Praktyczne aspekty stosowania termografii do oceny budynków i instalacji budowlanych

Podstawy termografii

Każde ciało o temperaturze wyższej od 0 K emituje promieniowanie elektromagnetyczne o intensywności i rozkładzie widmowym zależnych od jego temperatury i stanu powierzchni. W szczególności słońce – o temperaturze powierzchni 5773 K (ok. 5500°C) – emituje promieniowanie elektromagnetyczne o maksymalnej intensywności przypadającej na długość fal elektromagnetycznych 0,4–0,7 µm, co odpowiada zakresowi światła widzialnego i czułości narządu wzroku człowieka. Ten zakres promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez słońce jest nazywany światłem. Natomiast elementy budowlano-instalacyjne w typowym środowisku, o temperaturze 280–300 K (np. ok. 20°C), emitują promieniowanie elektromagnetyczne o maksymalnej intensywności przypadającej na długość fal elektromagnetycznych 7–12 µm – co jest całkowicie niewidoczne dla oczu (rys. 1).

Intensywność promieniowania emitowanego przez dane ciało zgodnie z prawem Stefana–Boltzmanna zależy od czwartej potęgi jego temperatury bezwzględnej (wzór 1), tak więc promieniowanie emitowane przez ciała o temperaturach spotykanych zwykle w budownictwie 280–300 K (np. ok. 20 °C) jest kilka milionów razy słabsze niż światło widzialne.

Detekcja tak bardzo słabego promieniowania jest znacznie trudniejsza niż detekcja światła – zwykłej fotografii, co przekłada się na mniejsze możliwości oraz znacznie wyższe ceny kamer termograficznych.

(1)

gdzie:

E₀ – moc emitowana z jednostki powierzchni ciała doskonale czarnego, W · m^–2;

σ – stała Stefana–Boltzmanna, równa 5,67 W · m^–2· K^–4;

T – temperatura bezwzględna, K.

Zastosowanie termografii w budownictwie

Termografia budowlana to metoda obrazowania rozkładu temperatury na powierzchni obudowy budynku lub jego innych elementów.

Badanie termograficzne wykonuje się za pomocą kamery termograficznej, która na podstawie intensywności promieniowania elektromagnetycznego (cieplnego, podczerwonego) emitowanego przez elementy budynku określa temperaturę ich powierzchni.

Intensywność promieniowania docierająca do kamery termograficznej od strony budynku pozwala na określenie rozkładu pozornej temperatury promieniowania na badanej powierzchni.

Dla uzyskania rozkładu rzeczywistej temperatury badanej powierzchni konieczne jest uwzględnienie dodatkowych czynników wpływających na intensywność docierającego do kamery promieniowania – przede wszystkim charakterystyki badanej powierzchni (emisyjność) oraz warunków otoczenia (średnia temperatura promieniowania).

Podstawowe zalety termografii to:

• bezdotykowy pomiar,
• natychmiastowy wynik pomiaru,
• jednoczesny pomiar temperatury na całej badanej powierzchni (a nie w jednym punkcie jak w przypadku zwykłego termometru),
• prezentowanie wyniku pomiaru jako intuicyjnego barwnego obrazu (pozornie) łatwego w interpretacji.

Prawidłowa interpretacja zdjęć termograficznych wymaga wiedzy zarówno z dziedziny wymiany ciepła przez promieniowanie, jak i dynamicznego przepływu ciepła w mierzonym obiekcie.

Zgodnie z normą dotyczącą zastosowania termografii w budownictwie, PN-EN 13187 [1], metoda ta służy do badań jakościowych, a nie ilościowych – czyli np. do wskazania miejsca występowania defektu i jego rodzaju, ale już nie do określania wartości liczbowych, np. dla wyznaczania współczynnika przenikania ciepła U dla badanej przegrody.

Próby oceny ilościowej podejmowane przez osoby z dogłębną wiedzą oraz doświadczeniem mogą w sprzyjających okolicznościach dać stosunkowo wiarygodne wyniki – jednak należy zaznaczyć, że do określenia współczynnika przenikania ciepła U przegrody w istniejącym budynku stosuje się inne, dokładniejsze i pewniejsze metody pomiaru.

