Содержание к диссертации
Введение
1. Температурное поле в плоском слое 9
1.1. Аналитическое решение уравнений теплопередачи. 11
1.2. Формулы для расчета температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности слоя 18
1.3. Вычисление температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности слоя. Анализ результатов . 22
2. Определение теплотехнических свойств слоя 35
3. Собственное тепловое излучение неметаллической поверхности ограждающих конструкций 55
4. Методика оценки теплотехнических характеристик ограждающих конструкций при однократной тепловой съемке 77
4.1. Оперативное обследование ограждающих конструкций 78
4.2. Интерпретация данных тепловой съемки на элементах ограждающих конструкций, не описываемых моделью плоского слоя . 85
4.3. Дефекты ограждающих конструкций 97
5. Результаты наружного обследования жилых домов . 102
Заключение 117
Список литературы 119
- Формулы для расчета температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности слоя
- Вычисление температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности слоя. Анализ результатов
- Собственное тепловое излучение неметаллической поверхности ограждающих конструкций
- Интерпретация данных тепловой съемки на элементах ограждающих конструкций, не описываемых моделью плоского слоя
Введение к работе
Важной частью социально-экономической политики любого государства является энергосбережение. В 1996 г. в Российской Федерации был утвержден "Закон об энергосбережении", который предусматривает проведение мероприятий и выполнение работ по сбережению энергоресурсов на стадии их производства, транспортировки и потребления. Закон имеет исключительно важное значение для нашей страны, так как доля энергетических затрат в себестоимости производимой продукции существенно превышает аналогичные показатели в промышленно развитых странах [2].
Энергосберегающие мероприятия, как неотъемлемую часть системы контроля, должны включать методы и средства определения фактического уровня тепловых потерь на стадии производства (ТЭЦ, котельные), транспортировки (теплопроводы) и потребления тепла (здания, сооружения) во всех структурах городского хозяйства.
Наиболее жесткие требования по эффективному использованию тепловой энергии предъявляются к жилым зданиям. Для этого, с 1 июля 1994 года введены в действия изменения СНиП 2.04.07 - 86 и СНиП 2.04.05 - 91 [52, 67-69, 83], касающиеся совершенствования систем теплоснабжения и сокращения тепловых потерь.
По величине удельного энергопотребления жилые здания в России существенно превосходят аналогичные здания в развитых зарубежных странах. С учетом климатических условий и продолжительности отопительного периода удельный расход тепла в России составляет 85 Вт-ч/(м -К-сут), в США - 44, в Швеции - 34 Вт-ч/(м2-К-сут) [48, 49, 86].
Теплоэнергетические свойства здания определяются тремя показателями [6, 8]: теплозащитой наружных ограждений оболочки здания [74], потреблением тепловой энергии зданием, расчетной установочной мощностью системы теплообеспечения здания. Постановлением министерства строительства Российской Федерации от 11.08.95 приняты изменения строительных норм и правил СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника» [68], регламентирующие увеличение теплозащитной способности ограждающих конструкций. «Новое строительство, реконструкция, модернизация и капительный ремонт зданий должны осуществляться в соответствии с повышенными требованиями к теплозащите ограждающих конструкций зданий». «Департаменту архитектуры обеспечить разработку проектных решений по увеличению теплозащиты проектируемых, вновь строящихся и существующих зданий в соответствии с установленными нормами».
Решению проблемы улучшения теплоэнергетических характеристик зданий и сооружений посвящено много серьезных научно-практических исследований: [52, 32, 37-39, 73, 75, 76, 94]. Министерство Науки России поручило Российской Академии архитектуры и строительных наук разработку критической технологии создания зданий с эффективным использованием энергии и термическую модернизацию существующей застройки [6, 8, 83].
Поэтому, в настоящее время, особенно важное значение принимает задача оценки теплозащитных свойств ограждающих конструкций.
В процессе эксплуатации материал ограждающих конструкций и само здание в целом подвергаются эрозии, естественному старению, испытывают переменные тепловые нагрузки, механические воздействия при движениях грунта, ветровом напоре, вибрации, при обледенении [20, 30, 40, 56]. Теплозащитные свойства необратимо ухудшаются, прежде всего, из-за возрастания проницаемости материала стен и образования механических повреждений [22, 59, 63].
