Artykuły prasowe

Termografia w budownictwie – cz. 1

Artykuł pochodzący z miesięcznika „Inżynier Budownictwa”, marzec 2010

Realnie istniejący budynek nie zawsze jest zgodny z projektem pod względem izolacyjności cieplnej przegród budowlanych. Przyczyny takiego stanu mogą być różne: użycie innych materiałów budowlanych, wykonanie przegród o innej grubości, zawilgocenie, niestaranność robót budowlanych itp.

rys. 1

rys. 1 Termogram tej samej ściany wykonany: a) przy bezchmurnym niebie b) przy całkowitym zachmurzeniu

Kontrola izolacyjności cieplnej jest pomijana przy odbiorze budynku. A jakość izolacyjności cieplnej nabiera coraz większego znaczenia przy ocenie budynków. Wobec powyższego należałoby dokonywać kontroli i sprawdzania budynków pod względem izolacyjności cieplnej przegród budowlanych. Kontrola taka jest możliwa dla budynku zamkniętego i ogrzewanego, w porze zimowej, przy wykorzystaniu techniki termograficznej. Parametrem w największym stopniu wpływającym na wartość temperatury wyznaczonej metodą termograficzną jest emisyjność powierzchni. Współczynnik emisyjności jest najważniejszym parametrem określającym dokładność wyznaczenia temperatury powierzchni obiektu metodą termograficzną. Tylko dokładna znajomość wartości emisyjności obserwowanej powierzchni zapewnia możliwość dokładnego określenia bezwzględnej wartości temperatury. Błąd wyznaczenia emisyjności jest przyczyną powstania systematycznego błędu wyznaczenia bezwzględnej wartości temperatury.

rys. 2

rys. 2 Termogram budynku z instalacją centralnego ogrzewania w ścianach zewnętrznych

Przez otoczenie obiektu rozumie się półsferę rozciągającą się przed powierzchnią obiektu. Dla obliczenia wartości temperatury wyznaczonej metodą termograficzną przyjmuje się, że półsfera ta charakteryzuje się jednakową temperaturą na całej powierzchni i emituje promieniowanie w taki sam sposób jak ciało doskonale czarne. Temperatura tej powierzchni będzie zwana temperaturą otoczenia. Wpływ niedokładności oszacowania temperatury otoczenia na temperaturę wyznaczoną metodą termograficzną nie jest zaniedbywalny. Jest on tym większy, im emisyjność obiektu jest mniejsza oraz rośnie, gdy temperatura otoczenia przewyższa temperaturę obiektu. W praktyce otoczenie obiektu to zbiór powierzchni ciał wypełniający półkulę widoczną z danego punktu na powierzchni obserwowanego obiektu. Ciała tworzące otoczenie mogą w rzeczywistości charakteryzować się różnymi temperaturami powierzchni i różnymi wartościami współczynników emisyjności. W przypadku otoczenia złożonego z ciał o różnych temperaturach powierzchni należy wprowadzić pojęcie ekwiwalentnej temperatury otoczenia. Przez ekwiwalentną temperaturę otoczenia należy rozumieć taką temperaturę jednorodnej półsfery, od której do obserwowanego obiektu będzie docierało takie samo natężenie promieniowania jak od otoczenia rzeczywistego. Ekwiwalentna temperatura otoczenia ma charakter lokalny, jej wartość zależy od miejsca położenia rozpatrywanego punktu na powierzchni obrazowanego obiektu.

