Analiza termiczna przegrody ściennej z wbudowanymi elementami imitującymi mostki cieplne

Nadmierne zużycie energii potrzebnej do ogrzania budynku wynika głównie z właściwości izolacji termicznej przegród zewnętrznych w budynku. Duży wpływ na straty ciepła, poza niedostateczną izolacją termiczną przegród, mają mostki cieplne. Straty te mogą sięgać nawet do 30-40%.

Ilość zużytej energii bezpośrednio wpływa nie tylko na koszty utrzymania budynku, ale również na zanieczyszczenie powietrza. Do oceny stanu izolacji cieplnej budynków, w tym lokalizacji mostków cieplnych, można z powodzeniem zastosować kamerę termowizyjną, która pozwoli na szybkie i bezinwazyjne badania in situ.

Istota termowizji

Termowizja jest metodą badawczą polegającą na zdalnej i bezdotykowej ocenie rozkładu temperatury na powierzchni badanego ciała (przegrody). Metoda ta jest oparta na obserwacji i zapisie rozkładu promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne [1].

Dzięki analizie obrazów cieplnych można zlokalizować miejsca, w których występują straty ciepła oraz wykryć źródło nieprawidłowego funkcjonowania urządzeń i instalacji cieplnych. Otrzymane w wyniku badań termogramy, wykonane przed termomodernizacją budynku, są bardzo pomocne do prawidłowego wykonania remontu (docieplenia przegród), aby do minimum ograniczyć mostki cieplne w termomodernizowanym budynku.

Poza tym badania termowizyjne można wykonywać w celu sprawdzenia stanu budynku czy mieszkania przed zakupem lub odbiorem od dewelopera czy też przed odbiorem robót remontowych pod kątem ewentualnych wad wykonawczych. Mogą one ujawnić np. brak ciągłości wykonania izolacji w przegrodach budowlanych, dzięki czemu można ocenić stan mostków termicznych przy wieńcach, stolarce okiennej i drzwiowej oraz połączeniu ścian z fundamentami, wykryć miejsca ucieczki ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania, zlokalizować źródła i zasięg zawilgocenia powodującego pogorszenie właściwości cieplnych poszczególnych elementów budynku.

Termowizja służy również do ustalania temperatury punktu rosy (moment, w którym para wodna zawarta w powietrzu osiąga na skutek schładzania stan nasycenia - przy zastanym składzie i ciśnieniu powietrza - a poniżej tego momentu staje się przesycona i skrapla się lub resublimuje) [2].

Badania termowizyjne - wymagania

Badania termowizyjne najlepiej przeprowadzać w następujących warunkach [3]:

• różnica temperatur między temperaturą wewnątrz domu i temperaturą zewnętrzną nie powinna być mniejsza niż ok. 15–20°C,
• brak oświetlenia słonecznego (lub oświetlenie ograniczone), najlepiej wieczorem lub rano,
• stabilne warunki środowiskowe (nie powinno się przeprowadzać kontroli np. przy silnych opadach deszczu lub śniegu),
• okna nie powinny być otwarte na czas kontroli i bezpośrednio przed kontrolą,
• dom powinien być wystarczająco i stabilnie ogrzany (bez dużych wahań temperatury w danym pomieszczeniu).

W związku z tym, że za pomocą termografii można opisać rozkład temperatury na powierzchni badanej przegrody, metoda ta znalazła zastosowanie do wstępnego identyfikowania zmian właściwości cieplnych części, które tworzą strukturę budynku.

Aby pomiary były miarodajne, należy dokładnie przeanalizować badany budynek, wykonać odpowiednią liczbę zdjęć wraz z ich interpretacją [4].

Aby uniknąć komplikacji i kłopotów, badanie termowizyjne powinno być przeprowadzone przy stałej różnicy temperatur i ciśnień po obu stronach przegrody. Temperatury powinny więc być pod stałą kontrolą jeszcze przed wykonaniem pomiarów. Nie zaleca się również przeprowadzania badania budynków, które narażone są na ciągłe nasłonecznienie czy działanie silnie zmiennego wiatru [5].

Badania własne na przykładzie ściany z mostkami termicznymi

Mostki cieplne

Miejsca w termicznej obudowie, które nie zostały prawidłowo zaizolowane, nazywa się mostkami cieplnymi. Są to miejsca, w których po wewnętrznej stronie przegrody, w pomieszczeniu, które jest ogrzewane, obserwuje się obniżenie temperatury powierzchni oraz wzrost gęstości strumienia cieplnego w porównaniu do pozostałej części. Na termogramach widać wyraźnie, że opisane wyżej zjawisko powoduje podwyższenie temperatury na zewnętrznej stronie przegrody. Mostki termiczne występują głównie w ścianach zewnętrznych budynku.

