Как известно, повышение эффективности использования тепловой энергии становится в настоящее время одним из приоритетных направлений науки и техники, в том числе и в строительстве.
Создание современных зданий и проведение реконструкции эксплуатируемого фонда с учетом нормативных требований к их энергопотреблению возможно только при высоком качестве проектирования и производства, использовании современных материалов и технологий, а также своевременной и обязательной диагностике реального состояния вновь возводимых, эксплуатируемых и реконструируемых объектов. Это особенно актуально, так как исследования показывают, что сверхнормативно теряется до 40% энергии, расходуемой на отопление зданий.
Разработанная в последние годы нормативно-правовая база позволяет при соответствующей организации достигать качественных (нормативных) удельных показателей энергопотребления [1].
Одним из необходимых этапов работ на этом пути является проведение теплового контроля и определение фактических теплотехнических характеристик строительных конструкций в условиях их эксплуатации.
В настоящее время узаконенными являются два подхода: предписывающий и потребительский [2]. В первом случае осуществляется контроль соответствия регламентируемых показателей термического сопротивления наружных ограждающих конструкций (стен, перекрытий, окон и др.). Во втором случае контролю подвергается суммарная величина теплопотребления объекта (здания).
В недавно вышедшей нормативной литературе [2,3,4,5] предусмотрено заполнение энергетического паспорта здания, включающего в себя нормативные, расчетные (проектные) и фактические теплоэнергетические показатели. Эти характеристики должны быть получены на стадиях разработки проекта конкретного строительного объекта, сдачи его в эксплуатацию и эксплуатации (выборочно и через год после сдачи).
Для определения фактического значения термического сопротивления ограждающих конструкций согласно нормативным документам можно использовать два метода:
· натурные испытания [6];
· тепловизионные обследования здания [7].
На наш взгляд, в данной ситуации предпочтителен комплексный подход: использование контактных измерений температуры в эталонных ("реперных") зонах по глади стены и тепловизионный контроль, который позволяет обследовать всё здание, а не отдельные его элементы, и выявить области аномальных температур.
Документы [6,7] ориентированы на устаревшую приборную базу, которая не обеспечивает необходимую пространственную разрешающую способность. Требования к обработке тепловизионных изображений и расчетные процедуры, регламентируемые в них, не учитывают процессы нестационарной теплопередачи, которые происходят в строительных конструкциях (тепловую инерцию зданий) в реальных условиях их эксплуатации, и имеют значительную погрешность (до 300-500%) при несоблюдении стационарных периодов стояния наружных температур во время проведения измерений. Испытания, проводимые согласно [8], имеют приемлемую погрешность, но трудно реализуемы на практике и могут быть применены только при минимальных размерах контролируемых фрагментов стен 2,0 х 2,0 м2 в отсутствии элементов, имеющих отличное от контролируемого фрагмента сопротивление теплопередаче.
Технологическим институтом "ВЕМО" разработана и внедрена в практику система комплексного теплового (тепловизионного) обследования зданий и строительных сооружений в реальных условиях их эксплуатации (в летний и зимний периоды) с определением их количественных характеристик [9,10] (рис. 1).
Методика позволяет произвести тепловой контроль строительных конструкций в натурных условиях их эксплуатации (с определением приведенного сопротивления теплопередаче по стенам и окнам), кроме того, в случае необходимости, возможно [11-13]:
· определение точки росы и координаты плоскости промерзания в ограждающих конструкциях;
· определение остаточного теплового ресурса здания при аварийном отключении теплоснабжения;
· выдача рекомендаций по необходимым мероприятиям для устранения сверхнормативных теплопотерь на участках их обнаружения.
При натурных исследованиях ограждающих конструкций возникает очень сложный вопрос об учете их влажности в зависимости от периода времени и ориентации по сторонам света. Правильная оценка влияния этих факторов и принятие оптимального решения при реконструкции здания представляет собой очень сложную задачу.
Следует отметить, что при проведении обследования на этапе сдачи объекта в эксплуатацию получают фактические показатели сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением окон) с учетом накопленной строительной и атмосферной влаги, поэтому они могут быть несколько ниже нормативных.
Так, по данным [14] во время приема здания в эксплуатацию влажность крупноблочных стен в ряде случаев достигает 13%, а стен из штучных материалов (глиняный кирпич) - 5%. При таких значениях влажности величина коэффициента теплопроводности возрастает почти в два раза. Следовательно, говорить о выполнении нормативных требований возможно только после высыхания материалов, которое происходит постепенно в режиме эксплуатации здания. По разным оценкам требуется от 2 до 5 - 6 лет для стабилизации влажностного режима ограждающих конструкций.
Величина сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций должна быть не ниже нормативной, указанной в [2], для того, чтобы:
· не допустить накопление влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации;
· ограничить количество влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха.
В методиках, разработанных "ВЕМО", относительное термическое сопротивление "реперных" участков и приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций здания в целом предлагается определять на базе следующих исследований. Сначала контактным методом проводится измерение температуры в выбранных "реперных" зонах в течение 3-5 суток. Затем рассчитывается термическое сопротивление стен в этих зонах с помощью современных методов решения обратных задач нестационарной теплопроводности (для установления масштаба). Далее производится тепловизионная съемка фасадов и торцевых частей здания. Используя полученные термограммы, можно выявить участки ограждающих конструкций здания с аномальной температурой.
