Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из основных направлений
энергосбережения и повышения энергетической эффективности является разработка и внедрение в практику оперативной и высокоинформативной системы контроля тепловых потерь на всех этапах генерации, передачи и потребления тепловой энергии. Тепловой контроль (ТК), как неотъемлемая часть такой системы, в настоящее время базируется на широком использовании методов инфракрасной (ИК) диагностики. Основными преимуществами методов ИК являются оперативность и отсутствие разрушающих воздействий на объект исследования. Однако, несмотря на развитие и доступность современного парка программно-аппаратных средств ИК, уровень их практического применения в мире и России недостаточен.
В то же время, от теплофизических свойств ограждающих конструкций (ОК) напрямую зависит работа систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях, что особо важно в условиях отопительного периода, который продолжается на большей части России больше половины календарного года. Эффективное использование тепловой энергии путем снижения потерь тепла в окружающую среду улучшает экологическое состояние природной среды и повышает энергоэффективность зданий.
Основными проблемами исследования энергоэффективности ОК являются:
-
В целом отсутствует комплексный подход к решению задач энергоэффективности генерации, передачи и потребления тепловой энергии;
-
Отсутствуют оперативные, надежные, аттестованные технологии и методики теплового контроля ОК для большинства объектов;
-
Используемые в настоящее время методики оперативного контроля тепловых потерь через ОК объектов являются селективно измерительными и оценочными применительно ко всему объему ОК.
-
Применяемые методы являются статическими и не позволяют прогнозировать дальнейшее состояние тепловой защиты исследуемых объектов.
Таким образом, одной из наиболее актуальных проблем в тепловой дефектоскопии является поиск и создание точных и оперативных методов контроля потерь тепловой энергии и оценки состояния теплофизических свойств наружных ОК, формирующих показатель энергоэффективности как для конкретной ОК, так и для всего объекта в целом.
Актуальность этого вопроса несомненна не только для эксплуатируемых, но и для вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий.
Целью диссертационного исследования является разработка и практическая реализация комплексной методики оперативного инфракрасного
контроля тепловых потерь ограждающими конструкциями зданий и оценка их теплозащитных свойств с помощью разработанной методики.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:
-
Анализ проблем определения тепловых потерь через ОК и критическая оценка применяемых методов их контроля.
-
Определение параметров и разработка структуры ИК системы оперативного контроля тепловых потерь через ОК.
-
Аналитическое исследование тепловых потерь через ОК посредством адаптации основного закона теплопередачи к реальным условиям эксплуатации зданий.
-
Экспериментальное определение тепловых потерь через ОК методом ИК диагностики и проверка предлагаемых теоретических положений на адекватность.
-
Определение физических размеров исследуемого участка ОК и разработка метода объединения тепловизионных снимков в единую поверхность.
-
Разработка методики оперативного контроля тепловых потерь через ОК зданий на основе систем ИК диагностики и ее апробация в реальных условиях.
-
Установление закономерностей изменения погрешностей тепловых измерений в зависимости от условий эксперимента.
Научная новизна исследования заключается:
-
На основе системного анализа определены информативные и оперативные способы контроля тепловых потерь через ОК зданий.
-
Разработана ИК методика оперативного контроля потерь тепловой энергии через ОК, что значительно сокращает временные затраты на проведение замеров на реальном объекте и позволяет оценивать количество тепловых потерь через ОК здания при значительном увеличении площади исследования.
-
На основе аналитического и статистического анализа погрешностей измерений установлено, что погрешность измерения тепловых потерь по разработанной методике находится в диапазоне ±10%, что соответствует величинам погрешностей методов селективных измерений специализированными приборами ТК.
-
Разработан метод поиска характерных распределений температур в тепловизионном кадре измеряемой ОК для объединения отдельных кадров в единую поверхность ОК. Для автоматического создания тепловизионного кадра единой поверхности ОК разработано специализированное программное обеспечение (ПО). При экспериментальной апробации достигнуто разрешение поверхности в 13045 элементов на 1 м2.
Практическая и теоретическая значимость работы заключается в следующем:
-
Использование результатов теоретических исследований процесса теплопередачи путем адаптации основного закона теплопередачи к условиям эксплуатации зданий при контроле тепловых потерь через ОК.