W praktyce dużym problemem jest wyznaczenie ekwiwalentnej temperatury rzeczywistego otoczenia. Nie należy utożsamiać jej z temperaturą powietrza i mierzyć termometrem na stanowisku kamery termowizyjnej, bo tylko wyjątkowo temperatura otoczenia może być równa temperaturze powietrza. Dla otoczenia rzeczywistego złożonego z licznych obiektów o różnych temperaturach oraz złożonych układach geometrycznych wyznaczenie ekwiwalentnej temperatury otoczenia na drodze obliczeniowej może być bardzo pracochłonne i niedokładne. Wtedy należałoby wyznaczyć wpływ otoczenia na drodze pomiarowej lub zastosować ekrany wokół badanego obiektu w celu zmiany otoczenia. Ekwiwalentną temperaturę otoczenia można wyznaczyć pomiarem termograficznym. Jednym ze sposobów wyznaczenia ekwiwalentnej temperatury otoczenia jest bezpośredni pomiar tego promieniowania oglądanego w rozpraszającym reflektorze. Powierzchnia reflektora powinna mieć współczynnik odbicia równy 1. W praktyce trudno jest otrzymać powierzchnię odbijającą całkowicie padające nań promieniowanie w sposób rozpraszający, co jest pewną wadą tej prostej metody.

rys. 3

rys. 3 Termogram ściany murowanej z cegły
rys. 4

rys. 4 Struktura muru pod tynkiem

Współczynnik transmisji atmosfery zależy od jej składu. Najsilniej promieniowanie podczerwone tłumi para wodna, dwutlenek węgla, ozon, dymy przemysłowe. Kamery termowizyjne pracują w przedziałach widmowych 3-5 um (SW) oraz 8-14 um (LW), w których tłumienie promieniowania jest najmniejsze. Współczynnik transmisji atmosfery obliczany jest na podstawie przyjętego modelu atmosfery uwzględniającego różne czynniki: temperaturę, wilgotność, grubość warstwy (odległość od obiektu do kamery). Niedokładność oszacowania odległości od obiektu do kamery ma niewielki wpływ na błąd określenia temperatury obiektu. Wpływ ten nie zależy od wartości emisyjności, ale rośnie wraz ze wzrostem różnicy temperatury pomiędzy obiektem i atmosferą.

Pomiary termograficzne budynków od zewnętrznej strony

Wykonując termogramy budynków od zewnętrznej strony, spodziewamy się, że zróżnicowanie izolacyjności zewnętrznych przegród budowlanych uwidoczni się w postaci nierównomiernej temperatury na powierzchni przegrody. Tymczasem zróżnicowanie temperatury zewnętrznej powierzchni ścian budynków może być wynikiem zarówno niejednorodnej izolacyjności, jak też niejednorodnego otoczenia. Na termogramie zewnętrznej powierzchni budynku wykonanym przy otoczeniu zróżnicowanym termalnie (rys. 1a) zwraca uwagę zdecydowanie różna temperatura okien. Wynika to z faktu, że otoczeniem górnego okna jest zimny nieboskłon, a okien dolnych znacznie cieplejszy teren wraz z sąsiednim budynkiem. Obszary ściany pod balkonem i okapem dachu mają temperaturę wyższą od reszty ściany. To może sugerować istnienie mostków cieplnych w tych miejscach; w rzeczywistości jest to skutek oddziaływania niejednorodnego otoczenia (zimnego nieboskłonu) w postaci „ciepłego cienia”. Przy otoczeniu o wyrównanej temperaturze rozkład temperatury na powierzchni tej samej ściany (rys. 1b) wynika głównie z jej izolacyjności i różni się zdecydowanie od poprzedniego. Wartość temperatury na powierzchni ściany jest wyrównana, obszary nadproży mają nieznacznie podwyższoną temperaturę; jedynie na styku płyty balkonu ze ścianą widoczny jest liniowy mostek cieplny. Dodać należy, że podczas rejestracji obydwu termogramów cały budynek był ogrzewany i temperatura wewnątrz wynosiła około 20oC.

Na termogramach zewnętrznej powierzchni ścian budynków nieocieplonych od zewnątrz zazwyczaj widoczne są:
– instalacja centralnego ogrzewania poprowadzona w ścianach – rys. 2,
– mostki cieplne na wieńcach – rys. 3,
– struktura muru pod tynkiem – rys. 4,
– mostki cieplne na łączeniu płyt w budynkach zbudowanych z wielkiej płyty – rys. 5.

rys. 5

rys. 5 Budynek z wielkiej płyty widoczny od zewnątrz
rys. 6

rys. 6 Zależność temperatury od barwy powierzchni termogramy północnej ściany oświetlonej tylko promieniowaniem rozproszonym wykonano 10 marca: a) o godzinie 16.10, b) o godzinie 18.50

