Villanyszerelők lapja 2008.10. Épületenergetikai felmérések termográfiai eszközökkel I.
Eric Rahne, okl. villamosmérnök, 3-as szintű akkreditált termográfiai szakértő (PIM Kft.)
Az épületek energetikailag egyik legfontosabb eleme a külső „burkolatuk” – a falak, a nyílászárók és a tető. Lényeges, hogy ezek az elemek minél jobb hőszigetelő képességgel (minél kisebb hővezető-képességgel és minél kisebb hősugárzási képességgel) rendelkezzenek. A hőhidakat viszonylag egyszerű felismerni: ott, ahol egy kültéri felvételen a legmagasabb hőmérséklet tapasztalható, a legtöbb esetben hőhíd (vagy repedés) található. Beltéri felvételeken a leghidegebb helyek utalnak többnyire hőhidakra. Ugyanígy megállapítható, hogy melyik épületelem bír jobb vagy rosszabb hőszigetelési tulajdonságokkal. Vizsgálható még a fugák és csatlakozások kivitele, az épületelemek által okozott szerkezeti hőhidak, valamint az épületgépészeti vagy villamos szerelésből származó „sérülések“ a külső falakban.
A termográfiai mérések alapfeltételei
Alapfeltétel minden méréshez, hogy a beltéri és kültéri hőmérséklet különbsége legalább 15 K legyen, ne legyen esőtől nedves a fal, ne fújjon a szél és a mérés napsütés-mentes napszakban történjen. A termográfiai (hőkamerás) hőmérséklet-érzékelés mérési pontossága viszont ezen túl elsősorban a mért felület sugárzás-kibocsájtási (emissziós) képességétől függ. Minél kisebb egy test emissziós képessége, annál fontosabb a korrekciós számítás, mely alapja e tényezőn túl csak a reflektáló hőmérséklet (környezeti hőmérséklet) és (hősugárzás szempontjából átlátszó testek esetén) a háttér hőmérsékletének pontos ismerete mellett számítható ki. Az anyagok emissziós tényezője maga az anyagtól, a felület érdességétől, a hullámhossztól és a látószögtől függ.
Az említett összefüggésből következik, hogy egyes esetekben semmiképp nem mérhető a tárgy hőmérséklete:
- tükröződő felületek esetén – pl. polírozott felületek, oxidáció-mentes fémfelületek,
- infrasugárzás szempontjából átlátszó anyagok esetén – pl. egyes kristályos anyagok, különböző gázok.
Hasonló ténnyel állunk szemben, amikor üvegfelületeket kellene bevizsgálnunk: jellegzetes, hogy az üveg a 3,5 um-nél rövidebb hullámhosszú sugárzást átengedi (így a napsugárzásban lévő fényt és rövidhullámú hősugárzást is), de a 3,5 um-nél hosszabb hullámú sugárzást (pl. az alacsonyabb hőmérsékletű testek hősugárzását) nem. A hosszúhullámú tartományban (hosszúhullámú atmoszférikus ablak: 8 … 14 um) tehát az üveg nem rendelkezik transzmissziós (átengedő) képességgel, ennek ellenére mégis csak csupán 60%-os emissziós tényezővel bír – a tükröződő képessége miatt. Sőt, mint „polírozott” felület, tovább nő a tükröződés mértéke, ha nem derékszögből történik a felvétel készítése. Természetesen az üvegen lévő szennyeződés (por) kis mértékben növeli az emissziós képességet, de ez egy bizonytalan és gyakorlatilag elhanyagolható tényező.
Összefoglalva tehát, a hosszúhullámú hőkamerák (ilyenek a jelenleg döntő többségben forgalmazott úgynevezett valósidejű mátrixos – bolométeres – érzékelővel rendelkező hőkamerák, amelyek a legelterjedtebbek az épületek termográfiai felmérésénél) tükörként érzékelik az üveget, ezért az üvegfelületek hőmérsékletének mérése ilyen eszközökkel nem oldható meg. (Megjegyzés: A rövidhullámú kamerákkal pedig – kiegészítő szűrőtől függően – vagy átlátunk az üvegen vagy az üveg felületi hőmérsékletét mérjük, amennyiben 100°C–nál magasabb hőmérsékletekről van szó. Nagyon magas hőmérsékletek esetén igen speciális szűrővel, hosszúhullámú hőkamerákkal is van lehetőség az üvegfelület hőmérsékletének mérésére, de ezt nagyon ritkán szokás alkalmazni.)