Za pomocą termografii wykrywa się następujące podstawowe typy defektów cieplnych obudowy budynku:

• defekty warstwy izolacji cieplnej (np. nieciągłość, nieprawidłowy montaż, utrata oporu cieplnego),
• zawilgocenie elementów budynku,
• infiltracja powietrza do budynku przez nieszczelności obudowy.

Zastosowania termografii w diagnostyce instalacji HVAC są szerokie i obejmują m.in.:

• lokalizację przewodów zatopionych w przegrodach budowlanych (np. ogrzewanie podłogowe),
• lokalizację wycieków z instalacji,
• ocenę prawidłowości eksploatacji instalacji, np. zapowietrzenie/odwrotne podłączenie grzejnika,
• ocenę komfortu cieplnego w pomieszczeniach, np. obrazowanie zasięgu strumienia powietrza.

Warto przeczytać: Miernictwo i termowizja - pobierz bezpłatny poradnik >>>

Kamery termograficzne dla budownictwa

Pierwsze kamery termograficzne stały się dostępne w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, jednak generowały obraz słabej jakości (niska rozdzielczość termiczna i geometryczna), były bardzo drogie (rzędu 100 tys. dol. za szt.) i – z powodu konieczności chłodzenia ciekłym azotem – bardzo duże, ciężkie i uciążliwe w obsłudze.

Około roku 2000 na skutek opracowania technologii pomiaru niewymagającej chłodzenia ciekłym azotem nastąpiła znaczna poprawa jakości kamer, uproszczenie obsługi, obniżenie ceny – a dzięki temu znaczne spopularyzowanie tych przyrządów pomiarowych.

Obecnie na rynku dostępne są lekkie, ergonomiczne kamery termograficzne w bardzo szerokim zakresie cenowym: od kosztujących ok. 2 tys. zł kamer podłączanych do gniazda USB telefonu komórkowego (rys. 2) do kosztujących od ok. 130 tys. do 200 tys. zł kamer termograficznych o rozdzielczości 1024×768 pikseli (rys. 3a i rys. 3b).

Przegląd kamer termograficznych dla budownictwa, wraz z ich podstawowymi danymi technicznymi, zamieszczono na rys. 4.

Od termografii w budownictwie oczekuje się przede wszystkim dobrej rozdzielczości obrazów, natomiast np. szybkość działania (9 czy 60 Hz) nie ma znaczenia ze względu na wolnozmienne procesy przepływu ciepła w budynkach.

Ponieważ kamery termograficzne o największej rozdzielczości detektora (1024×768 pikseli) są bardzo kosztowne, obrazy dużych elewacji można składać z mniejszych ujęć, wyrównując skale temperatur (rys. 6).

Ponadto na rynku pojawiają się znacznie tańsze kamery termograficzne nowych producentów – jednak są one często nieco mniej wiarygodne i bardziej zawodne.

Termografia w budownictwie – ocena elementów budowlanych

Mostki cieplne

Detekcja mostków cieplnych w budynkach to podstawowe zadanie termografii budowlanej. Przykład liniowego mostka cieplnego przy attyce – błędu projektowego wykrytego za pomocą termografii dopiero na etapie odbioru budynku – ilustruje rys. 7ab i rys. 7c.

Detekcja nieszczelności obudowy, termografia różnicowa

Zgodnie z Prawem budowlanym [7] „przegrody […] należy projektować i wykonywać pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza”.

Skuteczną metodą sprawdzenia tego warunku jest przeprowadzenie badania termograficznego przegrody od strony wewnętrznej, przy wytworzonym podciśnieniu w budynku (rys. 8).

W przypadku niewielkich różnic temperatur pomiędzy powietrzem wewnętrznym i zewnętrznym lub innych utrudnień znaczną poprawę czytelności obrazów można uzyskać za pomocą termografii różnicowej. Polega ona na dwukrotnym wykonaniu zdjęcia termograficznego tego samego elementu budynku: przed i po wytworzeniu podciśnienia (najlepiej ze statywu), odjęciu od siebie obrazów radiometrycznych i przedstawieniu wyniku w postaci termogramu (rys. 9).

