Pozemní stavitelství III.

CÍLE KAPITOLY

Cílem je seznámení s termografií používané pro zjišťování tepelných vlastností obvodových plášťů konkrétních staveb. Po prostudování šesté kapitoly dokážete pomocí infračervené techniky odhalit nedostatky v tepelné izolaci obvodových plášťů budov. Hlavním cílem je získání základních znalostí a dovedností pro posudkovou činnost v termografii při zjišťování

     - rozložení teplot na povrchu konstrukce

     - vlhkosti konstrukce

     - míst infiltrace

     - polohy tepelných mostů.

RYCHLÝ NÁHLED DO PROBLEMATIKY KAPITOLY

Hlavním účelem IČ termografie je vyhledávání závad v tepelné izolaci vnějších stěn a určení jejich druhu a rozsahu. Může být také řečeno, že účelem měření je ověření, zda kontrolované stěny mají předpokládané (stanovené) izolační schopnosti a charakteristiky.

Test v závěru kapitoly zkuste splnit samostatně bez nahlédnutí do textu. Ověříte si tak, zda jste dostatečně pozorně prostudovali tuto problematiku.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU

Celkový doporučený čas k prostudování kapitoly je 90 minut.

KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY

Termogram, černé těleso, emisivita, infračervené záření, izoterma, propustnost atmosféry, elektromagnetické spektrum, odrazivost, pohltivost, referenční teplota, rozsah teplot, kondenzace, vlhkost, tepelný most, Herschel, Plankův zákon, Wienův zákon posuvu, Stefan-Boltzmannův zákon.

6.1 Slovníček běžných infračervených termínů a výrazů

Absolutně černé těleso - těleso pohlcující veškeré záření na něj dopadající. Těleso vyzařující na všech vlnových délkách při dané teplotě maximální dosažitelnou zářivou energii.

Atmosféra - plyny mezi měřeným objektem a kamerou, obvykle vzduch.

Automatická paleta - infračervený obraz se zobrazuje s nerovnoměrným rozložením barev – zároveň se zobrazují studené i teplé objekty.

Černé těleso - těleso blížící se svými vlastnostmi absolutně černému tělesu. Používá se ke kalibraci IČ kamer.

Diferenční teplota - hodnota, která je výsledkem odečtení dvou teplotních hodnot.

Duální izoterma - izoterma se dvěma barevnými pásy namísto jednoho.

Emisivita (emisní činitel) - těleso s dutinou ve tvaru válce a s vysokou pohltivostí dutiny. Výstupní otvor dutiny je výstupem zářivého toku. Číslo mezi 0 a 1.

Externí optika - přídavné optické prvky, filtry, teplotní clony atd., které lze vložit mezi kameru a měřený objekt.

Filtr - materiál propustný pouze pro určité vlnové délky infračerveného záření.

IČ - infračervené záření - Neviditelné záření s vlnovou délkou v rozmezí 2–13 μm.

Izoterma - Křivka spojující body o stejné teplotě.

Laser LocatIR - elektricky napájený zdroj světla na kameře, který vydává laserové záření v tenkém koncentrovaném paprsku, kterým se ukazuje na určité části objektu před kamerou.

Odhadovaná propustnost atmosféry - hodnota propustnosti vložená uživatelem – nahrazuje vypočítanou propustnost.

Odrazivost - podíl záření tělesem odražené k záření dopadajícím na těleso.

Paleta - sada barev používaných k zobrazení infračerveného obrazu.

Parametry objektu - skupina hodnot popisující jednak okolnosti, za kterých bylo měření objektu provedeno, a jednak samotný objekt. (například emisivitu, teplotu okolí, vzdálenost atd.)

Pixel - zkratka výrazu picture element (obrazový prvek). Jednotlivý bod obrazu.

Pohltivost (činitel pohltivosti) - množství záření tělesem pohlcené v poměru k záření dopadajícím na těleso. Číslo mezi 0 a 1.

Propustnost (nebo transmitance) (činitel) - plyny a materiály mohou být více nebo méně propustné. Propustnost je množství IČ záření, které jimi může projít. Číslo mezi 0 a 1.

Prostředí – prostor, v kterém se nachází zkoumaný objekt. Jeho velikost je omezena okolím, které může sledovaný objekt ovlivnit vyzařováním, ohříváním atd.

Proudění - přenos tepla prouděním, např. horkého vzduchu nebo kapalinou.

Referenční teplota - teplota, s níž lze porovnávat měřené hodnoty teplot.

Relativní vlhkost - podíl skutečné absolutní vlhkosti vzduchu a absolutní vlhkosti vzduchu v nasyceném stavu.

Rozsah - aktuální celkový rozsah teploty, který lze měřit IČ kamerou. Kamery mohou mít několik rozsahů. Vyjadřuje se ve dvou teplotách černého tělesa, které vymezují aktuální kalibraci.

Rozsah teplot - aktuální celkový rozsah teplot, který lze měřit IČ kamerou. Kamery mohou mít několik rozsahů. Vyjadřuje se ve dvou teplotách černého tělesa, které vymezují aktuální kalibraci.

Stupnice teplot - grafické zobrazení teplot v IČ obrazu ve formě sloupce s horní mezí (nejvyšší teplota) a spodní mezí (nejnižší teplota).

Šedé těleso - pojmenování tělesa, které na všech vlnových délkách vyzařuje energii, která je v určitém poměru k zářivé energii absolutně černého tělesa při téže teplotě.

Termogram - infračervený obraz.

Transparentní izoterma - (průhledná) izoterma zobrazující místa stejné úrovně signálu v termogramu, která nepřekrývá zvýrazňovaná místa v IČ obrazu.

