Способ неразрушающего контроля теплозащитных свойств ограждающей строительной конструкции

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ОГРАЖДАЮЩЕЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Драгун Владимир Леонидович Лещенко Владимир Григорьевич Щелак Татьяна Евгеньевна Данилова-Третьяк Светлана Михайловна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ неразрушающего контроля теплозащитных свойств ограждающей строительной конструкции, основанный на активном тепловом контроле, при котором создают дополнительный к естественному градиент температур между наружной и внутренней поверхностями ограждающей строительной конструкции, при этом ее внутреннюю поверхность подвергают охлаждению до температуры, равной не менее минус 40 С, причем 12812 1 2010.02.28 диаметробласти охлаждения задают согласно отношению 1 , где- толщина огра ждающей строительной конструкции, после чего оппозитно выбранной области охлаждения производят тепловизионную съемку с наружной стороны ограждающей строительной конструкции и оценивают наличие внутренних дефектов утепления путем сравнения полученных результатов измерения теплофизических параметров материала контролируемой ограждающей строительной конструкции с их стандартными значениями. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его осуществляют в реальных климатических условиях эксплуатации ограждающей строительной конструкции. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стандартные значения теплофизических параметров материалов контролируемой ограждающей строительной конструкции выбирают согласно строительным нормам и правилам. Изобретение относится к технике контроля и технической диагностики и предназначено для использования при обследовании наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений при производстве строительных работ. Известен ряд способов теплового неразрушающего контроля многослойных объектов 1, 2, 3, 4, 5. Так, согласно способу 5 определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение всего временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают произвольно и многократно значение теплопроводности нужного слоя. Далее, используя обобщенную физико-математическую модель теплового неразрушающего контроля многослойных объектов с неоднородностями и заданное значение теплопроводности, рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру и плотность теплового потока соответственно наружной и внутренней поверхностей. Затем проводят мгновенное тепловизионное обследование, в процессе которого измеряют температуры и плотности тепловых потоков соответственно на внутренней и наружной поверхностях и сравнивают теоретически возможные значения параметров с измеренными. Для расчетов выбирают то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения. Недостатком способа являются высокие погрешности в определении локальных сопротивлений теплопередаче обследуемых участков из-за недостаточной чувствительности тепловизионной аппаратуры к малой разности температур на внутренней и наружной поверхностях объектов, обследуемых в реальных климатических условиях. Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ контроля теплозащитных свойств ограждающих конструкций путем натурных измерений температур и плотности тепловых потоков в реперной точке в реальных условиях эксплуатации здания, который и выбран в качестве прототипа 6. Контроль включает тепловизионную съемку ограждающей конструкции с наружной стороны и последующее определение сопротивления теплопередаче в произвольных точках. Натурные измерения производят в период не менее двух суток. Затем определяют сопротивление теплопередаче в этой точке путем обработки результатов натурных измерений с отбраковкой отдельных значений сопротивлений теплопередаче. Натурные измерения температур и плотности теплового потока производят с интервалом регистрации не более 30 мин. Тепловизионную съемку осуществляют при наружной температуре, близкой среднесуточной. Коэффициенты обеспечивают заданную погрешность в диапазоне 0,36,0 м 2 С/Вт. Сопротивление теплопередаче в произвольных точках определяют по формуле, полученной эмпирическим путем где,- температура наружной поверхности в произвольной точке, С 2 12812 1 2010.02.28- температура наружной поверхности в реперной точке, С- температура наружного воздуха, С- сопротивление теплопередаче в реперной точке, м 2 С/Вт. О качестве теплоизоляционных свойств ограждающей конструкции судят по величине полученного значения сопротивления теплопередаче в реперной точке. Недостатком способа является высокая погрешность измерений, обусловленная малой разностью температур на внутренней и наружной поверхностях обследуемых конструкций в реальных климатических условиях. Целью изобретения является повышение точности измерений и контроля с использованием стандартных тепловизоров, работающих