Badania termograficzne w budownictwie

fot. Explorer1001/CC/Wikimedia Commons

Na podstawie termogramów przedstawionych w artykule można określić niektóre z wad budowlanych. Omówiono tu także elementy składowe budynków, przy badaniu których wykonawca badań powinien zwrócić szczególną uwagę na zastosowaną metodę badań, warunki środowiskowe w czasie badań (i wcześniej) oraz w czasie ich opracowywania i interpretacji. Nie zawsze bowiem wyniki badań potwierdzają schemat myślowy: „zimna ściana = dobra izolacyjność cieplna”, „ciepła plama (fragment ściany) = zła izolacja”.

Badania termograficzne od zewnątrz

W budownictwie mieszkaniowym badaniom termograficznym podlegają wszystkie elementy ścian osłonowych budynku, od piwnic (pasy przyziemia) aż do dachów.

Ściany osłonowe typu tradycyjnego (pełna cegła, pełny mur) charakteryzują się dużą pojemnością cieplną (bezwładnością) i nie są podatne na zmiany temperatury otaczającego je powietrza. Przy badaniach późnonocnych, kilka godzin po zachodzie słońca, elementy powierzchni o mniejszej bezwładności cieplnej, np. nadproża osłonięte supremą czy styropianem, nadążając za temperaturą powietrza, mogą mieć niską temperaturę powierzchni, bliską temperaturze otoczenia, natomiast mur ma w tym czasie temperaturę bliższą średniej dobowej – jest cieplejszy. W interpretacji trzeba uwzględnić więc dobowe wahnięcia temperatury, porę badania, konstrukcję nadproży itp. Myślenie schematyczne może np. doprowadzić do wniosku: „Współczynnik U dla nadproży jest lepszy niż dla muru”, co nie musi być (i zwykle nie jest) prawdą.

Rozkład temperatury w ścianie warstwowej 
α – współczynnik przejmowania ciepła, λ – współczynnik przewodnictwa cieplnego

Ściany warstwowe (mała bezwładność cieplna warstwy elewacyjnej, np. wielka płyta) charakteryzują się nadążaniem zmian temperatury powierzchni za otoczeniem, z 1–2-godzinnym opóźnieniem. Na ich tle przy badaniach nocnych źle wypadają murowane filarki międzyokienne, płyty balkonowe, ściany przyziemi i inne elementy o dużej bezwładności cieplnej, dla których proces akumulacji (ale i oddawania ciepła) trwa dłużej. Wieczorem, nawet kilka godzin po zachodzie słońca, elementy o dużej bezwładności cieplnej są ciągle cieplejsze, a w godzinach rannych – gdy temperatura po rannym minimum rośnie – różnice zacierają się, a nawet zmieniają znak.

Kotwy wielkiej płyty	Wielka płyta, przyziemia

Balkony. Na ogół są mostkami cieplnymi, gdyż zakotwiczone są w murach osłonowych, związane z płytami stropowymi itp. Płyta balkonowa ma pewną grubość, masę i związaną z tym bezwładność cieplną. Jednocześnie jednak, ze względu na swoje położenie, jest wystawiona na działanie konwekcji i wiatru silniejsze niż ściana, co powoduje szybsze odprowadzanie ciepła do otoczenia.

Wszystkie te elementy powodują, że diagnoza termograficzna musi uwzględniać:

• znajomość konstrukcji,
• porównanie z innymi balkonami na tej samej ścianie.

Należy zwrócić uwagę na otwarte okna lub złą jakość okien pod balkonem, zwłaszcza przy badaniach w czasie słabego wiatru.

Wychłodzona płyta balkonu przy spadku temperatury (dom nieocieplony)	Osłony loggii jako wskaźnik aktualnej temperatury powietrza (dom ocieplony)

Stosowane obecnie okładanie płyt balkonowych styropianem z góry i z dołu oraz na czole płyty jest na ogół wystarczającym sposobem na uniknięcie problemów związanych z mostkami termicznymi tworzonymi przez płyty balkonowe.

Loggie. Obserwacja termograficzna ścian loggii prowadzona o dowolnej porze wykazuje, że mają one temperaturę wyższą niż sąsiedni fragment ściany elewacyjnej. Jest to spowodowane co najmniej dwoma czynnikami:

• zmniejszoną konwekcją i możliwością oddawania ciepła,
• loggia jest wnęką o większym współczynniku emisyjności.

