Badania szczelności budynków z wykorzystaniem kamery termowizyjnej

Osiągnięcie wysokiej szczelności obudowy budynku jest istotnym warunkiem jego energochłonności.

Poprawne rozwiązanie detali konstrukcyjnych na etapie projektowania i prawidłowe ich wykonanie podczas wznoszenia budynku jest warunkiem niezbędnym do osiągnięcia wysokiej szczelności i niskiego współczynnika n₅₀.

Współczynnik ten określa ilość wymian powietrza na godzinę, która podczas wymuszenia różnicy ciśnień o wartości 50 Pa zachodzi w budynku, przez jego nieszczelności.

Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki [1] określa zalecaną ilość wymian powietrza nie większą niż n₅₀ < 3,0 1/h dla budynków z wentylacją grawitacyjną i hybrydową oraz n₅₀ < 1,5 1/h dla obiektów klimatyzowanych lub z wentylacją mechaniczną.

Dla budynków w standardach niskoenergetycznych NF40 lub NF15 wymagania te są jeszcze ostrzejsze i wynoszą odpowiednio n₅₀ < 1,0 1/h i n₅₀ < 0,6 1/h [2].

Specyfika badania szczelności budynków

Badania szczelności przegród otaczających przestrzeń ogrzewaną budynku najlepiej wykonać jeszcze we wstępnej fazie jego wznoszenia.

Warunkiem prawidłowego przeprowadzenia testu szczelności, zgodnie z metodą B zawartą w normie PN-EN 13829 [3], jest zamknięcie na czas badania wszystkich otworów nastawnych i zaślepienie celowo wykonanych, np. przewodów wodno-kanalizacyjnych.

Takie postępowanie spowodowane jest tym, że całe wnętrze budynku lub jego zamknięta część muszą reagować na zmianę ciśnienia jak jedna strefa.

Wymuszenia zmiany ciśnienia realizowane są przez wentylator, który w zależności od kierunku ustawienia, powoduje powstanie pod- lub nadciśnienia w odniesieniu do środowiska zewnętrznego.

Zestaw do badania szczelności (FOT. 1) składa się z aluminiowej ramy montowanej w otwór drzwiowy lub okienny oraz ze szczelnej plandeki, w której wykonany jest otwór na wentylator. Ilość wtłaczanego lub usuwanego powietrza zależna jest od obrotów skalibrowanego wentylatora, którym steruje kontroler.

Operator lub podłączony do kontrolera komputer, regulując obrotami wentylatora i jednocześnie obserwując odczyty ciśnienia, może określić ilość powietrza przenikającą przez nieszczelności obudowy budynku przy założonej różnicy ciśnień. Zmierzona ilość przepływającego powietrza w odniesieniu do kubatury wentylowanej daje wskaźnik n₅₀.

Aby wskazać miejsca przecieku powietrza w budynku, można posłużyć się podczas badania szczelności wytwornicą dymu (FOT. 2) lub kamerą termowizyjną. Niewątpliwą zaletą kamery jest szybkość pomiarów i objęcie obserwacją dużej powierzchni przegrody.

Jednak, na skutek pewnych ograniczeń dotyczących warunków wykonywania pomiarów termowizyjnych [4], do wykrywania nieszczelności posługiwano się najczęściej wytwornicami dymu lub tzw. „smoke pen”. Podczas testu szczelności struga dymu wytwarzana przez te urządzenia kierowana jest w miejsca, w których mogą powstawać nieszczelności (FOT. 2).

Przykładem takich miejsc są połączenia przegród wewnętrznych i zewnętrznych, osadzenia stolarki, przejścia przewodów instalacji wewnętrznych (elektrycznych, wodno-kanalizacyjnych, wentylacyjnych) [5, 6].

Kamera termowizyjna może wskazać podczas testu szczelności miejsca występowania anomalii temperatury spowodowane napływającym do wnętrza budynku zimniejszym lub cieplejszym powietrzem. Im wyższa różnica temperatur pomiędzy wnętrzem a środowiskiem zewnętrznym, tym na termogramie miejsca te są bardziej widoczne, dlatego też najczęściej badania termowizyjne przeprowadzano w okresie zimowym.

Ponadto operator kamery podczas interpretacji termogramu powinien mieć na uwadze także inne czynniki. Do czynników występujących podczas pomiarów można zaliczyć: oddziaływania klimatyczne, wpływ otoczenia, emisyjne własności badanych powierzchni, możliwości techniczne kamery i stosowanego oprogramowania. Metoda detekcji wad cieplnych jest szczegółowo opisana w normie PN-EN 13187 [4].

