Тепловизионное обследование не может заменить тепловые испытания зданий

В. И. Ливчак, вице-президент НП «АВОК», начальник отдела «Энергоэффективность зданий и сооружений, систем инженерного оборудования» Мосгосэкспертизы

Решение этой задачи предусмотрено МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях» и СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» – продекларировано, что спустя год после окончания строительства (чтобы большая часть влаги, накопившаяся в конструкциях от использования мокрых процессов, испарилась) необходимо проведение тепловых испытаний построенных зданий с целью выявления фактического удельного показателя энергоэффективности здания и других теплоэнергетических параметров.

Однако спустя год после введения в эксплуатацию здания строителей уже не найдешь, а тем более денег на проведение этих испытаний уже с них не получишь. Поэтому стали подменять тепловые испытания зданий тепловизионными обследованиями, проводимыми перед приемкой здания в эксплуатацию.

Они заключаются в тепловизионной съемке фасада здания, результатом которой является фотография этого фасада в инфракрасном изображении, где по оттенкам цвета можно установить поле температур на поверхности стены и по этому судить об относительно большей или меньшей величине теплового потока через выбранный участок площади. Такой метод в принципе может выявить локальные нарушения монтажа или ошибки в проекте, указывающие на недостаточную теплозащиту отдельных участков, но, как показывает практика, не позволяет дать количественной оценки приведенного сопротивления теплопередаче всей поверхности стены.

Подтверждением этого могут служить результаты тепловизионных обследований жилого здания по адресу: Москва, Б. Балканский пер., вл. 13/47, стр. 1. Не будем указывать организацию, проводившую эти испытания, поскольку это характерно для всех фирм, выполняющих эти работы, ибо получение достоверных количественных показателей, как показывает практика, недостижимая задача (за рубежом, хотя первые тепловизоры поступили к нам оттуда, нет решения этой задачи).

В отчете о тепловизионном обследовании этого дома, после ссылок на Грасгофа, Прандтля, Нуссельта, Рейнольдса, на конвективный, лучистый теплообмен и инфильтрационную составляющую теплообмена, на коэффициент поглощения абсолютно черного тела, после кучи страниц фотографий в инфракрасном изображении и таблиц температурных полей бездоказательно приводится якобы выведенная величина приведенного сопротивления теплопередаче стены 3,16 м²•°С/Вт (требуемая по СНиП 23-02-2003 для жилых зданий Москвы – 3,14 м²•°С/Вт) и делается вывод, что все в порядке, измеренная величина соответствует нормативным требованиям. Локальных нарушений нет. А в проекте эта величина равна 1,59 м²•°С/Вт и большей быть никак не может, т. к. существующая кирпичная стена утеплена только 50 мм слоем пенополистирола.

Раз невозможно тепловизионной съемкой определить величину приведенного сопротивления теплопередаче наружного ограждения, то кому нужны такие дорогостоящие испытания, лоббируемые определенными структурами, как обязательные при приемке в эксплуатацию каждого дома? Ведь у каждой проектной и монтажной организации, допущенных к строительству, есть лицензия на качественное и профессиональное выполнение порученных им работ, и поэтому нет необходимости на каждом объекте убеждаться в этом. Тепловизионные обследования возможны только в ответ на возникающие локальные жалобы в процессе эксплуатации, которые не могут иметь повсеместного распространения (но не на жалобы в целом по дому, причины которых, как правило, связаны не с теплозащитой здания).

Ничто не может заменить тепловые испытания здания с целью определения его фактического удельного теплопотребления, а через него отклонений от проектных величин сопротивлений теплопередаче и воздухопроницанию наружных ограждающих конструкций и подтверждения эффективности автоматического регулирования системы отопления. Тепловые испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 31168-2003 «Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление».

