logo logo

Применение термографии для энергетического обследования зданий и сооружений

РЕЙНО ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ, старш. науч. сотрудник,
ШЕРСТОБИТОВ МИХАИЛ ВАЛЕНТИНОВИЧ,
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН,
634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1

В статье широко рассмотрены практические вопросы применения инфракрасных методов для энергетического обследования зданий, также указано на типичные ошибки пользователей тепловизоров и пирометров. В работе даны рекомендации, направленные на снижение погрешностей при измерении абсолютных значений температур поверхности ограждающих конструкций в сочетании с измерением тепловых потоков. Статья может быть полезна инженерам энергетического и жилищно-коммунального хозяйства, студентам, специалистам в области энергосбережения. В статье аккумулирован многолетний опыт авторов в области применения инфракрасной техники.
Ключевые слова: термография, энергосбережение, тепловизоры, инфракрасное излучение, коэффициент излучения материалов, спектральный диапазон, тепловое излучение.

Введение в проблему

Известно, что все физические тела, температура которых отлична от температуры абсолютного нуля (-273 °С), излучают во всем спектре электромагнитные колебания. А тепловизоры, посредством которых производится термография, – это приборы, которые позволяют дистанционно регистрировать и визуализировать инфракрасное (ИК) или тепловое излучение тел в диапазоне длин волн от 1,5 до 20 мкм и более (для сравнения, человеческий глаз видит только в диапазоне от 0,4 до 0,76 мкм). Тепловизоры градуируют и поверяют в единицах температур по эталонным излучателям. Тепловизор – прибор пассивный, он только принимает и регистрирует излучение от объекта, но даже при морозной погоде интенсивности теплового излучения здания достаточно для того, чтобы получить температурную карту поверхности его ограждающих конструкций.
Применение термографии для поиска и регистрации тепловых аномалий ограждающих конструкций известно давно, первые примеры появились практически спустя несколько лет после создания и появления первых тепловизионных приборов в начале 60-х годов. Громоздкость и несовершенство тепловизоров того времени многие годы сдерживало их широкое применение на практике. Но громадный рост тарифов на потребление энергоресурсов и появление на рынке современных тепловизоров с великолепными техническими характеристиками побудило специалистов ЖКХ и ТЭК к широкому внедрению в практику тепловизионного обследования как составной части полного энергетического обследования предприятий, а также при составлении энергетических паспортов. Этому немало способствовало создание и совершенствование законодательной базы РФ и регионов [4] в рамках проблемы «Энергосбережение», принятие в последние годы ряда законов, руководящих материалов.

Возможности и недостатки термографического метода определения дефектных мест ограждающих конструкций и уровня их теплопотерь

Тепловизионная диагностика характеризуется высокой информативностью, это бесконтактный дистанционный метод определения температур поверхности, так как сразу по всему полю зрения прибора регистрируется более 20 тысяч температурных точек только в одном кадре.
Набор объективов позволяет снимать тепловую картину объекта с высоким пространственным и температурным разрешением. Стандартный тепловизионный объектив для наружных измерений имеет поле зрения около 20°, а с объективом 40 или 60° удобно производить регистрацию в стеснённой обстановке внутренних помещений, не увлекаясь при этом углами визирования, далёкими от нормали. Применение телеобъектива с полем зрения 2-3° позволяет снимать верхние этажи зданий, дымовые трубы и другие отдалённые сооружения. Обычно калибровка тепловизоров по температуре производится в нескольких температурных диапазонах, перекрывая область от -20 °С до +1500 °С, встречаются аппараты и с более широкими возможностями. Погрешность измерений тепловизором температуры в абсолютных значениях обычно не превышает ± 2 % в указанном для данного прибора диапазоне температур. Это обусловлено тем, что амплитуда тепловизионного видеосигнала для тепловых приёмников зависит от температуры в четвёртой степени, а для фотонных приёмников зависимость температура – сигнал определяется третьей степенью. Широкий динамический диапазон изменения электрического сигнала накладывает ограничения и вызывает нелинейные преобразования при оцифровке аналогового сигнала, что и приводит к такому значению величины погрешности. Следует учесть, что величина температурной погрешности имеет зависимость и от s – коэффициента излучения строительных материалов в инфракрасной области, это особенно сказывается при значениях s < 0,8. Современные тепловизоры имеют температурную чувствительность не менее 0,05 °С, а их пространственное разрешение в режиме инфракрасного микроскопа достигает 60 мкм. Итак, с помощью тепловизора мы можем получить температурную карту фрагмента внутренней или внешней поверхности здания. Например, для тепловизора Inframetric-760, судя по заявленным производителем техническим характеристикам, при проведении обследования в диапазоне 20 °С, погрешность абсолютных измерений температуры не превысит ± 0,2 °С. Конечно, это при условии, что коэффициент излучения поверхности близок к единице и температурный дрейф прибора незначителен. Тепловизор во время измерений необходимо проверять на наличие температурного дрейфа. Для этого после регистрации термограмм фасадов следует вернуться к начальному ракурсу измерений и сделать повторный тепловой снимок, с тем чтобы в процессе последующей обработки данных корректировать значения средних температур по стене. Температурный дрейф показаний присущ всем тепловизорам, так как во время работы электронных компонентов прибора происходит выделение тепла, которое затем поглощается элементами оптического тракта и попадает в поле зрения детектора. Для уменьшения дрейфа, обусловленного остыванием тепловизора при наружных измерениях, рекомендуется выдержать прибор в течение получаса перед работой для принятия им температуры окружающего воздуха.