Vypočítaná propustnost atmosféry - hodnota propustnosti atmosféry vypočítaná z její teploty, relativní vlhkosti vzduchu a vzdálenosti objektu.

Vyzařování - množství energie vyzářené z objektu v daném bodě povrchu a v daném směru za jednotku času.

Záření - proces, při kterém objekt nebo plyn vyzařuje elektromagnetickou energii.

FPA - Focal Plane Array - typ infračerveného detektoru.

IČ - Neviditelné infračervené záření - záření s vlnovou délkou v rozmezí 2–13 μm.

Sálavé vlastnosti povrchů konstrukcí jsou pohltivost, odrazivost, propustnost a emisivita.

Průteplivé materiály rozdělí paprsek tepelného sálání na část odraženou, pohlcenou a propuštěnou (vzduch voda,sklo, některé plasty)

Neprůteplivé materiály rozdělí paprsek tepelného sálání na část odraženou a pohlcenou (zdivo,beton,kov,dřevo)

6.2 Historie infračervené techniky

Před méně než 200 lety neexistovaly ani úvahy o infračervené části elektromagnetického spektra. Původní význam infračervené části spektra, nebo prostě „infračerveného záření", jak se často nazývá, jako druhu tepelného záření je dnes možná méně zřejmý než v roce 1800, kdy toto záření objevil badatel Herschel (1738–1822).

Objev byl učiněn náhodně při hledání nového optického materiálu. Sir William Herschel - dvorní astronom Jiřího III., krále Anglie, známý již svým dřívějším objevem planety Uran - hledal materiál pro optický filtr, kterým by se při pozorování slunce snížil jas obrazu v dalekohledech. Při testování různých vzorků barevných skel, která velmi podobně snižovala jas, ho zaujala skutečnost, že některými skly procházelo pouze málo slunečního tepla, kdežto jinými skly procházelo tolik tepla, že riskoval poškození očí po pouhých několika sekundách pozorování.

Herschel brzo nabyl přesvědčení, že je zapotřebí provést systematický experiment s cílem nalezení materiálu, jež by zajistil požadované snížení jasu a také maximálně omezil teplo. Začal experimentovat tím, že vlastně opakoval Newtonův experiment s hranolem, ale přitom se zaměřil na tepelný efekt, ne na viditelné rozložení světelné intenzity ve spektru. Nejprve inkoustem začernil baňku s citlivým rtuťovým teploměrem. Tímto detektorem záření testoval tepelné účinky různých barev spektra vytvářených na stole skleněným hranolem, kterým procházelo sluneční světlo. K porovnání mu sloužily jiné teploměry umístěné mimo sluneční paprsky.

Při pomalém přesouvání začerněného teploměru po barvách spektra vykazovaly zjištěné teploty stálý nárůst, od fialového konce po červený konec spektra. To nebylo až tak nečekané, jelikož italský badatel Marsilio Landriani (1746–1815) pozoroval bezmála stejný efekt při podobném experimentu v roce 1777. Byl to však Herschel, kdo jako první rozpoznal, že musí existovat bod, v němž tepelný efekt dosáhne maxima, a že při měření soustředěném na viditelnou část spektra nebyl tento bod nalezen.

Posouváním teploměru do tmavé oblasti za červený konec spektra Herschel zjistil, že tepelný efekt vzrůstal. Bod maxima nalezl poměrně daleko od červeného konce – v místě, kterému se dnes říká "infračevené vlnové pásmo".

Když Herschel zveřejnil svůj objev, nazval tuto část elektromagnetického spektra "termometrické spektrum". Samotné záření často označoval jako "tmavé teplo" nebo prostě "neviditelné paprsky". Je paradoxní, že na rozdíl od rozšířeného názoru, to nebyl Herschel, kdo vytvořil termín "infračervený". Toto slovo se začalo vyskytovat v tisku asi o 75 let později a je stále nejasné, kdo je jeho původcem.

To, že Herschel při svém původním experimentu použil skleněný hranol, vedlo k určitým počátečním polemikám s jeho současníky o skutečné existenci infračervených vlnových délek. Jiní badatelé ve snaze potvrdit jeho pokus používali různé druhy skla bez rozlišení, čímž ale dosahovali různé průhlednosti v infračerveném pásmu. Ve svých pozdějších experimentech si Herschel byl vědom omezené propustnosti skla vůči nově objevenému tepelnému záření a byl nucen dojít k závěru, že jako optické prvky pro infračervené záření bude možné používat výhradně odrážející prvky (tj. rovná a zakřivená zrcadla). Naštěstí tomu tak bylo pouze do roku 1830, kdy italský badatel Macedonio Melloni (1798–1854) učinil převratný objev, že v přírodě se vyskytující kamenná sůl (NaCl) - která byla k dispozici v přirozených krystalech dostatečně velkých, aby z ní šly vyrobit čočky a hranoly - pozoruhodně propouští infračervené záření. Výsledkem bylo to, že kamenná sůl se stala hlavním optickým materiálem pro infračervené spektrum a zůstala jím po dobu dalších sta let, dokud nebyla v roce 1930 zvládnuta metoda výroby syntetických krystalů.

Teploměry se jako detektory záření používaly až do roku 1829, kdy Nobili vynalezl termočlánek. (Herschelův vlastní teploměr bylo možné odečítat s přesností na 0,2 °C (0,036 °F) a pozdější modely bylo možné odečítat s přesností 0,05 °C (0,09 °F).) Pak došlo k převratné události, kdy Melloni připojil určitý počet termočlánků do série a vytvořil tak první termoelektrickou baterii. Toto nové zařízení bylo pro detekci tepelného záření přibližně 40krát citlivější než tehdejší nejlepší teploměr - bylo schopné detekovat teplo osoby stojící v třímetrové vzdálenosti.

