В связи с развитием энергосбере­гающих технологий в строительстве метод инфракрасной термографии приобретает второе дыхание. Адми­нистрации российских городов начали разрабатывать программы внедрения данного метода при диагностике стро­ительных конструкций, анализе теплопотерь и оценке степени теплоза­щиты зданий. В статье дан краткий обзор современного состояния строи­тельной тепловизионной диагностики, в основном на базе многолетнего опыта Томского НИИ интроскопии.

Об авторе

 

 

Вавилов Владимир Платонович 

Доктор технических наук, профес­сор, заведующий отделом тепловых методов контроля Томского НИИ интроскопии. Член Европейской Рабо­чей Группы «Евротерм» по инфракрасной термографии, сертифициро­ван Гэсстандартом РФ на III уровень по тепловым методам контроля.

 

 

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 PCMCI 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.

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. 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 ISO 6781-83.

В мировой практике строительная тепловизионная диагностика использует­ся с 60-х гг. Пионером строительной термографии была шведская фирма AGA (затем AGEMA Infrared Systems), которая в 1998-99 гг. слилась с американскими фирмами FLIR и Inframetrics, 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. Начало внедрения метода в России (бывшем СССР) также датируется 60-ми гг., когда фирма AGA 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, 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 N-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.

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.

Нормативная база 

В США, Швеции, Финляндии утверждены нацио­нальные стандарты и разработаны инструктивные указания (guidelines) по строительному тепловидению. В Европе действует стандарт ISO 6781-83, который вводит соответствующую терминологию и оп­ределяет самые общие положения. Репликой данного документа является ГОСТ 26629-85. 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. 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.

Оценка сопротивления теплопередаче

Сопротивление теплопередаче R является основной количественной характеристикой ограждающей конструкции:

 (1)

где α_ind и α_out- коэффициенты теплообмена соот­ветственно внутренней и наружной поверхностей с учетом конвективной и лучистой компоненты, R_t = d/λ- термическое сопротивление ограж­дающей конструкции (d - толщина стенки; λ - 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 R_t, 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. Расчетной формулой является:

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 пара метров, например, температуры , соответствуют 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.

Рис. 1. Тепловизионная диагностика в строительстве: а - дефектный угловой шов в кирпичном доме (∆Т= 2,5° С); б - панель с пониженной теплозащитой (∆Т= 1,0° С); в - угловой шов безде­фектной наружной и внутренних стен; г - дефектный угловой шов (∆Т= 5° С)

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. Типичное температурное поле дефектного углового шва в кирпичном доме показано на рис. 1а.

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 (рис. 1б).

 Более тщательный анализ дефектов строительства производят при осмотре внутренних помещений. Типичные термограммы бездефектного и дефектного углового шва изображены на рис. 1в, г.

Конечным результатом тепловизионного осмотра яв­ляется карта дефектов (рис. 2), которая составляется на ос­нове анализа как панорамных, так и отдельных термограмм.

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. 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. 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. Тем не менее, практическое ис­пользование тепловидения для предсказания разрушения зданий, в особенности при работающей в здании системе отопления, остается проблематичным и требует фундаментальных исследований.

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 РСМС1 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.

Рис. 2. Панорамная термограмма торцевого фасада панельного жилого дома с многочисленными дефектами швов (а) и карта обнаруженных дефектов (б) 

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.