Инспекция теплозащитных свойств оболочек зданий
Важнейшей функцией оболочек зданий является изоляция помещений от теплового воздействия внешней среды. Комфортная или требуемая температура внутри сооружения и величина затрачиваемой энергии для ее поддержания зависят от сопротивления теплопередаче его оболочки — R. В развитых странах для характеристики качества здания, оценки его стоимости (при страховании, продаже), при обслуживании, по завершении строительных работ, реконструкции обязательно проводится тепловизионное обследование (термография) его оболочки. Также выполняются теплотехнические измерения для того, чтобы установить фактическое значение R.
Термография наружной поверхности стен и кровель домов — "дело тонкое", и даже чисто качественное описание ее результатов требует высокой квалификации. Достаточно обратить внимание на то, что тепловое изображение, во-первых, изменяется со временем, "горячие" и "холодные" участки могут появляться, исчезать и даже меняться местами, а во-вторых — содержит фиктивные аномалии, значительно превышающие неоднородности реальной температуры поверхности зданий и сооружений. В этой же статье речь пойдет о том, как определяют величину сопротивления теплопередаче элементов ограждающих конструкций здания путем натурных измерений и что необходимо сделать во избежание серьезных ошибок. Этот вопрос является довольно простым, но почему-то даже его не могут корректно решить фирмы, занимающиеся теплотехническими обследованиями, энергоаудитом. Цель статьи — помочь заказчикам подобных работ не тратить денег впустую и не оказаться обманутыми, уметь объяснить исполнителям и надзорным органам, почему получаемые результаты являются неправильными.
Определение сопротивления теплопередаче элементов оболочки зданий в естественных условиях выполняют по утвержденным методикам. Я внимательно изучал такие методики разных фирм, и они оставили весьма гнетущее впечатление. Пожалуй, наиболее сильной их стороной является то обстоятельство, что они ссылаются и используют ГОСТ 26254-84 "Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций". На него я и буду ссылаться (моя методика не имеет общего доступа). Похожая, но гораздо более толковая технология измерений и обработки результатов изложена в американском стандарте ASTM C1155-95(2001) "Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building Envelope Components from the In-Situ Data". В нем даже сказано, что желательно выполнять расчет нестационарного температурного поля ограждающей конструкции.
Способ измерений и расчета величины сопротивления теплопередаче очень прост. В течение длительного времени — t — измеряют плотность теплового потока с поверхности оболочки — q(t) — и температурный напор — DТ(t) (разность температур воздуха внутри помещения и атмосферного воздуха). Сопротивление теплопередаче вычисляют как отношение среднего температурного напора к средней величине плотности теплового потока: R = DТ/q. В указанном ГОСТе и прочих методиках (например, у "ВЕМО", Москва) предлагается также измерять температуру поверхности оболочки, скорость ветра, влажность и прочие параметры воздуха, чтобы определить коэффициенты теплоотдачи. В этом нет смысла. Та часть R, которая обусловлена теплоотдачей с сухой поверхности ограждающей конструкции, во-первых, реально изменяется в пределах 0,05 °Км2/Вт, что существенно меньше погрешности измерения, и, во-вторых, довольно быстро изменяется. Реализация способа "средних значений" для определения R требует много времени и большой величины температурного напора. Последнее означает, что измерения можно выполнять только в холодное время года или же необходимо специально разогревать помещения. А сколько времени должны проводиться измерения, никто, похоже, даже и не представляет. В ГОСТ 26254-84 в п. 5.3. указано: "Продолжительность измерений в натурных условиях эксплуатации должна составлять не менее 15 суток". В других "модернизированных" методиках конкретная продолжительность измерений не указывается, но должна составлять не менее 1-3 суток и при необходимости, как и в ГОСТе, увеличиваться. Величина среднего температурного напора DТ определяется условием требуемой относительной погрешности вычисления сопротивления теплопередаче, которая связана с аппаратурной погрешностью измерения средней плотности теплового потока dq = D/q, где D — абсолютная погрешность измерения плотности теплового потока (Вт/м2). Относительной погрешностью измерения DТ можно пренебречь. Тогда: dR = D/q = RDq/DТ.
