Gebäudethermografie

Empfohlene Messbedingungen und -voraussetzungen

Die Erstellung von Wärmebildern, also die Thermografie, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren. Die Bedienung moderner Wärmebildkameras ähnelt der gängigen digitalen Videokameras. Die - von einigen unverantwortlichen Wärmebildkamera-Verkäufern besonders betonte - Einfachheit sollte jedoch niemanden täuschen: Für die korrekte Erstellung von Wärmebildern aus messtechnischer Sicht ist Fachwissen und eine angemessene Messvorbereitung erforderlich. (Andernfalls entstehen anstelle von Messergebnissen nur uninterpretierbare "bunte Bilder".)

Es ist bedauerlich, dass sowohl die Verkäufer von Wärmebildkameras als auch die Anbieter von Wärmebildaufnahmen häufig schwerwiegende fachliche Fehler bei der Erstellung von Wärmebildern begehen. Deshalb präsentieren wir im Folgenden die wichtigsten Informationen mit praktischen Beispielen, damit sowohl die Ersteller als auch die Benutzer von Wärmebildern über die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen dieser Technologie informiert sind! Die Möglichkeiten haben wir bereits in früheren Teilen unserer Artikelserie vorgestellt, jetzt möchten wir den Fokus auf mögliche - zu vermeidende - Fallstricke legen.

Bild: Nachweis unterschiedlicher Materialqualitäten mit Wärmebild [Quelle: PIM]

Infrarotkameras mit mittlerer und langer Wellenlänge werden an atmosphärische Fenster angepasst. Während mit langwelligen Kameras sowohl die kältesten als auch die wärmsten Objekte gemessen werden können, können mit mittelwelligen Kameras kalte Objekte (z. B. -50 °C) nicht gemessen werden. (Da kalte Objekte keine mittelwellige Strahlung abgeben.) Ein großer Vorteil der mittelwelligen Kameras ist jedoch, dass sie Messungen durch Glas hindurch ermöglichen. Der Grund dafür ist, dass Glas kurz- und mittelwellige Wärmestrahlung durchlässt (bis zu 3,5 μm), langwellige jedoch nicht. (Langwelligen Kameras "sehen" daher nicht durch Glas hindurch.)

Einfluss des Wellenlängenbereichs von Wärmebildkameras

Linkes Bild: Wärmebildaufnahme mit langwelliger Kamera - sehr gute Temperaturauflösung, wenig Rauschen - wärmster Ort: obere Kante des Fensterrahmens (13,56 °C, da es nicht durch das Glas sieht) Rechtes Bild: Wärmebildaufnahme mit mittelwelliger Kamera - schlechtere Temperaturauflösung, rauschigeres Bild - wärmster Punkt: Glühlampe im Raum (57,06 °C, da sie die Lampe hinter dem Glas sieht)

Einfluss der Umgebungsparameter

Wenn wir die Theorie der Thermografie-Messungen überdenken, wird deutlich, dass viele Umgebungsparameter die Genauigkeit unserer Messungen und die Auswertbarkeit der Ergebnisse thermografischer Untersuchungen beeinflussen. Die Gebäudethermografie kann daher nur in der Heizperiode, bei angemessen kaltem (unter 5 °C), trockenem und windstillem Wetter durchgeführt werden. Im Folgenden werden also Beispiele für Wärmebilder präsentiert, um die Bedeutung der Einhaltung der oben genannten Regeln zu verdeutlichen:

Einfluss der Sonneneinstrahlung

Linkes Bild: Tagesaufnahme eines Gebäudes (Baustelle) - die Sonnenstrahlung reflektiert an den Gebäudewänden - die Wände erscheinen warm, obwohl nicht geheizt wird!!! Rechtes Bild: Aufnahme des Gebäudes drei Stunden nach Sonnenuntergang - die erwärmende Wirkung der Tageslichtsonne ist kaum noch erkennbar, jetzt kann also gemessen werden

Einfluss des Windes

Linkes Bild: Thermografische Untersuchung bei starkem Wind - der Wind trägt die Wärme von der rechten Wand ab, daher ist sie kühler - es scheint, als wäre die Wärmedämmung der Wand in der Mitte des Wärmebildes besser Rechtes Bild: Dasselbe Messergebnis bei Windstille - man sieht, dass die Wärmedämmung der rechten Wand genauso schlecht ist wie die Wandfläche in der Mitte des Wärmebildes (und genauso starke Wärmebrücken aufweist)

Anmerkung zu beiden Wärmebildern: Der linke Teil des Gebäudes ist nicht beheizt (Treppenhaus)

Auswirkungen einer starken Tageserwärmung

 