Эти испытания заключаются в том, что в отопительный период для определенных интервалов времени измеряют расход тепловой энергии на отопление, среднюю температуру воздуха внутри и снаружи здания и интенсивность суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Рассчитывают для тех же интервалов времени величины общих тепловых потерь через ограждающие конструкции здания, равные измеренным расходам тепловой энергии на отопление и суммарным теплопоступлениям (бытовым и солнечной радиации через светопроемы). По рассчитанным общим теплопотерям при соответствующих разностях температур внутреннего и наружного воздуха определяют линейную зависимость наилучшего приближения к этим данным. Используя эту линейную зависимость и зная размеры площади помещений и ограждающих конструкций, вычисляют общий коэффициент теплопередачи наружных ограждений здания и удельное потребление тепловой энергии на отопление здания за отопительный период, а также устанавливают класс энергетической эффективности здания.

Объект испытания должен иметь систему отопления, оснащенную устройствами авторегулирования, обеспечивающими заданную подачу теплоты для поддержания теплового и воздушного режимов в помещениях в пределах допустимых параметров в соответствии с ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» и стандарта АВОК-1-2004 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена», а также наличие устройств для измерения расхода потребленной тепловой энергии на отопление испытываемого объекта.

Наружные ограждающие конструкции должны находиться в состоянии, обеспечивающем нормальную эксплуатацию объекта в отопительный период: окна, балконные двери, наружные двери должны иметь уплотняющие прокладки в притворах. В испытываемом объекте должна отсутствовать какая-либо вентиляция с механическим побуждением.

Система регулирования подачи теплоты на отопление должна быть настроена на поддержание расчетного графика температур в подающем трубопроводе с углом наклона, обеспечивающим нулевую подачу теплоты на отопление при температуре наружного воздуха t_н = 12–13 °C для зданий, заселенностью менее 20 м² общей площади на человека, и 15 °С – для других жилых зданий. В случае если заранее известно, что в системе отопления имеется запас в поверхности нагрева отопительных приборов, расчетные параметры графика должны быть пересчитаны.

Результаты испытаний заносятся во вкладыш к энергетическому паспорту раздела «Энергоэффективность» и делаются рекомендации по повышению энергоэффективности испытываемого здания. Игнорирование перечисленных требований при проведении тепловых испытаний построенных зданий может значительно исказить полученные результаты или привести к напрасной трате времени и средств. Продемонстрируем это на примерах из практики.

В журнале «АВОК» 1997, № 3 приведена статья, в которой анализируются результаты тепловых испытаний типового 17-этажного 4-секционного жилого дома серии П-44Т за период октябрь–март 1993 года в Москве. Наружные стены выполнены из трехслойных железобетонных панелей с гибкими связями и теплоизоляционным слоем из пенополистирола толщиной 100 мм. Приведенное сопротивление теплопередаче панели по проекту составило 1,35 м²•°С/Вт. Окна с двухслойным остеклением в спаренных переплетах. Расчетный расход тепла на отопление из проекта –1 200 кВт.

Для регистрации измерений температуры наружного, внутреннего воздуха, теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления была использована автоматическая установка «Орион» с микропроцессором. Для определения теплопотребления зданием измерялся расход воды в системе отопления, который потом перемножался на разность температур теплоносителя. О регулировании подачи тепла на отопление ничего не говорилось, что свидетельствует об отсутствии такового, и это подтверждается результатом испытаний.

Не останавливаясь на графике зависимости суточного теплопотребления на отопление здания от среднесуточной разности температур внутреннего и наружного воздуха, которое из-за нестационарности процессов за такой короткий период имеет очень большой разбег показаний, перейдем к графику ежемесячного теплопотребления на отопление, величина которого более достоверна. На рис. 1 в квадрате, ограниченном разностью температур 10 и 25 °С, приводятся ежемесячные расходы тепла на отопление, зафиксированные за период измерений. По этим экспериментальным данным автором была построена прямая регрессии ∆Q = 101649 + 9963∆t с коэффициентом корреляции R²  = 0,87. Из этого уравнения вычислено наибольшее теплопотребление здания в 792 кВт и делается вывод, что фактическая мощность системы отопления в 1,5 раза ниже значения по проекту.