V roce 1940 bylo možné vytvořit první takzvaný "tepelný obraz", což byl výsledek práce Johna Herschela, syna objevitele infračerveného záření, který byl také známý astronom. Na základě diferenciálního odpařování tenké vrstvy oleje vystavené tepelnému záření, které na ni zaměřil, bylo možné spatřit tepelný obraz díky odráženému světlu, protože interferenční účinky olejové vrstvy zajistily, že obraz byl pro lidské oko viditelný. Sir John Herschel také vytvořil jednoduchý záznam teplotního obrazu na papír – tento obraz pak nazval "termograf".

Zlepšování detektoru infračerveného záření pokračovalo pomalu. Další významný pokrok učinil badatel Samuel P. Langley (1834–1906) v roce 1880, když vynalezl bolometr. Tento bolometr sestával z tenkého začerněného proužku platiny připojeného k jedné větvi Wheatstonova můstku, na který bylo zaměřeno infračervené záření, na něž reagoval citlivý galvanometr. O tomto zařízení se říká, že bylo schopno detekovat teplo krávy na vzdálenost 400 metrů.

Anglický vědec sir James Dewar jako první začal používat zkapalněné plyny jako chladiva (například tekutý dusík s teplotou -196 °C (-320,8 °F)) ve výzkumu v oblasti nízkých teplot. V roce 1892 vynalezl jedinečnou vzduchotěsnou nádobu, ve které bylo možné skladovat zkapalněné plyny po celé dny. Na tomto vynálezu je založena známá "termoska" používaná k uchování horkých nebo chlazených nápojů.

V období let 1900 a 1920 "objevili" infračervené pásmo i světoví vynálezci. Byly uděleny mnohé patenty na zařízení k detekci osob, dělostřelectva, letadel, lodí a dokonce i ledovců. První funkční systémy začaly být vyvíjeny během první světové války (1914-1918), kdy obě strany prováděly výzkumné programy zaměřené na vojenské využití infračerveného záření. Tyto programy zahrnovaly experimentální systémy k detekci pronikání nepřítele, měření teploty na dálku, zabezpečenou komunikaci a navádění "létajících torpéd". Jistý infračervený vyhledávací systém testovaný v této době byl schopen detekovat blížící se letadlo na vzdálenost 1,5 km (0,94 míle) nebo osobu na vzdálenost větší než 300 metrů (984 stop).

Až do této doby byly všechny nejcitlivější systémy založeny na obměnách bolometru, ale v meziválečném období byly vyvinuty dva nové a revoluční infračervené detektory: konvertor obrazu a fotonový detektor. O konvertor obrazu se zpočátku nejvíce zajímala armáda, protože jako první pozorovateli umožňoval doslova "vidět ve tmě". Avšak citlivost konvertoru obrazu byla omezena na blízké infračervené vlnové délky, a proto většina zajímavých vojenských cílů (tj. nepřátelští vojáci) musela být osvětlována infračervenými vyhledávacími paprsky. Jelikož tak vznikalo riziko, že poloha pozorovale bude prozrazena podobně vybavenému pozorovateli nepřítele, je pochopitelné, že vojenský zájem o konvertor obrazu brzy zanikl.

Vojensko-taktické nevýhody takzvaně "aktivních" (tj. vybavených vyhledávajím paprskem) systémů teplotního obrazu byly po 2. světové válce (1939-1945) hybnou silou pro rozsáhlé tajné vojenské programy k výzkumu infračerveného spektra zaměřené na vývoj "pasivních" (bez vyhledávacího paprsku) systémů s využitím extrémně citlivého fotonového detektoru. V té době zakazovaly vojenské bezpečnostní předpisy zvěřejňovat informace o infračervené zobrazovací technice. Utajení bylo zrušeno v polovině padesátých let. Od té doby jsou dostačující teplotní zobrazovací zařízení k dispozici civilnímu sektoru, vědě i průmyslu.

6.3 Teorie termografie

Termografie je zobrazovací technika využívající k vytvoření obrazu (termogramu) změny fyzikálních nebo chemických vlastností tepelně citlivých látek.

6.3.1 Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum je rozděleno podle vlnových délek do několika skupin, kterým se říká vlnová pásma. Termografie využívá vlnové pásmo infračerveného (IČ) záření. Hranice začátku pásma krátkovlnného IČ záření je tam, kde končí viditelné. Hranice konce pásma dlouhovlnného IČ záření je tam, kde začíná pásmo mikrovlnných vlnových délek, tj. v pásmu několika milimetrů vlnové délky. Vlnové pásmo IČ záření je ještě často děleno do dalších menších pásem, které mají rovněž stanovené hranice.

Obrázek 6-1: Elektromagnetické spektrum

Jsou to tato pásma: blízká IČ (0,75-2 μm), krátká IČ (2-3 μm), střední IČ (3–5 μm), vzdálená IČ (5–15 μm) a velmi vzdálená (15–100 μm).

6.3.2 Záření – radiace černého tělesa

Černé těleso je definováno jako objekt, který pohlcuje veškeré záření, které na něj dopadá, a to bez ohledu na vlnovou délku záření. Na první pohled nevhodný přívlastek (označení černé je vztaženo k objektu s vysokou intenzitou záření) je vysvětlen Kirchhoffovým zákonem (podle Gustava Roberta Kirchhoffa, 1824–1887), který říká, že těleso schopné pohlcovat (absorbovat) veškeré na něj dopadající záření je schopné stejné množství záření vyzařovat (emitovat).

