JAKOŚCIOWA ANALIZA TERMOGRAMÓW W DIAGNOSTYCE IZOLACYJNOŚCI TERMICZNEJ PRZEGRÓD ZEWNĘTRZNYCH W BUDYNKACH MIESZKALNYCH *

Transkrypt

1 JAKOŚCIOWA ANALIZA TERMOGRAMÓW W DIAGNOSTYCE IZOLACYJNOŚCI TERMICZNEJ PRZEGRÓD ZEWNĘTRZNYCH W BUDYNKACH MIESZKALNYCH * Dr inż. Paweł Krause, Dr inż. Tomasz Steil, Dr inż. Artur Nowoświat WPROWADZENIE Obliczenia współczynnika przenikania ciepła na postawie normy PN-EN ISO 6496 nie uwzglęniają wpływu zróżnicowanych czynników zaburzających przepływ ciepła przez przegroy zewnętrzne. Przyjmowane są założenia upraszczające, które mogą powoować występowanie różnicy w stosunku o rzeczywistej izolacyjności termicznej. Jeną z meto pozwalających na prowazenie iagnostyki cieplnej przegró zewnętrznych są baania termowizyjne. Baania te wykorzystywane są przee wszystkim o jakościowej oceny stanu ochrony cieplnej przegró zewnętrznych w buynkach. Celem baań jest przestawienie jakościowej analizy obrazów cieplnych (termogramów) oraz wykorzystanie pomiarów termowizyjnych w oszacowaniu izolacyjności cieplnej przegroy. JAKOŚCIOWA ANALIZA BADAŃ TERMOWIZYJNYCH Zastosowanie termografii o jakościowej oceny izolacyjności termicznej przegró buowlanych jest typowym przykłaem praktycznego wrożenia metoy baawczej. Wykorzystanie tej metoy w oniesieniu o buynków istniejących pozwala wykryć typowe nieprawiłowości w zakresie izolacyjności cieplnej przegró zewnętrznych. Baania można wykonywać zarówno o strony zewnętrznej jak i o wewnątrz buynków. Zgonie z PN-EN 387 prze wykonaniem pomiarów termowizyjnych należy wykonać analizę okumentacji projektowej (jeśli takowa jest ostępna). Następnym krokiem jest określenie emisyjności materiałów powierzchniowych, zapis temperatury powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, zachmurzenia, opaów i wilgotności powietrza oraz ocena oziaływania wiatru, a także określenie usytuowania buynku wzglęem stron świata. Norma zaleca także określenie ewentualnego wpływu różnicy ciśnień (jeśli jest istotne la pomiarów. Istotną kwestią jest oatkowo określenie wpływu efektów wytwarzanych przez wentylowane warstwy powietrza (np. ściana wentylowana) a także analiza oziaływania lokalnych źróeł ciepła. Czasami istotne jest wyłączenie lokalnych źróeł ciepła prze baaniami, wcześniejsze usunięcie poza obszar baań np. mebli, obrazów (na tyle wcześniej by uniknąć efektów przejściowych). Temperatura powietrza wewnętrznego i zewnętrznego powinna być określona z okłanością ± o C. Minimalna wykrywalna różnica temperatury la powierzchni przy temperaturze 20 o C wynosi 0,3K i jest wystarczająca o interpretowania termogramów. Minimalna różnica temperatury powietrza po obu stronach przegroy powinna wynosić 0 K [3]. Schemat postępowania przy wykonywaniu baań zasaniczych określony w powyższej normie powinien uwzglęniać następujące czynności: wykonanie za pomocą kamery termowizyjnej przegląu całego obiektu (zgonie z zaleceniami należy wykonać przeglą o strony zewnętrznej i wewnętrznej), zarejestrowanie obrazów termograficznych wybranych części baanych przegró o strony zewnętrznej, fragmentu przegroy wolnego o efektów (miejsc o najmniejszym zróżnicowaniu pól temperatur), fragmentów przegró w których występują way (zmniejszenie grubości lub brak materiału termoizolacyjnego, infiltracja lub eksfiltracja powietrza itp.) w miejscach, gzie zróżnicowanie pól temperatur jest największe, pomiar oległości o baanej powierzchni wykonuje się la każego obrazu termograficznego,

