Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM GmbH)
Eines der energetisch wichtigsten Elemente von Gebäuden ist ihre äußere "Verkleidung" - 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). Auf Innenbildern deuten die kältesten Stellen in der Regel auf Wärmebrücken hin. Ebenso lässt sich feststellen, welches Bauelement über bessere oder schlechtere Wärmedämmeigenschaften verfügt. Auch die Ausführung von Fugen und Anschlüssen, strukturelle Wärmebrücken durch Bauelemente sowie "Schäden" durch die Gebäudeinstallation oder Elektroinstallation in den Außenwänden können untersucht werden.
Grundvoraussetzung für jede Messung ist, dass der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich mindestens 15 K beträgt, die Wand nicht durch Regen nass ist, kein Wind weht und die Messung bei sonnenfreiem Wetter erfolgt. Die Genauigkeit der thermografischen (Wärmebild-) Temperaturmessung hängt jedoch 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 (reflektierende Temperatur) und (bei transparenten Objekten in Bezug auf Wärmestrahlung) der genauen Kenntnis der Hintergrundtemperatur berechnet werden kann. Der Emissionsfaktor eines Materials 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 des Objekts nicht gemessen werden kann:
Eine ähnliche Situation tritt auf, wenn Glasflächen untersucht werden sollen: Es ist charakteristisch, dass Glas Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 3,5 µm durchlässt (wie Licht und kurzwellige Wärmestrahlung in Sonnenstrahlung), jedoch Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 3,5 µm (z. B. die Wärmestrahlung von kälteren Objekten) nicht. Im langwelligen Bereich (langwelliges atmosphärisches Fenster: 8 ... 14 µm) besitzt Glas daher keine Transmissionsfähigkeit, obwohl es dennoch nur über einen Emissionsfaktor von 60 % verfügt - aufgrund seiner Spiegelungsfähigkeit. Darüber hinaus nimmt die Spiegelung zu, wenn die Aufnahme nicht im rechten Winkel erfolgt, wie bei einer "polierten" Oberfläche. Natürlich erhöht Verschmutzung (Staub) auf dem Glas die Emissionsfähigkeit geringfügig, jedoch ist dies ein unsicherer und praktisch vernachlässigbarer Faktor. Zusammenfassend erkennen langwellige Wärmebildkameras (die derzeit überwiegend mit sogenannten Echtzeit-Matrix-Array-Detektoren - Bolometern - ausgestattet sind, 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 kurzwelligen Kameras - je nach verwendetem 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 mit speziellen Filtern und langwelligen Wärmebildkameras auch 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 mangelnder Abdichtung, aufsteigende oder eindringende Feuchtigkeit aus dem Boden sowie Feuchtigkeit, die sich in Baumaterialien durch Kondensation ansammelt, entdeckt werden.
Gebäudethermografieaufnahmen müssen bestimmten Messbedingungen und thermografischen Qualitätsparametern der Wärmebildkamera entsprechen, um die Messergebnisse bewerten zu können. Sehr oft (auch im genannten Auditbericht) gibt es Probleme mit der Temperaturauflösung, der geometrischen Auflösung und der Pixelauflösung des Wärmebilds. (Anmerkung: Dies ist meist auf die Auswahl ungeeigneter - zu schwacher - Wärmebildkameras und die unzureichende fachliche Qualifikation des Auftragnehmers zurückzuführen.) Temperaturauflösung Besonders wenn der zu messende Bereich zwischen Raumtemperatur und dem unteren Bereich des Messbereichs liegt, bestimmt die Temperaturauflösung maßgeblich die Bildqualität. Das "NETD" (noise equivalent temperature difference) stellt den effektiven Wert des Eigenrauschens der Wärmebildkamera dar, ausgedrückt in der Temperaturdifferenz, die denselben elektrischen Signalpegel erzeugt (üblicherweise gemessen bei 30 °C).(Más szóval: "NETD" ist der Wert der objektiven Temperaturänderung, der eine elektrische Signaländerung im Wärmekamera entspricht, die dem Eigenrauschen der Wärmekamera entspricht.) 