Gebäudeenergieuntersuchungen mit Thermografiegeräten I.

Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, gerichtlich beeidigter Sachverständiger (PIM GmbH)

Eines der energetisch wichtigsten Elemente von Gebäuden ist ihre äußere "Hülle" - die Wände, die Fenster und das Dach. Es ist entscheidend, dass diese Elemente über eine möglichst gute Wärmedämmfähigkeit (geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmestrahlungsfähigkeit) verfügen. 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 Innenbereichen deuten die kältesten Stellen in der Regel auf Wärmebrücken hin. Ebenso lässt sich feststellen, welches Bauelement über bessere oder schlechtere Wärmedämmeigenschaften verfügt. Es können auch die Ausführung von Fugen und Anschlüssen, die durch Bauelemente verursachten strukturellen Wärmebrücken sowie "Schäden" aus der Gebäude- oder Elektroinstallation in den Außenwänden untersucht werden. Heutzutage, wo Architektur und Gebäudetechnik immer näher zusammenrücken (Passivhaus!), ist dies ein wichtiges Thema.

Grundvoraussetzungen für Thermografie-Messungen

Grundvoraussetzung für jede Messung ist, dass der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich mindestens 15 K beträgt, die Wand nicht vom Regen nass ist, kein Wind weht und die Messung während einer sonnenfreien Zeit erfolgt. Die Genauigkeit der thermografischen (Wärmebild-) Temperaturmessung hängt hauptsächlich von der Strahlungsemissionsfähigkeit der gemessenen Oberfläche ab. Je geringer die Emissionsfähigkeit eines Objekts ist, desto wichtiger ist die Korrekturberechnung, die neben diesem Faktor nur auf der Umgebungstemperatur (reflektierte Temperatur) und (bei transparenten Objekten in Bezug auf Wärmestrahlung) der genauen Kenntnis der Hintergrundtemperatur berechnet werden kann. Der Emissionsfaktor von Materialien hängt von der Art des Materials, der Oberflächenrauheit, der Wellenlänge und dem Betrachtungswinkel ab. Aus dieser Beziehung ergibt sich, dass in einigen Fällen die Temperatur eines Objekts nicht gemessen werden kann: • bei spiegelnden Oberflächen - z. B. polierte Oberflächen, oxidationsfreie Metallflächen, • bei für Infrarotstrahlung transparenten Materialien - z. B. bestimmte kristalline Materialien, verschiedene Gase. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn Glasflächen untersucht werden sollen: Typischerweise lässt Glas Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 3,5 µm durch (wie Licht aus Sonnenstrahlung und kurzwellige Wärmestrahlung), aber keine Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 3,5 µm (z. B. die Wärmestrahlung von kälteren Objekten). Im langwelligen Bereich (langwelliges atmosphärisches Fenster: 8 ... 14 µm) besitzt Glas daher keine Transmissionsfähigkeit, hat jedoch aufgrund seiner Spiegelungseigenschaft einen Emissionsfaktor von nur 60%. Darüber hinaus nimmt die Spiegelungsrate als "polierte" Oberfläche weiter zu, wenn die Aufnahme nicht im rechten Winkel erfolgt. Natürlich erhöht Verschmutzung (Staub) auf dem Glas die Emissionsfähigkeit geringfügig, aber dies ist ein unsicherer und praktisch vernachlässigbarer Faktor. Zusammenfassend betrachten also langwellige Wärmebildkameras (wie die derzeit überwiegend vertriebenen sogenannten Echtzeit-Matrix-Bolometer-Wärmebildkameras, die am häufigsten bei der thermografischen Untersuchung von Gebäuden verwendet werden) Glas als Spiegel, daher ist die Messung der Glasoberflächentemperatur mit solchen Geräten nicht möglich. (Anmerkung: Mit Kurzwellen-Kameras - je nach zusätzlichem Filter - können wir entweder durch das Glas sehen oder die Oberflächentemperatur des Glases messen, wenn es sich um Temperaturen über 100 °C handelt. Bei sehr hohen Temperaturen ist es auch mit speziellen Filtern und langwelligen Wärmebildkameras möglich, die Glasoberflächentemperatur zu messen, aber dies wird sehr selten angewendet.) Bei thermografischen Untersuchungen kann auch eine Temperaturabnahme aufgrund der Verdunstungswärme durch Feuchtigkeit festgestellt werden. Hierfür ist eine besonders gute thermische Auflösung der Wärmebildkamera erforderlich. Mit dieser Methode können beispielsweise Undichtigkeiten an Dachanschlüssen, Dachrinnen oder Abwasserleitungen aufgrund mangelhafter Abdichtung, aufsteigende oder eindringende Feuchtigkeit aus dem Boden sowie Feuchtigkeit, die sich in Baumaterialien aufgrund von Kondensation ansammelt, gefunden werden.