Любые нарушения технологии изготовления ограждающих конструкций, строительства дома, низкое качество материалов, их неоднородность, нарушение режима эксплуатации зданий во много раз ускоряют разрушительные процессы [20, 56]. Ухудшение теплозащитных свойств в различных зонах фасадов зданий является предвестником уменьшения прочности конструкции и возникновения механических дефектов [9, 20, 22, 56, 59].
Поэтому мероприятия по определению фактических теплотехнических характеристик ограждающих конструкций имеют еще один важный аспект практического применения - оценку прочности, надежности зданий и сооружений, особенно если их теплозащитная оболочка является в то же время и несущей конструкцией.
Наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным методом обследования является тепловизионная съемка, позволяющая оперативно, с большой точностью и производительностью сканировать поверхности зданий и сооружений и документально регистрировать значения яркостнои температуры [9-11, 20, 43, 61, 92, 95,102].
Любые контактные методы измерений - малоэффективны для зданий и требуют больших затрат [4, 16, 20, 24, 42, 51, 55, 60, 66, 87, 90, 96]. Они могут быть использованы лишь для опорных измерений и для более детальных исследований на базе результатов дистанционного мониторинга.
Тепловизионное обследование оболочки зданий и сооружений позволяет оперативно выявить места и характер различного рода дефектов [9, 20, 97 - 99, 100, 102]. В европейских странах и в США приняты стандарты по строительному тепловидению [9, 50, 100] и его применение во многих случаях обследования является обязательным [9].
На основе данных тепловизионной съемки и небольшого объема опорных натурных измерений можно решить и более сложную задачу оценки величины теплотехнических характеристик ограждающих конструкций [9, 20, 25, 26, 35, 36, 95].
Существующие государственные стандарты, касающиеся методов определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (ГОСТ 26254 - 84) [24] и тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций (ГОСТ 26629 - 85) [25], рассчитаны на применение в условиях, близких к стационарным и требуют свободного доступа внутрь помещений.
Оба этих условия практически невозможно осуществить для реальных эксплуатируемых зданий и сооружений.
Условие состояния теплового поля, близкого к стационарному, при изменяющейся температуре атмосферного воздуха и других метеорологических факторов, при значительной тепловой инерции строительных материалов, по сути - практически невероятно. Кроме того, даже при наступлении такого события, его, наверное, невозможно предвидеть заранее. Выбор значений плотности теплового потока и температуры атмосферного воздуха, близких, в какие-то моменты, по величине к средним значениям за длительный период (15 суток), как это предусмотрено в [24] вовсе не означает, что температурное поле в эти моменты времени - стационарно. Доступ в жилые помещения нарушает социальные права людей и может быть осуществлен только с их согласия.
Необходимость определения величины термодинамической температуры поверхности оболочки здания по тепловизионным данным, регистрация суточных изменений температуры (плотности теплового потока) требуют длительных и дорогостоящих опорных измерений [4, 9, 42, 95] имеющих сравнительно невысокую точность [20, 24, 31, 55].
Использование относительной величины сопротивления передаче тепла [20, 24, 26] позволяет в значительной мере снизить влияние изменений условий теплообмена на поверхности ограждающей конструкции, но погрешность вычислений по формулам для стационарного температурного поля все равно остается большой и становится приемлемой (до 15 %) лишь при очень «удачных» погодных условиях, с малой амплитудой суточных колебаний температуры воздуха в течение 2-3 дней.
Теми же недостатками обладают и известные примеры и методы тепловизионного обследования зданий и сооружений, описанные в публикациях [12 - 14, 58, 77, 84, 95]. Реальная нестационарность температурного поля, неоптимальный методический подход к тепловизионному обследованию, невысокая точность измерений, влияние теплового излучения сторонних объектов приводят к большой принципиальной погрешности вычисления теплотехнических характеристик [20, 24, 26] и даже - к неправильному качественному описанию [9, 20].
