Termowizja w diagnostyce budynków

Kamera termowizyjna jest narzędziem badawczym, które pozwala ocenić jakość cieplną przegrody budowlanej. Często jednak, widząc fragment przegrody budynku w różnych barwach, trudno oprzeć się wrażeniu, że to, co widzimy, nie odzwierciedla stanu rzeczywistego jakości cieplnej przegrody.

Na RYS. 1 znajdują się: w lewym górnym rogu – termogram, poniżej – tabliczka informacyjna, w prawym górnym rogu – fotografia wykonana jednocześnie z termogramem (zdjęcie nocne), poniżej – zdjęcie wykonane w dzień. Tabliczka zawiera informacje zapisane w czasie wykonywania termogramu, a uwidocznione na obróbce komputerowej: datę i godzinę wykonania termogramu, temperaturę powietrza, emisyjność całej powierzchni (nie zawsze odpowiadającą emisyjności poszczególnych fragmentów widocznych na termogramie), temperaturę w punktach (dla emisyjności całości obrazu). Operator programu może też (w zależności od posiadanego programu komputerowego) zamieścić w tabliczce inne informacje, np. temperaturę w zaznaczonym polu na wybranej powierzchni, średnią wartość temperatury w zaznaczonym polu, odchylenie standartowe od wartości średniej (stdev), minimalną i maksymalną temperaturę w zaznaczonym na termogramie polu.

Wprowadzenie do tematyki termowizji w budownictwie

Zrozumienie, nawet dość ogólne, każdej dziedziny techniki wymaga zaznajomienia się z podstawowymi pojęciami i definicjami, tak aby prezentowane zagadnienia były klarowne i precyzyjne.

Termografia – metoda badawcza, która polega na wizualizacji, rejestracji i interpretacji rozkładów temperatury powierzchni badanych obiektów. Temperatura na powierzchni badanego obiektu jest mierzona pośrednio, to znaczy termograf mierzy promieniowanie padające na detektor, a ten przetwarza padające promieniowanie podczerwone na proporcjonalne do jego mocy sygnały elektryczne. Sygnały te zamieniane są na obraz na ekranie kamery. Obraz możemy oglądać w czasie rzeczywistym oraz zapisać go w formie pliku graficznego do dalszej analiz.

Obraz cieplny – obraz wytwarzany przez system detekcji promieniowania podczerwonego, przedstawiający rozkład pozornej temperatury promieniowania powierzchni.

Termogram – zapisany obraz cieplny (fotografia, VHS, DVD, plik).

Emisyjność powierzchni (ε) – parametr mówiący o zdolności danego ciała do emisji promieniowania podczerwonego (cieplnego). Przy pomiarach temperatury za pomocą pirometrów czy kamer termowizyjnych jest istotnym parametrem pomiaru temperatury powierzchni. Emisyjność nie jest wielkością stałą. Zależy przede wszystkim od rodzaju materiału, stanu powierzchni, kierunku obserwacji, długości fali, a nawet temperatury.

Termogram zazwyczaj pokazuje temperaturę pozorną. Uwzględnienie emisyjności powierzchni pozwala przypisać punktowi lub wybranemu obszarowi temperaturę rzeczywistą. Znaczący wpływ emisyjności na pomierzoną przy użyciu termogramu temperaturę powierzchni można zilustrować poniższym przykładem. Wybrany przykład jest niewielkim fragmentem badań prowadzonych przez autorów (RYS. 2).

Widoczna płyta stalowa ma jednolitą stałą temperaturę: 32,4°C, uzyskaną dzięki zastosowaniu pod płytą odpowiedniego źródła ciepła. Na powierzchnię płyty naklejono folie budowlane o zdecydowanie różnej emisyjności powierzchni oraz fragment czarnej powierzchni folii budowlanej o grubości 0,5 mm. Na termogramie zaznaczono dwa pola pomiarowe i pięć punktów, w których zmierzono pozorną temperaturę powierzchni. Wzdłuż trzech wybranych folii wykonano profil temperatury wzdłuż linii LI01, widoczny w lewym dolnym rogu rysunku. Dla całości obrazu termowizyjnego ustalono jeden współczynnik emisyjności powierzchni ε = 0,92 jako typowy współczynnik powierzchni tynku. Wykazano wstępowanie różnic temperatury pozornej Δtpi = 13,2 K, chociaż wszystkie zaznaczone pola i punkty mają jednakową, mierzoną niezależnymi czujnikami z dokładnością do 0,1°C temperaturę powierzchni.

