1. Θερμικές Ιδιότητες Δομικών Υλικών 1.1 Εισαγωγή Τα χαρακτηριστικά της μετάδοσης θερμότητας από οποιοδήποτε δομικό στοιχείο εξαρτώνται από τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, το πάχος των διαφόρων στρωμάτων που αποτελούν το υλικό, την γεωμετρία της κατασκευής (π.χ. επίπεδοι ή καμπύλοι τοίχοι κλπ) και στις συνθήκες περιβάλλοντος (εσωτερικά και εξωτερικά) στις επιφάνειες της κατασκευής. 1.2 Μετάδοση θερμότητας μέσω δομικών στοιχείων (Θερμική Αγωγιμότητα) Θερμική αγωγιμότητα είναι η ικανότητα που έχουν τα υλικά να επιτρέπουν τη θερμική ροή (διέλευση της θερμότητας) μέσω της μάζας τους και περιγράφεται από το συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ (W/mK στο σύστημα SI). Ο συντελεστής αυτός εκφράζει το ποσό θερμότητας Q λ που διαφεύγει στη μονάδα του χρόνου (συνήθως μία ώρα) μέσω επιφάνειας 1 m 2 υλικού πάχους 1 m, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επιφανειών του εν λόγω υλικού είναι 1 ο C (Σχ. 1). Σχ. 1.1: Σχηματική παράσταση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας [1]. H συνολική θερμότητα Q που διέρχεται μέσω σώματος επιφάνειας A και πάχους d σε χρόνο t, όταν η θερμοκρασιακή διαφορά των δύο παράλληλων επιφανειών του είναι ΔT, προκύπτει από τη σχέση: O συντελεστής λ μειώνεται με την αύξηση του πορώδους, ενώ αυξάνεται με το ποσοστό υγρασίας που περιέχει ένα υλικό, με την αύξηση της θερμοκρασίας (λόγω διαστολής των πόρων) και συνήθως με την αύξηση των διαστάσεων. Επίσης υλικά με κλειστούς και μικρούς πόρους έχουν μικρότερο λ από εκείνα με ανοικτούς και μεγάλους πόρους. Tο αντίστροφο του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας κ = 1/λ ονομάζεται συντελεστής θερμικής αντίστασης. H θερμική αντίσταση (ή αντίσταση θερμοδιαφυγής) σώματος πάχους d είναι R = κd = d/λ. Aν το στοιχείο αποτελείται από n διαδοχικά στρώματα διαφόρων υλικών (π.χ. τοιχοποιίες με θερμομόνωση, στοιχεία τύπου "σάντουιτς") με συντελεστές λ i (i = 1, 2,..., n) και πάχη d i, αντίστοιχα, η θερμική αντίσταση θα είναι:
Στην αντίσταση αυτή θα πρέπει να προστεθούν οι αντιστάσεις εισόδου, R i = 1/α 1, και εξόδου, R a = 1/α 2 (αντιστάσεις θερμικής μετάβασης), δηλαδή οι αντιστάσεις των στρωμάτων (π.χ. αέρας) που βρίσκονται σε επαφή με τις δύο παρειές του σώματος. Έτσι, η συνολική θερμική αντίσταση δίνεται από τη σχέση Οι τιμές των αντιστάσεων θερμικής μετάβασης επιφανειακού στρώματος αέρα (και των αντιστοίχων συντελεστών θερμικής μετάβασης) εξαρτώνται από την κατεύθυνση της θερμικής ροής (οριζόντια, προς τα άνω, προς τα κάτω) και από τον τύπο δομικού στοιχείου (ΕΛΟΤ EN ISO 6946). Τέλος, για τη θερμομονωτική αξιολόγηση δομικών στοιχείων συνήθως χρησιμοποιείται η ποσότητα U=1/R (W/m 2 K), που ονομάζεται συντελεστής θερμοπερατότητας. Στρώση 1 Στρώση 2 Επίπεση 3 Εσωτερική επιφάνεια Θερμοκρασία εσωτερικού αέρα Εξωτερική επιφάνεια Θερμοκρασία εσωτερικού τοίχου Θερμοκρασία εξωτερικού τοίχου Πλάκα μέτρησης ροής θερμότητας