ООО Архитектурная Производственная Компания

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРИМЕРЕ КЛАДКИ ИЗ ПЕНОБЕТОННЫХ БЛОКОВ

Ю.Д. Cосин, В.А. Титаев, В.Н. Лавров

Статья опубликована в издании «Материалы международной научно-практической кон-ференции «Пенобетон-2007» (Санкт-Петербург 19-21 июня 2007 г.). – СПб: ПГУПС, 2007. – С.99-107.»

В докладе рассматриваются вопросы теплотехнического обследования наружных ограждающих конструкций зданий (на примере кладки из пенобетонных блоков) с при-менением тепловизионной техники. Описана методика, позволяющая проводить обсле-дования в реальных температурных условиях, которые могут отличаться от стационар-ных, и получать количественные оценки теплотехнических характеристик ограждающих конструкций в зимний период. Приведены данные лабораторных исследований, обосно-вывающие возможность проведения подобных обследований в летний период С введением СНиП II-3-79* [1] повысились требования к теплозащите наружных ограждений зданий. Без использования эффективного утеплителя сегодня практически невозможно обеспечить выполнение современных тре-бований по энергосбережению. Применение пенобетона в качестве элемента ограждающих конструкций позволило эффективно решить задачу энерго-сбережения зданий. В силу того, что пенобетон является конструкционным материалом, в современном гражданском строительстве данный материал используется в качестве основного, образующего наружную стену. Брак, допущенный при производстве строительно-монтажных работ, а иногда и ошибки проектировщиков, приводят к дефектам в ограждающих конструкциях, что отрицательно сказывается на теплотехнических, и как следствие, прочностных свойствах наружных стен. В связи с этим вопросы контроля теплозащитных свойств ограждающих конструкций, в частности из пенобетона, в строящихся и реконструируемых зданиях являются сего-дня весьма актуальными. В соответствии с требованиями МГСН 2.01-99 [2] контроль теплотех-нических показателей ограждающих конструкций может осуществляться в натурных условиях, в лабораторных условиях с использованием климатиче-ских камерах, а также методами математического моделирования. Натурные испытания, которые обычно проводят по ГОСТ 26254-84 [3], дают наиболее реальную картину состояния отдельных конструкций, но в виду большой трудоемкости подобные испытания в последние годы прово-дятся крайне редко. Недостатком таких испытаний является сложность определения тепло-технических характеристик всех ограждающих конструкций здания, невоз-можность выделения всех дефектных участков. В связи с этим представляет интерес опыт комплексных теплотехнических испытаний, включающих применение современного тепловизионного оборудования, математического моделирования и элементов натурных исследований. Достоинствами такого подхода являются оперативность получения результатов, их наглядность, возможность оценки теплотехнического состояния ограждающих конструк-ций всего здания. Использование тепловизора позволяет оперативно проводить качест-венную оценку состояния теплозащиты зданий и сооружений. При количе-ственном контроле основная проблема заключается в том, что существую-щая нормативная база [3, 4, 5] рассматривает определение сопротивления теплопередаче только при стационарных условиях теплообмена, которые встречаются редко. При гармонически меняющихся температурах наружного и внутренне-го воздуха сопротивление теплопередаче, рассчитанное по известным фор-мулам стационарной теплопередачи, будет также меняться по гармониче-скому закону. Именно поэтому при одноразовом измерении теплового со-стояния поверхности наружных ограждений, без учета влияния нестацио-нарности, погрешности при оценке результатов испытаний могут превы-шать 100%. Но если известно сопротивление теплопередаче в реперной точке (R0), и распределение температур по исследуемой плоскости стены, то можно с заданной точностью определить сопротивление теплопередаче всех интере-сующих участков наружного ограждения. Задача определения сопротивления теплопередаче реперного участка решается посредством измерения температур и тепловых потоков, напри-мер, с помощью регистраторов «Терем-3» и «Терем-4» (Рис.1), и статисти-ческой обработкой результатов измерений. За оценку истинного значения сопротивления теплопередаче реперного участка (R0) примем среднее значение за время, кратное периоду колебаний наружных температур по (1):