Uzyskana różnica temperatury pozornej jest wynikiem niedopasowania współczynników emisyjności powierzchni poszczególnych badanych materiałów. Przytoczony przykład jednoznacznie dowodzi wpływu emisyjności powierzchni na wykazywane na termogramie temperatury powierzchni.

Jakość cieplną przegrody budowlanej – badaną przy użyciu termowizji – należy rozumieć jako jednorodność (RYS. 3 i RYS. 4) pola temperatury na powierzchni przegrody budowlanej z dala od mostków cieplnych. Badana przegroda wykazuje (RYS. 4), że pole temperatury jest jednolite, a występujące odchylenia od wartości średniej temperatury nie przekraczają 0,2–0,3 K.

Mostek cieplny [1] – część obudowy budynku, w której jednolity opór cieplny jest znacznie zmieniony w wyniku całkowitej lub częściowej penetracji obudowy budynku przez materiały o różnym współczynniku przewodzenia ciepła i/lub zmiany grubości struktury i/lub różnicy między wewnętrznymi a zewnętrznymi powierzchniami, jakie występują na przykład przy połączeniu ściana–ściana, podłoga–sufit (RYS. 3). Definicja ta nie ujmuje wszystkich przypadków występowania mostków cieplnych w budownictwie, lecz ogranicza się do tych, które możemy obliczyć i uwzględnić przy projektowaniu przegród budowlanych, pomijając ważną grupę mostków geometrycznych, które nie zawsze pasują do podanej powyżej definicji. Mostek cieplny możemy inaczej nazwać defektem cieplnym lub anomalią w przegrodzie budowlanej (RYS. 5). Lokalne zmniejszenie oporu cieplnego skutkuje lokalnym obniżeniem temperatury na powierzchni wewnętrznej.

Defekty można generalnie podzielić na dwa rodzaje:

• liniowe mostki cieplne związane z konstrukcją połączeń pomiędzy elementami przegród, np. połączenia krawędzi ścian z dachem, które nie zostały odpowiednio zaprojektowane tak, aby całkowicie wyeliminować lub w sposób znaczący zminimalizować ich wpływ na lokalne straty ciepła,
• liniowe nieciągłości izolacji związane z technologią wykonania połączeń,
• lokalne nieciągłości izolacji lub nieznaczne zmniejszenie jej grubości, powstałe w wyniku lokalnego zgniecenia materiału izolacyjnego w przegrodach.

Anomalie to miejsca o zróżnicowanej lokalnie temperaturze powierzchni wewnętrznej lub zewnętrznej, związane z geometrią przegród. Występują niezależnie od ilości i jakości materiału izolacyjnego, rozwiązania konstrukcyjnego czy jakości robót.

Do anomalii zaliczamy występujące na budynku w wielu miejscach załamania płaszczyzny ścian zewnętrznych obudowy wystającej ponad dach, czyli pionowe i poziome naroża, oraz połączenia ścian pod różnym kątem dającym tzw. efekt naroża wypukłego, wklęsłego lub pod kątem zawartym w granicach pomiędzy 10 a 170° (RYS. 6 i RYS. 7).

Warunki prowadzenia badań i pomiarów termowizyjnych

Można pokusić się o stwierdzenie, iż zdecydowana większość osób, które miały do czynienia z badaniami termowizyjnymi w budownictwie, zna odpowiedź na pytanie, kiedy należy prowadzić badania termowizyjne. Odpowiedź ta brzmiałaby, że powinno się je prowadzić w okresie, gdy temperatura powietrza jest bliska zeru, czyli późną jesienią, zimą lub czasem wczesną wiosną. Autorzy mogą jednak stwierdzić z całą odpowiedzialnością, iż nie jest to całkiem poprawna odpowiedź. Na RYS. 8 przedstawiono termogram wykonany latem w pełnym nasłonecznieniu, w warunkach wysokiej temperatury powietrza zewnętrznego, tj. ok. 22°C.