Θερμοκρασία εξωτερικού αέρα Σχ. 1.2: Θερμοκρασιακή συμπεριφορά υλικού [2]. Για τα υλικά, ο συντελεστής θερµοπερατότητας (U-value) ορίζεται ως η ποσότητα θερμότητας που περνά κάθε ώρα μέσα από 1m 2 στοιχείου κατασκευής µε πάχος d (m), όταν η διαφορά του ακίνητου αέρα που εφάπτεται στις δύο επιφάνειες του στοιχείου διατηρείται σταθερή και ίση προς 1 βαθμό Kelvin (ή Celsius). Το U value κάθε δομικού στοιχείου μετριέται σε watt ανά τετραγωνικό μέτρο και βαθμό Kelvin (W/m²K) και ορίζεται στα πρότυπα ISO 7345 & ISO 6946. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή του συντελεστή αυτού, τόσο πιο ισχυρά μονωτικό είναι ένα υλικό ή δομικό στοιχείο. Η μέτρηση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας στο εργαστήριο γίνεται συνήθως βάσει της μεθόδου θερμής πλάκας, η οποία περιγράφεται λεπτομερώς από το Πρότυπο EΛOT-514. Εναλλακτικά μπορεί να εφαρμοστεί και η μέθοδος του "μετρητή ροής θερμότητας" (συγκριτική μέθοδος γρήγορης μέτρησης που εφαρμόζεται κυρίως σε ινώδη, κυψελωτά και κοκκώδη μονωτικά υλικά), η οποία περιγράφεται στην Aμερικάνικη Προδιαγραφή ASTM C518.
2 Ενεργειακή Απόδοση Δομικών Υλικών και Κτιρίων Ενεργειακά αποδοτικά δομικά προϊόντα μπορούν να αναπτυχθούν (και έχουν αναπτυχθεί) για όλα τα επιμέρους στοιχεία που αποτελούν το εξωτερικό κέλυφος μιας δομικής κατασκευής (τοιχοποιίες, οροφές, συστήματα υαλοστασίων, υαλοπετάσματα, πόρτες). Η αποτίμηση της ενεργειακής απόδοσης δομικών υλικών και στοιχείων αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια και πραγματοποιείται με τον προσδιορισμό των θερμικών τους χαρακτηριστικών. Τα κύρια θερμικά χαρακτηριστικά δομικών υλικών και στοιχείων τα οποία αποτελούν τον κύριο δείκτη της θερμικής τους συμπεριφοράς και χρησιμοποιούνται ευρέως από τους εθνικούς κτιριακούς κανονισμούς, είναι: Ο συντελεστής θερμικής διαπερατότητας, κ (ή U-value) (W/m 2 K), Η θερμική αντίσταση, R (m 2 K/W), Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, λ (W/mK). Άλλοι παράγοντες που μπορούν να συμβάλλουν στην ενεργειακή απόδοση ενός δομικού προϊόντος είναι η θερμοχωρητικότητα, ο συντελεστής ηλιακών θερμικών κερδών, η αεροπερατότητα, η υδατοπερατότητα καθώς και η ανακλαστικότητα και διαπερατότητα (για συστήματα υαλοστασίων). Με τη θερμομονωτική προστασία των δομικών στοιχείων των κτιριακών κατασκευών επιδιώκεται ο περιορισμός στο ελάχιστο δυνατό των ανταλλαγών θερμότητας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος και η επίτευξη ενός ευχάριστου εσωκλίματος στο εσωτερικό των κτιρίων με τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. 