При систематической аппаратурной погрешности D >3 Вт/м2 (для серийных приборов ИТП-11, ИПТПЦ и пр.), R = 3 °Км2/Вт и требуемой точности dR Ј 15% температурный напор должен превышать 60°С. Поэтому для определения R стен современных зданий в реальных условиях необходимо с гораздо большей точностью измерять плотность теплового потока. Помимо ограниченной точности измерений, существует также значительная погрешность, обусловленная природой теплопередачи, нестационарностью температурного поля ограждающих конструкций и непериодичностью колебаний температурного поля. Расчет в способе "средних значений" строится на том, что за достаточно долгое время все отклонения значений DТ(t) и q(t) от средних, стационарных величин взаимно компенсируются. Действительно, в том случае, если функции DТ(t) и q(t) являются периодическими, то средние за период значения температурного напора и плотности теплового потока будут равны также их стационарным величинам (для стационарного температурного поля при постоянном температурном напоре, равном DТ).
На самом деле метеорологические и суточные колебания температуры атмосферного воздуха не являются периодическими. Периодичность процесса теплопередачи нарушают также другие природные явления (солнечная радиация, ветер, испарение и конденсация влаги). Реальная непериодичность изменения температурного поля оболочки зданий, собственно, и вызывает необходимость измерения DТ(t) и q(t) в течение длительного времени и также требует довольно большой величины температурного напора. Теплозащитные ограждающие конструкции обладают значительной "тепловой инерцией". Необходимо длительное время для того, чтобы температурное поле преобразовалось под изменившиеся граничные условия (температуру воздуха). Это время релаксации зависит от температуропроводности (теплопроводность делить на плотность и теплоемкость) и толщины ограждающей конструкции. Для типичных теплозащитных стен зданий в качестве длительности релаксации достаточно принять 2-3 суток. На это время приходится 90% отличий величины плотности теплового потока или температуры поверхности стены от значений, соответствующих новым граничным условиям. Время релаксации можно назвать "переходным процессом" — временем, по прошествии которого "забывается" начальное условие или за пределами которого предшествующая история не влияет на температурное поле. Поэтому только по истечении времени релаксации плотность теплового потока q(t) будет соответствовать графику граничных условий — DТ(t) на интервале времени измерений. В зоне релаксации (2-3 суток) график q(t) будет отличаться от того, который был бы при периодическом процессе. Это отличие, которое и обуславливает природную погрешность определения сопротивления теплопередаче способами "средних значений", необходимо непосредственно рассчитывать на компьютере, чтобы определить реальную погрешность в величине R.
Такие расчеты для разных фактических "спокойных" графиков температуры атмосферного воздуха в течение 4-7 суток и постоянной температуры воздуха внутри помещения показали, что Dq — систематическое отклонение среднего значения плотности теплового потока в зоне релаксации от среднепериодического, равного стационарному — составляет от 0,9 до 2,8 Вт/м2 для теплового потока с внутренней стороны стены. Для теплового потока с наружной стороны стены Dq изменялось в пределах 1,4-4,5 Вт/м2. По окончании времени релаксации для такого же интервала времени дальнейшее среднее систематическое отклонение Dq не превышало 0,6 Вт/м2. Конечно же, погрешность Dq, обусловленная отличием функции DТ(t) от периодической, может быть различной в зависимости от природных условий. Кроме того, помимо непериодического изменения температуры атмосферного воздуха, дополнительную погрешность могут вызвать изменения других условий теплообмена.
