Termografia w podczerwieni: zastosowanie w budownictwie

Szczegóły: Kategoria: Termowizja; Opublikowano: 17 luty 2010

Termografia w podczerwieni – zwana potocznie termowizją (od nazwy handlowej pierwszych kamer firmy AGA – Thermovision) znajduje w Polsce w ostatnich latach dość powszechne zastosowanie w budownictwie. Regułą staje się umieszczanie w umowach z wykonawcami zapisów o konieczności dokonania badań termowizyjnych towarzyszących odbiorowi nowych lub modernizowanych obiektów.

Fot. 1. Termogram fragmentu elewacji z oknami PVC o różnej izolacyjności cieplnej. Na zewnątrz: -1^oC, temperatura wewnątrz: 21^oC. Widoczne są również mostki cieplne na poziomie wieńców i na styku ścian działowych i osłonowych. Widoczne są spoiny bloczków z gazobetonu, z których wykonana jest ściana

Fot. 2. Termogram fragmentu przeziernej fasady szklanej. Temperatura na zewnątrz: -2^oC, wyrównana temperatura po wewnętrznej stronie fasady: 20^oC. Widoczne jest znaczne zróżnicowanie izolacyjności szyb zespolonych, z których wykonano fasadę

Badania te są również nieodzowne dla znalezienia rzeczywistych przyczyn braku komfortu cieplnego lub nadmiernych strat ciepła w użytkowanych budynkach. W praktyce zdarzają się odstępstwa od założeń projektowych (nie uwidoczniane w dokumentacji powykonawczej), jak też bardzo częste są błędy i niestaranność w wykonawstwie. Dotyczy to zarówno nowych, jak i starszych obiektów. Badania termowizyjne są często wykonywane przed rozpoczęciem termomodernizacji budynków. Ujawniają one stan faktyczny izolacyjności cieplnej przegród, pozwalają lepiej zaprojektować docieplenie lub pomagają w podjęciu decyzji o kolejności przedsięwzięć termomodernizacyjnych.

Termografia w podczerwieni jest techniką zobrazowania i rejestracji pól temperatury powierzchni badanych obiektów (czyli temperatury w każdym punkcie powierzchni) dzięki detekcji promieniowania podczerwonego od nich pochodzącego. Uzyskiwany jest w rezultacie tzw. termogram, czyli obraz, na którym w wybranej palecie barw lub w odcieniach szarości zilustrowany jest rozkład temperatury. Wartości temperatury można określić porównawczo, korzystając z wyskalowanej dla danego termogramu palety barw lub odczytując dokładne wskazania za pomocą odpowiedniego oprogramowania do analizy termogramów.

Fot. 3. Termogram fragmentu fasady szklanej, częściowo zmodernizowanej. Po lewej stronie, od góry: nowe szyby zespolone „Heat Mirror” (U=0,7 W/(m²·K)), w części środkowej fasada szklana nieprzezierna (U=0,6 W/(m²·K)), na dole stare szyby zespolone (U>2 W/(m²·K)). Niska izolacyjność profili aluminiowych konstrukcji (U>3 W/(m²·K))

Fot. 4. Termogram fragmentu fasady szklanej. Temperatura na zewnątrz: 0^oC, temperatura wewnątrz: 21^oC. Fragmenty nieprzezierne (góra i dół) wypełnione są wełną mineralną. Niska izolacyjność ram okiennych (U>3 W/(m²·K)). Współczynnik przenikania ciepła szyb zespolonych: 2,0 W/(m²·K)

Należy zwrócić uwagę na właściwości, którymi charakteryzuje się termografia w podczerwieni, będące niejednokrotnie jej bezkonkurencyjnymi zaletami. Jest to technika nieniszczącego, nieinwazyjnego i bezstykowego pomiaru pola temperatury. Możliwy jest pomiar rozkładu temperatury na dużych powierzchniach i ze znacznej odległości (ograniczeniem jest zadawalająca rozdzielczość termogramów).

Nie jest konieczny bezpośredni dostęp do badanych powierzchni. Pozwala to na badania wielokondygnacyjnych budynków. Odświeżanie obrazu z częstotliwością od 20 do 50 Hz powoduje, że pola temperatury obserwowane są praktycznie w czasie rzeczywistym. Pomiar temperatury w zastosowaniach budowlanych może być dokonywany z dokładnością rzędu 0,2÷0,5^oC.

