Termowizja jako weryfikacja jakości prac izolacyjnych

Termowizja jest metodą badawczą polegającą na zdalnej i bezdotykowej ocenie rozkładu temperatury na powierzchni badanego ciała. Metoda ta jest oparta na obserwacji i zapisie rozkładu promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera absolutnego wynoszącego 0,0 K (–273,15°C), i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę promieniowania emitowanego przez obserwowany obiekt, a następnie przetworzeniu na kolorową mapę temperatur. Moc promieniowania ciała zależy od jego temperatury, dlatego miejsca cieplejsze wydają się jaśniejsze na obrazie widzialnym. Zapisany w ten sposób obraz nazywany jest termogramem (fot. 1).

Historia termowizji

W drugiej połowie XIX w. odkryto i opisano, że promieniowanie cieplne i inne fale elektromagnetyczne, np. światło widzialne lub fale radiowe, mają podobny charakter. W konsekwencji powstały prawa stworzone przez Kirchhoffa, Wiena, Plancka, Stefana- -Boltzmanna. Promieniowanie podczerwone jest częścią spektrum elektromagnetycznego i rozpościera się w długofalowej części spektrum widzialnego od światła czerwonego o długości fali ok. 760 nm do fal o długości 1 mm. W technicznych pomiarach temperatur główną rolę odgrywa zakres fal o długości ok. 20 μm. Spektralne zestawienie wysyłanego promieniowania zależy od temperatury obiektu. Przykładowe ciało o temperaturze powyżej 500°C wysyła także promieniowanie w zakresie widzialnym. Ponadto stwierdzono, że dla każdej długości fali intensywność promieniowania rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

Prawo promieniowania Plancka opisuje podstawowe zależności bezkontaktowych pomiarów temperatury. Na jego podstawie wyprowadzono wiele innych zależności, np. prawo Stefana-Boltzmanna:

Ciała odznaczają się różnymi właściwościami promieniowania (tabela). Aby wykorzystać w praktyce opisane zjawiska promieniowania cieplnego ciał, konieczne było uproszczenie tej różnorodności i sprowadzenie jej do postaci modelu ciała o idealnych właściwościach promieniowania. Model tego ciała jest nazywany w fizyce ciałem doskonale czarnym. Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w pasmie podczerwieni, a jego intensywność zależy od temperatury i cech powierzchni ciała (emisyjność). Praktyczne wykorzystanie promieniowania podczerwonego można datować na połowę XX w. Pierwsze wykorzystanie wiązało się z wojskiem, dla którego zbudowano wskaźniki podczerwone. W latach 60. pojawiły się pierwsze urządzenia termowizyjne do zastosowań cywilnych.

Wpływ warunków zewnętrznych na wykonywanie pomiarów termowizyjnych

Ponieważ termografia w podczerwieni jest metodą bezdotykową, promieniowanie podczerwone musi przebyć drogę od obiektu do urządzenia pomiarowego przez pewne medium, którego optyczne właściwości podczerwone mogą wpływać na otrzymany wynik. W większości wypadków jest nim powietrze, ale w praktyce spotyka się także inne materiały, np. przepuszczające promieniowanie podczerwone okna. Szczególnie zawarta w powietrzu para wodna lub dwutlenek węgla mogą zmniejszać jego zdolność przepuszczania promieniowania podczerwonego. Przepuszczalność (transmisyjność) powietrza zależy w bardzo dużym stopniu od długości fali (rys. 1). Obszary o wysokim tłumieniu przenikają się z obszarami o dużej przepuszczalności, tzw. oknami atmo sferycznymi. W zakresie (8–14) μm długofalowe okno atmosferyczne jest równomierne nawet na dużą odległość, w zakresie (3...5) μm występuje krótkofalowe okno atmosferyczne, w którym odchyłki pomiarowe związane z atmosferą są obserwowane już przy odległości pomiarowej wynoszącej 10 m. Duże zniekształcenia pomiarów pojawiają się również wtedy, gdy wieje wiatr. Przy jednocześnie podwyższonej wilgotności może on doprowadzić do zafałszowania pomiarów i w konsekwencji do wadliwych wniosków.