'Έτσι, κατά μεν τη χειμερινή (ψυχρή) περίοδο περιορίζονται οι θερμικές απώλειες προς το εξωτερικό περιβάλλον, κατά δε τη θερινή (θερμή) περίοδο περιορίζεται η υπερθέρμανση λόγω θερμικών προσόδων από την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ταυτόχρονα όμως με τη θερμομονωτική προστασία των κτιρίων ελαχιστοποιείται και ο κίνδυνος εκδήλωσης του φαινομένου της επιφανειακής συμπύκνωσης των υδρατμών (δρόσου) και προστατεύονται οι κατασκευές από φαινόμενα υγρασίας του εσωτερικού χώρου. Σε γενικότερο επίπεδο περιορίζει την απαίτηση για κατανάλωση ενέργειας και κατά συνέπεια μειώνει την κατανάλωση των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων και τη ρύπανση του περιβάλλοντος από την παραγωγή αέριων ρύπων. 2.1 Στάδια ελέγχου θερμομονωτικής επάρκειας ενός κτηρίου Η απαίτηση για θερμομονωτική προστασία των κτιριακών κατασκευών που επιβάλλει ο Κανονισμός Ενεργειακής Απόδοσης Κτηρίων (Κ.Εν.Α.Κ.) συμβάλλει προς αυτήν την κατεύθυνση, επιβάλλοντας τον έλεγχο επάρκειας της θερμομονωτικής προστασίας του κτιρίου σε δύο στάδια: Κατά το πρώτο στάδιο ελέγχεται η θερμική επάρκεια ενός εκάστου των επί μέρους δομικών στοιχείων του κτιρίου. Για να ικανοποιεί ένα δομικό στοιχείο τις απαιτήσεις θερμομονωτικής προστασίας του κανονισμού, θα πρέπει η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας Uεξεταζ. Αυτού του δομικού στοιχείου να μην υπερβαίνει την τιμή του μέγιστου επιτρεπόμενου συντελεστή θερμοπερατότητας Umax που ορίζει ο κανονισμός, ανά κλιματική ζώνη για κάθε κατηγορία δομικών στοιχείων. Πρέπει, δηλαδή να ισχύει: Uεξεταζ. Umax [W/(m² K)] Κατά το δεύτερο στάδιο ελέγχεται η θερμική επάρκεια του συνόλου του κτιρίου. Για να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του κανονισμού πρέπει η μέση τιμή θερμοπερατότητας του εξεταζόμενου κτιρίου (Um) να μην υπερβαίνει τα όρια που θέτει ο κανονισμός για κάθε κτίριο (Um,max), αυτού εντασσομένου σε μια από τις κλιματικές ζώνες του ελλαδικού χώρου. Η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας (Um, max) υπολογίζεται
λαμβανομένου υπόψη του λόγου του συνόλου της εξωτερικής περιμετρικής επιφάνειας του κτιρίου προς τον όγκο του (F/V). Πρέπει δηλαδή να ισχύει: Um Um,max [W/(m² K)] Όπως αναφέρθηκε, η αντίσταση που προβάλλει μία ομογενής στρώση ενός δομικού στοιχείου στη ροή θερμότητας υπολογίζεται από το γενικό τύπο: όπου: R [W/(m² K)] η αντίσταση που προβάλλει στη ροή θερμότητας η συγκεκριμένη στρώση, d [m] το πάχος της στρώσης, λ [W/(m K)] ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού της στρώσης, Το σύνολο των θερμικών αντιστάσεων όλων των στρώσεων ενός πολυστρωματικού δομικού στοιχείου, που αποτελείται από ομογενείς στρώσεις υλικών, ορίζει την αντίσταση θερμοδιαφυγής (Rss) και προκύπτει από το άθροισμα των επί μέρους αντιστάσεων της κάθε στρώσης κατά τη γενικευμένη σχέση: Η σειρά των στρώσεων ενός δομικού στοιχείου πρακτικά δεν επηρεάζει τη ροή θερμότητας μέσω αυτού, επηρεάζει όμως την αξιοποίηση της θερμοχωρητικότητάς τους. Η τοποθέτηση της θερμομονωτικής στρώσης σε θέση πλησιέστερη προς την εσωτερική επιφάνεια περιορίζει τη θερμοχωρητικότητα του δομικού στοιχείου, δηλαδή την ικανότητά του να αποθηκεύει θερμότητα στη μάζα του. Αντίθετα, η τοποθέτηση της θερμομονωτικής στρώσης σε θέση πλησιέστερη προς την εξωτερική επιφάνεια επαυξάνει τη θερμοχωρητικότητά του. Ωστόσο, η θερμοχωρητικότητα του δομικού στοιχείου επηρεάζεται καθοριστικά από τη μάζα του. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας. Στόχος είναι η αποθηκευόμενη ποσότητα θερμότητας να μπορεί να επαναποδοθεί στο εσωτερικό περιβάλλον του κτιρίου, όταν η θερμοκρασία του χώρου πέφτει σε χαμηλότερα επίπεδα από τη θερμοκρασία της μάζας του. Η συνολική θερμική αντίσταση που προβάλλει ένα πολυστρωματικό δομικό στοιχείο, που αποτελείται από ομογενείς στρώσεις υλικών, ορίζεται από το άθροισμα των αντιστάσεων των επί μέρους στρώσεων και των αντιστάσεων του στρώματος αέρα εκατέρωθεν των όψεών του κατά τηνεξίσωση: όπου: R ολ [W/(m² K)] η συνολική αντίσταση που προβάλλει στη ροή θερμότητας το δομικό στοιχείο, n [ ] το πλήθος των στρώσεων του δομικού στοιχείου, R i [W/(m² K)] η αντίσταση θερμικής μετάβασης που προβάλλει το επιφανειακό στρώμα αέρα στη μετάδοση της θερμότητας από τον εσωτερικό χώρο προς το δομικό στοιχείο, R a [W/(m² K)] η αντίσταση θερμικής μετάβασης που προβάλλει το επιφανειακό στρώμα αέρα στη μετάδοση της θερμότητας από το δομικό στοιχείο προς το εξωτερικό περιβάλλον. Οι θερμικές απώλειες μέσω ενός δομικού στοιχείου ορίζονται από το συντελεστή θερμοπερατότητας (U), που δίνει την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στη μονάδα του χρόνου σε σταθερό θερμοκρασιακό πεδίο μέσω της μοναδιαίας επιφάνειας ενός δομικού στοιχείου, όταν η διαφορά θερμοκρασίας του αέρα στις δύο όψεις του δομικού στοιχείου ισούται με τη μονάδα.
Ο συντελεστής θερμοπερατότητας ενός δομικού στοιχείου ορίζεται από τη σχέση: 2.2 Υπολογισμός των συντελεστών θερμοπερατότητας των αδιαφανών δομικών στοιχείων Ο βαθμός θερμομονωτικής προστασίας ενός αδιαφανούς δομικού στοιχείου προσδιορίζεται από το συντελεστή θερμοπερατότητας (U), αυτού οριζομένου από το αντίστροφο του αθροίσματος των θερμικών αντιστάσεων που προβάλλουν οι διαδοχικές στρώσεις του δομικού στοιχείου στη θεωρούμενη κατά παραδοχή μονοδιάστατη και κάθετη στην επιφάνειά του ροή θερμότητος μέσω αυτού και των αντίστοιχων θερμικών αντιστάσεων που προβάλλουν οι εκατέρωθεν των όψεών του στρώσεις αέρα. Ο συντελεστής θερμοπερατότητας ενός δομικού στοιχείου n στρώσεων ορίζεται από τον τύπο: όπου: U [W/(m² K)] ο συντελεστής θερμοπερατότητας του δομικού στοιχείου, n [ ] το πλήθος των στρώσεων του δομικού στοιχείου, d [m] το πάχος της κάθε στρώσης του δομικού στοιχείου, λ [W/(m K)] ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού της κάθε στρώσης, Ral [m² K/W] η θερμική αντίσταση του στρώματος αέρα σε τυχόν υφιστάμενο διάκενο ανάμεσα στις στρώσεις του δομικού στοιχείου, με την προϋπόθεση ότι ο αέρας του διακένου δεν επικοινωνεί με το εξωτερικό περιβάλλον και θεωρείται πρακτικά ακίνητος, Ri [m² K/W] η αντίσταση θερμικής μετάβασης που προβάλλει το επιφανειακό στρώμα αέρα στη μετάδοση της θερμότητας από τον εσωτερικό χώρο προς το δομικό στοιχείο, Rα [m² K/W] η αντίσταση θερμικής μετάβασης που προβάλλει το επιφανειακό στρώμα αέρα στη μετάδοση της θερμότητας από το δομικό στοιχείο προς το εξωτερικό περιβάλλον. 