Współczesne kamery termowizyjne cechuje duża czułość, najczęściej 0,08^oC, a nawet poniżej 0,03^oC w najlepszych urządzeniach badawczych. Powszechnie stosowane są obecnie kamery z matrycami 320 x 240 detektorów, a zatem termogram tworzony jest przez 320 x 240 pikseli (od połowy 2006 roku oferowane są w handlu również kamery z matrycami 640 x 480).

Wysoka czułość w połączeniu z dobrą rozdzielczością optyczną pozwala na uzyskanie bardzo wyraźnych termogramów i wykrycie praktycznie każdej znaczącej anomalii rozkładu temperatury w przegrodach budowlanych.

Fot. 5. Termogram i zdjęcie fragmentu fasady szklanej. Temperatura na zewnątrz: –5^oC, temperatura wewnątrz pomieszczeń na I piętrze: 20^oC.

Fragmenty nieprzezierne wypełnione są wełną mineralną. Niska izolacyjność i szczelność profili okien otwieranych (U>2,5 W/(m²·K)). Współczynnik przenikania ciepła szyb zespolonych: 1,1 W/(m²·K)

Termografia w podczerwieni jest najczęściej stosowana w budownictwie do:
- badań stanu izolacyjności cieplnej nowych budynków, w celu sprawdzenia jakości wykonanych prac i zastosowanych materiałów oraz poprawności rozwiązań projektowych,
- badań stanu izolacyjności cieplnej budynków, niezbędnych przed przystąpieniem do działań termorenowacyjnych lub sprawdzających ich rezultat,
- lokalizacji miejsc zawilgocenia przegród budowlanych,
- sprawdzania szczelności przegród zewnętrznych,
- lokalizacji przebiegu w przegrodach budowlanych instalacji wodnej i grzewczej oraz lokalizacji nieszczelności tych instalacji.

Fot. 6. Termogram i zdjęcie fragmentów fasad szklanych. Temperatura na zewnątrz: –5^oC, temperatura wewnątrz pomieszczeń na I piętrze: 20^oC, na parterze 18^oC.

Większość wymienionych powyżej zastosowań wymaga oczywiście przepływu ciepła przez przegrody budowlane, a zatem badania termowizyjne dokonywane są w czasie sezonu grzewczego, przy odpowiedniej różnicy temperatur: otoczenia i wewnątrz budynku. W krajach skandynawskich przyjmuje się, iż na co najmniej 24 godziny przed badaniami i podczas ich wykonywania różnica tych temperatur nie powinna być mniejsza od 3/U, gdzie U jest współczynnikiem przenikania ciepła przegrody (W/(m2·K). Jednocześnie różnica ta nie może być mniejsza od 5oC.

W Polsce praktycznie pomiary wykonuje się przy różnicy temperatury powietrza po obu stronach ściany osłonowej nie mniejszej niż 10oC. Badania termowizyjne wykonywane są najczęściej wieczorem lub w nocy – w celu uniknięcia wpływu operacji słońca na rozkład temperatury na ścianach osłonowych. Najwłaściwszym czasem dla badań jest okres od listopada do lutego, gdy zarówno temperatura otoczenia, jak i amplitudy jej zmian w ciągu dnia są najmniejsze.

Fot. 7. Termogram i zdjęcie fragmentu przeszklenia (witryny) z fot. 5.

Badania termowizyjne od wewnątrz potwierdzają niską izolacyjność dolnych szyb zespolonych (U>2,0 W/(m²·K))

Badania przegród zewnętrznych często dokonywane są zarówno z zewnątrz, jak i od wewnątrz, zwłaszcza, gdy konstrukcja przegrody (np. obecność szczelin powietrznych pod zewnętrznymi okładzinami) nie pozwala na właściwą ocenę jej izolacyjności wyłącznie w oparciu o pomiary z jednej strony. Ponadto, badanie szczelności obudowy wymaga przeważnie wykonania pomiarów po stronie wewnętrznej, szczególnie, gdy nadmierna infiltracja z zewnątrz powoduje obniżenie komfortu cieplnego użytkowników. Podobnie, obecność mostków cieplnych powodujących kondensację wilgoci lub znaczące wychłodzenie dużych powierzchni przegród powoduje, że badania wykonywane wewnątrz budynków są niezbędne dla obiektywnej ilościowej oceny (wartości temperatury i pole powierzchni) tych zjawisk i ich wpływu na pogorszenie komfortu cieplnego.