Влияние атмосферы при регистрации ИК-изображений, метеоусловий и дистанции. Выбор критерия определения и классификации дефектов

Как известно, термограмма представляет собой условное цветное изображение фрагмента температурного поля поверхности здания. В левой части термограммы обычно приведена цвето-температурная шкала, характеризующая диапазон измеренных температур и соотношение температура – цвет. Например, если на шкале приведено 20 цветов (т. е. мы имеем 20 изотерм), а диапазон измеряемых температур установлен от 0 до 10 °С, это означает, что каждому цвету соответствует перепад температур в 0,5 °С.
В процессе обработки на зарегистрированных термограммах указывается средняя температура характерных зон конструкций и зон дефектов, в таблицах к термограмме приводятся величина перепада температуры поверхности стены или окна в зонах по отношению к наружному воздуху (превышение температуры). Как известно, величина перепада температур прямо пропорциональна тепловому потоку с поверхности ограждающей конструкции. Величина пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи поверхности (а) [1]. Учитывая вышесказанное, введём понятие критерия дефектности, то есть какие, по нашему мнению, тепловые зоны можно отнести к аномальным и с каким перепадом температур они могут считаться дефектными.
Под дефектом нами понимается такой участок поверхности, на котором превышение температуры в 1,5 раза выше зарегистрированного в среднем по стене или аналогичного участка по благополучной области конструкции. То есть тепловой поток в области дефекта более чем в 1,5 раза выше среднего. Если мы обратимся к литературе, то такой же примерно подход к выбору критерия дефектности описан в [2, с. 171-174, формулы (6.4)-(6.7)]. В результате анализа термограмм и работы с технической документацией на здание определяются дефекты конструкций. Например, это могут быть дефекты в укладке теплоизоляции стен, брак в герметизации панельных стыков, трещины стен, вызывающие инфильтрацию воздуха, негерметичные примыкания дверных и оконных коробок и т. п.
На точность измерений и достоверность полученных результатов влияют:

  1. ветер и его направление. При скорости ветра уже 5 м/с превышения температуры наружных поверхностей уменьшаются в 2 раза [6];
  2. температурный напор здания, (рекомендуемый перепад температур не менее 15 °С);
  3. дистанция до обследуемой поверхности. Здесь возникает два аспекта проблемы:, с ростом дистанции падает пространственное разрешение, а, начиная с 50 метров, существенным становится влияние атмосферы на ослабление тепловизионного сигнала, особенно в диапазоне 3-5 мкм;
  4. наличие паразитных засветок от солнца и других источников тепла, или, например, переотражение от соседних зданий или угловых фасадов.

Обычно результаты тепловизионных измерений оформляются в виде отдельного параграфа энергетического обследования, включающего в себя протокол измерений [2], заключение и приложения (цветные термограммы). На каждой странице к термограмме необходимо прилагать электронное фото фрагмента здания с указанием местоположения термограммы. Удобно использовать архивную тепловизионную информацию в электронном виде для сравнения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций зданий до и после ремонта, в разных по времени отопительных сезонах.