2 określenie różnic mięzy temperaturą powierzchni przegroy w miejscu pozbawionym efektów, a temperaturą gzie efekty te występują, przy czym każy termogram musi jenoznacznie umiejscawiać miejsce jego wykonywania na zjęciu lub rysunku. Pomiary o strony wewnętrznej są okłaniejsze z uwagi na barziej stabilne warunki otoczenia wewnątrz buynku []. Stabilność warunków cieplnych wewnątrz buynków zależy w użej mierze o sposobu ogrzewania. Tylko na termogramach wykonanych o wewnętrznej strony przegró zewnętrznych wioczne są mostki cieplne, związane z elementami konstrukcyjnymi (wieńce, słupki, gzymsy). Termogramy wykonane o strony wewnętrznej, w stabilnych warunkach pomiarowych mogą posłużyć o określenia izolacyjności cieplnej przegroy zewnętrznej. Poczas wykonywania termogramów o strony wewnętrznej zaleca się przestrzegania następującej proceury pomiaru: pomiar temperatury i wilgotności powietrza (w każym baanym pomieszczeniu), unikanie wykonywania termogramów w pobliżu urzązeń grzewczych (kaloryfery, piecyki elektryczne itp.) unikanie wykonywania pomiaru w pobliżu wcześniej zientyfikowanych mostków cieplnych, ściana powinna być osłonięta (firany, zasłony), unikanie użej ilości osób w małym pomieszczeniu, wykonanie pomiaru oległości ustawienia kamery o przegroy, zaleca się aby termogram obejmował pole min. 0,6,0 m 2 Oczytywanie zjęć to proces rozpoznania przestawionych obiektów na postawie cech bezpośrenich, związanych z anym obiektem. Interpretacja obrazów jest pojęciem szerszym w stosunku o oczytywania; wykorzystuje się tu zarówno cechy bezpośrenie jak i oznaki pośrenie związane z anym obiektem. Interpretacja to proces wnioskowania eukcyjnego, w którym na postawie cech bezpośrenich wiocznych na zobrazowaniu termalnym, informacji z innych zgromazonych źróeł oraz wiezy interpretatora ochozi o zauważenia cech pośrenich obiektu (niewiocznych bezpośrenio na obrazie) i wyjaśnienia cech obiektu oraz związków mięzy obiektami a także zachozących zjawisk. W procesie interpretacji wykorzystuje się bezpośrenie cechy rozpoznawcze obiektów takie jak: kształt, wielkość, struktura oraz tekstura; oraz cechy pośrenie: cień, lokalizacja obiektu, związki z otoczeniem, prawa fizyczne, wieza interpretatora. Właściwa interpretacja, przeprowazona z wykorzystaniem wszelkich informacji o obiekcie i wiezy interpretatora powinna wyjaśnić określony problem. Ogólne postępowanie la interpretacji obrazów cieplnych wg normy, przestawiono na rysunku. Wykonując termogramy buynków o zewnętrznej strony, spoziewamy się, że zróżnicowanie izolacyjności zewnętrznych przegró buowlanych uwioczni się w postaci nierównomiernej temperatury na powierzchni przegroy. Tymczasem zróżnicowanie temperatury zewnętrznej powierzchni ścian buynków może być wynikiem zarówno niejenoronej izolacyjności, jak też niejenoronego otoczenia. Ściany osłonowe charakteryzują się użą pojemnością cieplną (bezwłanością) i nie są poatne na zmiany temperatury otaczającego je powietrza. Przy baaniach późnonocnych, kilka gozin po zachozie słońca, elementy powierzchni o mniejszej bezwłaności cieplnej naążając za temperaturą powietrza, mogą mieć niską temperaturę powierzchni, bliską temperaturze otoczenia, natomiast mur posiaa w tym czasie temperaturę około śreniej obowej jest cieplejszy. W interpretacji trzeba więc uwzglęnić obowe wahnięcia temperatury, porę baania, konstrukcję naproży itp. Myślenie schematyczne może np. oprowazić o wniosku: Współczynnik U la naproży jest lepszy niż la muru. Co nie musi być i zwykle nie jest prawą.