Fot. 8. Termogram i zdjęcie fragmentu witryny. Temperatura na zewnątrz: 0^oC, temperatura wewnątrz: 19^oC. .

Zastosowanie profili o bardzo niskiej izolacyjności spowodowało znaczne wychłodzenie sąsiednich fragmentów ściany i parapetu, istotnie obniżając komfort cieplny w pomieszczeniu. Temperatura profili jest niższa od temperatury punktu rosy

Istnieją dwa zasadnicze powody, dla których okna i fasady szklane stanowią coraz częściej przedmiot wnikliwych badań termowizyjnych. Jest to ich znaczący udział w całkowitym bilansie strat ciepła z budynku (współczynniki przenikania ciepła szyb zespolonych są przeważnie 3-4-krotnie wyższe od współczynników przenikania ścian pełnych; dla profili ta relacja jest oczywiście bardziej niekorzystna) oraz bezpośredni wpływ na komfort cieplny coraz bardziej wymagających użytkowników. Zagadnienie komfortu cieplnego jest przeważnie niedoceniane przez projektantów i inwestorów.

Otoczenie oceniane jest przez człowieka pod względem termicznym w zależności od temperatury operacyjnej, jego aktywności fizycznej, rodzaju ubrania (oporu cieplnego ubrania), prędkości względnej powietrza i wilgotności. Temperatura operacyjna jest definiowana jako jednolita temperatura pomieszczenia, w którym człowiek wymieni na drodze promieniowania i konwekcji taką samą ilość ciepła jak w rzeczywistym, niejednolitym środowisku. Obecność w pomieszczeniu powierzchni o niższej temperaturze (np. szyb o niskiej izolacyjności lub mostków cieplnych) lub ruch powietrza (np. w wyniku nieszczelności okien) powoduje zmniejszenie temperatury operacyjnej w stosunku do temperatury powietrza. Temperatura operacyjna (i strumień ciepła tracony przez człowieka na drodze promieniowania) zależy od usytuowania człowieka względem powierzchni o obniżonej temperaturze.

Fot. 9. Termogram i zdjęcie fragmentu witryny. Temperatura na zewnątrz: –1^oC, temperatura wewnątrz: 21^oC.

Zastosowanie profilu aluminiowego o bardzo niskiej izolacyjności istotnie obniżyło komfort cieplny w pobliżu okna

A zatem, przykładowo, mimo utrzymywania w pomieszczeniu temperatury powietrza 22–24^oC, przebywanie w pobliżu okna, którego temperatura od strony wewnętrznej wynosi np. 14^oC powoduje, że odczuwane jest niepożądane oziębienie części lub całego ciała. Nie należy więc oczekiwać spełnienia warunków komfortu cieplnego np. w pobliżu szyb zespolonych w współczynniku przenikania U=2,0 W/(m²·K) w miesiącach zimowych, mimo zapewnienia dość wysokiej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Lokalizacja miejsc pracy w pobliżu okien lub fasad szklanych powinna być wystarczającą przesłanką do zastosowania szyb zespolonych o współczynniku przenikania mniejszym od 1,1 W/(m²·K) i profili wyłącznie z grupy materiałowej 1.0.

Fot. 10. Termogram okien. Temperatura na zewnątrz: –5^oC, temperatura wewnątrz: 20^oC. Obniżona izolacyjność części szyb zespolonych ze względu na niedostateczną ilość argonu. Widoczny wypływ ciepłego powietrza przez nieszczelności wokół otwieranych części okien oraz nawiewniki w górnych oknach

Fot. 11. Termogram okna. Temperatura na zewnątrz: –5^oC, temperatura wewnątrz: 20^oC. Obniżona izolacyjność szyby zespolonej w witrynie ze względu na niedostateczną ilość argonu

Fot. 12. Termogram okna z fot. 10, wykonany od wewnątrz. Temperatura na zewnątrz: –5^oC, temperatura wewnątrz: 20^oC.