Для определенности здесь используются результаты измерений на на-ружной поверхности реперного участка. При интервале измерений 30 ми-нут, n = 48, 96… В общем случае погрешность определения R0 может быть велика. Для уменьшения этой погрешности проведём корректировку путём отбра-ковки единичных значений , не удовлетворяющих условию (2):

Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будет выполняться ус-ловие (2). При такой отбраковке методическая погрешность определения сопротивления теплопередаче реперного участка уменьшается в 2…5 раз. При проведении натурных измерений погрешность определения сопротивления теплопередаче в реперной точке вычисляется по формуле (4):

Расчёт сопротивления теплопередаче интересующих участков ограждающей конструкции проводится методом термографической аналогии [6] по температурным полям, полученным в результате тепловизионной съём-ки, результатам расчёта сопротивления теплопередаче реперного участка и температурной «истории» по (5):

Время проведения тепловизионной съёмки выбирается из условия бли-зости наружной температуры к среднесуточной. Обычно это имеет место в 10…12 часов утра или в 22…24 часа вечера. Вечернее время предпочти-тельней по нескольким причинам. Во-первых, в это время на обследуемых конструкциях практически не остается следов дневного солнца, во-вторых, за время вечерней теплосъёмки изменение наружной температуры в 2…3 раза ниже, следовательно, и погрешности определения сопротивления теп-лопередаче ниже, в-третьих, утром обычно температура воздуха растёт, а вечером падает, при большой амплитуде суточных колебаний температуры (>=5С) и R0>=3.0 м2*С/Вт наблюдается инверсная картина – температура на поверхности стены становится ниже температуры воздуха, что при обработ-ке результатов требует дополнительных расчётов. Все это хорошо видно на рис.2. Приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций рассчитывается по формуле (6):

Критерием дефектности наружной ограждающей конструкции является снижение температуры на внутренней поверхности ниже точки росы при расчётных условиях. Для жилых зданий при tв=20С и ф=55% точка росы tрос=10.7С. Такая температура достигается при R0=0.59 м2*С/Вт, следова-тельно, участки наружной стены с меньшим сопротивлением являются про-блемными. При наружной тепловизионной съёмке выявляются все про-блемные участки. Детальное их обследование проводится изнутри, при не-обходимости на проблемном участке устанавливаются регистраторы темпе-ратур и тепловых потоков и определяется его сопротивление теплопередаче. По полученным данным более точно определяются характеристики про-блемных участков, и выясняется, являются ли они дефектными. Изложенный подход апробирован на десятках объектов и защищён па-тентом [7]. Он позволяет получать удовлетворительные результаты при оперативном контроле качества наружных ограждающих конструкций (Рис.3…6). На сегодняшний день применение изложенного метода обследования ограждающих конструкций ограничивается отопительным сезоном, когда создаётся естественный температурный перепад. В летнее время темпера-турный перепад можно создать искусственно, нагревая, например, тепло-выми пушками воздух в помещении до +30…+40 °С