Linke Abbildung: Idealer Wärmegradient der Außenwand (stationärer Zustand) - Innentemperatur (messbar) der Wand: 21°C - Außentemperatur (messbar) der Wand: 3°C Rechte Abbildung: Zustand nach starker Tageserwärmung - Innentemperatur (messbar) der Wand: 21°C - Außentemperatur (messbar) der Wand: 8°C

Hinweis: Der horizontale Abschnitt auf der vorherigen rechten Abbildung ist das Ergebnis der Tageserwärmung (vorübergehend). Die Abbildung zeigt den Wärmegradienten nach dem nächtlichen Abkühlen der Außentemperatur. Die erhöhte Temperatur der Außenwand führt zu dem irrtümlichen Schluss, dass die Wärmedämmung schlecht ist oder eine Wärmebrücke vorhanden ist, obwohl wir die gleiche Wandkonstruktion wie in der linken Abbildung angenommen haben.

Effekt offengelassener Öffnungen

 

Das linke Fenster war vor der Messung noch gekippt, der Effekt der austretenden warmen Luft ist am Fensterrahmen und an der darüber liegenden Wand sichtbar. Der Zustand des Fensters und seiner überbrückenden Wärmedämmeigenschaften kann daher nicht korrekt bewertet werden.

Effekt fehlender Heizung

 

Das abgebildete Zimmer oder Apartment im Haus (oben links) wird nicht beheizt. Zu diesem Zeitpunkt ist es natürlich nicht möglich, Wärmedämmungs- und andere architektonische Mängel in diesem Raum oder Apartment nachzuweisen.

Effekt des Beobachtungswinkels auf das Messergebnis

 

Da der Emissionsfaktor leider auch vom Betrachtungswinkel abhängt, wird bei größeren Abweichungen vom rechten Winkel eine zunehmende Reflexion beobachtet. Dieser Effekt tritt hauptsächlich bei der Messung von gekrümmten Oberflächen auf, aber auch bei der Messung der oberen Etagen hoher Gebäude stehen wir vor diesem Problem: Anscheinend werden die oberen Etagen immer kühler (obwohl sie in Wirklichkeit immer wärmer werden). Der Grund dafür ist, dass der Himmel (ohne Wolken <-95°C) immer stärker auf der äußeren Oberfläche des Gebäudes reflektiert wird, auch wenn der Emissionsfaktor der Fassaden aus silikathaltigen Baumaterialien bis zu 95% beträgt.

Geometrische Auflösung Die geometrische Auflösung beeinflusst nicht nur die Bildqualität, sondern auch die Genauigkeit der Temperaturdaten des Bildes erheblich. Der IFOV-Parameter (kleinster elementarer Betrachtungswinkel, typischerweise in mrad angegeben), der dies beschreibt, gibt den Betrachtungswinkel an, der mit einem einzigen Sensor (Pixel) abgebildet wurde. Um Details gut wiederzugeben, sollte dieser Wert so klein wie möglich sein. Zum Beispiel bedeutet ein IFOV von 1,5 mrad, dass jeder einzelne Messpunkt (projizierter Messfleck) bei einer Entfernung von 1 m einen Durchmesser von 1,5 mm hat.

Abbildung: Geometrische Parameter des Bildfeldes [Quelle: Infratec]

Da die Position des so definierten "projizierten" Bildpunkts auf dem zu messenden Objekt unbekannt ist und die Sensor-Matrix selbst (aus fertigungstechnischen Gründen) Lücken aufweist, muss die obige Bildpunktgröße um den Faktor 3 multipliziert werden, um die kleinste messbare Objektgröße zu bestimmen. Wenn dies nicht beachtet wird, kann der Messfleck nicht nur die Strahlung der Objektoberfläche, sondern auch des Hintergrunds enthalten (Mittelung innerhalb des Messflecks). Das Messergebnis kann daher sowohl niedriger als auch höher als die tatsächliche Objekttemperatur sein, und je größer der Unterschied zwischen der Objekt- und Hintergrundtemperatur ist, desto größer wird der Messfehler sein!