Сложность проблемы оценки теплотехнических параметров оболочки зданий и сооружений в реальных природных условиях дистанционными и контактными измерениями, получаемые на практике неверные результаты [13, 14] обуславливают «крайне ограниченное применение [12]» тепловизионных методов обследования, отводя им роль лишь способа визуального обнаружения дефектов [97-100, 102].
Основными задачами, решению которых посвящена диссертация, являются: 1) разработка теоретических и методических основ количественной оценки теплотехнических характеристик элементов ограждающих конструкций в реальных нестационарных условиях по данным наружных измерений в произвольный момент времени, 2) разработка и практическое воплощение эффективного и оперативного метода обследования оболочки зданий и сооружений на основе материалов однократной инфракрасной съемки, 3) получение конкретных результатов обследования состояния фасадов и кровель большого количества жилых домов.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Аналитическое решение уравнений нестационарного температурного поля с произвольным граничным и неизвестным начальным условиями, применительно к плоским элементам ограждающих конструкций.
Метод оценки теплотехнических характеристик ограждающих конструкций по регистрируемым значениям яркостной температуры на их поверхности (в результате инфракрасной съемки) и данным опорных «контактных» измерений.
Способ учета тепловой засветки от ближайших объектов. Практические данные наружного обследования жилых домов в естественных условиях, анализ материалов модельных расчетов.
Научную новизну результатов работы составляют:
1) Формулы расчета температуры и плотности теплового потока с наружной поверхности плоских ограждающих конструкций в любой момент времени; 2) Предложенная относительная характеристика теплообмена на поверхности ограждающих конструкций и 3) Метод оценки теплотехнических параметров оболочки здания в реальных природных условиях по ее величине; 4) Формулы учета засветки от ближайших объектов и определения собственного теплового излучения оболочки здания.
Результаты теоретических и методических разработок, подтвержденные практическим опытом, дают возможность широкого использования дистанционной тепловой съемки для обследования зданий и сооружений в естественных условиях и количественной оценки теплотехнических свойств их оболочки.
Разработанная и успешно применяемая методика обследования и интерпретации данных тепловизионнои съемки и опорных измерений позволяет более точно и определенно оценить величину тепловых потерь и значения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций в реальных нестационарных условиях, более достоверно выявить места и характер дефектов оболочки зданий.
Методика дистанционной диагностики зданий и сооружений, определения величины тепловых потерь, через ограждающие конструкции, применяется ООО АП «ДИсСО» («Дистанционные исследования среды обитания») при регулярном массовом обследовании жилых и производственных объектов [103, 104, 107 - ПО].
Основная часть диссертации изложена в пяти главах. В первой главе формулируется и решается в аналитическом виде задача теплопереноса через плоский элемент ограждающей конструкции (именуемый слоем) при нестационарном теплообмене на внешней поверхности. Вторая глава посвящена решению обратной задачи - определению теплотехнических характеристик ограждающей конструкции по регистрируемым значениям температуры на ее наружной поверхности. В третьей главе описывается решение задачи определения собственного теплового излучения обследуемого объекта и способы количественного учета засветки (облученности) от других объектов. Четвертая глава содержит методику оценки теплотехнических параметров оболочки здания по данным однократной тепловой съемки и минимума опорных измерений. В пятой главе приведены результаты тепловизионного обследования конкретных жилых зданий.
Работа иллюстрируется большим количеством инфракрасных снимков реальных объектов, а также модельных и фактических графиков.
Основные научные положения диссертации опубликованы в восьми статьях:
Формулы для расчета температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности слоя
Значения T(0,t) из уравнения (1.22) совпадают с решением (1.1) традиционным методом разделения переменных при стационарном начальном условии и Тв(і) = Тв0 + aSin[rncot] [30].
В более общем случае, когда То и Тв0 не соотносятся как стационарные значения (1.20), в выражении (1.22) вместо [Ts - Тв(і)]/(Кг + 1) следует подставить разность То - Тв0. Дальнейшие разработки, методические приемы и способы, описанные в Главе 2, непосредственно приемлемы также и для этого варианта.
При выводе уравнения (1.22) коэффициент теплообмена К считался постоянным. Реально же К есть функция от времени, причем ее значения могут довольно быстро изменяться (например, при порывах ветра) [53, 62,101].
