Produktionstrend 2011/05, Technische Diagnoseabteilung

"Ein universelles Messverfahren"

Das Hauptziel der Gebäudethermografie ist die objektive und umfassende Zustandsbewertung der Wärmedämmung von Gebäuden. Im Zusammenhang mit Gebäuden unterscheiden wir grundsätzlich zwischen quantitativen und qualitativen thermografischen Verfahren. Es ist wichtig zu wissen, dass die thermografische Messung die Momentaufnahme der Oberflächentemperaturen dient, die von den unterschiedlichsten Messbedingungen beeinflusst werden.

Wenn wir überlegen, was in den früheren Ausgaben unserer Zeitschrift in der theoretischen Einführung besprochen wurde, wird klar, dass aufgrund der niedrigen zu messenden Temperaturen für die Gebäudethermografie Langwellen-Wärmebildkameras ausgewählt werden müssen. Mit Mittelwellen-Wärmebildkameras können kalte Objekte nicht gemessen werden, da ihre mittelwellige Strahlung minimal oder überhaupt nicht vorhanden ist. Der Langwellenbereich ist für uns auch deshalb vorteilhaft, weil wir durch die günstigen Übertragungseigenschaften dieses atmosphärischen Fensters die Wärmestrahlung fast verlustfrei aus bis zu hundert Metern Entfernung erfassen können.

Der Einfluss des Wellenlängenbereichs von Wärmebildkameras. Links ein Wärmebild mit Langwellenkamera: sehr gute Temperaturauflösung, wenig Rauschen, wärmster Punkt ist die obere Kante des Fensterrahmens (13,56 °C, da die Messung nicht durch das Glas hindurchsieht). Rechts ein Wärmebild mit Mittelwellenkamera: schlechtere Temperaturauflösung, rauschigeres Bild, wärmster Punkt ist die brennende Lampe im Raum (57,06 °C, da die Kamera die Lampe hinter dem Glas sieht)

Ein weiterer positiver Aspekt der Messungen ist, dass die allgemein verwendeten Baumaterialien (außer Fensterglas und glänzende oder polierte Oberflächen) relativ hohe Emissionsfaktoren haben und da die Temperaturen der zu messenden Objekte typischerweise nur geringfügig von der Umgebungstemperatur abweichen, müssen wir nur in geringem Maße den Reflexionseffekt berücksichtigen. Ganz anders ist die Situation beispielsweise bei Glasflächen oder brandneuen Aluminiumverkleidungen für Wärmedämmungen, diese sind leider im Normalfall nicht messbar.

Der Reflexionseffekt. Links ein Wärmebild von Schienen: die polierte Oberfläche der Schienen hat einen sehr niedrigen Emissionsfaktor, die tatsächliche Temperatur der Schienen ist nur an den bemalten Stellen (Phasenmarkierungen) erkennbar, der Rest spiegelt die Umgebungstemperatur wider. Rechts ein Wärmebild eines Heißluftventilators: die polierte Aluminiumverkleidung der Wärmedämmung hat einen sehr niedrigen Emissionswert, die tatsächliche Temperatur des Heißluftventilators ist an der rostigen Abdeckung sichtbar (>160 °C), der Rest spiegelt die Umgebungstemperatur wider, die Temperatur der wärmeisolierten Oberflächen kann anhand der oberen (verschmutzten) Bereiche abgeschätzt werden (ca. 90 °C), da dort der Emissionsfaktor aufgrund der Verschmutzung höher ist.

Die Besonderheiten der Gebäudethermografie

Das Hauptziel der Gebäudethermografie ist die objektive und umfassende Zustandsbewertung der Wärmedämmung von Gebäuden. Vergessen wir jedoch nie, dass die thermografische Messung die Momentaufnahme der Oberflächentemperaturen dient, die von den unterschiedlichsten Messbedingungen beeinflusst werden. Im Zusammenhang mit Gebäuden unterscheiden wir grundsätzlich zwischen zwei Arten von thermografischen Verfahren. Quantitative thermografische Untersuchungen Das Ziel der quantitativen Gebäudethermografie ist die Bewertung der gesamten Oberflächenwärmeverteilung des Gebäudes und die Bestimmung des Wärmeleitkoeffizienten (z. B. bei der Berechnung des Wärmeverlusts oder des Heizenergiebedarfs). Da der Koeffizient nur anhand sehr genauer (absolut genauer) Temperaturdaten berechnet werden kann, müssen bei der Datenerfassung mit der Wärmebildkamera sehr strenge Bedingungen erfüllt werden. Die Verfahren sind gekennzeichnet durch

• hohe Auswertungsanforderungen
• starke Einschränkungen hinsichtlich Jahreszeit, Tageszeit und Wetter
• kann nur nach mehreren regenfreien Tagen und nur bei Windstille durchgeführt werden
• kann nur unter stationären Wärmeübertragungsbedingungen angewendet werden (früher Morgen oder späten Abend)
• zusätzliche Innenraummessungen sind erforderlich, um Referenzwerte festzulegen

Qualitative thermografische Untersuchungen Das Ziel der qualitativen Wärmebilduntersuchung von Gebäuden ist die Suche und Dokumentation von Wärmebrücken und "Fehlern" in der Wärmedämmung (qualitative Unterschiede). Die meisten Probleme können anhand von Wärmeunterschieden, die mit einer Wärmebildkamera mit ausreichend hoher Temperaturauflösung sichtbar sind, aufgedeckt werden, wobei die absoluten (numerisch exakten) Temperaturdaten hierbei nur eine untergeordnete Rolle spielen.