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 "Rauschlevel" weniger als der Hälfte davon sein muss, also bei 0,25 °C oder genauer gesagt bei +/-0,12 °C. Da die Wärmekamerahersteller 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 anders ausgedrückt: mit thermischer Auflösung) für typische Außentemperaturen (-15 °C ... +5 °C) ausgewählt werden. Mit schlechteren Wärmebildkameras 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 beeinflussende IFOV-Parameter (kleinster elementarer Betrachtungswinkel, typischerweise in mrad angegeben) gibt den Betrachtungswinkel an, der mit einem einzigartigen Sensor (Pixel) abgebildet wurde. Um Details gut reproduzieren zu können, sollte dieser Wert so klein wie möglich sein. Zum Beispiel bedeutet ein IFOV von 1,5 mrad, 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 die Position dieses "projizierten" Bildpunkts auf dem zu messenden Objekt unbekannt ist und die Sensor-Matrix (aus fertigungstechnischen Gründen) auch Lücken aufweist, muss die obige Bildpunktgröße um den Faktor 3 multipliziert werden, um die kleinste messbare Größe des Objekts zu bestimmen. Wenn dies nicht beachtet wird, kann der Messfleck nicht nur die Strahlung der Oberfläche des Objekts, 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 Temperatur des Objekts sein. Je größer der Unterschied zwischen der Temperatur des Objekts und des Hintergrunds 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 Kabelquerschnitte, 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 Auflösungsfähigkeit 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 können. In jedem Fall ist die Verwendung eines Geräts, das die Einhaltung dieser Regel ermöglicht, erforderlich! 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 60-70 m arbeiten, um Verzerrungen im Bild so gering wie möglich zu halten (um den perspektivischen Effekt zu vermeiden). Nach Pythagoras beträgt der Abstand zwischen der Wärmebildkamera und dem Objekt in diesem Fall 67 - 76 m, daher mit einer Wärmebildkamera mit einer Auflösung von 1,3 - 1,4 mrad (die mit Standardobjektiven der meisten professionellen Kameras erreicht werden kann) hat der elementare Messpunkt einen Durchmesser von 87 - 106 mm, daher muss die kleinste messbare Größe des Objekts mindestens 261 bzw. 318 mm betragen! (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 - bzw. genauer gesagt die Genauigkeit der Messung. Der Grund dafür ist, dass für die grafische Erkennbarkeit eine bestimmte minimale Anzahl von Bildpunkten auf bestimmte Teile des zu messenden Objekts fallen muss - genauso wie wir es von der digitalen Fotografie gewohnt sind. Es ist leicht verständlich, dass bei mehr Bildpunkten die Oberfläche des Objekts detaillierter dargestellt werden kann, oder eine größere Oberfläche mit der gleichen Detailgenauigkeit auf einem einzigen Wärmebild dargestellt werden kann. Wenn die Anzahl der Bildpunkte gering ist, müssen viele Aufnahmen gemacht werden, und für die Auswertung zusammenhängender Objekte und die Erstellung von Berichten ist oft eine Montage der Bilder erforderlich (was eine sehr zeitaufwändige Arbeit ist). Bei Wärmebildkameras ist diese Frage nicht 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 mit 160x120, also nur 19.200 Bildpunkten), die daher nur für die Darstellung kleinerer Oberflächen 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 akzeptablen Preisen sind Wärmebildkameras mit Sensor-Matrizen erhältlich, die 384x288 Pixel-Sensoren enthalten, und sogar Geräte mit Sensor-Matrizen von 640x480 Pixeln (mit Bildwiederholraten von 50 bzw. 60 Hz). Bei der Gebäudethermografie erreichen wir akzeptable Bildqualität (genauer gesagt: Detailgenauigkeit), wenn wir mit einer Wärmebildkamera mit 320x240 Pixeln "übersichtliche" Wärmebilder von maximal 2 Stockwerken erstellen, 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!). Für die Aufnahme von Details müssen zusätzliche Aufnahmen aus der Nähe oder mit einem Teleobjektiv gemacht werden.