Konstrukce černého tělesa je v principu velmi jednoduchá. Černé těleso lze charakterizovat vyzařovacími charakteristikami otvoru vytvořeného v izotermní dutině neprůhledného absorbujícího materiálu. V praxi je možné tento princip uplatnit při konstrukci dokonalého pohlcovače záření, což může být světlotěsná bedna, která má na jedné straně štěrbinu. Veškeré záření, které vstoupí tímto otvorem, se rozptýlí a opakovanými odrazy pohltí, takže může uniknout pouze nekonečně malý díl záření. Černost dosažená takovým otvorem je téměř shodná s vlastnostmi černého tělesa a vyhovuje pro všechny vlnové délky.

Když tuto izotermickou dutinu opatříme vhodným zdrojem tepla, stane se z ní takzvaný dutinový zářič. Izotermní dutina zahřátá na konstantní teplotu vytváří záření černého tělesa, přičemž charakteristika takového záření je určována pouze teplotou dutiny. Takovéto dutinové zářiče se velmi často používají jako zdroje záření pro kalibraci přístrojů využívajících (vyhodnocujících) IČ záření, tedy také např. pro infračervené kamery společnosti FLIR Systems.

Překročí-li teplota černého tělesa 525°C, zdroj začíná být viditelný, protože pro lidské oko se již nejeví jako černý. Je to počáteční stav tzv. červené sálavé teploty zářiče, která potom (při zvyšování teploty) přechází do barvy oranžové resp. žluté. Definice tzv. teploty barvy vyjadřuje, že je to taková teplota, na kterou by muselo být zahřáto černé těleso, aby mělo stejnou barvu, jako objekt.

Vztahy, kterými se vyjádřuje vyzařování černého tělesa, jsou Plankův zákon, Wienův zákon posuvu, Stefan-Boltzmannův zákon.

Planckův zákon

Max Planck (1858–1947) popsal intenzitu spektrálního vyzařování pomocí následujícího vzorce:

kde:

W_λb - spektrální hustota intenzity vyzařování černého tělesa při vlnové délce λ.

c - rychlost světla = 3 x 10⁸ [m /sek].

h - Planckova konstanta = 6,6 × 10^-34 [J. sek].

k - Boltzmannova konstanta = 1,4 × 10^-23[J/K].

T - absolutní teplota [K] černého tělesa.

λ - vlnová délka [μm].

Obrázek 6-2: Intenzity spektrálního vyzařování černého tělesa při různých absolutních teplotách znázorněno podle Planckova zákona. 1: spektrální hustota intenzity vyzařování [W/(cm²μm)]; 2: vlnová délka [μm]

Znázorníme-li graficky Planckův zákon (rovnici), dostaneme soustavu křivek. Při zkoumání kterékoli z takto získaných křivek zjistíme, že při λ = 0 se spektrální hustota vyzařování rovná nule. Se zvyšující se vlnovou délkou křivka prudce stoupá, až dosáhne maxima v λ_max. Poté se začíná při velkých hodnotách vlnových délek opět přibližovat k nule. Čím je teplota tělesa vyšší, tím je kratší vlnová délka, při které dojde k dosažení maxima.

Wienův zákon posuvu

Toto je Wienův zákon (podle Wilhelma Wiena, 1864–1928), který matematicky vyjádřuje, že při vzrůstu teplot zářiče se barvy mění od červené k oranžové či žluté. Říká, že při záření černého tělesa je maximální energie vyzařována na vlnové délce , která se s rostoucí termodynamickou teplotou snižuje.

Diferenciací Planckova zákona se zřetelem na λ a nalezení maxima získáme:

b - Wienová konstanta 2,898 [mmK]

T - Teplota [K]

Příklady :

Slunce má teplotu 5780 K

Této teplotě odpovídá vlnová délka 0,5µm

Sírius má teplotu 11000 K

Této teplotě odpovídá vlnová délka 0,27µm v oblasti ultrafialového záření, pro lidské oko neviditelné.

Při pokojové teplotě (300 K) je vlnová délka 9,7 μm, v dlouhém IČ záření.

Obrázek 6-3: Planckův vyzařovací zákon znázorněný v semi-log. stupnici od 100 do 1000 K. Čárkovaná křivka představuje spojnici největšího vyzařování (max.) každé teploty, jak je popsáno Wienovým zákonem posuvu. 1: spektrální hustota intenzity vyzařování [W/(cm²μm)]; 2: vlnová délka [μm].

Stefan-Boltzmannův zákon

Integrací Planckova zákona od λ = 0 na λ = ∞, získáme celkové vyzařování

(Wb) černého tělesa:

Tento Stefan-Boltzmannův vzorec (Josef Stefan, 1835-1893, a Ludwig Boltzmann, 1844-1906), říká, že výsledný vyzařovaný výkon černého tělesa je úměrný čtvrté mocnině jeho absolutní teploty. Graficky je výkon W_b znázorněn plochou pod křivkou vytvořenou podle Planckova zákona pro určitou teplotu. Může být vyjádřeno, že vyzařování v intervalu 0 až max je pouze 25 % výsledného záření, což je skoro stejně jako hodnota slunečního záření ve viditelné části elektromagnetického spektra.

Použitím Stefan-Boltzmannova vztahu k výpočtu energie vyzařovaném lidským tělem při teplotě 300 K a při velikosti povrchu těla asi 2 m² , bychom vypočetli, že tento výkon by byl cca 1 kW. Taková ztráta výkonu by byla nepřípustná, pokud by nebyla kompenzována absorbováním záření od okolního prostředí při pokojových teplotách, které se příliš neliší od teploty těla, a samozřejmě také oblečením.

Nečerné zářiče

Dosud jsme se zmiňovali pouze o černých tělesech a jejich záření. Avšak reálné objekty (tělesa) resp. jejich záření se neřídí v delších rozmezích vlnových délek stejnými zákony, které platí pro černé těleso, přestože v určitých intervalech vlnových délek tomu tak může být. Určitý typ bílé barvy se například jeví dokonale bílý ve viditelné části spektra vlnové délky, kolem 2 μm se stává výrazně šedý, od 3 μm a více je téměř černý.