2.3 Υπολογισμός των συντελεστών θερμοπερατότητας διαφανών δομικών στοιχείων Στα διαφανή δομικά στοιχεία, δηλαδή στα κουφώματα, η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας του κουφώματος (U W ) μπορεί: είτε να υπολογισθεί αναλυτικά είτε να θεωρηθεί δεδομένη με αποδοχή της πιστοποιημένης τιμής που διαθέτει ο κατασκευαστής. Στην περίπτωση του αναλυτικού υπολογισμού η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας του κουφώματος προκύπτει από τους συντελεστές θερμοπερατότητας του πλαισίου του κουφώματος και του υαλοπίνακα κατά την ποσοστιαία αναλογία των εμβαδών των δύο υλικών στην επιφάνεια του κουφώματος, λαμβανομένης υπόψη και της γραμμικής θερμογέφυρας που αναπτύσσεται μεταξύ πλαισίου και υαλοπίνακα, όπως περιγράφεται παρακάτω για μονό και για διπλό κούφωμα. Όταν στο κούφωμα περιλαμβάνονται και αδιαφανή τμήματα, πέραν του πλαισίου, λαμβάνονται και αυτά στον υπολογισμό. Σε πίνακες μπορεί να βρούμε ενδεικτικά τιμές του συντελεστή U W για διαφορετικούς τύπους κουφώματος συναρτήσει του υλικού κατασκευής του πλαισίου (αλουμίνιο, συνθετικό, ξύλο) του τύπου του υαλοπίνακα (διπλός, τριπλός, με επικάλυψη από τη μια πλευρά ή από τις δύο), της ικανότητας θερμικής εκπομπής, του τύπου του αερίου του διακένου μεταξύ των φύλλων των υαλοπινάκων και της ποσοστιαίας αναλογίας πλαισίου υαλοπίνακα. Στην περίπτωση που τα κουφώματα του υπό μελέτη κτηρίου παρουσιάζουν όμοια γεωμετρικά και θερμοτεχνικά χαρακτηριστικά με τα κουφώματα του πίνακα τότε μπορεί να γίνει απευθείας χρήση των τιμών
του, δηλαδή μπορεί η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας του κάθε κουφώματος μπορεί να ληφθεί απευθείας από τον πίνακα. Σημειώνεται ότι στις τιμές του πίνακα έχει ληφθεί επίσης υπόψη η παρατηρούμενη θερμογέφυρα που δημιουργείται στην επαφή του υαλοπίνακα με το πλαίσιο του κουφώματος. Πάντως ανεξαρτήτως από τον τρόπο υπολογισμού, η τιμή του συντελεστή θερμοπερατότητας του κουφώματος οφείλει να είναι μικρότερη ή ίση της μέγιστης επιτρεπόμενης, που ορίζει ο Κ.Εν.Α.Κ. 2.4 Αναλυτικός υπολογισμός του U W ενός μονού κουφώματος Βάσει των παραπάνω ο συντελεστής θερμοπερατότητας ενός κουφώματος με μονό, διπλό ή τριπλό υαλοπίνακα επί ενιαίου πλαισίου (μονού κουφώματος) προκύπτει από τον τύπο: όπου Uw [W/(m² K)] ο συντελεστής θερμοπερατότητας όλου του κουφώματος, Uf [W/(m² K)] ο συντελεστής θερμοπερατότητας πλαισίου του κουφώματος, Ug [W/(m² K)] ο συντελεστής θερμοπερατότητας του υαλοπίνακα του κουφώματος (μονού, διπλού ή περισσότερων φύλλων), Αf [m²] το εμβαδό επιφάνειας του πλαισίου του κουφώματος, Αg [m²] το εμβαδό επιφάνειας του υαλοπίνακα του κουφώματος, lg [m] το μήκος της θερμογέφυρας του υαλοπίνακα του κουφώματος (περίμετρος του υαλοπίνακα), Ψg [W/(m K)] ο συντελεστής γραμμικής θερμοπερατότητας του υαλοπίνακα του κουφώματος.