Die Merkmale des Verfahrens

• weniger Einschränkungen in Bezug auf Messbedingungen
• mildere 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 Gebäudethermografie-Untersuchungen sollten sowohl Innen- als auch Außenmessungen durchgeführt werden. Tatsächlich sind bei quantitativen Untersuchungen Innenmessungen praktisch obligatorisch, da nur so die Wärmeübertragungseigenschaften der einzelnen Oberflächen berechnet werden können. Unsere Tabelle bietet einen Überblick über die bei Innen- und Außenmessungen zu berücksichtigenden Messbedingungen sowie die Unterschiede (Schwierigkeiten) bei der Durchführung der Messungen.

Unterschiede zwischen Innen- und Außen-Gebäudethermografie-Untersuchungen

Outdoor-Thermografie

Indoor-Thermografie

normalerweise gute Übersicht über die gesamte Wandfläche (gute Übersichtlichkeit) variierbare Aufnahmepositionen geringer Zeitaufwand, beeinträchtigt nicht den Gebäudenutzer stark wetterabhängig, nur bei sonnigem Wetter ohne Sonneneinstrahlung durchführbar problematisch bei Dachböden und belüfteten Gebäudeverkleidungen Probleme bei der Abdeckung der Außenflächen durch Bäume, Balkone, Gebäudeschmuck

oftmals können nur bestimmte Teile der Wände gemessen werden, wichtige Oberflächen können unzugänglich sein die Sicht ist oft aufgrund vorhandener Möbel oder gebäudetechnischer Elemente stark eingeschränkt hoher Vorbereitungsaufwand, beeinträchtigt den Gebäudenutzer das Wetter hat keinen direkten Einfluss (es gibt jedoch eine stark reduzierte Wirkung), unter bestimmten Bedingungen auch tagsüber durchführbar besser bewertbar bei Dachböden und belüfteten Gebäudeverkleidungen Isolationsmängel (Zugluft) sind bei Wind besser spürbar

Allgemeine Messbedingungen und Anforderungen

Um mit der Wärmebildkamera nicht nur "schöne bunte" Bilder des zu untersuchenden Gebäudes zu erstellen, sondern Wärmebilder zu erzeugen, die von Architekten, Energieexperten, Statikern und Betreibern ausgewertet werden können - die richtige Schlussfolgerungen zulassen - müssen die folgenden Mindestanforderungen erfüllt sein:

• die Außenaufnahmen sollten in den frühen Morgen- oder späten Abendstunden (bei sonnenfreiem Wetter) bei trockenem Wetter und Windstille (maximal schwacher Wind) erfolgen
• die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenbereich sollte mindestens 15-20 K betragen
• der Innenbereich sollte gleichmäßig beheizt sein (innere Türen offen), bei streng geschlossenen äußeren Öffnungen
• der automatische Nachtbetrieb der Heizung (falls vorhanden) sollte ausgeschaltet sein (d. h. die volle Heizung sollte funktionieren).

Daraus ergibt sich, dass die Gebäudethermografie nur in der Heizsaison bei angemessen kaltem (unter 5 °C) Wetter durchgeführt werden kann.

Anforderungen an das Wärmebildkamerasystem

Bei der Erstellung hochwertiger, auswertbarer Wärmebilder mit der Wärmebildkamera werden auch an die Kamera selbst erhebliche Anforderungen gestellt, deren Einhaltung erforderlich ist, um nur erkennbare, fehlerhafte Stellen aufzeigende Wärmebilder zu erhalten. Die Kamera muss mindestens die ersten sechs Punkte der folgenden Liste erfüllen:

• hohe thermische Auflösung (0,08 K oder besser)
• so viele Bildpunkte wie möglich (mindestens 320×240 Pixel)
• geringes Rauschen, gutes Signal-Rausch-Verhältnis (von -40 °C kalibrierte Kameras erfüllen 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)
• einfache Handhabung (z. B. automatischer Fokus)
• große Speicherkapazität (vorzugsweise mindestens 200 Wärmebilder)
• vielseitige PC-Software zur Auswertung und Dokumentation

Die Auswirkungen von Sonnenschein

Links: Gebäudeaufnahme während des Tages (unfertiger Bau): - die Sonnenstrahlung reflektiert an den Gebäudewänden, die Wände erscheinen warm, obwohl sie nicht beheizt sind. Rechts: Gebäudeaufnahme drei Stunden nach Sonnenuntergang: - die aufheizende Wirkung der Tageslichtsonne ist kaum noch zu erkennen, daher können wir jetzt messen.

In unserer Serie werden wir weitere Beispiele für Wärmebilder vorstellen, um die Bedeutung der Einhaltung der genannten Regeln zu veranschaulichen.

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

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