Bezkontaktní diagnostika vad a poruch vnějších kontaktních zateplovacích systémů pomocí infračervené termografie

1  ÚVOD

Podle oficiálních údajů se v zemích Evropské unie spotřebuje v budovách 40-50% z celkové vyrobené energie [1]. Ročně je v České Republice zatepleno zhruba 16 mil. m² ploch obvodových stěn za zhruba 16 mld. Kč [2]. Lze předpokládat, že díky pobídkám v dotačních programech bude meziroční nárůst zateplovaných ploch činit více než 8% než tomu bylo v roce 2010. Z těchto čísel je zřejmé jak masivně dodatečné zateplení budov probíhá, přitom lze předpokládat, že ještě dalších 500 mil. m² stěn na zateplení čeká. Při uvedeném množství zateplovaných ploch je zřejmé, že není zcela možné provést dodatečné zateplení ve všech případech dostatečně kvalitně a bez vad a poruch .

Vady a poruchy ETICS, vzniklé jednak špatným návrhem v projektové přípravě nebo přímo špatným provedením na stavbě mohou mít poměrně vážné následky jak pro statiku obvodového pláště budovy, tak pro kvalitu vnitřního prostředí nebo požární bezpečnost stavby. Určující bude zejména vztah vady nebo poruchy k vnitřnímu prostředí, kdy vinou poruchy poklesne teplota na vnitřní straně stěny pod kritickou teplotu, což bude mít za následek výskyt kondenzátu a lokální zvýšení vlhkosti. V těchto případech mohou vznikat na vnitřní straně zateplovaného obvodového zdiva plísně, jejichž spóry nejsou pouhým okem viditelné a mohou přežívat i několik let a vyklíčit v příhodných podmínkách. Plísně mohou způsobovat alergické reakce nebo respirační potíže jak je ukázáno na konkrétním případě panelového domu v [3]. Některé mohou dokonce produkovat mykotoxiny (sekundární metabolity), které za určitých okolností kontaminují potraviny.

Cílem článku je poukázat na možnost použití infračervené termografie jako jedné z výhodných možností bezkontaktní diagnostiky při odhalování vad a poruch dodatečného zateplení pomocí kontaktního zateplovacího systému. Kontaktním zateplovacím systémem budeme rozumět vnější tepelně izolační kompozitní system (dále jen ETICS, z anglického External thermal insulation composite systems) tak jak ho definuje [4]. Ačkoliv existuje více možností diagnostiky vad a poruch ETICS, které lze provádět "in situ", tento článek pojednává výhradně o infračervené termografii, případné zájemce o další metody odkazuji na [5].

2  TEORETICKÉ POZADÍ INFRAČERVENÉ TERMOGRAFIE

Teplo se ve stavebních konstrukcích může šířit celkem třemi možnými způsoby: vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací). Ačkoliv může některá složka šíření tepla převládat a obvykle to tak skutečně i bývá, je dobré vědět, že na šíření tepla se podílí v určitém poměru vždy kombinace těchto složek. Princip infračervené termografie využívá právě složku radiační. Radiací rozumíme obor vlnových délek elektromagnetického záření, které umožňují přenos tepla mezi tělesy, ať jsou již oddělena vakuem nebo látkovým prostředím, které je pro záření prostupné. Samotný přenos tepla je umožněn ultrafialovým zářením, viditelným a infračerveným [6].

Infračervené záření je jen oborem záření elektromagnetického v rozsahu vlnových délek 1000 μm až 0,7 μm. V literatuře se lze setkat i s odlišným oborem vlnových délek infračerveného záření, ale pro další výklad se principielně nejedná o podstatnou záležitost. Jak již bylo zmíněno, infračervené záření je pouze podmnožinou záření elektromagnetického, čímž jsou i determinovány jeho základní vlastnosti: šíří se rychlostí světla, vakuem i látkovým pro záření propustným prostředím.



                                                    Obr. 1  Elektromagnetické spektrum

Každé těleso, které má teplotu vyšší než je 0°K je zdrojem infračerveného záření. Výkon, který je tímto záření přenášen označujeme jako tzv. zářivý tok P, ten lze definovat jako poměr zářivé energie a času, tedy:

   (1)  

kde Pe                                   je zářivý tok ve W,
dEe                                       zářivá energie v J,
dt                                          čas v s.

