Termowizja a diagnozowanie wad projektowych

W ostatnich latach w Polsce można zauważyć zwiększone zainteresowanie zagadnieniami ochrony cieplno-wilgotnościowej budynków. Wynika ono nie tylko z możliwości redukowania kosztów eksploatacyjnych, lecz coraz częściej z dbałości o odpowiedni mikroklimat i komfort użytkowania pomieszczeń mieszkalnych. Wytyczne prawne w zakresie projektowania budynków w aspekcie ochrony cieplnej określają dwa podstawowe akty: Prawo budowlane [1] oraz rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [2]. Wspomniane rozporządzenie zawiera minimalne obligatoryjne wymagania w zakresie izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych, maksymalne wymagania wskaźnika EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także zalecane wymagania w zakresie szczelności powietrznej budynków. W większości przypadków projekty budowlane bazują jedynie na spełnieniu minimalnych wymagań w zakresie izolacyjności termicznej przytoczonego rozporządzenia. Jednak rzetelna praktyka projektowa w zakresie ochrony cieplnej budynków nie może się ograniczać wyłącznie do wyliczenia grubości materiału termoizolacyjnego i wykazania spełnienia wymagań w zakresie wartości współczynnika przenikania ciepła U oraz sprawdzenia warunku kondensacji powierzchniowej i międzywarstwowej (co nierzadko jest pomijane w projektach architektoniczno-budowlanych). Kwintesencją inżynierskiego podejścia do tego typu zagadnień jest projektowanie detali budowlanych w szczególnych miejscach obiektu, gdzie może dojść do wystąpienia zaburzenia oporu cieplnego przegrody (tzw. mostki termiczne) oraz osłabienia szczelności powietrznej budynku. Nierzadko sama analiza dokumentacji projektowej przez doświadczonego projektanta daje sposobność weryfikacji przyjętych rozwiązań. W diagnozowaniu wad projektowych z pomocą przychodzą również metody pomiarowe. Wśród nich najbardziej skuteczną metodą, jeśli chodzi o zagadnienia ochrony cieplno-wilgotnościowej, jest technika termowizyjna.

EP – wskaźnik [kWh/(m²•rok)] określający roczne obliczeniowe zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji, chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynków użyteczności publicznej, zamieszkania zbiorowego, produkcyjnych, gospodarczych i magazynowych – również do oświetlenia wbudowanego.

Rys. 1 Termogram ściany zewnętrznej z pustką powietrzną wentylowaną

Termowizja

Termowizję coraz powszechniej stosuje się w różnych sferach naszego życia, co wynika z coraz łatwiejszego dostępu do narzędzi pomiarowych (niższe koszty zakupu kamery termowizyjnej). Pomiary termowizyjne to skomplikowana dziedzina metrologii, wymagająca szerokiej wiedzy z zakresu techniki materiałowej, cieplnej, umiejętności właściwej oceny warunków środowiskowych, a także praktyki. Termowizja w przemyśle budowlanym pozwala na dokonywanie oceny rzetelności wykonanych prac na etapie wznoszenia budynku, a w przypadku obiektów już istniejących – okresową kontrolę jakości ich przegród zewnętrznych. W połączeniu z innymi metodami badawczymi i pomiarami cieplnymi umożliwia kompleksową ocenę izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych, pod warunkiem właściwego przeprowadzenia badań i pomiarów oraz interpretacji uzyskanych wyników.