Формулы (1.14), с учетом (1.11), в принципе можно разрешить и при переменном К. При этом величина К, как функция от времени, требует представления в виде ряда Фурье.
Измерение величины коэффициента теплообмена в реальных условиях в течение длительного интервала времени (более суток) не имеет существенного практического смысла. Быстроосициллирующей составляющей функции K(t) можно пренебречь, учитывая большую тепловую инерцию материалов ограждающих конструкций [7]. А более низкочастотная составляющая колебаний значений К весьма неопределенна как по координатам, так и по времени. Она зависит от высоты, защищенности от ветра, от положения и ориентации слоя, от метеорологических факторов. Погрешность измерения величины коэффициента теплообмена весьма велика [40, 62] и, может быть, более рационально принимать К постоянным, чем пытаться учесть изменения его величины в пространстве и во времени [106].
Для практических целей удобнее проводить обследования при стабильных погодных условиях. Как уже говорилось ранее - при сплошной облачности в безветренную погоду, без дождя. Поэтому в дальнейшем будем подразумевать постоянную величину коэффициента теплообмена. Полученные формулы дают возможность вычислять температуру на наружной поверхности слоя и плотность теплового потока по температуре наружного воздуха при известных теплофизических характеристиках слоя. Очень важным условием применения всех формул является достаточно большое значение предшествующего времени, в течение которого необходимо иметь данные о температуре наружного воздуха. Нельзя рассматривать величины t меньше одних суток. В противном случае следует учитывать экспоненциальные члены, которыми мы пренебрегли. По сроку влияния предшествующих изменений температуры для ограждающих конструкций следует выбирать временной интервал аппроксимации зависимости Тв(г) не менее двух суток. Коэффициенты разложения зависимости температуры наружного воздуха от времени: Тв0, ат, (Зт и вычисляемые коэффициенты представления T(0,t) будут различными для разных начальных точек отсчета и для баз аппроксимации различной длины. Значения этих коэффициентов будут постоянными, только если функция Тв(і) является периодической. Определение значений коэффициентов аппроксимации функции температуры атмосферного воздуха рядом Фурье (1.19) лучше всего осуществить на основе минимизации среднеквадратического отклонения. Результаты вычислений этим способом являются более устойчивыми по отношению к случайной погрешности в измеренных дискретных значениях На Рис. 1.1 представлены результаты аппроксимации реальных значений температуры атмосферного воздуха в Вологде с 20.03.98 по 22.03.98 по данным метеостанции. Длина базы аппроксимации (временной интервал) составляет двое суток. Показаны аппроксимирующие зависимости TB(t) для двух временных интервалов. Аппроксимация производилась с точностью до восьмой гармоники (период 6 часов - четверть суток). Там же показаны амплитуды гармоник. Рис. 1.1 представляет типичную ситуацию, когда наибольшую амплитуду имеют колебания температуры воздуха с периодом в одни сутки, связанные с вращением Земли. Рис. 1.2 соответствует случаю, когда колебания температуры воздуха, вызванные метеорологическими причинами (с периодом в 2 суток, 2/3 или 0.5 суток), имеют большую амплитуду. На Рис. 1.2 приведены результаты измерения температуры воздуха у стен домов на высоте около 1.5 метров. Ход температурной кривой вблизи стен домов в целом повторяет метеорологические измерения вне пределов города, но, для зимних условий, имеет сдвиг на 1 - 1.5С, так как отапливаемые объекты обогревают атмосферный воздух. На Рис. 1.3 приведены расчетные графики температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности стены, толщиной Н = 0.5 м и термическим сопротивлением г = 1.0 м К/Вт, из материала с различной величиной произведения плотности р на теплоемкость С. Вычисления выполнены по формулам (1.22) и (1.23) для реальных данных изменения температуры окружающего воздуха за двое суток, соответствующих Рис. 1.1, при величине коэффициента теплообмена К = 20 Вт/м К и температуре внутренней поверхности стены Ts = 18С. Величина произведения плотности на теплоемкость (объемная теплоемкость) составила: рС = 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0-106 Дж/м К сверху вниз по графикам.
