2022 год. Конец декабря. Сверхсекретная лаборатория научно-исследовательского института Тепла и Холода (НИИТиХо). Где-то в Подмосковье.
В НИИТиХо было непривычно шумно. В каждом уважающем себя большом кабинете бурлила толпа народа под веселый хохот, звон бокалов и мерное пережевывание принесенной из дома пищи. По коридорам туда-сюда бегали сотрудники в халатах всех цветов и мастей, а видавший виды актовый зал был украшен так, будто Главная ёлка страны должна была состояться именно там и именно сегодня.
Среди всего этого шума, словно островок спокойствия и отстраненности, выделялся кабинет под номером 201. Этот кабинет располагался в углу здания и почему-то на 3-м этаже (не спрашивайте почему). В номере кабинета какие-то особо умные специалисты поставили крестик нестираемым маркером так, что получалось 2⊕1= . Ответ то ли не поместился, то ли подразумевалось, что те, кто попадет внутрь НИИ, уж точно сумеют правильно провести вычисления. А, может быть, это было ссылкой на реальный номер этажа, чтобы возникало меньше вопросов к нумерации кабинетов в учреждении.
Над входной дверью горела большая красная лампа и надпись – «Не входить! Идет эксперимент». Когда особо разогнавшиеся инженеры оказывались в его непосредственной близости, они сразу замедляли ход, поправляли инфракрасные очки и старались поскорее убраться обратно в коридор, поближе к шуму и веселью. За дверью что-то тихо периодически щелкало, бухтело и нервно стучало пустой термокружкой из-под чая.
Вдруг какой-то молодой аспирант, мило беседуя с младшей научной сотрудницей Олечкой, оказался рядом с кабинетом 201 и бурно жестикулируя начал ей рассказывать про нейтронные звезды и историю звездолета Буран. Дверь тихо приоткрылась, из нее появились две волосатые руки в халате бурого цвета, беззвучно схватили аспиранта, и он с тихим «оооох» влетел в приоткрытую дверь. Дверь со смачным шлепком закрылась, надпись пару раз мигнула и продолжила гореть ровным инфракрасным светом.
Итак, приближаются долгожданная новогодняя передышка, и мы с ребятами из НИИТиХо решили провести небольшое новогоднее исследование, чтобы рассказать вам про то, как увидеть тепло, почему это важно и как не дать вашему теплу сбежать к Гринчу (актуально в наше непростое время глобального потепления). Также щедро сдобрим рассказ историями из собственного опыта, так читать всегда интереснее.
Пристегнулись? Поехали!
Введение
Людям хочется, чтобы в холодное время года в доме было тепло и уютно. Для этого они сжигают разнообразное топливо, строят сложные и разветвленные системы теплоснабжения и другими путями создают тепловую энергию внутри места своего обитания. Проблема в том, что система по имени Дом всё время пытается прийти в первоначальное состояние, а именно остыть, потратив всю энергию, которую мы в него вложили. Вот тут на сцену выходит герой нашей сегодняшней публикации – Гринч.
Так как мы существуем внутри газовой среды (воздуха), то именно воздух в домах и подвергается нагреву. Нагретый воздух отдает тепло нам, людям. Но кроме этого, еще и всем предметам, до которых может дотянуться. Основными каналами утечек тепла в доме являются ограждающие конструкции (стены, двери, окна, крыша, пол) и вентиляция. Вентиляцию мы пока трогать не будем, потери через нее успешно ликвидируются современными системам рекуперации (90-95% тепла вентилируемого воздуха остается внутри дома). А вот по остальным каналам мы пройдемся поподробнее.
Есть несколько основных процессов, с помощью которых воздушная среда отдает тепло ограждающим конструкциям – это конвекция, теплопроводность и тепловое излучение. Разрушать и сверлить дырки в стенах дома не входит сегодня в наши планы, поэтому мы будем использовать только те приборы и методы, которые не наносят вреда домам, людям и животным.
