Введение к работе
з
Актуальность проблемы. В настоящее время значительная часть основных фондов производственных строительных конструкций превысила допустимый ресурс эксплуатации и в связи с этим удельное потребление Россией условного топлива в несколько раз выше, чем в западных странах. Как показал анализ, в первую очередь на это влияют следующие факторы:
сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций
(несущие стены и свегопрозрачные конструкции);
текущее положение точки росы и плоскости промерзания в наружных
ограждающих конструкциях. Не соответствие теплотехнических, эксплуатационных и энергетических характеристик объектов нормативным требованиям приводит к тому, что через наружные ограждающие конструкции (несущие стены и свегопрозрачные конструкции) теряется до 60% сверхнормативных потерь, а сами конструкции разрушаются вследствие нештатных циклов промерзания и оттаивания. Кроме того, если точка росы находится внутри помещения, то это приводит к образованию конденсата на стенах, и, как следствие, к разрушению утеплителя или внутренней поверхности стены, а, также, образованию грибковых соединений, негативно влияющих на здоровье людей, проживающих в помещении.
Энергетической стратегией России на период до 2020 года определено, что до V* необходимого прироста энергопотребления страны должно быть обеспечено за счет энергосберегающих мероприятий, а энергоэффективность и энергосбережение должны быть основным приоритетом энергетической стратегии России. При этом по экспертным оценкам Госстроя РФ, только в зданиях массовых серий сверх нормы теряется до 40% поступающих в них энергоресурсов.
Одними из определяющих теплотехническими характеристиками качества строительства является величина приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания (несущих стен и свегопрозрачных конструкций), положение точки росы, глубина фронта промерзания. Данные характеристики практически полностью описывают текущее теплотехническое состояние здания. В настоящее время они рассчитываются на стадии проектирования объекта, а согласно нормативной документации должны определяться и в реальных условиях эксплуатации зданий. Результаты, рассчитанные на основе проектных данных, имеют слишком большую погрешность и не отражают фактические эксплуатационные характеристики строительной конструкции, так как не учитывают наиболее важный этап между ее проектированием и эксплуатацией - этап строительства, на котором проектные характеристики конструкции могут быть существенно искажены как в лучшую, так и в худшую сторону.
Фактическое качество наружных ограждающих конструкций в настоящее время определяется методом теплового ^e^PSfHHfflSfflSOiblMSf»118 лишь при некоторых условиях для несущих
СК ї, ОДЩашяНШТЩКЛь те ущеіо состояния
теплофизических характеристик свегопрозрачных конструкций и определения точки росы и плоскости промерзания не позволяет определить состояние наружных ограждающих конструкций в комплексе для всего здания. Актуальность данной работы подтверждается рекомендациями и нормативными документами, а именно протоколом совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации и президиума Государственного совета Российской Федерации от 24 февраля 2004 года №1, согласно которому следует "сконцентрировать усилия и ресурсы на реализации конкурентно способных технологий, направленных на повышение эффективности использования энергетических и природных ресурсов и других перспективных технологий". Перспективность метода теплового неразрушающего контроля подтверждается Указом Президента Российской Федерации от 9 сентября 2004 года была присуждена Государственная премия в области науки и техники за 2003 год. Правительством Москвы принято Постановление от 9 октября 2001 года №912-ПП "О городской программе по энергосбережению в городе Москве", направленное на развитие инновационных научно-исследовательских программ в сфере энергосбережений. Аналогичные постановления сейчас утверждаются в Санкт-Петербурге, Тамбовской, Калининградской и других регионах Российской Федерации, а территориальные строительные нормы приняты сейчас уже в 32 областей России.
Учитывая общую интенсивную тенденцию развития методов и средств теплового неразрушающего контроля(ТНК), представляется весьма актуальным разработка и внедрение единого комплекса технологий метода ТНК для определения приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций (несущих стен и свегопрозрачных конструкций), определения точки росы и плоскости промерзания наружных ограждающих конструкций.
