ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ - ΣΧΟΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΤΟΜΕΑΣ 4 ΣΥΝΘΕΣΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΙΧΜΗΣ ΕΙΔΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΟΜΗΣΙΜΩΝ ΥΛΩΝ 5 ΟΥ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ : Γ.-ΦΟΙΒΟΣ ΣΑΡΓΕΝΤΗΣ, Δρ. Πολ. Μηχανικός, Ε.ΔΙ.Π. ΦΛΩΡΑ-ΜΑΡΙΑ ΜΠΟΥΓΙΑΤΙΩΤΗ, Δρ. Αρχ. Μηχανικός, Επικ.Καθηγήτρια
Ορισμός Η θερµογραφία είναι µία µέθοδος µε την οποία ανιχνεύουµε τις θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στις επιφάνειες διαφόρων υλικών. Με την µέθοδο αυτή προσδιορίζουµε και ερµηνεύουµε τις θερµοκρασιακές διαφορές που εµφανίζονται στα υλικά και στην κατασκευή εν γένει και εξάγουµε συµπεράσµατα ως προς την ορθή θερµική θωράκισή της. (Κορωναίος, Α. & Σαργέντης, Γ.-Φ., 2003, Θερμογραφία, Δημοσιεύσεις Εργαστηρίου Τεχνικών Υλικών, τ.2, Αθήνα: Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, [Online] Available, http://www.ntua.gr/vitruvius)
«Η θερμότητα είναι η ενέργεια που μεταδίδεται από ένα σώμα σε ένα άλλο ως αποτέλεσμα μιας διαφοράς θερμοκρασίας» Η θερμότητα ρέει από το θερμό προς το ψυχρό
Η θερμική συμπεριφορά των υλικών Θερμική συμπεριφορά των υλικών = Συμπεριφορά ως προς τις διαδικασίες μετάδοσης θερμότητας Οι διαδικασίες μετάδοσης θερμότητας : Α. Αγωγή Β. Μεταφορά Γ. Ακτινοβολία
Διαδικασίες μετάδοσης θερμότητας Α. Αγωγή Η Εξίσωση Θερμικής Αγωγής του Fourier (Fourier s Law of Conduction) για μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας σε μόνιμη κατάσταση, όταν T 1 T 2 : T 1 q = λ. dt ή q = λ. T 1 - T 2 A dx A x 2 - x 1 Δ x όπου : q: ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας [W] A: η επιφάνεια [m 2 ] λ: ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας [W/m.K] dt: dx: η διαφορά θερμοκρασίας [K] το πάχος υλικού [m] q T 2
Διαδικασίες μετάδοσης θερμότητας Β. Μεταφορά Η Εξίσωση μεταφοράς του Newton (Newton s Law of Cooling) για μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας σε μόνιμη κατάσταση, όταν T s T f : T s όπου : q = h. (T s T f ) A q: ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας [W] A: η επιφάνεια [m 2 ] h: ο συντελεστής θερμικής μεταβίβασης [W/m 2 K] T s : T f : η θερμοκρασία της επιφάνειας [K] η θερμοκρασία του ρευστού [K] q T f
Διαδικασίες μετάδοσης θερμότητας Γ. Ακτινοβολία Ο Νόμος των Stefan-Boltzmann για μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας σε μόνιμη κατάσταση : όπου : q = ε. σ. Τ 4 A q: ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας [W] A: η επιφάνεια [m 2 ] ε: η εκπομπή 0 < ε < 1 σ: η σταθερά Stefan-Boltzmann 5,67x10-8 W/m 2 K 4 T: η θερμοκρασία του σώματος [K] όταν T 1 T 2 : όπου : T 1 και T 2 : q = ε. σ. [(Τ 1 ) 4 (Τ 2 ) 4 ]. F A 10 10 οι θερμοκρασίες των σωμάτων [K] q T 1 T 2