Спектральные характеристики

Сегодня на рынке в основном предлагаются тепловизоры, работающие в окнах прозрачности атмосферы в диапазоне 3-5 мкм или 7-12 мкм, те и другие годятся для наших целей. Рассмотрим их аппаратные особенности. При равной температурной чувствительности (не хуже 0,1 °С) тепловизоры спектрального диапазона 3-5 мкм более тщательно в деталях прорисуют мелкие элементы фасадов: переплёты окон, температурные швы, кирпичную кладку, так как дифракционное разрешение оптического тракта в этом спектре выше в 2 раза, чем в диапазоне 7-12 мкм. В диапазоне 3-5 мкм также наблюдается повышенный тепловой контраст ИК-изображения, и он более пригоден для регистрации высокотемпературных объектов, таких как топки, пламя и прочее, но при работе на дистанциях уже свыше 10 метров в спектральном диапазоне 3-5 мкм на прохождение тепловых волн скажется влияние паров воды и углекислого газа вследствие поглощения и рассеяния инфракрасного излучения. Для длин волн 7-12 мкм при обычном состоянии атмосферы фактор ослабления излучения от объектов следует учитывать при дистанциях только свыше 100 метров, приборами этого спектрального диапазона предпочтительнее проводить термографию верхних этажей зданий, обследовать состояние дымовых труб. Кроме того, в современных тепловизорах с таким рабочим спектром используются неохлаждаемые болометрические матрицы, поэтому не требуется дополнительной энергии на охлаждение фотоприёмной матрицы и уменьшаются габариты тепловизора. На регистрацию тепловой картины фасадов в диапазоне длин волн 7-12 мкм меньше влияет солнечная засветка фасадов, так как в этом спектре регистрируется примерно 22 % всей энергии излучения от окружающих предметов, в то время как в диапазоне 3-5 мкм эта доля всего 1,6 %, но из этого не следует, что процесс измерений можно проводить в дневное время.

Расчет величины принимаемой энергии для ИК-диапазонов.
Оценка влияние коэффициента излучения обследуемой поверхности

Проведем расчеты, которые проиллюстрируют соотношение плотностей энергии в выбранных спектральных диапазонах и позволят судить о температурном ходе величины принимаемой тепловизором энергии. В двух наиболее распространенных ИК-диапазонах рассчитаем значения плотности энергии, для этого нужно проинтегрировать формулу Планка для E (X, Т) – спектральной плотности энергетической светимости [5]:
(1)
Введя две константы, С1 и С2, где С1 =(2)
интеграл можно записать в следующем виде [2]:
(3)
Расчет энергии излучения в спектральном интервале произведем с помощью программы Mathcad. Температура вводится в качестве параметра. Результаты расчета представлены в табл. 1. Температурный диапазон охватывает наиболее распространенные случаи применения тепловизоров для обследования ограждающих конструкций как снаружи, так и изнутри здания.
Из табл. 1 видно, что плотность энергии в «среднем» ИК-диапазоне от 26 раз при -15 °С и до 12,5 раза при +20 °С меньше, чем в «дальнем» ИК- диапазоне. Здесь и далее мы имеем в виду только энергетический аспект проблемы, в последнем столбце D приведены значения для случая полного пере-
хвата всех длин волн. Для точных расчетов необходимо учесть еще ряд факторов: характеристики используемого приемника и оптического тракта системы, спектральное ослабление сигнала атмосферой и спектральные характеристики излучающего объекта. Также из табл. 1 следует, что в диапазоне длин волн 3,5—5,5 мкм ошибка в определении коэффициента излучения (s) на величину 0,039 при условиях наружного тепловизионного обследования (-5 °С…-15 °С) и на 0,032 при условиях внутреннего тепловизионного обследования +15 °С приводит к температурной погрешности в 1 °С, а в диапазоне 8-12 мкм к той же погрешности в 1 °С приведет ошибка в определении (s) в 0,02 и 0,017 соответственно. Иными словами, при температурных измерениях «дальний» ИК- диапазон чувствительнее в два раза к точности определения s по сравнению со «средним» диапазоном.
Таблица 1

t, °С

Плотность энергии излучения в спектральном интервале E (Вт/м2)

