Pomiary wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych – termografia w podczerwieni

*****
Artykuł porusza tematykę termografii w kontekście pomiarów wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych. Opisano zasady działania kamer termowizyjnych oraz warunki środowiskowe istotne dla wyniku pomiaru.

Humidity measurements in building diagnostics – infrared thermography

The article discusses the topic of thermography in the context of humidity measurements in the diagnostics of buildings. The principles of operation of thermal imaging cameras and environmental conditions important for the measurement result are described.
*****

Każde ciało wymienia energię z otoczeniem, dlatego można zmierzyć temperaturę jego powierzchni. Wymiana energii z powierzchni elementu do otaczającego powietrza następuje na drodze trzech różnych mechanizmów: przewodzenia, konwekcji (unoszenia) oraz promieniowania [ 5, 6 ]. Ostatni z wymienionych sposobów transportu ciepła, czyli promieniowanie cieplne (termiczne) to przenoszenie energii poprzez emitowanie (w wyniku cieplnego ruchu cząstek) kwantów promieniowania elektromagnetycznego. Każde ciało w temperaturze powyżej zera bezwzględnego (absolutnego), tj. T = 0 K = -273,15°C, emituje promieniowanie elektromagnetyczne o energii zależnej od wartości temperatury i długości fali.

Czytaj też o: Grzybach domowych w zawilgoconych budynkach

Związek między temperaturą a całkowitą energią emitowaną w jednostce czasu przez ciało o danej temperaturze (przez element przekroju o jednostkowym przekroju) opisuje prawo Stefana-Bolzmana, czyli podstawowe prawo fizyczne opisujące zjawisko promieniowania cieplnego, wyrażone wzorem:

gdzie:

E – ilość energii wypromieniowanej z jednostki powierzchni rozważanego ciała o temperaturze T [K],
ε – współczynnik absorbcji lub emisyjności [-],
σ – stała Stefana-Bolzmana, wynosząca 5,67∙10-8 W/(m²∙K⁴),
T – temperatura termodynamiczna bezwzględna [K].

Ilość wyemitowanej energii jest zatem proporcjonalna to czwartej potęgi temperatury bezwzględnej.

Dwuczłonowa nazwa współczynnika absorpcji lub emisyjności ε wynika z prawa Kirchhoffa, które z kolei można przedstawić jako [ 5, 6 ]:

gdzie:

E – natężenie promieniowania (ilość energii wypromieniowanej z jednostki powierzchni) rozważanego ciała, nazywanego „ciałem szarym” [W/m²],
E₀ – natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego [W/m²].

Współczynnik absorpcji lub emisyjności (często określany krótko emisyjnością) to parametr charakteryzujący zdolność danego ciała do emisji promieniowania elektromagnetycznego. Jest on niezwykle istotny przy pomiarach temperatury powierzchni za pomocą pirometrów czy kamer termowizyjnych. Wartość emisyjności może się zawierać w zakresie od 0 do 1, nie jest jednak wielkością stałą – zależy ona przede wszystkim od kąta padania na daną powierzchnię, od długości fal promieniowania, rodzaju materiału stanu powierzchni, a nawet od temperatury [ 2, 5 ].

W przeciwieństwie do klasycznej fotografii, termografia wykorzystuje część promieniowania elektromagnetycznego niewidoczną dla ludzkiego oka, czyli promieniowanie w zakresie
podczerwieni ( IR – od ang. infrared ) widma elektromagnetycznego.

Zakres podczerwieni obejmuje fale elektromagnetyczne w zakresie od 0,7 do 1000 µm. Dla porównania, światło widzialne obejmuje zakres od 0,4 do 0,7 μm ( RYS. 1 ).

Obrazy termowizyjne są widoczne dla ludzkiego oka tylko wtedy, gdy pewna część promieniowania jest emitowana w postaci światła widzialnego – dzieje się tak zwykle w temperaturze powyżej 600°C. Kamera termowizyjna nie reaguje na światło widzialne. Przechwytuje jedynie promieniowanie podczerwone – bądź emitowane przez powierzchnię, bądź też od niej odbite – i generuje obrazy tego promieniowania. Detektor podczerwieni przetwarza energię padających fotonów promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny, którego wartość zależy od temperatury badanego obiektu [ 1, 4, 7, 8 ]:

W termowizji budowlanej stosowano w przeszłości kamery termowizyjne średniofalowe (długość fali od 2 do 5 µm) oraz długofalowe (długość fali od 8 do 12 µm).

