Wyznaczenie wartości współczynnika przenikania ciepła metodą termograficzną.
Miarą izolacyjności cieplnej przegrody budowlanej jest wartość współczynnika przenikania ciepła U. Współczynnik ten definiowany jest dla ustalonego i jednokierunkowego przepływu ciepła, a jego wartość określa równanie:
(1)
gdzie:
Te – temperatura powietrza po zimnej stronie przegrody,
Ti – temperatura powietrza po ciepłej stronie przegrody,
qi – gęstość strumienia ciepła,
i – wewnętrzna strona przegrody.
Gęstość strumienia cieplnego mierzona jest zazwyczaj ciepłomierzem, ale można ją również wyznaczyć metodą termograficzną, obliczając ze wzoru:
(2)
gdzie:
Tsi – temperatura na powierzchni przegrody,
hsi – współczynnik przejmowania ciepła.
W ramach projektu badawczego N N526 1191 33 [6] przeprowadzono badania nad możliwością zastosowania techniki termograficznej do ilościowego określania właściwości cieplnych przegród budowlanych. Przeprowadzono wielomiesięczne badania zarówno w warunkach laboratoryjnych w komorze klimatycznej, jak i w rzeczywistych budynkach mieszkalnych dla ścian wykonanych w różnych technologiach. Uzyskane wyniki wykazały bardzo dobrą zgodność wartości gęstości strumienia mierzonych ciepłomierzem i wyznaczonych z pomiaru termograficznego w każdych warunkach wymiany ciepła (rys. 1). Iloraz odchylenia standardowego różnic gęstości strumienia ciepła zarówno mierzonego ciepłomierzem, jak i obliczonego na podstawie pomiaru termograficznego do średniej wartości gęstości strumienia ciepła zawiera się w granicach 3–4%, przy podawanej przez producenta dokładności ciepłomierza wynoszącej 5%.
Na podstawie chwilowych wartości gęstości strumienia ciepła (uzyskanych z pomiaru ciepłomierzem i termograficznego) i temperatury powietrza po obu stronach przegrody obliczano ze wzoru (1) wartość współczynnika przenikania ciepła. Przykładowe wykresy wartości współczynnika U dla ściany jednowarstwowej z betonu komórkowego i ściany szkieletowej w budynku mieszkalnym przedstawiono na rys. 2 i rys. 3. Ściana szkieletowa, z uwagi na małą pojemność cieplną, szybko osiąga ustalony stan wymiany ciepła i wartość współczynnika przenikania ciepła nie zależy w znacznym stopniu od zmiany warunków brzegowych (rys. 3), natomiast w przypadku ściany z betonu komórkowego zależność ta jest wyraźnie widoczna (rys. 2).
Rys. 1. Gęstość strumienia ciepła z pomiaru ciepłomierzem i wyznaczoną metodą termograficzną dla ścian o różnej izolacyjności cieplnej [6]
Rys. 2. Chwilowa wartość współczynnika przenikania ciepła w zależności od temperatury powietrza dla ściany z betonu komórkowego
W przypadku nieustalonej wymiany ciepła wartość współczynnika przenikania ciepła jest prawidłowa, jeżeli jest obliczana jako wartość średnia w okresie obejmującym pełne cykle zmienności warunków brzegowych lub jako narastająca średnia [1]. Taki sposób obliczeń daje dobre rezultaty niezależnie od charakteru zmian warunków brzegowych; zarówno przy stałej temperaturze powietrza wewnętrznego (rys. 4), jak i przy zmianach temperatury po obu stronach przegrody (rys. 5). Wartość zbliżoną do prawidłowej otrzymuje się po dobie pomiaru, jeżeli warunki na końcu doby osiągały wartości zbliżone do tych na początku doby.
Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie zasad pomiaru termograficznego mającego na celu wyznaczenie wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrodę budowlaną [6]:
1. Pomiary należy wykonywać w stanie wymiany ciepła jak najbardziej zbliżonym do stanu ustalonego.
2. Zmiany gęstości strumienia ciepła przejmowanego przez ścianę od wewnętrznej strony zależą w największym stopniu od sposobu ogrzewania (stałości dopływu ciepła), co stwierdzono zarówno w czasie badań w komorze klimatycznej, jak i na przykładach różnych systemów ogrzewania w rzeczywistych budynkach. Cykliczne wahania temperatury powietrza na zewnątrz budynku są tłumione w przegrodzie (szczególnie w masywnej) i nie powodują dużych zmian gęstości strumienia ciepła po wewnętrznej stronie przegrody (rys. 6).