A termográfiai vizsgálat során egyébként felfedezhető még a nedvesség által okozott párolgási hőelvonás miatt fellépő hőmérsékletcsökkenés is. Ez természetesen különösen jó termikus felbontású hőkamerát feltételez. Ezzel a módszerrel megtalálhatók például a tetőbekötések, eresz- vagy szennyvízvezetékek tömítetlensége miatt bekövetkező beázások, illetve a földből feláramló vagy beszivárgó nedvesség, valamint az építési anyagokban összegyűlt – páralecsapodásból eredő – nedvesség.
Kiértékelhető hőkép-minőség
Az épület-termográfiai felvételeknek bizonyos mérési feltételeknek és hőkamera-minőségi paramétereknek eleget kell tenniük ahhoz, hogy a mérési eredményeket ki lehessen értékelni. Nagyon gyakran (az említett audit-jegyzőkönyvben is) a hőkép hőmérséklet-felbontásával, geometriai felbontásával és képpont-felbontásával gond van. (Megjegyzés: ennek oka többnyire a nem megfelelő – túl alacsony teljesítményű – hőkamerák kiválasztása, valamint a kivitelező hiányos szakmai képzettsége.)
Hőmérséklet-felbontás
Különösen akkor, amikor a mérendő tartomány a szobahőmérséklet és méréstartomány alsó határa közé esik, a hőmérsékletfelbontás határozza meg döntően a képminőséget. A “NETD” (noise equivalent temperature difference) a hőkamera saját zajának effektív értékét képviseli, kifejezve az ugyanilyen villamos jelnagyságot eredményező tárgyi hőmérséklet-különbségben (rendszerint 30°C–nál mérve). (Más szóval: A “NETD” az a tárgyi hőmérsékletváltozás értéke, mely a hőkamera saját zajának megfelelő villamos jelváltozást eredményez a hőkamerában.) Ez az érték a tárgy hőmérsékletének csökkentése esetén nagyon megnő, különösen a rövidhullámú készülékek esetén.
Mivel épület-termográfiai mérések esetén 0,5 °C–nál kisebb hőkülönbségeket kell tudnunk a hőképen felismerni és ehhez szükséges „zajszint” kisebb kell legyen ennek felénél, vagyis 0,25 °C–nál, illetve pontosabban +/-0,12 °C–nél. Mivel a hőkamera-gyártók a fent említett NETD-értéket 30 °C–nál definiálják és ez az érték csökkenő hőmérséklet mellett erősen romlik, az épület-termográfiai mérések esetén tipikus kültéri hőmérsékletek (-15°C … +5 °C) miatt legalább +/-0,08 °C NETD-értékű (vagy más szóval: termikus felbontással rendelkező) hőkamerát kell választani. Ennél gyengébb minőségű kőkamerákkal a fent említett épület-hibajelenségek nem ismerhetők fel!
Geometriai felbontás
A hőmérsékleti felbontáson túl a geometriai felbontás is jelentősen befolyásolja az elérhető képminőségét illetve a kép hőmérséklet-adatainak valódiságát. Az ezt befolyásoló IFOV paraméter (legkisebb elemi látószög, tipikusan mrad-ban megadva) azt a látószöget adja meg, mely egy egyedülálló érzékelővel (képponttal) került leképezésre. A részletek jó reprodukálása érdekében fontos, hogy ez az érték minél kisebb legyen. Például 1,5 mrad IFOV azt jelzi, hogy minden egyes pixelhez rendelt egyedi mérési pont (kivetített mérőfolt) 1m-es távolságon 1,5 mm átmérővel rendelkezik.
Mivel az így meghatározott „kivetített” képpont helyzetét a mérendő tárgyon nem ismerjük és maga az érzékelő-mátrix is (gyártástechnológiailag szükséges) hézagokkal rendelkezik, a fenti képpontméret 3-mal szorzandó a legkisebb mérhető tárgy méretének meghatározása céljából. Ha ezt nem tartjuk be, akkor a mérőfolt nemcsak a tárgy felületének, hanem hátterének a sugárzását is tartalmazhatja. Mivel a mérőfolton belül átlagolás történik, a háttér hőmérsékletének hatására a mérési eredmény akár alacsonyabb, akár magasabb lehet a tárgy valódi hőmérsékleténél. Minél nagyobb a tárgy és a háttér hőmérsékletének különbsége, annál nagyobb lesz a mérés hibája is!