По данным изменения температуры атмосферного воздуха, в период 26 -27 февраля и 1 - 2 января 2000 года, рассчитаны графики плотности теплового потока с наружной поверхности стены панельного дома при термическом сопротивлении г == 1.0 и 0.8 м К/Вт. Результаты приведены на Рис. 1.4. Толщина стены Н = 0.34 м, К = 15 Вт/м2К, Ts = 18С, рС = 1.0-106 Дж/м3К. На графиках указаны измеренные значения плотности теплового потока с наружной поверхности стен. Измерения q(0,t) проводились как в зонах с предполагаемой нормативной величиной термического сопротивления стен (г = 1 м2К/Вт), так и на участках стен с повышенным тепловым потоком, возможно обусловленным уменьшением г (г 1).
Вычисление температуры и плотности теплового потока на наружной поверхности слоя. Анализ результатов
В этой главе речь пойдет о решении задачи определения теплотехнических характеристик слоя по наблюденным значениям температуры атмосферного воздуха Тв(і) и наружной поверхности слоя T(0,t).
В качестве искомых теплотехнических характеристик слоя будем рассматривать: термическое сопротивление - г, произведение плотности на теплоемкость вещества слоя (объемную теплоемкость) - рС. Как уже отмечалось ранее при постановке задачи в Главе 1, эти характеристики являются эффективными. Величину коэффициента теплообмена К также следует отнести к свойствам слоя, поскольку она характеризует поверхность слоя. Температура внутренней поверхности слоя Ts свойством слоя не является. Она - внешний фактор, изменение величины которого надо учитывать при оценке свойств слоя на различных участках.
Толщину слоя будем считать постоянной. В случае необходимости определения Н нетрудно соответствующим образом поставить и эту задачу.
Дополнительно будем использовать такую важную «потребительскую» характеристику свойств слоя, как величину средних за период (сутки или более) тепловых потерь. Этот показатель является обобщающей величиной, обусловленной свойствами слоя.
Прежде всего, встает вопрос о возможности разделить влияние г, рС, К на функцию T(0,t). В формулу (1.22), определяющую T(0,t), указанные величины входят в виде парных произведений: (К-г) и (г-рС), поэтому для нескольких значений T(0,t) (минимум - четырех) систему уравнений (1.22) можно разрешить относительно всех указанных неизвестных. При этом для некоторых значений времени t найти решение нельзя (например, точки инверсии). Плотность и теплоемкость раздельно найти нельзя, только - их произведение. Полученные уравнения для температуры и плотности теплового потока с наружной поверхности слоя показывают, что соотношение значений T(0,t) или q(0,t) для слоев с разными характеристиками различны в разное время. Также и связь величины T(0,t) или q(0,t) с каким-либо теплотехническим параметром зависит от конкретного значения времени.
Например, можно получить связь между мгновенными значениями плотности теплового потока с наружной поверхности слоев, отличающихся каким-то одним свойством. Наиболее интересными в практическом отношении оказываются зависимости между q(0,t) для слоев с различными г и рС. Эти зависимости хорошо аппроксимируются линейными. То есть мгновенные величины q(0,t) оказываются близки к пропорциональным. Такие зависимости для 21.03.98 в г. Вологда представлены на Рис. 2.1.