Bewertbare Wärmebildqualität

Die Gebäudethermografieaufnahmen müssen bestimmten Messbedingungen und Qualitätsparametern der Wärmebildkamera entsprechen, damit die Messergebnisse bewertet werden können. Sehr oft (auch im genannten Auditbericht) gibt es Probleme mit der Temperaturauflösung, der geometrischen Auflösung und der Pixelauflösung des Wärmebildes. (Anmerkung: Dies liegt häufig an der Auswahl ungeeigneter - zu schwach leistender - Wärmebildkameras und an unzureichender fachlicher Qualifikation des Ausführenden.) Temperaturauflösung Insbesondere wenn der zu messende Bereich zwischen Raumtemperatur und unterer Grenze des Messbereichs liegt, bestimmt die Temperaturauflösung maßgeblich die Bildqualität. Die "NETD" (noise equivalent temperature difference) stellt den effektiven Wert des Eigenrauschens der Wärmebildkamera dar, ausgedrückt in der Temperaturdifferenz, die denselben elektrischen Signalpegel erzeugt (in der Regel gemessen bei 30°C).Mit anderen Worten: "NETD" ist der Wert der objektiven Temperaturänderung, der eine elektrische Signaländerung im Wärmekamera entsprechend dem eigenen Rauschen der Wärmekamera bewirkt. Dieser Wert steigt stark an, wenn die Temperatur des Objekts abnimmt, insbesondere bei Kurzwellengeräten. Da bei Gebäudethermografie-Messungen Temperaturunterschiede von weniger als 0,5 °C auf dem Wärmebild erkannt werden müssen und das erforderliche "Rauschpegel" weniger als die Hälfte davon betragen muss, also weniger als 0,25 °C bzw. genauer gesagt +/-0,12 °C. Da die Wärmebildkamerahersteller den oben genannten NETD-Wert bei 30 °C definieren und dieser Wert bei sinkender Temperatur stark abnimmt, sollte für Gebäudethermografie-Messungen eine Wärmebildkamera mit mindestens +/-0,08 °C NETD-Wert (oder mit anderen Worten: mit thermischer Auflösung) für typische Außentemperaturen (-15°C ... +5 °C) gewählt werden. Mit Kameras von geringerer Qualität können die oben genannten Gebäudefehler nicht erkannt werden! Geometrische Auflösung Neben der Temperaturauflösung beeinflusst auch die geometrische Auflösung maßgeblich die Bildqualität und die Echtheit der Temperaturdaten im Bild. Der IFOV-Parameter (kleinster elementarer Sichtwinkel, typischerweise in mrad angegeben), der dies beeinflusst, gibt den Winkel an, der mit einem einzigen Sensor (Pixel) abgebildet wurde. Um Details gut zu reproduzieren, sollte dieser Wert so klein wie möglich sein. Zum Beispiel bedeutet ein 1,5 mrad IFOV, dass jeder individuelle Messpunkt, der einem Pixel zugeordnet ist (projizierter Messfleck), einen Durchmesser von 1,5 mm bei einer Entfernung von 1 m hat. Da wir die "projizierte" Position des Bildpunkts auf dem zu messenden Objekt nicht kennen und die Sensor-Matrix selbst (aufgrund der Herstellungstechnologie erforderlich) 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 die des Hintergrunds enthalten. Da innerhalb des Messflecks eine Mittelung erfolgt, kann das Messergebnis aufgrund der Hintergrundtemperatur entweder niedriger oder höher als die tatsächliche Objekttemperatur sein. Je größer der Unterschied zwischen Objekt- und Hintergrundtemperatur ist, desto größer wird der Messfehler sein! Natürlich gilt diese Regel nicht nur für kleine Objekte (z. B. dünne Drähte, Glühbirnen usw.), sondern auch für große Objekte (z. B. große Querschnittskabel, Türen usw.) bei der Messung. Offensichtlich handelt es sich um unterschiedliche Dimensionen: Bei kleinen Objekten handelt es sich um Messflächen im mm-Bereich, die je nach geometrischer Auflösung der verwendeten Wärmebildkamera und Optik nur aus Entfernungen von bis zu mehreren zehn cm gemessen werden können; bei großen Objekten handelt es sich um Messflächen im cm-Bereich, die aus Entfernungen von mehreren Metern (sogar 10 Metern) erfasst werden. In jedem Fall ist 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 des Gebäudes (ca. 30 Meter Höhe) aus einer Entfernung von etwa 60-70 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 - 76 m, daher sollte