Natürlich gilt die obige Regel nicht nur für kleine Objekte (zum Beispiel dünnen Drähte, Glühfäden usw.), sondern auch bei der Messung großer Objekte (zum Beispiel Kabel mit großem Querschnitt, Türen usw.). Offensichtlich handelt es sich um andere Dimensionen: Bei kleinen Objekten sprechen wir von Messflächen im Bereich von mm, die basierend auf der geometrischen Auflösungsfähigkeit der verwendeten Wärmebildkamera und Optik aus Entfernungen von höchstens mehreren Dezimetern gemessen werden können; bei großen Objekten handelt es sich um Messflächen von cm-Größe, die aus Entfernungen von mehreren Metern (sogar 10 Metern) erfasst werden. In jedem Fall ist jedoch die Verwendung eines Geräts erforderlich, das die Einhaltung der Regel ermöglicht! Konkretes Beispiel: Wenn wir ein zehnstöckiges Plattenhaus messen möchten, müssen wir für die Messung der oberen Stockwerke (ca. 30 Meter Höhe) aus einer Entfernung von etwa 60 m arbeiten, um eine möglichst geringe geometrische Verzerrung des Bildes (Vermeidung des perspektivischen Effekts) zu erreichen. Nach Pythagoras beträgt der Abstand zwischen Wärmebildkamera und Objekt in diesem Fall 67 m, daher hat ein elementarer Messpunkt mit einer Wärmebildkamera mit einer Auflösung von 1,3 mrad einen Durchmesser von 87 mm, sodass das kleinste messbare Objekt mindestens 261 mm groß sein muss! (Zur Erinnerung: Ein Fensterrahmen ist selten breiter als 70 mm). Daher ist die Verwendung eines Teleobjektivs erforderlich!

Entdeckung von Schäden und Fehlern in der Gebäudetechnik

Im Folgenden diskutieren wir die thermografische Erkennbarkeit der häufigsten strukturellen und gebäudetechnischen Mängel sowie deren Grenzen. Wärmebrücken, Mängel in der Wärmedämmung Wärmebrücken sind relativ einfach zu erkennen: Dort, wo auf einem Außenbild die höchste Temperatur festgestellt wird, befindet sich in den meisten Fällen eine Wärmebrücke (oder Riss). In Innenraumbildern weisen die kältesten Stellen in der Regel auf Wärmebrücken hin. Ebenso kann festgestellt werden, welches Bauelement über bessere oder schlechtere Wärmedämmeigenschaften verfügt. Es können auch die Ausführung von Fugen und Anschlüssen, strukturelle Wärmebrücken durch Bauelemente sowie "Fehler" aus der Gebäude- oder Elektroinstallation in den Außenwänden untersucht werden. Die einzige Voraussetzung für die Messung ist, dass der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich mindestens 15 K beträgt, die Wand nicht feucht ist und kein Wind weht. (Natürlich sollte die Außenmessung bei sonnenlosem Wetter erfolgen.) Wärmebrücken

Linkes Bild: von Betonrahmen verursachte Wärmebrücke Rechtes Bild: starke Wärmebrücke durch die Verbindung der Balkonwand

 

Schlecht schließende Türen und Fenster

Linkes Bild: schlecht schließendes Fenster (darüber keine Wärmebrücke!) Rechtes Bild: Innenwärmebild einer schlecht schließenden Eingangstür

Entdeckung verborgener Bauelemente und gebäudetechnischer Elemente

Diese Messungen müssen unter Ausnutzung verschiedener Wärmevorgänge, die mit unterschiedlichen Wetter- oder Tageszeiten verbunden sind, durchgeführt werden. Ein "Trick" kann die Messung nach der Tageserwärmung (bei sonnenlosem Wetter danach) sein (basierend auf Unterschieden in der Wärmekapazität), oder die Messung basierend auf der Wärmeabgabe aufgrund nächtlicher oder winterlicher Abkühlung. In jedem Fall müssen die Unterschiede in der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit zwischen den zu untersuchenden (gesuchten) Materialien und ihrer Umgebung entsprechend genutzt werden.

Ein Beispiel dafür ist, dass bei ausreichender Wärmeabgabe die in der Wand befindlichen Eisen- und Holzüberbrückungen mit thermografischen Geräten sichtbar werden. (Eisen wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit sichtbar, Holz wird aufgrund seiner geringen Wärmeleitung und -kapazität zwischen Beton oder Ziegel sichtbar.) Auf dieser Grundlage können auch unterschiedliche Baustoffe (Umbauten, Anbauten, Aufbauten, Vermauerungen) sichtbar gemacht oder sogar Wandstärken bestimmt werden (zur Untersuchung der Kaminmauerung).

Linkes Bild: Untersuchung von Holzbalken unter Putz (basierend auf Unterschieden in der Wärmeleitfähigkeit von Holz und Mauerwerk) Rechtes Bild: Untersuchung des Verschleißes an der Kaminmauerung (basierend auf der Wandisolationsfähigkeit in Abhängigkeit von der Wandstärke)

Ermittlung der Lage von Heizungsrohren und Warmwasserleitungen

Es besteht die Möglichkeit, mit Hilfe von Thermografiegeräten die Positionierung von Heizungsrohren und Warmwasserleitungen zu ermitteln. Diese Untersuchungen müssen unbedingt in der Aufheizphase durchgeführt werden, noch bevor sich die Oberfläche gleichmäßig erwärmt hat. Mit dieser Methode können nachträglich - zerstörungsfrei - die Positionierung, Dichte (z. B. Fußbodenheizung, Wandheizung), Länge und Dichtheit der Heizungsrohre sowie die Entlüftung der Heizkörper und Rohre überprüft werden.