Свойство пропорциональности (с точностью до 10%) мгновенных величин q(0,t) или сопротивлений теплопередаче также установлено экспериментально [20, 26] при испытаниях в климатической камере. На практике, при обследовании протяженных ограждающих конструкций, измерение значений температуры наружной поверхности несколько раз в сутки целесообразно осуществлять только для нескольких, базовых точек. А оценку теплотехнических свойств слоя (ограждающей конструкции) проводить относительно этих свойств в базовых точках. Для массового определения теплотехнических параметров слоя в реальных условиях предпочтительнее всего использовать относительную характеристику теплообмена между поверхностью слоя и внешней средой в момент времени і, обозначаемую в дальнейшем ft), равную отношению разности температуры поверхности ограждающей конструкции T(0,t) и воздуха Тв(і) к этой разности для базового участка (): При равенстве коэффициентов теплообмена К для обеих точек поверхности, характеристика ft) равна отношению плотности тепловых потоков в этих точках. Значения/ ) , q(0,t), T(0,t) зависят от координат на поверхности слоя и обусловлены величиной теплотехнических характеристик слоя в рассматриваемой зоне: термическим сопротивлением слоя г, коэффициентом теплообмена с атмосферным воздухом К, произведением плотности на теплоемкость вещества слоя рС и значением температуры внутренней поверхности слоя Ts. Эта Z(t), обусловленная изменением температуры атмосферного воздуха, помимо времени зависит также от перечисленных выше параметров (кроме Ts), а значит - от координат. Рассмотрим связь параметра Ді) со свойствами слоя и факторами, которые необходимо учитывать при оценке теплотехнических характеристик слоя. С другой стороны A = (Kr + l)[T(0,t) - T6(0,t)], откуда следует вывод о том, что изменение температуры наружной поверхности слоя примерно в 15 -20 раз меньше, чем вызывающее его изменение температуры внутренней поверхности слоя. Линейную зависимость величины отклонения температуры внутренней поверхности слоя от можно записать в более удобном виде: Здесь (в формуле 2.3) оставлена возможность непосредственного учета различия температуры внутренней поверхности слоя Ts. Исходя из (2.3), для любого допустимого времени наблюдения (когда знаменатель не близок к нулю) можно вычислить зависимость между Ді) и отношением г / г6. Тогда по наблюденному значению Ді) в любой точке слоя можно определить отношение значения термического сопротивления к его значению в базовой точке. Примеры реальных зависимостей Ді) от отношения г/гб для стены кирпичного дома (толщина Н = 0.7 м) показаны на Рис. 2.2. Расчеты проведены по данным температуры воздуха в г. Вологда с 20.03.98 по 22.03.98 для интервалов времени с 15 до 28 и с 40 до 52 часов, с шагом в 1 час (см. Рис. 1.1). К = 20 Вт/м2К, рС = 106 Дж/м3К.
Собственное тепловое излучение неметаллической поверхности ограждающих конструкций
Излучение газов носит объемный характер (излучает вся толща газа) и для газов отсутствует эффект отражения теплового излучения. Толща газа характеризуется коэффициентом пропускания и поглощения (он же -коэффициент излучения). Поэтому атмосфера, за исключением случаев обильного выпадения осадков и сильной запыленности, не является средой, частично отражающей тепловое излучение объектов, и поэтому спектральная энергетическая яркость излучения атмосферы (ВЄАТ) не зависит от излучения самого объекта [17, 33].
Засветкой элементарной площадки поверхности слоя называется отраженная часть теплового излучения других объектов. Величина ВЄАт и, следовательно, засветка элементарной площадки слоя (ограждающей конструкции) зависит от угла наклона нормали к площадке к зениту. Засветка максимальна при вертикальном расположении поверхности слоя и минимальна - при горизонтальном. Это связано с тем, что при увеличении зенитного угла от 0 до 90 градусов увеличивается толщина атмосферы, а, значит, увеличивается коэффициент излучения (уменьшается коэффициент пропускания) и увеличивается средняя температура наиболее плотной приземной части атмосферы (температура атмосферы уменьшается с высотой). Засветка также зависит от метеорологических характеристик атмосферы и, прежде всего, от облачности. При постоянном зенитном угле поверхности ограждающей конструкции (стена, плоская