eine Wärmebildkamera mit einer Auflösung von 1,3 - 1,4 mrad (die mit Standardobjektiven der meisten professionellen Kameras erreichbare geometrische Auflösung) verwendet werden, wobei der elementare Messpunkt einen Durchmesser von 87 - 106 mm hat, sodass das kleinste messbare Objekt mindestens 261 bzw. 318 mm groß sein muss! (Zur Erinnerung: Ein Fensterrahmen ist selten breiter als 70 mm). Daher ist die Verwendung eines Teleobjektivs erforderlich, mit dem (je nach Kameratyp) eine geometrische Auflösung von 0,2 - 0,5 mrad zur Verfügung steht. Anzahl der Bildpunkte Neben der geometrischen Auflösung bestimmt die Anzahl der Bildpunkte der Wärmebildkamera die Bildqualität - genauer gesagt die Genauigkeit der Messung. Der Grund dafür ist, dass zur grafischen Erkennbarkeit eine bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des zu messenden Objekts fallen muss - genauso wie wir es von digitalen Fotos gewohnt sind. Es ist leicht verständlich, dass mit mehr Bildpunkten die Oberfläche des Objekts detaillierter oder eine größere Oberfläche mit derselben Detailgenauigkeit auf einem einzigen Wärmebild dargestellt werden kann. Wenn die Anzahl der Bildpunkte gering ist, müssen viele Aufnahmen gemacht werden, und zur Auswertung zusammenhängender Objekte oder zur Erstellung von Berichten ist häufig eine Montage der Bilder erforderlich (was eine sehr zeitaufwändige Arbeit ist). Bei Wärmebildkameras ist diese Frage keineswegs unbedeutend. Während wir bei digitalen Kameras von 5, 6, 7 oder sogar mehr als 10 Megapixel (10 Millionen Bildpunkte) sprechen, haben Matrix-Wärmebildkameras typischerweise 320x240 (also 76.800) Bildpunkte. Es gibt auch Kameras mit geringerer Kapazität (ein häufiger Typ ist 160x120, also nur 19.200 Bildpunkte), die daher nur für die Darstellung kleinerer Flächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit geeignet sind, was ihren Anwendungsbereich natürlich stark einschränkt (dafür ist ihr Preis sehr günstig). Dank der Entwicklung der Sensoren von Wärmebildkameras werden immer mehr Kameras mit einer höheren Anzahl von Bildpunkten hergestellt.Zu einem akzeptablen Preis sind Wärmebildkameras mit Sensor-Matrizen erhältlich, die 384x288 Pixel-Sensoren enthalten, und sogar Geräte mit 640x480 Pixel-Sensor-Matrizen (mit Bildwiederholraten von 50 bzw. 60 Hz). Bei der Gebäudethermografie erreichen wir akzeptable Bildqualität (genauer: Detailgenauigkeit), wenn wir mit einer 320x240 Pixel-Wärmebildkamera "übersichtliche" Wärmebilder von maximal 2 Stockwerkabschnitten aufnehmen, da in diesem Fall alle 25 Millimeter ein Pixel aufgenommen wird (nicht zu vergessen: durch Mittelung!). Abhängig von der Linse der Kamera bedeutet dies - bei einem normalen Objektiv - typischerweise eine Messdistanz von 15 m (bei einer geometrischen Auflösung von 1,5 mrad beträgt die Pixelgröße dann 22,5 mm, sodass die kleinsten - genau messbaren - Objekte eine Größe von 67,5 mm haben!). Um Details festzuhalten, müssen zusätzliche Aufnahmen aus der Nähe oder mit einem Teleobjektiv gemacht werden. **Die Besonderheiten der Gebäudethermografie** Der primäre Zweck der Gebäudethermografie besteht darin, eine objektive und umfassende Zustandsbewertung der Wärmedämmung von Gebäuden vorzunehmen. Vergessen Sie jedoch nie, dass thermografische Messungen Momentaufnahmen der Oberflächentemperaturen sind, die von unterschiedlichsten Messbedingungen beeinflusst werden. Im Zusammenhang mit Gebäuden unterscheiden wir grundsätzlich folgende thermografische Verfahren voneinander: **Quantitative Thermografieuntersuchungen** Das Ziel der quantitativen Gebäudethermografie ist die Bewertung der gesamten Oberflächenwärmeverteilung eines Gebäudes und die Bestimmung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten (z. B. bei der Berechnung von Wärmeverlusten oder Heizenergiebedarf). Da der Koeffizient nur anhand sehr genauer (absolut genauer) Temperaturdaten berechnet werden kann, müssen bei der Datenerfassung mit der Wärmebildkamera sehr