3. Wstępna analiza dokładności wyznaczenia współczynnika U [7] wykazała, że najlepszą dokładność uzyskuje się dla pomiarów termograficznych prowadzonych od wewnętrznej strony budynku.
4. Dla ścian o małej wartości współczynnika przenikania ciepła największy udział w niepewności złożonej wyznaczenia wartości U pochodzi od niepewności wyznaczenia różnicy temperatury pomiędzy powierzchnią ściany a otaczającym ją powietrzem. Ponieważ wartość różnicy temperatury pochodzi z termogramu, do ilościowych pomiarów termowizyjnych budynków należy stosować kamery o dużej dokładności.
Rys. 3. Chwilowa wartość współczynnika przenikania ciepła w zależności od temperatury powietrza dla ściany o konstrukcji szkieletowej
Rys. 4. Chwilowa i narastająca średnia wartość współczynnika przenikania ciepła przez ścianę z betonu komórkowego w zależności od temperatury powietrza
Rys. 5. Chwilowa i narastająca średnia wartość współczynnika przenikania ciepła przez ścianę z betonu komórkowego przy dużej zmienności temperatury powietrza wewnątrz
5. Różnice temperatury pomiędzy powierzchnią przegrody budowlanej i otaczającego ją powietrza wyznacza się kamerą termograficzną z pojedynczego termogramu, na którym zarejestrowany jest obraz powierzchni przegrody i obiektu przyjmującego temperaturę powietrza (rys. 7). Obiekt przyjmujący temperaturę powietrza powinien cechować się małą pojemnością cieplną (zmiana jego temperatury będzie nadążać za zmianą temperatury powietrza) i matową powierzchnią o dużej wartości współczynnika emisyjności. Obiekt ten należy umieścić w odległości około 20–30 cm od powierzchni obrazowanej ściany. Może to być na przykład złożona kartka matowego papieru. Różnice temperatury określone termograficznie należy wyznaczać jako różnice średnich wartości temperatury w pewnym polu, a nie w punkcie pomiarowym, ponieważ to znacznie poprawia dokładność.
6. Optymalne warunki do przeprowadzania pomiarów mających na celu wyznaczenie wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrody budowlane istniejących budynków (in situ) zachodzą przy różnicy temperatury powietrza po obu stronach przegrody wynoszącej około 20ºC. Przy większej różnicy temperatury dokładność wyznaczenia wartości współczynnika U niewiele się zwiększa.
7. Obliczenie wartości współczynnika przenikania ciepła U jest możliwe:
– na podstawie chwilowych wartości temperatury w warunkach wymiany ciepła zbliżonej do stanu ustalonego,
– z wartości średnich lub narastających średnich dla cyklicznych dobowych zmian wartości mierzonych (ważne jest, by warunki na końcu doby osiągały wartości zbliżone do tych na początku doby, a obliczenia obejmowały pełne okresy zmian).
Wartość współczynnika U wyznaczona przy spadku lub wzroście temperatury powietrza zewnętrznego w całym okresie pomiarów jest obarczona dużym błędem, chyba że uwzględni się zmianę energii wewnętrznej przegrody i jej współczynniki strukturalne.
Z narastających średnich wyników pomiarów w dłuższym (wielodniowym) okresie otrzymuje się prawidłową wartość U – niezależnie od warunków brzegowych.
W przypadku przegród lekkich (o bardzo małej pojemności cieplnej) wymagania odnośnie do warunków brzegowych są znacznie luźniejsze, wystarczy stosunkowo krótki okres uśredniania temperatury, niezależnie od charakteru zmian.
Istotnym parametrem niezbędnym do obliczenia współczynnika U jest współczynnik przejmowania ciepła. Jego wartość można przyjąć na podstawie [4] z uwzględnieniem prędkości ruchu powietrza w pobliżu powierzchni.
Rys. 6. Zależność gęstości strumienia ciepła mierzonego na ciepłej stronie przegrody od zmian temperatury powietrza po zimnej i ciepłej stronie (ściana z bloczków silikatowych ocieplona od zimnej strony)
Rys. 7. Pomiar temperatury ściany i powietrza (temperaturę powietrza przyjmuje bawełniana taśma)
Podsumowanie
Przeprowadzone badania doświadczalne wykazały możliwość wyznaczenia gęstości strumienia ciepła metodą termograficzną, a zatem możliwe jest ilościowe określanie parametrów izolacyjności cieplnej przegród budowlanych in situ za pomocą tej techniki.