Linkes Bild: Positionierung der Fußbodenheizungsrohre (die heiße Stelle ist kein Auslauf, sondern ein Verteiler!) Rechtes Bild: perfekt entlüfteter Heizkörper

Auffinden von kapillarer Feuchtigkeit, Kondensation und Feuchtigkeitseintritten

Bei der Thermografieuntersuchung kann durch die durch Feuchtigkeit verursachte Verdunstungswärmeabfuhr ein Temperaturabfall festgestellt werden. Hierfür wird natürlich eine besonders gute thermische Auflösung der Wärmebildkamera vorausgesetzt. Mit dieser Methode können beispielsweise Undichtigkeiten an Dachanschlüssen, Regenrinnen- oder Abwasserleitungen aufgrund von Undichtigkeiten sowie aufsteigende oder eindringende Feuchtigkeit aus dem Boden gefunden werden. Ebenso kann mit dieser Methode die in Baumaterialien angesammelte Feuchtigkeit aufgrund von Kondensation entdeckt werden.

Linkes Bild: Feuchtigkeitsansammlung hinter Gipskartonverkleidung (Ursache: Kondensation) Rechtes Bild: durchnässte Leichtbauwand (Ursache: kapillare Feuchtigkeitsaufnahme aus dem Betonboden) Auffinden von Lecks und Undichtigkeiten

Die thermografische Lecksuche basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung. Wenn die Temperatur des Mediums (meist Wasser), das durch das Rohrsystem fließt, höher ist als die Umgebungstemperatur (Heizungs- oder Warmwasserrohre, Fußbodenheizung usw.), tritt Wärmeleitung durch die umgebenden Materialien bis zur äußeren (beobachtbaren) Oberfläche auf. Auf diese Weise wird neben der Positionierung des Rohrs auch die durch das austretende Medium verursachte Temperaturerhöhung im umgebenden Material mit Hilfe von Thermografiegeräten sichtbar.

In jedem Fall gilt, dass Undichtigkeiten nur mit thermografischen Geräten entdeckt werden können, wenn an der Stelle des Lecks ein Temperaturunterschied entsteht, der durch Wärmeleitung auf der beobachtbaren Oberfläche spürbar wird. Um kleine Lecks zu erkennen, muss daher (bei Anwendung maximaler Temperaturen) der Austritt des Mediums mit Druckerhöhungsgeräten erhöht werden. Lecks in Kaltwasserleitungen können nur gefunden werden, wenn heißes Wasser angeschlossen werden kann. Da das austretende Medium natürlich innerhalb des umgebenden Materials "abfließt" und sich möglicherweise in vorhandenen Hohlräumen ansammelt, entsteht die größte Temperaturerhöhung dort, wo das Medium in größerer Menge verbleiben kann und die entsprechende Wärmemenge an das umgebende Material abgibt. Daher zeigt sich nicht immer die größte Wärmeentwicklung an der Stelle des Lecks, sondern dort, wo das austretende Medium zusammenfließt. Die Suche nach Lecks wird auch erschwert, wenn die Oberfläche, die mit der Wärmebildkamera sichtbar ist (also messbar), glänzend ist (spiegelnd, poliert, glasiert), da aufgrund der Wärmestrahlungsreflexionseigenschaften der Oberfläche (niedriger Emissionsfaktor) die zu erkennenden geringen Temperaturunterschiede kaum wahrnehmbar sind. Ein völlig anderes Problem ergibt sich, wenn die undichten Rohre in mehrschichtigen Verkleidungen (z. B. hinter der Wärmedämmung) versteckt sind. In solchen Fällen macht die vorhandene Wärmedämmung die Lokalisierung des Lecks unmöglich, es sei denn, das austretende Medium fließt auch über die Isolierung hinweg zur zu messenden Oberfläche.

Linkes Bild: Undichtigkeit in der Wandheizung (Markierung 1) (ohne Kenntnis der Positionierung der Heizungsrohre kann nicht festgestellt werden, wo das Leck ist - unter 1, 2 oder 3) Rechtes Bild: Undichtigkeit in der Warmwasserleitung (die Position des Lecks kann eindeutig nicht bestimmt werden - unter 1, 2 oder 3)

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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