Μετάδοση θερμότητα με ακτινοβολία Γενικά στοιχεία Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που αυτό εκπέμπει. Στην πράξη: «Τόνος» = Θερμοκρασία
Μετάδοση θερμότητα με ακτινοβολία Συντελεστής εκπομπής Η απορρόφηση και η εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας είναι ανάλογες προς το συντελεστή εκπομπής του υλικού και ανάλογες προς τη θερμοκρασία του [Q/A = ε σ Τ 4 ] Τα περισσότερα κοινά οικοδομικά υλικά έχουν παρόμοιο συντελεστή εκπομπής (ίσο με περίπου 0,90-0,95). Αντίθετα, τα στιλβωμένα μέταλλα έχουν πολύ μικρό συντελεστή εκπομπής. Υλικό ε Λευκό μάρμαρο 0,56-0,95 Καινούργια άσφαλτος 0,93-0,95 Σκυρόδεμα 0,90 Τούβλα 0,90 Στιλβωμένο αλουμίνιο 0,10-0,35
Μετάδοση θερμότητα με ακτινοβολία Συντελεστής εκπομπής ε = Ε / Εb όπου : ε: ο συντελεστής εκπομπής Ε: η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα σώμα [W/m 2 ] Εb: η ενέργεια που εκπέμπεται από το μέλαν σώμα [W/m 2 ] q Τ=20 ο C q Ουρανός, Τ=0 ο Κ Τ=20 ο C Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής εκπομπής, τόσο Στιλβωμένο αλουμίνιο, ε=περ.0,1 Αλουμίνιο βαμμένο λευκό, ε=περ.0,8 μεγαλύτερη είναι και η δυνατότητα ενός υλικού να απορροφάει (όταν είναι ψυχρότερο) ή να εκπέμπει (όταν είναι θερμότερο) -ανάλογα με τις q Τ=20 ο C Θερμή επιφάνεια, Τ=40 ο C q Τ=20 ο C συνθήκες- τη θερμική ακτινοβολία. Στιλβωμένο αλουμίνιο, ε=περ.0,1 Αλουμίνιο βαμμένο λευκό, ε=περ.0,8
Θερμογραφία Γενικά στοιχεία Η θερµογραφία ή η υπέρυθρη φωτογράφιση, ανιχνεύει την εκποµπή θερµικής ακτινοβολίας και προκύπτει οπτική απεικόνιση του θερµικού σήµατος (θερµογράφηµα). Δεν µέτραται απ ευθείας η θερµοκρασία µιας επιφάνειας, αλλά η µεταβολή της επιφανειακής ακτινοβολίας. Βασίζεται στην αρχή ότι κάθε επιφάνεια εκπέµπει ενέργεια µε την µορφή της θερµικής ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία ανιχνεύεται µε κατάλληλες ανιχνευτικές διατάξεις (θερµοκάµερες) οι οποίες παράγουν ηλεκτρικό σήµα ανάλογο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας το οποίο µε κατάλληλη βαθµονόµηση εκφράζεται σε θερµοκρασία.
Θερμογραφία Παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμογράφηση Οι φυσικές παράµετροι που επηρεάζουν την υπέρυθρη ακτινοβολία που µετράται κατά την θερµογράφηση είναι: Η ικανότητα εκποµπής υπέρυθρης ακτινοβολίας της επιφάνειας (συντελεστής εκποµπής) Η επιφανειακή θερµοκρασία Η θερµική αγωγιµότητα Η θερµοχωρητικότητα Το πάχος του θερµαινόµενου στρώµατος και Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι µετρήσεις επηρεάζονται από τον συντελεστή εκποµπής του υλικού. Γενικά τα δοµικά υλικά έχουν µεγάλο συντελεστή εκποµπής (µεγαλύτερο από 0,8).
