Épület-termográfia (mérések elmélete, kiértékelő szoftverek)

Épület-termográfia

Elmélete és kiértékelési módszerei

A hőképfelvételek készítése, azaz a termográfia – vagy szakmailag kevésbé helyesen termovízió – rendkívül sokoldalú mérési eljárás, a modern hőkamerák kezelése pedig összehasonlítható az elterjedt digitális videokamerákéval. De ez az egyszerűség ne tévesszen meg senkit: a korrekt (mérési szempontból helyes) hőképfelvételek készítéséhez szakmai (elméleti) tudás, tapasztalat és ezen túl megfelelő mérés-előkészítés is szükséges. (Különben csupán „szép színes” – de kiértékelhetetlen, téves következtetésekhez vezető – képek keletkeznének.)

Szomorú tapasztalat, hogy a hőkamerák forgalmazói és a hőképfelvételeket készítő szolgáltatók is nemritkán súlyos szakmai hibákat vétenek a hőképek előállításával kapcsolatosan. A következőkben megismételjük ezért a legfontosabb elméleti és gyakorlati termográfiai törvényszerűségek bemutatását, hogy a felvételek készítői és a kiértékeléseket felhasználók egyaránt jobban kihasználhassák a hőképek által nyújtott információkat!

Elméleti bevezető

Az infravörös hőmérsékletmérés alapja

Az infravörös sugárzáson alapuló hőmérsékletmérés, vagyis a termográfia azt a fizikai jelenséget használja fel, hogy az abszolút nulla K hőmérséklet (-273,15 °C) felett a testek elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, így például rádióhullámokat, fényt, illetve hő(sugárzás)t. Az infravörös sugárzás az elektromágneses spektrumban 760 nm és az 1 mm hullámhossztartományban található.

A hőmérsékletmérés technikai szempontjából a 20 µm-ig terjedő tartománynak van jelentősége. Ez a következő részekre tagolható:

HullámhosszInfravörös résztartomány
0,8 µm … 2 µmrövidhullámú infravörös
2 µm … 6 µmközéphullámú infravörös
6 µm … 20 µmhosszúhullámú infravörös

A hőmérséklet mérése a mérendő test által kibocsátott elektromágneses hullámok (infravörös sugárzás) alapján történik. Ahhoz, hogy a hőmérsékletre következtetni lehessen, a testhőmérséklet és a leadott sugárzás közötti összefüggést kell szemügyre venni. Ezt az összefüggést az ideális sugárzó (fekete test) által kibocsátott sugárzás spektrális eloszlását leíró Planck-féle sugárzási törvény adja meg, aminek lényege – röviden összefoglalva – a következő: minél melegebb egy test, annál több sugárzást bocsájt ki és annál rövidebb a legerősebben kisugárzott sugárzás hullámhossza. Figyelemre méltó még, hogy a hosszú hullámhosszak mindig megtalálhatók (a hőmérséklet növekedésével erősödnek föl), a rövid hullámhosszak pedig csak forró testek esetén kerülnek kibocsájtásra.

Eme összefüggés illusztrációjaként egy-két gyakorlati anyag sugárzási maximumát mutatjuk be:

Sugárzó testHőmérsékletSugárzási maximum
Mélyhűtött élelem-18 °C11.4 µm
Bőr32 °C9.5 µm
Forrásban lévő víz100 °C7.8 µm
Sötétvörösen izzó vas600 °C3.3 µm
Fehéren izzó vas1200 °C2.0 µm

Táblázat: gyakorlatban előforduló anyagok sugárzási maximumai

Az érintésmentes hőmérsékletmérés gyakorlati problémái

A mérendő objektumok tulajdonságai – hőkibocsájtás és visszaverődés

Az úgynevezett fekete test az ideális fizikai sugárzó modellje, amely 100 százalékosan kibocsátja azt a hősugárzást, ami a hőmérséklete alapján a Planck-féle sugárzási törvény szerint várható. A valódi testek sugárzási képessége viszont többé-kevésbé elmarad a feketetest-modelltől. Egy test infravörössugár-kibocsátási képességét – összehasonlítva a fekete testével – az emissziós tényező (ε) írja le, mely függ elsősorban az anyagtól (jobban a felületétől), a felület érdességétől, valamint a hullámhossztól (tehát a test hőmérsékletétől).

