Инфракрасная (ИК) термография (тепловидение) включает методы и средства бесконтактного анализа теплового излучения физических объектов, складывающегося из собственного излучения тел, интенсивность которого определяется их температурой и излучательными свойствами, а также из отраженного и прошедшего излучений посторонних источников. При низком уровне посторонних излучений ИК термограммы отражают структуру температурного поля исследуемого тела. В этом случае мы имеем дело с пирометрией — бесконтактным измерением температуры по собственному тепловому излучению тел. Основное отличие ИК тепловизоров от ИК термометров (пирометров) состоит в уникальной возможности фиксировать температуру в огромном количестве точек (до 10е) с частотой телевизионной развертки. Современные портативные измерительные тепловизоры обеспечивают формат 320×240 пикселей при частоте кадров 30 Гц. Другие стандартные параметры тепловизоров без охлаждения приемника излучения: температурная чувствительность 0,1° С, диапазон измеряемых температур — 20 ÷ 2000° С, масса прибора 2 ÷ 3 кг, запись до 200 ÷ 1000 термограмм на PCMCI карту. Приборы с азотным, термоэлектрическим или компрессорным охлаждением могут иметь более высокое температурное разрешение, но не всегда удобны при практической полевой съемке. Показывающие тепловизоры, то есть не обеспечивающие измерения температуры, могут иметь до 1024×1024 пикселей в кадре.
ИК термограммы визуализируются в одной из цветовых палитр, чаще применяются черно-белая, цветов радуги и компромиссная палитра цветов каления. Тепловидение характеризуется такими же особенностями расшифровки псевдоцветов, как и другие диагностические методы, работающие с изображениями (рентген, ультразвук, ЯМР и т. п.). Профессионалы зачастую предпочитают серые полутона, которые делают изображения более естественными. Компьютерная обработка изображений с последующим формированием цветных термограмм позволяет представить результаты съемки в наиболее наглядном виде.
Краткая историческая справка
Основные области промышленного применения тепловизионной диагностики: энергетика, нефтехимия, строительство, металлургия.
В строительстве различают диагностику крыш и ограждающих конструкций. Плоские гидроизолированные крыши являются идеальным объектом тепловизионной диагностики зон инфильтрации влаги. Осмотр проводится с борта вертолета или непосредственно путем обхода крыши. Ограждающие конструкции, как правило, инспектируются с земли. Объективной предпосылкой метода является наличие перепада температуры между внутренними помещениями и окружающей средой — не менее 10° С согласно требованиям стандарта ISO 6781-83.
В мировой практике строительная тепловизионная диагностика используется с 60-х гг. Пионером строительной термографии была шведская фирма AGA (затем AGEMA Infrared Systems), которая в 1998-99 гг. слилась с американскими фирмами FLIR и Inframetrics, создав в настоящее время крупнейшую мировую компанию FSI. Эта фирма поставляет на мировой рынок наибольшее число тепловизоров военного, а также промышленного и медицинского применения.
В силу особенностей климата Скандинавия, а затем Финляндия, Канада и США стали первыми странами, где тепловидение в строительстве нашло широкое применение. Начало внедрения метода в России (бывшем СССР) также датируется 60-ми гг., когда фирма AGA начала осваивать наш рынок. На протяжении ряда лет на базе шведских и отечественных систем во ВНИИ строительной физики, НИИ Мосстроя и некоторых других организациях проводились исследования и практические осмотры ограждающих конструкций, крыш, дымовых труб и других объектов. Большого распространения эти работы, обобщенные в монографии, не получили из-за высокой стоимости зарубежных тепловизоров и низкого качества отечественных приборов. Переход к новой экономической системе в России сопровождался, с одной стороны, большей доступностью зарубежной тепловизионной техники, с другой — повышенным интересом к энергосберегающим технологиям и технической диагностике сложных инженерных систем. С 1998 г. введена в действие новая редакция СНиП ||-3-79 «Строительная теплотехника», согласно которой при проектировании нового жилья сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций должно быть существенно увеличено (до 3 раз).
В последние годы на Западе произошла смена поколений тепловизоров. На место приборов со встроенными холодильниками пришли портативные тепловизоры с неохлаждаемыми мозаичными детекторами двух типов: показывающими (стоимостью 15-30 тыс. долларов) и измерительными (стоимостью 40 — 50 тыс. долларов). Разрыв между типичными зарубежными и отечественными приборами по нашим оценкам составляет 10 — 15 лет. Основными недостатками отечественных тепловизоров являются низкая метрологичность, необходимость охлаждения детектора, большие габариты и вес, отсутствие автономного питания и современных устройств записи термограмм.