Теплопроводность работает внутри ограждений. Её можно измерить, но для этого нужны специализированные приборы, которые устанавливаются на длительный период. У них есть минусы, которые нас не устроят: прибор нужно установить с двух сторон ограждения на неделю или больше, а ещё он измеряет процесс потери тепла только в той точке, которой установлен.
Гринч парень умный, он крадет тепло не только лишь в одной точке стены, а сразу используя все возможные варианты. Поэтому этот подход нам не подойдет.
С конвекцией тоже мимо. Она требует очень высокой точности и обычно измеряется в научно-исследовательских лабораториях. Да, есть оценочные формулы для нашего случая, которые получены эмпирическим путем. Но нам это не поможет, потому что на реальных объектах лабораторных условий не бывает. Да и приборов подходящих нет.
Остается только тепловое излучение. Тепловое излучение это электромагнитные волны, как и видимый нами свет. Все тела, чья температура выше 0К (-273оС) его излучают. Сидя у костра или греясь на солнышке в Таиланде, мы отлично чувствуем тепло, которое исходит от горячих объектов на расстоянии. Но проблема в том, что просто посмотрев на стену дома, мы не можем измерить его температуру (надеемся, что этот баг со временем исправят). Тут нам на помощь приходит волшебный прибор – тепловизор, но все не так просто, как может показаться на первый взгляд.
А теперь в дело вступает доктор технических наук и просто главный зануда Завлаб нашего НИИ.
Какой тепловизор нам нужен и почему (немного науки)
Благодаря двум классным немецким ученым Вильгельму Вину и Максу Планку мы знаем, что для каждого нагретого тела есть однозначная длина волны (λ max), на котором это тело будет излучать максимум тепла. Кстати, именно поэтому мы видим солнце желтым – температура его поверхности примерно 6000К (самый верхний график). Прелесть λ max в том, что теперь мы знаем на каких длинах волн лучше искать тело с определенной температурой.
Всё, что справа от красной области спектра человеческому глазу уже не видно, а вот там то и происходит самое интересное. Там находится инфракрасное излучение, в котором лежат все длины волн с максимумами тел температурой ниже 5000 градусов и, соответственно, любой измеряемый дом, человек и одноразовые стаканчики с чаем/кофе.
В 1800 году Уильям Гершель обнаружил калорийные лучи (примерно через сто лет они получили привычное для нас название – инфракрасные). С тех пор люди пытались увидеть невидимое нам излучение различными способами, но до 20-го века процесс двигался слабо. В 20-м веке наконец-то научились делать сложные инженерные системы, но тут инфракрасными визорами заинтересовались военные. Идея видеть вражескую технику и людей им очень понравилась, и они быстро загребли все разработки под себя.
Такая ситуация сыграла и позитивную роль. Тематика получила бурное развитие в крупных странах, и к началу 21-го века появились небольшие тепловизоры, которыми можно не воевать, а очень полезно исследовать окружающий мир.
Вот так выглядит человек в разных инфракрасных диапазонах:
В настоящее время портативные тепловизоры (а точнее их матрицы) в основном работают двух спектральных диапазонах: 3-5 мкм (коротковолновые, на самом деле скорее средневолновые, но это устоявшийся термин) и 8-14 мкм (длинноволновые).
Эти диапазоны выбраны потому, что такие λmax соответствуют температурам от 700 оС до -70 оС. Основные объекты для изучения на нашей планете лежат в этом диапазоне. Тела с другой температурой тоже будет видно, но хуже и не всегда.
Также в этих диапазонах находятся так называемые окна прозрачности земной атмосферы, т.е. можно смотреть тепловизором на объекты через воздух, и он нам практически не будет мешать.