Természetesen a fenti szabály nemcsak kis tárgyak (például vékony vezetékek, izzószálak stb.) esetén érvényesül, hanem nagy tárgyak (például nagy keresztmetszetű kábelek, nyílászárók stb.) mérésekor is. Nyilván más dimenziókról van szó: kis tárgyak esetén mm-nagyságrendű mérőfelületekről van szó, melyek az alkalmazott hőkamera és optika geometriai felbontóképessége alapján legfeljebb több tíz cm-es távolságokból mérhetők; nagy tárgyak esetén cm-méretű mérőfelületek több m-es (akár 10 m-es) távolságból történő érzékeléséről van szó. Minden esetben a szabály betartását lehetővé tévő eszköz alkalmazása szükséges!
Konkrét példa:
Ha szeretnénk mérni egy tízemeletes panelházat, akkor az épült felső emeleteinek méréséhez (kb. 30 méter magasságban) jó 60-70 m távolságból kell dolgoznunk a kép minél kisebb geometriai deformációja (a perspektívikus hatás elkerülése) érdekében. Pythagoras szerint a hőkamera és a tárgy közötti távolság ilyenkor 67 – 76 m, tehát 1,3 – 1,4 mrad felbontású hőkamerával (ez a legtöbb professzionális kamerák standardlencsével elérhető geometriai felbontása) az elemi mérőpont 87 – 106 mm átmérőjű, a legkisebb mérhető tárgynak tehát 261 ill. 318 mm-nél nagyobbnak kell lennie! (Emlékeztetőül: egy ablakkeret ritkán szélesebb 70 mm-nél). Szükséges tehát egy teleobjektív alkalmazása, amellyel (kameratípustól függően) 0,2 – 0,5 mrad geometriai felbontás áll rendelkezésünkre.
Képpontok száma
A geometriai felbontáson túl a hőkamerával elérhető képminőséget – illetve pontosabban a mérés részletességét – a hőkamera képpontjainak száma határozza meg. Ennek oka, hogy a grafikai felismerhetőség érdekében egy bizonyos minimális képpontszámnak kell a mérendő tárgy egyes részeire esnie – ugyanúgy, ahogyan ezt a digitális fényképezés esetén megszoktuk. Könnyen érthető, hogy több képpont esetén a tárgyfelületet nagyobb részletességgel, illetve nagyobb tárgyfelületet ugyanolyan részletességgel jeleníthetünk meg egyetlenegy hőképen. Ha kevés a képpontok száma, sok felvételt kell készíteni és összefüggő tárgyak kiértékeléséhez illetve beszámolók készítéséhez gyakran szükségessé válik a képek montírozása (ami egy igen időigényes munka).
Hőkamerák esetén ez a kérdés nem is jelentéktelen. Míg a digitális fényképezőgépeknél 5, 6, 7 vagy akár több mint 10 Mpixeles (10 millió képpontos) felbontásról beszélünk, mátrixos hőkamerák esetén a képpontok száma tipikusan 320×240 (tehát 76.800) képpont. Vannak kisebb képességű kamerák is (gyakori típus 160×120, tehát csupán 19.200 képponttal), melyek ennél fogva csak kisebb felületek elfogadható részletességű megjelenítésére képesek, ami a felhasználási területüket természetesen erősen korlátozza (cserében nagyon kedvező az áruk). A hőkamerák érzékelői fejlődésének köszönhetően egyre több képpontú hőkamerák készülnek. Elfogadható áron kaphatók 384×288 elemi érzékelőt tartalmazó érzékelő mátrixszal rendelkező hőkamerák, sőt akár 640×480 képpontos érzékelő mátrixos készülékek is (méghozzá 50 ill. 60 Hz-es képfrissítéssel).
Épület-termográfia esetén elfogadható képminőséget (pontosabban: részletességet) érünk el, ha egy 320×240 képpontos hőkamerával legfeljebb 2 emeletnyi falrészletekről készítsünk „áttekintő” hőképeket, ugyanis ilyenkor 25 milliméterenként készül egy-egy képpont (ne felejtsük el: átlagolással !). Ez a kamera lencséjétől függően – normál objektív esetén – tipikusan 15 m mérési távolságot jelent (1,5 mrad geometriai felbontás mellett a képpont-méret ilyenkor 22,5 mm, tehát a legkisebb – pontosan mérhető – tárgyak mérete 67,5 mm!). A részletek rögzítéséhez pedig közelebbről vagy teleobjektívvel kell további felvételeket készítenünk.