Można więc jednoznacznie powiedzieć, iż warunki prowadzenia badań przy użyciu kamery termowizyjnej muszą odpowiadać celowi, jakiemu służą te badania, a zalecana przez normę [1] różnica temperatur powierza po obu stronach przegrody budowlanej powinna wynosić przynajmniej 10 K.

Jeśli celem badań jest określenie jakości cieplnej przegrody, a w zasadzie miejsc niejednorodności cieplnych i dróg wypływu powietrza przez obudowę, to bezwzględnie mają zastosowanie warunki prowadzenia badań, opisane szczegółowo w normie: PN-EN 13187:2001 „Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni”. Norma ta, z braku innej, jest bardzo często przywoływana przez osoby wykonujące badania, jako podstawa wykonania badań termowizyjnych i sporządzania raportu z tych badań.

Autorzy tego artykułu wielokrotnie mieli okazję się przekonać, iż wykonawcy raportów sporządzonych po badaniach termowizyjnych, w których jako podstawę przywołano cytowaną normę, nie zapoznali się z wymaganiami co do warunków prowadzenia takich badań ani tym bardziej z wymaganiami co do sporządzanego raportu.

Aby rozwiać wątpliwości co do zakresu normy i omawianych w niej zagadnień, należy zacytować p. 1 normy [1], dotyczący zakresu normowanych zagadnień. Punkt ten stanowi: „Niniejsza norma ma zastosowanie do określania miejsc niejednorodności cieplnych i dróg wypływu powietrza przez obudowę. Norma nie ma zastosowania do ilościowego określania izolacyjności cieplnej i szczelności konstrukcji na przenikanie powietrza. Do takich określeń wymagane są badania innymi metodami”.

W tym miejscu należy wyjaśnić stosowane często w literaturze fachowej pojęcia termografii jakościowej i ilościowej.

Badania jakościowe

Pod pojęciem termografii jakościowej należy rozumieć metody, w których nie wyznacza się określonych wartości pomiarowych. Przedstawia się natomiast wizualizację różnic temperatury na badanej powierzchni przegrody. Badania termograficzne termoizolacyjności przegród zewnętrznych prowadzi się z reguły od zewnątrz budynku, chociaż ich wartość użytkowa jest znacznie mniejsza aniżeli przy badaniach od strony wewnętrznej.

Badania od strony wewnętrznej są bardziej miarodajne, jednak ze względu na uciążliwości spowodowane ich prowadzeniem w eksploatowanych pomieszczeniach mają z reguły charakter ograniczony. Badania przeprowadzane od zewnątrz należy traktować wyłącznie jako działania rozpoznawcze, przydatne w dalszych etapach diagnostyki termoizolacyjnej przegród zewnętrznych.

Badania ilościowe

Termografia ilościowa wykorzystuje podczerwień w metodzie badawczej, bez bezpośredniego udziału innych przyrządów pomiarowych. Granice tolerancji dokładności pomiaru są dość znaczne. Rozróżniamy kilka sposobów postępowania w badaniach termograficznych:

Pomiar bez dodatkowych środków pomocniczych. Do takiego pomiaru wykorzystywana jest emitowana przez obiekt energia promieniowania. Założeniem metody są idealne warunki otoczenia, a także pominięcie wpływu wiatru, zanieczyszczeń powietrza, zmienności współczynnika emisyjności oraz innych czynników.

Pomiar z temperaturą odniesienia. Zasady pomiaru są takie same jak przedstawione w poprzednim punkcie. Temperaturę powierzchni przegrody należy wyznaczyć znaną i sprawdzoną metodą.

Punkt pomiaru zostaje oznaczony jednym stopniem szarości lub barwą względnie jedną izotermą. Przez przesunięcie izotermy można zmierzyć temperaturę dowolnego punktu obiektu. W tej metodzie współczynnik emisyjności przegrody może być nieznany.

Pomiar z wzorcowym promiennikiem polega na tym, że w pole widzenia skanera wprowadza się minimum jeden wzorcowy promiennik lub wykorzystuje się wzorzec istniejący w skanerze. W tej metodzie zakłócenia środowiska zostają wyeliminowane.