Ocena przeszklenia

Ocena przeszklenia za pomocą termografii pozwala wykryć jego wady, zwykle niewidoczne gołym okiem i niezauważalne dla użytkowników. Współczynnik przenikania ciepła w centralnej części przeszklenia z wadą jak na rys. 10a i rys. 10b jest często kilkukrotnie większy od deklarowanego przez producenta.

Pomoc w ocenie współczynnika przenikania ciepła przegrody

Termografia jako samodzielna metoda nie jest przeznaczona do pomiarów liczbowej wartości współczynnika przenikania ciepła U przegród budowlanych. Może być jednak z powodzeniem stosowana jako metoda wspomagająca pomiar tego współczynnika za pomocą ścianki pomocniczej (rys. 11).

Dzięki skojarzeniu tych dwóch metod możliwa jest ocena prawidłowości lokalizacji czujnika gęstości strumienia ciepła („ścianki pomocniczej”) oraz uzyskanie rozkładu współczynnika przenikania ciepła, wyznaczanie jego średniej wartości itd.

Pomiar od wewnątrz czy z zewnątrz

Pomiar termograficzny jest możliwy do wykonania od wewnątrz i z zewnątrz budynku. Każda z metod ma swoje zalety, a zastosowanie jednej z nich zależy od celu badania oraz rodzaju badanej przegrody. Do zalet pomiaru wykonywanego z zewnątrz należą:

• wielokrotnie większa szybkość pomiaru,
• brak konieczności uzyskania dostępu do pomieszczeń w budynku,
• możliwość uzyskania obrazu całej elewacji na jednym lub kilku zdjęciach.

Podstawową wadą tej metody jest natomiast kilkukrotnie mniejsza dokładność oraz całkowita nieskuteczność w wielu przypadkach.

Do zalet pomiaru wykonywanego od wewnątrz zalicza się z kolei:

• ponad trzykrotnie wyższą dokładność,
• znaczną odporność na zmienne warunki pogodowe,
• skuteczność w niemal wszystkich przypadkach (rys. 12).

Największą wadą tej metody jest jej pracochłonność (konieczność inspekcji prawie wszystkich pomieszczeń w budynku), a przez to znacznie wyższy koszt takiego badania.

Termografia w budownictwie – diagnostyka instalacji HVAC

Grzejniki centralnego ogrzewania

Termografia pozwala na szybkie zdiagnozowanie stanu pracy grzejników centralnego ogrzewania. Ewentualne problemy, które powstały na etapie wykonawstwa (odwrotne podłączenie przewodów do grzejnika – rys. 13a i rys. 13b) oraz eksploatacji (zapowietrzony grzejnik – rys. 14), są łatwe do stwierdzenia.

Ogrzewanie i chłodzenie płaszczyznowe

Kamera termograficzna może być używana do określania lokalizacji przewodów zatopionych w przegrodach budowlanych, o ile prowadzą one wodę o temperaturze różnej od temperatury przegrody. Z największą pewnością można określić lokalizację przewodów ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego (rys. 15), chyba że przewody te oddzielone są od pomieszczenia warstwą izolacji cieplnej – wtedy ich prawidłowe wskazanie jest mało prawdopodobne.

Funkcjonowanie nawiewników i obrazowanie zasięgu strumienia powietrza

Strumień powietrza jest przezroczysty dla kamery termograficznej i nie może być wprost zobrazowany. Dlatego, aby zobaczyć zasięg strumienia powietrza, należy wprowadzić przegrodę, która będzie omywana przez ten strumień.

Przegroda wykonana z odpowiedniego materiału musi zostać wprowadzona równolegle do wektorów prędkości powietrza – w ten sposób, aby nie zaburzała w istotny sposób przepływu powietrza (rys. 16 i rys. 17).