Na dobór typu kamery (długości fali) odpowiedniego do danego rodzaju zadania (temperatury powierzchni, będącej przedmiotem pomiarów) pozwala znajomość prawa przesunięć Wiena, zgodnie z którym moc promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez ciało doskonale czarne przyjmuje najwyższą wartość dla długości fali odwrotnie proporcjonalnej do temperatury ciała, zgodnie ze wzorem [ 5 ]:

gdzie:

λ _max – długość fali promieniowania o maksymalnej mocy [m],
b = 2,8978·10^-3 m·K – stała Wiena,
T – temperatura [K].

Współcześnie stosowane kamery obsługują głównie systemy długofalowe, co wynika z technologii chłodzenia kamer (por. TABELA ) [ 8 ].

Nowoczesne kamery termowizyjne składają się z układu optycznego, detektora sterowanego termicznie, wzmacniacza, procesora sygnałowego, portów wejścia/wyjścia, urządzeń do przechowywania danych oraz wyświetlacza ( RYS. 2 ).

Promienie prowadzone są zwykle przez optykę soczewki wykonaną z materiałów przezroczystych dla podczerwieni (german i krzem). Aby powstał obraz, musi ono przejść do detektora poprzez system obracających się pryzmatów i obrotową aperturę.

W stosowanych obecnie kamerach termowizyjnych w roli detektora stosuje się półprzewodniki (materiał, który przewodzi prąd elektryczny w temperaturze pokojowej i izoluje w niższych temperaturach).

Detektor przekształca padające promieniowanie podczerwone na proporcjonalne do jego mocy sygnały elektryczne, które są następnie przesyłane do jednostki analizującej. Wynik pomiaru przekształcany jest w obraz wizualny (obraz cieplny), zwany termogramem. Obraz można oglądać w czasie rzeczywistym (na ekranie kamery) oraz zapisać go w formie pliku (graficznego lub wideo) do dalszych analiz ( FOT. ).

Termogram pokazuje zazwyczaj temperaturę pozorną – może on zostać przekształcony w mapę temperatury badanej powierzchni, o ile znana jest emisyjność i temperatura promieniowania otoczenia. Poszczególne wartości temperatury są wyświetlane na monitorze w różnych kolorach (w starszych urządzeniach stosowano odcienie szarości). Cieplejsze obszary są wyświetlane w kolorze od czerwonego do żółtego i zielonego, a zimniejsze obszary w kolorze niebieskim. Punkty lub obszary o tej samej temperaturze są łączone i przedstawiane jako izotermy. Dzięki temu możliwy jest pomiar temperatury powierzchni poprzez odczytanie wartości ustawionych na urządzeniu i uwzględnienie dodatkowych czynników (emisyjność powierzchni, odległość od obiektu, prędkość wiatru itp.).

Termogramy umożliwiają zmapowanie obszarów o wyższej lub niższej temperaturze powierzchni. Ułatwia to wizualizację mostków termicznych i określenie strat ciepła w konstrukcjach budynków [ 2, 4, 7 ].

Kamery termowizyjne wykorzystywane są w diagnostyce budynków nie tylko do lokalizacji mostków termicznych, ale również do lokalizacji instalacji ogrzewania podłogowego, lokalizacji pęknięć przewodów instalacyjnych, jak również miejsc przenikania wilgoci. Kamera termowizyjna nie jest wprawdzie bezpośrednio wrażliwa na zawartość wody w materiale, a jedynie na promieniowanie cieplne – nie może zatem służyć do bezpośredniego pomiaru wilgotności. Pozwala natomiast wykrywać (w czasie i przestrzeni) związane z zawartością wilgoci różnice temperatury [ 7, 8 ].

W przypadku zawilgoconych przegród budowlanych w obszarach o podwyższonej wilgotności dochodzi do zmiany przewodności cieplnej oraz powstają mostki termiczne. Wykrycie zmian wartości temperatury zachodzących na powierzchni elementu budowlanego pozwala zatem określić zmiany jego zawilgocenia ( FOT. ) [ 4 ].

Lokalne różnice w przewodnictwie cieplnym mogą wpływać i wpływają na temperaturę powierzchni, należy jednak mieć na uwadze, że na ten parametr wpływają również inne procesy fizyczne, a zatem traktowanie najzimniejszych obszarów jako tych o największej wilgotności może okazać się mylące [ 7 ].

Wzrost przewodności cieplnej materiału może zostać „zamaskowany” przez chłodzenie spowodowane parowaniem, a zawilgocony obszar może wydawać się zimniejszy lub cieplejszy, w zależności od temperatury po drugiej stronie tej samej przegrody. Może to prowadzić do mylnych interpretacji [ 7 ].

