CC BY
12ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ОГРАЖДЕНИЙ ПРИ ТЕРМОМОДЕРНИЗАЦИИ ЗДАНИЯ ВЕНТИЛИРУЕМОЙ ФАСАДНОЙ
СИСТЕМОЙ
Васильченко Галина Михайловна
кандидат технических наук, доцент кафедры архитектуры промышленных и гражданских зданий, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»
FORECASTING THE STATE OF THE ENCLOSING STRUCTURES BASED ON INSTRUMENTAL EXPRESS ANALYSIS OF TEMPERATURE FIELDS ON THE INNER SURFACES OF ENCLOSURES DURING THERMAL MODERNIZATION OF A BUILDING WITH VENTILATED FACADE SYSTEM
Vasilchenko G. M. Candidate of Technical Science, assistant professor of architecture of industrial and civil buildings, State Educational institution of higher education «Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture»
АННОТАЦИЯ
Приведены результаты натурных исследований с помощью тепловизора и инфракрасного пирометра. Получены значения температур на внутренних поверхностях ограждений, что дает количественную и качественную картины распределения температур. Результаты расчетов подтвердили эффект термомодернизации здания с использованием вентилируемой фасадной системы «Марморок».
ABSTRACT
Given are the results of investigations on location with the help of thermal camera and infrared pyrometer. Got were the temperature values on the inner surfaces of enclosures that give us a quantitative and qualitative picture of temperature distribution. The results of the calculations confirmed the effect of thermal modernization of a building using ventilated facade system «Marmorok».
Ключевые слова: вентилируемая воздушная прослойка, температура, тепловизор, инфракрасный пирометр, термограмма, термомодернизация.
Key words: ventilated air layer, temperature, thermal camera, infrared pyrometer, thermogram, thermal modernization.
Постановка проблемы.
Фасадная теплоизоляция, в том числе с использованием вентилируемых воздушных прослоек, получила широкое распространение в мире, как при новом строительстве, так и термомодернизации жилого и общественного фонда застройки. Такая фасадная система на современном этапе может обеспечить высокие нормативные требования по тепловой изоляции зданий. Не до конца изученным на сегодняшний момент является эффект использования таких систем, который может быть определен в натурных условиях эксплуатации зданий. Любое дополнительное исследование может способствовать выявлению действительного уровня энергоэффективности и разработке предложений по его повышению. Результаты наблюдений позволят выработать единые подходы к термомодернизации зданий типовых серий. Одним из этапов энергоаудита зданий являются тепловизионные и инструментальные исследования. Первые дают, как правило, качественную картину, но могут быть выполнены в сжатые сроки. Вторые выявляют действительное состояние теплоизолирующей оболочки здания или ее элементов, однако требуют соответствующей инструментальной базы и длительных наблюдений. Выполнение предварительной оценки с использованием упомянутой тепловизионной съемки с обязательным инструментальным экспресс-анализом температурных полей на исследуемых поверхностях ограждений необходимо вести по специальной методике для таких исследований.
Анализ последних исследований и публикаций.
Методика натурных наблюдений базируется на рекомендациях ДСТУ Б В.2.6 -101 [1]. До издания этого документа тепловизионные наблюдения проводились по методике советской теплофизики, которая изложена в ГОСТ 26629-85 [2, с. 2-8]. В некоторых современных рекламных проспектах и даже в научных работах демонстрируются термограммы, сделанные с внешней стороны здания. Это справедливо для многих конструктивных решений, и совсем не годится для вентилируемых фасадных систем. Так в работе Е.К. Карапузова и В.Г. Сохи [3, с. 12] при констатации недостатков вентилируемой системы указывается, что «увлажненный утеплитель промерзает и может находиться в таком состоянии весь период сохранения минусовой температуры воздуха, в результате чего стены промерзают». Такие случаи действительно могут иметь место, но те-пловизионными исследованиями (для подкрепления этого факта авторы приводят термограммы с внешней стороны наблюдения Рис. 1), эти недостатки обнаружить невозможно. На приведенных термограммах видно «холодную» внешнюю поверхность облицовки, что даже очень хорошо. Если бы она была «теплой», то это свидетельствовало бы о значительных теплопотерях. А сказать, увлажненный или сухой утеплитель за этой облицовкой, невозможно. Про эффективность утепления и приблизительное значение приведенного сопротивления теплопередачи стены с вентилируемой системой можно рассуждать только при тепловизионных наблюдениях с внутренней стороны ограждения.