B (3,5-5,5мкм)

C (8-12мкм)

D (0-<»)

15

7,3

99,6

390,1

10

6,1

91,1

363,7

5

5,0

83,0

338,7

0

4,1

75,4

314,9

-5

3,4

68,3

292,5

-10

2,7

6,6

271,3

-15

2,2

55,4

251,2

Определим превышение температуры воздуха (в) к обследуемой поверхности (tH):
Величина превышения температуры является основным параметром для оценки качества теплозащитных свойств конструкций, так как эта величина прямо пропорциональна потоку тепла, проходящему через конструкцию. Отношение At благополучного участка поверхности к At участка с повышенным значением (tH) позволяет судить об отнесении участка к дефекту либо нет.
Однако «впрямую» тепловизором не удается измерить (в) температуру воздуха, так как (е) излучательная способность воздуха не превышает значения 0,05, поэтому всегда для этих целей выбирается реперный объект, поверхность которого используется для привязки показаний тепловизора к температуре воздуха (в). В случае привязки к температуре воздуха по тому же материалу, что и обследуемая поверхность (например, по выступающему участку стены, бетонной плите балкона и т. п.), имеющему ту же е, что и обследуемые участки конструкций (рис. 1 и 2 в табл. 2), можно записать следующее выражение:
Таблица 2

Рис. 1

  1. - участок привязки к tв с параметрами Ев и е
  2. - благополучный участок с параметрами tn1, Е1 и е
  3. - аномальный участок с повышенной температурой с параметрами tH2, Е2 и е

Рис. 2

  1. - участок привязки к tв с параметрами Ев и е2
  2. - благополучный участок с параметрами tв, Е1 и е1
  3. - аномальный участок с повышенной температурой с параметрами tH2, Е2 и е1

Здесь AE1 и AE2 – разность плотностей энергии излучения между благополучным участком и реперным, и участком с повышенной (tH) с реперным соответственно. Под f подразумевается калибровочная функция тепловизора.
(4)
В этом случае точность оценки At1/ At2 зависит только от нелинейности f так как значения е для указанной поверхности одинаковы. Расчеты показывают, что для практического использования в случае небольшого размаха температур (20-30°) нелинейностью калибровочной функции можно пренебречь. Иными словами, при этой схеме определения превышений температур значения е практически не влияют на точность расчетов. По такой схеме и рекомендуем проводить тепловизионное обследование поверхностей.
Погрешность тепловизионных измерений абсолютных значений температуры поверхности весьма велика и составляет ± 2 %. Но, если вы с помощью тепловизора регистрируете только перепады температур At по поверхности, то в этом случае погрешность измерений практически ограничивается только температурным разрешением прибора и составляет не более 0,1°. Вот почему важно при обработке тепловизионной информации и вычислении параметров работать на перепадах и превышениях температур.
Не всегда удается осуществить привязку к tв по тому же материалу, что и обследуемый участок конструкции. В этом случае следует выбрать объект с е, близким к обследуемой поверхности, например, поверхность ствола растущего рядом дерева, заранее выставленный картонный ящик, зарегистрировать его совместно с обследуемой поверхностью (рис 3) либо, не меняя установок тепловизора, зарегистрировать реперный объект отдельно. В этом случае соотношение At1/At2 имеет вид:
(5)
То есть ошибка в определении At1/ At2 зависит от разницы е1 и е2. Так, например, различие на 0,01 значений е1 и е2, изменит числитель и знаменатель соотношения At1/ At2 примерно на 0,3 и 0,5°, для «среднего» и «дальнего» ИК- диапазона соответственно (см. табл.1), что обязательно необходимо учитывать при составлении реестра дефектов.