В настоящей работе приводятся результаты использования тепловидения в строительстве, полученные в Томском НИИ интроскопии, начиная с 1994 г.
Цели тепловизионной диагностики в строительстве
В зависимости от технического задания заказчика тепловидение может применяться для
- общей качественной оценки теплового режима и количественного определения теплопотерь на отдельных участках;
- обнаружения дефектов строительства;
- оценки сопротивления теплопередаче.
Из опыта НИИ интроскопии следует, что тепловизионная диагностика эффективна
- на стадии передачи здания от строителей заказчику (при работе государственной комиссии);
- при определении объема ремонтных работ;
- расследовании жалоб жильцов;
- составлении энергетического паспорта здания, в котором отмечают особенности теплового режима и оценивают теплопотери как отдельных частей, так и всего здания в целом;
- при анализе эффективности новых строительных материалов и конструкций и оптимизации архитектурных решений.
Нормативная база
В США, Швеции, Финляндии утверждены национальные стандарты и разработаны инструктивные указания (guidelines) по строительному тепловидению. В Европе действует стандарт ISO 6781-83 [7], который вводит соответствующую терминологию и определяет самые общие положения. Репликой данного документа является ГОСТ 26629-85 [8]. В ряде СНиП тепловизоры упомянуты в качестве средства измерения температуры в строительстве. В Москве силами ряда организаций, в частности, НИИ Мосстроя, разработаны местные инструктивные документы по строительному тепловидению. На базе этих документов в Томском НИИ интроскопии разработана методика диагностики строительных конструкций, на основе которой в г. Северске Томской области указом главы администрации с 1999 г. внедрена 100 % тепловизионная диагностика нового жилья. Расценки на тепловизионные осмотры утверждены Прейскурантом Минтопэнерго РФ.
Оценка сопротивления теплопередаче
Сопротивление теплопередаче R является основной количественной характеристикой ограждающей конструкции:
Коэффициенты теплообмена на внутренних и наружных поверхностях зависят от условий съемки и требуют специальных измерений, в частности, с помощью датчиков теплового потока. Непосредственной характеристикой ограждающей конструкции является термическое сопротивление стенки Rt, которое легко определяется, если известны коэффициент теплопроводности и толщина стенки.
В строительной практике необходимо оценивать сопротивление теплопередаче на «живом» доме с целью установить соответствие фактических значений проектным. Методика определения этой величины регламентирована ГОСТ 26254-84. Расчетной формулой является:
Значения коэффициентов теплоотдачи на внутренних и наружных поверхностях измеряются экспериментально по средним тепловым потокам и средним температурам с помощью датчика теплового потока, например, ИТП-11.
Основная методическая проблема заключается в том, что определение R путем натурных измерений является типичной обратной задачей технической диагностики. Математически такие задачи являются некорректными (неустойчивыми), поскольку малым изменениям измеряемых параметров. Другим источником погрешности определения R является нестационарный характер реального теплообмена в зданиях, тогда как формула (2) справедлива для стационарного случая. По ГОСТ 26254-84 натурные испытания ограждающих конструкций следует проводить в течение 15 суток. С этой точки зрения тепловизор является таким же средством измерения температуры, как и термопара, поэтому необходимость отслеживать процесс нестационарного теплообмена снижает привлекательность тепловидения как оперативного способа исследования больших поверхностей.
По нашему опыту, применение тепловизоров в работах по оценке R, требуемых Госархстройнадзором при сдаче зданий в эксплуатацию, не дает преимуществ по сравнению со стандартными термопарами, поскольку эти работы требуют дополнительно применять датчики теплового потока и измерять температуру в течение длительного времени.
Тепловизионный метод более применим в лабораторных условиях, где легко выполнимо условие стационарности, и все необходимые параметры можно измерить с требуемой точностью. Например, размещая в климатической камере несколько образцов строительных материалов, возможно определить как абсолютные, так и относительные значения Rt. Разработанная в НИИ интроскопии компьютерная программа «Buildidge» позволяет преобразовывать стандартные термограммы в цветные распределения значения Rt по исследуемым поверхностям. Погрешность такого метода нами оценена на уровне ± 15 %.
Тепловизионная оценка сопротивления теплопередаче окон имеет свою специфику из-за 1) неламбертовского характера излучения и отражения на стеклянных поверхностях, 2) влияния воздушных протечек из оконных щелей на температуру поверхности стекла и 3) возможной полупрозрачности конструктивных элементов для ИК излучения, например, пленок, покрытий и т. д. Соответствующие методики разрабатываются.
Дефекты строительных конструкций (пассивный режим обнаружения)
Пассивный режим обнаружения скрытых дефектов возможен, если дефекты столь значительны, что температурные аномалии в зоне их нахождения возникают даже в стационарном режиме. В ограждающих конструкциях такими дефектами являются протечки воздуха, мостики холода и существенные локальные изменения сопротивления теплопередачи.