Коротковолновые тепловизоры
Такие тепловизоры в природе встречаются реже. Они являются охлаждаемыми: жидкий азот, термоэлектрическое охлаждение или холодильник Стирлинга, что вносит дополнительные сложности в эксплуатацию и конструкцию. Например, тепловизоры с азотным охлаждением нельзя переворачивать, и вообще надо быть с ними очень осторожными.
Они сложнее в производстве. Линзы (объективы) в них изготавливаются из кремния – в этом диапазоне он прозрачен для инфракрасного излучения. Кстати, не стоит трогать или протирать эти линзы – можно намертво испортить дорогущий прибор, случаи были.
Из плюсов можно выделить высокую точность измерения (тепловая чувствительность 0,02оС, погрешность ±1оС) и дружбу с отражающими в видимом диапазоне предметами (например, в этом диапазоне можно измерить температуру стекла).
Примерами таких тепловизоров являются FLIR SC7000 (США) и ИРТИС2000 с модификациями (Россия).
Кстати, у Иртиса двольно интересная история происхождения. Говорят, что прообраз их тепловизора был собран для контроля тепловой обшивки космического корабля «Буран» после полета. Когда программа «Энергия-Буран» закрылась, тепловизор Иртис прошел собственный эволюционный путь и существует на российском рынке до сих пор.
Применяются такие тепловизоры в разных сферах, но в основном, в медицине и при выполнении специфических задач, где они более эффективны. Для измерения домов они тоже подойдут, но проще и удобнее работать с длинноволновыми тепловизорами.
Длинноволновые тепловизоры
Большинство современных тепловизоров работают в диапазоне 8-14 мкм. У них неохлаждаемые болометрические матрицы, что сильно упрощает и уменьшает их конструкцию. Если ввести запрос «тепловизор» в поисковых система х– 99,9% тепловизоров будут именно такими. Тепловизоры такого типа применяются в портативных системах, камерах, дополняют смартфоны и, естественно, используются для исследований домов. Линзы у них сделаны в основном из германия (трогать тоже нельзя!).
Из минусов длинноволновых тепловизоров:
Погрешность измерения тепловизоров такого класса – ±2оС или 2% (в зависимости от того что больше) и выше. Тепловая чувствительность от 0,04 оС до 0,2оС и выше. Например, FLIR ONE Pro имеет погрешность ±3оС или ±5оС в зависимости от модификации, т.е. если мы смотрим на объект с температурой 20оС (обычная стена) при погрешности ±5оС мы получим, мягко говоря, странные результаты. У профессиональных тепловизоров всё лучше, но погрешность при измерениях всё равно надо учитывать;
Стекла, окна, фольга и другие гладкие и отражающие поверхности в этом диапазоне длин волн отражают полученную из окружающей среды температуру. Кстати, есть лайфхак. Если плотно наклеить кусок черной (в крайнем случае, синей) изоленты на стекло и навести через некоторое время на эту изоленту тепловизор, мы получим температуру окна. Но заклеить всё окно изолентой не очень удачное решение;
Длинноволновые тепловизоры легкодоступны и широко распространены. Поэтому мы берем такой тепловизор (с минимальными погрешностями) и приступаем к измерениям, но...
Условия для проведения измерений
Но и тут не всё так просто.
Во-первых, надо знать физические основы происходящих процессов. Это СИЛЬНО упрощает понимание того, что происходит. Еще, конечно, важен опыт. Чем больше насмотренность – тем оперативнее и правильнее решение.
Во-вторых, надо правильно спланировать будущую тепловизионную съемку, чтобы долезть до всех измеряемых мест. Опытные специалисты обычно забивают на этот пункт, а зря. Например, важно снимать объекты перпендикулярно измеряемой поверхности, а не под какими-то другими углами, потому что это может внести сильное искажение в полученную картинку. Также из-за установок, стен и прочих мешающих предметов можно просто не добраться до измеряемого объекта.
В-третьих, если фотографировать можно при любой погоде и освещении, то с тепловизионной съемкой всё немного сложнее. Нельзя снимать, когда на объект падает солнце – оно нагревает стены, и мы получим искаженную термограмму. Также нельзя снимать во время дождя, снега или тумана. Мы банально практически ничего не увидим.