кровля) при сравнительно небольшом изменении координаты по высоте (порядка 100 м) и при неизменных метеорологических характеристиках атмосферы в рассматриваемой области облучение (освещенность) любого участка поверхности будет постоянна. Облучение элемента dS поверхности слоя от атмосферы равна: из которого поверхность слоя отразит (1 - e)dQAT, что и будет являться засветкой dR элемента dS от атмосферы [33]. где єАт - эффективный средний коэффициент излучения атмосферы, а - постоянная Стефана-Больцмана, ТАт - эффективная средняя температура атмосферы. Эффективные средние величины - в смысле интегрирования по всему пространству неба в пределах видимости с площадки dS. Они зависят от зенитного угла площадки dS. Угловой коэффициент излучения Cds равен 1 для идеальной серой горизонтальной площадки , 0.5 - для идеальной серой вертикальной площадки. Для реальной поверхности dS в наших примерах соответствующими значениями f ds являются 0.93 и 0.31. В Таблице 3.1 приведены данные об эффективной освещенности поверхности объектов со стороны неба [17]. Эффективная температура неба, даже при сплошной облачности, ниже температуры поверхности земли и наземных объектов. Поэтому, если часть неба закрыта каким-либо объектом, то эффект засветки от этого объекта усиливается также тем, что уменьшается засветка от более холодного неба. Засветка площадки со стороны поверхности земли может быть выражена аналогично (3.6), но энергетическая светимость поверхности земли - Ме3 зависит от координат, поскольку отражается часть теплового излучения от наземных объектов, и, прежде всего, от самой площадки. Это означает, что сама величина Мез - является эффективной. Засветка наземных объектов, со стороны поверхности земли, так же как и от атмосферы (верхней полусферы), практически равномерна. Это очевидно из чисто геометрических соображений, ввиду большого размера источников засветки и ввиду большого расстояния до освещаемого объекта. Неравномерную засветку порождает освещённость от конечного объекта, находящегося на сравнительно близком расстоянии, имеющего сравнительно малые размеры и поэтому частично закрывающего «фоновую» освещенность от атмосферы и поверхности земли. Засветка от конечных объектов. Прямой расчет засветки от конечных объектов может представлять серьезные математические и практические трудности, связанные с определением геометрических коэффициентов облучения и энергетической светимости в каждой точке источника засветки [45, 46, 78]. Согласно [5] «решение задачи о лучистом теплообмене между произвольными нечерными телами связано с большими математическими трудностями и слишком сложно для практического использования». Существенно упрощает ситуацию то обстоятельство, что любая точка поверхности (за исключением щелей и т.п.) освещается из области, почти равной полусфере (телесный угол = 2фтах). Поэтому засветка от конечного объекта для конкретной точки поверхности определяется площадью сечения этого объекта, видимого из этой точки, и его средней светимостью. Если объект практически изометричен и целиком попадает в область видимости со стороны любой точки поверхности, то засветка поверхности от объекта будет равномерна. Тот же эффект равномерной засветки будет и в случае, если источник засветки закрывает практически всю область видимости из любой точки поверхности и имеет одинаковую среднюю светимость. Таким образом, от условно называемых «больших» и «малых» объектов -засветка равномерна. Неравномерную освещенность по площади создают только объекты, зона видимости которых зависит от координаты точки. Рассмотрим простой пример, на основе которого можно количественно учесть практически любую реальную засветку. Это - засветка плоскости от примыкающего вертикального выступа, высотой Н и большой длины. Сечение такого элемента, в котором изменяется величина освещенности, показано на Рис. 3.5. В этом случае можно рассматривать только плоские углы.
Интерпретация данных тепловой съемки на элементах ограждающих конструкций, не описываемых моделью плоского слоя
В этом случае будет наблюдаться интересная особенность -относительная засветка (превышение яркости засветки над фоновой) в верхней части стены у угла будет отрицательной, поскольку в этой области выступающий угол стены, закрывает часть поля обзора более теплой земли.