а) б)
Рис. 1. Пример демонстрации результатов тепловизионного исследования [3, с. 12] вентилируемой фасадной системы, выполненных снаружи: а - общий вид; б - термограмма.
Вышедшее ДСТУ Б ЕМ 13187:2012 [4] дает прямое указание о качественной картине получаемых результатов любых тепловизионных исследований.
Определение температуры на поверхности ограждения с помощью инфракрасного пирометра является современным способом экспресс-анализа. Это стало актуально в последнее время с появлением высокоточных приборов.
Получаемые указанными способами температурные поля следует приводить к расчетным внутренним и наружным условиям эксплуатации. Таковыми являются для жилого здания температура внутреннего воздуха 1в=20 оС и наружного для первой температурной зоны Ш = -22 оС [7, с. 24-25].
Температура внутренней поверхности ограждения при расчетных температурных условиях согласно [1] определяется по формуле, имеющей вид
— t — (t —т ) • авэ
— lg \lg ^в)" ' ■>
ав
(1)
где Т й - температура внутренней поверхности при температурном напоре (Ъ - Ш) без учета изменения коэффициента теплообмена внутренней поверхности, определяется по формуле
I — I
Т = I - и -Т ——
ьв в \1вэ ^вэ) •>
^вэ — ^нэ (2)
где 1вэ и Шэ - экспериментальные значения температур внутреннего и наружного воздуха, оС;
твн - экспериментальное значение температуры внутренней поверхности;
а -
9 - коэффициент теплоотдаче внутренней поверхности в эксперименте, Вт/(м2-К). Он может быть принят ориентировочно равным нормативному значению 8,7 Вт/ (м2-К) или определен как сумма коэффициентов конвективного (акэ) и лучистого (алэ) теплообменов в виде
авэ=акэ+алэ(3)
Коэффициент теплообмена при 1в и определяется по формуле
ав=ак+ал(4)
где а'к - коэффициент конвективного теплообмена определяется по специальному графику [1] соответственно при At = 1в - т'в. Для потолка получаемое значение умножается 1,3, а для пола - на 0,7.
а'л - коэффициент лучистого теплообмена также определяется по специальному графику [1] соответственно при значении средней температуры tср = ^в+т'в)/2.
Целью данной работы является проведение испытаний, обработка и анализ получаемых результатов по методике предложенной в ДСТУ Б В.2.6 -101 [1].
Для выполнения исследований были выбраны объекты наблюдений - два пятиэтажные здания общежитий. Здания построены по серии 164-80-1 и расположены в городе Донецке. Общежитие № 5 представляет собой термомо-дернизированное (ТМ) здание. Здание общежития № 6 -нетермомодернизированное (НТМ). Общий вид исследуемых зданий приведен на Рис. 2. На Рис. 2а показан фасад ТМ здания, на котором выполнена термомодернизация, включающая дополнительное утепление стены с применением вентилируемой фасадной системы «Марморок», замену окон на современные из ПВХ - профилей и остекление лоджий. На Рис. 2б приведен фасад НТМ здания, на котором термомодернизация отсутствует.
а) б)
Рис. 2. Главные фасады объектов наблюдения: а - ТМ здания; б - НТМ здания.
Приборное обеспечение и методика натурных наблюдений
В качестве измерительных приборов использовались тепловизор ^егшаСАМ Е65 и инфракрасный пирометр 1К.608.
Методика исследований с использованием тепловизора в сокращенном виде состоит в следующем:
1. Намечались внутренние поверхности ограждения НТМ и ТМ зданий, устанавливались рэперы и выполнялся покадровый запись термограмм.
2. При настройке тепломера учитывался коэффициент излучения поверхности.
3. Скорость ветра не превышала 4 м/с для НТМ здания и 2,0 м/с для ТМ здания, что связано с разными значениями сопротивления теплопередаче стен соответствующих зданий.
4. Относительная влажность воздуха была значительно
меньше 80 % при температуре внутреннего воздуха более 20 °С.
5. Атмосферное давление было в пределах: от 84 кПа до 106,7 кПа.
6. Показатели наружного воздуха измерялись на уровне 1,5 м на расстоянии не более 20 м (вручную, через каждые 3 часа), а внутреннего воздуха на высоте 1 м до 1,5 м от пола в центральной зоне помещения.
7. Поддерживались условия отключения влияния системы отопления и освещения.
8. Обработка результатов наблюдений.
Инфракрасный пирометр 1К.608 фирмы Ме1егшап
(Тайвань) отвечает общим требованиям к пирометрам согласно ДСТУ 3170-96 (ГОСТ 28243-96) [5]. Сравнение результатов замеров указанными приборами показало достаточную точность получаемых результатов, о чем свидетельствуют данные таблицы 1.
