Измерение плотности тепловых потоков

Как измеряется тепловой поток

Метод основан на прямом измерении: на контрольном участке ограждающей конструкции закрепляется преобразователь — пластина, температурный перепад на которой пропорционален плотности проходящего теплового потока и преобразуется в ЭДС батареей термопар. Измерения по ГОСТ 25380-2014 ведутся при установившемся тепловом режиме, когда между помещением и улицей сформирован достаточный перепад температур, поэтому основной сезон работ — отопительный.

Для энергетического обследования применяем многоканальные измерители: они одновременно регистрируют несколько температурных каналов и тепловых потоков и ведут длительный мониторинг, включая измерение влажности. Так выявляются участки с одинаковым термическим сопротивлением и дефекты теплозащиты — мостики холода, увлажнённый или осевший утеплитель.

В каких условиях замер даёт результат

Главное условие — устойчивый перепад температур между помещением и улицей, поэтому работы выполняются в отопительный период. Летом поток близок к нулю, и никакая аппаратура не сделает измерение осмысленным: если объект вводится в тёплое время года, замеры закладываются в график заранее — либо до наступления сезона, либо сразу после его начала.

Второе условие — установившийся режим. Преобразователь выдерживается на конструкции до стабилизации показаний, а на массивных стенах и многослойных конструкциях это занимает существенное время, вплоть до многосуточного мониторинга. Отсюда и единица расчёта: цена привязана к точке измерения, а не к площади здания, потому что трудоёмкость определяется количеством контрольных участков. Типовой набор для жилого дома — глухая стена, угол, зона примыкания перекрытия и светопрозрачная конструкция.

Что стандарт требует от подготовки точки

Достоверность замера определяется не прибором, а тем, как подготовлен контрольный участок. ГОСТ 25380-2014 задаёт это подробно, и почти каждый пункт — про исключение постороннего влияния:

• выбор участка. Поверхностный слой из одного материала, одинаковой обработки и состояния поверхности, одинаковые условия лучистого теплообмена; участок не должен находиться в непосредственной близости от элементов, способных изменить направление и величину теплового потока (пункт 4.3.2);
• подготовка поверхности. Участок зачищается до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей (пункт 4.3.3);
• контакт преобразователя. Плотный прижим по всей поверхности; воздушные зазоры между преобразователем и конструкцией не допускаются — их исключают тонким слоем технического вазелина, перекрывающим неровности (пункт 4.3.4);
• удаление наблюдателя. Отсчётное устройство располагают в 5–8 м от места измерения или в соседнем помещении, чтобы присутствие оператора не искажало тепловой поток (пункт 4.3.6);
• измерения снаружи. Допускаются, когда изнутри измерить невозможно, — при условии устойчивой температуры поверхности. Условия теплообмена контролируются отдельно: при измерении в течение 10 минут показания должны укладываться в погрешность приборов (пункт 4.3.1).

Ещё одно требование касается «тонких» конструкций: если термическое сопротивление меньше 0,6 (м²·°С)/Вт, одновременно с потоком измеряются температуры поверхности возле преобразователя и под ним, а также температуры внутреннего и наружного воздуха на расстоянии 100 мм от стены (пункт 4.4.2). Без этих температур результат по такой конструкции интерпретировать нельзя.

От плотности потока — к сопротивлению теплопередаче

Заказчику обычно нужна не плотность потока, а фактическое сопротивление теплопередаче: именно его сравнивают с проектным и нормируемым значением. Плотность потока — исходная измеряемая величина, а сопротивление рассчитывается по ГОСТ Р 54853-2011 как отношение усреднённой за период испытаний разности температур внутреннего и наружного воздуха к усреднённой плотности теплового потока, прошедшего через ограждение.

Отсюда два практических следствия. Первое: качество расчётной величины полностью определяется устойчивостью условий во время замера — при «плавающих» температурах усреднение даёт красивое, но бессмысленное число. Второе: светопрозрачные конструкции в область применения ГОСТ Р 54853-2011 не входят. Тепловой поток через оконный блок измерить можно и нужно — это показывает вклад окон в теплопотери, — но сопротивление теплопередаче самого блока определяют по ГОСТ 26602.1-2023 в климатической камере, и этот метод считается арбитражным при разногласиях в оценке качества изделий. Смешивать одно с другим в отчёте — типовая ошибка, за которую заключение возвращают на доработку.