3 Rys. Postępowanie ogólne przy interpretacji termogramów [2]. Ściany warstwowe (mała bezwłaność cieplna warstwy elewacyjnej, np. wielka płyta) charakteryzują się naążaniem zmian temperatury powierzchni za otoczeniem, z 2 gozinnym opóźnieniem. Na ich tle przy baaniach nocnych źle wypaają murowane filarki mięzyokienne, płyty balkonowe, ściany przyziemi i inne elementy o użej bezwłaności cieplnej, la których proces akumulacji, ale i oawania ciepła trwa łużej. Wieczorem, nawet kilka gozin po zachozie słońca, elementy o użej bezwłaności cieplnej są ciągle cieplejsze, a w gozinach rannych, gy temperatura po rannym minimum rośnie, różnice zacierają się, a nawet zmieniają znak. Balkony. Na ogół są mostkami cieplnymi, gyż zakotwiczone są w murach osłonowych, związane z płytami stropowymi itp. Ze wzglęu na swoje położenie wystawiona jest na ziałanie konwekcji i wiatru silniejsze niż ściana, co powouje szybsze oprowazanie ciepła o otoczenia. Wszystkie te elementy powoują, że iagnoza termograficzna musi opierać się o: znajomość konstrukcji, a także porównanie z innymi balkonami na tej samej ścianie. Uwaga na otwarte okna lub złą jakość okien po balkonem, zwłaszcza przy baaniach w czasie słabego wiatru. Stosowane obecnie okłaanie płyt balkonowych styropianem z góry i z ołu oraz na czole płyty jest na ogół wystarczającym sposobem na uniknięcie problemów związanych z mostkami termicznymi tworzonymi przez płyty balkonowe.

4 Loggie. Obserwacja termograficzna ścian loggii prowazona o owolnej porze wykazuje, że mają one temperaturę wyższą niż sąsieni fragment ściany elewacyjnej. Spowoowane to jest co najmniej woma czynnikami: zmniejszoną konwekcją i możliwością oawania ciepła, loggia jest wnęką o większym współczynniku emisyjności. Postawą iagnozy i kwalifikowania ścian loggii jest porównanie z innymi i znajomość konstrukcji ściany i temperatury w mieszkaniu za ścianą. Przyziemia. Przyziemia buynków w baaniach termograficznych, jako mające użą bezwłaność cieplną i poatne na nasłonecznienie (zwłaszcza w baaniach wiosennych) oraz nieposiaające izolacji termicznej, wykazują zwykle wysoką temperaturę. Niestety w Polsce norma nie nakłaała obowiązku izolowania ścian piwnicznych, w związku z czym obraz termiczny w starszych buynkach bęzie zawsze świaczył o użym przewonictwie cieplnym, mimo że zwykle temperatura po rugiej stronie tych przegró jest niższa niż w mieszkaniach. Wyższą temperaturę spotykamy jeynie np. w pomieszczeniach węzłów ciepłowniczych, pralniach, hyroforniach itp.). Ze wzglęu na barzo użą bezwłaność cieplną baania powinny być prowazone w stabilnej temperaturze powietrza, a strona nasłoneczniona po 6 8 gozinach o zacienienia. Strychy, stropoachy, achy. Ściany strychów i stropoachów wentylowanych buowane są zwykle jako mające obniżoną izolacyjność cieplną. Powyższona temperatura ścian strychów wioczna na termogramach może być jenak skutkiem wa wykonawczych izolacji kłazionej na stropach mieszkań (stropoachy wentylowane buowane są jako nieprzechonie i jako takie są niemożliwe o sprawzenia). Stropoachy niewentylowane poatne na zawilgocenia powinny być sprawzane termograficznie z góry (z wysokich o-mów, z helikoptera) przy obraniu takich warunków pogoowych, aby kontrast termiczny był największy. Naroża zewnętrzne. Naroża zewnętrzne buynku powinny być zimniejsze o sąsienich fragmentów ścian z powou różnicy powierzchni napływu i opływu ciepła (wnęka i róg) oraz z powou różnicy współczynników konwekcyjnego przejmowania ciepła α (wnętrze - zewnętrze). Analogicznie wnęki powinny być zawsze cieplejsze o sąsienich fragmentów ściany. Każe ostępstwo o tych reguł powinno być sprawzone. Zawilgocenia murów. Zawilgocenie murów i osłon zewnętrznych obok klasycznych meto wykrywania, wymagających jenak ostępu bezpośreniego, mogą być wykrywane termograficznie w sprzyjających warunkach (wiatr, małe graienty temperatury w funkcji czasu), jenak uzyskane wyniki wymagają weryfikacji. Okna. Okna są poawane baaniom termograficznym o zewnątrz po kątem poszukiwania ich termoizolacyjności i szczelności. Jako elementy o małej bezwłaności cieplnej (szyby, ramy) mogą być baane nawet poczas zmian temperatury powietrza. Przy baaniach szczelności o zewnątrz konieczne jest spełnienie warunku wypływu ogrzanego wewnętrznego powietrza przez szczeliny w oknach ściany zawietrznej, bąź naturalnego wypływu na wyższych piętrach (przy braku wiatru). Ten sposób wymaga aparatury termowizyjnej wyposażonej w teleobiektyw ze wzglęu na małe rozmiary kątowe ślaów cieplnych szczelin. Unikać należy wykonywania termogramów powierzchni szklanych nawet w czasie zachmurzonego nieba.