Při dopadu zářivého toku Pe na těleso je část zářivého toku pohlcena Pα, část toku Pρ odrazena a část toku Pτ propuštěna, platí tedy, že součet jednotlivých toků musí být roven celkovému zářivému toku:

   (2)

Pokud dáme do poměrů jednotlivé složky zářivého toku a celkový zářivý tok získáme:

   (3)

Poměr pohlceného toku a celkového toku nazýváme pohltivostí αΩλ, poměr odraženého toku a celkového toku nazýváme odrazivostí ρΩλ a analogicky poměr toku, který byl materiálem propuštěn vůči celkovému toku propustností τΩλ. Pro pevná tělesa obvykle platí, že nejsou propustná, tedy, že τΩλ, součet pohltivosti a odrazivosti musí být roven jedné. Vyzařování tepelného záření tělesy je tedy ovlivněno nejen schopností tělesa záření vyzařovat, ale také pohlcovat a odrážet. O tělesu, které absorbuje veškeré záření bez ohledu na vlnovou délku záření hovoříme jako o tzv. absolutně černém tělesu (α=1). Absolutně černé těleso je fyzikální abstrakcí, která slouží ke snadnějšímu popisu záření zdrojů. Přesně vzato, absolutně černé těleso neexistuje, neboť každý skutečný povrch alespoň malou část záření odrazí. Poměrně dlouhou dobu se mělo za to, že energie vyzařování je libovolně dělitelná, tento předpoklad však neumožňoval uspokojivě matematicky vyjádřit závislost intenzity vyzařování na vlnové délce. V roce 1900 Max Planck vyslovil doměnku, že se emise a absorbce zářivé energie může dít pouze po celistvých množstvích, tzv. kvantech a tuto myšlenku matematicky vyjádřil jako závislost spektrální intenzity vyzařování černého tělesa (zářiče) na absolutní teplotě a vlnové délce:

    (4)

kde Hλ                                  je spektrální intenzita vyzařování černého zářiče ve W.m^-3,
c1=3,74.10^-6                         první Planckova konstanta ve W.m³,
c2=1,44.10^-2                         druhá Planckova konstanta v m.K,
λ                                           vlnová délka záření v m,
T                                           termodynamická teplota povrchu zářiče v K.

Vztah (4) se nazývá Planckův vyzařovací zákon. Tento zákon v roce 1879 experimentálně ověřil slovinský matematik Jožef Stefan. Zjistil, že při měření vyzařování kuželové dutiny je intenzita vyzařování úměrná čtvrté mocnině absolutní teploty. V roce 1881 Planckův vyzařovací zákon teoreticky odvodil Ludwig Boltzman a zapsal ve tvaru:

   (5)

kde Hb                                  je intenzita vyzařování absolutně černého tělesa ve W.m^-2,
δ=5,67.10^-8                           Stefan-Boltzmannova konstanta ve W.m².K^-4,
T                                           termodynamická teplota v K.

Následující diagram ukazuje závislost vyjádřenou v rovnici (5). Ukazuje jakým způsobem je závislé vyzařování tělesa na různých teplotách. Pokud se podíváme na osu s vlnovou délkou, zjistíme, že při vysokých teplotách nad 600 °C je vlnová délka ve viditelném části spektra. Znamená to, že můžeme pozorovat zabarvení těles ohřátých na tuto teplotu mezi červenou a bílou barvou.



                                Obr. 2    Závislost intenzity vyzařování na vlnové délce a teplotě

Rovnice (5) se označuje jako Stefan-Boltzmannův zákon a platí pro vyzařování absolutně černého tělesa. Pro reálné využití je potřeba vztah (5) modifikovat o člen, který by vyjadřoval celkovou intenzitu vyzařování i pro reálná, nebo-li šedá tělesa. Poměrem celkové intenzity vyzařování šedého zářiče a dokonale černého tělesa stejné teploty lze vyjádřit rohodující veličinu, která se nazývá emisita  [7]:


   (6)

kde ε                                      je emisivita tělesa (dříve poměrný součinitel salání, eventuálně poměrná
                                              pohltivost [5]),
H                                            celková intenzita vyzařování šedého zářiče ve W.m^-2,
Hb                                          celková intenzita vyzařování absolutně černého tělesa ve W.m^-2.

Pro šedý zářič (reálné těleso) je tedy nutné uvést vztah (5) i s emisivitou, která se již jako v případě absolutně černého tělesa nerovná jedné:

  (7) 

kde H                                    je celková intenzita vyzařování reálného tělesa ve W.m-2,
ε                                           je emisivita povrchu tělesa,
δ=5,67.10^-8                           Stefan-Boltzmannova konstanta ve W.m².K^-4,
T                                           termodynamická teplota povrchu zářiče v K.