Az épület-termográfia különlegességei
Az épület-termográfia elsődleges célja az épületek hőszigetelésének objektív és teljes körű állapotfelmérése. De soha ne felejtsük el, hogy a termográfiai mérés a felületek hőmérsékletének pillanatfelvételét szolgálja, amelyet a legkülönbözőbb mérési körülmények befolyásolnak.
Épületekkel kapcsolatosan alapvetően 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 (például hőveszteség vagy fűtési energia-szükséglet számításakor). Mivel az együttható csak igen korrekt (abszolút pontosságú) hőmérsékletadatok alapján számítható ki, a hő-kamerával végzett adatgyűjtéssel kapcsolatosan nagyon szigorú feltételeket kell teljesíteni.
Az eljárásra jellemző
- a 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 (kora 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 “hibáinak” (minőségi eltérések) keresése és dokumentálása. A legtöbb probléma kellően nagy hőmérséklet-felbontó képességű hőkamerával megjeleníthető hőkülönbségek alapján felderíthető, az abszolút (számszerűen egzakt) 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 (kora 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. Táblázatunk áttekintést nyújt a bel- és kültéri mérések során figyelembe veendő mérési feltételekről, valamint a mérések kivitelezése közötti különbségekről (nehézségekről).
Különbségek a bel- és kültéri termográfiai vizsgálatok között
| Kültéri termográfia | Beltéri termográfia |
| + Általában a teljes falfelület jól belátható (jó áttekinthetőség). | – Gyakran csak a falak egyes részei mérhetők, akár lényeges felületek is elérhetetlenek. |
| + Változtathatók felvételi pozíciók. | – A rálátás gyakran a meglévő bútorzat vagy az épületgépészeti elemek miatt igen korlátozott. |
| + Kis időigény, nem zavarja az épület használóját. | – Nagy előkészítési időigény, zavarja az épület használóját. |
| – Erősen időjárásfüggő csak napsütésmentes napszakban végezhető el. | + Az időjárásnak nincs közvetlen hatása(erősen gyengített hatás azért van). Bizonyos feltételek mellett nappal is elvégezhető. |
| – Problémás tetőtéri és szellőztetett épületburkolatok esetén. | + Tetőtéri és szellőztetett épületburkolatok esetén jobban értékelhető. |
| – Gondot okoz a külső felületek lefedése fákkal, erkélyekkel, épületdíszekkel. | + Légszigetelés hiányosságai (huzat) szélben jobban érzékelhetők. |
1. táblázat: Különbségek a bel- és kültéri termográfiai vizsgálatok között
Általánosan javasolt mérési körülmények és feltételek
Ahhoz, hogy a hőkamerával ne csak szép színes képeket készítsünk a bevizsgálandó épületről, hanem építész, energetikus, statikus és üzemeltető által kiértékelhető – helyes következtetéseket megengedő – hőképek készüljenek, a következőkben felsorolt minimumfeltételeknek kell teljesülniük:
- A külső felvételek a kora reggeli vagy késő esti órákban (napsütéstől mentes napszakban) készüljenek, száraz időjárásban, szélcsendben (legfeljebb gyenge szél, <2 m/s szélerősség).
- A kül- és beltéri hőmérséklet közötti különbség legalább 15-20 K legyen.
- A beltér egyenletesen legyen felfűtve (belső ajtók nyitva), szigorúan zárt külső nyílászárók mellett.
- A fűtés automatikus éjjeli üzemmódja (ha van) ki legyen kapcsolva (tehát a teljes fűtés üzemeljen).
A fentiekből következik, hogy az épület-termográfia csak a fűtési szezonban, megfelelően hideg (5°C alatti) időjárás esetén kivitelezhető.
A hőkamera-rendszerrel szemben támasztott követelmények összefoglalása
A megfelelő minőségű, kiértékelhető hőképek készítésekor magával a hőkamerával szemben is igen komoly elvárások vannak, amelyek betartása nélkül csak felismerhetetlen, hibahelyeket kimutatni nem képes hőképeket kapunk. A hőkamerának minimálisan teljesítenie kell következő felsorolás első hat pontját:
- nagy termikus felbontás (–0,08 K vagy jobb),
- minél több képpont (minimum 320×240 pixel),
- alacsony zajszint, jó jel-zaj viszony (a –40 °C-tól kalibrált kamerák teljesítik ezt),
- hőmérséklet-tartomány –20 °C-tól +100 °C-ig (jobb, ha –40 °C-tól),
- üzemi hőmérséklet tartománya –10 °C-tól (jobb, ha –20 °C-tól),
- nagy geometriai felbontás (1,5 mrad vagy jobb),
- bizonyos mérésekhez teleobjektív
- könnyű kezelhetőség (például automatikus fókusz),
- nagy tárolási képesség (lehetőleg minimum 200 hőkép),
- sokoldalú kiértékelő és dokumentáló PC-szoftver
Következzenek a fenti szabályok betartásának fontosságát bemutatandó hőkép-példák:
– a nap hősugárzása visszaverődik az épület falain
– a falak melegnek tűnnek, holott nincs is fűtés !!!
