Badanie przecieków powietrza przez obudowę budynku za pomocą kamery termowizyjnej

W rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [4] osiągnięcie wysokiej szczelności połączeń przegród zewnętrznych w budynku jest czynnikiem wpływającym na zużycie energii do ogrzewania: W budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnym przegrody zewnętrzne nieprzezroczyste, złącza między przegrodami i częściami przegród (między innymi połączenie stropodachów lub dachów ze ścianami zewnętrznymi), przejścia elementów instalacji (takie jak kanały instalacji wentylacyjnej i spalinowej przez przegrody zewnętrzne) oraz połączenia okien z ościeżami należy projektować i wykonywać pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza [4].

Polskie ustawodawstwo nie narzuca konieczności badania szczelności powietrznej budynków, aczkolwiek jest ona zalecana w powyższym rozporządzeniu. Szczelność obudowy, mierzona jest krotnością wymian powietrza pomiędzy ogrzewanym wnętrzem a środowiskiem zewnętrznym przy różnicy ciśnień 50 Pa – wskaźnik n₅₀. Zaleca się, by w budynkach z wentylacją grawitacyjną i hybrydową powyższy wskaźnik nie był większy niż 3,0 h^–1, a w budynkach z wentylacją mechaniczną lub klimatyzacją nie większy niż 1,5 h^–1 [4].

Zwiększenie strat ciepła ze względu na nieszczelności w obudowie budynku zależy od kilku czynników, do których zaliczyć można np. temperatury zewnętrzne i ekspozycję na działanie wiatru [4, 5].

O ile w budynkach o niskiej izolacyjności przegród zewnętrznych wpływ nieszczelności obudowy nie będzie znaczący w ogólnym bilansie energii, o tyle w budynkach niskoenergetycznych, wzniesionych np. w standardzie NF40 i NF15, oraz w budynkach pasywnych wpływ ten może być znacznie większy [6]. Dlatego też budynki niskoenergetyczne i pasywne powinny się charakteryzować zdecydowanie wyższą szczelnością, na poziomie n50 £ 0,6 h–1 [7, 8].

Testy ciśnieniowe wykonywane są przeważnie po zakończeniu budowy i oprócz określenia szczelności mają na celu zidentyfikowanie miejsc przecieków powietrza, które na tym etapie można zlikwidować niedużym kosztem.

Szczelność budynku można określić metodą pomiaru stężenia gazu znacznikowego wg PN-EN ISO 12569:2004 [2] lub metodą pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora zgodnie z PN-EN ISO 13829:2002 [1]. Jednak żadna z tych metod nie umożliwia dokładnego wskazania miejsc nieszczelności.

Miejsca przecieku powietrza można zidentyfikować, posługując się podczas pomiaru podciśnieniowego wytwornicą dymu lub kamerą termowizyjną. Najwygodniejsza jest metoda termowizyjna. Jednak mimo jej dużych zalet, takich jak szybkość lokalizacji nieszczelności i objęcie obserwacją dużej powierzchni (zależy od ogniskowej obiektywu), ma ona pewne ograniczenia.

Do największych można zaliczyć: możliwości techniczne kamery, znajomość badanej konstrukcji, emisyjne własności badanych powierzchni, czynniki klimatyczne i wpływ otoczenia. Prawidłowa interpretacja uzyskanego obrazu termograficznego zależy od wiedzy i doświadczenia wykonującego termogram.

Badanie szczelności najlepiej wykonywać, gdy budynek znajduje się w tzw. stanie surowym zamkniętym z wykonaną instalacją wentylacyjną. W takim stanie można dokonać wstępnej oceny szczelności obudowy, jeszcze przed oddaniem budynku do użytkowania. Umożliwia to łatwiejsze i mniej kosztowne usunięcie nieszczelności. Należy w takim wypadku zamknąć wszystkie przewody wodno­‑kanalizacyjne i wentylacyjne tak, by wymiana powietrza odbywała się tylko przez przegrody zewnętrzne.

Drzwi wewnętrzne, jeżeli są już osadzone, powinny być otwarte, by cały budynek reagował na zmiany ciśnienia tak jak jedna strefa. W dużych budynkach można wydzielić kilka mniejszych stref. Ten sposób postępowania jest zgodny z metodą B normy PN-EN ISO 13829:2002 [1], która dotyczy badania szczelności powłoki budynku.