Амплитуда температурного сигнала в месте протечки (инфильтрации) воздуха зависит от перепада давления (температурного напора) между внутренними помещениями и наружной атмосферой. Температурный напор может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от особенностей вентиляции и высоты точки контроля. Во многих случаях именно протечки создают легко идентифицируемые температурные сигналы амплитудой до 6 — 12° С на внутренних поверхностях и до 3 — 6° С на наружных. Протечки характерны для угловых и температурных швов зданий, оконных проемов, подбалконных плит, козырьков и т. п. Типичное температурное поле дефектного углового шва в кирпичном доме показано на рис. 1а.
Мостики холода возникают в местах заделки элементов несущих конструкций (ригелей, балок, колонн), в частности, в результате непродуманных архитектурных решений. Например, при определенных температурных условиях металлические балки между крышей и стенами могут приводить к обильному образованию сосулек.
Локальные изменения R, если они не сопровождаются протечками воздуха, приводят к существенно меньшим температурным аномалиям: на наружных поверхностях температурные сигналы достигают 0,5-3° С, например, в зонах низкокачественной кирпичной кладки, в результате оседания утеплителя в панелях и т. п. При одинаковых температурах внутри помещений дефектные панели характеризуются повышенной температурой наружной поверхности (рис. 1 б).
Более тщательный анализ дефектов строительства производят при осмотре внутренних помещений. Типичные термограммы бездефектного и дефектного углового шва изображены на рис. 1 в, г.
Конечным результатом тепловизионного осмотра является карта дефектов (рис. 2), которая составляется на основе анализа как панорамных, так и отдельных термограмм.
Дефекты строительных конструкций (активный режим обнаружения)
Активная диагностика предусматривает наличие дополнительных источников теплового стимулирования объектов контроля. Выявление мест протечек воздуха может быть существенно улучшено путем искусственного понижения давления в отдельных помещениях.
Отслоения штукатурки от основной стены могут быть обнаружены как при естественном солнечном нагреве, так и путем принудительного нагрева с помощью электрических ламп накаливания или воздушных пушек. В частности, метод активной тепловизионной диагностики разрабатывается автором совместно с итальянскими исследователями при диагностике настенных фресок. В России этот метод был использован при обнаружении дефектов декоративной штукатурки на здании сценической коробки Новосибирского театра оперы и балета.
Отдельной сравнительно малоисследованной областью применения тепловидения в строительстве является анализ механических напряжений в конструкциях при циклической нагрузке. Известно, что механические деформации приводят к появлению температурных градиентов. Лабораторные исследования в этой области описаны. Анализ здания казармы Томского военного училища связи, разрушившейся в результате катастрофы в 1997 г., показал, что спустя неделю после разрушения в некоторых стыках горизонтальных ригелей и вертикальных колонн наблюдались температурные аномалии, которые через месяц полностью исчезли. Тем не менее, практическое использование тепловидения для предсказания разрушения зданий, в особенности при работающей в здании системе отопления, остается проблематичным и требует фундаментальных исследований.
Заключение
Тепловизионная диагностика строительных конструкций испытывает возрождение благодаря появлению на рынке портативных тепловизоров с неохпаждаемыми мозаичными детекторами излучения. Стандартная процедура диагностики включает 100 % осмотр наружных поверхностей здания и выборочный осмотр внутренних помещений в течение 1-2 часов с фиксацией 30 — 200 термограмм на гибких дисках или PCMCI картах. Конечным результатом осмотра является карта дефектов, на основе которой производится ремонт здания. Основными обнаруживаемыми дефектами являются протечки воздуха, мостики холода и участки пониженного сопротивления теплопередаче.
При дополнительной тепловой стимуляции возможно обнаружение скрытых структурных дефектов в активном режиме.
Тепловидение также может служить наглядным средством исследования механических напряжений в строительных конструкциях, однако его практическое применение для прогнозирования несущей способности сооружений остается проблематичным.
Современное состояние тепловизионной диагностики в строительстве характеризуется качественными оценками, в которых существенную роль играет опыт оператора-термографиста. Количественная оценка сопротивления теплопередаче в натурных экспериментах возможна по методике, регламентируемой ГОСТ 26254-84, и не дает тепловизорам существенных преимуществ перед стандартными контактными средствами измерения температуры.
Широкое внедрение тепловизионного метода сдерживается высокой стоимостью зарубежных и относительно низким качеством отечественных тепловизоров, а также отсутствием нормативных документов, которые бы создавали мотивацию для использования метода как строительными, так и эксплуатирующими организациями.
