать температуру любого участка термограммы, т.е.
распределение тепловых полей (в том числе и потерь) потерь конструкции. Тепловое
изображение наружной поверхности ограждающей конструкции просматривают,
снимают обзорные теpмогpаммы и выбирают базовый участок (рис. 2 а, б). За базовый
принимают участок ограждающей конструкции, имеющий линейные размеры свыше
двух ее толщин и равномерное температурное поле, которому соответствует
минимальное значение выходного сигнала тепловизоpа [1].
а)
б)
Рис. 2. Определение базового участка: а) стены, б) оконного блока.
Допустимое значение температуры внутренней поверхности помещений
рассчитывается [4] для условий, действующих на период обследования. При этом
исходят из нормативных значений минимальной допустимой температуры внутренней
поверхности ограждающей конструкции (ОК) при расчетных условиях эксплуатации
здания, [1]: температура внутренней поверхности ОК (за исключением
светопрозрачных) должна быть не ниже температуры точки росы внутреннего воздуха,
а температура внутренней поверхности светопрозрачных элементов ОК (вертикальных)
должна быть не ниже +3°С при расчетной температуре наружного воздуха -26°С.
Расчетная температура и влажность внутреннего воздуха принимаются согласно
требованиям [1], а температура точки росы внутреннего воздуха помещений
принимается по [5]. Участки ограждающих конструкций, температура которых при
расчетных условиях будет ниже требуемого значения, признаются дефектными.
Таким образом температуру внутренней поверхности ограждения при расчетных
температурных условиях определяют по формуле [4]:
τ врасч = tв − (tв − τ в' )
αв
,
α в'
где t в - расчетная температура внутреннего воздуха,
внутренней поверхности ограждения
o
(1)
o
С; τ в' - температура
С; α в = α к + α л - коэффициент теплоотдачи
2 o
внутренней поверхности ограждения в эксперименте, Вт/(м ⋅ С); α в' = α к' + α л' - то же,
2 o
при t в и τ в' , Вт/(м ⋅ С); α к ,α к' - коэффициенты конвективного теплообмена внутренней
поверхности ограждения; α л , α л' - коэффициенты лучистого теплообмена внутренней
поверхности ограждения;
Температура внутренней поверхности ограждения τ в' определяется по формуле:
88
τ в' = t в − (t вэксп − τ вэксп )
t − tн
,
t − t нэксп
в
эксп
в
(2)
где τ вэксп - температура внутренней поверхности базового участка ограждения,
o
o
получаемая с термограммы, С; t н - расчетная температура атмосферного воздуха С;
А расчетная температура внутреннего воздуха t в рассчитывается по формуле:
tв =
t н − τ вэксп R0α в
,
1 − R0α в
(3)
где R0 - сопротивление теплопередаче базового участка м 2 ⋅o С / Вт.
Из написанного выше видно, что расчет температуры внутренней поверхности
ограждения зависит от большого числа параметров. Поэтому удобнее всего
рассчитывать необходимое значение температуры в отдельном программном
приложение, написанного специально для этих целей. Приложение было
скомпилировано в Delphi 7 и представляет из себя стандартное окно Widows с
таблицей, введя в которую известные параметры, можно получить искомую
температуру внутренней поверхности ограждения. Так же написание такого
приложения обусловлено большим количеством исследуемых помещений, в рамках
тепловизионного обследования одного здания и присутствие в каждом помещении
разного типа поверхностей.
На термограммах зеленым цветом обозначаются дефекты на внутренней
поверхности ограждающей конструкции (за исключением конструктивных элементов
остекления вертикальных окон), в углах, на оконных откосах и на непрозрачных
элементах окон, а также зенитных фонарей, температура внутренней поверхности
которых будет ниже температуры точки росы внутреннего воздуха при расчетной
температуре наружного воздуха в холодный период года. При этом окрашенность на
термограммах элементов остекления вертикальных окон в зеленый цвет не является
признаком дефекта этих элементов, так как они анализируются отдельно по другому
температурному критерию. Желтым цветом на термограммах обозначаются дефекты
на конструктивных элементах остекления вертикальных окон и витражей участки,
температура внутренней поверхности которых при расчетных условиях будет ниже
+3ºC.
а)
б)
Рис. 3. Проанализированные термограммы: а) стены, б) оконного блока.
В данном случае дефектными участками (показаны на рис. 3 а, б) являются:
примыкание стены к перегородке в зоне угла, примыкание оконного блока к световому
проему, угол и притворы оконного блока.