Fontos tudni, hogy az emissziós tényező téves figyelembevétele a leggyakoribb és a hiba nagyságát tekintve a termográfiai mérés eredményét a legjelentősebben befolyásoló hibaok. Ugyanis minél jobban eltér egy test emissziós tényezője az ideális 1 értéktől (tehát minél kisebb emissziós képességű), annál inkább erősödik a reflexiós (sugárzás-visszaverődési) tulajdonsága. Tehát a mérőműszer a test hőmérsékletével arányosan kibocsátott hősugárzás mellett (a legrosszabb esetben akár helyett) a környezetből származó, a mérőtárgy felületén reflektált hősugárzást is méri. E hiba csökkentése érdekében az emissziós értéket minél pontosabban kell megadni és a környezeti hőmérsékletet is figyelembe venni a tárgyhőmérséklet meghatározása során.

Az átviteli szakasz hatása a mérési eredményre – átviteli veszteség

Mivel a termográfia alapját képező infravörös sugárzásnak valamilyen közegen keresztül kell áthaladnia (a mérendő tárgytól a mérőberendezésig), a közeg infravörös-tartományú viselkedése (karakterisztikája) természetesen befolyásolja a mérést. A legtöbb esetben a közeg levegő, de más – az infravörös hullámokat átengedő – anyagok (például különleges mérőablakok) is előfordulnak.

Atmoszféra átviteli tulajdonsága (forrás: Infratec)
Ábra: a levegő spektrális átviteli tényezője [forrás: Infratec]

A fenti ábrán látható, hogy a levegő átviteli tulajdonsága nagymértékben függ a hullámhossztól. A jó átviteli képességű (satírozott) tartományokat atmoszférikus ablaknak szokás nevezni. Amíg az átviteli tényező a 8…14 μm tartományban – a hosszúhullámú atmoszferikus ablakban – szinte tökéletes átvitelt biztosít akár nagy távolságokra is, a 3…5 μm tartományban – a középhullámú atmoszferikus ablakban – az atmoszféra mérhető veszteségeket okoz már néhányszor tízméteres távolságok esetén is.

Hősugárzás átbocsátása a tárgy hátteréből

Ez a hiba akkor jelentkezik, ha a tárgy részben áttetsző, természetesen az infravörös sugárzás szempontjából. Ilyen esetekben a tárgy hátterét éppúgy figyelembe kell venni, mint az előterét a hősugárzás visszaverődésénél. Ez különösen akkor okozhat gondot, ha közvetlenül a mérendő tárgy mögött erős hősugárzók (például technológiailag szükséges melegítőberendezések) találhatók. Épületek és épületgépészeti termográfia mérési feltételei

Ha átgondoljuk az elméleti bevezető során taglaltakat, már tudjuk, hogy a mérni kívánt alacsony hőmérsékletek miatt hosszúhullámú hőkamerát kell választanunk. Ez pedig jó is nekünk, mivel a hosszúhullámú atmoszferikus ablak kedvező átviteli tulajdonsága miatt akár száz méterről is szinte „veszteségmentesen” érzékelhetjük a hősugárzást.

Továbbá kedvező tény, hogy a tipikus építési anyagok (az ablaküveg és a fényes fémburkolatok kivételével !) viszonylag magas emissziós tényezővel bírnak, s mivel a mérendő tárgyak hőmérséklete tipikusan csak kis mértékben tér el a környezeti hőmérséklettől, a reflexió hatásától csak kis mértékben kell tartanunk. (Egészen más a helyzet pl. az üvegfelületekkel vagy a vadonatúj alumínium-burkolatú hőszigetelések esetén! Ezek ilyen állapotban egyszerűen nem mérhetők!)