Таблица 1
Сравнение результатов замеров тепловизором и инфракрасным пирометром
Место замера Показания, оС Разница показаний, оС
тепловизора инфракрасного пирометра
Холл, 1-й этаж 22,8 23,9 1,1
Холл, 5-й этаж 21,2 21,8 0,6
Замеры выполнялись в холлах на первом и пятом этажах обеих зданий. Было выбрано характерное место примыкания наружной стены к блоку лоджии. На стене (Рис. 4а, б, в) намечено три вертикальных сечения (на рисунках они обозначены цифрами 1, 2 и 3), в которых осреднялись
полученные значения температур внутренних поверхностей. По высоте исследовались угол на уровне пола (зона I), середина (зона II) и верх стены (зона III), а также место соединения остекления лоджии со стеной.
a)
Развертка no стене 1 2 3
650
650
1 зЬо
650
650
1 zbo
m
L200
AQQ
N
в)
б)
Рис. 4. Местоположение исследуемых участков стены в зданиях: а - ТМ; б - НТМ; в - развертка по стене.
Результаты натурных исследований
Холл, первый этаж. Одним из примеров результатов тепловизионных наблюдений [6] демонстрирует Рис. 5. Цветовое поле термограмм показывает места наибольших теплопотерь, каковыми являются поверхности наружных стен и особенно нижний угол. Неутепленная стена НТМ здания имеет низкие температуры на своей поверхности и обусловливает выхолаживание угла и поверхности пола. На утепленной стене ТМ здания четко прослеживается равномерное температурное поле, которое показывает, что энергосберегающий эффект распространился по поверхности пола.
Угол первого этажа (Рис.5а) в НТМ здании, как и предполагалось, является наиболее холодным (температура поверхности наружной стены составляет 13,7 оС), несмотря на достаточно высокую температуру внутреннего воздуха (20,3 °С). В угловой точке температура составляет 16,1оС.
Осредненная температура по всей внутренней поверхности равна 16,2оС.
В ТМ здании зафиксированы (Рис. 5б) достаточно высокие температуры на внутренней поверхности, что обусловлено, в том числе, высокой температурой внутреннего воздуха (24,8 °С). В угловой точке температура равна 23,9 оС, а осредненная по поверхности составляет 23,6 оС. Разница температур в соответствующих точках составляет 7,4 оС. В средней части стены наблюдается та же картина, но температуры в обоих случаях несколько выше по сравнению с нижней частью угла. Так, в ТМ здании это превышение составляет (при осредненной температуре 24,4 оС) всего 0,5 оС, тогда как в НТМ здании (при осредненной температуре 17,7 оС), около 1,5 оС. На линии угла температура в ТМ здании повысилась на 24,6 - 23,4 = 1,2 оС, а в НТМ здании соответственно на 17,4 - 16,3 = 1,1 оС.
В верхней части угла (потолок), результаты которых здесь не приводятся, зафиксированы аналогичные предыдущим рисункам температурные поля. Превышение температур в обоих домах составляет около 1,5 оС. В средней части стены, расположенной в сечениях 1 и 2 зафиксировано практически равномерное температурное поле, причем в НТМ здании значения температур всего на 4,8 оС ниже. Наиболее ответственным является стык балконной двери, выходящей на лоджию, с наружной стеной. Снижение температуры по поверхности стены находится на уровне 22,6 - 20,2 = 2,4 оС. То же самое наблюдается в средней части, здесь разница составляет 23,2 - 22,8 = 0,4 оС. Самым холодным является стык стены с конструкцией остекления лоджии в НТМ здании. Здесь падение температур зафиксировано на уровне 15,6 - 3,9 = 11,7 оС. Такое положение свидетельствует о возможности возникновения конденсата на внутренней поверхности, особенно при расчетных температурах наружного воздуха.
Холл, пятый этаж. Исследования проводились по аналогичной схеме. Зафиксированы температуры внутреннего воздуха соответственно в ТМ здании на уровне 22,8 оС, а в НТМ здании 21,8 оС. В первом случае температура оказалась на 2 °С ниже температуры первого этажа, что требует дальнейшего объяснения. Во втором - зафиксирована
а)
Рис. 6. Холл, пятый этаж, левый
это соответствует общей картине теплообмена в здании. В нижней части угла в ТМ здании оказалось холоднее на 23,9 - 21,8 = 2,1 оС по сравнению с первым этажом. В НТМ здании зафиксированы еще большее значение выхолаживания угла, разница составляет 16,1-12 = 4,1 оС.