Цель работы. Определение комплексных показателей качества строительства: приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций (несущих стен и свегопрозрачных конструкций), точки росы и плоскости промерзания наружных ограждающих конструкций на базе единого комплексного обследования тепловизионными и другими средствами неразрушающего контроля в реальных условиях эксплуатации зданий.
В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи: 1.Анализ существующих методов и средств ТНК качества и диагностики технического состояния наружных ограждающих конструкций (несущих стен, свегопрозрачных конструкций - окон и балконных дверей), определения точки росы, плоскости промерзания, в т.ч. методов моделирования процесса неразрушающего контроля на основе решения обратных задач, состояния, развития и анализ применения технологии и аппаратуры ТНК. 2. Физико-математическое моделирование комплексного процесса ТНК: определения теплотехнических характеристик строительных объектов на основе решения прямой и обратной задач теплопроводности;
явлений тепло- и влагопереноса с учетом фазовых переходов жидкость -твердое тело в многослойных строительных объектах с определением текущего положения точки росы и плоскости промерзания;
процессов теплопередачи и определения теплотехнических характеристик светопрозрачных ограждающих конструкций;
анализа погрешности определения текущих теплофизических слоев многослойного объекта при проведении теплового неразрушающего контроля
-
Теоретическое обоснование и исследование процесса ТНК и диагностики технического состояния строительных объектов.
-
Разработка методических принципов, технологии измерения и оптимального комплекса оборудования теплового неразрушающего контроля для определения теплотехнических характеристик несущих стен и светопрозрачных конструкций строительных объектов, контроля температурно-влажностного режима строительных объектов измерения теплотехнических характеристик светопрозрачных ограждающих конструкций, оптимального измерения температуры и теплового потока.
5.Проведение экспериментальных модельных и натурных исследований и внедрение технологий теплового неразрушающего контроля для определения теплотехнических характеристик и контроля температурно-влажностного режима строительных объектов с определением достоверности результатов теплового неразрушающего контроля ограждающих конструкций зданий и строительных объектов.
Методы исследования, средства измерения и объекты контроля. Теоретический метод адекватного физико-математического моделирования процессов ТНК, методы решения некорректно поставленных задач на базе решения обратной задачи теплопроводности с использованием функционального и численного анализа, традиционные методы статистических исследований, элементы теории вероятности, методы теории погрешностей. Обработка данных проводилась на ЭВМ по оригинальным, написанным на алгоритмических языках TURBO C++ , Fortran, MS Visual C++ 7.0 в редакторах МАТЕМАТИКА 5.0, MathCad 2003, Mathlab 7.0 и стандартными программами обработки графической и текстовой информации.
Экспериментальные исследования проводились на метрологически аттестованных средствах автоматизированного неразрушающего контроля с использованием современной микропроцессорной измерительной аппаратуры. В качестве объектов контроля на практике исследовались многослойные строительные конструкции серийного и индивидиального проектирования, преимущественно панельного, монолитного и кирпичного типа конструкции.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем: 1. Разработана единая многофункциональная физико - математическая модель процессов теплового неразрушающего контроля строительных объектов тепло- и влагопереноса во время фазовых переходов жидкость - твердое тело в многослойных объектах на основе решения нелинейной задачи Стефана;
процесс теплопередачи для свегопрозрачных ограждающих конструкций (окон и балконных дверей) с учетом эффективного термического сопротивления воздушного зазора между стеклами на базе решения обратной задачи нелинейного уравнения нестационарной теплопроводности для многослойной области с помощью функционала правдоподобия; универсальная модель процесса теплопередачи многослойных объектов на базе решения обратной задачи уравнения нестационарной теплопроводности с помощью функционала правдоподобия при неполном наборе входных данных.
2. Разработан универсальный метод оценки достоверности результатов
теплового неразрушающего контроля ограждающих конструкции зданий в
условиях априорной неопределенности их качества и отсутствия эталона и
метод определения погрешностей измерений.