Obniżona izolacyjność szyby zespolonej w witrynie ze względu na niedostateczną ilość argonu. Obok zamieszczony profil temperatury wzdłuż zaznaczonej na termogramie linii. W górnej części ramy otwory nawiewne

Badania termowizyjne okien i fasad szklanych umożliwiają przede wszystkim:
- ocenę izolacyjności cieplnej szyb zespolonych i profili (fot. 1-9),
- wykrycie szyb zespolonych o obniżonej izolacyjności w stosunku do deklarowanej (fot. 2, 10-13),
- wykrycie błędów projektowych i sprawdzenie jakości prac montażowych (fot. 8, 9, 14-16, 18),
- sprawdzenie szczelności okien i fasad (fot. 15-18).

Fot. 13. Termogram witryny wykonany od wewnątrz. Temperatura na zewnątrz: –11^oC, temperatura wewnątrz: 16^oC. Obniżona izolacyjność szyb zespolonych w witrynie ze względu na niedostateczną ilość argonu. Deklarowany współczynnik przenikania ciepła szyby zespolonej U=2,0 W/(m²·K)

Współczynniki przenikania ciepła przegród (U) nie mogą być wyznaczone w sposób dokładny na podstawie wyników badań termowizyjnych.

Konieczny jest pomiar gęstości strumienia ciepła za pomocą odpowiednich mierników. Możliwe jest oczywiście natychmiastowe porównanie i ocena izolacyjności poszczególnych elementów, tj. szyb i profili (fot. 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9), o ile warunki wymiany ciepła (temperatury powietrza, współczynniki przejmowania ciepła a) po obu stronach badanych przegród są te same. Może to być porównanie elementów tej samej fasady (fot. 1, 2, 3, 6, 7) lub porównanie z wynikami dla przegród wykonanych w podobnej technologii (fot. 8, 9).

Fot. 14. Termogram i zdjęcie nieotwieranej części okna (witryny) wykonany od środka. Temperatura na zewnątrz: –11^oC, temperatura wewnątrz: 21^oC. Współczynnik przenikania ciepła szyby zespolonej U=2,0 W/(m²·K).

Niewłaściwy montaż okna, tj. brak odpowiedniej izolacji między witryną a ścianą powoduje znaczne wychłodzenie (ujemne temperatury!!!) listwy maskującej i pogorszenie komfortu cieplnego, jak też zwiększone straty ciepła i kondensację wilgoci

Pomocne jest tu doświadczenie osoby wykonującej badania lub interpretującej ich wyniki.

Możliwe jest jednak również oszacowanie współczynnika przenikania ciepła przegrody lub jej fragmentów na podstawie temperatur powierzchni przegrody i powietrza po obu stronach. Dokładność tego oszacowania zależy od poprawności oceny wartości współczynników przejmowania ciepła dla warunków pomiaru. Obecność w badanej przegrodzie elementów (np. szyb zespolonych) o znanym współczynniku przenikania ciepła znacznie ułatwia to zadanie.

Fot. 15. Termogram i zdjęcie okna połaciowego. Temperatura na zewnątrz: –7^oC, temperatura wewnątrz: 17^oC.

Niestaranny montaż okna powoduje znaczną infiltrację powietrza na obrzeżach okna, również pod płytami gipsowo-kartonowymi

Charakterystyczną, łatwą do wykrycia, wadą szyb zespolonych jest niedostateczna ilość i ciśnienie argonu w przestrzeni między szybami.

Przyczyną mogą być błędy popełnione na etapie produkcji lub zastosowanie niewłaściwego sita molekularnego w ramce. Następuje wówczas obniżenie izolacyjności środkowej części szyby zespolonej (fot. 2, 10-13), wynikające z deformacji tafli szkła (tworzy się „soczewka wklęsła”). Od zewnątrz obserwujemy cieplejsze koło lub owal (w zależności od kształtu szyby) a od wewnątrz – zimniejsze. Wada ta może powodować znaczne pogorszenie komfortu cieplnego użytkowników pomieszczenia, jak też kondensację wilgoci na najzimniejszych fragmentach szyby.