Второй стандарт: что делает ГОСТ Р 54853-2011

Если ГОСТ 25380-2014 отвечает за измерение потока, то расчёт итоговой характеристики регулирует ГОСТ Р 54853-2011 «Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью тепломера». Он введён в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2011 г. № 1558-ст с 1 мая 2012 года и действует.

Область применения у него шире, чем принято думать: наружные стены, покрытия, чердачные перекрытия, перекрытия над проездами, холодными подпольями и подвалами, а также любые другие ограждающие конструкции, разделяющие помещения с различными температурно-влажностными условиями. То есть перекрытие над неотапливаемым подвалом и стена между тёплым цехом и холодным складом — такие же объекты испытания, как фасад. Методы установлены для двух режимов: лабораторного, в климатической камере, и натурного — в эксплуатационных зимних условиях.

Единственное прямое исключение — светопрозрачные ограждающие конструкции: требования стандарта на них не распространяются. Отсюда правило, о котором сказано ниже: тепловой поток через окно измерить можно, но сопротивление теплопередаче самого блока по этому стандарту не определяют.

Программа испытаний и схема расстановки датчиков

Работа начинается не с прибора, а с двух документов: программы испытаний и схемы размещения первичных преобразователей температур и тепловых потоков. В программе определяют вид испытаний — лабораторные, павильонные или натурные, — объекты, район, ориентировочные сроки, объём испытаний, виды ограждающих конструкций и контролируемые сечения. Заказчику стоит требовать эту программу до выезда бригады: именно в ней видно, что и в каком количестве будет измерено.

Схему размещения датчиков составляют на основе проектного решения конструкции либо по предварительно снятому температурному полю поверхности. В натурных условиях сразу приступают к измерению температур поверхностей и по ним устанавливают термически однородные зоны и места расположения теплопроводных включений. Если поле снимают термощупом, поверхности разбивают на квадраты со сторонами не более 500 мм, зоны с теплопроводными включениями — на более мелкие; значения температур наносят на эскиз, соединяют изотермами и получают конфигурацию и размеры изотермических зон. Дальше схему датчиков уточняют уже по этой карте.

Для характеристик участка, равномерного по температуре поверхности, преобразователи ставят не менее чем в двух характерных сечениях с одинаковым проектным решением. Для приведённого сопротивления теплопередаче термодатчики располагают в центре термически однородных зон фрагментов — панелей, плит, блоков, монолитных и кирпичных частей здания, дверей — и дополнительно в местах теплопроводных включений, в углах и стыках.

Где ставят тепломер и где его ставить нельзя

Ограничения по установке в стандарте перечислены прямо, и каждое из них — про исключение постороннего влияния:

• не вблизи неоднородностей. Тепломеры не следует устанавливать в непосредственной близости от зон теплотехнической неоднородности, трещин, щелей, отопительных и охлаждающих устройств, вентиляционных отверстий;
• защита снаружи. Наружную поверхность испытуемого фрагмента в натурных условиях защищают экранами от дождя, снега и прямого попадания солнечных лучей — иначе измеряется погода, а не конструкция;
• проверка самого тепломера. При установке на конкретном участке проверяют, что выходной сигнал соответствует среднему значению плотности потока, проходящего через фрагмент;
• датчик температуры. Если он не составляет одно целое с тепломером, при исследовании внутренней поверхности его ставят под тепломером или в непосредственной близости от него;
• вентилируемые прослойки. При их наличии чувствительные элементы ставят с шагом не менее 500 мм в центре прослойки, а преобразователи тепловых потоков закрепляют не менее чем по два на каждой поверхности.