strenge Anforderungen erfüllt werden. Die Verfahrensmerkmale sind * hoher Auswertungsaufwand, * starke Einschränkungen hinsichtlich Jahreszeit, Tageszeit und Wetter, * kann nur nach mehreren regenfreien Tagen und bei Windstille durchgeführt werden, * kann nur unter stationären Wärmeübertragungsbedingungen angewendet werden (früher Morgen oder späten Abend), * zusätzliche Innenaufnahmen sind zur Bestimmung von Referenzwerten erforderlich. **Qualitative Thermografieuntersuchungen** Das Ziel der qualitativen thermografischen Gebäudeuntersuchung ist die Suche und Dokumentation von Wärmebrücken und "Fehlern" in der Wärmedämmung eines Gebäudes (qualitative Unterschiede). Die meisten Probleme können anhand von Wärmeunterschieden, die mit einer Wärmebildkamera mit ausreichender Temperaturauflösung sichtbar sind, aufgedeckt werden, wobei die absoluten (numerisch exakten) Temperaturdaten hierbei nur eine untergeordnete Rolle spielen. Die Verfahrensmerkmale sind * weniger Einschränkungen bei den Messbedingungen, * schwächere Einschränkungen hinsichtlich Jahreszeit, Tageszeit und Wetter, * kann nur an regenfreien Tagen und bei Windstille durchgeführt werden, * kann nur unter stationären Wärmeübertragungsbedingungen angewendet werden (früher Morgen oder späten Abend). Sowohl bei quantitativen als auch bei qualitativen thermografischen Gebäudeuntersuchungen ist es sinnvoll, sowohl Innen- als auch Außenuntersuchungen durchzuführen. Bei quantitativen Untersuchungen sind Innenaufnahmen praktisch obligatorisch, da nur so die Wärmeübertragungseigenschaften der einzelnen Oberflächen berechnet werden können. Unsere Tabelle gibt einen Überblick über die bei Innen- und Außenmessungen zu berücksichtigenden Messbedingungen sowie die Unterschiede (Schwierigkeiten) bei der Durchführung der Messungen. **Unterschiede zwischen Innen- und Außenthermografieuntersuchungen** | **Außenthermografie** | **Innenthermografie** | | --- | --- | | In der Regel ist die gesamte Wandfläche gut einsehbar (gute Übersichtlichkeit). | Oft sind nur bestimmte Wandbereiche messbar, und sogar wesentliche Flächen sind unzugänglich. | | Aufnahmepositionen können verändert werden. | Die Sicht ist oft aufgrund vorhandener Möbel oder gebäudetechnischer Elemente stark eingeschränkt. | | Geringer Zeitaufwand, stört nicht den Gebäudenutzer. | Großer Vorbereitungsaufwand, stört den Gebäudenutzer. | | Stark wetterabhängig, kann nur bei sonnigem Wetter durchgeführt werden. | Das Wetter hat keinen direkten Einfluss (hat jedoch eine stark abgeschwächte Wirkung). Unter bestimmten Bedingungen kann es auch tagsüber durchgeführt werden. | | Problematisch bei Dachböden und belüfteten Gebäudefassaden. | Bei Dachböden und belüfteten Gebäudefassaden besser beurteilbar. | | Die Abdeckung der Außenflächen mit Bäumen, Balkonen, Gebäudedekorationen bereitet Probleme. | Mängel in der Luftdichtung (Zugluft) sind bei Wind besser erkennbar. | **Tabelle 1: Unterschiede zwischen Innen- und Außenthermografieuntersuchungen** **Im Folgenden finden Sie Beispiele von Wärmebildern, die die Bedeutung der Einhaltung der oben genannten Regeln verdeutlichen:** Linkes Bild: Tagesaufnahme eines Gebäudes (unvollendeter Bau) Rechtes Bild: Aufnahme eines Gebäudes drei Stunden nach Sonnenuntergang - die Sonnenstrahlung spiegelt sich an den Gebäudewänden - die Wärme der Tageslichtstrahlung lässt die Wände warm erscheinen, obwohl nicht geheizt wird !!! kaum erkennbar, daher messbar.

Linkes Bild: Thermografische Untersuchung bei starkem Wind Rechtes Bild: Derselbe Test bei Windstille - der Wind trägt die Wärme von der rechten Wand ab, wodurch sie kühler wird - es scheint, dass die Wärmedämmung der rechten Wand besser ist - als die der Wand in der Mitte des Wärmebildes (und mit denselben starken Wärmebrücken)

Anmerkung zu beiden Wärmebildern: Der linke Teil des Gebäudes ist nicht beheizt (Treppenhaus) Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu

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