Podstawą diagnozy i kwalifikowania ścian loggii jest porównanie z innymi oraz znajomość konstrukcji ściany i temperatury w mieszkaniu za ścianą.

Przyziemia budynków w badaniach termograficznych – jako mające dużą bezwładność cieplną i podatne na nasłonecznienie (zwłaszcza w badaniach wiosennych) oraz nie posiadające izolacji termicznej – wykazują zwykle wysoką temperaturę.

W Polsce norma nie nakładała obowiązku izolowania ścian piwnicznych, w związku z czym obraz termiczny w starszych budynkach będzie zawsze świadczył o dużym przewodnictwie cieplnym, mimo że zwykle temperatura po drugiej stronie tych przegród jest niższa niż w mieszkaniach. Wyższą temperaturę spotykamy jedynie w pomieszczeniach węzłów ciepłowniczych, pralniach, hydroforniach itp.

Ze względu na bardzo dużą bezwładność cieplną, badania powinny być prowadzone w stabilnej temperaturze powietrza, a na stronie nasłonecznionej po 6–8 godzinach od zacienienia.

Strychy, stropodachy, dachy. Ściany strychów i stropodachów wentylowanych są budowane zwykle jako mające obniżoną izolacyjność cieplną. Podwyższona temperatura ścian strychów widoczna na termogramach może być jednak skutkiem wad wykonawczych izolacji kładzionej na stropach mieszkań (stropodachy wentylowane budowane są jako nieprzechodnie i jako takie są niemożliwe do sprawdzenia).

Stropodachy niewentylowane podatne na zawilgocenia powinny być sprawdzane termograficznie z góry (z wysokich domów, z helikoptera), przy dobraniu takich warunków pogodowych, aby kontrast termiczny był największy.

Naroża zewnętrzne budynku powinny być zimniejsze od sąsiednich fragmentów ścian, z powodu różnicy powierzchni napływu i odpływu ciepła (wnęka i róg) oraz z powodu różnicy współczynników konwekcyjnego przejmowania ciepła α (wnętrze-zewnętrze). Analogicznie – wnęki powinny być zawsze cieplejsze od sąsiednich fragmentów ściany. Każde odstępstwo od tych reguł powinno być sprawdzone.

Zawilgocenia murów i osłon zewnętrznych – obok klasycznych metod wykrywania, wymagających jednak dostępu bezpośredniego – mogą być wykrywane termograficznie w sprzyjających warunkach (wiatr, małe gradienty temperatury w funkcji czasu), jednak uzyskane wyniki wymagają weryfikacji.

Okna są poddawane badaniom termograficznym od zewnątrz pod kątem poszukiwania ich termoizolacyjności i szczelności. Jako elementy o małej bezwładności cieplnej (szyby, ramy) mogą być badane nawet podczas zmian temperatury powietrza.

Przy badaniach szczelności od zewnątrz konieczne jest spełnienie warunku wypływu ogrzanego wewnętrznego powietrza przez szczeliny w oknach ściany zawietrznej, bądź naturalnego wypływu na wyższych piętrach (przy braku wiatru). Ten sposób wymaga aparatury termowizyjnej wyposażonej w teleobiektyw, ze względu na małe rozmiary kątowe śladów cieplnych szczelin.

Ze względu na nie najwyższą wartość współczynnika emisyjności dla szyb, są one podatne na odbicia i bardzo ważne jest, aby badania mające na celu ocenę termoizolacyjności były wykonywane w idealnych warunkach środowiskowych, tj. w warunkach pełnego zachmurzenia. Jest to najlepsza sytuacja w ogóle dla badań termowizyjnych na wolnym powietrzu.

Nieboskłon ma temperaturę radiacyjną (mierzoną kamerą termowizyjną) zależną od stanu zachmurzenia – dla czystego nieba wynosi ona poniżej minus 50°C, dla chmur „wysokich” białych – kilka do kilkanastu K poniżej temperatury otoczenia, dla chmur „niskich”, ciemnych jest bardzo bliska temperaturze otoczenia.

