Существующие методики тепловизионного обследования зданий в натурных условиях ориентированы главным образом на качественный характер получаемых результатов [1]. Температурное поле ограждающих конструкций строительных объектов является нестационарным из-за изменения температуры атмосферного воздуха и условий теплообмена на поверхности, связанных с метеорологическими факторами. Температура поверхности в данный момент определяется не только взаимодействием с наружной и внутренней средой, но и теплообменом в течение последних нескольких дней. Поэтому одновременно с тепловизионной съемкой обычно проводят дополнительные контактные измерения, регистрируют температуру и влажность воздуха, направление и скорость воздушных потоков внутри и снаружи здания.
В настоящее время ведутся работы по созданию методик количественной тепловизионной диагностики ограждающих конструкций зданий [2,3]. Успех в этом направлении приносят не только новые разработки тепловизионной техники, но и комплексное использование натурного и вычислительного экспериментов. Вычислительный эксперимент рассматривается как новый метод познания, конструирования, проектирования, который сочетает в себе достоинства теории и эксперимента. Широкое применение методологии вычислительного эксперимента позволяет поднять общий уровень теоретических исследований, дает возможность проводить их в более тесной связи с экспериментальными исследованиями.
В данной работе рассматривается количественное описание температурных пиков, связанных с высокотеплопроводными металлическими включениями в ограждающих конструкциях и наблюдаемых на тепловизионных снимках (рисунок 1). Сравниваются результаты расчетов, выполненных для двух случаев: при постоянной температуре окружающей среды text = const и ее циклическом изменении text(τ) =tav + Atsin(2πτ/T), где среднее значение tav = text, T = 1 сутки, и различных амплитудах температуры At.
Рисунок 1 - Распределение температуры вдоль линии L01, наблюдаемой на тепловизионном снимке панельного дома
Теплоперенос в трехслойной конструкции с высокотеплопроводной вставкой при циклическом изменении температуры внешней среды детально исследован в работах [4,5]. Уравнения теплопроводности решались методом конечных разностей. В инженерных расчетах все большее распространение получает метод конечных элементов, в котором используется дискретизация непосредственно расчетной схемы, а не дифференциальных уравнений, как в методе конечных разностей.
В рамках конечно-элементного программного комплекса Ansys-11 на языке APDL в виде макросов нами разработан программный продукт NIIMS, позволяющий проводить теплотехнические расчеты в соответствии с СНиП 23-02-2003 и СП 23-101-2004. Двухмерные или трехмерные геометрические модели конструкций в нем могут быть созданы как средствами пакета Ansys-11, так и по чертежам, выполненным в пакете Autocad. В расчетах использовались конечные квадратичные элементы PLANE77.
Рассматривалась двухмерная нестационарная задача теплопроводности:
Геометрические размеры трехслойной конструкции и значения теплофизических параметров выбирались такими же, как в работе [5].
В качестве граничных условий использовали конвективный теплообмен в узлах на внутренней поверхности стены с коэффициентами теплоотдачи согласно СНиП 23-02-03 αint = 8,7 Вт/(м2•°С), αext = 23 Вт/(м2•°С).
Температуру окружающей среды принимали или постоянной, или изменяющейся циклически во времени. В качестве начальных условий использовали стационарный профиль температур, полученный аналитическим решением одномерной задачи теплопроводности в трехслойной области.
На рисунке 2 приведены результаты расчетов профиля температур и плотности теплового потока в трехслойной ограждающей конструкции без теплопроводных включений при циклическом изменении температуры окружающей среды в течение 2 сут.
Рисунок 2 - Изменение профиля температур (вверху) и плотности теплового потока (внизу) в трехслойной ограждающей конструкции без теплопроводных включений и циклическом изменении температуры окружающей среды в течение 2 сут
Рассматриваемые элементы конструкций являются теплофизически однородными, поэтому изотермы расположены параллельно поверхности стенок, а удельные тепловые потоки, q = -λ•gradT(Вт/м2) направлены перпендикулярно им из помещения наружу.
Результаты расчетов распределения температурных полей и их градиентов вблизи металлического теплопроводного включения для случая постоянной температуры окружающей среды text = -15°С и для случая циклического изменения температуры при среднем ее значении tav = -15°С приведены на рисунках 3,4. Формирование температурного поля трехслойной ограждающей конструкции с теплопроводным включением описано в работах [4,5] .
Картина перераспределения тепловых потоков за счет неоднородностей материалов конструкции и геометрии хорошо видна на векторной диаграмме (рисунок 5), где направление, размер и цвет стрелок позволяют более детально проследить за распределением тепловых потоков. Во внешних кирпичных слоях возмущение температурного поля происходит сильнее, чем во внутреннем слое утеплителя. Большая часть теплоты проходит через боковые поверхности металлического включения. Максимальный градиент температурного поля наблюдается вблизи торцов металлического включения, а максимальное возмущение температурного поля - вдоль боковой поверхности вставки, в местах контакта кирпичных слоев с утеплителем.
Наличие высокотеплопроводной вставки приводит к понижению температуры в зоне ее размещения до сечения с координатой х=0,455 м и повышению температуры после этого сечения. Повышение температуры вдоль металлического включения приводит к появлению пиков на внешней поверхности ограждающей конструкции, которые и наблюдаются на тепловизионных снимках.
Рисунок 4 - Фрагменты контурных диаграмм распределения градиентов температур вблизи металлического включения для стационарного случая при постоянной температуре окружающей среды text = -15°С(вверху) и для случая циклического изменения температуры при среднем ее значении tav = -15°С(внизу)
Рисунок 5 - Фрагмент векторной диаграммы распределения градиентов температур вблизи высокотеплопроводной вставки при циклическом изменении температуры окружающей среды со средним ее значением tav = -15°С
На рисунке 6 приведены распределения температур и плотностей теплового потока на внешней поверхности трехслойной ограждающей конструкции для случая постоянной температуры окружающей среды text = -15°С(вверху) и для случая циклического изменения этой температуры с таким же средним ее значением tav = -15°С(внизу). Если амплитуды температурных пиков в обоих случаях имеют примерно одинаковое значение ≈2°С, то характер распределения тепловых потоков различен, и это необходимо учитывать при количественном анализе тепловизионных данных.
Рисунок 6 - Распределение температур (кривая черного цвета) и плотностей теплового потока q(Вт/м2)(кривая красного цвета) на внешней поверхности трехслойной ограждающей конструкции для случая постоянной температуры окружающей среды text = -15°С(вверху) и для случая циклического изменения этой температуры со средним ее значением tav = -15°С(внизу)
Литература
ISO 6781, Thermal insulation, qualitative detection of thermal irregularities in building envelopes, Infrared Method, 1999
Будадин О.Н. и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, - М: Наука, 2002
C1060-90, Standard Practice for Thermographic Inspection of Insulation Installations in Envelope Cavities of Frame Buildings, 2003
Хуторной А.Н., Цветков Н.А., Скачков С.И., Теплоперенос в плоской трехслойной системе с теплопроводными несквозными включениями// ИФЖ, -2002, т.75, №5,с.146-148
Кузин А.Я., Хуторной А.Н., Мирошниченко Т.А., Хон С.В., Теплоперенос в трехслойной конструкции с высокотеплопроводной вставкой при циклическом изменении температуры внешней среды// Теплофизика и аэромеханика, - 2005, т.12, № 1,с.85-94