Zgodnie z PN-EN 13187 [3] pomiary termowizyjne powinna poprzedzić analiza dokumentacji projektowej (w przypadku jej dostępu). Kolejnym krokiem jest określenie emisyjności materiałów powierzchniowych. Istotnym elementem jest odczyt temperatury powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, zachmurzenia, opadów i wilgotności powietrza oraz ocena oddziaływania wiatru, a także określenie usytuowania budynku względem stron świata. Zaleceniem normy jest również określenie ewentualnego wpływu różnicy ciśnień (jeżeli jest to istotne dla pomiarów). Ważną kwestią jest dodatkowo określenie wpływu efektów występujących przy wentylowanych warstwach powietrza (np. ściana wentylowana), a także analiza oddziaływania lokalnych źródeł ciepła. Niekiedy konieczne jest wyłączenie lokalnych źródeł ciepła przed badaniami termowizyjnymi, a także wcześniejsze usunięcie z obszaru badań elementów mogących zaburzyć obraz termograficzny, np. mebli, obrazów (na tyle wcześniej, by uniknąć efektów przejściowych). Temperaturę powietrza wewnętrznego i zewnętrznego należy określać z dokładnością ±1°C. Minimalna różnica temperatury powietrza po obu stronach przegrody powinna wynosić 10 K [3]. Na podstawie doświadczenia autora niniejszego artykułu zaleca się, by minimalna różnica temperatury była nie mniejsza niż 15 K.

Schemat postępowania związany z wykonywaniem badań zasadniczych, określony w normie [3], powinien uwzględniać niżej wymienione czynności:

– wykonanie za pomocą kamery termowizyjnej przeglądu całego obiektu (zgodnie z zaleceniami należy wykonać przegląd od strony zewnętrznej i wewnętrznej);

– zarejestrowanie obrazów termograficznych wybranych części badanych przegród od strony zewnętrznej, fragmentu przegrody wolnego od defektów (miejsc o najmniejszym zróżnicowaniu pól temperatur), fragmentów przegród, w których występują wady (zmniejszenie grubości lub brak materiału termoizolacyjnego, infiltracja lub eksfiltracja powietrza itp.), w miejscach gdzie zróżnicowanie pól temperatur jest największe;

– wykonanie pomiaru odległości od badanej powierzchni dla każdego obrazu termograficznego;

– określenie różnic między temperaturą powierzchni przegrody w miejscu pozbawionym defektów a temperaturą, gdzie defekty te występują, przy czym każdy termogram musi jednoznacznie umiejscawiać miejsce jego wykonywania na zdjęciu lub rysunku.

Pomiary od strony wewnętrznej są dokładniejsze ze względu na bardziej stabilne warunki otoczenia wewnątrz budynku. Stabilność ta zależy w dużej mierze od sposobu ogrzewania. W wielu przypadkach na termogramach wykonanych od wewnętrznej strony przegród zewnętrznych widoczne są mostki cieplne, związane z elementami konstrukcyjnymi (wieńce, słupki, gzymsy). Termogramy wykonane od strony wewnętrznej w stabilnych warunkach pomiarowych mogą posłużyć do oszacowania izolacyjności cieplnej przegrody zewnętrznej.

Dokumentacja projektowa a termowizja

Jednym z pierwszych kroków badania termowizyjnego jest analiza dokumentacji projektowej budynku. Umożliwia ona ocenę rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych oraz wstępną identyfikację potencjalnych miejsc mostków termicznych w budynku, stanowiących możliwe anomalie termiczne. Istotną kwestią jest określenie ewentualnych nieprawidłowości projektowych w zakresie izolacyjności termicznej, co może zostać potwierdzone w późniejszych pomiarach termowizyjnych. Zaznajomienie się z projektem budowlanym umożliwi dodatkowo zaplanowanie, które fragmenty przegród budowlanych będą szczegółowo badane kamerą termowizyjną i z której strony przeprowadzenie pomiaru będzie miarodajne. W przypadku ścian dobrze wentylowanych badanie termowizyjne od strony zewnętrznej nie pozwoli nam wprost określić stanu ochrony cieplnej przegrody. Dla takich ścian jedynie wykonanie dodatkowych pomiarów termowizyjnych od strony wewnętrznej umożliwi rzetelną diagnostykę cieplną. Przykładowe termogramy dla ścian wentylowanych przedstawiono na rys. 1.