Pomiary termowizyjne najczęściej wykonuje się zimą, gdy budynek jest już ogrzewany i występują znaczne różnice temperatury zewnętrznej i wewnętrznej. Ułatwia to interpretację niejednorodności cieplnych i nieszczelności w przegrodach zewnętrznych budynku. Natomiast pomiar szczelności wykonywany jest w większości przypadków od wiosny do jesieni. Powstaje więc pewnego rodzaju sprzeczność dotycząca wymaganych warunków pomiarowych.

Z jednej strony interpretację termogramów ułatwia duża różnica temperatur w okresie zimowym, a z drugiej zimą nie są prowadzone prace budowlane, które umożliwiłyby szybką likwidację nieszczelności. Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie podczas badań sprzętu termowizyjnego z detektorami promieniowania podczerwonego o dużej czułości.

Nowe kamery termowizyjne oferują detektory o czułości termicznej £ 30 mK @ +30°C (NETD). Przy takich parametrach możliwe staje się uchwycenie nawet niewielkich różnic temperatury w miejscach nieszczelności podczas badania podciśnieniowego z użyciem wentylatora. Ponadto aby wychwycić najmniejsze nieszczelności, trzeba oprócz kamery, która umożliwi zapis sekwencji termogramów, dysponować odpowiednim oprogramowaniem.

Opis badanych budynków i użytego sprzętu pomiarowego

Badania szczelności przegród zewnętrznych przeprowadzono w dwóch budynkach w sierpniu i we wrześniu bieżącego roku. Pierwszy budynek został wykonany w technologii drewnianej – bali z okładziną zewnętrzną z szalówki. Od wewnątrz ściany wyłożono płytami gipsowo-kartonowymi na drewnianym ruszcie oraz drewnianą boazerią. Stare okna w budynku wymieniono na nowe z PVC.

Drugi badany budynek jest murowany, ze ścianami z bloczków gazobetonowych ocieplonych od zewnątrz 15 cm styropianu. Ściany od wewnątrz pokryte są tynkiem cementowo-wapiennym. Stolarka okienna jest stara (z „odzysku”) i nieszczelna, natomiast drzwi wejściowe wymieniono na nowe.

Do badań szczelności obudowy użyto systemu złożonego z aluminiowej ramy ze szczelną przesłoną, wentylatora o regulowanej wydajności od 0 do 9100 m³/h i regulatora obrotów sterowanego przez oprogramowanie zainstalowane na komputerze. Podczas testów wykorzystano kamerę termowizyjną o czułości detektora 30 mK. Kamera umożliwiała rejestrację sekwencji termowizyjnych o rozdzielczości 640×480 z założonym krokiem czasowym.

Badanie termowizyjne przeprowadzono podczas próby ciśnieniowej z wymuszeniem podciśnienia w badanych budynkach od 10 do 60 Pa, z krokiem co 10 Pa [1]. Zarejestrowane sekwencje termograficzne poddano obróbce w programie komputerowym do rozbudowanej analizy termogramów. Przeprowadzone analizy umożliwiły wykrycie dyskretnych zmian temp. na obserwowanych powierzchniach przegród, świadczących o przedmuchach powietrza.

Analiza wykonanych termogramów

Przeanalizowano sekwencje pomiarowe wykonane podczas badania w próbie podciśnieniowej. Badania szczelności wykonano zgodnie z metodą B zawartą w normie [1], uszczelniając wszystkie przewody wentylacji grawitacyjnej oraz przewody kominowe (budynek pierwszy i drugi) lub doprowadzające powietrze do kominka (budynek drugi).

Na termogramie zamieszczonym na fot. 1 kolorem żółtym zaznaczono zmiany temperatury na skutek nieszczelności. Podczas pomiarów na zewnątrz panowała temperatura 27°C, a temperatura w budynku wynosiła 25°C. Wywołane przez wentylator podciśnienie pozwoliło zaobserwować oprócz nieszczelności na styku skrzydeł z ramą okienną również zjawisko podgrzania szyby przez przepływające w przestrzeni międzyszybowej ciepłe powietrze („płomienie” w dolnej części lewego i prawego skrzydła).

Zarejestrowane podczas badania temperatury w wybranych na obwodzie okna punktach oraz w jego dolnej połowie (rys. 1) wykazują tendencje rosnącą, która wywołana została przez napływające podczas badania szczelności ciepłe powietrze zewnętrzne.