Stosowane obecnie, nie tylko w badaniach naukowych, wysokiej klasy kamery termowizyjne dysponują czułością termiczną <30 mK (NETD). Przy takiej czułości nie jest wymagana duża różnica temperatur podczas badania. Wystarczy nawet 2–3ºC i odpowiednie oprogramowanie, aby uchwycić miejsce przecieku w okresie lata.

Zamieszczone w dalszej części artykułu termogramy wykonano w sierpniu i we wrześniu br., gdy różnice temperatury powietrza pomiędzy zewnętrzem i wnętrzem budynku wynosiły 2-5ºC.

Opis użytego sprzętu i badanych budynków

Do przeprowadzenia testu szczelności użyto zestawu tzw. szczelnych drzwi (Blower door) o wydajności 10 364 m3/h przy różnicy ciśnień 50 Pa. Wentylator sterowany był automatycznie przez kontroler podłączony do komputera (FOT. 1).

Kamera termowizyjna użyta podczas badań miała następujące parametry:

• zakres podczerwieni: 7,5-13 μm,
• czułość termiczna lepsza niż 30 mK przy 30ºC (NETD),
• rozdzielczość przestrzenna: 1,3 mrad (obiektyw 45º),
• rozdzielczość detektora: 640×480 pikseli.

Podczas rejestracji termogramów w czasie testu szczelności użyto zapisu w postaci sekwencji termowizyjnych z zadanym krokiem czasowym.Badania szczelności przeprowadzono w dwóch budynkach.

Pierwszy z nich (FOT. 3) jest budynkiem murowanym z bloczka gazobetonowego ocieplonego styropianem. Budynek ma piwnicę nieogrzewaną i poddasze użytkowe. Powierzchnia budynku wynosi 81,3 m². Stolarka okienna w budynku jest stara, natomiast okno połaciowe i drzwi zewnętrzne nowe.

Budynek jest ogrzewany kominkiem z wkładem i rozprowadzeniem ciepłego powietrza do pomieszczeń. Drugi z budynków (FOT. 4) jest drewniany, wykonany z bala z szalówką od strony zewnętrznej. Budynek jest niepodpiwniczony z poddaszem nieużytkowym.

Powierzchnia budynku wynosi 67 m². Stolarka okienna w budynku jest wymieniona na nową, natomiast drzwi wejściowe są stare i nie maja uszczelek. Źródłem ciepła w budynku są piece kaflowe usytuowane w każdym z pomieszczeń.

Wyniki badań

Badania szczelności wykonano zgodnie z metodą B opisaną w normie [3], uszczelniając wszystkie otwory wentylacyjne. Ponadto zamknięto dopływ powietrza zewnętrznego do kominka (budynek I) oraz zaklejono taśmą przestrzenie w drzwiczkach pieców kaflowych doprowadzających powietrze do paleniska (budynek II).

Testy szczelności obydwu budynków wykonano przy podciśnieniu wytwarzanym przez wentylator o wartości od 25 do 70 Pa z krokiem co 5 Pa.

Na poniższych wykresach (RYS. 1-2) zamieszczono wyniki badań szczelności. Wskaźniki n50 świadczące o szczelności budynków wyniosły odpowiednio: n50=15,7 1/h (budynek I) i n50=9,32 1/h (budynek II).

Badania termowizyjne okien, wykonywane podczas testu szczelności w budynku I, potwierdziły bardzo zły stan stolarki. Na termogramach uwidoczniły się nieszczelności skrzydeł na całym ich obwodzie, a nawet szczeliny pomiędzy szybami. Zmiany te są widoczne jako świecące obwódki obydwu skrzydeł okna (FOT. 5-6).

Na przetworzonym termogramie okna widoczne są również przedmuchy powietrza pomiędzy szybami w zestawie ("płomienie"). Przetworzenia dokonano przez porównanie termogramu referencyjnego badanej powierzchni, wykonanego przed testem szczelności i sekwencji termogramów zapisanych podczas testu.

Inspekcji termowizyjnej dokonano również na poddaszu budynku I. Poddano analizie uszczelnienie nowego okna dachowego, które w przypadku nieprawidłowego wykonania może stanowić duży problem podczas użytkowania budynku – przecieki, kondensacja pary wodnej w okresie zimowym.

Na przetworzonym termogramie (FOT. 7-8) widoczne są liczne nieszczelności występujące na połączeniu ramy okna z więźbą dachu („święcące” miejsca w lewym narożniku ramy okiennej).