Недостатком такого метода является невозможность обследования всей ограждающей конструкции здания. Обычно прогрев воздуха проводится в небольших помещениях с площадью наружных ограждений в сотни раз меньшей площади фасада здания. Такой метод обследования позволяет оп-ределить приведенное сопротивление теплопередаче типового фрагмента наружной стены, но обнаружить все теплотехнические дефекты конструк-ции невозможно. Однако и летом существуют естественные условия, позволяющие вы-полнять теплотехнические обследования ограждений зданий с применением тепловизионной техники. В условиях ясной солнечной погоды, фасады зданий подвержены ин-тенсивной солнечной радиации, при этом температура на наружной поверх-ности ограждающей конструкции может повышаться до уровня +40…+60°С. Температура на поверхности зависит от её коэффициента теп-лоусвоения, который в свою очередь зависит от теплотехнических свойств самого ограждения. Таким образом, зная изменения температуры наружной поверхности стены, можно делать вывод о её теплозащитных свойствах. Такой подход может быть использован для однослойных конструкций и конструкций, возможные дефекты которых находятся в слое резких коле-баний температуры (около 10% от толщины стены), например, ограждаю-щих конструкций с применением термофасадных систем. Для выявления закономерностей данного процесса в лабораторных ус-ловиях нами смоделированы условия, аналогичные интенсивному солнеч-ному облучению наружной конструкции в летний период. В качестве объекта исследования рассматривался пенобетонный обра-зец со средней плотностью 830 кг/м3 и неравномерной влажностью по объ-ему. Максимальная влажность (по массе) составляла 11 %, минимальная - 2%. Удельная теплопроводность, измеренная зондовым методом, составила 0.23 и 0.18 Вт/м°С, соответственно во влажной и сухой зоне. Облучение образца проводилось лампой накаливания мощностью 200 Вт. Температуры и тепловые потоки на поверхности образца измерялись многоканальным регистратором «Терем-4», термографирование проводи-лось ИК-камерой «ИРТИС». На рис. 7…8 показаны термограммы, соответствующие времени облучения 3 минуты и 25 минут. Результаты расчёта изменения температур на поверх-ности образца во влажной и сухой зонах представлены на рис.9. Как видно из представленных данных, перепад температур на участках образца с различными теплотехническими характеристиками, уже через 3 минуты достигает 0.3°С, а через 25 минут перепад составляет 0.7°С. Такие перепады легко фиксируются техническими средствами: термопарами, теп-ловизором. Данные эксперимента хорошо согласуются с результатами математиче-ского моделирования процесса теплопередачи. Моделирование выполнено с помощью программного комплекса ELCUT 5.4, реализующего метод конеч-ных элементов (разработчик ПК ТОР). В реальных летних условиях для географической широты Москвы мак-симальное значение суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации для вертикальной поверхности, ориентированной на запад, составляет 786 Вт/м2 [8], что на порядок превышает потоки, смоделированные в экспери-менте. Следовательно, и температурные контрасты будут выше (до 5°С) для пеноблоков с такими же характеристиками, как в эксперименте.

Для моделирования термофасадной системы, имеющей дефект в слое теплоизоляции, изготовлен образец, представляющий собой пенополисти-рольный блок с бетонным кубиком 10х10х10см в центре. Солнечная радиа-ция имитировалась так же лампой накаливания. На рис. 10 показана термограмма этого образца через 20 минут облуче-ния. Перепад температур на поверхности бетона и пенополистирола состав-ляет 2.8°С. Приведенные результаты указывают на принципиальную возможность количественной оценки теплотехнических свойств ограждающих конструк-ций при натурных испытаниях с применением тепловизионной техники в период с положительными температурами при отсутствии отопления.

Литература

СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника/Минстрой России. – М.:ГП ЦПП, 1996. – 29 с.
МГСН 2.01-99. Энергосбережение в зданиях. – М., 1999.
ГОСТ 26254-84. «Методы определения сопротивления теплопередаче ограж-дающих конструкций». – М., 1984.
ГОСТ 26629-85. «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ог-раждающих конструкций». – М., 1985.
ВСН 43-96. «Ведомственные строительные нормы по теплотехническим обсле-дованиям наружных ограждающих конструкций зданий с применением малогабаритных тепловизоров». – М., 1996.
Дроздов В.А., Сухарев В.И. Термография в строительстве. – М.: Стройиздат, 1987.
Патент на изобретение №2285915. Способ контроля теплозащитных свойств ограждающей конструкции. Опубликовано 20.20.2006 Бюл. №29.
СНиП 23-01-99. “Строительная климатология”. – М., 2003.