Jak je vidět ze vztahu (7), intenzita vyzařování šedého zářiče je závislá výhradně na jeho emisivitě a termodynamické teplotě. Emisivita povrchů materiálů se pohybuje v rozmezí 0-0,99 a ukazuje se, že její správná volba má na přesný výsledek měření určující vliv. Emisivita se může měnit s vlnovou délkou. Typickým materiálem, který to dokazuje je sklo. Např. pro vlnové délky pod 2,6 μm se emisivita skla blíží k nule, tedy sklo je téměř transaparentní. Naopak pro vlnové délky větší než 4 μm je emisivita skla 0,97 a sklo je téměř zcela propustné. Z těchto důvodů se zavádí pojem spektrální emisivity ελ. Při jakékoliv vlnové délce a teplotě se spektrální emisivita a spektrální pohltivost rovnají.

Vzhledem k tomu, že tělesem emitované záření závisí na teplotě povrchu tělesa je možné určit teplotu měřené plochy tělesa v určitém bode. Zařízení, která lze k takovému měření použít může být bezkontaktní teploměr, neboli pyrometer. Z našeho pohledu je ale zajímavější měřit celé pole těchto bodů a získat tak teplotní reliéf měřeného povrchu. K tomu se používají infračervené kamery (též termovizní kamery).

Senzorem kamery je tzv. bolometr, resp. jeho uspořádání do integrovaného obvodu (matice), který může obsahovat i tisíce bolometrů. Elektrický odpor bolometru se mění v závislosti na jeho teplotě a ta závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného záření. Pomocí infračervené kamery tedy nemůžeme měřit přímo teplotu povrchu, měří se intenzita dopadajícího infračerveného záření, která je na teplotu následně přepočítáná přímo v kameře. Vypočítané teplotní pole je kamerou převáděno pro větší názornost na zvolenou barevnou škálu.

Ve skutečnosti může být termovizní měření poměrně komplikovanou záležitostí. Kromě správně zvolené emisivity měřeného meteriálu je nutné brát v potaz, že záření vzniká i na okolních materiálech a také je zkoumaným objektem odráženo. Může též docházet k zeslabení emitovaného záření vlivem absorbce vzduchu. Z tohoto důvodu je měřený obor vlnových délek omezen na rozsah od 8-14 μm, kde, jak se zjistilo jsou uvedené ztráty nejmenší (tzv. atmosférické okno). Vyhodnocení vzniklých termovizních snímků nebývá tedy triviální záležitostí a výsledné diagnostické hodnocení závisí i na zkušenostech hodnotitele.

3  PRAKTICKÉ POUŽITÍ INFRAČERVENÉ TERMOGRAFIE

3.1  Možnosti a výhody infračervené termografie při posuzování vad a poruch
       ETICS

Odhalování tepelných mostů a tepelných vazeb v zateplených obvodových konstrukcích může být problematickou záležitostí. Vizuální kontrola nemůže být zcela dostatečná, jiné, kontaktní metody jsou destrukční a nemusí být stavebníkem zcela akceptovány. Oproti tomu, infračervená termografie může pomocí termografických snímků dosáhnout rychlého určení problematických míst ETICS. Pokud termovizní snímek odhalí poruchu, lze pomocí dlouhodobějšího měření přesněji určit její příčinu. Kromě celé řady jiných aplikací, lze s úspěchem použít infračervenou termografii k vyhledávání tepelných mostů, popř. tepelných vazeb, které ovlivňují tepelně technické vlastnosti obvodového pláště a tedy i ETICS. Mezi hlavní výhody této metody diagnostiky bych uvedl:

• metoda nemá destrukční účinky na obvodový plášť budovy, je to zcela bezkontaktní metoda,
• lze ji bez problémů provádět "in situ",
• poskytuje poměrně přesné výsledky v reálném čase,
• dává hodnotileli konktétní představu o teplotách zkoumaného objektu,
• výsledky v podobě termovizních snímků jsou pochopitelné i pro laika,
• měření je dostupné a přiměřeně levné,
• na trhu je nepřeberné množství termovizní techniky (je si z čeho vybrat),
• lze diagnostikovat problematická místa v exteriéru i interiéru budovy.