Рисунок 1. Результаты испытаний жилого дома серии П-44Т

Наложив полученный график на расширенный диапазон разности температур внутреннего и наружного воздуха, легко убедиться, что этот график пересекает линию нулевого расхода тепла на отопление при разности температур ниже -10 °С, т. е. нулевой расход тепла на отопление наступал не тогда, когда наружная температура сравнялась с внутренней, а при более высокой температуре наружного воздуха, что нарушает физический смысл.

Как было доказано в статье [1], расход тепла на отопление жилых зданий с учетом внутренних тепловыделений в квартирах пересекает нулевую линию при температуре наружного воздуха 12–15 °С. Поэтому график изменения теплопотребления здания в зависимости от температуры наружного воздуха надо начинать как минимум с t_н = 15 °С, т. е. с ∆t = 20 - 15 = 5 °С и проводить его вблизи к значениям, отклоняющихся в меньшую сторону от линии, осредняющей показания измерений математическим методом. В этом случае график приобретает другой угол наклона и пересекает линию, соответствующую наружной температуре, при которой наступает наибольшее энергопотребление, при значении мощности системы отопления 835000 / 30 / 24 = 1160 кВт, что близко к проектным данным и подтверждается массовым опытом эксплуатации зданий этой серии.

Также была проигнорирована необходимость обеспечения заданной, в зависимости от изменения наружной температуры, подачи тепла на отопление в экспериментальном 17-этажном жилом доме в районе Никулино. В этом доме была смонтирована горизонтальная поквартирная система отопления с теплосчетчиками на вводе в квартиру и термостатами на отопительных приборах, а система отопления всего дома была подключена через водоструйный элеватор без регулирования температуры подаваемого теплоносителя. В результате, несмотря на то, что здание было оснащено современной измерительной техникой с автоматической записью и компьютерной обработкой, экспериментаторы не смогли назвать объективно необходимый расход тепла на отопление этого дома и подтвердить энергоэффективность поквартирного отопления.

Не опубликованы пока результаты энергетического эффекта от реализации помимо поквартирных систем отопления еще и квартирных утилизаторов тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного на другом экспериментальном многоквартирном жилом доме на Красностуденческом проезде. А как необходимо подтверждение эффективности этих решений для расширения внедрения энергосберегающих мероприятий.

Отсутствуют публикации в специализированных журналах, подтверждающие натурными испытаниями, заявленное сокращение расхода тепла на отопление до 60 % от применения квартирных газовых генераторов тепла с закрытой топкой.

Подтверждением необходимости поддержания рассчитанного расхода тепла на отопление при проведении тепловых испытаний зданий могут служить натурные исследования ряда жилых домов от 5 до 25 этажей в течение отопительных сезонов 1968–1972 годов, выполненные в Московском научно-исследовательском институте типового и экспериментального проектирования (МНИИТЭП) с участием автора. Испытания включали: измерения фактического теплопотребления системой отопления дома, замер фактического объема, удаляемого вытяжной вентиляцией воздуха и температур внутреннего воздуха в квартирах.

Тогда, конечно, не было современных автоматических систем измерения разных параметров, не было быстродействующих контроллеров и компьютеров, но их отсутствие заменяли изобретательность и настойчивость. Это были первые комплексные испытания, когда замеряли не только расход тепла на отопление и температуры наружного и внутреннего воздуха, но и были предприняты попытки измерения расхода удаляемого вытяжного воздуха, и не разовым замером, а с непрерывной записью показаний за несколько недель и в целом по дому.

Так, для определения теплоотдачи системы отопления здания на тепловом вводе были установлены самопишущие приборы, осуществляющие непрерывную запись температур и расхода теплоносителя. Температуру воды в подающем (на вводе, до и после элеватора) и обратном трубопроводах измеряли хромелькопелевыми термопарами, подключенными к электронному потенциометру ЭПП-09 с непрерывной записью показаний на бумажный носитель. Расход теплоносителя измерялся с помощью дифференциального манометра ДМ, подключенного к вторичному прибору ДС-1 или ЭПиД, также с непрерывной записью. Дифманометр замеряет перепад давления либо в специально установленной мерной диафрагме, либо при ее отсутствии, в сопле элеватора. Затем, зная диаметры сужающих устройств, определяли расход воды.