Existují tři skutečnosti (složky záření), které mohou odlišovat reálný objekt od černého tělesa: část dopadajícího záření α může být pohlcována, část záření ρ může být odrážena a část τ může tělesem prostupovat. Tyto složky jsou víceméně závislé na vlnové délce, a proto se k jejich vyjádření používá spektrální závislost λ.

Proto:

     - Spektrální pohltivost α_λ = poměr energie pohlcené spektrálním zářičem a celkovým tokem.

     - Spektrální odrazivost ρ_λ = poměr energie odražené spektrálním zářičem a celkovým tokem.

     - Spektrální propustnost τ_λ = poměr energie propuštěné spektrálním zářičem a celkovým tokem.

Součet všech tří faktorů je vždy roven jedné a to bez ohledu na vlnovou délku, takže výsledný vztah je potom:

Pro nepropustné materiály platí τ_λ = 0, a výše uvedený vztah se potom zjednoduší na:

K popisu poměru ε záření vyzařovaného objektem a záření, které by vyzařovalo černé těleso při stejné teplotě, se používá jiný činitel nazývaný emisivitou.

Dostáváme se tedy k definici:

Spektrální emisivita ε_λ = poměr mezi energií spektrálního zářiče objektu a energií černého tělesa při stejné teplotě a vlnové délce. Poměr mezi spektrálním vyzařováním obecného objektu a černého tělesa lze vyjádřit matematicky takto:

Obecně vyjádřeno, existují tři typy zdrojů záření, které se odlišují podle způsobů, jak se mění spektrální vyzařování v závislosti na vlnové délce.

     - Černé těleso, pro které platí ελ = ε = 1.

     - Šedé těleso, pro které platí ελ = ε = konstanta, která je menší než 1.

     - Selektivní zářič, jehož ε závisí na vlnové délce.

Podle Kirchhoffova zákona platí pro každý materiál, že spektrální vyzařování

a spektrální pohltivost se sobě rovnají a to při jakékoliv teplotě a vlnové délce. Platí tedy:

Pro nepropustné materiály platí tedy (α_λ + ρ _λ = 1):

U vysoce lesklých materiálů se ε _λ blíží k nule, takže pro dokonale vyleštěný materiál (tj. dokonalé zrcadlo) s vysokou odrazivostí platí:

Pro šedý zářič platí potom Stefan-Boltzmannův vztah:

Znamená to tedy, že při stejných teplotách šedého zářiče a černého tělesa je výsledná energie vyzařovaná šedým zářičem, v porovnání s vyzařovanou energií černého tělesa, menší úměrně k hodnotě ε z šedého tělesa.

Obrázek 6-4: Spektrální hustota intenzity vyzařování tří druhů zářičů. 1: spektrální hustota intenzity vyzařování; 2: vlnová délka; 3: černé těleso; 4: selektivní zářič; 5: šedé těleso.

Obrázek 6-5: Spektrální emisivita tří druhů zářičů. 1: spektrální emisivita; 2: vlnová délka; 3: černé těleso; 4: šedé těleso; 5: selektivní zářič.

6.3.3 Materiály polopropustné pro IČ záření

Uvažujme nyní o nekovovém polopropustném tělese – pro jednoduchost o silné desce z plastu. Po jejím zahřátí radiace generovaná v hmotě desky musí projít až na povrch, tj. skrze materiál desky, ve kterém je částečně pohlcována. Navíc je část záření, které se dostane na povrch, odraženo zpět do desky. Odražené záření je opět částečně pohlcováno, přičemž část, která se dostane až k druhému povrchu, se ve větší míře vyzáří a část se odrazí zpět do desky. Přesto, že postupné odrážení záření do nitra hmoty je stále slabší a slabší, musí se vzájemně sečíst, aby bylo možné stanovit výsledné vyzařování desky. Po sečtení výsledné geometrické řady získáme potom pro určení výsledné emisivity tento vztah:

Když jde o nepropustnou desku, tato rovnice se zjednoduší takto:

Tento poslední vztah je velmi vhodný, protože v řadě případů je mnohem jednodušší změřit odrazivost než emisivitu.

6.4 Techniky měření teplot

Infračervená kamera měří a zobrazuje objektem vyzařované infračervené záření. Skutečnost, že záření přímo závisí na povrchové teplotě objektu, umožňuje kameře tuto teplotu vypočítat a zobrazit.

Radiace měřená kamerou nezávisí pouze na teplotě objektu, ale také na emisivitě. Záření také vzniká v okolním prostředí a odráží se od objektu. Záření objektu a odražené záření jsou rovněž ovlivněny pohlcováním při průchodu atmosférou.

K přesnému měření teploty je proto nutné kompenzovat účinky různých zdrojů radiace. Kompenzaci kamera provádí automaticky za provozu. Do kamery je však nutné zadat následující parametry objektu:

     - emisivita objektu

     - odražená teplota

     - vzdálenost mezi objektem a kamerou

     - relativní vlhkost

6.4.1 Emisivita

Nejdůležitější parametr objektu, který musí být správně určen, je emisivita. Emisivita objektu je - stručně řečeno - poměr množství záření emitovaného objektem a záření dokonalého černého tělesa.

Vyzařování běžných materiálů a upravených povrchů vykazuje emisivitu přibližně v rozsahu od 0,1 do 0,95. Silně vyleštěný povrch (zrcadlo) má emisivitu nižší než 0,1, kdežto oxidovaný nebo natřený povrch má emisivitu mnohem vyšší. Olejové barvy mají ve viditelném spektru emisivitu, nezávisle na jejich barvě, větší než 0,9. Lidská pokožka má emisivitu blízkou 1.