Na wykresie (RYS. 3) przedstawione zostały rozkłady temperatur w pięciu wytypowanych miejscach. Punkty Sp1 (fiolet), Sp3 (zielony) i Sp4 (żółty) zlokalizowane są w miejscach przedmuchów powietrza, a punkty Sp2 (czerwony) oraz Sp5 (niebieski) rozlokowane są na powierzchni bez nieszczelności i służą do porównań.

Na wykresie przebiegu temperatury w punktach Sp1, Sp3 i Sp4 widoczne są skoki, gdy w teście szczelności wytwarzane jest podciśnienie. Temperatury pozostałych dwóch punktów (odniesienia) leżących poza obszarem nieszczelności pozostają bez zmian. Widoczne na termogramach miejsca przecieku powietrza nie muszą odpowiadać miejscom jego napływu od strony zewnętrznej.

Zobrazowanej na FOT. 7-8 sytuacji można uniknąć, prawidłowo wykonując uszczelnienie połączenia okna z więźbą dachu (FOT. 9).Następny termogram (FOT. 10-11) przedstawia przykład nieciągłości izolacji paroszczelnej w budynku II. Izolacja ta wykonana od strony wewnętrznej pod płytami g-k powinna jednocześnie spełniać rolę uszczelnienia na przenikanie powietrza do wnętrza budynku.

Przedmuch powietrza, tak jak na wcześniejszych termogramach, jest widoczny jako jaśniejsza obwódka („krzyż maltański”) wokół gniazdka elektrycznego położonego obok prawej dolnej krawędzi okna. Interpretacja pojedynczego termogramu nie daje pewności, czy mamy do czynienia z nieszczelnością, czy może nieciągłością izolacji cieplnej przegrody tzw. mostkiem cieplnym.

Anomalie rozkładu temperatury na powierzchni wewnętrznej ściany widoczne na termogramie, spowodowane są zarówno przez liniowe mostki termiczne, w tym mostki geometryczne (połączenie dwóch ścian zewnętrznych w narożniku), jak i przez nieszczelności przegrody. Interpretację ułatwia wykonany wcześniej termogram referencyjny.

Na RYS. 4 widoczne są spadki temperatury wokół gniazdka elektrycznego (wykres fioletowy), na połączeniu okno–płyta g-k (wykres zielony) oraz w górnym narożniku okna (wykres pomarańczowy). Świadczą one o występujących w tych miejscach nieszczelnościach. Czerwoną łamaną oznaczono praktycznie niezmienną temperaturę ściany (odniesienia) poza obszarami nieszczelności.

Nieszczelności powstałe w miejscu przejścia przewodów instalacji elektrycznej można zlikwidować, stosując uszczelnienia pokazane na FOT. 12.

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że kamerę termowizyjną można z powodzeniem wykorzystać podczas testu szczelności budynku do lokalizacji przecieków powietrza przez jego obudowę.

Lokalizacja nieszczelności może być wykonana nie tylko w okresie zimowym, ale także w sezonie budowlanym, jeżeli dysponujemy odpowiednio czułą kamerą termowizyjną. Wykrycie nieszczelności na etapie wykończania budynku znacznie obniża koszty jego uszczelnienia w porównaniu do budynku już użytkowanego.

W niektórych przypadkach odróżnienie anomalii termicznych spowodowanych mostkami cieplnymi od nieszczelności powietrznej wymaga wiedzy i dużego doświadczenia operatora kamery termowizyjnej oraz zastosowania termogramów referencyjnych i zapisu sekwencji termograficznych.

Oprócz odpowiedniego sprzętu i znajomości badanych przegród niezbędne w przeprowadzaniu badań oraz interpretacji uzyskanych termogramów jest uwzględnienie czynników zewnętrznych, które wpływają na pomiar termowizyjny.

Badania opisane w artykule przeprowadzono w ramach realizacji pracy statutowej S/WBiIS/2/13 na Politechnice Białostockiej

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm., w tym z dn. 5 lipca 2013 DzU nr 0 poz. 926).
2. Domy energooszczędne. Podręcznik dobrych praktyk, Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2012.
3. PN-EN 13829:2002, „Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora”.
4. PN-EN 13187:2001, „Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni”.
5. Air Sealing - a guide for contractors to share with homeowners. Building America Best Practices Series, volume 10. Pacific Northwest National Laboratory & Oak Ridge National Laboratory. April 12, 2010.
6. J. Jokisalo, J. Kurnitski, M. Korpi, T. Kalamees, J. Vinha, Building leakage, infiltration, and energy performance analyses for Finnish detached houses, Building and Environment, 44/2009, pp. 377-387.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!