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 (mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmestrahlungsfähigkeit) verfügen. Auch die Ausführung der Fugen und Anschlüsse, die durch Bauelemente verursachten strukturellen Wärmebrücken sowie die "Schäden" in den äußeren Wänden durch haustechnische oder elektrische Installationen können untersucht werden. Heutzutage, wenn Architektur und Haustechnik immer näher zusammenrücken (Passivhaus!), ist dies ein wichtiges Thema.
Um mit der Wärmebildkamera nicht nur schöne farbige Bilder des zu prüfenden Gebäudes zu erstellen, sondern auch Wärmebilder zu erzeugen, die von Architekten, Energieexperten, Statikern und Betreibern ausgewertet werden können und richtige Schlussfolgerungen zulassen, müssen die folgenden Mindestanforderungen erfüllt sein: • Die Außenaufnahmen sollten am frühen Morgen oder späten Abend (ohne direktes Sonnenlicht) bei trockenem Wetter und Windstille (maximal schwacher Wind, <2 m/s Windgeschwindigkeit) gemacht werden. • Der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich sollte mindestens 15-20 K betragen. • Der Innenbereich sollte gleichmäßig beheizt sein (innere Türen offen), neben streng geschlossenen äußeren Fenstern. • Der automatische Nachtbetrieb der Heizung (falls vorhanden) sollte ausgeschaltet sein (also die volle Heizleistung). Daraus ergibt sich, dass die Gebäudethermografie nur in der Heizperiode bei angemessen kaltem (unter 5°C) Wetter durchgeführt werden kann.
Bei der Erstellung von qualitativ hochwertigen, auswertbaren Wärmebildern werden auch an die Wärmebildkamera selbst erhebliche Anforderungen gestellt. Ohne Einhaltung dieser Anforderungen erhalten wir nur unerkennbare, nicht fehlererkennende Wärmebilder. Die Wärmebildkamera muss mindestens die ersten sechs Punkte der folgenden Liste erfüllen: • hohe thermische Auflösung (–0,08 K oder besser), • möglichst viele Bildpunkte (mindestens 320x240 Pixel), • geringes Rauschen, gutes Signal-Rausch-Verhältnis (Kalibrierung ab –40 °C erfüllt dies), • Temperaturbereich von –20 °C bis +100 °C (besser von –40 °C), • Betriebstemperaturbereich von –10 °C (besser von –20 °C), • hohe geometrische Auflösung (1,5 mrad oder besser), • für bestimmte Messungen Teleobjektiv • einfache Handhabung (z. B. automatischer Fokus), • hohe Speicherkapazität (vorzugsweise mindestens 200 Wärmebilder), • vielseitige Auswertungs- und Dokumentations-PC-Software Da der Emissionsfaktor leider auch vom Betrachtungswinkel abhängt, müssen wir berücksichtigen, dass je stärker der Betrachtungswinkel von einem rechten Winkel abweicht, desto stärker die Reflexion zunimmt. Dies kann besonders bei gekrümmten Oberflächen beobachtet werden, aber auch bei der Messung der oberen Etagen hoher Gebäude stehen wir vor diesem Problem: scheinbar werden die oberen Etagen immer kühler (obwohl sie in Wirklichkeit immer wärmer werden). Der Grund dafür ist, dass der Himmel (ohne Wolken -273°C) immer stärker auf der äußeren Oberfläche des Gebäudes reflektiert wird, auch wenn der Emissionsfaktor der aus etwa 95% silikathaltigen Baustoffen bestehenden Wände etwa 95% beträgt. Neben der geometrischen Auflösung bestimmt die Anzahl der Bildpunkte der Wärmebildkamera die Bildqualität bzw. genauer gesagt die Messgenauigkeit. Während bei digitalen Kameras von 5, 6, 7 oder sogar mehr als 10 Megapixeln (10 Millionen Bildpunkten) die Rede ist, beträgt die Anzahl der Bildpunkte bei Matrix-Wärmebildkameras typischerweise 320x240 (also 76.800 Bildpunkte). Es gibt auch Kameras mit geringerer Leistung - häufig sind Typen mit einer Auflösung von 160x120 (nur 19.200 Bildpunkte) anzutreffen -, die daher nur für die Darstellung kleinerer Flächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit geeignet sind. Die folgenden Wärmebilder zeigen anschaulich die Auswirkung der Anzahl der Bildpunkte auf die Detailgenauigkeit des Wärmebildes.