Θερμογραφία Χρήσεις / Αξιοποίηση στην φυσική κτιρίων και κατασκευών Με την θερµογραφία εντοπίζουµε : α. Θερµικές γέφυρες στο κέλυφος του κτηρίου β. Σηµεία διαφυγής θερµού αέρα από το κτήριο γ. Αγωγούς θερµού, κρύου νερού ή αέρα µέσα στην κατασκευή ενός κτηρίου δ. Διαφορετικά υλικά µέσα σε µία κατασκευή (π.χ. ξύλο, πέτρα ή σκυρόδεμα πίσω από μία ενιαία επιχρισμένη επιφάνεια) ε. Ύπαρξη νερού µέσα στα υλικά ζ. Υποεπιφανειακές ανωµαλίες στα υλικά (εσωτερικές ανωμαλίες, κενά ή ρωγμές)
Θερμογραφία Συνθήκες μέτρησης στα κτίρια Εντοπισμός θερμικών γεφυρών (κακής θερμομόνωσης) Εντοπισμός διαφυγής θερμού αέρα Εντοπισμός αγωγών Ύπαρξη διαφορετικών υλικών πίσω από ενιαία επιφάνεια Ύπαρξη εσωτερικών ανωμαλιών, κενών ή ρωγμών σε επιφάνειες Εντοπισμός υγρασίας στα υλικά Ιδανικές συνθήκες: Ελάχιστη ή καθόλου ηλιακή ακτινοβολία Αποκατάσταση θερµικής ισορροπίας σε ένα κτήριο για αρκετό χρονικό διάστηµα Ύπαρξη µεγάλων θερµοκρασιακών διαφορών ανάµεσα στο εσωτερικό και τον εξωτερικό χώρο του κτηρίου Ιδανικές συνθήκες: Ροή ζεστού ή ψυχρού υγρού ή αέρα µέσα στους αγωγούς Ιδανικές συνθήκες: Καθαρός ουρανός Έντονη ηλιακή ακτινοβολία Ασθενείς άνεµοι Θερµοκρασία εδάφους πάνω από 0 C Κατά την νυχτερινή θερµογράφιση δεν θα πρέπει να υπάρχουν σύννεφα (γιατί αντανακλούν την υπέρυθρη ακτινοβολία) Η θερµογράφιση να γίνεται όταν ο ρυθµός µεταβολής της θέρµανσης ή της ψύξης είναι µεγάλος δηλαδή είτε νωρίς το πρωί είτε αµέσως µετά την δύση του ηλίου Κατάσταση υλικού: Καθαρισµός της επιφάνειας από χαλαρά υλικά Να µην γίνεται έλεγχος σε επιφάνειες µε νερό, πάγο ή χιόνι. Οι υγρές επιφάνειες να στεγνώσουν επί τουλάχιστον ένα εικοσιτετράωρο (εκτός των περιπτώσεων ανίχνευσης νερού µέσα στα υλικά) πηγή : Κορωναίος, Α. & Σαργέντης, Γ.-Φ., 2003, Θερμογραφία, Δημοσιεύσεις Εργαστηρίου Τεχνικών Υλικών, τ.2, Αθήνα: Ε.Μ.Π., [Online] Available, http://www.ntua.gr/vitruvius
α. Θερμικές γέφυρες Γενικά στοιχεία Ορισμός : Τµήµατα ή δοµικά στοιχεία στο κέλυφος του κτιρίου, όπου η θερµική τους αντίσταση η οποία εν γένει είναι οµοιόµορφη, µεταβάλλεται κατά αισθητό τρόπο. Στα στοιχεία αυτά γίνεται µια γρήγορη γεφύρωση της θερµοκρασίας µεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος, εφόσον δεν υπάρχει θερµοµονωτικό στοιχείο που να τη διακόπτει. Αίτια : Ολική ή µερική παρεµβολή στο οµοιογενές τµήµα του κελύφους, ενός στοιχείου µε διαφορετική θερµική αγωγιµότητα. Αλλαγή πάχους στη δοµή του τµήµατος του κελύφους. Ύπαρξη διαφοράς εµβαδού µεταξύ εσωτερικής και εξωτερικής πλευράς (γωνιακές συναντήσεις διαφόρων στοιχείων). Στις θερμογέφυρες : Μειωµένη θερµική αντίσταση Αυξηµένος συντελεστής θερµοπερατότητας Χαμηλότερες επιφανειακές εσωτερικές θερµοκρασίες από των αντίστοιχων οµοιογενών στοιχείων (τείνουν να πλησιάσουν, τη χειµερινή περίοδο, την θερµοκρασία του εξωτερικού αέρα). πηγή εικόνων: http://www.dow.com
α. Θερμικές γέφυρες Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Εντοπισμός : -Πρέπει το σύστηµα εσωτερικό-περιβάλλον χώρος να βρίσκεται σε ισορροπία. Χειμώνας : Θέρμανση εσωτερικών χώρων / Χαµηλές θερµοκρασίες περιβάλλοντος / Ικανοποιητική διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ εσωτερικού και εξώτερου χώρου (τουλάχιστον 20 C). -Πρέπει το σύστηµα να έχει ισορροπήσει. Η θερµοκρασιακή διαφορά να έχει παραµείνει σταθερή για τουλάχιστον 3 ώρες. -Δεν πρέπει να υπάρχει προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Νυχτερινά θερµογραφήµατα ή Πρωινά με ελάχιστη έως µηδενική ηλιοφάνεια. ***Οι καλοκαιρινοί µήνες, λόγω της έντονης ηλιακής ακτινοβολίας κατά τις πρωινές ώρες και της αποθηκευµένης θερµότητας που εκπέµπεται από τα υλικά τις νυχτερινές ώρες δεν είναι κατάλληλοι για την διεξαγωγή µετρήσεων.