Neoxidované kovy jsou extrémním případem skoro naprosté nepropustnosti a vysoké odrázivosti, která se moc nemění v různých vlnových délkách. Proto je emisivita kovů nízká a zvyšuje se pouze s teplotou. Nekovy mají většinou vysokou emisivitu, která se s teplotou snižuje.

6.4.2 Odražená teplota okolí

Tento parametr se užívá ke kompenzaci záření odraženého od objektu a záření emitovaného atmosférou mezi kamerou a objektem.

Je-li emisivita nízká, vzdálenost vysoká a teplota objektu relativně blízká teplotě okolí, je velmi důležité nastavit a kompenzovat hodnotu okolní teploty.

6.5 Úvod do stavební termografie

6.5.1 Typická použití zjišťování závad

Vyšetřování závad a nedostatků stavebních objektů a konstrukcí je možné rozdělit do několika částí a pro každou část jsou stanoveny určité směrnice popisující postupy při infračervené termografii.

Základní informace:

     - Emisivita většiny stavebních materiálů je mezi 0,85 až 0,95. Pro začátek je doporučeno nastavit emisivitu na 0,90.

     - Pro komplexní vyhodnocení nemusí být postačující použití pouze IČ termografie. Je doporučeno použít další metody či podklady jako stavební dokumentace, měřiče vlhkosti, měření a záznam vlhkosti a teploty, měřiče plynů atd.

     - Změnami hodnot úrovně a rozmezí termogramů je možné získat více detailů. Na obrazcích termogramech níže je zobrazen rozdíl mezi teplotně „nepřizpůsobeným" a „přizpůsobeným" termogramem.

Obrázek 6-6: Teplotně „nepřizpůsobený" termogram.

Obrázek 6-7: Teplotně „přizpůsobený" termogram po změně úrovně a rozmezí

Pokyny pro zjišťování vlhkosti, plísní a poškození vodou:

     - Závady na objektech odpovídající poškozením vlhkostí a poškozením vodou mohou být zobrazeny pouze tehdy, když je zahřát povrch, např. Sluncem.

     - Změny (obsahu) vody ve stavebních materiálech mají za následek změny jejich tepelných vodivostí a tepelné kapacity. To může způsobit také změny teploty povrchu evaporačním ochlazováním. Tepelná vodivost je schopnost vedení tepla, zatímco tepelná kapacita je schopnost ukládat určité množství tepla.

     - · IČ termografie nemůže nalézt přítomnost plísní, ale může najít místa s teplotou pod hranicí rosného bodu kde dochází ke kondenzaci. Plísně se velmi dobře uchytí na vlhkých podkladech se zbytky organických látek při teplotách 4 až +38 °C. Chráněné prostředí s vlhkostí nad 80% může být vhodným prostředím pro jejich růst.

Pokyny pro zjišťování infiltrace vzduchu a závad izolací:

     - Pro přesná měření IČ kamerou změřte teplotu a vložte tuto hodnotu do kamery.

     - Zajistěte aspoň minimální rozdíl tlaku mezi interiérem a exteriérem. To usnadní rozbor termogramů a odhalí chyby, které by nebylo možné jinak zjistit. I když se doporučuje rozdíl tlaků (podtlak) 10 – 50 Pa, je možné akceptovat i nižší hodnotu. Aby bylo možné podtlaku dosáhnout, zavřete okna, dveře, ventilační potrubí a zapněte odsávání v kuchyni (použitelné pouze u rodinných domů).

     - · Doporučuje se, aby rozdíl teplot (mezi vnitřní a vnější teplotou) byl 10 – 15 °C. IČ termografii je možné provádět také při menších rozdílech teplot, ale rozbor termogramů je někdy dost obtížný.

     - Je vhodné provádět měření, pokud na objekt nebo na jeho měřenou část, svítí Slunce. Sluneční záření způsobí vyrovnání případných teplotních rozdílů a bude tak zakrývat chyby v konstrukci objektu. Jarní období s nízkými nočními teplotami (±0 °C) a vysokými denními teplotami (+14 °C) není vhodné pro tento typ měření.

6.5.2 Zjišťování vlhkosti

Vznik vlhkostí ve stavebních konstrukcí může mít několik příčin:

     - Průsaky z vnějšku - velká voda (záplavy), netěsnosti (požárních) hydrantů apod.

     - Průsaky z vnitřku – netěsnosti vodních a odpadních vedení.

     - Kondenzaci – vysokou vlhkost vzduchu, která se sráží v podobě vody na studených površích.

     - Vlhkost stavebních konstrukcí - vlhkost ve stavebních materiálech a prvcích, která vznikla před montáží objektu.

     - Zbylou vlhkost po hašení požáru apod.

Nedestruktivní diagnostická metoda prováděná pomocí IČ kamery má oproti jiným metodám řadu předností, ale také několik nedostatků:

Zjišťování vlhkostí– Střechy s malým spádem

Střechy s malým spádem nebo ploché střechy jsou většinou používané typy střech pro průmyslové stavby, jako jsou sklady, výrobní haly apod. Základní výhodou či předností tohoto typu střech je jejich jednoduchá konstrukce a nízká cena použitých stavebních materiálů.

Nevýhodou je uzavřená skladba materiálů, které nelze bez porušení hydroizolace posoudit.

Potenciální místa vzniku závad:

     - Oplechování, lemování stěn a světlíků.

     - Žlaby, svody, úžlabí a okapy.

     - Vpusti a svody.

     - Dilatace.

     - Výdutě, bubliny.

Závady:

     - Chybné utěsnění kolem odvodnění a větracích a klimatizačních vedení.

     - Chybné uzavření střešního okna a průlezu.