Для определения объема удаляемого вытяжной вентиляцией воздуха силами лаборатории был изготовлен прибор, позволяющий осуществлять непрерывную запись скорости воздуха в вентиляционных каналах. Датчиками служили крыльчатые анемометры, на циферблате которых были установлены фотоприставки. Каждый оборот стрелки анемометра фиксировался и сигнал подавался на вторичный прибор Н-30. Замерив скорость воздуха в сборном канале и зная сечение последнего, определяли объем удаляемого вытяжной вентиляцией воздуха.

Подавляющее количество воздуха удаляется через каналы вытяжной вентиляции и только незначительная часть, и то при определенных условиях – путем эксфильтрации через окна. Поэтому для здания в целом о количестве инфильрующегося наружного воздуха с определенной достоверностью можно судить по объему воздуха, замеренного в сборных каналах вытяжной вентиляции. Выборочно проводили замеры расходов воздуха, удаляемого через вентиляционные решетки в квартирах, воздухопроницаемости окон и квартирных дверей, перепадов давлений между квартирами, наружным воздухом и лестничной клеткой.

Результаты измерения объемов удаляемого через сборные каналы вытяжной вентиляции воздуха за периоды в несколько суток в расчете на одну квартиру представлены на рис. 2 на примере 25-этажного жилого дома по пр. Мира. Из рисунка видно, что объем фактически удаляемого вытяжного воздуха значительно превышает нормируемое значение (140 м³/ч на квартиру, включающие 90 м³/ч из кухни с электроплитой и по 25 м³/ч из ванной и туалета) и зависит от изменения наружной температуры – увеличиваясь с ее понижением, и скорости ветра*.

*Поэтому в разработанном АВОК и утвержденном первым заместителем мэра г. Москвы «Руководстве по определению теплопотребления эксплуатируемыми жилыми зданиями» были приняты разные методики определения инфильтрующегося наружного воздуха: для зданий строительства до 2000 года с окнами, сопротивление воздухопроницанию которых таково, что объем удаляемого вытяжного воздуха выше нормативного значения – с учетом изменения его от наружной температуры и скорости ветра. И с постоянным количеством воздуха для зданий, сопротивление воздухопроницанию окон которых настолько высоко, что при самой низкой температуре наружного воздуха и расчетной скорости ветра объем инфильтрующегося воздуха ниже нормативного воздухообмена исходя из требований вентиляции квартиры (3 м³/ч на м² площади жилых комнат при заселенности менее 20 м² общей площади на человека и 30 м³/ч на человека или 0,35 обмена в час от объема квартиры при большей площади на жителя).

Рисунок 2. Результаты непрерывных измерений за периоды в несколько суток расходов воздуха в вытяжной вентиляции 25-этажного жилого дома, приведенные к расчетному воздухообмену

В доме система вытяжной вентиляции разделена по высоте на 2 зоны. Это позволило сопоставить режим инфильтрации воздуха верхней и нижней частей здания. Так, при t_н = 3 °С из нижней части через вентиляционные каналы удаляется воздуха на 13 % больше, чем из верхней, но уже при t_н = -14 °С это превышение составляет 27 % (действительный воздухообмен в квартирах нижних этажей из-за негерметичности междуэтажных перекрытий будет еще больше). Вследствие ветра происходит увеличение объема вытяжки из верхних этажей в большей степени, чем из нижних, например, при t_н = -5 °С и скорости ветра 5–7 м/с. Объем вытяжки из верхних этажей увеличился в 1,5 раза, в то время как из нижних этажей – на 35 %.

С учетом испытаний на других зданиях высотой в 9 этажей и выше можно сделать вывод, что производительность вытяжной вентиляции превышает нормативную при средних наружных температурах отопительного периода на 30–40 %. Такое превышение воздухообмена вызвано действием теплового напора и объясняется излишней воздухопроницаемостью окон и квартирных дверей, а также негерметичностью внутренних ограждений здания и недостатками запроектированных систем вытяжной вентиляции.