Q ολ = Q 1 = Q 2 = Q 3 = α a * F * (t 2 - t La )*z όπου: t 2 t La η θερµοκρασία εξωτερικής επιφάνειας η θερµοκρασία περιβάλλοντος Όσο µεγαλύτερη είναι η διαφορά (t 2 - t La ) για την κατασκευή, τόσο µεγαλύτερη µεταφορά θερµότητας έχουµε από το εσωτερικό στο εξωτερικό της κατασκευής. Όψη και θερμογράφημα του Κτιρίου Υδραυλικής του Ε.Μ.Π. πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
β. Σημεία διαφυγής θερμού αέρα Γενικά στοιχεία / Εντοπισμός Στο σηµείο της διαρροής αέρα, η εξωτερική παρειά του τοίχου είναι περισσότερο θερµή από την υπόλοιπη τοιχοποιία ενώ η εσωτερική παρειά του τοίχου παρουσιάζει µικρότερη θερµοκρασία από την υπόλοιπη τοιχοποιία. Χαρακτηριστικά σηµεία τέτοιων διαφυγών είναι οι αρµοί των κουφωµάτων των παραθύρων ή θυρών και οι αρµοί µεταξύ στέγης και τοιχοποιίας. Η διαρροή θερµού αέρα παρουσιάζεται στην εξωτερική πλευρά του κελύφους στα θερµογραφήµατα σε διάταξη γραµµών.
β. Σημεία διαφυγής θερμού αέρα Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Όψη και θερμογράφημα της όψης του «Ξυλουργείου» στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο Λαυρίου (ΤΠΠΛ). Όψη και θερμογράφημα σε παράθυρο του «Ξυλουργείου» στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο Λαυρίου (ΤΠΠΛ). πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
γ. Αγωγοί θερμού/κρύου νερού ή αέρα Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Αγωγοί θερµού νερού εκτός της τοιχοποιίας της κατασκευής και αγωγοί θερµού νερού µέσα στο δάπεδο λουτρού. πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
δ. Διαφορετικά υλικά μέσα σε μια κατασκευή Γενικά στοιχεία / Εντοπισμός Τα διαφορετικά υλικά μέσα στο ίδιο κατασκευαστικό μέλος εντοπίζονται με τη θερμογραφία λόγω της διαφορετικής θερμικής αντίστασής τους και άρα λόγω της διαφορετικής ταχύτητας μεταφοράς της θερμότητας. Καλύτερος έλεγχος : Όταν το επίχρισµα έχει µικρό πάχος Δεν εξισορροπούνται οι θερµοκρασίες. Εντοπισμός (από το εσωτερικό του κτιρίου): Θερμές περιοχές : Μεγάλη θερµική αντίσταση Υψηλή θερµοκρασία. Ψυχρές περιοχές : Μικρή θερµική αντίσταση Χαμηλή θερµοκρασία. εσωτερικά εξωτερικά
δ. Διαφορετικά υλικά μέσα σε μια κατασκευή Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Όψη και θερμογράφημα τοίχου στο «Ξυλουργείο» στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο Λαυρίου (ΤΠΠΛ). Όψη και θερμογραφήματα τοίχου στο «Φαρμακείο» στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο Λαυρίου (ΤΠΠΛ). πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
ε. Ύπαρξη νερού μέσα στα υλικά Γενικά στοιχεία / Εντοπισμός Ύπαρξη νερού ή υγρασίας σε δοµικά υλικά = π.χ. Ύπαρξη νερού µέσω των τριχοειδών από το έδαφος. Κίνηση του νερού µέσω των τριχοειδών Διαφορετική θερµική συµπεριφορά του νερού λόγω µεγάλης θερµοχωρητικότητας Θερµοκρασιακές διαφορές στην επιφάνεια της κατασκευής. Κατά τις πρώτες πρωινές ώρες ή κατά τις πρώτες βράδυνες ώρες, το νερό βρίσκεται σε διαφορετική θερµοκρασία από την θερµοκρασία του υλικού Εντοπίζεται µέσα στα υλικά µε την βοήθεια θερµογραφηµάτων.