Отдельного внимания заслуживает крепление термопар — здесь ошибки самые незаметные. Клеящий состав (термическая паста, гипс, пластилин) должен быть толщиной не более 2 мм, а его степень черноты — близкой к степени черноты поверхности конструкции. Термометрический провод от места закрепления отводят по поверхности в направлении изотерм или минимального градиента температур на длину не менее 50 диаметров провода: иначе провод сам начинает работать как теплоотвод. Сопротивление электрической изоляции между цепью термопреобразователя и наружной металлической арматурой — не менее 20 МОм. Свободные концы термопар помещают в термостат с температурой 0 °C; допускается сосуд Дьюара, в котором одновременно есть пар, вода и лёд дистиллированной воды.

Температуру воздуха измеряют не «в комнате», а по заданным отметкам: по вертикали в центре помещения на расстоянии 100, 250, 750 и 1500 мм от пола и 100 и 250 мм от потолка, а для помещений высотой более 5000 мм — дополнительно с шагом 1000 мм. Вблизи конструкции датчики ставят на расстоянии 100 мм от внутренней поверхности каждой характерной зоны и на 100 мм от наружной поверхности не менее чем двух характерных зон.

Требования безопасности при монтаже датчиков

Установка датчиков на реальном объекте — не только метрологическая, но и организационная задача, и ГОСТ Р 54853-2011 отдельно оговаривает два случая.

Первый — работа с оборудованием климатических камер и проведение испытаний в зимних условиях эксплуатации зданий: здесь должны соблюдаться общие требования электробезопасности в строительстве. Второй, более частый на практике, — сам монтаж датчиков на наружной поверхности ограждающей конструкции: если контрольная точка расположена на этаже выше первого, крепление преобразователей и термопар проводится с лоджий, балконов или монтажных средств с соблюдением требований безопасности при работе на высоте. На практике это значит, что доступ к точке на фасаде многоэтажного здания нужно закладывать в программу испытаний заранее — как отдельную организационную задачу, а не как деталь монтажа в день выезда.

Сколько длится испытание и что фиксируется помимо потока

Продолжительность натурных измерений заранее не назначается. Её определяют по результатам предварительной обработки данных уже в ходе испытаний, учитывая стабильность температуры наружного воздуха в период испытаний и в предшествующие дни и тепловую инерцию конструкции. Само окно работ выбирают так, чтобы разность среднесуточных температур наружного и внутреннего воздуха и соответствующий тепловой поток давали погрешность результата не более 15 %. Контрольную запись температуры и влажности внутреннего воздуха термографом ведут непрерывно.

Дальше многое зависит от аппаратуры. При отсутствии системы автоматизированного сбора данных температуры и плотности тепловых потоков измеряют круглосуточно через каждые три часа — в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 час, — а влажность воздуха через каждые шесть часов, с занесением в журнал наблюдений по установленной форме. При автоматизированном сборе регистрация ведётся непрерывно или через определённые интервалы в течение нескольких полных дней; типовые интервалы для метода усреднения — от 0,5 до 1 часа, для динамического метода могут быть меньше. Отсюда практический вывод: суточный цикл замеров физически не укладывается в один короткий выезд, и отчёт, где это не видно, стоит читать внимательнее.

Для сопоставления результата с нормируемыми требованиями фиксируют ещё два блока данных. Первый — состояние конструкции: толщина и влажность материалов слоёв, воздухопроницаемость стыков. Влажность материалов определяют по окончании теплотехнических испытаний: пробы берут шлямбуром из стен на высоте 1,0–1,5 м от уровня пола, из покрытий — в термически однородных зонах, мягкие утеплители вырезают ножом, пробы собирают в бюксы и взвешивают в день взятия. Второй — условия испытаний: разность давлений внутреннего и наружного воздуха, которую в натурных условиях измеряют через каждые три часа, и скорость с направлением ветра — четыре раза в сутки, на расстоянии от полутора до двух высот здания, а для зданий в девять и более этажей — на расстоянии одной высоты; допускается принимать данные ближайшей метеостанции.

Отдельная связка — воздухопроницаемость: стандарт прямо предписывает определять её до начала или после завершения теплотехнических испытаний по ГОСТ 31167. Это не смежная услуга «заодно», а часть корректной интерпретации теплового результата: конструкция, через которую идёт неучтённая фильтрация воздуха, покажет тепловой поток, к её теплозащитным свойствам отношения не имеющий. Подробно метод разобран на странице определения воздухопроницаемости.