Нашим первым объектом исследования была психбольница в соседнем регионе. Разрешения, волнение, подготовка (кроме тепловизионного обследования мы должны были исследовать все энергетические объекты больницы). В итоге был снегопад, который запорол большую часть снимков. Когда начали составлять отчет об обследовании, поняли, что такой документ сдавать нельзя. Пришлось снова получать разрешения, готовить выезд и смотреть прогноз погоды…
В-четвертых, тепловизионные обследования нужно проводить при ощутимом перепаде температур. Для ограждающих конструкций по существующим СНиПам и ГОСТам перепад должен составлять около 15-20оС (между воздухом внутри помещения и снаружи). По опыту, лучше больше 20оС, тогда всё значительно нагляднее. И погрешность меньше влияет на итоговый результат.
Однажды один крупный ГОК (горно-обогатительный комплекс) заказал у нас большое исследование своего производства. Суровые условия, холодная зима и огромное потребление энергии, надо снижать. Ура! Новая командировка! Каково же было наше удивление, когда нас привезли с огромному (10 метров высотой) гаражу БелАЗов, двери которого были открыты по полдня (–А что? Надо же как-то проветривать помещение от выхлопа). Во-первых, тогда и не топите весь ангар. Во-вторых, тепловизионное обследование этого здания было лишним. А потом нас повели термографировать холодные склады готовой продукции :)
В-пятых, у тепловизоров есть настройки, про которые многие забывают в процессе работы, а они ощутимо влияют на результаты измерений. Например, температура фона и коэффициент излучения измеряемой поверхности. Если их указать неправильно, это повлияет на результат измерений, а значит и оценка тепловых потерь будет ошибочной.
В-шестых, используемый тепловизор должен быть поверен сертифицированным центром и откалиброван. Иначе он может показывать температуру на Марсе во время прилета туда Илона Маска, а не то, что вы реально хотите измерить.
Охотники за тепловыми потерями
Работники невидимого фронта выглядят примерно так
Они мастерски обходят проблемы тепловизионной техники, учитывают все условия при проведении измерений, строят планы исследований и лихо определяют места тепловых потерь. Гринч для них не более, чем Лизун из известного произведения. Они обласканы вниманием женщин и завалены наградами от сильных мира сего (нет). Вот следующая история.
Однажды прилетели мы в прекрасный город Тюмень, чтобы провести энергообследование нескольких объектов (все имена и совпадения стремятся к случайной бесконечности). Поздоровались с ответственными специалистами, принялись за работу. Тут к нам подошел местный жиголо Сергей и прелестным баритоном поинтересовался: "А можно ли взять у вас тепловизор минут на десять? Очень хочется посмотреть на сотрудниц в чисто инфракрасном виде" (без одежды и прочих мешающих ему атрибутов). И он очень расстроился, когда оказалось, что тепловизор так не работает. Да, женщины прекрасны и в инфракрасном спектре, но одежду тепловизор с них, увы, не снимает.
Кстати, Сергей нам в итоге подогнал отличную портативную версию CS1.6 с кучей серверов. Флешка с Контрой надолго стала обязательным атрибутом длительных командировочных поездок в нашем НИИ.
Если серьезно, то для проведения правильной тепловизионной съемки надо (а для коммерческой обязательно) пройти обучение и получить удостоверение специалиста по тепловому неразрушающему контролю. Обычно там рассказывают много всего познавательного.
Из интересного: тепловизионным методом контролируют крылья самолетов перед полетом или после совершения перелета, чтобы в сотовые (ячеистые) крылья самолетов не попала вода, иначе это может негативно сказаться на управляемости летательной машины.
Где в домах прячутся тепловые потери
Итак, наконец-то переходим ближе к теме заголовка статьи.