Pomiar z płaszczyzną odniesienia. W takim pomiarze stosuje się źródło promieniowania wzorcowego oraz wzorzec temperatury odniesienia. Promiennik wzorcowy stanowi ogrzana powierzchnia płyty miedzianej, pokryta materiałem o emisyjności zbliżonej do emisyjności materiału przegrody. Wzorzec temperatury odniesienia wykonany jest z tego samego materiału co promiennik wzorcowy.

Pomiar polega na porównaniu wielkości mierzonych promiennika wzorcowego, wzorca temperatury odniesienia i powierzchni przegrody,

Kombinowane metody pomiaru polegają na kombinacji zastosowania urządzenia termowizyjnego oraz miernika przepływu ciepła i temperatury. W trakcie badań termograficznych w miejscach charakterystycznych umieszcza się dodatkowe urządzenie pomiarowe. Innym połączeniem kombinowanej metody pomiaru jest sprzężenie urządzeń termograficznych z komputerem. Dane uzyskane z pomiarów termograficznych przetwarzane są na postać cyfrową i rejestrowane w pamięci komputera. Informacje te obrabiane są następnie w pracowni komputerowej.

Analiza stanu ochrony cieplnej z wykorzystaniem termowizji

Badania termowizyjne, przeprowadzone zgodnie procedurami zawartymi w normie PN-EN 13187: 2001, są jedynie częścią oceny stanu ochrony cieplnej przegród budowlanych, na którą składają się:

• analiza dokumentacji architektonicznej,
• określenie przypuszczalnego rozkładu temperatury (analiza wykonywana przy użyciu tylko programów numerycznych, zazwyczaj w metodzie MES). Podstawą obliczeń są rysunki z projektu architektonicznego. Analiza taka może być wykonywana jako dwuwymiarowa lub trójwymiarowa, w zależności od badanego fragmentu przegrody,
• obliczenie współczynnika przenikania ciepła dla płaskich fragmentów przegród budowlanych zgodnie z PN-EN-ISO 6946:2017 lub dla węzłów połączeń przegród (ściana zewnętrzna–ściana wewnętrzna; ściana–strop; ściana–okno itp.) zgodnie z PN-EN-ISO 10211:2017,
• porównanie spodziewanego (obliczonego) rozkładu pola temperatury na powierzchni przegrody z otrzymanym pomiarem termowizyjnym, wykonanym zgodnie z procedurami,
• badanie szczelności budynku (przy użyciu Blowerdoor),
• inne badania i niezbędne obliczenia.

Sprawdź: badania termowizyjne budynku >>

Należy jednoznacznie stwierdzić, iż kamera termowizyjna rejestruje zarówno promieniowanie własne płaszczyzny, jak i promieniowanie odbite.

W każdym ogrzewanym i nawet najlepiej zaizolowanym budynku występują tzw. anomalie, czyli miejsca, w których temperatura powierzchni wewnętrznej, rejestrowana przez kamerę, jest niższa od temperatury płaszczyzny powierzchni poza zaburzeniami. Miejscami takimi są na przykład: naroża, krzyżowanie sie płaszczyzny stropu ze ścianą zewnętrzną i wewnętrzną (dolne i górne), załamanie płaszczyzny ściany, połączenie płaszczyzny ściany z płaszczyzną dachu (RYS. 9, RYS. 10 i RYS. 11).

Żeby w sposób rzetelny odróżnić takie anomalie od wad (projektowych lub wykonawczych) niezbędne są obliczenia, a w większości przypadków termogramy wzorcowe, oraz dodatkowe badania i pomiary na przegrodzie [2–4].

Jako przykład zastosowania termowizji wraz z obliczeniami spodziewanego pola temperatury na powierzchni niech posłużą RYS. 9, RYS. 10 i RYS. 11.

Jeśli nie przedstawiamy w raporcie szczegółowych danych dotyczących budowy przegrody i nie wykonujemy badań pomocniczych wskazanych w normie [1], a także nie wykonujemy niezbędnych obliczeń, to możemy jedynie mówić o jakości cieplnej przegrody budowlanej lub jej braku.