Таблица (подробнее)   Результаты тепловых испытаний жилых домов (на примере 9, 25-эт. зданий)

Трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения (стены, окна, чердачные перекрытия) определяли путем расчета для стационарного режима. Требуемый расход тепла на отопление принимался равным сумме трансмиссионных теплопотерь и расхода тепла на нагрев вентиляционного воздуха за вычетом бытовых тепловыделений в квартирах.

Замеры температур внутреннего воздуха проводили недельными термографами или медными термометрами сопротивления с непрерывной записью на электронный мост ЭМП-209. Причем для исследований выбирали квартиры, расположенные равномерно по высоте здания и в плане, с тем, чтобы можно было анализировать изменения температуры воздуха в квартирах разных этажей и ориентации от воздействия погодных и прочих возмущающих факторов.

Рисунок 3. Сопоставление фактического теплопотребления системами отопления зданий при различном воздухообмене в них с расчетными теплопотерями и уровень внутренних температур в квартирах при этом

Полученные в результате замеров данные, отраженные на километрах бумажных лент, анализировали по часам суток, а затем осредняли по периодам за несколько суток со сравнительно постоянными погодными условиями, чтобы исключить влияние случайных факторов и нестационарности режима. Температуру воздуха в квартирах осредняли раздельно по зонам (нижняя и верхняя часть здания, разные фасады) и в целом по зданию. Результаты замеров заносили в таблицы, пример которой только для 9, 25-этажных домов приводится ниже (остальные результаты измерений даны в [2]). Из столбца 7 таблицы видно, что фактический расход тепла на отопление составляет 0,65–1,0 для 9-этажного дома и 0,93–1,3 для 25-этажного дома в долях от требуемого, определенного по зависимости Q_о = Q_тр + Q_инф - Q_быт (где Q_инф определена при нормативном воздухообмене 140 м³/ч на квартиру для 9-этажного дома и 160 м³/ч для 25-этажного дома, а Q_быт соответственно 980 ккал/ч и 820 ккал/ч на квартиру).

На рис. 3 эти результаты вместе с результатами испытаний на других домах представлены в графическом виде по отношению к расчетному расходу тепла на отопление (для 9-этажного дома Q_о^р  = 117 500 ккал/ч, для 25-этажного дома – Q_о^р = 470 000 ккал/ч). Из-за несоблюдения режима автоматического регулирования подачи тепла на отопление наблюдаются, как уже было сказано, большие отклонения фактического теплопотребления. Например, для периода 28.2–04.3.71 (25-этажного дома) относительный расход тепла на отопление составил 422 000 / 470 000 = 0,9 (столбец 13) вместо требуемого 0,7 по графику рис. 3 для t_н = -13 °С. Но если пересчитать фактические результаты испытаний на те значения, при которых обеспечивался бы нормативный воздухообмен (рис. 4), то данные пересчета подтверждают определенную зависимость расхода тепла на отопление от температуры наружного воздуха с учетом постоянства бытовых тепловыделений. Для того же периода это будет: [420000 - 310000 x (255 - 160) / 255] / 470000 = 0,65 (столбец 14 таблицы), что близко к расчетному графику (линия 3, рис. 4).

Рисунок 4. Расчетные графики подачи тепла в системы отопления жилых зданий и результаты фактических замеров в пересчете на нормативный воздухообмен

Линией 1 на рис. 4 показан график изменения теплопотерь зданий, определенных при нормативном воздухообмене и t_в = 21 °С за вычетом бытовых тепловыделений и с учетом зависимости Q_o^тек = Q_o^p  (t_в - t_н^тек) / (t_в - t_н^р) [1]. Линиями 2 и 3 изображены графики необходимого расхода тепла в системе отопления с учетом постоянства бытовых тепловыделений, построенные по зависимости Q_o^тек = (Q_o^p + Q_быт)(t_в - t_н^тек) / (t_в - t_н^р) - Q_быт и рассчитанные на поддержание внутренней температуры в зданиях соответственно в 21 и 18 °С. В нижней части рисунка приведены значения средних температур воздуха, замеренных в квартирах этих зданий за соответствующие периоды. Из рисунка видно, что при исключении расхода тепла, идущего на нагрев избыточных количеств инфильтрующегося воздуха, необходимое потребление тепла жилыми домами укладывается в заданные рамки – подавляющее большинство точек лежит между линиями 2 и 3.