в интервале температур от - 40 С до 50 С. Техническим результатом изобретения является проведение активного теплового неразрушающего контроля ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений с выявлением внутренних дефектов утепления. Поставленная цель достигается способом неразрушающего контроля теплозащитных свойств строительных конструкций, основанным на активном тепловом контроле, при котором создают дополнительный к естественному градиент температур между наружной и внутренней поверхностями ограждающей строительной конструкции, при этом ее внутреннюю поверхность подвергают охлаждению до температуры, равной не менее - 40 С,при чем диаметробласти охлаждения задают согласно отношению /1, где- толщина ограждающей конструкции, после чего оппозитно выбранной области охлаждения производят тепловизионную съемку с наружной стороны ограждающей строительной конструкции и оценивают наличие внутренних дефектов утепления путем сравнения полученных результатов измерения теплофизических параметров материала контролируемой ограждающей строительной конструкции с их стандартными значениями. Способ осуществляют в реальных климатических условиях эксплуатации ограждающих строительных конструкций. Стандартные значения теплофизических параметров материалов контролируемой ограждающей строительной конструкции выбирают согласно строительным нормам и правилам. Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1-7. На фиг. 1 представлена принципиальная схема проведения тепловизионного неразрушающего контроля и диагностики эффективности устройства тепловой защиты. На фиг. 2 - фрагмент ограждающей конструкции без воздушного зазора с конструкционной панелью из силикатного кирпича. На фиг. 3-7 представлены графики и диаграммы распределения температуры в ограждающих конструкциях в процессе контроля. Ограждающая конструкция 1 толщиной(фиг. 1) содержит панель 2, выполненную из бетона или кирпича, например силикатного, или из другого конструкционного материала, защищенную с наружной стороны Н слоем теплоизоляции, который выполнен из внутреннего слоя штукатурки 3, теплоизоляционного материала 4, например минераловатной плиты,воздушного зазора 5 или без воздушного зазора (фиг. 2) и наружного слоя штукатурки 6, либо содержать облицовочный материал, например плитку 11 (фиг. 2). С внутренней стороны В панели 2 монтируют систему охлаждения, содержащую слой теплоизоляции 7 вокруг области охлаждения 8 диаметром . С наружной стороны Н конструкции 1 на заданном расстоянии размещают тепловизор 9 с углом обзорав области контроля 10, размещенной оппозитно области охлажденияна внутренней стороне В панели 2. Способ реализуют следующим образом. На ограждающей конструкции 1 контролируемого объекта (здания, сооружения и т.п.) с внутренней стороны В в зоне контроля монтируют систему охлаждения, содержащую слой теплоизоляции 7 вокруг области охлаждения 8 с диаметром . Областьвыбирают оппозитно выбранной области контроля 10 панели 2. С наружной стороны контролируемого объекта на заданном расстоянии размещают тепловизор 9 под углом обзораобласти контроля 10. Затем ох 3 12812 1 2010.02.28 лаждают жидким азотом областьс внутренней стороны В поверхности панели 2 до температуры не менее- 40 С и обеспечивают разность температур и дополнительный к естественному температурный градиент между наружной Н и внутренней В поверхностями ограждающей конструкции 1. Далее производят термографическую (тепловизионную) съемку наружной поверхности стандартным тепловизором 9. Результаты измерений обрабатывают методом компьютерного моделирования, оценивают качество теплоизоляции ограждающей конструкции 1 и выявляют дефекты утепления конструкции объекта. Тепловизионную съемку ограждающих строительных конструкций осуществляют в реальных климатических условиях эксплуатации зданий и сооружений. Для оценки качества теплоизоляции и выявления дефектов используют стандартные значения теплофизических параметров материалов контролируемой конструкции, которые выбирают согласно строительным нормам и правилам (СНиП) и сравнивают с результатами измерений, полученными в процессе термографической съемки. Изобретение обладает новизной и, в отличие от прототипа, основано на использовании активного теплового неразрушающего контроля, сущность которого заключается в создании дополнительного градиента температуры между внутренней и наружной поверхностями обследуемой ограждающей строительной конструкции (ОСК). Дело в том, что в результате утепления ОСК происходит снижение тепловых потерь и температура на наружной поверхности ОСК уменьшается, что затрудняет применение обычно используемой для контроля тепловизионной техники с температурной чувствительностью ниже чем 0,5 С,так как в этих условиях значительно падает ее разрешающая способность. Новый способ активного теплового контроля обеспечивает возможность эффективной диагностики ОСК стандартными тепловизорами с достаточно низкой температурной чувствительностью. Изобретение отвечает критерию изобретательский уровень, т.