Az épület-termográfia különlegességei

Az épület-termográfia elsődleges célja az épületek hőszigetelésének objektív és teljeskörű állapotfelmérése. De soha ne felejtsük el, hogy a termográfiai mérés a felületek hőmérsékletének pillanatfelvételét szolgálja, amelyet a legkülönbözőbb mérési körülmények befolyásolnak.

Épületekkel kapcsolatosan a következő termográfiai eljárásokat különböztetjük meg egymástól:

Kvantitatív (mennyiségi, számszerű) termográfiai vizsgálatok:

A kvantitatív épület-termográfia célja az épület teljes, felületi hőeloszlásának értékelése és a hővezetési együttható meghatározása (pl. hőveszteség vagy fűtési energiaszükséglet számítása). Mivel ez csak igen korrekt (abszolút pontosságú) hőmérsékletadatok alapján számítható ki, a hőkamerával végzett adatgyűjtéssel kapcsolatosan nagyon szigorú feltételeket kell teljesíteni. Az eljárásra jellemző:

  • nagy kiértékelési igény
  • erős korlátok az évszak, a napszak és az időjárás szempontjából
  • csak több esőmentes nap után és csak szélcsendben végezhető el
  • csak állandósult hőáramlási feltételek mellett alkalmazható (korai reggel vagy késő este)
  • viszonyítási alapok meghatározásához kiegészítő beltéri mérések is szükségesek

Kvalitatív (minőségi, általános) termográfiai vizsgálatok:

A kvalitatív hőkamerás épületvizsgálat célja az épület hőhídjainak és hőszigetelési „hibái“-nak (minőségi eltérések) keresése és dokumentálása. A legtöbb probléma kellően nagy hőmérséklet-felbontóképességű hőkamerával megjeleníthető hőkülönbségek alapján felderíthető, az abszolút (számszerűen pontos) hőmérsékletadatoknak ilyenkor csak kisebb szerepük van. Az eljárás jellemzői:

  • kevesebb korlátozás a mérési feltételekkel szemben
  • gyengébb korlátok az évszak, a napszak és az időjárás szempontjából
  • csak esőmentes napon és csak szélcsendben végezhető el
  • csak állandósult hőáramlási feltételek mellett alkalmazható (korai reggel vagy késő este)

Mind a kvantitatív, mind a kvalitatív termográfiai épületvizsgálatok során bel- és kültéri vizsgálatokat egyaránt érdemes elvégezni. Sőt, a kvantitatív vizsgálatok esetén gyakorlatilag „kötelező” a beltéri mérések elvégzése, mivel csak így számítható ki az egyes felületek hőáramlási tulajdonsága. A következő táblázat áttekintést nyújt a bel- és kültéri mérések során figyelembe veendő mérési feltételekről, valamint a mérések kivitelezése közötti különbségekről (nehézségekről).

Általánosan javasolt mérési körülmények és feltételek

Ahhoz, hogy a hőkamerával ne csak szép színes képeket készítsünk a bevizsgálandó épületről, hanem építész, energetikus, statikus és maga az üzemeltető által kiértékelhető – helyes következtetéseket megengedő – HŐKÉPEK készüljenek, a következőkben felsorolt MINIMUM-feltételeknek kell feltétlenül teljesülniük:

  • a felvételek a kora reggeli vagy késő esti órákban (napsütéstől mentes napszakban) készüljenek
  • a kül- és beltéri hőmérséklet közötti különbség legalább 15 … 20 K legyen
  • száraz időjárás és szélcsend (legfeljebb gyenge szél < 2 m/s) legyen
  • í beltér egyenletesen legyen felfűtve (belső ajtók nyitva), szigorúan zárt külső nyílászárók
  • a fűtés automatikus éjjeli üzemmódja (ha van) ki legyen kapcsolva (tehát a teljes fűtés menjen)
Ipari csarnok termográfiai felmérése (forrás: PIM)
Ábra: ipari csarnok állapotfelmérése – légtömörségi hibák és párakondenzáció [forrás: PIM]

Speciális alkalmazás: szivárgások keresése termográfiával

A termográfiai szivárgás-keresés a hővezetés fizikai törvényszerűségein alapszik. Amennyiben a csőrendszerben áramló közeg (többnyire víz) hőmérséklete magasabb, mint a környezetéé (fűtési vagy melegvíz csövek, padlófűtés …) akkor hővezetés lép föl a környező anyagokon keresztül a külső (megfigyelhető) felületig. Így a felfűtés során először a vezeték elhelyezkedése válik láthatóvá a termográfiai eszközök használatával.