Тепловые испытания позволяют также оценить фактическую теплопроизводительность системы отопления – не только требуемый для данного дома расход тепла на отопление, но и какова теплоотдача системы отопления при расчетных параметрах теплоносителя. Если расчетная теплоотдача отличается от величины требуемого расхода тепла на отопление, то по методике, изложенной ниже, можно рассчитать новые расчетные параметры теплоносителя, обеспечивающие требуемый расход тепла.

Замерив температуры теплоносителя, поступающего в систему отопления и покидающего ее, и вычислив расход тепла на отопление за тот же период, можно рассчитать комплекс КF системы отопления:

KF = Q_о / [(t₁ +  t₂) / 2 - t_в].

В свою очередь коэффициент теплопередачи отопительных приборов практически пропорционален среднему температурному напору в степени m:

K = А[(t₁ + t₂) / 2 - t_в]^m.

Подставляя в предыдущую формулу, получим:

АF = Q_о / [(t₁ + t₂) / 2 - t_в]^{(1 + m)}.

По результатам измерений расхода тепла на отопление при постоянной циркуляции теплоносителя в ней наносим на логарифмическую шкалу семейство точек зависимости комплекса АF от среднего температурного напора, представляя систему отопления как один отопительный прибор. Осредняя поле точек линией с уклоном, равным степени m, получаем фактическую теплоотдачу системы отопления в зависимости от среднего температурного напора отопительного прибора, а при расчетных значениях параметра – расчетную фактическую теплоотдачу, которая сравнивается с расчетной из проекта, и делается вывод, насколько и в какую сторону они отличаются друг от друга.

Выразив отношение фактически замеренного расхода тепла на отопление к требуемому из энергетического паспорта в виде коэффициента запаса поверхности нагрева отопительных приборов к_зап = Q_о^ф / Q_о^тр, определяют требуемые значения температуры воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления:

t_1тр = t_в^р + 0,5 • (t₁^р - t₂^р)(Q_о^отн / к_зап) +

+ [(t₁^р + t₂^р) / 2 - t_в^р ](Q_о^отн / к_зап)^{1 / (1 + m)},

t_2тр = t_1тр - (t₁^р - t₂^р)(Q_о^отн / к_зап).

Здесь индекс 1 означает температуру в подающем трубопроводе; 2 – в обратном; Q_о^отн – относительный расход тепла на отопление, m – показатель степени в формуле определения коэффициента теплопередачи отопительных приборов, как правило, принимают m = 0,25. Чтобы установить значение требуемых температур, при расчетной наружной температуре (t_н^р) необходимо подставить Q_о^отн= 1.

Выполненные расчеты показывают, что, например, при завышении поверхности нагрева отопительных приборов на 20 % параметры теплоносителя, циркулирующего в системе отопления, должны составлять в расчетных условиях 84–63 °C вместо 95–70 °C. При подаче тепла в систему отопления по проектному графику температуры воды в подающем трубопроводе без учета этого запаса в теплопроизводительности системы перерасход тепла составил бы около 10 %. Эту методику можно использовать для определения расчетных параметров теплоносителя систем отопления в зданиях, где в процессе капитального ремонта выполнено утепление наружных стен и замена окон на энергоэффективные, а система отопления осталась прежней.

Литература

1. Ливчак В. И. Энергетическая паспортизация жилых и общественных зданий становится реальностью // Энергосбережение. 2006. № 3. С. 45–48.

2. Ливчак В. И., Комова Л. Н., Гейко В. Н. Натурные исследования работы систем централизованного теп-лоснабжения и отопления и пути сокращения потерь тепла. Сборник МНИИТЭП «Инженерное оборудование зданий». М., 1972.