Drugi termogram (fot. 2a) obrazuje rozkład temperatury pozornej na powierzchni okna dachowego i ściany na poddaszu w budynku murowanym. Na fot. 2b przedstawiono zmodyfikowaną sekwencję termograficzną ukazującą miejsca infiltracji cieplejszego powietrza. Zanotowano siedmiostopniową różnicę temperatury (rys. 2) pomiędzy dwoma punktami napływu powietrza a temperaturą na wewnętrznej powierzchni ściany. Wyższa różnica temperatury wynikała z faktu, że infiltrujące do wnętrza powietrze było wcześniej podgrzane w przestrzeni pomiędzy blachodachówką a izolacją termiczną poddasza umieszczoną między krokwiami.

Widoczna na rys. 2 pionowa linia wskazuje początek wymuszenia przez wentylator różnicy ciśnień (podciśnienie), po którym następuje wzrost temperatury w trzech punktach rozmieszczonych w miejscach nieszczelności.

Na pojedynczych termogramach (fot. 3 i 4) wykonywanych w czasie inspekcji termowizyjnej widoczne są miejsca niejednorodności przegrody. Miejsca te wykazują pewne anomalie rozkładu temperatury na powierzchni ściany, które mogą wskazywać na mostki termiczne (fot. 3a i 4a). Podobne anomalie występują także w miejscach napływu powietrza z zewnątrz.

Prawidłowa interpretacja i określenie, czy mamy do czynienia z mostkiem termicznym, czy może z nieszczelnością obudowy budynku, zależy od doświadczenia i wiedzy operatora kamery termowizyjnej. Rejestracja sekwencji i późniejsza ich obróbka może jednoznacznie wykluczyć anomalie spowodowane mostkami termicznymi, uwidaczniając tylko te wynikające z nieszczelności przegrody (fot. 3b i 4b).

Na termogramach widoczne są zarówno mostki geometryczne (narożnik budynku), mostki wynikające z drewnianego rusztu pod płytami gipsowo-kartonowymi, jak i obniżenia temperatury wynikające z nieszczelności wokół ramy okna i gniazdka elektrycznego. Przetworzona sekwencja termowizyjna zarejestrowana podczas testu szczelności uwidacznia tylko miejsca nieszczelności – połączenie ramy okna ze ścianą i otwór gniazdka elektrycznego.

Podsumowanie

Nieszczelności w obudowie budynku oprócz zwiększenia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania przyczyniają się również do występowania niekorzystnych zjawisk, takich jak pleśń w miejscach przecieku powietrza lub degradacja materiału przegrody na skutek jej zawilgocenia. Wykorzystanie kamery termowizyjnej podczas testu ciśnieniowego z użyciem wentylatora umożliwia szybkie wykrycie miejsc infiltracji powietrza. Zaletą tej metody jest fakt, że podczas badań termowizyjnych unikamy wpływu niektórych czynników zewnętrznych na pomiar [3].

Analizując różnicę temperatur pozornych na termogramach badanej powierzchni wewnętrznej przegrody zewnętrznej budynku przed i w trakcie wymuszania przez wentylator różnicy ciśnienia, można wykryć nawet najmniejsze nieszczelności. Wykonanie pojedynczego termogramu badanej powierzchni nie zawsze umożliwia identyfikację takich miejsc, gdyż anomalie termiczne w obrazie termowizyjnym mogą być związane z mostkami cieplnymi występującymi w przegrodzie.

Artykuł powstał na Politechnice Białostockiej w ramach realizacji pracy statutowej S/WBiIŚ/2/13

Literatura

1. PN-EN ISO 13829:2002 Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora.
2.  PN-EN ISO 12569:2013-05 Cieplne właściwości użytkowe budynków i materiałów. Określanie wymiany powietrza w budynkach. Metoda gazu znacznikowego.
3.  PN-EN 13187:2001 Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni.
4.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm., w tym DzU 2013, poz. 926).
5. Air Sealing – a guide for contractors to share with homeowners, „Building America Best Practices Series” Vol. 10, Pacific Northwest National Laboratory & Oak Ridge National Laboratory, April 12, 2010.
6. Jokisalo J., Kurnitski J., Korpi M., Kalamees T., Vinha J., Building leakage, infiltration, and energy performance analyses for Finnish detached houses, „Building and Environment” No. 44, 2009.
7.  Jadwiszczak P., Standard energetyczny NF15 i NF40 oraz dopłaty do budownictwa energooszczędnego, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2013.
8.  Domy energooszczędne. Podręcznik dobrych praktyk, Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2012.