к. из уровня техники не выявлены аналоги, из которых простой комбинацией известных приемов можно было бы очевидным образом достичь заявленного технического результата - осуществлять активный тепловой неразрушающий контроль ограждающих конструкций зданий с выявлением внутренних дефектов утепления с использованием метода глубокого охлаждения области контроля. Предлагаемое техническое решение позволяет применять стандартную тепловизионную технику с низкой температурной чувствительностью, что не следует явным образом для специалиста в области термографического контроля оболочек зданий в естественных условиях эксплуатации, который обычно выполняют по стандартным утвержденным методикам. Изобретение отвечает условию промышленная применимость, что следует из вышеизложенного способа его реализации и приведенных ниже примеров контроля и оценки качества ОСК. По результатам тепловизионной съемки с использованием метода компьютерного моделирования с учетом времени года выявляют дефекты утепления, возникающие в ограждающих конструкциях зданий. Исследованы ограждающие конструкции из ячеистого бетона (фиг. 3) с воздушной изоляцией и утеплением из теплоизолятора типа ,из силикатного кирпича (фиг. 2) с воздушной изоляцией и без нее при наличии утепляющего слоя из теплоизолятора типаи конструкции из эффективного кирпича с воздушной изоляцией и утеплением из теплоизолятора типа(фиг. 4). Данные по теплоизоляционным свойствам исследованных материалов приведены в таблице. Параметры Ветроизоляция ТеплоизоляцияШтукатурка (минеральная / облицовочная) 12812 1 2010.02.28 Силикатные кирпичные наполнители Твердая фаза воды Облицовочная плитка и штукатурка Ячеистый бетон Пенобетон плотный среднесухой Воздушный зазор влажный Кирпич полнотелый Кирпич эффективный Твердая фаза воды Граничные условия модели и свойств используемых материалов ОСК заданы для коэффициентов теплопередачи а 8 Вт/м 2 С, а 15 Вт/м 2 С, а 30 Вт/м 2 С, что соответствует скорости ветра 2, 5, 8 м/с соответственно внутренняя температура помещений Твнутр.22 С внешняя температура принималась равной - 25 С (зимние условия эксплуатации), 5 С (осенне-весенние условия эксплуатации) и 20 С (летние условия эксплуатации) область расчета представляет собой многослойный участок стены, состоящий из минеральной штукатурки (толщина 2 см), ячеистого бетона (толщина 25 см), теплоизоляции(толщина 4 см), воздушного зазора (толщина 6 см) и наружной облицовочной штукатурки (толщина 2 см). Граничные условия коэффициент теплопередачи а 8 Вт/м 2 С используемых материалов, что соответствует скорости ветра 2 м/с внутренняя температура помещений Твнутр.22 С внешняя температура принималась равной - 25 С (минусовые температуры зимние условия эксплуатации),5 С (холодное время года - осенне-весенние условия эксплуатации) и 30 С (теплое время года - летние условия эксплуатации). Область расчета (таблица) представляет собой многослойный участок стены, состоящий из минеральной штукатурки (толщина 2 см), ячеистого бетона (толщина 25 см), кирпичной кладки (толщиной 38-51 см), теплоизоляции(толщина 4 см),воздушного зазора (толщина 6 см), наружной облицовочной штукатурки (толщина 2 см). Моделирование и расчет температурных полей для стен строительных ограждающих конструкций выполнены для стандартных (паспортных условий) условий эксплуатации. Теплое время года. Тнар.30 С, а 8 Вт/м 2 С, Твн.22 С. Температура области с пониженной температурой задавалась следующими значениями минус 60 С, - 30 С,- 15 С и плюс 60 С. Холодное время года. Тнар.5 С, а 8 Вт/м 2 С, Тнв.22 С. Температура области с пониженной температурой минус 60 С, - 30 С, - 15 С и плюс 60 С. Минусовые температуры. Тнар.- 25 С, а 8 Вт/м 2 С, Твн.22 С. Температура области с пониженной температурой минус 60 С, - 30 С, - 15 С и плюс 60 С. Исследованы строительные конструкции различного строения в отсутствии тепловой изоляции стен в отсутствии воздушного зазора при однослойном теплоизолирующем слое с воздушным зазором при однослойной тепловой изоляции. Расчет ведут из условия, что геометрия расчетной области, свойства среды и параметры источников поля неизменны в направлении осидля декартовой системы координат. Ось- направление, перпендикулярное плоскостиконтроля ОСК, где и предполагается относительно равномерное распределение температур. Рабочей плоскостью для моделирования выбирается плоскость . Для поперечного сечения стены задаются начальные теплофизические свойства и граничные условия. Геометрическая конфигурация плоскопараллельной задачи для программного пакетаопределяется как набор многоугольных областей и подобластей, представляющих собой отдельные зоны стенки. 