– a nappali napsütés felmelegítő hatása már csak alig vehető észre, most tehát mérhetünk
erős szélben elvégzett termográfiai felmérés
– a szél elviszi a hőt a jobboldali falról, így az hűvösebb
– úgy tűnik, mintha jobb lenne a hőszigetelése a jobboldali falfelületnél
mérés szélcsendben elvégezve:
– látszik, hogy a jobboldali fal hőszigetelése ugyanolyan gyenge mint a hőkép közepén látható falfelületé (és ugyanolyan erős hőhidakkal rendelkezik)
Megjegyzés mindkét hőképhez: az épület baloldali része nincs fűtve (lépcsőház)
Bal oldali ábra: külső fal ideális hőgradiense (stacionáris állapot) Jobb oldali ábra: erős nappali felmelegedés utáni éjjeli állapot
– beltéri (mérhető) falhőmérséklet: 21°C – beltéri (mérhető) falhőmérséklet: 21°C
– kültéri (mérhető) falhőmérséklet: 3°C – kültéri (mérhető) falhőmérséklet: 8°C
Megjegyzés: a jobboldali ábrán látható vízszintes szakasz a nappali (ideiglenes) felmelegedés hatásának eredménye. Az ábra az esti (külső hőmérséklet visszahűlése után kialakult) hőgradienst mutatja be. A külső falfelület megemelkedett hőmérséklete ahhoz a téves következtetéshez vezet, hogy rossza a hőszigetelés vagy hőhíd van jelen, holott ugyanolyan falszerkezetet feltételeztünk, mint a bal oldali ábra esetén.
A baloldali ablak a mérés előtt még “bukóra” volt kinyitva, látszik a kiáramló meleg levegő hatása az ablakkereten és a fölötte levő falon. Az ablak állapotáról ill. az áthidaló hőszigetelési tulajdonságáról így nincs mód korrekt értékelésre.
A képen látható ház egyik szobája vagy lakása (baloldalt fent) nincs fűtve. Hőszigetelési és egyéb építészeti hibákat ilyenkor (erről a szóbáról ill. lakásról) természetesen nem lehetséges kimutatni.
Mivel az emissziós tényező sajnos függ a látószögtől is, figyelembe kell vennünk, hogy minél jobban eltér a látószög a derékszögtől, annál inkább növekvő reflexió figyelhető meg. Leginkább ívelt felületű tárgyak mérése esetén figyelhetjük meg ennek hatását, de pl. magas házak felső emeleteinek mérésekor is szembe állunk eme problémával: látszólag a felső emeletek egyre hűvösebbek (pedig a valóságban inkább egyre melegebbek). A magyarázata az, hogy az égbolt (felhők nélkül -273°C) egyre erősebben tükröződik a ház külső felületén, hiába körülbelül 95%-os a szilikátalapú építőanyagokból álló falfelületek emissziós tényezője.
A geometriai felbontáson túl a hőkamerával elérhető képminőséget – ill. pontosabban a mérés részletességét – a hőkamera képpontjainak száma határozza meg. Míg a digitális fényképezőgépeknél 5, 6, 7 vagy akár több mint 10 Mpixeles (10 millió képpontos) felbontásról beszélünk, mátrixos hőkamerák esetén a képpontok száma tipikusan 320×240 (tehát 76.800 képpont). Vannak kisebb képességű kamerák is – gyakori a 160×120 felbontású típus (csupán 19.200 képponttal)-, melyek ennél fogva csak kisebb felületek elfogadható részletességű megjelenítésére képesek. A következő hőképek látványosan mutatják a képpontok számának hatását a hőkép részletességére.
(Folytatása következik)
Rahne Eric
okl. villamosmérnök (BME)
rezgésdiagnosztikai szakértő
termográfiai szakértő
(Thermograph Level3)
pim-kft.hu
termokamera.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.