Wenn die in unserem Rahmen detaillierten Messbedingungen eingehalten wurden, müssen wir nur noch herausfinden, wie die erhaltenen Messergebnisse (grafisch dargestellt, also die Wärmebilder) ausgewertet und analysiert werden müssen. Deshalb behandeln wir im Folgenden separat das Auftreten und die Erkennbarkeit der häufigsten strukturellen und haustechnischen Gebäudeschäden. Wärmebrücken, Wärmedämmungsfehler Wärmebrücken sind relativ einfach zu erkennen: Dort, wo auf einem Außenbild - meist gut abgrenzbar - die höchste Temperatur festgestellt wird (und keine lokale externe Wärmequelle oder Reflexion vorhanden ist), befindet sich eine Wärmebrücke (oder Riss). In Innenraumaufnahmen weisen die kältesten Stellen in den meisten Fällen auf Wärmebrücken hin. Ebenso leicht festzustellen (bei gleicher äußerer und innerer Beschichtung), welches Bauelement über bessere oder schlechtere Wärmedämmeigenschaften verfügt. Sehen wir, was alles untersucht werden kann: • Erfassung von Renovierungsbedarf an alten Gebäuden (z. B. Zustand der Fenster, Wärmedämmung der Wände, Ausführung der Fugen und Anschlüsse); • Überprüfung der Ausführung von Außenwärmedämmungen bei neuen und renovierten Gebäuden sowie nachträgliche Bauteile, Balkone usw.Bei den Wandanschlüssen; • Auftreten von strukturellen Wärmebrücken aufgrund von Überbrückungen (z. B. Stahlträger); • Zustand der Fugen (besonders interessant bei Fertigteilgebäuden); • "Spalten" in den Außenwänden aufgrund von Installationen der Gebäudetechnik. Entdeckung verborgener Bauteile und gebäudetechnischer Elemente Diese Messungen müssen unter Ausnutzung verschiedener Wärmevorgänge zu unterschiedlichen Wetter- und Tageszeiten durchgeführt werden. Ein "Trick" kann die Messung nach dem Aufheizen am Tag (ohne anschließende Sonneneinstrahlung) sein (basierend auf Temperaturunterschieden), oder die Messung basierend auf der Wärmeabstrahlung aufgrund nächtlicher oder winterlicher Abkühlung. In jedem Fall müssen die Unterschiede in Wärmekapazität und Wärmeleitung zwischen den zu untersuchenden (gesuchten) Materialien und ihrer Umgebung entsprechend genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist, dass bei geeignetem Wärmefluss Stahl- und Holzüberbrückungen in der Wand mit Hilfe von Thermografiegeräten sichtbar werden. (Stahl wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit sichtbar, Holz aufgrund seiner geringen Wärmeleitung und -kapazität zwischen Beton oder Ziegelstein.) Auf dieser Grundlage können auch unterschiedliche Baustoffe (Umbauten, Anbauten, Aufstockungen, Vermauerungen) sichtbar gemacht oder sogar Wandstärken bestimmt werden (z. B. für die Untersuchung von Schornsteinmauerwerk).
(basierend auf Unterschieden in der Wärmeleitung von Holz und Mauerwerk)
(basierend auf der Wanddickenabhängigkeit der Wärmedämmfähigkeit des Mauerwerks) Es ist auch möglich, mit Thermografiegeräten die Lage von Heizungsrohren und Warmwasserleitungen zu ermitteln. Diese Untersuchungen müssen unbedingt während der Aufheizphase durchgeführt werden, bevor sich die homogene Temperaturverteilung auf der Oberfläche einstellt. Mit dieser Methode kann nachträglich - zerstörungsfrei - die Verlegung der Heizung (Position), die Rohrdichte (z. B. bei Fußbodenheizung, Wandheizung), sowie die Länge und Dichtigkeit der Rohre, Undichtigkeiten von Heizkörpern und Rohren überprüft werden.