-
Разработаны требования к структуре, алгоритмам и составным частям методики контроля тепловых потерь через ОК зданий.
-
Создана оперативная методика контроля потерь тепловой энергии, оценки тепловой защиты и поиска тепловых дефектов ОК зданий с использованием технологий ИК диагностики.
-
Разработана методика автоматического объединения отдельных кадров в единую поверхность путем анализа и поиска характерных распределений температур в тепловизионных кадрах.
-
Осуществлена апробация разработанной методики в условиях эксплуатации зданий и предложены рекомендации по ее практическому применению.
Методология и методы исследований. В работе использован экспериментально-аналитический подход к решению рассматриваемой проблемы в соответствии с существующими положениями науки и практики. Теоретической основой проведенных исследований служат фундаментальные законы теплопередачи в плоскопараллельной стенке. Для решения задач настоящей работы используется системный анализ, компьютерное и статистическое моделирование, а также обработка экспериментальных данных на основе оригинальной компьютерной программы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
экспериментальными исследованиями с применением современных аттестованных средств в соответствии с требованиями стандартов в области метрологии, проведением исследований в условиях эксплуатации объектов и сопоставлением экспериментальных данных с результатами аналитических расчетов.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в следующих проектах и процессах:
при выполнении инициативных исследовательских проектов с промышленными предприятиями.
в учебный процесс НИУ МИЭТ в качестве основы учебно-методических разработок подготовки магистров по программе «Энергетическая эффективность производств электронной техники» по дисциплине «Техническое обеспечение энергоаудита».
Результаты внедрения и практического использования результатов подтверждены соответствующими документами.
Личный вклад автора: Все основные результаты диссертации получены лично автором. Главными из них являются:
-
Проведен системный анализ проблемы контроля потерь тепловой энергии через ОК зданий и сооружений.
-
Разработаны требования к структуре, алгоритмам и составным частям системы мониторинга тепловых потерь через ОК зданий.
-
Выполнено аналитическое исследование тепловых потерь посредством адаптация основного закона теплопередачи к условиям эксплуатации зданий.
-
На основе аналитического и статистического анализа погрешностей измерений определены требования к точности измерения температуры воздуха и ОК внутри помещения.
-
Разработан алгоритм и компьютерная программа для объединения отдельных кадров в единую поверхность путем автоматического анализа и поиска характерных распределений по таблицам температур.
-
Разработана методика комплексного контроля тепловых потерь через ОК зданий на основе систем теплового контроля.
-
Проведены исследования погрешностей результатов тепловых измерений в зависимости от входных данных и других параметров измерений в различных условиях.
На защиту выносятся:
-
Методика оперативного ИК контроля тепловых потерь через ОК зданий.
-
Результаты теоретических исследований процесса теплопередачи путем адаптации основного закона теплопередачи к условиям эксплуатации зданий.
-
Результат экспериментального исследования на реальном объекте с использованием разработанной методики оперативного инфракрасного контроля.
-
Алгоритмы и ПО для автоматического объединения тепловизионных снимков в единую поверхность ОК с возможностью графического отображения результата. Результаты применения ПО на реальном объекте.
-
Результаты анализа погрешностей измерений температур и теплового потока через ОК здания.
Апробация работы. Работа в целом и отдельные ее части были представлены и обсуждались на конференциях, коллоквиумах, симпозиумах:
-
19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2012», Москва, апрель 2012г.
-
20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2013», Москва, апрель 2013г.
-
21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2014», Москва, апрель 2014г.
-
XLIII Международная итоговая научно-практическая конференция «Интеграция мировых научных процессов как основа общественного прогресса», Казань, декабрь 2016г.
-
Международная научно-практическая конференция «Инновационные механизмы решения проблем научного развития», Уфа, декабрь 2016г.
-
ХХХ Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты», Новосибирск, декабрь 2016г.
Публикации. Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в 19 работах, в том числе 3 статьях в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ и в 4 статьях в журналах, входящих в перечень изданий Scopus, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и 2 приложений. Общий объем составляет 121 страницы, в том числе 115 страниц основного текста, 46 рисунков, 19 таблиц.