     - Odvodňovací kanály (vedení) jsou umístěny příliš vysoko a mají malý sklon (v kanálech může zůstat po dešti voda).

     - Chybné utěsnění mezi střechou a vstupem do odvodnění.

Obrázek 6-8: Chybné utěsnění kolem prostupu nad střechu.

Obrázek 6-9: V odvodňovacích kanálech může zůstávat po dešti voda.

Vlhká izolace má větší tepelnou kapacitu, bude delší dobu teplejší a tuto skutečnost bude možné zviditelnit v termogramu. Technika je částečně efektivní na střechách s nasákavou izolací, jako je například dřevní vlákno, skelná vata a perlit. Infračervená kontrola střech s nenasákavými izolacemi je obtížná, protože v termogramech nejsou tak výrazné změny.

Obrázek 6-10: Místo s vlhkostí, jak byla zaznamenána během večera. Protože stavební materiál s větší vlhkostí má zvýšenou tepelnou kapacitu, jeho teplota klesá pomaleji než jeho okolí.

Vyhledávání příčin zvýšené vlhkosti obvodových plášťů

Termografie je schopna odhalit místa se zvýšenou vlhkostí rychleji a efektivněji, než při hledání vlhkosti pomocí sond.

Závady:

     - Dopadající déšť odstřikuje do prostoru nízkopoložené ložné spáry.

     - Dopadající déšť vniká kolem rohu okna do zdiva a zatéká přes omítku pod oplechování.

     - Hnaný déšť proniká trhlinkami v omítce. Voda se dostává pod omítku, tvoří vlhké mapy a v zimě po zamrznutí, dokáže nenávratně zničit celou vlhkou plochu.

Obrázek 6-11: Dopadající déšť zatéká pod oplechování parapetu.

Obrázek 6-12: Dopadající déšť na fasádu proniká trhlinkami v omítce.

Obrázek 6-13: Nesprávně zakončená (nezaizolovaná) lepenka u okenního rámu a chybějící oplechování má za následek průnik vlhkosti do konstrukce parapetu.

Zjišťování vlhkostí– podlahy a balkóny

Ačkoliv existují rozdíly v provedení, materiálech a konstrukcích, dochází k poškozování balkonů z obdobných příčin jako u plochých střech s malým spádem. Nesprávné oplechování, nedostatečné těsnící materiály a nevhodná odvodnění mohou způsobovat závažná poškození ve stavebních konstrukcích.

Balkony, i když jsou většinou malých rozměrů, vyžadují obdobnou péči při návrhu konstrukcí, výběru materiálů a nároků na kvalitu práce jako ostatní časti konstrukce objektu. Vlhkost způsobuje korozi betonu a výztuže, což může způsobovat závady a vést k nebezpečným situacím.

Závady:

·

     - Chybějící oplechování ve spoji stěny a dlažby má za následek pronikání vody do konstrukce a izolace.

·

     - Voda vniká do konstrukce v důsledku nedostatečného sklonu rampy a vede k rozpadu betonu a poškození výztuže.

·

     - Voda vniká spárou v místě kotvení zábradlí v důsledku chybného konstrukčního řešení.

Obrázek 6-14: Nekvalitní zaizolování odvodnění střechy.

Obrázek 6-15: Chybějící oplechování ve spoji stěny a dlažby.

Obrázek 6-16: Chybějící oplechování na balkóně (v místě styku balkonu a zdi) a chybějící odvodnění způsobuje vznik vlhkosti ve dřevěném rámu podpírající venkovní konstrukci podlahy balkónu.

Zjišťování vlhkostí– praskliny a díry v instalačních rozvodech

Voda z prasklin v instalačních rozvodech často způsobuje vážná poškození ve stavebních konstrukcích. Je obtížné zjišťovat malá poškození v rozvodech vody, ale ty mohou v průběhu několika let způsobit ne jiných konstrukcích nezanedbatelné škody.

Použitím IČ stavební termografie je možné odhalovat závady v instalačních rozvodech a tak předcházet pozdějším nákladným opravám.

Obrázek 6-17: Vlhkost podél ocelového nosníku stropu rodinného domu, vznikající v důsledku prasklého vodovodního potrubí.

6.5.3 Infiltrace vzduchu

Infiltrace je pronikání vzduchu přes netěsnosti oken a stěn do interiéru objektu. Infiltrace se mění podle síly větru a podle rozdíl tlaků mezi vnějším a vnitřním prostředím. Uvedený stav může podstatně ovlivnit provoz větrání, nebo klimatizace.

Proud vzduchu s malou rychlostí (cca 0,15 m/sec), přes ukryté spáry ve stěnách je obvykle pozorován obyvateli, i když proud vzduchu o takové malé rychlosti může být obtížně zjišťován běžnými měřícími prostředky.

Na termogramu může být vzduchová infiltrace dobře rozpoznatelná hlavně proto, že vnikající vzduch má nižší teplotu a v místech se sníženou nebo nedostatečnou izolací vytváří na povrchu místa s nižšími teplotami.

Závady:

     - Nedostatečná či chybějící izolace.

     - Infiltrace vzduchu v prostoru podlahy.

     - Infiltrace vzduchu do místnosti pod lištou či soklem.

     - Nedostatečné těsnění oken.

Obrázek 6-18: Infiltrace vzduchu způsobená prasklinami ve fasádě.

Obrázek 6-19: Infiltrace vzduchu za krycí lištou. Bílá plocha je radiátor topení.

6.5.4 Závady v izolacích vzduchu

Závady v izolacích nemusí vést nezbytně k infiltraci vzduchu. Pokud jsou pásy izolace zminerálního vlákna nesprávně instalovány, vzniknou vzduchové kapsy ve stavební konstrukci. Protože vzduchové kapsy mají jinou tepelnou vodivost, než má vlastní izolace, můžou se zaměřit IČ termografii.

