Eric Rahne, Dipl.-Ing. Elektrotechnik, akkreditierter Thermografie-Experte der Stufe 3 (PIM Kft.)
Die Thermografie ist in fast allen Branchen zu finden. Wir erleben derzeit eine rasante Verbreitung dieses berührungslosen Verfahrens zur Temperaturmessung, aber gleichzeitig auch eine grobe fachliche Abwertung. Einige Hersteller und Händler von Wärmebildkameras sind auf ein Niveau gesunken, auf dem sie 80x60 Pixel Smartphones ohne radiometrische Fähigkeiten (und ähnliche Produkte) als professionelle Wärmebildkameras bezeichnen (als würde man eine VGA-Webcam als professionelle Videokamera bezeichnen). Darüber hinaus ist es traurig zu sehen, dass jeder, der sich solch ein billiges Gerät kauft, sich ohne jegliche fachliche Schulung als Thermograf bezeichnet. Oftmals sogar ohne Kenntnisse (und Berücksichtigung) der physikalischen und messtechnischen Grundlagen! Mit der nun beginnenden Artikelserie möchten wir einen Einblick in die erstaunliche Vielseitigkeit der Thermografie und ihre theoretischen sowie praktischen Grenzen geben, basierend auf Rahne Erics Fachbuch "Thermografie - Theorie und praktische Messtechnik" mit 650 Seiten.
Die Aufnahme von Wärmebildern, also die Thermografie, ist ein äußerst vielseitiges Messverfahren, während die benutzerfreundliche Bedienung moderner Wärmebildkameras mit den weit verbreiteten digitalen Videokameras vergleichbar ist. Diese Einfachheit sollte jedoch niemanden täuschen: Für die korrekte Aufnahme von Wärmebildern aus messtechnischer Sicht sind angemessenes theoretisches und fachliches Wissen, Erfahrung und eine gründliche Messvorbereitung erforderlich. Im Folgenden werden die wichtigsten messtechnischen Anforderungen und praktischen Kenntnisse für die Untersuchung von Gebäudestrukturen und gebäudetechnischen Anlagen in der Thermografie detailliert beschrieben. Zur Sensibilisierung zeigen wir auch die Auswirkungen einiger häufiger Bedienfehler von Wärmebildkameras auf die Genauigkeit und Glaubwürdigkeit von Messungen auf. Die Gebäudethermografie ist vielleicht eine der weit verbreitetsten und bekanntesten Anwendungen der Thermografie. Gleichzeitig ist es jedoch auch ein Untersuchungsbereich, der aufgrund häufig ungenauer Messungen oder sogar vollständiger Inkompetenz zu unbrauchbaren Ergebnissen führen kann. Aus theoretischen Überlegungen wissen wir, dass für die Messung niedriger Temperaturen eine Langwellen-Wärmebildkamera gewählt werden muss. Dies kommt uns entgegen, da wir aufgrund der günstigen Übertragungseigenschaften des langwelligen atmosphärischen Fensters die Wärmestrahlung fast "verlustfrei" aus Hunderten von Metern Entfernung erfassen können. Darüber hinaus können wir uns freuen, dass wir für unsere Messungen eine (Mikro-)Bolometer-Wärmebildkamera wählen können (kein teures Gerät mit Fotondetektor erforderlich), da Gebäude sich nicht wirklich bewegen.
Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass typische Baumaterialien (mit Ausnahme von Fensterglas und glänzenden Metallverkleidungen) über einen relativ hohen Emissionsgrad verfügen. Da die Temperaturen der zu messenden Objekte typischerweise nur geringfügig von der Umgebungstemperatur abweichen, müssen wir uns auch nur geringfügig um den Reflexionseffekt kümmern. Dies erleichtert uns erheblich die Angabe des Emissionsgrads und der Umgebungstemperatur sowie ermöglicht von vornherein hochpräzise Messungen. (Die Situation ist ganz anders z. B. bei Glasoberflächen oder Aluminiumverkleidungen von Wärmedämmungen. Diese sind nur schwer oder - im neuen/polieren Zustand des Aluminiums - überhaupt nicht messbar.)
Das primäre Ziel der Gebäudethermografie ist die objektive und umfassende Bewertung des Zustands von Gebäuden, z. B. der Wärmedämmung. Vergessen wir jedoch niemals, dass die thermografische Messung eine Momentaufnahme der Oberflächentemperaturen darstellt, die jedoch von den unterschiedlichsten Messbedingungen beeinflusst wird. Daher müssen wir mit Mess- und/oder Auswertungsbeschränkungen rechnen, auf die wir später ausführlich eingehen werden. Auf theoretischer Ebene unterscheiden wir zwischen quantitativen (mengenmäßigen, numerischen) und qualitativen (vergleichenden, allgemeinen) thermografischen Untersuchungen.
Das Ziel der quantitativen Untersuchung ist die Bewertung der gesamten Oberflächenwärmeverteilung des Gebäudes und die Bestimmung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten (z. B. Berechnung des Wärmeverlusts oder des Heizenergiebedarfs). Dies kann nur anhand sehr genauer (absolut genauer) - im stationären thermischen Zustand festgelegter - Temperaturdaten berechnet werden, daher müssen sehr strenge Bedingungen im Zusammenhang mit den Messungen erfüllt werden. Da jedoch bei freistehenden Gebäuden (allein schon aufgrund der Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht) nie ein stationärer Zustand herrscht, kann dieses Messverfahren höchstens unter Laborbedingungen durchgeführt werden. Das Ziel der qualitativen Wärmebilduntersuchung von Gebäuden ist die verborgene Struktur der Wärmebrücken und Wärmedämmfehler (Qualitätsabweichungen) aufzudecken sowie nach Heizungsanomalien im Gebäude zu suchen und diese zu dokumentieren. Die meisten Probleme können anhand von Wärmeunterschieden, die mit einer ausreichend hohen Temperaturauflösungswärmebildkamera sichtbar sind, aufgedeckt werden. Auch hier sind geeignete Messbedingungen erforderlich, aber die absoluten (numerisch exakten) Temperaturdaten und stationären Zustände spielen dabei nur eine untergeordnete Rolle.
