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Die
Thermografiekamera ist
kein Röntgengerät - aber sie kann auch vieles leisten ! [ Aufnahme & Bildbearbeitung | Wärmebrücken & Schimmelschäden | Wärmedämmungen | [ Feuchte & Verdunstung | U-Wert Bestimmung | Fußbodenheizungen | Luftdichtheit | Grenzen ]
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Aufnahme und Aufbereitung von Thermogrammen für eigene Zwecke |
Wenn Sie für Ihr
Gutachten eine Thermokamera für IR-Aufnahmen brauchen, dann gibt
es einiges zu beachten: Hat die Kamera genug Auflösung, sowohl örtlich als auch thermisch ? Gerade in letzter Zeit wird der Markt mit scheinbar sehr preiswerten Kameras überschwemmt, aber da gibt es ganz erhebliche Abstriche an der Funktionalität. Wollen Sie selber Thermogrammaufnahmen machen oder wollen Sie lieber einen Thermografie-Dienstleister in Anspruch nehmen. Hier sollten Sie auf die notwendige Erfahrung und Ausrüstungsqualität achten, gerade in Zeiten des überbordenden Angebots an Billiganbietern. Es ist gut investierter Aufwand eine möglichst hochwertige Kamera einzusetzen. Sowohl örtliche als auch thermische Auflösung, Rauscharmut, Abbildungsschärfe und dezente Einfärbung lassen Auswertungen mit einer Verläßlichkeit zu, die einfache Modelle mit sehr kleinen Sensoren, aber dafür grellbunter Einfärbung nicht bieten. Durch die mir zur Verfügung stehende Software Fornax kann Ihre Meßaufgabe nicht nur aus der Aufnahme, sondern auch aus Auswertung und Datenformatierung bestehen. |
Bewertung von Wärmebrücken und Schimmelschäden |
Wärmebrücken
stellen sich in der kalten Jahreszeit im Thermogramm von außen
warm, von innen her kühler als die Umgebung dar. So weit, so gut,
aber was bedeutet das ? Die Thermografie liefert ja nicht nur ein Bild,
sondern mißt auch Temperaturen. Es
ist bei hinreichender Auifnahmequalität und stabil gehaltenen
Umgebungsbedingungen möglich, die Temperaturwerte weiter
auszuwerten:
Oft stellt sich die Frage, ob sich auf der Innenseite einer Wärmebrücke Tauwasser und /oder Schimmel bildet und wenn ja, unter welchen Umgebungsbedingungen. Dazu wird ein Thermogramm so in eines umgerechnet, wie es unter den gewünschten Standardbedingungen entstehen würde. In diesem normierten Thermogramm wird dann für einen gegebenen Wasserdampfgehalt in der Luft geschaut, ob auf der Oberfläche der Taupunkt unterschritten wird und somit Tauwasser ausfällt oder wenigstens die relative Feuchte so hoch ist, daß Schimmelwachstum eintreten kann. Die Umrechnung eines realen Thermogramms in ein normiertes ist deshalb so einfach möglich, weil das Abbild des Objekts nur von der Form und dem Material des Objekts abhängt, aber nicht von der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen. Dafür hängt der Kontrast faktisch nur von dieser Temperaturdifferenz ab, aber nicht von Form und material des Objekts. Deshalb brauchen wir nur den Kontrast neu einzustellen und das Temperaturniveau neu zu justieren um ein Thermogramm so umzurechnen, wie es dann mit Wunschtemperaturen innen und außen erscheinen würde. Dazu gibt es im Bauwesen Normen, die wichtigste davon ist die DIN 4108 Wärmeschutz im Hochbau". Hier gibt es die Standardvorgaben von -5°C Tagesmitteltemperatur außen und 20 °C für Innenräume. Außentemperaturen von -5°C Dauerfrost sind in Mitteleurpopa außerhalb der Gebirge allerdings eine ausgesprochene Seltenheit. Zumeist wird man deutlich mildere Außentemperaturen beim Ortstermin antreffen, zumal man ja nicht nur im tiefsten Winter, sondern auch in den Übergangsjahreszeiten thermografiert. Aus diesem Grund ist die Klimasimulation ausgesprochen hilfreich, aus realen Bedingungen das Verhalten von Bauwerken bei Stanbdardfrost abzuleiten. Die Bauphysik gibt