89
При оценке термограмм необходимо учитывать то, что тепловое поле объекта
претерпевает ряд преобразований, прежде чем предстанет перед наблюдателем в виде
термограммы. Это проявляется на следующих этапах:
1. температурные потери определяют температурное поле наружной поверхности
объекта;
2. преобразование поля яркости поверхности объекта при прохождении излучения
через атмосферу за счет поглощения и рассеяния;
3. преобразование потока оптического излучения в ПЗС-матрице тепловизора;
4. обработка данных, полученных в ходе проведенного обследования.
Каждый из элементов выше перечисленных преобразований оказывает
собственное влияние на окончательную форму сигнала, т.е. на вид термограммы.
В помещении источниками погрешности являются рассеянный и отраженный
свет от окружающих объектов и светильников [6]. По закону Стефана – Больцмана
энергетическая светимость черного тела WeTO пропорциональна четвертой степени
абсолютной температуры T излучателя:
WeTO = σ ⋅ T 4 [Вт/м2],
(4)
где σ - 5,67*10-8[Вт/м2*К4] – постоянная излучения Стефана – Больцмана.
В случае учета теплообмена с окружающей средой эта формула выглядит так:
4
4
4
WeTO = ετσ ⋅ Tobj
+ (ε − 1)τσ ⋅ Trefl
+ (1 − τ )σ ⋅ Tatm
[Вт/м2],
(5)
где ε - коэффициент излучательной способности объекта; (ε − 1) - коэффициент
отражательной способности сторонних объектов; τ - коэффициент пропускания
атмосферы; Tobj - температура объекта; Trefl - температура сторонних объектов; Tatm температура атмосферного воздуха.
При ИК-диагностике на открытом воздухе, что характерно при обследовании
современных строительных конструкций, основным источником погрешности могут
являться прямая и отраженная солнечная радиация, а также рассеянное излучение и
излучение источников искусственного освещения. В помещении такими источниками
являются рассеянный и отраженный свет от окружающих объектов и светильников.
Влияние отраженного света тем больше, чем меньше излучательная способность
объекта. Солнечная радиация нагревает контролируемый объект и при наличии
участков (узлов) с хорошей отражательной способностью создает впечатление о
наличии высоких температур в местах измерения (см. рис. 4.б). Обследуемые
поверхности должны находиться вне зоны прямого солнечного облучения не менее чем
в течение трех часов до проведения съемки. Для исключения значительного перепада
температур необходимо прогревать соседние помещения, чтобы избежать ошибок
первого и второго рода (см. рис. 4. а).
90
26,0°C
26
22,0°C
22
24
20
22
18
20
16
18
14
16
а)
12
12,0°C
б)
15,0°C
Рис.4. Термограммы показывают:
а) наличие дефекта в зоне примыкания к неотапливаемому помещению (зеленый цвет),
б) наличие светопрозрачной конструкции в зоне прямого солнечная облучения не дает
возможности проведение обследования данным методом.
Дождь, туман, мокрый снег в значительной степени охлаждают поверхность
объекта, измеряемого с помощью ИК-прибора, и в определенной мере рассеивают
инфракрасное излучение каплями воды. Инфракрасный контроль допускается
проводить при небольшом снегопаде с сухим снегом или легком моросящем дожде.
В течение всего срока подготовки к проведению обследований в выбранных
помещениях не должны проводиться работы, которые могут повлиять на результаты
обследования (монтаж и регулировка входных дверей и светопрозрачных конструкций,
влажные работы и т. п.). Обследуемые ОК должны быть максимально доступны для
тепловизионной и фото съемки и не находиться в зоне прямого солнечного облучения.
Актуальность проведения тепловизионного обследования для обеспечения
контроля качества тепловой изоляции зданий и сооружений, как одного из
приоритетных направлений энергосбережения, несомненна. Важно помнить, что
достоверность анализа полученных результатов (термограмм), а соответственно
распределение тепловых полей (в том числе наличие тепловых потерь) невозможна без
учета факторов, влекущих за собой погрешность результатов измерений. В связи с этим
учет приведенного в данной работе перечня факторов, влияющих на искажение
изображений тепловых полей, полученных с помощью тепловизора, становится
необходимым требованием при тепловизионном обследовании.
1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий – М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП,
2004. – 47 с.
2. ГОСТ 26629-85 Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества
теплоизоляции ограждающих конструкций – М.: Издательство стандартов, 1986. –
10 с.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.:
Логос, 2004. – 473 с.
4. ГОСТ 26254-84 Здания и сооружения. Методы определения сопротивления
теплопередаче ограждающих конструкций – М.: Издательство стандартов, 1994. –
19 с.
5. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий – М.: ФГУП ЦПП, 2004 –
252с.
6. Руководство по эксплуатации тепловизора TermaCam P25 TM, 2004. – 182с.
91
92