Если расчеты Dq не осуществлены, то в качестве ожидаемой погрешности в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации можно использовать указанные выше максимальные величины. Для теплового потока, измеряемого с внутренней поверхности стен, Dq = 3 Вт/м2, для теплового потока с наружной стороны стены Dq = 5 Вт/м2. Реальная систематическая погрешность Dq может оказаться еще больше. Естественная относительная погрешность определения сопротивления теплопередаче, обусловленная непериодичностью функций граничных условий, dR будет тем меньше, чем больше длительность интервала измерений и температурный напор. Она равна: dR = tr•R•Dq/ (Dt•DT), где tr — время релаксации (сутки); Dt — интервал времени измерения графиков температуры воздуха и плотности теплового потока (сутки); Dq — систематическая погрешность в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации, Вт/м2; R — сопротивление теплопередаче, °Км2/Вт; DТ — средняя разность температуры воздуха (среды) с внутренней и наружной стороны ограждающей конструкции, °С. Так, чтобы определить R с точностью 10%, предоставляемой для погрешности "непериодичности", при DТ = 20°С, ожидаемой величине R = 3 °Км2/Вт, времени релаксации 2 суток и измерений плотности теплового потока изнутри необходимо осуществлять измерения в течение 9 суток. Если R = 3 °Км2/Вт, время релаксации 3 суток, DТ = 10°С, то надо измерять 27 суток. Погрешность "непериодичности" при измерениях изнутри в течение 3 суток, ожидаемой величине R = 3 °Км2/Вт, времени релаксации 3 суток, DТ = 20°С может составить 50% и более. Учитывая аппаратурную погрешность D измерения q(t) при весьма высокой точности в 1 Вт/м2 суммарная погрешность определения R может превысить 65%. Соответственно и результаты определения сопротивления теплопередаче, полученные по данным измерений за трое суток, можно заранее считать неправильными. То же самое относится и к ГОСТ 26254-84. Хотя там и предусмотрены измерения в течение 15 суток, но затем данные, полученные в интервалы времени, когда температура атмосферного воздуха отличалась от средней более, чем на 1,5°С, исключают. Общая продолжительность оставшихся "кусков" графиков DТ(t) и q(t) уже может составлять 1-3 суток. А расчет R по отдельным "коротким" кускам функций DТ(t) и q(t) будет характеризоваться очень большой погрешностью Dq. Исключение части результатов измерений в данном случае — это потеря информации, метафизическая манипуляция данными, причем с "выбрасыванием" далеко не "худших" значений.
Для адекватной обработки результатов измерений, расчета сопротивления теплопередаче и определения реальной ее погрешности, даже для способа "средних значений", необходимо вычислять нестационарное температурное поле элементов ограждающих конструкций для фактических граничных условий (температуры воздуха). Другой путь — осуществлять измерения в течение вполне достаточного времени — например, 27 суток. Расчет фактической погрешности определения сопротивления теплопередаче позволит установить реальное значение R, обеспечить и обосновать необходимую длительность измерений, оптимизировать выбор интервала измерений для вычисления R, а также оправданно и без ущерба для точности уменьшить необходимое время измерений (ориентировочно до 5-7 суток). Тем не менее, метод "средних значений" для определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций в натурных условиях останется весьма медленным и неприменимым при малом температурном напоре (менее 10°С).
Андрей ШИШКИН, к.т.н. Санкт-Петербург
Термография наружной поверхности стен и кровель домов — "дело тонкое", и даже чисто качественное описание ее результатов требует высокой квалификации. Достаточно обратить внимание на то, что тепловое изображение, во-первых, изменяется со временем, "горячие" и "холодные" участки могут появляться, исчезать и даже меняться местами, а во-вторых — содержит фиктивные аномалии, значительно превышающие неоднородности реальной температуры поверхности зданий и сооружений. В этой же статье речь пойдет о том, как определяют величину сопротивления теплопередаче элементов ограждающих конструкций здания путем натурных измерений и что необходимо сделать во избежание серьезных ошибок. Этот вопрос является довольно простым, но почему-то даже его не могут корректно решить фирмы, занимающиеся теплотехническими обследованиями, энергоаудитом. Цель статьи — помочь заказчикам подобных работ не тратить денег впустую и не оказаться обманутыми, уметь объяснить исполнителям и надзорным органам, почему получаемые результаты являются неправильными.
Определение сопротивления теплопередаче элементов оболочки зданий в естественных условиях выполняют по утвержденным методикам. Я внимательно изучал такие методики разных фирм, и они оставили весьма гнетущее впечатление. Пожалуй, наиболее сильной их стороной является то обстоятельство, что они ссылаются и используют ГОСТ 26254-84 "Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций". На него я и буду ссылаться (моя методика не имеет общего доступа). Похожая, но гораздо более толковая технология измерений и обработки результатов изложена в американском стандарте ASTM C1155-95(2001) "Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building Envelope Components from the In-Situ Data". В нем даже сказано, что желательно выполнять расчет нестационарного температурного поля ограждающей конструкции.