Niewątpliwą i wyjątkową zaletą termografii jest natychmiastowe uzyskanie informacji o całej powierzchni badanej przegrody. Możliwe jest wykrycie mostków cieplnych i niejednorodności izolacyjności cieplnej wraz z określeniem ich powierzchniowego zasięgu.
Na przykład w przypadku ścianki kolankowej przedstawionej w cz. I artykułu (rys. 7, „IB” nr 2/2011), gdzie konstrukcyjne mostki cieplne (wieniec i słupki) zajmują 30% powierzchni ściany, średni współczynnik przenikania ciepła obliczony jako średnia ważona lokalnych wartości znacznie różni się od wartości nieuwzględniającej mostków cieplnych. W czasie pomiaru temperatura powietrza w pomieszczeniu wynosiła około 20ºC, na ścianie o 1,0ºC mniej, a na powierzchni słupków i wieńca mniej o 2,5–3,0ºC od temperatury powietrza. Ekwiwalentny współczynnik przenikania ciepła, obliczany jako iloraz gęstości strumienia ciepła na wewnętrznej powierzchni ściany i różnicy temperatury powietrza po obu jej stronach, wynosił odpowiednio 0,26 i 0,80 W/m²K na powierzchni ściany jednowarstwowej i słupków, a wartość średniej ważonej współczynnika U dla powierzchni całej ścianki kolankowej wyniosła 0,42 W/m²K. Nadmienić należy, że wartość U obliczona dla 42-centymetrowej ściany z bloczków Ytong odmiany 400 wynosi 0,25 W/m²K.
Pewnych kłopotów w termograficznej metodzie określenia gęstości strumienia ciepła przysparza potrzeba dokładnej znajomości współczynnika przejmowania ciepła. Pomiary doświadczalne wykazały, że jego wartość można przyjąć na podstawie PN-EN ISO 6946, z uwzględnieniem prędkości ruchu powietrza w pobliżu powierzchni. Równoczesny z obrazowaniem termograficznym punktowy pomiar gęstości strumienia ciepła ciepłomierzem pozwala na niezależne (kontrolne) wyznaczenie wartości współczynnika przejmowania ciepła.
Nie bez znaczenia jest całkowita nieinwazyjność metody termograficznego obrazowania (nie zaburza badanego pola temperatury i nie wpływa destrukcyjnie na obiekt) i możliwość zdalnego wykonania pomiaru, co ma duże znaczenie w przypadku badania obiektów zabytkowych bądź takich, w których bezpośredni dostęp do powierzchni jest utrudniony. Największą zaletą termografii jest możliwość szybkiego pomiaru i obrazowa postać jego wyniku – termogram.
dr inż. Alina Wróbel
dr inż. Andrzej Wróbel
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Opracowanie wykonano w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.150.005 i 11.11.150.949.
Literatura
1. T. Kisilewicz, A. Wróbel, Diagnostyka termowizyjna przegród w niestacjonarnych warunkach brzegowych. Fizyka budowli w teorii i praktyce, Czasopismo Naukowe tom IV, Politechnika Łódzka, Łódź 2009.
2. Norma prEN 12494 Building components and elements – In-situ measurement of the surface-to-surface thermal resistance – projekt normy europejskiej.
3. A. Ostańska, Problemy rewitalizacji zespołów prefabrykowanej zabudowy mieszkaniowej na przykładzie osiedla im. Stanisława Moniuszki w Lublinie, „Budownictwo i Architektura” nr 4/2009.
4. PN-EN ISO 6946 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
5. J. Pogorzelski, K. Kasperkiewicz, Aktualne wymagania ochrony cieplnej budynków i związane z nimi normy, konferencja „Energooszczędne budownictwo mieszkaniowe”, ITB, Warszawa 2001.
6. Praca zbiorowa pod kierunkiem Aliny Wróbel, Ilościowe określanie właściwości cieplnych przegród budowlanych z wykorzystaniem techniki termowizyjnej, sprawozdanie z projektu badawczego finansowanego w latach 2007–2010 przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, 2011.
7. A. Wróbel, Termografia w pomiarach inwentaryzacyjnych obiektów budowlanych, Rozprawy. Monografie, Wydawnictwa AGH, Kraków 2010.