A szivárgás helyén kilép a meleg folyadék, így ez szétfolyhat a vezeték mentén és a környező anyag rétegei között oldalirányban és lefelé. A meleg folyadékról is indul most hővezetés minden irányban, így a látható felület felé is. Kellőképpen érzékeny termográfiai eszközökkel megállapítható, hogy a felületen látható hőeloszlás eltér a sérülésmentes vezeték „normális“ hőeloszlásához képest.

Minden esetben érvényes, hogy csak akkor lehet termográfiai eszközökkel felfedezni tömítet­lenségeket, ha a szivárgás helyén létezik vagy létrehozható egy olyan hőmérséklet-különbség, mely hővezetés révén a hőkamerával megfigyelhető felületén is érzékelhető.

A feltételezett szivárgási helyeken lehetőleg több megfigyelési szögből is megismétlendő a termográfiai felvétel, hogy a reflexiókat biztonságosan ki lehessen zárni.

A hőkamerarendszerrel szemben támasztott követelmények:

  • magas termikus felbontás – minimum 30mK
  • alacsony zajszint (jó jel/zaj-viszony)
  • hőmérséklet-tartomány kb. –20 °C-tól +200 °C-ig
Szivargás-keresés elmélete (forrás: PIM)
Ábra: a szivárgáskeresés elmélete [forrás: PIM]

Épület-termográfiai mérések értékelése speciális szoftverekkel

A cikkünk eddigi részeiben elsősorban az épületek kvalitatív termográfiai vizsgálatával foglalkoztunk. A következőkben viszont egy olyan speciális épület-termográfiai hőkép-kiértékelő szoftvert kívánunk bemutatni, ami a kvalitatív vizsgálatot és a kvantitatív kiértékelést egyaránt képes támogatni. Nyilván, minden kiértékelés elsődleges feltétele, hogy a hőképek a már említett mérési feltételek betartása mellett legyenek elkészítve, valamint a kiértékelés szempontjából fontos környezeti paraméterek is kerüljenek rögzítésre. Természetesen e mellett szükséges az épület anyagszerkezetének (pl. felhasznált anyagok, rétegvastagságok, valamint a fűtés, szellőztetés, klimatizálás elemei) pontos ismerete is.

Fornax épület-termográfiai kiértékelő-szoftver (forrás: Infratec)
Kép: FORNAX kiértékelő szoftver „munka közben” [forrás: Infratec]

Geometriai képkorrekció

Akármennyire jól körüljárhatók az épületek, a felvételek (mint a hagyományos fényképezés esetén is) bizonyos paralaxis-hibával, torzítással ill. perspektivikus hibával rendelkeznek. A kiértékelésekhez pedig többnyire ortogonális képanyagra van szükségünk. A FORNAX szoftver ezt a korrekciót egy-két gombnyomással elvégzi helyettünk.

Hőkép geometriai korrekciója (forrás: Infratec)
Kép: Hőkép képgeometriai korrekció előtt és után [forrás: Infratec]

Hőmérséklet-statisztika

Akár a legdurvább hőhidas problémák súlyosságának felméréséhez (tehát a ”Megéri vele foglalkozni?” kérdésre adandó válasz), akár a szerkezetben fellépő hőfeszültségek felméréséhez a hőmérséklet-statisztika nyújt segítséget.

Hőmérséklet-hisztogram (forrás: Infratec)
Kép: Hőmérséklet-statisztikai kiértékelés [forrás: Infratec]

Páralecsapódás, penészesedés

Miután tudjuk, hogy egy adott levegő-hőmérséklet és páratartalom mellett milyen hőmérsékletű tárgyakon (falakon) történik a páralecsapódás (a harmatpont elérése miatt) a lent felsorolt környezeti paraméterek ismeretében a belső hőképfelvétel alapján meghatározható, hogy hol várható páralecsapódás, penészesedés.