Některé části stavebních konstrukcí mohou vypadat na termogramech jako místa s nedostatečnou či chybějící izolací:

     - dřevěné nosníky, podpěry, trámy, stropnice,

     - ocelové nosníky,

     - rozvody vody ve stěnách, stropech a podlahách,

     - elektrické instalace ve stěnách, stropech a podlahách,

     - betonové sloupy obložené dřevem ve zděných stěnách,

     - ventilační a klimatizační rozvody.

Závady:

     - Závada v izolaci způsobená nekvalitní instalací pásů izolace kolem el. rozvodu (zásuvky).

     - Závada v izolaci způsobená nekvalitní instalací pásů izolace kolem podlahového nosníku podkroví. Studený vzduch infiltruje do konstrukce a ochlazuje vnitřek stropu. Tyto závady se projeví tmavší oblastí v termogramu.

Obrázek 6-20: Závada v izolaci ve střední části stropu, která může být způsobena chybějící nebo nesprávně instalovanou izolací (vzduchová kapsa).

6.5.5 Vyhodnocení termogramů

Hlavním úkolem stavební infračervené termografie je vyhledávání závad v konstrukcích. Odchylky a nepravidelnosti v termogramu většinou ukazují na závady v izolacích a v netěsnosti konstrukcí. Aby mohly být komentovány a hodnoceny tyto odchylky, je nutné znát fyzikální, meterologické a konstrukční podmínky. Naměřené termogramy v terénu musí být proto doplněny podrobnými informacemi o konstrukci i o podmínkách za kterých proběhlo snímkování infračervenou termografií.

Proto je vlastní termografie doplňována fotodokumentací a kontrolním snímáním povrchových teplot dotykovými teploměry. Pro kvalitní dokumentaci je vhodné zjišťovat i povrchovou vlhkost vlhkoměry.

6.5.6 Ukázky vyhodnocení termogramů :

Obrázek 6-21: Ukázky vyhodnocení termogramů

Obrázek 6-22: Ukázky vyhodnocení termogramů

Obrázek 6-23: Ukázky vyhodnocení termogramů

Obrázek 6-24: Ukázky vyhodnocení termogramů

Obrázek 6-25: Ukázky vyhodnocení termogramů

Povrchová teplota suterénních panelů je teplejší než parapetní plynosilikátové panely. Suterénní panely, mají menší tepelný odpor jako parapetní panely a nebrání úniku tepla.

Obrázek 6-25: Ukázky vyhodnocení termogramů

Lodžiová stěna jako tepelný most zahřívá celý roh okenního pásu. Kontaktní izolace jen zakonzervuje uvedený stav.

Obrázek 6-27: Ukázky vyhodnocení termogramů

Teplota rámu okna svědčí o úniku tepla řádově větším něž umožňuje obvodový plášť.

Obrázek 6-28: Ukázky vyhodnocení termogramů

Liniový tepelný most v místě přechodu stěny do stropu a v místě spár mezi panely.

Obrázek 6-29: Ukázky vyhodnocení termogramů

Tepelný most ve spodní části okenní vložky je zde příčinou trvalé kondenzace .

Obrázek 6-30: Ukázky vyhodnocení termogramů

Práh u balkónových dveří je pravděpodobně z betonu s izolací z venkovní strany a v době snímkování byl zahřátý na teplotu vnitřního vzduchu? Zdvojené dveře ve stejném místě jsou ochlazovány o deset stupňů.

Obrázek 6-31: Ukázky vyhodnocení termogramů

Repasované zdvojené okno systémem nového zasklení vnějšího křídla tepelně izolačním sklem s tenkou zasklívací lištou. Takový rámeček nebrání vzniku kondenzátu stejně, jako spáry okna ve spodní části.

SHRNUTÍ KAPITOLY

Historie infračervené techniky

Před méně než 200 lety neexistovaly ani úvahy o infračervené části elektromagnetického spektra. Původní význam infračervené části spektra, nebo prostě „infračerveného záření", jak se často nazývá, jako druhu tepelného záření je dnes možná méně zřejmý než v roce 1800, kdy toto záření objevil badatel Herschel.

Základní teorie termografie

Termografie je zobrazovací technika využívající k vytvoření obrazu (termogramu) změny fyzikálních nebo chemických vlastností tepelně citlivých látek. Využívá vlnové pásmo infračerveného (IČ) záření.

Hranice začátku pásma krátkovlnného IČ záření je tam, kde končí viditelné. Hranice konce pásma dlouhovlnného IČ záření je tam, kde začíná pásmo mikrovlnných vlnových délek, tj. v pásmu několika milimetrů vlnové délky.

Výhody a nevýhody diagnostiky závad termografickými systémy

Termovizní snímkování využijí například investoři před kolaudací nebo koupí nemovitostí. Při dozorování staveb lze ověřit spojitost vrstvy tepelné izolace i po zakrytí dalšími vrstvami. Okamžitě lze ověřit těsnost montovaných obvodových plášťů, připojovacích a funkčních spár výplní otvorů, atd.

Diagnostiku termovizní kamerou je ve většině případů vhodné provádět během topné sezóny, tj. září až květen, a to v ranních hodinách.

LITERATURA

[1.]   ČMIEL F. Termografie a její možnosti využití pro diagnostiku poruch. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava, Ostrava: VŠB - TU Ostrava, 2006, , str. 137-142, ISBN 80-248-1248-7.

[2.]   VAVERKA J. A KOL. Stavební tepelná technika a energetika budov. Brno: VUTIUM, 2006 ISBN 80-214-2910-0.

[3.]   Příručka uživatele ThermaCAM™ E45. FLIR SYSTEMS. 2004. Publ. No. 1558044.