Metoda ta jest skuteczna tylko w przypadku, gdy temperatura powietrza nawiewanego różni się od temperatury powietrza w pomieszczeniu. Możliwe jest niekiedy bezpośrednie zobrazowanie zasięgu strumienia – jak np. na rys. 18, gdzie na skutek efektu Coandy strumień ciepłego powietrza „przykleja się” do ściany.

Wymagania odnośnie do kwalifikacji personelu

W Polsce podobnie jak w innych krajach nie ma obowiązujących wymagań dotyczących kwalifikacji osób wykonujących badania termograficzne. Norma PN-EN 13187 [1] stwierdza, że „otrzymane termogramy porównuje się ze spodziewanym rozkładem temperatury na powierzchni” – co oznacza, że osoba wykonująca badanie powinna dysponować taką wiedzą z zakresu budownictwa, przepływu ciepła i techniki pomiarowej, by spodziewać się konkretnego rozkładu temperatur na badanej powierzchni.

Norma ta stwierdza też, że „wyniki […] powinny być interpretowane i szacowane przez osoby specjalnie przeszkolone do tego celu”, jednak nie została ona powołana w Prawie budowlanym [7] i nie jest obowiązująca w polskim systemie prawnym. W związku z tym badania termograficzne mogą być wykonywane przez osoby, które po prostu mają dostęp do kamery termograficznej i zapoznały się z jej obsługą.

Najbardziej kompleksową pozycją literaturową dotyczącą termografii w budownictwie jest w Polsce książka prof. H. Nowaka „Zastosowanie badań termowizyjnych w budownictwie” [10].

Istnieją instytucje oferujące krótkie szkolenia dotyczące termografii, ich program nie jest jednak ustandaryzowany. Największą, ogólnoświatową organizacją oferującą szkolenia w tym zakresie jest Infrared Training Center. Jednostka ta oferuje pięciodniowe szkolenia również w Polsce, na trzech poziomach określonych wg własnych standardów.

W 2016 r. pojawiła się norma PN-EN ISO 6781-3:2016 [11] specyfikująca wymagania odnośnie do kwalifikacji i szkoleń osób zajmujących się termografią w budownictwie. Zdefiniowano trzy poziomy certyfikatów, uzyskiwanych poprzez zdanie egzaminu po przebyciu szkolenia (40–60 h) i wykazaniu się praktyką (12–48 miesięcy).

Autorowi nie udało się znaleźć instytucji, która oferowałaby obecnie w Polsce szkolenia zgodne z tą normą.

Podsumowanie

• Termografia to przydatne narzędzie diagnostyczne dla budynków i ich wyposażenia instalacyjnego.
• Kamery termograficzne w sposób szybki, bezstykowy i bezinwazyjny obrazują temperatury powierzchni badanych komponentów budowlanych i elementów instalacji grzewczo-klimatyzacyjnych.
• Występująca w ostatnich latach tendencja obniżania cen najprostszych kamer termograficznych spowodowała z jednej strony korzystne ich upowszechnienie, ale z drugiej strony narzędzia te trafiają w ręce osób, które nie mają odpowiedniego wykształcenia z zakresu fizyki cieplnej budynków. Dlatego obecnie największym problemem wydaje się już nie dostęp do kamery termograficznej i wykonanie zdjęcia, ale jego prawidłowa interpretacja i ocena.

Z dedykacją dla Pani Profesor Haliny Koczyk, w podziękowaniu za wsparcie naukowe i życzliwość na co dzień

Literatura

1. PN-EN 13187:2001 Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni.
2. www.flir.com.
3. www.infratec.de.
4. www.kameratermowizyjna.pl.
5.  www.drone-zone.it/corso-di-termografia.
6.  www.gorka.poznan.pl.
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
8. www.blowerdoor.de.
9. Górka A., Pawlak F., Zastosowanie termografii do określania zasięgu strumienia powietrza, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2015.
10. Nowak H., Zastosowanie badań termowizyjnych w budownictwie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.
11. PN-EN ISO 6781-3:2016 Właściwości użytkowe budynków. Detekcja wad cieplnych i wilgotnościowych w budynkach metodą podczerwieni. Cz. 3: Kwalifikacje operatorów urządzeń, analityków danych i piszących raporty.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!