Kondenswasserbildung Die Luft in einem Gebäude enthält immer eine gewisse Menge an Feuchtigkeit in Form von Dampf. Die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit aufzunehmen, hängt von ihrer Temperatur ab. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der der in der Luft enthaltene Wasserdampf als Kondenswasser an Oberflächen dieser Temperatur ausfällt. Dies kann natürlich auch innerhalb der Wand passieren, da die Wand selbst luft- und dampfdurchlässig ist und der Temperaturgradient zwischen Innen- und Außenseite der Wand die dem Taupunkt entsprechende Temperatur in der Wand erreichen kann. Mögliche Ursachen für Kondenswasserschäden sind: • unzureichende Wärmedämmung (besonders an Raumecken oder Überbrückungen, Betonkronen); • schlechte Gebäudebetreuung (unzureichende Heizung oder Belüftung). Nachdem bekannt ist, bei welcher Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit Kondenswasserbildung an Oberflächen (Wänden) aufgrund des Erreichens des Taupunkts stattfindet, können unter Berücksichtigung der unten aufgeführten Umgebungsparameter anhand der internen Wärmebildaufnahme bestimmt werden, wo Kondenswasserbildung und Schimmelbildung zu erwarten sind. Darüber hinaus, abhängig von der Konstruktion der Wandstruktur, kann nicht nur die Gefahr von Kondenswasserbildung (und Schimmelbildung) aufgezeigt werden, sondern es kann auch berechnet werden, wie lange es dauern würde, bis das Baumaterial oder die Wärmedämmung durchfeuchtet ist, unter Beibehaltung der aktuellen Raumnutzung. (Eine Durchfeuchtung würde zwangsläufig zum nahezu vollständigen Verlust der Wärmedämmeigenschaften führen und muss daher unbedingt gestoppt werden.) Die für die Auswertung unbedingt erforderlichen Parameter sind: • Innentemperatur und relative Luftfeuchtigkeit sowie Außenlufttemperatur zum Zeitpunkt der Messung • Belüftung und Raumnutzung zum Zeitpunkt der Messung • typische Nutzung des untersuchten Raums (Wohnzimmer, Büro, Schlafzimmer, Lager usw.) • klimatische Daten (z. B. niedrigste Winterlufttemperatur, höchste relative Luftfeuchtigkeit) • Volumen des untersuchten Raums, Lüftungsgeschwindigkeit, Feuchtigkeitsbelastung (z. B. durch menschliche Atmung) Kapillare Feuchtigkeit und Wassereintritte Bei der Thermografieuntersuchung kann aufgrund der durch die verdunstende Feuchtigkeit verursachten Wärmeentzugstemperaturabnahme Feuchtigkeit aus dem Boden (aufsteigend oder eindringend) entdeckt werden. Mit dieser Methode können folgende Phänomene gefunden werden: • Feuchtigkeit, die aus dem Boden aufsteigt oder eindringt (kapillar); • Wassereintritte aufgrund von undichten Dachanschlüssen oder Dachrinnen; • Wassereintritte aufgrund von Undichtigkeiten in Abwasserleitungen.
(Einsickern aus dem Boden) [Quelle: Infratec] Lecksuche, Undichtigkeiten Die thermografische Lecksuche basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung. Wenn die Temperatur des Mediums (meist Wasser) in den Rohren höher ist als die Umgebungstemperatur (Heizungs- oder Warmwasserrohre, Fußbodenheizung usw.), tritt Wärmeleitung durch die umgebenden Materialien bis zur äußeren (beobachtbaren) Oberfläche auf. So wird neben der Position der Leitung auch die durch den austretenden Flüssigkeitsstrom verursachte Temperaturerhöhung im umgebenden Material sichtbar, wenn thermografische Geräte verwendet werden. Es gilt immer, dass Undichtigkeiten nur mit thermografischen Geräten entdeckt werden können, wenn an der Leckstelle ein Temperaturunterschied entsteht, der durch Wärmeleitung auf der sichtbaren 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 sammelt, entsteht die größte Temperaturerhöhung dort, wo das Medium in größerer Menge verbleiben kann und die entsprechende Wärmemenge an das umgebende Material abgeben kann. Daher zeigt sich die größte Wirkung der Wärme nicht immer dort, wo sich das Leck befindet, sondern dort, wo das austretende Medium zusammenläuft. Die Lokalisierung von 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 Emissionsgrad) die zu detektierenden geringen Temperaturunterschiede kaum