Przez jakość cieplną przegrody budowlanej, badaną przy użyciu termowizji, można rozumieć:

• jednorodność cieplną, co oznacza, iż badane pole temperatury jest jednolite, a nieznaczne odchylenia od wartości średniej temperatury nie przekraczają 0,2 K przy badaniu od strony zewnętrznej (rys. 1), przy zgodności temperatur obliczonych przy użyciu metod numerycznych na poziomie 0,2 K,
• jednorodność cieplną powierzchni badanych od strony wewnętrznej widoczną na termogramie.

Identyfikacja wad izolacyjności termicznej w budownictwie

Badanie budynków za pomocą termografii sprowadza się do lokalizacji wad w izolacji cieplnej zewnętrznych przegród. Przy czym zawsze należy ocenić rodzaj i zakres tych wad. Bardzo korzystne w interpretacji wyników badań są tu termogramy wzorcowe. Jeżeli termogramy takie są dostępne, przeprowadza się ocenę na podstawie ogólnych zasad interpretacyjnych z uwzględnieniem rozwiązań materiałowych.

Przy ocenie i analizie termogramów [5–6] uwzględnia się:

• równomierność rozkładu temperatury na powierzchni przegrody,
• charakterysyczne kontury mostków cieplnych przegrody oraz charakterystyczne kontury wynikające z infiltracji chłodnego powietrza,
• usytuowanie elementów konstrukcyjnych,
• ciągłość i równość izoterm brzegu elementu konstrukcyjnego,
• różnicę temperatur między średnią temperaturą powierzchni ściany a jej charakterystycznymi fragmentami.

Różnice szarości lub kolorów i nieregularności kształtów fragmentów obrazu są zależne od jednorodności termoizolacyjności przegrody [7–8]. Przy identyfikacji fragmentu z określoną wadą wykonuje się termogram z nałożoną izotermą. Określa się temperaturę odniesienia, a następnie wyznacza się różnicę temperatury pomiędzy charakterystycznymi fragmentami powierzchni przegrody. Badania pozwalają na identyfikację następujących wad przegród budowlanych:

• niejednorodność termoizolacyjna konstrukcji przegrody,
• niedostateczna szczelność elementów konstrukcyjnych, złącza, mocowania stolarki itp.
• równoczesne występowanie zmian termoizolacyjności i nieszczelności konstrukcji,
• zmiany wilgotności powierzchni fragmentów konstrukcji.

Bezpośrednio za pomocą samej termografii, bez stosowania zaawansowanych metod obliczeniowych [9], nie można jednoznacznie określić jakości izolacji obudowy, oporu cieplnego przegrody czy współczynnika przenikania ciepła budynku oraz związanej z tym izolacyjności termicznej ścian zewnętrznych.

Na podstawie termogramów, przy dużej wprawie w ich interpretacji, można określić wielość i rodzaj mostków cieplnych oraz lokalne zawilgocenia przegród lub łączne występowanie obu tych defektów.

Najczęściej popełniane błedy w raportach termowizyjnych i ocenach stanu ochrony cieplnej z użyciem badań termowizyjnych:

• brak analizy budowlanej dokumentacji archiwalnej badanej przegrody,
• prowadzenie badań jedynie przy użyciu samej kamery termowizyjnej, bez wykonywania dodatkowych niezbędnych pomiarów, takich jak:
  - temperatura i wilgotność powietrza podczas badań,
  - ciśnienie powietrza po obu stronach budynku i innych.