Осредненная температура на поверхности в НТМ здании составляет 11,6 оС, а в ТМ здании - около 22,1 оС. Внутренняя поверхность наружной стены в первом случае стала холоднее на 13,7 - 8,3 = 5,4 оС, а во втором на 22,5 -20,4 = 2,1 оС. В средней части угла также зафиксированы похожие температурные поля. В ТМ здании на поверхности стены температура понизилась на 23,2 - 20,9 = 2,3 оС, в НТМ здании снижение составило 15,6 - 9,2 = 6,4 оС. Снизились также значения осредненных температур на внутренних поверхностях, в ТМ здании на 23,6 - 21,8 = 1,8 оС, а в НТМ здании на 17,7 - 12,5 = 5,2 оС. Верхняя часть угла (Рис. 6) в сравнении с полом первого этажа имеет температуры в НТМ здании на 16,1 - 11,2 = 4,9 оС, а в ТМ здании на 23,9 - 19,2 = 4,7 оС ниже. При различных решениях утепления стен перепад оказался практически одинаковым. Если на полу в ТМ здании была зафиксирована температура на уровне 24,2 оС, то на потолке она составляла 20,9 оС. В НТМ здании соответствующие значения равнялись 16,8 оС и 11,5 оС.
б)
:, верх: а - НТМ здание; б - ТМ здание.
На поверхностях стен в центральных частях температуры практически совпадают со значениями первого этажа. Низ угла стыка стены и лоджии в ТМ здании по сравнению с первым этажом имеет большее выхолаживание на
20,2 - 15,8 = 4,4 оС. Такая же картина наблюдается и в НТМ здании. Середина угла на уровне стыка стены с лоджией в ТМ здании значительно теплее аналогичного места в НТМ здании в среднем на 18,9 - 11,9 = 7 оС.
На основании тепловизионных исследований получены качественные картины распределения температур по внутренним поверхностям угловых стен, пола и потолка. В целом, проведенные исследования позволили довольно быстро и достаточно точно выявить места теплопотерь в НТМ здании.
В ТМ здании пониженная температура поверхностей на последнем этаже по сравнению с первым указывает на наличие избыточных теплопотерь через покрытие, и это обстоятельство необходимо уточнять при составлении энергетического паспорта здания и проверке энергоэффективности всего здания.
Соответствие экспериментальных
Результаты прямых наблюдений, приведенные в таблице 2, на первый взгляд отвечают прогнозируемой ситуации в исследованных помещениях зданий. Так все ограждающие конструкции в ТМ здании имеют достаточно высокие температуры на внутренних поверхностях и температурный перепад ДШр в каждом случае оказался ниже нормативной величины.
В НТМ здании стена и потолок на первом этаже оказались с достаточно высокими температурами поверхностей и нормативное требование выполняется. Холодными зафиксированы поверхность пола на первом и все ограждения на пятом этаже этого здания.
Таблица 2
зультатов нормативным требованиям
Здание Этаж Огражда- Экспериментальные данные A tnp, °С Выполнение норматива
ющая конструкция 1вэ, °С to, °С твпрэ, °С < A tcr, °С Да/нет
ТМ 1 пол 24,8 -4 22,96 1,84 2 Да
стена 23,43 1,37 4 Да
потолок 24,78 0,02 3 Да
5 пол 22,8 -4 22,11 0,69 2 Да
стена 21,29 1,51 4 Да
потолок 20,12 2,68 3 Да
НТМ 1 пол 20,3 -4 16,25 4,05 2 Нет
стена 19,55 0,75 4 Да
потолок 17,47 2,83 3 Да
5 пол 21,8 -4 13,1 8,7 2 Нет
стена 12,51 9,29 4 Нет
потолок 11,75 10,05 3 Нет
Однако, представленные в таблице 2 данные, носят выборочный характер. То есть они фиксируют локальные значения температур, которые соответствуют выборке результатов, относящейся к полученным значениям температур внутреннего и наружного воздуха. Поскольку по данным метеонаблюдений города Донецка такой режим погоды был неизменным в течении пяти предшествую-
Расчетные значение температур на
щих наблюдениям суток, а также подача тепла в здание не менялась, то следует полагать, что зафиксировано стационарное распределение тепловых потоков и температур.
Истинные значения температур на внутренних поверхностях, рассчитанные по формуле (1), демонстрирует таблица 3.