Ciało doskonale czarne jest fizycznym modelem promiennika. Praktyczne obiekty pomiarowe często mniej lub bardziej odbiegają od tego modelu i dlatego przy pomiarach staje się konieczne uwzględnienie tej odchyłki. Dlatego wprowadzono pojęcie współczynnika emisyjności jako wartości określającej możliwości wysyłania promieniowania podczerwonego przez dane ciało. Przyjęto, że ciało doskonale czarne ma współczynnik emisyjności o wartości 1, który jest niezależny od długości fali. W przeciwieństwie do tego współczynnik emisyjności rzeczywistych obiektów pomiarowych w mniejszym lub większym stopniu zależy od długości fali. Poza tym możliwy jest wpływ następujących rodzajów zjawisk: zestawienie materiałów, utlenienie otoczenia, zadymienie otoczenia, kąt do powierzchni normalnej, temperatura oraz stopień polaryzacji. Duża liczba tworzyw niemetalicznych odznacza się – szczególnie w długofalowym zakresie spektralnym – niezależnością od właściwości otoczenia ich współczynnika emisyjności, który jest wysoki i ma relatywnie stałą wartość. Należą do nich np. ludzka skóra lub często stosowane mineralne powłoki budowlane i malarskie (rys. 2). Metale mają zazwyczaj mały współczynnik emisyjności, silnie zależny od cech otoczenia i zmniejszający się wraz ze wzrostem długości fal (rys. 3).

Praktyczne wykorzystanie kamery termowizyjnej

Wykorzystanie badań termowizyjnych jest możliwe wszędzie tam, gdzie można zmierzyć temperaturę powierzchni. Termowizja znajduje więc zastosowanie w wielu dziedzinach życia, np.:

• w wykrywaniu wad technologicznych przegród budynków,
• w lokalizacji rur z ciepłą wodą oraz lokalizacji ewentualnych wycieków i nieszczelności,
• przy ocenie stanu izolacji cieplnej kotłów, rurociągów, izolowanych kanałów,
• w badaniu rozkładu temperatur płyt grzejnych (np. w chłodnicach),
• przy badaniu stanu cieplnego kominów i kanałów odprowadzających spaliny,
• przy ocenie rezystancji dla rozdzielni napięć, transformatorów, szafek elektrycznych, uszkodzonych bezpieczników, linii wysokiego napięcia i wszelkich złączy elektrycznych,
• lokalizacji przebiegu sieci ciepłowniczej, przy ocenie stanu przewodów doprowadzających gazy,
• przy ocenie pracujących urządzeń mechanicznych (nadmierne przegrzanie),
• przy określaniu wewnętrznych samozapłonów hałd węglowych,
• w poszukiwaniu ognisk pożarów leśnych,
• w diagnostyce medycznej,
• w ratownictwie górskim.

Szczególnym zastosowaniem badań termowizyjnych jest diagnostyka izolacyjności cieplnej budynków (fot. 2–7).  Dzięki wykorzystaniu termografii można wykrywać wady izolacji termicznej przegród zewnętrznych i wszelkie mostki termiczne oraz nieszczelności umożliwiające ucieczkę ciepła w wyniku zintensyfikowanej wentylacji. Warunkiem określenia wad izolacji metodą pomiarów termowizyjnych jest różnica temperatur po obu stronach obiektu. A zatem badania można wykonywać tylko wtedy, kiedy występuje odpowiednia różnica temperatur.

Wykorzystanie termowizji w diagnostyce cieplnej budynków pozwala na:

• wykonanie oceny izolacyjności budynku bez potrzeby ingerencji w przegrody,
• możliwość pracy nawet w dużej odległości od badanego elementu budynku (wymaga to jednak wykorzystania drogich teleobiektywów).

Należy pamiętać, że interpretacja zarejestrowanego na termogramie pola temperatury wymaga dużego doświadczenia inżynierskiego, znajomości technik wznoszenia, właściwości materiałów oraz dużego doświadczenia w wykonywaniu badań termowizyjnych. Dużą pomocą są coraz lepsze programy komputerowe, które pozwalają szerzej i lepiej wykorzystywać termografię do różnych zadań.

Zastosowanie termowizji nie ogranicza się jedynie do oceny izolacyjności termicznej budynków. Istnieje też możliwość wykrywania za pomocą kamery termowizyjnej wilgoci w przegrodach budowlanych. Obecność wody w porach materiału budowlanego powoduje pogorszenie właściwości izolacyjnych. Dzięki temu na obrazie termowizyjnym można rozróżnić obszary zawilgoceń, określić ich zasięg, a nawet wskazać źródła wilgoci. Wymaga to jednak dużego doświadczenia i dobrej znajomości fizyki budowli.