Rys. 2 Nieszczelności powietrzne w obrębie drzwi balkonowych

Analiza termograficzna mostków termicznych

Przez pojęcie mostek cieplny (termiczny) rozumie się takie miejsce w obudowie zewnętrznej budynku, w którym na skutek zmiany struktury wchodzących w jej skład komponentów dochodzi do zmiany gęstości strumienia cieplnego. W tego typu miejscach najczęściej się obserwuje zmianę temperatury na powierzchni wewnętrznej, co ma istotne znaczenie w kontekście uniknięcia ryzyka wystąpienia kondensacji pary wodnej na powierzchni lub we wnętrzu przegrody. Ze względu na możliwość zwiększenia strat ciepła przez przegrody zewnętrzne budynku oraz problem kondensacji powierzchniowej mostek termiczny jest zjawiskiem niepożądanym. Rolą projektanta jest taki dobór rozwiązań materiałowych, konstrukcyjnych i technologicznych, aby minimalizować negatywny wpływ mostków cieplnych. Niekiedy błąd popełniony przez projektanta może zaważyć na tym, że w miejscu potencjalnego osłabienia oporu cieplnego przegrody dojdzie do wystąpienia przemarzania w okresie zimowym.

Badanie termowizyjne jest jedną z lepszych technik oceny przegród pod kątem lokalizacji mostków termicznych. Gdy badania przegród wykonywane są od strony ogrzewanego pomieszczenia, miejsca mostków termicznych lub ubytków w izolacji cieplnej na termo- gramach mają niższą temperaturę. Z kolei w przypadku gdy pomiary są wykonywane od strony zewnętrznej lub od strony pomieszczenia nieogrzewanego, mostki termiczne są pokazywane jako miejsca cieplejsze, które zwykle na termogramach są jaśniejsze (kolory ciepłe na termogramach barwnych).

Mostki termiczne najczęściej wynikają z błędnego, niekompletnego lub niedokładnego projektu. Najwięcej błędów popełnia się przy:

– ścianach zewnętrznych o budowie szczelinowej,

– płytach balkonowych,

– słupach,

– podpiwniczeniu,

– osadzaniu okien.

Obecność mostków termicznych może wynikać również z błędów wykonawczych. Badania termograficzne ujawniają wszelkie anomalie i nieprawidłowości w budowie przegród zewnętrznych budynku. Analiza wpływu mostków termicznych na właściwości termoizolacyjne obudowy budynku jest stosowana głównie przy jakościowej ocenie przegród w zakresie kontroli stanu izolacji cieplnej.

Rys. 3 Pomiary termowizyjne w warunkach rzeczywistych i podciśnienia [6]

Problematyka szczelności powietrznej w diagnostyce termowizyjnej

Zapisy rozporządzenia [2], dotyczące szczelności powietrznej dla budynków mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych, wiążą się z wymaganiami dla przegród zewnętrznych nieprzezroczystych, złączy między przegrodami i częściami przegród (między innymi połączenie stropodachów lub dachów ze ścianami zewnętrznymi). Zwraca się dodatkowo uwagę na przejścia elementów instalacji, takich jak kanały instalacji wentylacyjnej i spalinowej, przez przegrody zewnętrzne oraz na połączenia okien z ościeżami, stawiając warunek konieczności projektowania i wykonywania ww. połączeń pod kątem osiągnięcia ich całkowitej szczelności na przenikanie powietrza. Rozporządzenie nie definiuje jednak wymogów minimalnych w tym zakresie, ale jedynie zaleca, aby szczelność powietrzna budynków z wentylacją grawitacyjną lub wentylacją hybrydową wynosiła n₅₀ < 3,0 1/h, natomiast w budynkach z wentylacją mechaniczną lub klimatyzacją - n₅₀ <1,5 1/h. Dodatkowo zalecane jest, by po zakończeniu budowy budynek mieszkalny, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjny został poddany próbie szczelności przeprowadzonej zgodnie z normą PN-EN:13829 [4], dotyczącą określania przepuszczalności powietrznej budynków w celu uzyskania zalecanej szczelności. W Polsce od 2013 r., przy okazji wprowadzania programu wsparcia finansowego budownictwa energooszczędnego, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW) określił minimalne wymagania, jakie powinny spełniać budynki jednorodzinne i wielorodzinne w standardzie NF40 (budynki niskoenergetyczne) n₅₀ ≤ 1,0 1/h i NF15 (budynki pasywne) n₅₀ ≤ 0,6 1/h [5].
Pomiary termowizyjne często stanowią uzupełnienie badań szczelności budynków realizowanych metodą pomiaru ciśnieniowego, z użyciem wentylatora (tzw. metoda Blower Door). Lokalizacja nieszczelności obudowy, związana z niekontrolowaną infiltracją powietrza, może być zrealizowana za pomocą gazu znacznikowego, termoanemometru lub techniki termowizyjnej. Przykładowe wyniki pomiarów termowizyjnych obrazujących nieszczelności w obrębie stolarki balkonowej pokazano na rys. 2. Szczególnie interesujące jest wykorzystanie pomiarów termowizyjnych przy identyfikowaniu nieszczelności podczas wytwarzanego w badanych budynkach podciśnienia lub nadciśnienia. Na rys. 3 pokazano termogramy wykonane w naturalnych warunkach pomiarowych oraz w trakcie wytworzonego w budynku podciśnienia.