Влияние применения тепловизионных методов обследования от геометрии съемки, погодных условий с учётом теплоустойчивости зданий

К термографическим измерениям наружных ограждающих конструкций следует приступать не ранее 2 часов после захода солнца, чтобы исключить влияние паразитного солнечного нагрева поверхности. Результаты измерений получаются более достоверными, если они проводятся согласно ГОСТ 26629-85 [3] при погодных условиях, характеризующихся слабыми температурными изменениями в течение недели (не более 3 °С), малым уровнем осадков и в безветренную погоду. Это особенно важно для зданий с высокой теплоустойчивостью. Если проводится обследование современных легких каркасных конструкций с малой теплоустойчивостью, то достаточно отсутствия ветра и солнечной засветки.
Проведение термографии ограждающих конструкций изнутри здания более информативно и более достоверно. Однако в этом случае необходимо учитывать влияние потоков теплого воздуха, восходящих от приборов отопления. Всегда следует помнить, что тепловизор – это оптический прибор, и тепловые лучи обладают всеми свойствами привычного для нас видимого оптического излучения. Поэтому проводить измерения необходимо, по возможности, перпендикулярно поверхности. Так, например, при больших углах визирования, особенно верхних этажей, температурное поле термограммы будет искажено холодным фоном неба, отражённого от стен здания (рис. 3). При тесной застройке вы можете зарегистрировать отражённое тепловое излучение от соседнего более теплого углового здания и получить искаженную термограмму (рис. 4). Особенно ярко проявляются отражённые изображения людей и фрагментов зданий в остеклении витрин. Толстое витринное стекло имеет повышенные отражающие свойства из-за наличия в его составе солей металлов. Если на ограждающих конструкциях есть места с протечками воды, то на термограммах эти зоны могут смотреться по разному: либо как захоложенные вследствие интенсивного испарения влаги, либо тёплыми вследствие высокой теплопроводности (см. термограмму рис. 5). Отслоения штукатурки тоже себя проявят как зоны с температурой окружающей среды. Строительные и иные конструкции, подверженные динамическим нагрузкам, например пролёты мостов, проявят себя на термограммах изменчивостью температурных полей, но при статических нагрузках таких изменений не наблюдается.
теплая зона - отражение кровли перехода здания
Рис. 3. На термограмме (слева) в окне наблюдается теплая зона – отражение кровли перехода здания в корпусе основного строения. Фото – справа

Увлажненный изнутри участок в ванной комнат при тепловизионном обследовании здания
Рис. 4. Увлажненный изнутри участок в ванной комнате проявляется снаружи как дефект
геометрические искажения при тепловизионном обследовании здания
Рис. 5. На термограмме видны геометрические искажения из-за применения широкоугольного объектива, виден «завал» температуры по панелям здания, который обусловлен увеличением угла визирования при съёмке. Все верхние этажи кажутся более холодными из-за переотражения в них излучения неба
В условиях слабого дождя или снегопада используется защитная бленда, например, из картона, которую надевают на объектив. При обследовании каждый раз перед работой прибору дается 20-30 минут, чтобы он мог принять температуру окружающей среды. Таким образом уменьшается температурный дрейф и снижается ошибка измерений. Во избежание запотевания оптики и осаждения конденсата на электронных узлах прибора следует соблюдать последовательность в проведении работ: сначала проводятся измерения внутри помещений, а затем – на улице.

Тепловизионный как основной практический метод в сочетании с дополнительными тепломерными измерениями

Для получения количественной картины теплозащитных свойств конструкций здания необходимо использовать измерители тепловых потоков после просмотра зарегистрированных термограмм. Чтобы установить правильно датчики тепломеров в нужных местах, необходимо ясно представлять расположение дефектных областей. Измерив значения тепловых потоков по элементам конструкций и получив с помощью тепловизора значения превышения температур, следует провести вычисления согласно [1] и сделать оценки величин приведенного сопротивления теплопередаче (Ro) на основе полученных данных. Именно сделать оценки, так как здание находится в эксплуатации в нестационарных условиях, а точные значения Ro можно получить толь
ко в строго контролируемых условиях, в специально аттестованных климатических камерах, да и то только отдельных элементов конструкций.

Тепловизор в качестве радиометра

У дорогостоящих тепловизоров исследовательского класса есть режим измерения интенсивности ИК-излучения от объектов, при котором величина электрического тепловизионного видеосигнала прямо пропорциональна интенсивности свечения наблюдаемого объекта. В этом режиме каждому пикселу термограммы соответствует значение сигнала в кодах АЦП. Таким образом, измеряя интенсивность излучения объекта, фоновое излучение окружающей среды и эталонного источника (АЧТ), можно рассчитать коэффициенты излучения, отражения и пропускания наблюдаемого объекта. Для подобных измерений выбираются достаточно протяжённые объекты, причем в спектральном диапазоне применяемого тепловизора искомые коэффициенты считаются константами. То есть практически мы имеем дело с измерением оптических характеристик «серого» тела.