dazu mehrere Verfahren an: In der DIN 4108 wird einfach ein simpler Grenzwert für die Feuchtigkeit auf Innenoberflächen angegeben, der bei Standardtemperaturen innen und außen nicht überschritten werden darf. Das sind in der DIN bei -5°C außen und +20 °C innen eine maximale Oberflächenfeuchtigkeit von 80% oder in Mindesttemperatur umgerechnet von 12,6 °C. Basta, sehr einfach, aber nicht sehr realistisch. Schimmel ist ein Pilz, der sich nicht so einfach an stramme flache Grenzwerte hält, sondern sehr temperaturempfindlich ist. Aus diesem Grund hat Prof. Klaus Sedlbauer, jetzt Universität Stuttgart, das Wachstum von Schimmel genauer untersucht und die Resultate in Diagrammen veröffentlicht. In diesen Diagrammen sind Linien gleicher Aussporzeit und gleichern Wachstums in Abhängigkeit von Temperatur, Oberflächenfeuchtigkeit und dem Substrat in sogenannten Isoplethen aufgetragen. Es fällt sofort auf, das Schimmel auf Lebensmitteln und Naturstoffen wie Leder und Textilien (Gruppe 0) am besten gedeiht, auf porösen Oberflächen wie Baustoffen Holz und auch Schmutz (Gruppe I) mittelprächtig und auf sehr glatten Oberflächen wie Metall, Kunststoffen und Glas (Gruppe II) nur sehr schlecht. Die sechs Isoplethendiagramme
für jeweils drei Substratklassen und für Ausporungszeit sowie
Wachstumsrate. Die Diagramme entstammen mit freundlicher Genehmigung
aus der Publikation von Klaus
Sedlbauer und Kurt Kießl
"Neue Erkenntnisse zur Beurteilung von Schimmelpilzen und Stand der
Normenbearbeitung", erschienen beim Fraunhofer Institut für
Bauphysik 2002.
Ein Beispiel: Ein ungedämmter Ringanker stellt eine materialbedingte Wärmebrücke dar, die sich durch den Außeneckeffekt noch verstärkt. Die Außentemperatur bei der Messung betrug +3 °C, die Innentemperatur um die 19 °C. Wie würde sich diese Wärmebrücke bei Frostwetter nach DIN 4108 verhalten ?
Hinweis: Die Untersuchung von Wärmebrücken, ob sie Schäden verursachen oder nicht, geschieht ganz grundsätzlich immer von der Seite, wo die Schäden auftreten (könnten): Von innen! |
Bewertung von Wärmedämmungen |
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Untersuchung von Verdunstungsprozessen und Feuchteschäden |
Wenn
etwas naß wird und anschließend wieder abtrocknet, wird die
Oberfläche mehr oder minder deutlich abgekühlt. das kommt
daher, daß das Wasser beim Abtrocknen verdampft. Wasser hat mit
2500 kJ/kg eine sehr hohe Verdampfungswärme, die aus der Umwelt
entnommen wird. Dabei ist die Energiezufuhr aus der Luft recht mager,
so daß der Großteil aus der feuchten Oberfläche
entzogen wird, die dadurch abkühlt. Das hängt zum einen von der Luftfeuchte der Luft ab, die das Wasser als Dampf ja aufnehmen soll: ist die selber gesättigt (Regen), dann verdunstet nichts und es kühlt auch nichts ab, ist die Luft aber trocken, so kann die Abkühlung sogar sehr stark sein. Ein eigener Versuch ergab bis zu 5 K Abkühlung bei einem porösen nassen Bimsbetonstein bei 22 °C und 35% trockener Luft. In der Regel ist die Verdunstungsabkühlung irgendwo dazwischen, aber für eine moderne IR-Kamera weit oberhalb der Meßgrenze. Die zu erwartende Temperaturdifferenz durch reine Verdunstung in innenräumen mit Strahlungsgleichgewicht läßt sich mit der Verdunstungsformel von Penman ohne Strahlungseinflüsse (Thomas Foken, "Angewandte Meteorologie", Seiten 157ff, Springer Verlag 2006) berechnen: q verdunstung = Konstante * (p sattdampf (T)- p dampf, momentan(T) ) Während des Abtrocknungsprozesses wird das in den Poren der Bausubstanz gespeicherte Wasser durch die Kapillarwirkung wieder an die Oberfläche befördert. Das bremst den Wasserstrom und läßt die Verdunstung im Laufe der Abtrocknung immer weniger werden. Dadurch nimmt auch die Verdunstungsabkühlung ab.