5 SP04 SP02 SP03 0,5 C 0 AR0-5 AR02-0 SP0-5 -7,0 C Rys. 2,3. Przykła baań termowizyjnych w analizie jakościowej ziagnozowanie liniowych i punktowych mostków termicznych [2]. Przykłaowe termogramy z baań jakościowych przestawiono na rys. 2,3. Przemiotowy buynek wykonano w technologii traycyjnej. Ściany zewnętrzne z cegły silikatowej z termoizolacją w postaci polistyrenu ekspanowanego EPS gr. 20 cm. Na postawie przeprowazonych pomiarów można ziagnozować występowanie następujących anomalii termicznych w przemiotowym buynku: - mostki termiczne liniowe połączenia ściana(y) zewnętrzna/strop mięzykonygnacyjny (3D) połączenia ściana zewnętrzna/strop na piwnicą (3D) połączenia ściana(y) zewnętrzna/stropoach (3D) połączenia ścian zewnętrznych (2D) połączenia ściana(y) zewnętrzna/ściana przyziemia połączenia balkon wspornikowy/ściana(y)zewnętrzna połączenia ściana zewnętrzna/ścianka loggi połączenia ściana zewnętrzna/ścianka loggi/płyta balkonowa (loggi) połączenia ściana zewnętrzna/stolarka okienna połączenia ściana zewnętrzna/stolarka rzwiowa połączenia ściana zewnętrzna/ściana oporowa ylatacja mięzysegmentowa lokalne nieszczelności mięzy płytami termoizolacji - mostki termiczne punktowe kotwy systemu ETICS mocowanie balustray w ścianach zewnętrznych - niekontrolowana infiltracja powietrza (nieszczelności stolarki) Przy opowieniej wiezy i oświaczeniu obok oceny stanu ochrony cieplnej przegroy (lokalizacja mostków termicznych) termografia pozwala wnioskować także w zakresie jej szczelności na infiltrację powietrza. Obrazy termowizyjne można analizować po kątem wstępnej oceny w zakresie lokalnych zawilgoceń przegró. Baania wykonane łącznie z baaniami uzupełniającymi (oatkowe niezależne urzązenia o pomiaru temperatur na powierzchni przegró, powietrza wewnętrznego i zewnętrznego oraz ciśnienia i wilgotności) można wykorzystać o ilościowej oceny cech izolacyjnych przegró.

6 ILOŚCIOWA ANALIZA BADAŃ TERMOWIZYJNYCH Celem ilościowej analizy baań termowizyjnych było opracowanie szacunkowej metoy wyznaczania współczynnika przenikania ciepła la przegroy jenoronej na postawie pomiarów temperatur. Analiza ilościowa la przegroy niejenoronej, np. występującej w obrębie mostków termicznych może być wykonywana wraz ze wspomaganiem w postaci obliczeń np. MES. Baania eksperymentalne la wybranych przegró wykonano przy użyciu bezstykowych pomiarów temperatury. Doatkowo wykonano pomiary temperatury powietrza (wewnętrznego i zewnętrznego) za pomocą sony OT 00. Przemiotem baań jest fragment warstwowej ściany zewnętrznej jenorozinnego buynku mieszkalnego zlokalizowanego w woj. śląskim. Ściana jest wykonana z cegły ceramicznej pełnej gr. 38 cm ocieplona w systemie ETICS z izolacją termiczną w postaci styropianu EPS 038 gr. 6 cm (rys ). Rozpatruje się fragment ściany pełnej o wymiarach 80 cm x 80 cm bez liniowych mostków cieplnych, usytuowany w oległości >,0m o sąsiaujących przegró (ścian i stropów). Rys. 4. Przykłaowa ściana zewnętrzna. [2]. Obliczenie oporu cieplnego przegroy pełnej R = R si + ΣR + R se () R = = = ,025 0,23 0,05 0,82 0,38 0,77 0,05 0,82 0,6 0,038 4,79 m 2 K/W (2) Opory przejmowania ciepła wg PN-EN ISO 6946 wynoszą: R si = 0,3 m 2 K/W R se = 0,04 m 2 K/W R T = 0,3 + 4,79 + 0,04 = 4,96 m 2 K/W (3) Ze wzglęu na zastosowanie systemowych łączników mechanicznych oraz styropianu frezowanego nie uwzglęnia się w obliczeniach oatków ze wzglęu na nieszczelności i łączniki mechaniczne. Wobec powyższego współczynnik przenikania ciepła U oblicza się ze wzoru: W U= = = 0,202 (4) 2 R T 4, 96 m K Rozwiązując równanie Fouriera postaci T q = (5) x Otrzymujemy rozwiązanie postaci: q = ( θ θ 2 ) (6) gzie:

7 q gęstość strumienia cieplnego współczynnik przewozenia ciepła θ, θ 2 temperatury powietrza opowinio wewnętrznego i zewnętrznego Zależność Newtona la strumienia cieplnego o strony napływu ciepła opisuje równanie: q = ( θi θ ) (7) αi Oraz o strony opływu ciepła q = ( θ2 θe ) (8) αe gzie α i współczynnik przejmowania ciepła po stronie napływu ciepła α e współczynnik przejmowania ciepła po stronie opływu ciepła = Rsi - opór przejmowania ciepła po stronie napływu ciepła α i = Rse - opór przejmowania ciepła po stronie opływu ciepła α e Ponato wiemy, że współczynnik przenikania ciepła przegroy efiniuje się jako iloraz gęstości strumienia cieplnego o różnicy temperatur po obu stronach przegroy, co możemy zapisać równaniem U q = (9) θ θ i e Wstawiając równanie (7) o efinicji (9), otrzymujemy αi ( θi θ) θi θe θ U θe = = θi θe Rsi θi θe θi θe co ostatecznie aje θ θ U e = (0) R si θi θe Równanie (6) jest równaniem szacunkowym opisującym współczynnik przenikania ciepła w funkcji temperatury przy znanym oporze przejmowania ciepła o strony napływu ciepła R si. Jeną z meto uzyskania oporu R si jest zastosowanie równan kryterialnych. Kryterialne równanie wymiany ciepła w obszarze burzliwym la powierzchni pionowych przyjmuje w przypaku konwekcji swobonej postać: N u ( ) 3 = 0,35 G P () r r gzie: N u liczba poobieństwa Nusellt a G r P r iloczyn liczb Grasshoff a i Pranl a określający intensywność wymiany ciepła przez konekcję swoboną Dla powierzchni zewnętrznych współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję można obliczyć ze wzoru: 0,656,9θ 7,34 3, 78 e W αe = θe + e 2 m K (2) Dla powyżsego otrzymano uzyskano wyniki zawarte w Tab.. Zauważmy, że uzyskany z obliczeń (norma PN EN-ISO 6946) oraz zmierzony współczynnik przenikania ciepła jest

8 taki sam. W związku z powyższym powtórzono baania przy innych temperaturach zewnętrznych i uzyskano wyniki zawarte w Tab. 2. Tab. Wyniki pomiarów i przekształceń I. Tab. 2 Wyniki pomiarów i przekształceń II. Błą bezwzglęny pomiaru wynosi: 0,28 0,202 U = 00% = 7,9%. (3) 0,202 W związku z tymi woma pomiarami powstaje proceura pomiarowa, która określa zarówno warunki pomiaru jak i wybór pól temperatury z których statystyczne uśrenienie z poziomem istotności 0,05 pozwoli uzyskać wyniki w granicach błęu 5%. PODSUMOWANIE Przeprowazone baania termowizyjne w zakresie termografii jakościowej umożliwiły opracowanie katalogu wzorcowych termogramów la buynków wykonanych w różnych technologiach (o technologii traycyjnej o uprzemysłowionej). Katalog zawiera m.in. przykłay mostków termicznych typu liniowego i punktowego la zróżnicowanych buynków. W zakresie analizy ilościowej baań termowizyjnych przestawiona próba oszacowania pomiarowego współczynnika przenikania ciepła, la przykłaowej przegroy buowlanej ała zbieżne wyniki z obliczeniami prowazonymi jak la warunków stacjonarnych. LITERATURA Foua N.A., T. Richter. Leitfaen Thermographie im Bauwesen. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart Krause P., Steil T., Nowoświat A. Diagnostyka termowizyjna z urzązeniami oatkowymi. Katalog termogramów wzorcowych. Sprawozanie Etap I Diagnostyka in situ izolacyjności cieplnej. Gliwice 20. PN-EN 387 Właściwości cieplne buynków. Jakościowa etekcja wa cieplnych w obuowie buynku metoa poczerwieni. * Opracowano na postawie artykułu Jakościowa analiza obrazu cieplnego w iagnostyce izolacyjności termicznej zewnętrznej przegroy buowlanej. Kompleksowa iagnostyka cieplna in situ buynków. Konferencja naukowa, Gliwice, 6 listopaa 202 r. Materiały konferencyjne.