ε. Ύπαρξη νερού μέσα στα υλικά Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Όψη και θερμογράφημα τοίχου στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο Λαυρίου (ΤΠΠΛ). Όψη και θερμογραφήματα αρμού διαστολής στις Πλατείες Κέντρου της Πολυτεχνειούπολης Ζωγράφου. πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
ζ. Υποεπιφανειακές ανωμαλίες στα υλικά Γενικά στοιχεία / Εντοπισμός Υποεπιφανειακές ανωμαλίες στα υλικά = Αστοχία, ανωµαλίες και ασυνέχειες κάτω από την επιφάνειά τους. Οι κάτω από την επιφάνεια ανωµαλίες επηρεάζουν την ροή της θερµότητας. Ανωµαλίες ή ανοµοιοµορφίες του υλικού σε μικρό βάθος Η µεταβολή της θερµικής ροής συνεπάγεται και µεταβολή στις επιφανειακές θερµοκρασίες. Η απαραίτητη διαφοροποίηση στην ροή της θερµότητας επιτυγχάνεται µε : Τεχνητή θέρµανση µε την χρήση ειδικών θερµικών λαµπτήρων Φυσική µεταφορά θερµότητας - Κατά την θέρµανση στην αρχή της ηµέρας λόγω της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (θερµική ροή προς το εσωτερικό της κατασκευής). - Κατά την ψύξη το απόγευµα (εκποµπή θερµότητας από το εσωτερικό της κατασκευής προς το περιβάλλον). Δεν αποκλείεται ο εντοπισµός ανωµαλιών κάτω από την επιφάνεια χωρίς ιδιαίτερες θερµικές φορτίσεις.
ζ. Υποεπιφανειακές ανωμαλίες στα υλικά Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Όψη και θερμογραφήματα στο «Φαρμακείο» στο Τεχνολογικό Πολιτιστικό Πάρκο Λαυρίου (ΤΠΠΛ). Στην περιοχή όπου παρουσιάζεται γραµµική θερµοκρασιακή µεταβολή εµφανίζονται οι αγωγοί της ηλεκτρικής εγκατάστασης του κτηρίου. Με κόκκινο βέλος σηµειώνεται η θέση ρευµατοδότη. πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
Εμφάνιση «θερμικών κηλίδων» Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Όψη και θερμογράφημα σε κτίριο όπου υπάρχει θερμαντικό σώμα εσωτερικά, κάτω από το αριστερό παράθυρο. Όψη και θερμογράφημα στη «Βίλα Σερπιέρι» (ΤΠΠΛ) (θερµική κηλίδα πάνω από κλιµατιστικό). πηγή : Κορωναίος & Σαργέντης, 2003
Η θερμική συμπεριφορά των υλικών το καλοκαίρι Ερμηνεία θερμογραφημάτων / Εντοπισμός Όψεις και θερμογραφήματα περιοχών του κέντρου της Αθήνας κατά τη θερμή, θερινή περίοδο. πηγή : Ελευθεροτυπία