CC BY
86
УДК 620.1179.13
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ЭНЕРГОАУДИТА СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В.П. Вавилов, И.А. Лариошина
Томский политехнический университет E-mail: vavilov@tpu.ru
Описаны результаты экспериментальной оценки погрешности тепловизионных измерений при проведении энергоаудита строительных сооружений.
Ключевые слова:
Энергоаудит, тепловизионные обследования, методические погрешности.
Введение
Принятие федерального закона ФЗ № 261 от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» стимулировало рост продаж инфракрасных (ИК) тепловизоров на российском рынке и спрос на тепловизионные обследования строительных сооружений, в результате чего оператор-термографист (энергоаудитор) обнаруживает локальные дефекты и получает оценки фактического сопротивления ограждающих конструкций [1-3]. В 2012 г. в Национальном исследовательском Томском политехническом университете разработаны и сертифицированы в системе ZOND «Методические рекомендации по энергетическому аудиту строительных зданий и сооружений с использованием метода инфракрасной термографии».
Сходные методики используются в ряде других российских организаций, вовлеченных на протяжении последних лет в энергетические обследования. Тем не менее, в ситуации, сложившейся в области тепловизионного энергоаудита, можно выделить ряд неприятных особенностей, а именно: слабое метрологическое обоснование тепловизионных измерений; использование экономичных тепловизоров с небольшим форматом термоизображений (160^120 и менее) и существенной погрешностью температурных измерений (обычно ±2 % или ±2 °С, что мало приемлемо в энергоаудите); невыполнение методических рекомендаций по обеспечению точных температурных измерений при априорном отсутствии значений ряда параметров. Метрология тепловизионного энергоаудита обсуждалась в работе [4], в результате чего сформулирован достаточно пессимистический взгляд на возможности количественной тепловизионной оценки теплопотерь из зданий.
В настоящей статье рассмотрены основные методические погрешности тепловизионных измерений.
Погрешность тепловизионных измерений
В работе [4] показано, что погрешности определения теплопотерь A W / W и сопротивления теплопередаче, в основном, обусловлены ошибками измерения плотности мощности теплового потока Q и температуры наружных ограждающих конструкций TW :
Вавилов Владимир Платонович, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий лабораторией Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: vavilov@tpu.ru Область научных интересов: инфракрасная термография, тепловой контроль, обработка изображений, теория теплопроводности.
Лариошина Ирина Анатольевна, аспирант Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: irinalarioshina@mail.ru Область научных интересов: тепловизионная диагностика, энергоаудит.
AW
W
(1)
Ттш'г
оШ- температура наружного воздуха.
В условиях реальной тепловизионной съемки величина АЖ / Ж может достигать 30... 100 %, причем основным источником ошибки является неточное измерение температуры наружных стен (окон), если принять, что основная погрешность современных измерителей теплового потока равна 5 % [4].
Следует заметить, что все вышесказанное в равной мере относится и к определению сопротивления теплопередаче по результатам тепловизионной съемки, когда плотность мощности теплового потока измеряют в отдельных точках, а ее средние значения по фасаду рассчитывают, определяя среднюю температуру по фасаду.
Эксперименты были выполнены с помощью тепловизора ThermaCAM P65 производства фирмы FLIR Systems (США), который является типичным представителем приборов среднего класса, широко использующихся в строительной ИК термографии.
На первом этапе измеряли наружные температуры стены из красного кирпича и двухкамерного стеклопакета при температурах внутреннего и наружного воздуха соответственно +22 °С и +2 °С. Таким образом, температурный напор составил 20 °С, что соответствует требованию ГОСТ 26629-85 «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций». На объектах съемки размещали два маркера: поливинилхлоридную пленку черного цвета (рекомендованное значение коэффициента излучения Б = 0,95) и алюминиевую фольгу (рисунок). Согласно известным рекомендациям работы с тепловизорами была измерена величина отраженной температуры фона Trefl = -2,1 °С, а затем коэффициентов излучения
красного кирпича (Б = 0,93) и оконного стекла (Б = 0,85). Измерения проводились после включения тепловизора внутри помещения и выноса его наружу в течение 60 минут (обычно рекомендуют начинать измерения через 20 минут после включения тепловизора).