Таблица 3
внутренних поверхностях ограждений
Здание Этаж Ограж- дающ. констр. Экспериментальные данные Теоретическое значение Выпол нение норм < Atcr
tвэ, °С to, °С твпрэ, °С т'в,°С At =tB - т'в а'к tcp =(1в+т'в)/2 а'л а'л а'в = а'к + а'л тв, °С Atnp
2 н 1 пол 24,8 -4 22,96 17,30 2,70 2,3 18,65 3,30 5,60 15,80 4,20 Нет
стена 23,43 18,00 2,00 2,2 19,00 4,75 6,95 17,50 2,50 Да
потолок 24,78 19,97 0,03 1,2 19,99 6,24 7,44 19,97 0,03 Да
5 пол 22,8 -4 22,11 18,92 1,08 1,8 19,46 3,36 5,16 18,12 1,88 Да
стена 21,29 17,60 2,40 2,1 18,80 4,75 6,85 17,33 2,67 Да
потолок 20,12 15,80 4,20 2,7 17,90 6,11 8,81 15,85 4,15 Нет
1 пол 20,3 -4 16,25 13,00 7,00 3,2 18,13 3,29 6,49 10,62 9,38 Нет
стена 19,55 18,70 1,30 1,6 19,35 4,81 6,41 18,24 1,76 Да
потолок 17,47 15,10 4,90 2,8 17,55 6,08 8,48 14,97 5,03 Нет
5 пол 21,8 -4 13,1 5,80 14,20 4,0 12,90 3,08 7,08 2,55 17,45 Нет
НТМ стена 12,51 4,90 15,10 4,1 12,45 4,35 8,45 4,45 15,55 Нет
потолок 11,75 4,60 16,40 4,2 12,30 5,59 9,79 5,43 14,57 Нет
Выводы и предложения.
1. Для выявления термически однородных участков вентилируемых фасадных систем тепловизионную съемку следует проводить только внутри помещения, исключая влияние ламп накаливания и при обязательном экранировании имеющихся в помещении отопительных приборов.
2. Проведение экспресс-замеров температур на внутренних поверхностях ограждений с помощью инфракрасных пирометров дает количественную картину распределения температур и позволяет прогнозировать состояние конструкции в расчетных климатических условиях теплопередаче. Для получения точных результатов следует прибегать к стационарным способам наблюдений.
3. Выявлено, что термомодернизация улучшила комфортные условия, но в помещениях была зафиксирована избыточная температура (на 4 °С выше нормы), что указывает на необходимость регулирования системы отопления.
4. Результаты расчетов показывают, что в ТМ здании эффект термомодернизации распространяется на все конструкции за исключением пола первого и потолка пятого (последнего) этажей. Что собственно и является доказательством того факта, что недостаточно утепления отдельных конструктивных элементов (стен и окон, как в рассматриваемом случае), необходимо термомодернизи-ровать перекрытия над цокольными этажами и покрытие здания.
Список литературы:
1. Метод визначення опору теплопередачi огород-жувальних конструкцш: ДСТУ Б В.2.6-101:2010 - [Чинний ввд 2010-01-01]. - К.: Мшрепонбуд Украши, 2008.- 83 с. -(Нацюнальний стандарт Украши).
2. Метод телевизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций. Государственный стандарт: ГОСТ 26629-85. [Введен 05.10.1985]. - М.: Госстрой СССР, 1985. - 12с.
3. Карапузов, 6.К. Утеплення фасадiв: тдручник. / 6.К. Карапузов, В.Г. Соха - К.: Вища освгга, 2007. - 319 с.
4. Теплова ефектившсть будинюв. Яюсне виявлен-ня теплових ввдмов в огороджувальних конструкщях. 1нфрачервоний метод (EN 13187:1998, IDT): ДСТУ Б EN 13187:2012 - [Чинний вщ 2013-01-01]. - К.: Мшрегюн Украши, 2013.- 27 с.
5. Шрометри. Загальш техшчш вимоги: ДСТУ 317096 (ГОСТ 28243-96) - К.: Мшрегюн Украши, 1996.- 11 с. - (Нацюнальний стандарт Украши).
6. Васильченко Г.М. Натурные исследования в воздушной прослойке фасадной системы MARMAROK / Г.М. Васильченко. - К.: Научно-производственная конференция «Реконструкция жилья - 2010».
7. ДБН В.2.6.-31:2006. Конструкцп будинюв i спо-руд. Теплова iзоляцiя будiвель. - К. Мшрепонбуд Украши, 2006. - 69 с. 3i Змiною №1 вщ 01.07.2013.