Um mit der Wärmebildkamera nicht nur schöne bunte Bilder des zu untersuchenden Gebäudes zu erstellen, sondern auch Wärmebilder zu erzeugen, die von Architekten, Energieexperten und dem Betreiber ausgewertet werden können - und richtige Schlussfolgerungen zulassen - müssen die folgenden Mindestanforderungen unbedingt erfüllt sein: Aufnahmezeitpunkt im Freien (Tageszeit) Die Außenaufnahmen sollten vorzugsweise am späten Abend und am frühen Morgen (in sonnenfreien Stunden) gemacht werden. Die Art der Messung bestimmt, ob die "Nachwirkungen" der Tageslichtexposition für uns wünschenswert sind (weil sie den gewünschten physikalischen Zustand gerade herbeiführen) oder eher vermieden werden sollten (weil sie die Messung durch Änderung der Temperatur des zu messenden Objekts unmöglich machen).
Wetterbedingungen für Außenaufnahmen Trockenes Wetter und vorzugsweise Windstille (maximal schwacher Wind <2 m/s) sind erforderlich, damit die klimatischen Bedingungen den Zustand des zu untersuchenden Gebäudes nicht beeinflussen. Eine Ausnahme bildet die Untersuchung von Luftdichtheitsmängeln, bei der (wenn wir kein BlowerDoor-Gerät haben) ein starker Wind zu besseren Ergebnissen führt (obwohl es in diesem Fall ratsamer ist, Innenaufnahmen zu machen). Jahreszeiten für die Gebäudethermografie Je nach Untersuchungsziel gibt es typischerweise Messaufgaben, die mit der Winter-Heizperiode verbunden sind (zum Beispiel die Überprüfung der Wärmedämmung von Wohngebäuden), aber es gibt auch typische Sommeraufgaben für die Gebäudethermografie (zum Beispiel die Zustandsbewertung von Kühlräumen sowie die Überprüfung von Klimaanlagen und Kühlflächen sowie bestimmte Untersuchungen im Zusammenhang mit struktureller Gebäudenfeuchtigkeit). Innenaufnahmen Für die meisten Untersuchungen sind auch Innenaufnahmen erforderlich, deren Zeitpunkt und Durchführbarkeit in vielen Fällen vom äußeren Wetter abhängen (zum Beispiel um die erforderliche Temperaturdifferenz für die Untersuchung zu gewährleisten). Allerdings wirken sich Tageszeit (Sonnenschein), Wind und Niederschlag nur indirekt auf den Innenbereich aus. Daher sind die zeitlichen Einschränkungen für die Messungen im Vergleich zu den Außenaufnahmen wesentlich lockerer. Es ist häufig erforderlich, dass der Innenbereich während der Messung (und bereits lange davor) möglichst gleichmäßig beheizt wird, neben geschlossenen äußeren Öffnungen. Eine Ausnahme bilden die Rohrleitungs- und Leckageuntersuchungen, bei denen es ratsam ist, die Warmwasserversorgung oder Heizung in einem abgekühlten Gebäude zu starten, um die erforderliche Aufheizzeit zu gewährleisten, um die thermografischen Daten zu sammeln.
Hinweis: Bei einigen Anwendungen der Gebäudethermografie können abweichende Messbedingungen zulässig sein (z. B. Zustandsbewertung der Klimatisierung im Sommer, Suche nach versteckten Strukturen, Rohrleitungen oder Feuchtigkeitsproblemen das ganze Jahr über). In jedem Fall ist es jedoch wichtig, dass eine angemessene Wärmeübertragung oder ein geeigneter Unterschied in der Wärmekapazität in Bezug auf die Eigenschaften des zu untersuchenden Objekts vorliegt. Hierfür können Heizung, Kühlung, Bestrahlung (auch durch die Sonne) oder andere physikalische Prozesse genutzt werden. Es ist jedoch wichtig, sich der „Nebenwirkungen“ der Temperaturänderungsprozesse bewusst zu sein und wie sie sich auf die Messung auswirken. Die Richtigkeit unserer Bewertung kann davon abhängen.
Die oben genannten Einschränkungen sind leider nicht die einzigen Schwierigkeiten. Denn auch das zu messende Objekt kann einige Kopfschmerzen verursachen. Dies betrifft insbesondere die Spiegelungseigenschaften von Fenstern und Glasfronten, Aluminiumverkleidungen, polierten Kunststeinflächen sowie die thermische Unabhängigkeit von hängenden Gebäudeverkleidungen und Sockeln von den Außenwänden sowie deren Wärmedämmung. Aber auch die Verdeckung des Gebäudes (Bäume, Dekorationselemente, Fahrzeuge), die Unachtsamkeit der Bewohner (offene Kippfenster, plötzliche Aufheizung) kann die korrekte Bewertung von Gebäuden erschweren. In den Bildern des Artikels sind einige solcher Fälle zu sehen. Fortsetzung folgt von Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, termokamera.hu
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