12812 1 2010.02.28 Тепловыделяющая поверхность стеновой панели характеризуется поверхностной плотностью тепловыделения для граничных условий второго рода на ребре рассматриваемой геометрической модели. Объемная плотность тепловыделения для блоков отсутствует. Область расчета представляет собой поперечное сечение стеновой панели из ограждающего строительного материала (ячеистый бетон, силикатный или красный кирпич) с теплоизоляцией и без нее. Предполагаемое охлаждение поверхности наружным воздухом при температуре окружающей среды Твн.30 С 5 С - 25 С. Задают также граничные условия на внутренней поверхности В стенки ОСК как поверхность равной температуры с Твн.22 С. На наружной Н границе модели стены задаются условия конвективного теплообмена с коэффициентом теплоотдачи а и Т 0 температуры окружающей среды. Параметры теплопередачи для каждого из ребер приняты для а 8 для различных ребер. Графики зависимости температуры на наружной Н поверхности панели от расстояния до области пятна с пониженной температурой представляют собой продольное сечение стеновой панели от края панели до области пятна зоны охлаждения . В качестве примеров реализации способа на фиг. 3-7 представлены диаграммы и графики результатов обследования ряда ОСК с использованием компьютерного моделирования для расчета параметров состояния утепления строительных конструкций,подвергнутых динамическому тепловому воздействию. Определены наиболее эффективные температурные воздействия на защитные свойства строительных конструкций с точки зрения тепловизионной диагностики, а также качества теплозащитных покрытий,применяемых при утеплении зданий. Пример 1. Контроль ОСК с панелью 2 из ячеистого бетона (фиг. 3). Контроль проведен в холодное время года. Система теплоизоляции однослойная из минераловатной плиты и выполнена с воздушным зазором 5. Температура воздуха с наружной Н поверхности панели Тнар.возд.5 С, температура на внутренней поверхности В панели Твн.22 С, значение наружного коэффициента теплообмена а 30 Вт/м 2 С. Диаметр областис пониженной температурой характеризуется значением, равным единице. Температура в области охлаждениясоставляет Тпятна- 40 С. Пример 2. Контроль ОСК с панелью 2 из силикатного кирпича (фиг. 4). Холодное время года. Панель с воздушным зазором 5 с однослойным теплоизолирующим материалом 4, нанесенным на слой штукатурки 6, температура на внутренней поверхности В панели Твн,22 С. Температура воздуха с наружной Н поверхности панели Тнар.возд.5 С, значение наружного коэффициента теплообмена а 8 Вт/м 2 С. Диаметр областис пониженной температурой характеризуется значением, равным 1,2. Температура в области охлаждениясоставляет Тпятна- 50 С. Пример 3. Контроль ОСК с панелью 2 из бетона (фиг. 5). Холодное время года. Воздушный зазор отсутствует при однослойном теплоизолирующем слое материала 4. Температура наружного воздуха Тнар.возд.5 С, значения наружного и внутреннего коэффициентов теплообмена а 8 Вт/м 2 С. Температура на внутренней поверхности В ОСК равна Твн.22 С. Диаметр области охлажденияхарактеризуется значением 1,4. Температура в области охлаждениясоставляет Тпятна- 55 С. Пример 4. Контроль ОСК с панелью 2 из ячеистого бетона (фиг. 6). Теплое время года. Наличие воздушного зазора при однослойном теплоизолирующем материале 4. Температура на внутренней поверхности В ОСК равна Твн.22 С. Температура наружного воздуха Тнар.возд.20 С, значение наружного коэффициента теплообмена а 15 Вт/м С. Диаметр 12812 1 2010.02.28 области охлажденияхарактеризуется значением 1,6. Температура в области охлаждениясоставляет пятна- 60 С. Пример 5. Контроль ОСК с панелью 2 из ячеистого бетона (фиг. 7). Внешние условия - минусовые температуры. Наличие воздушного зазора при однослойном теплоизолирующем слое. Температура на внутренней поверхности В ОСК равна Твн 22 С. Температура наружного воздуха Тнар.возд.- 25 С, значение наружного коэффициента теплообмена а 30 Вт/(м 2 С). Диаметр области охлажденияхарактеризуется значением 1,9. Температура в области охлаждениясоставляет Тпятна- 60 С. В каждом примере термографическую съемку ведут в реальных климатических условиях эксплуатации здания. Результаты тепловизионной съемки обрабатываются с использованием программного пакетаи в рамках разработанной компьютерной модели сравниваются со стандартными значениями теплофизических характеристик для строительных материалов согласно СНиП, которые введены в базу данных пакета . По результатам термографической съемки в автоматическом режиме на дисплей компьютера (на чертеже не показано) выводятся данные о состоянии теплозащитного покрытия обследуемого здания. Разработанный способ, по сравнению с прототипом, позволяет эффективно использовать стандартные средства измерения - тепловизоры, работающие в интервале температур от - 40 С до 50 С, с температурной чувствительностью ниже 0,5 С, например 525. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.