Szyby na wyższych piętrach oglądane są pod kątem takim, że w odbiciu znajduje się niebo. I podobnie jak widoczne byłyby odbite gorące obiekty (w postaci podwyższenia temperatury odczytanej na termogramie), widoczne są też „zimne odbicia” w postaci obniżenia temperatury (i to często poniżej temperatury otoczenia).

Okna o różnej jakości na 6. i 7. piętrze tego samego budynku, na tej samej elewacji – po prawej stronie widoczne rozszczelnienia okien w górnej krawędzi (wykonano przy pomocy obiektywu o kącie polowym 12°)

Budynek typu LIPSK – wypływy powietrza widoczne jedynie na górnych kondygnacjach (wykonano w warunkach bezwietrznych)

Rejestracja „zimnych odbić” wykonana została w nie najgorszych warunkach radiacyjnych nieba: rzeczywista temperatura szyb jest niewątpliwie wyższa niż elewacji (podobny problem występuje też dla innych „niskoemisyjnych” pokryć elewacji, jak płyty PCV – Al, polerowany granit i inne)

Badania termograficzne od wewnątrz

Duża różnica temperatur ścian: działowej i osłonowej oraz bardzo niska temperatura ściany

Kontrola termograficzna ścian osłonowych prowadzona z zewnątrz budynku pozwala na wykrycie mostków termicznych w ścianach osłonowych, pomaga oszacować stan termoizolacyjności ścian i okien oraz ocenić energochłonność całego budynku. Ostatnio jednak coraz częściej badania termowizyjne prowadzone są wewnątrz pomieszczeń. Dlaczego?

Mimo iż warstwa izolacji znajduje się na zewnątrz budynku (mieszkania), użytkownika nie interesuje jej stan, a tylko komfort cieplny w jego pomieszczeniach. Na poczucie komfortu cieplnego wpływają trzy zasadnicze czynniki:

• Zrównoważone promieniowanie cieplne ze wszystkich stron, odpowiadające temperaturze w pomieszczeniu (co oznacza, że żadna ze ścian – w tym powierzchnia okien – nie może być znacznie zimniejsza od temperatury wnętrza). W tzw. ciepłych domach (budowanych obecnie lub starszych, ale po termomodernizacji) różnica temperatur powierzchni wewnętrznej: ściana wewnętrzna (działowa) – ściana osłonowa (zewnętrzna) nie przekracza 1 K przy normalnej temperaturze wewnątrz i ok. 0°C na zewnątrz. Odczytana termograficznie temperatura powierzchni ściany działowej pełni tu rolę wskaźnika średniej temperatury powietrza w pomieszczeniu.
• Temperatura powierzchni podłogi lub powietrza kilka cm nad podłogą nie może być niższa niż o 3–4 K od temperatury powietrza na wysokości 1,1 m (głowa siedzącego człowieka).
• Prędkość powietrza w pomieszczeniu nie może być większa od 0,1–0,2 m/s, gdyż powoduje to uczucie przeciągu. Ruch powietrza w pomieszczeniu może być spowodowany nadmierną wentylacją, w tym nieszczelnością okien lub drzwi, a także – często ostatnio spotykanym – odwróceniem ciągu w kanałach wentylacyjnych (kanały wyciągowe stają się nawiewnymi).

Oprócz wymienionych parametrów klimatu wewnętrznego, wpływających na poczucie komfortu cieplnego, szkodliwe jest dla budynku i zdrowia mieszkańców występowanie w dowolnym miejscu mieszkania temperatury poniżej punktu rosy, prowadzące do rozwoju grzybów i pleśni. Wszystkie te czynniki mogą być wykryte i zanalizowane podczas badań termograficznych wykonanych wewnątrz pomieszczeń.

Kontrola termograficzna poprzez rozpoznanie pola temperatury na powierzchniach wewnętrznych pozwala podjąć decyzje prowadzące do poprawy termoizolacyjności przegród, a przez to do zmniejszenia kosztów ogrzewania zimą i poprawy komfortu cieplnego latem.

Niska temperatura podłogi przyczyną dyskomfortu cieplnego

Przedmuchy w połączeniu rama – ściana

Nieszczelności i „zimne osadzenie” okien

Infiltracja powietrza zewnętrznego do przestrzeni osłony filara konstrukcyjnego

Przedmuchy przy podłodze pod oknami w pokoju szkoleniowym