Das Hauptziel der Gebäudethermografie ist die objektive und umfassende Zustandsbewertung der Wärmedämmung von Gebäuden. Vergessen Sie jedoch nie, dass thermografische Messungen Momentaufnahmen der Oberflächentemperaturen sind, die von verschiedenen Messbedingungen beeinflusst werden. Im Zusammenhang mit Gebäuden unterscheiden wir im Wesentlichen folgende thermografische Verfahren: Quantitative Thermografieuntersuchungen Das Ziel der quantitativen Gebäudethermografie ist die Bewertung der gesamten Oberflächentemperaturverteilung des Gebäudes und die Bestimmung des Wärmeleitkoeffizienten (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. Typisch für dieses Verfahren sind
Qualitative Thermografieuntersuchungen Das Ziel der qualitativen thermografischen Gebäudeuntersuchung ist die Suche und Dokumentation von Wärmebrücken und "Fehlern" in der Wärmedämmung des Gebäudes (qualitative Unterschiede). Die meisten Probleme können anhand von Wärmeunterschieden, die von einer Wärmebildkamera mit ausreichender Temperaturauflösung dargestellt werden, erkannt werden, wobei die absoluten (numerischen) Temperaturdaten eine geringere Rolle spielen. Die Merkmale dieses Verfahrens sind
Sowohl bei quantitativen als auch bei qualitativen thermografischen Gebäudeuntersuchungen empfiehlt es sich, sowohl Innen- als auch Außenmessungen durchzuführen. Insbesondere bei quantitativen Untersuchungen sind Innenraummessungen 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 gute Übersicht über die gesamte Wandfläche (gute Übersichtlichkeit). | - Oftmals sind nur bestimmte Teile der Wände messbar, sogar wichtige Flächen sind unzugänglich. |
| + Veränderbare Aufnahmepositionen. | - Die Sicht ist oft aufgrund vorhandener Möbel oder gebäudetechnischer Elemente stark eingeschränkt. |
| + Geringer Zeitaufwand, stört nicht den Gebäudenutzer. | - Hoher Zeitaufwand für die Vorbereitung, stört den Gebäudenutzer. |
| - Stark wetterabhängig, kann nur bei sonnenfreiem Wetter durchgeführt werden. | + Das Wetter hat keinen direkten Einfluss (hat jedoch eine stark reduzierte Wirkung). Unter bestimmten Bedingungen kann es auch tagsüber durchgeführt werden. |
| - Problematisch bei Dachgeschossen und belüfteten Gebäudefassaden. | + Bei Dachgeschossen und belüfteten Gebäudefassaden besser bewertbar. |
| - Schwierigkeiten bei der Abdeckung externer Oberflächen durch Bäume, Balkone, Gebäudedekorationen. | + Mängel in der Luftdichtung (Zugluft) sind bei Wind besser erkennbar. |
Tabelle 1: Unterschiede zwischen Innen- und Außenthermografieuntersuchungen Allgemein empfohlene Messbedingungen und -voraussetzungen Um mit der Wärmebildkamera nicht nur schöne bunte Bilder vom zu untersuchenden Gebäude zu machen, sondern auch Wärmebilder zu erstellen, die von Architekten, Energieexperten, Statikern und Betreibern ausgewertet werden können und zu korrekten Schlussfolgerungen führen, müssen die folgenden Mindestanforderungen erfüllt sein:
Aus den oben genannten Punkten ergibt sich, dass die Gebäudethermografie nur während der Heizperiode und bei angemessen kaltem (unter 5°C) Wetter durchgeführt werden kann.
Bei der Erstellung von qualitativ hochwertigen und auswertbaren Wärmebildern bestehen auch sehr hohe Anforderungen an die Wärmebildkamera selbst, deren Nichteinhaltung zu unkenntlichen Bildern führt, die keine Fehlerstellen erkennen lassen. Die Wärmebildkamera muss mindestens die ersten sechs Punkte der folgenden Liste erfüllen:
Im Folgenden werden anhand von Wärmebildbeispielen die Bedeutung der Einhaltung der oben genannten Regeln verdeutlicht:
- Die Sonnenstrahlung reflektiert an den Gebäudewänden - die Wände erscheinen warm, obwohl nicht geheizt wird !!!