Для проверки соответствия между реальными значениями термического сопротивления окон и балконных дверей и значениями, указанными в паспорте объекта целесообразно воспользоваться двумя методами или их комбинацией - натурные испытания и/или тепловизионный контроль. В этих случаях методику нормативная литература не регламентирует. Очевидно, что с точки зрения достоверности предпочтительна комбинация двух методов: при помощи натурных испытаний, устанавливается масштаб значений приведенных термических сопротивлений, а тепловизионные термограммы показывают уже значение сопротивлений по всем фасадам здания.
Кроме того, по результатам тепловизионной съемки можно судить о степени разрегулировки систем отопления за счет несанкционированной установки отопительных приборов.
Важно отметить серьезность вопроса об учете влажностного состояния ограждающих конструкций. При проведении контроля в период эксплуатации здания есть возможность проследить динамику изменения влажностного состояния ограждений по сравнению с прошлым обследованием (при сдаче здания в эксплуатацию). Анализ результатов обследований позволяет оценить, насколько параметры ограждающих конструкций удовлетворяют требованиям нормативной литературы [2]. Однако, с практической точки зрения, провести обследование объекта (особенно жилого здания) через год или более после сдачи в эксплуатацию, довольно сложно, т.к. проведение контактных измерений в помещениях, где проживают люди, не всегда представляется возможным. Поэтому, на наш взгляд наибольшее внимание следует уделять натурному контролю влажностных характеристик (а, следовательно, и теплопроводности) на этапе сдачи объекта в эксплуатацию и прогнозированию изменения этих характеристик по результатам исследований материалов в испытательных лабораториях.
Упомянутая выше методика позволяет на основании полученных реальных значений приведенного сопротивления теплопередаче определить положение точки росы, положение плоскости промерзания и оценить тепловое состояние строительной конструкции при аварийном отключении теплоснабжения (с определением максимально допустимого интервала времени отключения для проведения ремонтных работ или слива воды из системы отопления).
Последний фактор чрезвычайно важен при эксплуатации зданий. В основе технологии определения "безопасного" интервала времени отключения лежит математическая модель, описывающая процесс нестационарной теплопередачи в наружных и внутренних ограждающих конструкциях, цокольном этаже и чердачном помещении жилого дома с учетом граничных и начальных условий и внутренних источников энергии. В предлагаемой постановке задачи тепловое состояние жилого дома при возможной аварии в зимний период определяется расчетно-экспериментальным методом.
Одной из серьезных проблем, впервые решенных для описываемых методик, является определение погрешности контролируемых величин, в том числе определение зависимости значения погрешности искомой величины (выходной погрешности) от величин погрешности входных данных (входной погрешности) в реальных условиях эксплуатации объектов контроля и в условиях априорного отсутствия эталонов. Решение основано на частотном анализе задачи нестационарной теплопроводности на базе обратных дискретных преобразований Фурье и оценки результатов контроля методики математической статистики.
Анализ движения фронта замерзания (или оттаивания) влаги, содержащейся в наружных ограждениях здания, и координаты точки росы имеет большое практическое значение, так как они непосредственно связаны с вопросами долговечности ограждающих конструкций, формирования их реального теплового и влажностного режима. В зоне перемещения фронта промерзания создаются крайне неблагоприятные условия эксплуатации материала вследствие возможного чередования замерзания и оттаивания, которое постепенно приводит к снижению прочности, а в конечном счете и к разрушению конструкции, что особенно актуально для климатических зон с высокой влажностью.
Здесь следует сделать оговорку, что процесс замерзания влаги в ограждающей конструкции носит очень сложный характер. Действительно, влага в конструкции может находиться в связанном и свободном состоянии, материалы ограждения могут иметь различную структуру. Поэтому введение параметра - температура замораживания влаги в конструкции - не всегда верно, скорее надо вести разговор о вероятности замораживания. Также неоднозначны характеристики процесса конденсации, т.к. он зависит от влажности внутреннего и наружного воздуха, свойства материалов ограждающих конструкций, климата и т.д. В этом случае также уместно говорить о зоне риска.
В качестве примера использования предлагаемой методики [11,12] на рис. 2 (а, б) приведены графики зависимости температуры и положения границы фронта промерзания от времени для трехслойной стены, состоящей из кирпича (120 мм) - наружный слой, теплоизоляционного материала (200 мм) - средний слой и железобетона (200 мм) - внутренний слой. Температура внешней среды в течении суток меняется линейно от -20°С до -10°С С (весь процесс рассматривается в течении 5 суток). Температура внутренней (теплой) среды изменяется произвольно от +8° до +25°С. Видно, что плоскость промерзания в исследуемой ограждающей конструкции находится в утеплителе, а точка росы может выходить на внутреннюю поверхность стены.
По окончании обследования разрабатывается заключение по оптимальному способу реконструкции каждого строительного объекта с целью приведения в соответствие всех перечисленных выше параметров с действующей нормативной документацией: утепления (по критерию цена/качество) для снижения сверхнормативных тепловых потерь и повышения надежности конструкции, необходимых ремонтных работ электрооборудования и т.п.
На рисунках приведены термограммы и фотографии фасадов зданий, полученные при тепловизионном обследовании зданий в г. Москве, на которых градациями цвета (светло-желтый и белый) показаны участки повышенных потерь тепла через конструктивные элементы зданий.
Таким образом, осуществление контроля, в особенности с использованием современных технологий, за соблюдением нормативных требований по теплозащите зданий, качеству материалов и монтажу на различных стадиях строительного производства, позволяет эффективно бороться с излишними расходами тепла и способствует дальнейшему повышению энергоэффективности зданий и сооружений.
Будадин О.Н., д.т.н., лауреат Государственной премии, директор по науке, Абрамова Е.В., к.т.н., главный специалист Технологический институт "ВЕМО"