Hinweis:Es ist zuerst mal notwendig, zu unterscheiden, ob ein Schaden mit Wassereinfluß nun durch ein Eindringen von Wasser in das Volumen der Bausubstanz entstanden ist, ober ob es sich um Kondensatbildung alleine auf der Oberfläche handelt. Das kann man an den Formen und der Temperaturverteilung der geschädigten Stellen und an dem Ergebnis begleitender Feuchtemessungen sehen (Mikrowelle, Radar, Widerstandsmessung etc); |
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Verdunstungskühle | Bei der
Beurteilung von Verdunstungszonen ist es wichtig, die Einflüsse
der Bausubstanz und der Baukonstruktion zu kennen. Wasser, das sich in
den Kapillaren des Baustoffs ausbreitet, steht im dynamischen
Gleichgewicht mit der Verdunstung an der Oberfläche zur Luft.
Dieses Gleichgewicht ist außerordentlich störempfindlich,
schon kleinere Variationen in der Porengrößße oder ein
Hindernis wie eine Fuge können
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Abtrocknung |
Wenn
eine feuchte Oberfläche von der Wasserzufuhr abgeschnitten wird,
so setzt ein Abtrocknungsprozeß ein. Zuerst verdunstet noch viel
Wasser an der Oberfläche, die entsprechend kühl aussieht,
dann nimmt die Verdunstung mit zunehmender Abtrocknung ab. Zum
Schluß ist die Verdunstungsabkühlung so gering, daß
sie in anderern Effekten, z.B. Wärmebrücken untergeht.
Aus Intensität der Verdunstungsabkühlung und der Randform der Verdunstungszone läßt sich zumindest klassifizierend auf den Abtrocknungsgrad schließen:
Literatur: Als Grundlage zur Auswertung und Interpretation solcher Verdunstungsthermogramme dient folgende Literatur: ("Bauphysik, Bau & Energie" von Christoph Zürcher / Thomas Frank, Kapitel 3, 3. Auflage im VDF-Hochschulverlag der ETH Zürich, 2010 und "Grundlagen der Grenzschichtmeteorologie" von Helmut Kraus, Springer-Verlag 2008) Hinweis: Die Untersuchung von Durchfeuchtungen geht gerade im Sommer besonders gut: durch die höheren Temperaturen und die intensiveren Niederschläge ist dann die Verdiunstung intensiver als im Winter. |
Bestimmung von U-Werten |
Ein
Thermogramm kommt so zustande: Die
Unterschiede in der Oberflächentemperatur eines Objekts werden
dadurch erzeugt, daß jeder Bildpunkt im Thermogramm einen
Wärmewiderstand hinter sich hat, durch den ein Wärmestrom
fließt. Aus den gegebenen Temperaturen beiderseit der
Objektoberfläche und aus der Oberflächentemperatur selber
können wir damit diesen lokalen Wärmestrom berechnen. Das funktioniert so: Wir wissen aus dem Thermogramm den Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und der abgebildeten Oberfläche. Der Wärmewiderstand zwischen der Oberfläche und der Umgebung ist nun die unbekannte. Wir können diesen Widerstand alpha in einer Tabelle in der DIN 4108 nachschlagen. Diese Tabell ist allerdings sehr grob. Für Innenaufnahmen ist das dort aufgelistete Alpha einigermaßen realistisch, während es für Außenansichten nur extrem grob ist und von nachgerechneten Fällen um bis zu 70% abweichen kann. Diese Nachrechnung kann aber auch mit den Formeln für Wärmeübertragung an freistehenden Platten aus dem VDI-Wärmeatlas vorgenommen werden, was dann ganz erheblich realistische Werte ergibt. Wegen der setr starken unkontrollierbaren Umwelteinflüsse bei Außenmessungen sollte aber darauf verzichtet werden, wenn es möglich ist. Für den Wärmeübergang auf Flächen im ganz umschlossenen Räumen kann amn von einem Alpha von 7,6 W/m²K ausgehen, wobei die DIN 4108 und der VDI-Wärmeatlas recht gut übereinstimmen. Schon aus diesem Grund sollten Wärmestrommessungen nur in Innenräumen stattfinden. Der spezifische Wärmestrom q ist nun: q = Alpha * ( Tumgebung - Toberfläche) Strömt