Uvedené výhody však neznamenají, že termovizní měření a následná diagnostika vady nebo poruchy je triviální záležitostí. Především je třeba pamatovat na základní skutečnosti, které mohou termovizní měření výrazně ovlivnit. Předně, pokud je nutné měřit v exteriéru můžeme měření provádět pouze v zimních měsících (typicky od listopadu do března), neboť je pro přesnost měření určující teplotní spád mezi interiérem a exteriérem, který by měl být min. 20 K [8]. Dále je nutné vyloučit přítomnost silného větru a přímého difúzního záření, které měření znehodnocuje. Infračervená termografie se však neomezuje pouze na měření z exteriéru. Lze provádět i měření z interiéru, kdy lze diagnostikovat tepelné vazby např. v rozích a koutech stěn. Také lze pomocí této metody zjišťovat přehřívání interiérů stavby (toto měření se provádí v letních měsících).

Na druhé straně je také nutné se zmínit o nevýhodách této metody:

• hodnocení termovizních snímků by měl provádět odborník s patřičnou zkušeností a teoretickou výbavou, není to diagnostická metoda pro laiky,
• samotné měření je třeba provádět za vhodných klimatických podmínek, které zajistí přesnost měření,
• jedná se o poměrně komplexní metodu a s měřením je potřeba mít odpovídající zkušenosti.

Výsledkem práce s termovizní kamerou jsou jednotlivé snímky, které zachycují intenzitu infračerveného záření povrchu stavební konstrukce, která je vyjádřena jako teplotní pole (někdy označováno jako teplotní reliéf). Pro větší názornost je teplotní pole převáděno na nastavenou barevnou škálu, kde určitý barevný odstín odpovídá určité teplotě.

3.2  Praktická aplikace infračervené termografie - modelový příklad

Jako modelový, který může názorně ukázat použití infračervené termografie je návrh dodatečného zateplení obvodových stěn panelového domu, postaveného v konstrukční soustavě VVU-ETA v první revizi. Průčelní a štítové panely by měli z výroby obsahovat 60 mm pěnového polystyrenu. Z následujícího snímku je zřejmé, že pěnový polystyren není vložen celoplošně a nepřekrývá spáry jednotlivých panelů. Takto v minulosti vzniklé tepelné mosty je ale nutné zohlednit do výpočtu součinitele prostupu tepla U, při návrhu tloušťky tepelného izolantu ETICS. Jejich zanedbání je hrubá chyba, která se může projevit vadou či poruchou ETICS, která se projeví výskytem plísní na vnitřní straně konstrukce.



            Obr. 3  Termovizní snímek štítové stěny bez oken s nedostatečnou tepelnou izolací

Na termovizním snímku na obr. 3 světlé barvy vyjadřují vyšší teploty, naopak tmavější barvy teploty nižší (v ideálním případě by měla být štítová stěna co nejtmavší). Pro lepší orientaci je na pravé straně obrázku uvedena i barevná škála, která odpovídá konkrétním teplotám. Svěltejší místa na snímku tedy znamenají vyšší úniky tepla a ukazují na místa s nedostatečnou tepelnou izolací.

Na dalším termovizním snímku je zobrazen zateplený štít téhož objektu. Ze snímku je patrné, že nebyl proveden ETICS s přesahem do spodní části stavby a nebyla tak dostatečně eliminována tepelná vazba mezi stropní konstrukcí a obvodovou stěnou. Toto řešení může mít za následek výskyt plísní na styku podlaha - obvodová stěna a nepochybně vede ke zbytečným tepelným ztrátám.



 Obr. 4  Termovizní snímek štítové stěny s neprovedeným přetažením ETICS do spodní části stavby

Další termovizní snímek byl pořízen u téhož panelového domu, tentokrát bylo zachyceno průčelí objektu - obr.5. Vlevo dole jsou viditelné nižší tepelně izolační vlastnosti stěny, u soklu se dokonce přibližují tepelně izolačním vlastnostem průsvitných konstrukcí.

 

                              Obr. 5  Obvodová stěna 1.NP s horšími tepelně izolačními vlastnostmi

3.3  Trendy v infračervené termografii

Naprosto jasným současným trendem je cenové zpřístupnění měřící techniky, tedy termovizních kamer. Ukazuje se, že pro základní diagnostiku vad a poruch ETICS jsou dostačující jednodušší, uživatelsky přívětivé a automatizované kamery s rozlišením 80x80 pixelů, resp. 120x120 pixelů, které jsou schopny precizně a rychle měřit. Disponují slotem pro paměťové karty s možností uložení až 5000 termogramů. Pro uživatele jsou předpřipraveny 3 barevné palety pro zvýraznění teplotního pole. Tyto kamery se v současné době dají pořídit už od 40 tis. Kč. Mezi nejznámější výrobce patří společnosti FLIR, TESTO.