Результаты эксперимента приведены в табл. 1 для двух случаев: 1) коэффициент излучения Б = 0,95 - часто используемое практиками значение по умолчанию, а величина Т^ = +2 °С, т. е. равна температуре наружного воздуха; 2) вышеуказанные параметры выбраны истинными: Б = 0,93 для кирпича, Б = 0,85 для стекла и Т^ = -2,1 °С. Принято, что истинные значения температур стены и воздуха измерены через 60 минут после включения тепловизора.
Данные табл. 1 показывают, что пренебрежение временем измерения и корректирующими параметрами приводит к ошибкам измерения температуры от 0,3 до 1,8 °С, в то время как введение правильных корректирующих параметров обеспечивает погрешность от 0,4 до 1,1 °С, иными словами, вопреки распространенному мнению корректирующие параметры незначительно улучшают результаты измерений по сравнению с интуитивно выбранными параметрами тепловизионной съемки.
Дальнейшие оценки погрешностей тепловизионных измерений при различных комбинациях корректирующих параметров, а именно, отраженной температуры фона T , коэффициента излучения Б , расстояния до объекта съемки L и влажности атмосферы w , приведены в табл. 2. Данные табл. 2 показывают, что, в соответствии с известными рекомендациями, наибольшие погрешности связаны с неточным заданием отраженной температуры фона и коэффициента излучения. Тем не менее, незначительный разброс в задании этих параметров приводит к ошибкам измерения не более 0,4 °С. Соответственно, расстояние до объекта съемки и влажность атмосферы не влияют на результаты тепловизионных измерений в строительстве.
Экспериментальные результаты
Стена Алюминиевый маркер Поливинилхлоридный маркер
Рисунок. ИК термограмма, иллюстрирующая экспериментальную процедуру
Таблица 1. Точность тепловизионных измерений температуры в строительстве в зависимости от времени съемки после включения тепловизора ThermaCAM P65
Время после включения в помещении (+22 °С) и выноса на улицу (+2 °С), мин. Температура
стены 'Т’ОІГ _ ,г% о/"ч Тоиі 2 С Т = +2 °С 1 геА +2 С £ = 0,95 окна Т7^ _ _іл о/"ч ТоМ 2 С Т = +2 °С 1 геА +2 С £ = 0,95 стены Т7^ _ _іЛ о/"ч ТоМ 2 С Т = -2 1 °С 1 геА 2,1 С £ = 0,93 окна Т7^ _ _іл о/"ч ТоМ 2 С Т = -2 1 °С 1 геА 2,1 С £ = 0,85
2 3,3 (0,4)* 3,5 (1,0) 3,6 (0,1) 4,4 (0,1)
4 2,8 (0,9) 3,2 (1,3) 3,2 (0,5) 4,1 (0,4)
7 2,4 (1,3) 2,8 (1,7) 2,8 (0,9) 3,6 (0,9)
11 2,4 (1,3) 2,7 (1,8) 2,6 (1,1) 3,5 (1,0)
17 2,8 (0,9) 3,1 (1,4) 3,1 (0,6) 3,9 (0,6)
27 2,3 (1,6) 2,6 (1,9) 2,9 (0,8) 3,6 (0,9)
45 2,4 (1,3) 3,0 (1,5) 3,2 (0,5) 4,1 (0,4)
60 3,4 (0,3) 3,6 (0,9) 3 7** * * «Т, 4,
* В скобках: абсолютная ошибка измерения ** Значение принято в качестве истинного
Таблица 2. Точность тепловизионных измерений температуры в строительстве при различных комбинациях корректирующих параметров
Время после включения в помещении (+22 °С) и выноса на улицу (+2 °С) равно 60 мин. (базовая влажность атмосферы w = 30 %, Температура стены, °С гГааг — _|_9 ор ТоШ С Температура окна, °С гГааг — _|_9 ор ТоШ С