W celu zapewnienia szczelności przegród budowlanych projektant powinien odpowiednio dobrać ich rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne, a także poprawnie rozwiązać połączenia między przegrodami. Zastosowanie materiałów o odpowiednio wysokim oporze dyfuzyjnym nie gwarantuje wystarczającej szczelności całej konstrukcji. Istotne jest, by połączenia wszystkich warstw odpowiadających za szczelność obudowy budynku były odpowiednio zaprojektowane i wykonane. Jako typowe materiały uszczelniające stosowane są różnego rodzaju taśmy (elastomery, bitumy, PE) oraz folie (PVC). Każdy z materiałów wymaga wdrożenia odpowiedniej technologii uszczelniania miejsc szczególnych (przebicia instalacyjne lub technologiczne) [7].

Podsumowanie

Dokonujący się nieustannie postęp w zakresie technik pomiarowych oraz coraz bardziej powszechny dostęp do kamer termowizyjnych przyczyniają się do lepszego rozpoznawania błędów popełnianych nie tylko na etapie projektowania, ale również wykonawstwa. Działalność różnych podmiotów (prywatne przedsiębiorstwa, instytuty naukowe, uczelnie), zajmujących się profesjonalną diagnostyką termowizyjną, ma niebagatelne znaczenie w uświadamianiu inżynierom budowlanym i architektom błędów, jakie popełniają przy opracowywaniu dokumentacji technicznej w zakresie ochrony cieplno-wilgotnościowej budynków. Zwiększony popyt wśród inwestorów na budynki w standardzie pasywnym bądź energooszczędnym znacząco zmienia świadomość i podejście osób zawodowo trudniących się projektowaniem architektonicznym. W ostatnim czasie pojawiło się wiele narzędzi w postaci programów komputerowych, umożliwiających zaawansowane symulacje cieplno-wilgotnościowe przegród, a nawet detali dwu- i trójwymiarowych. Dzięki nim możliwa jest optymalizacja detali projektowych pod kątem uniknięcia lub ograniczenia występowania mostków termicznych, co przekłada się na wyższą jakość rozwiązań inżynierskich w obszarze ochrony cieplnej przegród.

dr inż. Paweł Krause

Politechnika Śląska

Bibliografia

1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r – Prawo budowlane wraz z późniejszymi zmianami.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690).
3. PN-EN 13187 Właściwości cieplne budynków – Jakościowa detekcja wad cieplnych w obudowie budynku – metoda podczerwieni.
4. PN-EN:13829 Właściwości cieplne budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora.
5. Wymagania techniczne w ramach programu dopłat do kredytów na budowę domów energooszczędnych, NFOŚiGW, Warszawa 2014.
6. A. Trispel, Luftdichtheitsmessung & Thermografie zwei wichtige Hilfsmittel zur Schwachstellenanalyse und Qualtatssicherungam Bau, Ing.-Buro Trispel. Plauen.
7. P. Krause, Szczelność obudowy a ochrona cieplna budynku, Konferencja „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, t. 2, 2007.