Способ измерений и расчета величины сопротивления теплопередаче очень прост. В течение длительного времени — t — измеряют плотность теплового потока с поверхности оболочки — q(t) — и температурный напор — DТ(t) (разность температур воздуха внутри помещения и атмосферного воздуха). Сопротивление теплопередаче вычисляют как отношение среднего температурного напора к средней величине плотности теплового потока: R = DТ/q. В указанном ГОСТе и прочих методиках (например, у "ВЕМО", Москва) предлагается также измерять температуру поверхности оболочки, скорость ветра, влажность и прочие параметры воздуха, чтобы определить коэффициенты теплоотдачи. В этом нет смысла. Та часть R, которая обусловлена теплоотдачей с сухой поверхности ограждающей конструкции, во-первых, реально изменяется в пределах 0,05 °Км2/Вт, что существенно меньше погрешности измерения, и, во-вторых, довольно быстро изменяется. Реализация способа "средних значений" для определения R требует много времени и большой величины температурного напора. Последнее означает, что измерения можно выполнять только в холодное время года или же необходимо специально разогревать помещения. А сколько времени должны проводиться измерения, никто, похоже, даже и не представляет. В ГОСТ 26254-84 в п. 5.3. указано: "Продолжительность измерений в натурных условиях эксплуатации должна составлять не менее 15 суток". В других "модернизированных" методиках конкретная продолжительность измерений не указывается, но должна составлять не менее 1-3 суток и при необходимости, как и в ГОСТе, увеличиваться. Величина среднего температурного напора DТ определяется условием требуемой относительной погрешности вычисления сопротивления теплопередаче, которая связана с аппаратурной погрешностью измерения средней плотности теплового потока dq = D/q, где D — абсолютная погрешность измерения плотности теплового потока (Вт/м2). Относительной погрешностью измерения DТ можно пренебречь. Тогда: dR = D/q = RDq/DТ.
При систематической аппаратурной погрешности D >3 Вт/м2 (для серийных приборов ИТП-11, ИПТПЦ и пр.), R = 3 °Км2/Вт и требуемой точности dR Ј 15% температурный напор должен превышать 60°С. Поэтому для определения R стен современных зданий в реальных условиях необходимо с гораздо большей точностью измерять плотность теплового потока. Помимо ограниченной точности измерений, существует также значительная погрешность, обусловленная природой теплопередачи, нестационарностью температурного поля ограждающих конструкций и непериодичностью колебаний температурного поля. Расчет в способе "средних значений" строится на том, что за достаточно долгое время все отклонения значений DТ(t) и q(t) от средних, стационарных величин взаимно компенсируются. Действительно, в том случае, если функции DТ(t) и q(t) являются периодическими, то средние за период значения температурного напора и плотности теплового потока будут равны также их стационарным величинам (для стационарного температурного поля при постоянном температурном напоре, равном DТ).
На самом деле метеорологические и суточные колебания температуры атмосферного воздуха не являются периодическими. Периодичность процесса теплопередачи нарушают также другие природные явления (солнечная радиация, ветер, испарение и конденсация влаги). Реальная непериодичность изменения температурного поля оболочки зданий, собственно, и вызывает необходимость измерения DТ(t) и q(t) в течение длительного времени и также требует довольно большой величины температурного напора. Теплозащитные ограждающие конструкции обладают значительной "тепловой инерцией". Необходимо длительное время для того, чтобы температурное поле преобразовалось под изменившиеся граничные условия (температуру воздуха). Это время релаксации зависит от температуропроводности (теплопроводность делить на плотность и теплоемкость) и толщины ограждающей конструкции. Для типичных теплозащитных стен зданий в качестве длительности релаксации достаточно принять 2-3 суток. На это время приходится 90% отличий величины плотности теплового потока или температуры поверхности стены от значений, соответствующих новым граничным условиям. Время релаксации можно назвать "переходным процессом" — временем, по прошествии которого "забывается" начальное условие или за пределами которого предшествующая история не влияет на температурное поле. Поэтому только по истечении времени релаксации плотность теплового потока q(t) будет соответствовать графику граничных условий — DТ(t) на интервале времени измерений. В зоне релаксации (2-3 суток) график q(t) будет отличаться от того, который был бы при периодическом процессе. Это отличие, которое и обуславливает природную погрешность определения сопротивления теплопередаче способами "средних значений", необходимо непосредственно рассчитывать на компьютере, чтобы определить реальную погрешность в величине R.