Penész-veszély előrejelzése (forrás: Infratec)
Kép: Páralecsapódás, penészesedés veszélyének jelölése a hőképen [forrás: Infratec]

A kiértékeléshez feltétlenül szükséges paraméterek:

  • belső és külső levegő-hőmérséklet és relatív páratartalom a mérés időpontjában
  • szellőztetés és helységhasználat a mérés időpontjában
  • megvizsgált helyiség tipikus használata (nappali, iroda, hálószoba, raktár stb.)
  • klimatikai adatok (pl. leghidegebb téli hőmérséklet, legnagyobb relatív páratartalom)
  • megvizsgált helyiség térfogata, szellőztetés sebessége, nedvességterhelése (pl. emberi légzéstől)

Falszerkezet átnedvesedése

A falszerkezet felépítésének ismerete függvényében nemcsak a páralecsapódás (és a penészesedés) veszélye mutatható ki, hanem az is kalkulálható, mennyi idő alatt (a helyiség jelenlegi használatának fenntartása mellett) nedvesedik át az építési anyag ill. a hőszigetelés. (Ez természetesen annak hőszigetelő tulajdonságának teljes elvesztéséhez vezetne, tehát mindenképpen leállítandó folyamat!)

A kiértékeléshez szükséges a klimatikai viszonyoknak, a vizsgált helyiség használatának, valamint a falszerkezet rétegszerkezetének pontos ismerete.

Átnedvesedés veszély előrejelzése (forrás: Infratec)
Kép: Falszerkezet átnedvesedésének előrejelzése a hőképen [forrás: Infratec]

Fagykárosodás veszélye

Mindazok az építési elemek ki vannak téve a fagykárnak, amelyekben valamilyen okból kifolyólag nedvesség gyűlt össze és a hőmérsékletük a fagypont alá esik. A klimatikai viszonyok ismeretében a program képes négy kategória szerint elemezni a fagykár-veszély előfordulását:

fagykár-veszély csak nagyon hideg télben
fagykár-veszély hideg télben
fagykár-veszély ősszel és télen
nincs fagykár-veszély

Fagykárosodás veszély előrejelzése (forrás: Infratec)
Kép: Falszerkezet fagykár-veszélyének jelzése a hőképen [forrás: Infratec]

 

Hőáramlás számszerű meghatározása

A kvantitatív épület-termográfiai technológia legfontosabb kiértékelése a hőáramlás számszerű meghatározása. A program abból indul ki (nagyon leegyszerűsítve), hogy a lesugárzott hőmennyiség arányban áll a hőáramlás révén belülről kívülre „szállított” hőmennyiséggel. De ne feledkezzünk meg arról sem, hogy ehhez nagyon szigorú mérési feltételek betartása mellett rögzített hőképekre van szükség ! (Másként teljesen téves adatokat kapunk!)

Hőáram-számítás (forrás: Infratec)
Kép: Hőáramlás számszerű meghatározása hőkép alapján [forrás: Infratec]

 

Az „U”-tényező (hőveszteségi tényező) számszerű meghatározása

A hőáramlás ismeretében meghatározható az ún. „U”-tényező (a hőveszteségi tényező) is. Természetesen ehhez a bel- és kültéri hőmérséklet is megadandó.

U-tényező meghatározása (forrás: Infratec)
Kép: Az „U”-tényező (a hőveszteségi tényező) számszerű meghatározása [forrás: Infratec]

A fűtési költségek számszerű meghatározása

Már nem nagy lépés a hőveszteségi tényezőtől a fűtési költségek számításáig eljutni. A hőveszteségi tényező alapján ugyanis meghatározható, mennyi energia szükséges az épület fűtésére (adott klimatikai viszonyok között, a megkívánt belső hőmérséklet és a szellőztetési szokások figyelembevétele mellett). Ha a különböző fűtési technológiák és fűtésanyagok energiaarányos költségei ismeretesek, „egyszerű” szorzással meghatározható a fűtési költségek várható éves összege.

 

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

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.