nun Wärme in das System hinein, also in den Platz, wo die Kamera steht, so ist ein Wärmestrom positiv, strömt Wärme aus einem System ab, so ist der Wärmestrom negativ. Mit dem Wärmestrom können wir nun eine ganze Menge anfangen: Wir bestimmen den lokalen Wärmewiderstand im Thermogramm und daraus den lokalen U-Wert, wenn wir die Oberflächenwiderstände aus der U-Wert-Defintion berücksichtigen. Wenn wir den U-Wert kennen, können wir auch den Energiebedarf berechnen, der zu Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenzen notwendig ist. Und wenn wir den Energiebedarf berechnet haben, ist es nicht mehr weit bis zur Berechnung der Energiekosten und der CO2-Produktion durch die Energieerzeugung. Hinweis: Die Genauigkeit des ganzen Berechnungsverfahrens hängt davon ab, wie genau das Alpha zwischen Objektoberfläche und Umgebung bei der Aufnahme bekannt ist. Oftmals läßt sich dieses Alpha nur recht grob bestimmen, deshalb ist auch die Genauigkeit des Meßverfahrens begrenzt. Ein Hinweis darauf ist in der Auswertung unbedingt erforderlich. |
Thermografie und Prüfung der Luftdichtigkeit |
Gebläsetür | Die Gebläsetür ist ein effizientes, aber einfaches Mittel, um die von den modernen Bauvorschriften geforderte Winddichtigkeit von Gebäuden und Räumen zu prüfen. Dazu wird alles geschlossen und abgedichtet, was an Öffnungen bekannt ist und dazu eine Tür ausgehängt. In diese Öffnung wird die Gebläsetür winddicht eingeklemmt, so daß nur noch durch unbekannte Leckagen Wind ein- oder ausströmen kann. Mit einem kräftigen Ventilator wird nun ein Unterdruck und im Gegenzug ein Überdruck von jeweils 50 Pascal im Gebäude aufgebaut. Das entspricht einer Windlast bei 4 Windstärken, ist also ziemlich realitätsnah. Aus der Menge der Luft, die nun durch den Ventilator strömt, kann man messen, wie groß die Undichtigkeiten im Hause sein müssen und weiter, ob diese Undichtigkeiten noch tolerierbar sind oder nachgebessert werden müssen. |
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Nachweis der Luftdichtigkeit |
Bei
Messungen der
Luftdichtigkeit wird ein Thermogramm ohne Druckdifferenz, das
zweite mit Blowerdoor aufgenommen, damit man Wärmebrücken und
Dämmungsmängel von einander unterscheiden kann. So sieht die Maske für eine vergleichende Dokumentation von 2 zusammengehörigen Thermogrammen aus. Auch hier werden alle nach DIN und VATh erforderlichen Angaben abgefragt. Durch diese Kombination von Thermogramm ohne Unterdruck und bei Unterdruck können die Leckagen sichtbar gemacht werden, auch wenn sie wie im Beispiel hinter Ausbauplatten verborgen liegen. Hinweis: Man kann eine Prüfung der Luftdichtigkeit auch mit einem allgemeinen Check der Wärmedämmung kombinieren, indem zusätzlich auch Thermogrammaufnahmen ohne Differenzdruck aufgenommen werden. Diese Aufnahmen entstehen vor der Luftdichtigkeitsprüfung, um Verfälschungen durch eventuelle Leckageströme auszuschließen. |
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Wichtiger Hinweis: | Es gibt eine Grenze des Verfahrens: Kalte bzw. warme Luft sind nicht direkt sichtbar, denn Luft ist als Gasgemisch im thermischen IR vollkommen durchsichtig. Freie Luftstrahlen, z.B. aus Bohrlöchern können nicht detektiert werden. Wird aber eine Oberfläche überstrichen, so kühlt diese schnell aus und zeigt sich deutlich im Thermogramm. |
Was Thermografie nicht kann |
Kurz
und knapp: Thermografie kann nicht durch Luftschichten schauen. Metalle