Miejsca, w których gęstość strumienia cieplnego w stosunku do pozostałej części przegrody jest wyższa, to przede wszystkim ościeżnice okienne i drzwiowe, naroża, nadproża okienne i drzwiowe, podokienniki, węzły konstrukcyjne ścian ze stropem itp.

Niestety mostków termicznych nie da się usunąć, a jedynie można zmniejszyć ich wpływ. Negatywy, jakie niesie za sobą występowanie mostków cieplnych, poza zwiększoną stratą ciepła, to również obniżenie temperatury na powierzchni występującego mostka, kondensowanie się pary wodnej, nadmierne osiadanie kurzu, a w konsekwencji możliwość pojawienia się grzybów pleśniowych.

Mostek tworzy się najczęściej przez występowanie w danym miejscu materiałów, które mają większy współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)] niż pozostała część przegrody.

Mostki cieplne dzieli się na mostki cieplne liniowe (RYS. 1) (długość ościeżnicy okien, drzwi balkonowych, nadproży itp.) oraz mostki cieplne punktowe (RYS. 2) (m.in. kołki mocujące izolację cieplną lub inne łączniki mechaniczne).

Istnienie mostków termicznych jest łatwe do zlokalizowania przy użyciu obrazu termowizyjnego ściany zewnętrznej i wewnętrznej budynku. Mostki zwiększają straty energii, ponieważ lokalna wartość temperatury w określonych miejscach przegrody budowlanej jest większa [6]. W miejscu tym ciepło ucieka do otoczenia ze względu na wzrost wartości temperatury, który powoduje wzrost strumienia radiacyjnego i konwekcyjnego.

Badania

Badaniom poddano dwa pomieszczenia o podobnej konstrukcji. Laboratorium powstało w pomieszczeniach Domu Studenta PSW w Białej Podlaskiej.

Wykonując przegrodę badawczą, podzielono istniejące pomieszczenie laboratoryjne na dwie części: pomieszczenie nadawcze oraz pomieszczenie odbiorcze (RYS. 3, RYS. 4 i RYS. 5).

Pomieszczenie nadawcze było podgrzewane, a pomieszczenie odbiorcze chłodzone, tak żeby uzyskać jak największą różnicę temperatur po obu stronach przegrody. W przegrodzie zlokalizowane zostały mostki cieplne w postaci elementów o różnym współczynniku przenikania ciepła [7] (liniowe oraz punktowe), rozmieszczone jak na przedstawionych schematach.

Do wykonania mostków użyto:

• dwóch płaskowników UPN 100 (współczynnik przewodzenia ciepła λ = 58,00 W/(m·K); masa 1 metra bieżącego 10,6 kg/m),
• prętów stalowych 5×∅  14 mm (współczynnik przewodzenia ciepła λ = 58,00 W/(m·K); długość każdego pręta 30 cm),
• gipsowego tynku wewnętrznego (współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0,40 W/(m·K); gęstość ρ = 1000 kg/m³).

Wykonano pięć odwiertów o ∅  14 mm, w których usytuowano stalowe pręty.

Kolejnym krokiem było wycięcie kątówką bruzd o wymiarach 10×60 cm na dwa płaskowniki UPN 100. Przed umieszczeniem mostków liniowych w wyznaczonym miejscu otwory zostały dostosowane do gabarytów płaskownika poprzez skucie.

Analiza termograficzna właściwości cieplnych przegrody

Badania przeprowadzono w styczniu 2014 roku. Temperatura zewnętrzna mierzona 24 godziny przed eksperymentem wahała się między –3°C a + 5°C. Nie było światła słonecznego, a niebo było zachmurzone. Również na 12 godzin przed wykonaniem kontroli nie było światła słonecznego, a niebo pozostawało całkowicie zachmurzone podczas całego okresu testowania.

Badania przeprowadzono w sprzyjających warunkach atmosferycznych. Temperatura powietrza w pomieszczeniu nadawczym wahała się w granicach 23°C, natomiast w pomieszczeniu odbiorczym - w granicach 6,3°C. Różnica temperatur między pomieszczeniami wynosiła 16,7°C.

Badania termowizyjne zostały przeprowadzone za pomocą kamery termowizyjnej FLIR ThermaCAM B2 w celu wizualizacji mostków cieplnych i analizy rozkładu temperatur na powierzchni przegrody [8].