базовое расстояние Ь = 4 м, кроме оговоренных ниже изменений) С ° сі 1 1 1 і і 1 ° С
Та'т = +2 °С Т = -2 1 °С ТоШ +2 С, Тте}1 2,1 С, В = 0,93 (стена), В = 0,85 (окно) 3,7* 4,5*
С = +4 °С, Тгф = -2,1 °С, В = 0,93 (стена), В = 0,85 (окно) 3,7 (0)** 4,5 (0)
гра1г _ ^ 0р 'Т' _ ^ 1 ор Тоы 0 С, ТгвА "2,1 С, 3,8 4,5
В = 0,93 (стена), В = 0,85 (окно) (0,1) (0)
Тагт = +2 °С, Т „= 0 °С, оШ > те}! > 3,6 4,1
В = 0,93 (стена), В = 0,85 (окно) (0,1) (0,4)
Тагт = +2 °С Т = -4 °С ТоШ +2 С, Тте}! 4 С, 3,9 4,8
В = 0,93 (стена), В = 0,85 (окно) (0,2) (0,3)
Т1= +2 °С, Теф = -2,1 °С, 3,6 4,3
В = 0,96 (стена), В = 0,88 (окно) (0,1) (0,2)
Тагт = +2 °с Т = -2 1 °С ТоШ +2 С, Тте}1 2,1 С, 3,9 4,7
В = 0,90 (стена), В = 0,82 (окно) (0,2) (0,2)
Тагт = +2 °с Т = -2 1 °С ТоШ +2 С, Тте}1 2,1 С, В =0,93 (стена), В =0,85 (окно), Ь =10 м 3,8 (0,1) 4,5 (0)
Тагт = +2 °с Т = -2 1 °С ТоШ +2 С, Тте}1 2,1 С, В = 0,93 (стена), В = 0,85 (окно), w = 60 % 3,7 (0) 4,5 (0)
* Значение принято в качестве истинного ** В скобках: абсолютная ошибка измерения
Заключение
Получены экспериментальные оценки погрешности тепловизионного измерения температуры фасадов строительных сооружений, которые могут достигать 1,8 °С при невыполнении методических рекомендаций по правилам проведения тепловизионных съемок, 1,1 °С - при введении корректирующих параметров со слишком коротким временем съемки после включения тепловизора и 0,4 °С - в случае полного соблюдения методических правил съемки и наличия относительно слабых отклонений значений отраженной температуры фона и коэффициента излучения от истинных. В целом, если избыточная температура наружных фасадов относительно температуры наружного воздуха составляет от 1,5 до 5 °С в зависимости от фактического сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций и климатических условий, то погрешность определения тепловых потерь и сопротивления теплопередаче может составлять от 12 до 170 % согласно формуле (1). При этом наибольшие погрешности имеют место при обследовании ограждающих конструкций с высоким сопротивлением теплопередаче при неточном задании корректирующих параметров и несоблюдении методических требований к тепловизи-онной съемке, в частности, при использовании тепловизора немедленно после включения в условиях низких температур наружного воздуха.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.132.21.1722.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М.: Спектр, 2009. - 544 с.
2. Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И., Троицкий-Марков Т.Е., Абрамова Е.В. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - М.: Наука, 2002. - 476 с.
3. Власов А.Б. Тепловизионная диагностика объектов электро- и теплоэнергетики (диагностические модели). - Мурманск: Изд-во Мурманского государств. технич. университета. -2005. - 66 с.
4. Вавилов В.П. Пессимистический аспект тепловизионного энергоаудита строительных сооружений // Дефектоскопия. - 2010. - № 12. - С. 49-54.
Поступила 26.09.2012 г.