- Die erwärmende Wirkung der Tageslichtsonne ist kaum noch zu erkennen, daher kann jetzt gemessen werden
Thermografische Untersuchung bei starkem Wind - der Wind entzieht der rechten Wand Wärme, daher erscheint sie kühler - es scheint, als wäre die Wärmedämmung der rechten Wand besser
Messung bei Windstille durchgeführt: - es ist zu erkennen, dass die Wärmedämmung der rechten Wand genauso schwach ist wie die Wand in der Mitte des Wärmebildes (und über ähnliche Wärmebrücken verfügt) Anmerkung zu beiden Wärmebildern: Der linke Teil des Gebäudes ist nicht beheizt (Treppenhaus)
Linke Abbildung: Idealer Temperaturgradient der Außenwand (stationärer Zustand) Rechte Abbildung: Zustand nach starker Tageserwärmung - Innere (messbare) Wandtemperatur: 21°C - Innere (messbare) Wandtemperatur: 21°C - Äußere (messbare) Wandtemperatur: 3°C - Äußere (messbare) Wandtemperatur: 8°C Anmerkung: Der horizontale Abschnitt auf der rechten Abbildung ist das Ergebnis der Tageserwärmung. Die Abbildung zeigt den abendlichen (nach dem Rückgang der Außentemperatur) Temperaturgradienten. Die erhöhte Oberflächentemperatur der Außenwand führt zu dem falschen Schluss, dass die Wärmedämmung mangelhaft ist oder eine Wärmebrücke vorliegt, obwohl die gleiche Wandstruktur wie in der linken Abbildung angenommen wird.
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. Eine korrekte Bewertung des Fensterzustands oder der überbrückenden Wärmedämmungseigenschaften ist daher nicht möglich.
Das abgebildete Zimmer oder Apartment des Hauses (oben links) wird nicht beheizt. In einem solchen Fall können natürlich keine Wärmedämmungs- oder sonstigen architektonischen Mängel an diesem Zimmer oder Apartment festgestellt werden.
Da der Emissionsfaktor leider auch vom Blickwinkel abhängt, müssen wir berücksichtigen, dass je weiter der Blickwinkel von einem rechten Winkel abweicht, umso mehr Reflexion beobachtet werden kann. Dieser Effekt ist besonders bei der Messung von stark gekrümmten Oberflächen zu beobachten. Beim Messen der oberen Stockwerke hoher Gebäude stehen wir ebenfalls vor diesem Problem: Die oberen Stockwerke scheinen immer kälter zu sein (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, obwohl der Emissionsfaktor der Fassaden aus silikathaltigen Baumaterialien etwa 95% beträgt. Neben der geometrischen Auflösung wird die Bildqualität einer Wärmebildkamera - bzw. genauer gesagt die Genauigkeit der Messung - durch die Anzahl der Bildpunkte der Wärmebildkamera bestimmt. Während bei digitalen Kameras von 5, 6, 7 oder sogar über 10 Megapixel (10 Millionen Bildpunkte) gesprochen wird, 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 zur Darstellung kleinerer Flächen mit akzeptabler Detailgenauigkeit geeignet sind. Die folgenden Wärmebilder zeigen eindrucksvoll die Auswirkung der Anzahl der Bildpunkte auf die Detailgenauigkeit des Wärmebildes.
(Fortsetzung folgt) Dipl.-Ing. Eric Rahne (BME), Schwingungsdiagnose- und Thermografie-Experte (Thermograph Level3) pim-kft.hu, termokamera.hu
Der Inhalt der Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt. Die (auch teilweise) Nutzung, elektronische oder gedruckte Weiterveröffentlichung ist nur unter Angabe der Quelle und des Autors sowie mit der vorherigen schriftlichen Genehmigung des Autors gestattet. Die Verletzung des Urheberrechts (Copyright) hat rechtliche Konsequenzen.
Copyright © PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft.
2026 | Minden jog fenntartva
Impresszum | Adatkezelés