Bardzo niska temperatura profili wykorzystanych do montażu okna wskazywać może nie tylko na ich niedostateczną izolacyjność cieplną (błędy projektowe; fot. 8, 9), ale również na niewłaściwe wykonanie prac montażowych, np. brak izolacji w pustej przestrzeni pomiędzy witryną a ścianą (fot. 14). W rezultacie, poza nadmiernymi stratami ciepła, dochodzi często do kondensacji wilgoci na profilach i pogorszenia warunków komfortu cieplnego. Podobnie, mostki termiczne obserwowane w ścianie osłonowej wokół okna świadczą o niewłaściwym zaprojektowaniu połączenia lub złym wykonaniu prac montażowych.

Fot. 16. Termogram i zdjęcie okna połaciowego. Temperatura na zewnątrz: –7^oC, temperatura wewnątrz: 17^oC.

Niestaranny montaż okna powoduje znaczną infiltrację powietrza na obrzeżach okna, również pod płytami gipsowo-kartonowymi ścianki działowej

Są to miejsca, gdzie zazwyczaj dochodzi do kondensacji wilgoci i rozwoju grzybów pleśniowych. Jest to problem występujący zwłaszcza w budynkach mieszkalnych (dla warunków normowych tj. temperatury powietrza 20^oC i wilgotności względnej 55%, temperatura punktu rosy wynosi 10,7^oC), szczególnie tam, gdzie użytkownicy nie dbają o odpowiednią wentylację mieszkań i wilgotność powietrza znacznie przekracza wartość normową. W budynkach biurowych problem kondensacji wilgoci występuje znacznie rzadziej, ponieważ w sezonie grzewczym wilgotność w tego typu obiektach przeważnie zawiera się w granicach 20-30%.

Fot. 17. Nieszczelności w dolnej części okna

Częstym problemem mieszkań na poddaszach jest nieprawidlowy lub niestaranny montaż okien połaciowych (fot. 15, 16). Braki uszczelnienia, izolacji lub wiatroizolacji powodować mogą nie tylko bezpośredni napływ powietrza wokół ramy okiennej, ale również infiltrację zimnego powietrza pod płyty gipsowo-kartonowe połaci dachowych, ścian kolankowych, a nawet ścianek działowych. Wychłodzenie tych powierzchni w oczywisty sposób pogarsza komfort cieplny mieszkańców.

Fot. 18. Niska izolacyjność ramy okiennej i nieszczelności w jej dolnej części. Widoczne mostki termiczne spowodowane obecnością metalowej konstrukcji (stelaży) ściany osłonowej

Należy oczekiwać, że powszechniejsze zastosowanie termografii w podczerwieni do badań w budownictwie przyczyni się znacząco zarówno do poprawy jakości wykonawstwa, jak też udoskonalenia rozwiązań projektowych oraz ulepszenia materiałów i elementów konstrukcyjnych.

dr hab. inż. Tomasz Wiśniewski

Instytut Techniki Cieplnej, Politechniki Warszawskiej

Cały artykuł zamieszczono w - „Świecie Szkła” 9/06 (Zastosowanie termografii w podczerwieni w budownictwie)

patrz też:

- Zastosowania termowizji w budownictwie Część 1 , Józef Osiadły, Świat Szkła 11/2010

- Ocena energetyczna budynków i jej termowizyjna weryfikacja Część 2, Józef Osiadły, Świat Szkła 10/2010

- Ocena energetyczna budynków i jej termowizyjna weryfikacja. Część 1 , Józef Osiadły, Świat Szkła 9/2010

- Termografia w podczerwieni w hutniczym przemyśle szklarskim, Tomasz Zduniewicz, Świat Szkła 6/2008

- Nowoczesne narzędzie diagnostyki cieplnej. Cz. 1, Jan Górski, Świat Szkła 9/2008

- Nowoczesne narzędzie diagnostyki cieplnej. Cz. 2, Jan Górski, Świat Szkła 10/2008

- Zastosowanie termografii w podczerwieni w budownictwie, Tomasz Wiśniewski, Świat Szkła 9/2006

- Dobrze wybrać, S. Żmuda, Świat Szkła - numer specjalny Termowizja w przemyśle szklarskim i budownictwie