Na FOT. 1-2, FOT. 3-4, FOT. 5-6; FOT. 7-8, FOT. 9-10 oraz FOT. 11-12 ukazano wybrane szczegóły badań termowizyjnych.

Analiza wyników

Z analizy zamieszczonych termogramów można stwierdzić, iż różnica temperatur pomiędzy pomieszczeniem odbiorczym a pomieszczeniem nadawczym wyniosła 6,4°C. Mostek liniowy (mostek częściowy) od strony pomieszczenia nadawczego jest niezauważalny. Natomiast od strony pomieszczenia odbiorczego, które było ochładzane, mostek liniowy osiągnął temperaturę 9,9°C, co daje różnicę temperatur płaskownika w stosunku do pozostałej części przegrody równą 4,6°C.

Temperatura mostka punktowego od strony pomieszczenia nadawczego wyniosła 19,0°C, natomiast od strony pomieszczenia odbiorczego mostek punktowy osiągnął temperaturę 17,4°C. Różnica temperatur mostka punktowego po obu stronach przegrody wyniosła 1,6°C. Różnica temperatur między mostkiem punktowym a pozostałą jednorodną częścią przegrody od strony pomieszczenia nadawczego wyniosła 1,9°C, a od strony pomieszczenia odbiorczego 2,9°C. Podczas pomiarów temperatura pozostawała na podobnym poziomie. Warunki pogodowe i ich zmienność w ciągu 24 godzin poprzedzających pomiar nie miały istotnego wpływu na wyniki pomiarów.

Podsumowanie i wnioski

Przegroda budowlana, która była przedmiotem badań, została zaprojektowana i wykonana na podstawie zebranych informacji z zakresu budownictwa i fizyki cieplnej tak, aby na jej przykładzie w prosty sposób można było wyjaśnić wybrane zagadnienia związane z występowaniem mostków termicznych.Do badań użyto kamery termowizyjnej, która jest doskonałym narzędziem w diagnozowaniu istnienia i wielkości ewentualnych anomalii i wad termicznych obiektów budowlanych. Należy jednak zwrócić uwagę na trudności związane z poprawną interpretacją otrzymanych wyników.

Mając powyższe na uwadze, na podstawie przeprowadzonego badania eksperymentalnego przy użyciu kamery termowizyjnej wyciągnięto następujące wnioski:

• Analiza termograficzna badanej przegrody wykazała wyraźny negatywny wpływ mostków termicznych na właściwości termiczne przegrody. Różnica temperatur między pomieszczeniem odbiorczym a pomieszczeniem przesyłowym wynosiła 6,4°C.
• W przypadku termogramów mostka częściowego liniowego różnica temperatur pomiędzy mostkiem a pozostałą częścią przegrody od strony pomieszczenia odbiorczego wyniosła 4,6°C, natomiast od strony pomieszczenia nadawczego mostek był niezauważalny. Przyczyną była zbyt mała różnica temperatur pomiędzy pomieszczeniem nadawczym a pomieszczeniem odbiorczym.
• Różnica temperatur mostka punktowego po obu stronach przegrody wyniosła 1,6°C.

Podsumowując należy stwierdzić, że aby tego typu badania były miarodajne (wiarygodne) i mogły posłużyć np. jako stanowisko badawcze, różnica temperatur w pomieszczeniach przedzielonych analizowaną przegrodą powinna wynosić minimum 10°C (wskazane nawet do 15-20°C). Dlatego też pomieszczenia te przed rozpoczęciem badań powinny być w odpowiednim czasie (w zależności od pojemności cieplnej przegród) chłodzone lub ogrzewane.

Literatura

1. PN-EN 13187-2001, "Właściwości cieplne budynków. Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku. Metoda podczerwieni".
2. H. Nowak, "Zastosowanie badań termowizyjnych w budownictwie", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.
3. W. Minkina, "Pomiary termowizyjne: przyrządy i metody", Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004.
4. B. Więcek, G. De Mey, "Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania", Wydawnictwo PAK, Warszawa 2011.
5. J. Jaworski, "Termografia budynków", Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2000.
6. D. Tokarski, B. Zegardło, P. Ogrodnik, P. Woliński, G. Adamczewski, "Analiza możliwości zastosowania nowoczesnej aparatury elektrotechnicznej w postaci kamery termowizyjnej do wykrywania mikromostków cieplnych w budynku przy zastosowaniu termografii",  "Wiadomości Elektrotechniczne" 8/2017.
7. P. Klemm, "Budownictwo ogólne", t. 2 "Fizyka budowli", Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2006.
8. Katalogi firmy FLIR Systems.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!