Приведённое сопротивление: почему одной точки мало

Самый частый спор по отчёту звучит так: «вы измерили в одной точке, а говорите про всю стену». Стандарт этот вопрос закрывает разделением двух величин.

Для термически однородной зоны сопротивление теплопередаче определяется как отношение разности усреднённых за период испытаний температур внутреннего и наружного воздуха к усреднённой фактической плотности теплового потока — по формуле пункта 9.1.1 ГОСТ Р 54853-2011. Это характеристика конкретного участка — например, глухого поля стены между окнами.

Но реальная конструкция теплотехнически неоднородна: в ней есть теплопроводные включения, откосы проёмов, стыки, примыкания внутренних ограждений и наружных конструкций, расположенных под углом. Для неё по формуле пункта 9.1.2 определяют приведённое сопротивление теплопередаче — средневзвешенное по площадям характерных изотермических зон, площадь каждой из которых устанавливается планиметрированием. Именно приведённое значение сопоставимо с проектным и нормируемым, и именно оно должно стоять в энергетическом паспорте.

Практический вывод для заказчика: количество точек в программе испытаний — не вопрос сметы, а вопрос применимости результата. Если в отчёте по панельному дому одна точка, приведённое сопротивление из него не получить, и такое заключение при разборе с подрядчиком не работает.

Лабораторный путь: климатическая камера

Второй режим, предусмотренный стандартом, — испытание в климатической камере. Это утеплённое снаружи сооружение в испытательном зале, внутреннее пространство которого разделено испытуемой конструкцией на тёплый и холодный отсеки: оборудование имитирует внутреннюю среду эксплуатируемого здания и климатические условия конкретного района строительства.

Образцами служат целые элементы ограждающих конструкций заводского изготовления или их фрагменты. Длина и ширина фрагмента должны не менее чем в четыре раза превышать его толщину и быть не менее 1500 и 1000 мм соответственно. Если в документах на конкретную конструкцию число образцов не указано, испытывают не менее двух однотипных.

Температуру и относительную влажность воздуха в отсеках поддерживают автоматически с точностью ±1 °C и ±5 %. Измерения начинают только после выхода на стационарный или близкий к нему режим, а срок выдержки задан через тепловую инерцию конструкции: при инерции не более 1,5 — не менее чем через 1,5 суток, от 1,5 до 4 — через 4 суток, от 4 до 7 — через 7 суток, свыше 7 — через 7,5 суток. Число измерений при стационарном режиме — не менее десяти, общая продолжительность — не менее суток.

Лабораторный путь применим, когда нужно оценить конструкцию как изделие или разрешить спор о качестве заводского элемента. Для готового здания работает натурный режим: он оценивает конструкцию в том состоянии, в каком она смонтирована, вместе со стыками, примыканиями и фактической влажностью материалов.

Если фактическая теплозащита ниже проектной

Расхождение измеренного сопротивления теплопередаче с проектным — не абстрактная цифра, а основание для конкретного разговора. Типовые причины: осевший или увлажнённый утеплитель, нарушенная сплошность теплоизоляции, мостики холода по узлам примыкания, отклонения от проектного состава конструкции. Совмещение с тепловизионной съёмкой показывает, где именно, а замер — насколько.

Для нового объекта это, как правило, вопрос к подрядчику в пределах гарантии; для эксплуатируемого — исходные данные для расчёта окупаемости утепления: зная фактическое сопротивление, можно посчитать, сколько даст мероприятие, до того как его оплачивать. Результаты после устранения проверяются повторными замерами в тех же точках.

Где применяются результаты

При вводе здания в эксплуатацию измерение плотности тепловых потоков входит в расчётно-экспериментальный контроль нормируемых энергетических показателей — вместе с воздухопроницаемостью и тепловизионной съёмкой оно даёт данные для энергопаспорта и класса энергоэффективности. Для эксплуатируемых зданий замеры помогают определить потери тепла, в том числе в коммуникационных сетях с водяным теплоносителем.