3. Η χρήση της Θερμογραφίας στον Έλεγχος Ποιότητας δομικών κατασκευών 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. Η θερμογραφία ή η υπέρυθρη φωτογράφηση, ανιχνεύει την εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας και προκύπτει οπτική απεικόνιση του θερμικού σήματος (θερμογράφημα). Με την θερμογραφία δεν μέτραται απ ευθείας η θερμοκρασία μιας επιφάνειας αλλά η μεταβολή της επιφανειακής ακτινοβολίας. Η θερμογραφία βασίζεται στην αρχή ότι κάθε επιφάνεια εκπέμπει ενέργεια με την μορφή της θερμοκρασιακής ακτινοβολίας. Το μήκος κύματος που εκπέμπεται εξαρτάται από την θερμοκρασία. Αυξανόμενης της θερμοκρασίας το μήκος κύματος γίνεται βραχύτερο και στην περίπτωση πολύ μεγάλων θερμοκρασιών βρίσκεται στο ορατό φάσμα (π.χ. πυρακτωμένη άκρη βελόνας). Στην θερμοκρασία δωματίου το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι της τάξεως των 10μm (στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος). 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. Με την θερμογραφία εντοπίζουμε θερμικές γέφυρες στο κέλυφος του κτηρίου, σημεία διαφυγής θερμού αέρα από το κτήριο, αγωγούς θερμού κρύου νερού ή αέρα μέσα στην κατασκευή ενός κτηρίου, διαφορετικά υλικά μέσα σε μία κατασκευή, ύπαρξη νερού μέσα στα υλικά και υποεπιφανειακές ανωμαλίες στα υλικά Οι φυσικές παράμετροι που επηρεάζουν την υπέρυθρη ακτινοβολία που μετράται κατά την θερμογράφιση είναι: η ικανότητα εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας της επιφάνειας (εκφράζεται από τον συντελεστή εκπομπής και συγκρίνεται με εκείνη του μέλανος σώματος) η επιφανειακή θερμοκρασία, η θερμική αγωγιμότητα, η θερμοχωρητικότητα, το πάχος του θερμαινόμενου στρώματος η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις επηρεάζονται και από τον συντελεστή εκπομπής (emissivity) του υλικού. Γενικά τα δομικά υλικά έχουν μεγάλο συντελεστή εκπομπής (μεγαλύτερο από 0,8). Για να γίνει άμεσα αντιληπτή η έννοια της Θερμογραφίας, μπορεί κανείς να σκεφτεί το έξης: Η Φωτογραφία περιγράφεται ως η «απεικόνιση του φωτός» Η Θερμογραφία περιγράφεται ως η «απεικόνιση της θερμότητας» Φωτογραφία Εικόνα. 3.1: Φωτογραφία & θερμογραφία [3]. Θερμογραφία
Μια συνηθισμένη φωτογραφική μηχανή διαμορφώνει μια εικόνα χρησιμοποιώντας το ορατό φως, ενώ μια θερμοκάμερα διαμορφώνει μια εικόνα χρησιμοποιώντας την υπέρυθρη ακτινοβολία (περά (infra-) από το κόκκινο (- red) της ορατής περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος). Η υπέρυθρη ακτινοβολία βρίσκεται μεταξύ των τμημάτων του ορατού και των μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Σχ. 3.1: Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Τα ανθρώπινα μάτια ανιχνεύουν μόνο το τμήμα του ορατού φωτός στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Όλες οι άλλες μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπως π.