Dalším trendem je mobilita. Celkově mají kamery menší hmotnost a rozměry. Software, pomocí kterého se snímky vyhodnocují je již běžně dostupný i pro vysoce mobilní zařízení jako jsou dnes moderní dotykové tablety a snímky je tak možné v součinnosti s paměťovu kartou vyhodnocovat již v terénu pokud je to nutné. K mobilitě dnes již neodmyslitelně patří i rozhraní Bluetooth, data lze tak zasílat bezdrátově do tabletu bez nutnosti vlastnit propojovací kabely.

4  ZÁVĚR 

Při posuzovanání vad a poruch ETICS zejména ve vztahu k vnitřnímu prostředí je vždy nutné pečlivě posoudit zda porucha či vada vznikla vlivem nevhodného užívání objektu nebo vlivem špatného návrhu popř. realizace ETICS. S dodatečným zateplením téměř vždy dochází i k výměně nových otvorových výplní, které mají běžně až 10x menší spárovou průvzdušnost. Uživatel bytu tedy musí sám zajistit dostatečnou výměnu vzduchu větráním. Infračervená termografie je rychlou, nedestrukční a bezkontaktní metodou pomocí které lze najít příčiny vad a poruch ETICS. Z termovizního měření lze zjistil zda-li porucha vznikla nevhodným užíváním stavby nebo nevhodným návrhem popř. realizací ETICS.
S ohledem na cenovou dostupnost termovizní techniky a možnosti dodávaného vyhodnocovacího software lze konstatovat, že se infračervená termografie stane běžnou a stavebníkem vyžadovanou metodou nejen diagnostiky vad a poruch, ale také při závěrečné kontrole kvality stavebních prací související s montáží ETICS.


                                                       Autoři: Ing. Bc. Aleš Zvěřina,
                                                      doc. Ing. Miloš Kalousek, Ph.D.
                (článek byl uveden v časopise Soudní Inženýrství a na studentské konferenci JuFoS 2011)


Zdroj: Literatura, zákony, vyhlášky, internetové stránky a komentáře
[1]   ŠAFRÁNEK, Jiří. Nové požadavky na energetickou náročnost budov podle Směrnice EP a
       Rady 2010/31/EU. Stavebnictví, 2011, roč. 5, č.2, s. 38. ISSN 1802-2030.
[2]  Česká tisková kancelář: Informace z 16.10.2010, Praha, 2010.
[3]  MOHAPL, Martin. Výskyt plísní a dřevokazných hub v obytných místnostech. Sborník konference
      Juniorstav. Brno: VUT v Brně, 2004. s. 89. ISBN: 80-214-2560-1.
[4]  ČSN 73 2901 Provádění vnějších tepelně izolačních kompozitních systémů (ETICS). Praha:
      Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2005. 20 s.
[5]  VAVERKA, Jiří. Stavební tepelná technika a energetika budov. Brno : Nakladatelství
      VUTIUM. 2006. 626 s. ISBN 80-214-2910-0.
[6]  Když britský astronom, sir William Herschel v roce 1800 provedl poprvé svůj jednoduchý pokus
      s měřením teploty jednotlivých částí barevného spektra nemohl pochopitelně tušit k čemu všemu
      jeho objev části neviditelného spektra může sloužit. Pomocí skleněného hranolu rozložil viditelnou
      část spektra, kterou chápeme jako světlo na jednotlivé barvy a pomocí rtuťových teploměrů     
      měřil teplotu jednotlivých barev. Teplota stoupala k červené a Herschela napadlo vložit teploměr
      i za červenou část. S překvapením zjistil, že zde je teplota ještě vyšší a správně usoudil, že musí
      existovat pro lidské oko neviditelné záření, které vyzařuje teplo. Toto záření nazval infračerveným.
[7]  Uvedený vztah je v podstatě jiným vyjádřením Kirchhoffova zákona, který udává závislost mezi
      sálavostí a emisivitou tělesa.
[8]  KALOUSEK, Miloš. Termovizní diagnostika betonových konstrukcí. Sanace betonových konstrukcí,
      2004, roč. 17, č.1, s. 31. ISSN: 1211-3700.

< Předchozí		Další >