Podkreślenia wymaga również fakt, że przy użyciu kamer termowizyjnych można uwidocznić rozkład i różnice temperatury na najbliższej powierzchni. Jeśli na przykład ma być wykonana termografia ogrzewania podłogowego, jastrych wraz z pokryciem wierzchnim, które znajdują się powyżej umieszczonych w podkładzie podłogowym wężownic grzejnych, muszą zostać podgrzane, zanim obraz ogrzewania podłogowego będzie mógł być widoczny w kamerze termowizyjnej [ 8 ].

Termografię można stosować w warunkach stacjonarnych (temperatura nie zmienia się w czasie) lub dynamicznych (wzrost lub spadek temperatury). Podejście to może być pasywne (tj. brak celowego ogrzewania) lub aktywne (tj. celowe ogrzewanie obserwowanej powierzchni za pomocą grzejników). W podejściu pasywnym w warunkach stacjonarnych zakłada się, że na powierzchni, na której następuje odparowanie zawartej w niej wilgoci, ciepło utajone odebrane od powierzchni może spowodować jej ochłodzenie. W podejściu pasywnym w warunkach dynamicznych zakłada się natomiast, że w przypadku wyższej zawartości wilgoci materiał wykazuje większą bezwładność cieplną.

Z kolei w podejściu aktywnym w warunkach dynamicznych powierzchnia jest sztucznie podgrzewana lub chłodzona w celu monitorowania różnic temperatury na powierzchni podczas przemieszczania się ciepła przez niejednorodną (na skutek nierównomiernego rozkładu wilgoci, względnie cech strukturalnych) warstwę podpowierzchniową.

Termografia nie pozwala wykonywać pomiarów ilościowych wilgotności materiałów, ale jest ona użytecznym narzędziem do lokalizacji stref o podwyższonej wilgotności.

Wszystkie opisane powyżej podejścia mogą być przydatne np. w celu wykrycia miejsc nieszczelności hydroizolacji lub przecieków wody. Pomiar taki należy jednak traktować wyłącznie jako pomocniczy, a gdy potrzebne jest ilościowe określenie wilgotności, należy kontynuować pomiary, stosując inne metody badania wilgotności [ 10 – 12 ].

Dla wyniku pomiaru istotne są następujące (występujące podczas pomiaru) warunki środowiskowe [ 4 ]:

• temperatura otoczenia,
• różnica wartości temperatury,
• wpływ atmosfery,
• promieniowanie zewnętrzne,
• ruch powietrza,
• ciśnienie atmosferyczne.

Temperatura otoczenia

W praktyce nie można podać wymaganych wartości bezwzględnych temperatury otoczenia. Zależy ona od wielu czynników, ale przede wszystkim od celu prowadzenia badań termowizyjnych. W tym kontekście należy dokonać rozróżnienia pomiędzy termografią ilościową i jakościową.

Bardziej rygorystyczne standardy stosuje się w przypadku pomiarów ilościowych. Przyjęło się na przykład, że w przypadku oceny izolacji termicznej oraz lokalizacji mostków cieplnych nie należy przekraczać górnej granicy temperatury zewnętrznej wynoszącej +5°C. Od temperatury zewnętrznej istotniejsza jest jednak różnica temperatury pomiędzy wnętrzem budynku a temperaturą otoczenia na zewnątrz.

Różnica wartości temperatury

Różnica pomiędzy temperaturą w budynku a temperaturą otoczenia musi wynosić co najmniej 10 K (za idealne uznaje się 15 K). Ponieważ temperatura w pomieszczeniu wynosi zwykle od 15 do 20°C, za najlepsze warunki pomiaru uznaje się wspomnianą powyżej temperaturę powietrza zewnętrznego nieprzekraczającą +5°C. Nie oznacza to jednak, że nie można prowadzić pomiarów w innych warunkach, warunki prowadzenia badań przy użyciu kamery termowizyjnej muszą jednak za każdym razem odpowiadać celowi, jakiemu te badania służą [ 2 ].

Wpływ atmosfery

Wpływy atmosferyczne mogą powodować osłabienie promieniowania podczerwonego, co z kolei powoduje zniekształcenie wyników pomiarów. Promienie podczerwone są tłumione przez składniki powietrza atmosferycznego (parę wodną, dwutlenek węgla itp.). Zjawiska pogodowe (mgła, deszcz, śnieg itp.) również mogą wywierać znaczny wpływ na pomiary termowizyjne. W praktyce wykazano jednak, że zakłócenia te nie są istotne w normalnych warunkach pogodowych oraz przy odległości od obiektu nie większej niż 10 m i w takich wypadkach można je zignorować. W przypadku większych odległości pomiarowych w obliczeniach należy uwzględnić odpowiedni współczynnik korygujący.