wahrgenommen werden können. Ein völlig anderes Problem ergibt sich, wenn die leckenden Rohre in mehrschichtigen Verkleidungen (z. B. hinter Wärmedämmungen) 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. Quantitative Methoden Die wichtigste Auswertung der quantitativen Gebäudethermografietechnologie ist der Wärmestrom und darauf basierend die numerische Bestimmung des Wärmeverlusts. Das Programm, das dies durchführt - vereinfacht ausgedrückt - geht davon aus, dass die Oberflächentemperatur der Außenwand im Verhältnis zur durch Wärmeleitung von innen nach außen transportierten Wärmemenge steht. Es ist jedoch zu beachten, dass dafür sehr strenge Messbedingungen eingehalten werden müssen, da sonst vollständig falsche Daten erhalten werden. Basierend auf dem Wärmestrom kann auch der sogenannte U-Wert bestimmt werden, d. h. der numerische Wert des Wärmeverlustfaktors. Natürlich müssen dazu die Innen- und Außentemperaturen angegeben werden. Berechnung der Heizkosten Mit dem Wärmeverlustfaktor ist es nicht mehr weit bis zur Berechnung der Heizkosten. Basierend auf dem Wärmeverlustfaktor kann bestimmt werden, wie viel Energie für das Heizen des Gebäudes erforderlich ist (unter Berücksichtigung der klimatischen Bedingungen, der gewünschten Innentemperatur und der Lüftungsgewohnheiten). Wenn die Energiekosten verschiedener Heiztechnologien und Brennstoffe bekannt sind, kann der erwartete jährliche Betrag für die Heizkosten einfach durch Multiplikation bestimmt werden.
Ein wichtiger Bestandteil der Energieeinsparung ist die Minimierung des Luftaustauschs in Gebäuden (aber nicht dessen vollständige Beseitigung, da sonst sicherlich Kondensation auftreten würde). Um dieses Ziel zu erreichen, wird darauf geachtet, möglichst dicht schließende Fenster und Türen einzubauen. Oft sind es jedoch nicht die undichten Fenster und Türen, die für die größte Luftbewegung verantwortlich sind, sondern fehlende oder vollständig fehlende Dampfsperren, schlechte Wandanschlüsse, fehlerhafte Dachdurchführungen usw. die für den Luftzug verantwortlich sind. Die Untersuchung, an welchen Stellen Luft ein- oder austritt, erfolgt in der Regel mit der BlowerDoor-Methode: Durch einen nach außen blasenden Ventilator wird der Innendruck um 50 Pa gegenüber dem Außendruck verringert, so dass Luft an undichten Stellen von außen einströmt. Je schneller die Luft einströmt, desto stärker ist der Luftaustausch und desto mehr Energie wird benötigt, um die Innentemperatur aufrechtzuerhalten (da die einströmende Luft ständig aufgeheizt oder gekühlt werden muss). Das Verfahren kann sowohl im Sommer als auch im Winter angewendet werden: Im Sommer mit Anemometern zur Messung der Luftgeschwindigkeit und Nebelgeneratoren, im Winter gegebenenfalls in Kombination mit thermografischen Geräten. Im Winter kann nämlich die mit kalter Außenluft abgekühlten Bauteile mit thermografischen Geräten gut erkannt werden. Mit der Luftstromuntersuchung können folgende Probleme identifiziert werden: • fehlerhafte Fensterrahmen-Wandanschlüsse oder undichte bzw. deformierte Fenster und Türen; • unzureichend abgedichtete Rollläden oder deren Montageabdeckungen; • schlecht isolierte Lüftungsöffnungen in belüfteten Dachräumen; • Montageausschnitte in Gipskartonwänden (Elektroinstallation usw.); • Fehler in Dachgeschossen und Grundmauern sowie Übergänge zwischen leichten und traditionellen Gebäudeteilen; • unzureichende Dachdämm- und Luftdampfsperren.Die BlowerDoor-Technologie - ergänzt mit geeigneten Instrumenten - ist auch für weitere Untersuchungen geeignet: • Bestimmung des Luftwechsels pro Etage und Zone (mit Mehrkanal-Druckmessung); • Untersuchung des Betriebs und der Effizienz von Lüftungssystemen (mit Druckdifferenzmessung); • Überprüfung des Betriebs von Absauganlagen und Schornsteinen (mit Druckdifferenz- und Luftgeschwindigkeitsmessung); • Aufdeckung von Rückströmungen von Verbrennungsprodukten (mit Kohlendioxid- oder Kohlenmonoxid-Sensoren). Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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