Метод опорного источника коэффициента излучения

Установите эталонный источник излучения с известным коэффициентом излучения (е0) в поле зрения тепловизора, в одной плоскости с мишенью, т. е. с вашим образцом строительной конструкции. Обеспечьте одинаковую температуру поверхностей эталона и мишени после их нагрева немного выше температуры окружающей среды. С помощью алюминиевой фольги, наклеенной на картон, изготовьте отражающий экран и поместите его в плоскость мишени. Экран послужит для определения уровня фонового излучения от окружающей среды. Проведите измерения интенсивностей уровня фона, мишени и эталонного источника. При измерении уровней излучения выбирайте достаточно большую площадку соответствующего объекта, проводя усреднение по ней величины сигнала. Вычислите коэффициент излучения мишени (е), используя уравнение
(6)
где ио – величина сигнала эталонного источника; им – величина тепловизионного сигнала от мишени; Uф – величина уровня фона.
Все измеряемые значения должны быть в кодах АЦП или в других одних единицах. Для повышения точности используйте среднее значение нескольких измерений.
Подобная схема измерений применима и для полупрозрачных мишеней, и для других тестов. Таким образом, с помощью дополнительных тепловизионных измерений можно получить более достоверное значение коэффициентов излучения строительных конструкций в этом конкретном инфракрасном диапазоне и тем самым уменьшить погрешность вычислений.
Если тепловизор или пирометр используется для измерений систем отопления, теплотрасс, котлов, то в этом случае, учитывая вышесказанное, необходимо помнить, что достоверную температурную карту можно получить только для окрашенных металлических конструкций любой краской, но без добавления в краску металлических порошков. Металл слабо излучает в ИК-области длин волн, и к тому же для цилиндрических поверхностей из неокрашенного или оцинкованного металла индикатриса излучения имеет сложную форму, на такие участки для приближения коэффициента излучения s к значению «1» перед измерениями лучше наклеить любую полимерную плёнку (скотч), покрасить или нанести тонкий слой смазки «литол».

Выводы

Для энергетического обследования зданий и сооружений предпочтительнее использовать тепловизор в диапазоне 8-12 мкм. Термографирование ограждающих конструкций желательно производить при следующих условиях: перепад температуры уличной к помещению не меньше 20 °С, измерения проводятся в темное время суток, предутренние часы, а также в осенне-зимний период года, при ветре не более 5 м/с, угол визирования обследуемой поверхности до 45° от нормали к ней, поле зрения используемого объектива не более 20°, дистанция до обследуемой поверхности до 50 м. Снаружи здания термографию проводить для качественного обследования, а изнутри – по зарегистрированным дефектам проводить количественные оценки, обязательно включая измерения тепловых потоков тепломерами. Необходимо перед термографированием выдерживать тепловизор 30 мин на улице, а при внесении тепловизора в теплое помещение укрыть его теплоизолятором для предотвращения запотевания оптических деталей. При низких значениях излучательной способности обследуемых поверхностей (ниже 0,7) следует отказаться от термографирования либо наклеить маркеры из изоленты, «скотча», либо использовать радиометрическую функцию и измерить коэффициенты излучения поверхности с последующей коррекцией значений температуры поверхности.

Библиографический список

  1. СНиПII-3-79*. Строительная теплотехника / МинСтрой России. – М., 1995.
  2. Дроздов, В.А. Термография в строительстве / В.А. Дроздов, В.И. Сухарев. – М. : Строй- издат, 1987.
  3. ГОСТ 26629-85. Методика тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций.
  4. Закон РФ «Об энергосбережении» № 28-Ф3 от 03.04.96.
  5. Госсорг, Ж. Инфракрасная термография / Ж. Госсорг. – М. : Мир, 1988.
  6. Вавилов, В.П. Тепловой контроль. Серия справочников. Т. 5. Неразрушающий контроль / В.П. Вавилов. – М. : Машиностроение, 2004. – 370 с.
Метки материала: ,

Похожие материалы:

bottom