3. Получены основные закономерности процессов ТНК:
определены зависимости приведенного сопротивления теплопередаче
наружных ограждающих конструкций зданий(несущих стен) от
теплофизических и геометрических характеристик;
текущего положения точки росы и плоскости промерзания в реальных условиях эксплуатации исследуемых объектов, в частности, выявлено, что наиболее важным параметром для определения точки росы является начальное содержание влаги в материале;
зависимости сопротивления теплопередаче свегопрозрачных ограждающих конструкций от наиболее критического параметра - величины термического сопротивления воздушного зазора между стеклами.
По результатам разработанных технических решений получено решение на выдачу патента на изобретение по заявке №2004110611/04 от 08.04.2004г.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
1.Разработаны и реализованы технологии и методики, позволяющие в реальных
условиях эксплуатации объектов определять: текущее значение сопротивления теплопередаче в локальной зоне и приведенное сопротивление теплопередаче несущих стен; текущее положения точки росы и плоскости промерзания; сопротивление теплопередаче свегопрозрачных конструкций.
2.Разработан программно-аппаратный комплекс измерения в классе теплового
неразрушающего контроля локальных теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций(несущих стен, свегопрозрачных конструкций), приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций(несущих стен, свегопрозрачных конструкций), нахождения текущего положения плоскости промерзания и точки росы, абсолютного значения температуры и разности температуры окружающего воздуха и на поверхности объекта; адекватных значений теплового потока;
выбора оптимальных средств для бесконтактной регистрации
пространственного распределения тепловых полей;
корректного пространственного распределения температурного поля на
поверхностях объектов с помощью тепловизионной камеры. 3.Разработан математический аппарат (метод) и пакет прикладных программ оценки достоверности результатов теплового неразрушающего контроля промышленных объектов в условиях априорной неопределенности их качества и отсутствия эталона и метод определения погрешностей результатов контроля в зависимости от погрешности входных данных.
Реализация результатов работы.
Разработанные методики, программно-аппаратные средства многоканального
автоматизированного ТНК, физико-математические модели определения
теплотехнических характеристик стен и свегопрозрачных конструкций,
определения точки росы и плоскости промерзания и различные элементы
программного обеспечения использованы на 5 предприятиях различных
отраслей промышленности: АМО "ЗИЛ", НПО "Композит", НПО "Молния",
ООО "Технологический Институт "ВЕМО", ОАО "Мосгортепло".
Экономический эффект от внедрения созданных технологий на указанных
предприятиях составляет 6790000 рублей за отопительный сезон.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили
положительную оценку на конференциях:
16-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль
и диагностика», г. С.-Петербург, 9-12 сентября 2002г.;
Международная конференция 3-го Международного Форума «Высокие
технологии оборонного комплекса», г. Москва, 22-26 апреля 2002г., ВК
«ЭКСПОЦЕНТР» на Красной Пресне;
3-я международная конференция «Компьютерные методы и обратные задачи в
неразрушающем контроле и диагностике», г. Москва, 18-21 марта 2002г.;
6-я международная конференция «QIRT 2002 : 6th International Conference on
Quantitative Infrared thermography», Хорватия, 24-27сентября 2002 г.;
4-ыЙ Всероссийский с Международным участием научно-практический
семинар, Санкт-Петербург, Россия, 16-18 декабря 2003г.;
Quantitive NDE(QNDE), Висконсин, США, 27июля-1 августа, 2003г.;
7-я международная конференция «QIRT 2004: 6th International Conference on
Quantitative Infrared thermography», Брюссель, Бельгия, 5-8 июля 2004г.;
Всемирная конференция по неразрушающему контролю World Conference of
NonDestractive Testing, Канада, 29 августа - 4 сентября 2004г.;
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы,
из них 19 печатных статей, 2 методики, одна книга и одно положительное
решение о выдаче патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, выводов и списка литературы, включающего 138 наименований и 10
приложений. Основной текст диссертации содержит 148 страниц машинописного текста, 79 иллюстраций, 5 таблиц.