Termogramy powinny być właściwie zinterpretowane. Interpretacja to proces wnioskowania dedukcyjnego, w którym na podstawie cech bezpośrednich widocznych na zobrazowaniu termalnym, informacji z innych źródeł oraz wiedzy interpretatora dochodzi do zauważenia cech pośrednich obiektu (niewidocznych bezpośrednio na obrazie) i wyjaśnienia cech obiektu, związków między obiektami, a także zachodzących zjawisk. Właściwa interpretacja przeprowadzona z wykorzystaniem wszelkich informacji o obiekcie i wiedzy interpretatora powinna wyjaśnić określony problem. Interpretacja termogramów wykonanych od zewnętrznej strony budynków sprawia dużo trudności. Wynika to z wielu czynników mających wpływ na wartość temperatury powierzchni w momencie rejestracji termogramu. Wpływ niejednorodnego otoczenia przedstawiony został na rys. 1. Nieznajomość wnętrza budynku może być przyczyną niewłaściwej interpretacji, bo meble ustawione przy ścianach powodują zmianę jej izolacyjności cieplnej i związanej z tym temperatury na zewnętrznej powierzchni (rys. 3). Pojemność cieplna przegrody, a szczególnie jej zewnętrznej warstwy ma również związek z chwilową wartością temperatury powierzchni. Decyduje ona o szybkości zmiany temperatury tej powierzchni w zależności od zmieniającej się temperatury bliskiego i dalekiego otoczenia. Otoczenie bliskie to powietrze opływające powierzchnię, z którym następuje wymiana ciepła na drodze konwekcji, a z otoczeniem dalekim wymiana ciepła zachodzi na drodze promieniowania.

rys. 7

rys. 7 Termogram ościeży po ociepleniu metodą lekką mokrą: a) poprawnie, b) niepoprawnie ocieplone

Temperatura powierzchni dwuwarstwowej przegrody budowlanej, której zewnętrzną warstwą jest materiał izolacyjny osłonięty cienkim tynkiem, w ciągu nawet pochmurnego dnia może być znacznie wyższa od temperatury powietrza, niż wynikałoby to z przenikania ciepła w stanie ustalonym. Natomiast w czasie bezchmurnej nocy może osiągać wartości nawet niższe od temperatury powietrza, co jest spowodowane wymianą energii na drodze promieniowania pomiędzy powierzchnią ściany a zimnym nieboskłonem. W zależności bowiem od pojemności cieplnej przegroda w różny sposób reaguje na zmiany temperatury. Tak więc przy interpretacji termogramów obiektów budowlanych duże znaczenie ma wiedza z zakresu budownictwa (fizyki budowli), a także rozpoznanie rodzaju przegrody budowlanej. Związek temperatury z barwą powierzchni jest zauważalny na termogramach wykonanych w porze dziennej. Dotyczy w największym stopniu budynków ocieplonych metodą lekką mokrą i pokrytych tynkiem o zróżnicowanej barwie. W czasie dnia do zewnętrznej powierzchni dociera bezpośrednie lub rozproszone promieniowanie słoneczne, którego maksymalne natężenie przypada w zakresie fal widzialnych. Promieniowane to jest częściowo pochłaniane, a stopień pochłaniania zależy od współczynnika absorpcji powierzchni tynkowanej. Powierzchnie o barwie jasnej pochłaniają znacznie mniej promieniowania widzialnego niż te o barwie ciemnej. Pochłaniane promieniowanie zamienia się w energię cieplną, dlatego ciała o ciemnej barwie powierzchni nagrzewają się bardziej niż te o barwach jasnych. Na termogramach zarejestrowanych w ciągu dnia ściana o ciemniejszej barwie będzie mieć wyższą temperaturę (rys. 6). Ta wyższa temperatura wynika z nagrzania się zewnętrznej warstwy izolacyjnej i tynku. Z uwagi na ich niewielką pojemność cieplną temperatura ciemniejszych fragmentów ścian obniży się po pewnym czasie od ustania promieniowania słonecznego i osiągnie wartość równą temperaturze powierzchni o jasnej barwie. Wartości współczynników emisyjności w podczerwieni termalnej dla tynków o różnych barwach nie różnią się w istotny sposób. Dlatego na termogramach wykonanych w porze nocnej nie ma zróżnicowania temperatury skorelowanego ze zmianą barwy tynku.

rys. 8

rys. 8 Obraz rozkładu temperatury na zewnętrznej powierzchni ściany złożony z kilku termogramów.