Такие расчеты для разных фактических "спокойных" графиков температуры атмосферного воздуха в течение 4-7 суток и постоянной температуры воздуха внутри помещения показали, что Dq — систематическое отклонение среднего значения плотности теплового потока в зоне релаксации от среднепериодического, равного стационарному — составляет от 0,9 до 2,8 Вт/м2 для теплового потока с внутренней стороны стены. Для теплового потока с наружной стороны стены Dq изменялось в пределах 1,4-4,5 Вт/м2. По окончании времени релаксации для такого же интервала времени дальнейшее среднее систематическое отклонение Dq не превышало 0,6 Вт/м2. Конечно же, погрешность Dq, обусловленная отличием функции DТ(t) от периодической, может быть различной в зависимости от природных условий. Кроме того, помимо непериодического изменения температуры атмосферного воздуха, дополнительную погрешность могут вызвать изменения других условий теплообмена.
Если расчеты Dq не осуществлены, то в качестве ожидаемой погрешности в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации можно использовать указанные выше максимальные величины. Для теплового потока, измеряемого с внутренней поверхности стен, Dq = 3 Вт/м2, для теплового потока с наружной стороны стены Dq = 5 Вт/м2. Реальная систематическая погрешность Dq может оказаться еще больше. Естественная относительная погрешность определения сопротивления теплопередаче, обусловленная непериодичностью функций граничных условий, dR будет тем меньше, чем больше длительность интервала измерений и температурный напор. Она равна: dR = tr•R•Dq/ (Dt•DT), где tr — время релаксации (сутки); Dt — интервал времени измерения графиков температуры воздуха и плотности теплового потока (сутки); Dq — систематическая погрешность в среднем значении плотности теплового потока на интервале релаксации, Вт/м2; R — сопротивление теплопередаче, °Км2/Вт; DТ — средняя разность температуры воздуха (среды) с внутренней и наружной стороны ограждающей конструкции, °С. Так, чтобы определить R с точностью 10%, предоставляемой для погрешности "непериодичности", при DТ = 20°С, ожидаемой величине R = 3 °Км2/Вт, времени релаксации 2 суток и измерений плотности теплового потока изнутри необходимо осуществлять измерения в течение 9 суток. Если R = 3 °Км2/Вт, время релаксации 3 суток, DТ = 10°С, то надо измерять 27 суток. Погрешность "непериодичности" при измерениях изнутри в течение 3 суток, ожидаемой величине R = 3 °Км2/Вт, времени релаксации 3 суток, DТ = 20°С может составить 50% и более. Учитывая аппаратурную погрешность D измерения q(t) при весьма высокой точности в 1 Вт/м2 суммарная погрешность определения R может превысить 65%. Соответственно и результаты определения сопротивления теплопередаче, полученные по данным измерений за трое суток, можно заранее считать неправильными. То же самое относится и к ГОСТ 26254-84. Хотя там и предусмотрены измерения в течение 15 суток, но затем данные, полученные в интервалы времени, когда температура атмосферного воздуха отличалась от средней более, чем на 1,5°С, исключают. Общая продолжительность оставшихся "кусков" графиков DТ(t) и q(t) уже может составлять 1-3 суток. А расчет R по отдельным "коротким" кускам функций DТ(t) и q(t) будет характеризоваться очень большой погрешностью Dq. Исключение части результатов измерений в данном случае — это потеря информации, метафизическая манипуляция данными, причем с "выбрасыванием" далеко не "худших" значений.
Для адекватной обработки результатов измерений, расчета сопротивления теплопередаче и определения реальной ее погрешности, даже для способа "средних значений", необходимо вычислять нестационарное температурное поле элементов ограждающих конструкций для фактических граничных условий (температуры воздуха). Другой путь — осуществлять измерения в течение вполне достаточного времени — например, 27 суток. Расчет фактической погрешности определения сопротивления теплопередаче позволит установить реальное значение R, обеспечить и обосновать необходимую длительность измерений, оптимизировать выбор интервала измерений для вычисления R, а также оправданно и без ущерба для точности уменьшить необходимое время измерений (ориентировочно до 5-7 суток). Тем не менее, метод "средних значений" для определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций в натурных условиях останется весьма медленным и неприменимым при малом температурном напоре (менее 10°С).
Андрей ШИШКИН, к.т.н. Санкт-Петербург
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 47 за 2004 год в рубрике материалы и технологии