Ocena izolacyjności termicznej przegród

Ocena izolacyjności przegród może być dokonana nie tylko przez porównywanie obrazów termograficznych tych przegród, lecz także np. przez wyznaczanie bezwymiarowych miar izolacyjności termicznej

gdy dysponujemy temperaturą wewnętrznej powierzchni przegrody, 

gdy dysponujemy temperaturą zewnętrznej powierzchni przegrody:

gdzie:

– Θ_i, Θ_e – temperatura na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej przegrody,

– t_i, t_e – temperatura wewnętrzna i zewnętrzna. Na tej podstawie można klasyfikować przegrody pod względem ich własności termoizolacyjnych nawet wtedy, gdy termogramy wykonane były przy różnych temperaturach wewnętrznych i zewnętrznych. Wyższemu wskaźnikowi T_i możemy przypisać lepsze własności termoizolacyjne przegrody.

Warunki poprawnego wykorzystywania systemów termowizyjnych

Temperatury na termogramie będą poprawne jedynie wówczas, jeżeli prawidłowo ocenimy i wczytamy do pamięci kamery emisyjność badanej powierzchni w zakresie promieniowania podczerwonego. Dobrym i często stosowanym sposobem poprawnego ustalenia współczynnika emisyjności jest zastosowanie metody temperaturowej. Polega ona na pomiarze temperatury na określonej powierzchni za pomocą dokładnego termometru i ustawieniu współczynnika emisyjności tak, aby rejestrowana w punkcie pomiaru temperatura wskazana na termogramie (ekran kontrolny kamery termowizyjnej) była równa temperaturze zmierzonej termometrem stykowym.

Należy pamiętać, że obraz termalny zależy w pewnym sensie od temperatury zewnętrznej i wewnętrznej w momencie rejestracji oraz od warunków zewnętrznych – słońca, wiatru, mgły, opadów. Należy je obowiązkowo uwzględniać podczas badania termowizyjnego. Badanie nie powinno być wykonywane, gdy świeci słońce. Jeśli dzień jest słoneczny, badanie jest możliwe dopiero po 5–6 godz. po zachodzie słońca.

Ponadto wszelkie źródła ciepła w zasięgu pola widzenia kamery mogą powodować zakłócenia na termogramach. Podczas wykonywania badań należy obserwować zmieniające się warunki atmosferyczne i notować ich zmienność, zwłaszcza gdy następuje stopniowe ocieplanie. Warto też pamiętać, że zmiana warunków atmosferycznych w czasie wykonywania badań nie ma wielkiego wpływu na zdjęcia termowizyjne wykonywane od strony wewnętrznej budynków.

Przy wykonywaniu badań należy więc pamiętać o:

• pomiarze temperatury i wilgotności medium (najczęściej powietrza),
• pomiarze odległości od budynku,
• określeniu rodzaju badanego materiału w celu określenia wartości współczynnika emisyjnego,
• wykonywaniu pomiarów w miarę możliwości prostopadle do badanej powierzchni,
• niewykonywaniu badań w deszczu, podczas opadów śniegu, przy dużym wietrze, przy zamgleniu lub zadymieniu medium (powietrza),
• ustawieniu kamery prostopadle do obiektu (dopuszczalne są niewielkie odchyłki – maks. do 30°).

Podsumowanie

Badania termowizyjne są pomocne w określaniu wad budynku wpływających na zwiększenie strat ciepła. Za pomocą termografii można wykrywać nie tylko wady izolacji termicznej przegród zewnętrznych i wszelkie mostki termiczne, lecz także nieszczelności umożliwiające ucieczkę ciepła w wyniku zintensyfikowanej wentylacji.

Należy jednak pamiętać, że termografia nie umożliwia bezpośredniej obserwacji jakości izolacji. Wnioski z badań termowizyjnych wyciągane są na podstawie zarejestrowanego na termogramie lub obserwowanego na ekranie kamery pola temperatury.

Na podstawie takiego obrazu można w niektórych przypadkach ocenić także stopień zawilgocenia izolacji termicznej w przegrodzie. Wykorzystanie termowizji w budownictwie oznacza wprowadzenie do procesu budowlanego nowego etapu: powykonawczej diagnostyki cieplnej obiektu zwanej termowizyjną kontrolą jakości robót.   

LISTOPAD/GRUDZIEŃ 2008

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!