Dla ścian dwuwarstwowych ocieplonych od zewnętrznej strony tylko na termogramach wykonanych od wnętrza budynku widoczne są wyraźne mostki termiczne na wieńcach oraz słupkach konstrukcyjnych. Mostki te nie są widoczne na termogramach wykonanych od zewnętrznej strony budynku. To warstwa ocieplenia powoduje wyrównanie temperatury na zewnętrznej powierzchni, co potwierdza również komputerowa symulacja rozkładu temperatury w przekroju ściany. Dla ścian dwuwarstwowych na uwagę zasługuje sposób wykończenia ocieplenia przy ościeżach, parapetach, balkonach. Wszystkie te elementy pokryte tynkiem zaraz po remoncie wyglądają podobnie. Termogram przedstawiony na rys. 7 pokazuje jakże różne obrazy cieplne sąsiednich ościeży poprawnie i niepoprawnie ocieplonych. Termogramy od zewnętrznej strony budynków należy wykonać w odpowiedniej skali zapewniającej dobrą rozróżnialność szczegółów obrazowanej przegrody. Dla lepszej czytelności termogramy danej elewacji można zmontować w jeden obraz, co pokazane jest na rys. 8.

Zasada działania kamery termograficznej

Urządzenie termograficzne dokonuje pomiaru promieniowania podczerwonego (cieplnego) docierającego do jego detektora. W przypadku obiektów rzeczywistych (a nie ciała doskonale czarnego) promieniowanie to jest sumą składowych:
– promieniowania własnego obiektu,
– promieniowania otoczenia odbitego od obiektu,
– promieniowania atmosfery znajdującej się pomiędzy obiektem a obiektywem urządzenia rejestrującego promieniowanie, i wyraża się zależnością:

wzór. 1

gdzie:
W – sygnał odbierany przez detektor
Wo – moc promieniowania odpowiadająca temperaturze obiektu To
Wa – moc promieniowania odpowiadająca temperaturze atmosfery Ta
Wr – moc promieniowania odpowiadająca temperaturze otoczenia Tr

Sygnał z detektora podlega wzmocnieniu i analizie. Jest rejestrowany w postaci cyfrowego obrazu (termogramu), przetworzony na postać widzialną i wyświetlony na ekranie monitora. Dla tzw. kamer pomiarowych obliczana jest wartość temperatury dla każdego piksela termogramu i tworzona jest skala temperatur w takiej palecie barwnej jak wybrana dla termogramu.
Wartość temperatury obiektu jest obliczana przy założeniu znajomości współczynnika emisyjności powierzchni obiektu, temperatury otoczenia, temperatury i wilgotności atmosfery oraz odległości kamery od obrazowanego obiektu. Przy wizualizacji powyższe parametry przyjmują (najczęściej) takie same wartości dla wszystkich pikseli termogramu. Jest to pewne uproszczenie i temperatura jest określona poprawnie dla całej powierzchni termogramu pod warunkami:
– emisyjność obiektu w całym polu widzenia kamery jest znana i jednakowa;
– obiekt odbija promieniowanie pochodzące z jego otoczenia w sposób całkowicie dyfuzyjny (lambertowski);
– otoczenie obserwowanego obiektu jest jednoelementowe, o znanej temperaturze i promieniuje jak ciało doskonale czarne;
– pomiędzy obiektem i obiektywem kamery jest znana odległość, w której panuje standardowa atmosfera o znanej temperaturze i wilgotności.

dr inż. Alina Wróbel
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Inżynier Budownictwa