Изолинии яркости относительной засветки стены, соответствующие трем рассмотренным случаям, приведены на Рис. ЗЛО. Как и в рассмотренном ранее двумерном случае (Рис. 3.5), при увеличении горизонтальной длины Y бокового выступа расстояние между изолиниями относительной засветки увеличиваются и при удалении от угла (по оси ОХ) яркость засветки изменяется менее сильно. Аналогичным образом можно рассчитать поле яркости (изолинии) относительной засветки для любой геометрической модели объекта. Необходимую информацию о яркости эффективного теплового излучения неба, поверхности земли и рассматриваемых конструкционных элементов зданий можно получить прямыми тепловизионными измерениями. При этом, диапазон измерения яркости в тепловизоре должен быть огрублен, чтобы осредненные значения яркости неба, конструкционного элемента и поверхности земли попадали в одну шкалу яркостной температуры. Регистрируемые значения яркости эффективного теплового излучения неба и поверхности земли удобнее всего выразить в долях средней яркости рассматриваемого конструкционного элемента. Полученные результаты позволяют также приближенно учесть засветку практическим способом, без измерения геометрических размеров, углов и вычисления теоретических кривых засветки для сложных пространственных моделей. Можно оперировать только данными измерения радиационной температуры (яркости) обследуемого сооружения - цифровым тепловым изображением и не иметь данных о яркости эффективного излучения неба и поверхности земли. Засветка любой зоны ограждающей конструкции сложной формы может быть представлена одним из двух рассмотренных простых случаев - двумерной или трехмерной моделью. Засветка от нескольких объектов равна сумме засветок от каждого объекта [20]. Для учета засветки можно просто получить графики, подобные Рис. 3.6 или Рис. 3.10, зависимости от координат области засветки от рассматриваемого конструкционного элемента на реальном обследуемом сооружении. Затем осреднить или сгладить функцию засветки в зависимости от координаты графика J(x) или J(x,z) и вычесть из функции эффективной яркости. Получим собственное тепловое излучение поверхности. Осреднение или сглаживание зависимости засветки от конструкционного элемента необходимо для того, чтобы учесть (оставить нетронутым) пространственное изменение величины теплового излучения объекта засветки. При необходимости несложно вычислить яркость (JCT - JB) И (JCT - J3) по графикам засветки на тепловом изображении фасадов домов.
На Рис. 3.11, А представлен тепловой снимок фрагмента фасада кирпичного дома, г. Пушкин, С-Петербургский пр., 11, осень 1998. Снимок «раскрашен» в псевдоцвета в соответствии с величиной яркости (пропорциональной энергетической светимости). По линиям (1, 2, 3) приведены графики значений яркости, иллюстрирующие засветку от небольших (примерно -1м) боковых выступов. По мере приближения к крыше здания засветка уменьшается из-за уменьшения зоны видимости боковых стен и уменьшения температуры поверхности стен. Также хорошо видна засветка под плитами балконов. Это примеры засветки от небольших выступов.
Второй пример - для двух торцов корпусов дома, расположенных под углом в 45(г. Вологда, Пошехонское шоссе, 9, зима 1999 г. Рис. 3.11, Б). При этом расстояние между стенами торцов фасада составляют с одной стороны порядка 0.1 м, с другой -5 м. Профили яркости выбраны в местах сравнительно однородной яркостной температуры. В данном случае удобнее рассматривать в качестве фоновой освещенность от соседней стены, закрывающей большую часть поля обзора, а боковым источником засветки считать атмосферу, как боковые выступы в 0.1 и 5 м. Тогда получим картину, аналогичную Рис. 3.5, только ось засветки (0 J), надо повернуть вниз, так как атмосфера - более холодная. С внутренних сторон торцов дома (ближе к вершине угла) наблюдается резко изменяющаяся засветка (в соответствии с Рис. 3.6), а с внешних сторон - плавная, на протяжении всего торца. Резкое уменьшение яркости на внешних сторонах торцов связано с уменьшением температуры их поверхности, характерным для всех наружных углов. Для правого торца это обстоятельство еще усугубляется тем, что здесь расположены лоджии. На внутренних сторонах торцов уменьшение температуры поверхности вблизи угла незначительно и по амплитуде, и по протяжению.
Рис. 3.12 иллюстрирует засветку от выступов торцевых фасадов дома 66 по улице Панкратова. (Вологда, зима 1999). В предутреннее время тепловой съемки яркость эффективного теплового излучения поверхности земли существенно меньше, чем фасада дома, поэтому картина засветки аналогична случаю 1 на Рис. 3.10. На тепловом изображении фасадов нанесены расчетные изолинии яркости относительной засветки в половину величины в нижней точке угла, равной 0.5AJ(0,0) = (JCT - JB)/8, И В 0.1AJ(0,0). Последнее значение принято за границу видимой засветки. За этой границей яркость относительной засветки мала по сравнению с изменениями яркости теплового изображения за счет других факторов. Горизонтальная протяженность выступов фасадов, являющихся причиной неравномерной засветки, - около 2 метров. Разная амплитуда засветки на торцевых фасадах обусловлена различной яркостью теплового излучения неба из-за солнечного нагрева и, возможно, различной облачности.