Promieniowanie zewnętrzne

Promieniowanie zewnętrzne, czyli promieniowanie podczerwone, które nie pochodzi od badanego obiektu, również może na kilka sposobów wpływać na wynik pomiaru, a tym samym zafałszować go. Największym źródłem ciepła w otoczeniu, a zarazem największym emiterem podczerwieni jest słońce. W badaniach termograficznych należy zatem brać pod uwagę wpływ podczerwonego promieniowania słonecznego, które może przedostać się na ścieżkę wiązki kamery termowizyjnej zarówno bezpośrednio, jak i poprzez odbicie (w krytycznym przypadku może mieć decydujący wpływ na wynik pomiaru). W związku z tym nie zaleca się wykonywania zdjęć termograficznych w bezpośrednim świetle słonecznym – jeśli to możliwe, najlepiej wykonywać pomiary po zmroku.

W przypadku pomiarów na zewnątrz budynków należy również wziąć pod uwagę fakt, że ściany budynków często nagrzewają się pod wpływem promieniowania słonecznego, w wyniku czego emitują promieniowanie cieplne i tym samym również zafałszowują wynik pomiaru. Z tego powodu najlepszym momentem do prowadzenia badań na zewnątrz budynków są godziny nocne (po północy) lub wczesny ranek (przed wschodem słońca). Należy ponadto mieć na względzie, że inne źródła ciepła, takie jak otaczające budynki, pojazdy lub ludzie, również mogą mieć wpływ na wyniki pomiaru.

Ruch i ciśnienie powietrza

Przepływające powietrze (wiatr) powoduje, że temperatura na powierzchni ściany spada w zależności od prędkości wiatru, ponieważ ciepło jest „odprowadzane” szybciej niż w przypadku powietrza nieruchomego. Obniżenie temperatury może albo rozłożyć się równomiernie na całej powierzchni ściany, ale może też (w zależności od prędkości wiatru oraz wysokości i kształtu obiektu) prowadzić do znaczących różnic w chłodzeniu poszczególnych części budynku. W związku z powyższym za warunki graniczne prowadzenia pomiarów termowizyjnych na zewnątrz budynków przyjmuje się prędkość wiatru wynoszącą 0,3 m/s.

Badania termograficzne mogą przyjąć formę badań jakościowych lub ilościowych. Przez termografię jakościową należy rozumieć taki proces rejestracji, w którym nie są określane żadne dane pomiarowe dotyczące rozkładów temperatury, a zatem można uwidocznić jedynie rozkład wartości temperatury (wizualizację różnic temperatury) na badanej powierzchni przegrody. W praktyce urządzenia takie służą zazwyczaj do lokalizacji większych mostków termicznych [ 2, 4 ].

Obszary zastosowań termografii jakościowej:

• lokalizowanie mostków termicznych,
• kontrola instalacji ogrzewania podłogowego,
• lokalizowanie uszkodzeń rur (nieszczelności).

W przeciwieństwie do termografii jakościowej, termografia ilościowa pozwala uzyskać rzeczywiste zmierzone wartości. Oznacza to, że ostatecznie wartości temperatury powierzchni mierzone są w poszczególnych punktach za pomocą termografii.

W praktyce stosuje się kilka metod postępowania w badaniach termograficznych [ 2, 4 ]:

• Do pomiarów bez dodatkowych środków pomocniczych (w rzeczywistości bardzo rzadko wykonywanych) wykorzystywana jest emitowana przez obiekt energia promieniowania. Warunkiem takiego pomiaru są zatem idealne warunki środowiskowe: brak wiatru, zewnętrznego promieniowania, żadnych innych zakłóceń atmosferycznych itp. Ponadto należy znać lub mierzyć temperaturę otoczenia.
• Podczas pomiaru z temperaturą odniesienia w jednym lub najlepiej w kilku punktach mierzy się temperaturę obiektu, za pomocą odpowiedniego termometru kontaktowego. Do tego punktu pomiarowego przypisywany jest następnie, poprzez przesunięcie izoterm, poziom koloru lub izoterma na termogramie, za pomocą której można określić temperaturę dla każdego punktu skanowanego obiektu. Zaletą tej metody jest to, że nie trzeba znać współczynnika emisyjności obiektu. Słabym punktem jest dokładność (niska szczególnie w przypadku nierównych powierzchni) pomiaru temperatury odniesienia.
• W przypadku pomiaru z promiennikiem wzorcowym w obszar pomiarowy skanera (zwykle przed powierzchnią mierzonego obiektu) wprowadza się jeden lub więcej promienników referencyjnych lub też wykorzystuje się wzorzec istniejący w skanerze. Promienniki te reprezentują w przybliżeniu tzw. ciało doskonale czarne. Ponieważ temperatura powierzchni zastosowanego wzorca jest znana, zazwyczaj można ją ustawić dla kilku zakresów temperatury. Umieszczając promiennik bezpośrednio przed mierzonym obiektem, można w pewnym stopniu wyłączyć zakłócenia atmosferyczne oraz opory wiatru i przenikania ciepła.
• Pomiar z płaszczyzną odniesienia polega na porównaniu wielkości mierzonych promiennika wzorcowego, wzorca temperatury odniesienia i powierzchni przegrody. W takim wypadku stosuje się źródło promieniowania wzorcowego oraz wzorzec temperatury odniesienia. Promiennik wzorcowy stanowi ogrzana powierzchnia płyty miedzianej, pokryta materiałem o emisyjności zbliżonej do emisyjności materiału przegrody. Natomiast wzorzec temperatury odniesienia wykonany jest z tego samego materiału co promiennik wzorcowy.
• Kombinowane metody pomiaru polegają (jak sama nazwa mówi) na kombinacji zastosowania urządzenia termowizyjnego oraz miernika przepływu ciepła i temperatury. Jednym z takich sposobów jest umieszczenie w charakterystycznych miejscach dodatkowych urządzeń pomiarowych. Innym jest sprzężenie urządzeń termograficznych z komputerem. Uzyskane z pomiarów dane przetwarzane są na postać cyfrową, a następnie rejestrowane w pamięci komputera, co pozwala na ich późniejszą obróbkę w pracowni komputerowej.

Z punktu widzenia pomiarów wilgotności należy podkreślić następujące aspekty termografii w podczerwieni [ 7 ]:

• metoda służy jedynie do wyszukiwania stref wilgotnych oraz pozyskiwania informacji półilościowych;
• metoda jest trudna w zastosowaniu, a termogramy niełatwe w interpretacji;
• wynik w znacznej mierze zależy od fizycznych właściwości powierzchni materiału oraz czynników środowiskowych, takich jak promieniowanie słoneczne (zarówno obecne, jak i z niedalekiej przeszłości), zachmurzenie, wiatr, opady, temperatura i wilgotność powietrza, promieniowanie pochodzące z pobliskich obiektów lub zacienienie przez nie powodowane;
• możliwe są wyłącznie pomiary względne – wyników nie można kalibrować.

Literatura

1. B. Więcek, G. De Mey, „Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania”, Wydawnictwo PAK, Warszawa 2011.
2. B. Orlik-Kożdoń, J. Belok, T. Steidl, „Termowizja w diagnostyce budynków,” „IZOLACJE”, 10/2018, s. 24–30.
3. W. Skowroński, M. Piotrowska, Z. Matkowski, C. Magott, T. Kania, „Aspekty ochrony budynków przed korozją biologiczną i ogniem”, Polskie Stowarzyszenie Mykologów Budownictwa, Wrocław 2019.
4. G. F. Moschig, „Bausanierung. Grundlagen – Planung – Durchführung“, Springer Vieweg, Wiesbaden 2014.
5. H. Stöcker, „Nowoczesne kompendium fizyki”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
6. A. Dylla, „Fizyka cieplna budowli w praktyce – obliczenia
cieplno-wilgotnościowe”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
7. PN-EN 16682:2017-05, „Konserwacja dziedzictwa kulturowego – Metody pomiaru zawartości wilgoci lub wody w materiałach nieruchomego dziedzictwa kulturowego”.
8. G. Hankammer, M. Resch, „Bauwerksdiagnostik bei Feuchteschäden“, RM Rudolf Müller, Köln 2023.
9. VATH-Richtlinie, „Bauthermografie: zur Planung, Durchführung und Dokumentation infrarotthermografischer Messungen an Bauwerken oder Bauteilen von Gebäuden“, Bundesverband für Angewandte Thermografie e.V., Nürnberg 2023.
10. B. Monczyński, „Pomiary wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych – metody bezwzględne”, „IZOLACJE”, 3/2024, s. 142–148.
11. B. Monczyński, „Pomiary wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych – względne metody elektryczne”, „IZOLACJE”, 4/2024, s. 100–105.
12. B. Monczyński, „Pomiary wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych – metoda higrometryczna”, „IZOLACJE”, 5/2024, s. 64–67.