gehen auch nicht. Thermografiekameras sind keine Röntgengeräte, sondern leben davon, was auf einer sichtbaren Oberfläche thermischem IR abgestrahlt wird. Das Bild entsteht durch Temperaturunterschiede von Pixel zu Pixel. Diese Temperaturunterschiede kommen durch die Wirkung verschiedener örtlicher Wärmewiderstände zustande, die den Wärmestrom durch den Pixel beeinfliussen. deshalb können wir ja auch Aussagen machen, was unter der thermografierten Oberfläche passiert, weil wir den Wärmestrompfad etwas in die Tiefe verfolgen können. |
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Hinterlüftungen | Das
geht nur solange
gut, bis dieser Wärmestrompfad unterbrochen
wird, nämlich an einer nicht sichtbaren Oberfläche
innerhalb der Konstruktion. Denn dann treten mit Konvektion und
Strahlungsaustausch komplexe, sich überlagernde
Wärmeübertragungsmechanismen in viele Richtungen in Kraft,
die die einfache Interpretierbarkeit reiner Wärmeleitung
gründlich durcheinander bringen. Typische Beispiele dafür
sind: Hinterlüftete Dachpfannen Flachdachkonstruktionen mit luftgefüllten Hohlräumen Schächte mit frei darin verlegten Rohrleitungen Hinterlüftete Fassadenverkleidungen Außenwände hinter Schränken und Küchenmöbeln mit Rückwand Zugestellte Außenwände Hinweis: Um einige dieser Schwierigkeiten kann man sich herum arbeiten, z.B. durch Freilegen oder durch beiderseitiges Thermografieren. Bitte beim Freilegen darauf achten, daß die Bausubstanz Zeit hat, sich thermisch anzupassen, das kann schon mal einen Tag kosten. |
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Metalle | Es gibt
auch materialbedingte Probleme bei Baustoffen, die gute
Stromleiter sind, Metalle eben. Selbst Zinkblech, daß im
Visuellen stumpfgrau aussieht, ist im thermischen IR bei 8 - 12
µm ein wunderbarer Spiegel. Dazu kommen auch Oberflächen,
die zwar mineralisch und damit an sich sehr gute IR-Strahler sind, aber
extrem glatt sind und daher zum Teil die Umgebung reflektieren: Glas ist sehr glatt und reflektiert um die 35%, eine reine Emissionsangabe für Glas ist daher wenig sinnvoll. Glasierte Keramikfliesen und Klinker reflektieren auch stark, ebenso glasierte Dachpfannen. Alle Metalle reflektieren mehr oder minder stark, sogar stumpfgraues Zinkblech. Bei eloxiertem Aluminium kommte es auf die Dicke der Schicht an - ist die dick genug, läßt sich darauf thermografieren. Nasse Oberflächen reflektieren, wenn man sehr spitzwinklig auf sie schaut. Lotrecht drauf schauen gibt keine Probleme. Die IR-Emission von Metallen hängt auch stark vom Korrosionszustand ab: Stichwort Rost. Hinweis: Im Fall von reflektierenden Oberflächen ist die Oberfläche mit Papier oder Folie abzukleben, auch punktweise. Wenn keine hohe Genauigkeit gefragt ist, so kann auf reflektierenden Oberflächen thermografiert werden, wenn die gespiegelte Umgebung in etwa gleichwarm wie das zu messende Objekt ist. Dann wird der Reflektionsterm in der Strahlungstransportgleichung nämlich recht klein. |
Beantwortet das Ihre Fragen ? Reden wir miteinander: dittie(at)thermografie.de oder direkt 02244 / 90 49 806 (at) bitte durch @ ersetzen |
Hinweis |
Diese
Webseite dient der Information, was Thermografie ist und
kann keine richtige Schulung oder erst recht ein Lehrbuch
ersetzen. In den Schulungen wird das ganze Know How, was hinter dieser
Webseite steht, vermittelt. Ich lade Sie herzlich ein, an den
Tagungen, Seminaren, Kursen und Schulungen zum Thema Thermografie,
ihren Anwendungen und Einsatzgebieten teilzunehmen.
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Infoecke |
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Was
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über Thermografie
wissen wollten ...
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Die Visitenkarte
von Dr.-Ing.
Georg Dittié
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