Błędy popełniane w przypadku badań ilościowych:

• niezależny pomiar temperatury powierzchni,
• wykonywanie badań i pomiarów zdalnych temperatury powierzchni z użyciem nieodpowiedniego sprzętu pomiarowego, np. przy użyciu kamer lub aparatów do zdjęć w podczerwieni o małej rozdzielczości termicznej i zbyt małym polu rejestacji detektora; zlecana do badań w budownitwie rozdzielczość termiczna urządzenia pomiarowego: czułość termiczna < 0,1°C z detektorem o zalecanej minimalnej wielkości pola pomiarowego przynajmniej 200×150 pikseli lub większa,
• nieprzestrzeganie procedur pomiarowych zawartych w normie przy stosowaniu termowizji do oceny jakościowej przegrody,
• brak szkiców usytuowania stanowisk pomiarowych i pomierzonych odległości od stanowiska pomiarowego do badanej przegrody, o ile raport ma spełniać wymagania normy [1],
• lekceważenie istnienia różnych współczynników emisyjności powierzchni znajdujących się na tym samym termogramie (na ogół operator kamery nastawia jeden współczynnik, a prowadzący ocenę termogramów przy użyciu programu komputerowego nie dopasowywuje go do rzeczywistych współczynników powierzchni; działanie takie powoduje błędną ocenę temperatur w punktach pokazywanych na termogramie),
• brak opisów otaczających powierzchni niewidocznych na termogramie, a mogących mieć znaczący wpływ na końcowy rozkład pola temperatury widoczny na temogramie,
• wykonywanie opisów przy termogramach wskazujących na występowanie defektu bez analizy obliczeniowej dla badanego elementu lub fragmentu przegrody,
• wyciąganie wniosków przez autorów raportów co do stanu ochrony cieplnej bez spełnienia wszystkich warunków, jakich wymaga taka ocena, w tym bez wykonywania jakichkolwiek obliczeń cieplnych.

Podsumowanie

Termografia jest efektywnym narzędziem badawczym wspomagającym ocenę stanu technicznego przegród zewnętrznych budynków w dziedzinie izolacyjności termicznej, szczególnie przy wykrywaniu istniejących defektów w postaci liniowych i punktowych mostków cieplnych, nieciągłości izolacji temicznej, silnych zawilgoceń, infiltracji powietrza na połączeniach elementów.

Prawidłowo przeprowadzone badanie termowizyjne przegród budowlanych umożliwia lokalizację miejsc o największych stratach ciepła w obiekcie lub stwarzających zagrożenie występowaniem kondensacji powierzchniowej.

Badanie takie może być wykorzystane do diagnostyki i oceny rozkładu pola temperatur powierzchni wewnętrznych i zewnętrznych dla celów obliczeń oddziaływania rzeczywistej temperatury na matalowe elementy konstrukcji elewacji.

W połączeniu z innymi metodami badawczymi, pomiarami cieplnymi, a w szczególności prawidłowo przeprowadzonymi obliczeniami prognozowanego rozkładu pola temperatury powierzchni w miejscach połączeń (obliczenia 2D i 3D), umożliwia kompleksową ocenę izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych, pod warunkiem spełnienia wszystkich wymogów dotyczących sposobu prowadzenia badań i pomiarów oraz zasad interpretacji uzyskanych wyników.

Literatura

1. PN-EN 13187:2001, „Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni”.
2. H. Nowak, „Zastosowanie badań termowizyjnych w budownictwie”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.
3. T. Steidl, B. Orlik-Kożdoń, „Termografia w ocenie jakości cieplnej hal przemysłowych”, „Nowoczesne Hale” 1/2018, s. 80-84.
4. „Poradnik Diagnostyki Cieplnej Budynku”, t. 1. "Diagnostyka in-situ izolacyjności cieplnej budynków”, red. T. Steidl, Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Gliwice 2013.
5. DS./INSTA 110-1986, „Thermal insulation - Thermography of buildings".
6. ISO 6781, „Thermal insulation. Qualitative detection of thermal irregularities inbuilding envelopes - Infrared method”.
7. G. Rudowski, „Termowizja i jej zastosowanie”, WKiŁ, Warszawa 1978.
8. „Wytyczne jakościowej oceny przegród zewnętrznych budynków pod względem izolacyjności cieplnej metodą termowizyjną”, COBR PB CEBET, Warszawa 1990.
9. A. Nowoświat, J. Skrzypczyk, P. Krause, T. Steidl, A. Winkler-Skalna, „Estimation of thermal transmittance based on temperature measurements with the application of perturbation numbers”, „Heat Mass Transf.” 2018 vol. 54 iss. 5, s. 1477-1489

Artykuł pochodzi z miesięcznika IZOLACJE, nr 10/2018