Чтобы внутри дома было тепло и комфортно, надо сохранять тепловой баланс (то есть сколько Гринч утащил, на столько мы и нагрели дом). По статистике тепловые потери через стены составляют примерно 32% всех потерь, через окна и двери – 29%, через кровлю и кровельные конструкции – 24%, через вентиляцию – 9%, на потери через фундамент – около 6%. В вашем доме может быть по другому, но стены, окна и двери практически всегда будут в лидерах.
Начнем со стен.
Стены домов, построенные в определённой климатической зоне, должны обладать определённым уровнем тепловой защиты (чтобы пропускать минимум тепла). К сожалению, часто стены пропускают больше тепла, чем должны. Это не только дополнительно греет атмосферу (в России тысячи зданий с проблемами в тепловой защите стен), но и негативно сказывается на кошельках людей и компаний.
Такие места утечек лучше искать снаружи здания, но иногда можно и изнутри. В здании доступ к поверхностям может быть затруднен. Также при съемке изнутри дома мешают батареи. Они нагревают зону съемки, и проблемные зоны мы можем не увидеть. Сами батареи чаще всего устанавливают под окнами, потому что через окна уходит примерно в 6 раз больше тепла, чем через стену, а еще из открытых окон дует холодный воздух. Но встречались и просто замурованные батареи в стены – очень не эффективно.
Таким образом, в стенах основные места утечек:
точки установки отопительных приборов (это чаще всего видно с улицы);
в местах стыков строительных материалов;
в местах стыка стен и поверхностей;
там, где строители забыли положить утеплитель.
Внутри дома в стыках стен с потолками, полами и в углах, это выглядит так:
Бывают еще мостики холода – тепловые утечки, через металлические и прочие теплопроводящие крепежные или строительные материалы. Тепло очень прямолинейно (никакой выдумки!). Оно идет по пути наименьшего сопротивления, как штурмовики из Звездных войн или электрический ток.
Кстати, кроссовки зимой не самая лучшая обувь для тепловизионщиков-термографистов.
Далее следуют окна и двери.
Это вообще самые неприятные тепловые потери из всех. Из-за них появляются сквозняки, обледенения, плесень и другие неприятные штуки. Причем не всегда можно понять, откуда дует, пока нормально не обследуешь все оконно-дверные конструкции.
Самыми частыми проблемными местами окон и дверей являются:
щели при закрытии окон/дверей (в том числе проблемы с уплотнителями);
ошибки при установке подоконников (вы бы знали, как часто это встречается);
и просто плохая теплозащита данных конструкций.
Крыши зданий тоже часто доставляют проблемы. Теплый воздух по законам физики поднимается наверх (вот и частичный ответ на вопрос выше), поэтому согласно нормативной документации требования к теплозащите кровли в среднем на 30% более серьезные, чем к стенам.
Проблемы крыши/кровли:
стыки со стеной;
стыки частей конструкции крыши;
плохое утепление крыши;
проветриваемая кровля и не утепленный потолок.
Пол и фундамент – это чаще всего стыки и места выхода коммуникаций, но обычно это не критично (главное, чтобы вода в трубах не замерзла).
А внутри кота чистая теплота.
Как же всё-таки искать тепловые потери самостоятельно
Лучше вызывайте профессионалов.
Если вы всё-таки решили сделать это сами, то необходимо следовать простым и чётким правилам, вытекающим из вышенаписанного:
Возьмите тепловизор получше, желательно профессиональный.
Ставьте на тепловизоре правильные настройки.
Учитывайте условия для проведения измерений.
Ищите тепловые потери там, где по статистике они есть.
Сохраняйте все термограммы (результаты съемки тепловизором). Желательно с фотографиями того, что измеряли.
Чем больше отличается температура нормальной стены от температуры проблемного места – тем хуже.
PROFIT!
Но лучше вызывайте профессионалов, они знают как ловить Гринча.
С Новым Годом, всем тепла!