χ. η υπέρυθρη δεν είναι ορατές στο ανθρώπινο μάτι. Η κύρια πηγή υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι η θερμότητα ή θερμική ακτινοβολία. Οποιοδήποτε αντικείμενο έχει μία θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273.15 βαθμοί Celsius ή 0 Kelvin) εκπέμπει ακτινοβολία στην περιοχή του υπέρυθρου φάσματος. Ακόμη και αντικείμενα τα οποία νομίζουμε ότι είναι πολύ κρύα, όπως ένας κύβος πάγου, εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία. Όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα τόσο περισσότερη θερμική ακτινοβολία εκπέμπει. Αυτό απεικονίζεται με αντίστοιχη διαφορά στη χρωματική απόδοση ενός θερμογραφήματος (μπλε = ψυχρό, κόκκινο = θερμό) Στην καθημερινή μας ζωή έχουμε αρκετά παραδείγματα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η ζέστη που αισθανόμαστε από την ανατολή του ηλίου, από μία φωτιά ή από ένα καλοριφέρ είναι όλα παραδείγματα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αν και τα μάτια μας δεν μπορούν να την παρατηρήσουν, τα νεύρα του δέρματός μας την αισθάνονται ως θερμότητα. Όσο πιο θερμό είναι ένα αντικείμενο, τόσο περισσότερη υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπει. Με ένα υπέρυθρο θερμόμετρο μας δίνεται η δυνατότητα να μετρήσουμε τη θερμοκρασία σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Με τις θερμοκάμερες μπορούμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία σε όλη την εικόνα. Όσον μεγαλύτερη είναι η ανάλυση της θερμοκάμερας, τόσο περισσότερα σημεία θερμοκρασίας μετράει. Εάν π.χ. χρησιμοποιήσουμε μία θερμοκάμερα με ανάλυση 60 x 60 pixels, σημαίνει ότι είναι σαν να χρησιμοποιούμε 3,600 θερμόμετρα υπερύθρου ταυτόχρονα. Σημειακή μέτρησης θερμοκρασίας Θερμογραφία Εικόνα. 3.2: Μέτρηση θερμοκρασίας με θερμόμετρο και με θερμοκάμερα [4]
3.1 Εφαρμογές υπέρυθρης θερμογραφίας σε κτήρια Η υπέθυθρη θερμογραφία χρησιμοποιείται ευρέως στα κτήρια για: Αποτύπωση ενεργειακών απωλειών από το κέλυφος του κτηρίου. Έλεγχος πληρότητας της μόνωσης. Έλεγχος απόδοσης της μόνωσης Εντοπισμός υγρασίας. Εντοπισμός διαρροών στο υδραυλικό σύστημα του κτιρίου. Εντοπισμός και έλεγχος εγκιβωτισμένων σωληνώσεων. Έλεγχος ηλεκτρολογικού και μηχανολογικού εξοπλισμού. Έλεγχος διαρροών αέρα. Έλεγχος μετά από επισκευή φθορών που εντοπίστηκαν. 3.2 Καταγραφή και λήψη μετρήσεων Όπως σε κάθε είδους μέτρηση / τεχνική επιθεώρησης, έτσι και στην περίπτωση της υπέρυθρης θερμογράφησης πρέπει να ακολουθούνται συγκεκριμένα βήματα μεθοδολογίας, συχνά σύμφωνα με πρότυπα (π.χ. EN 13187), με σκοπό τη σωστή και ασφαλή διεξαγωγή, καταγραφή και λήψη μετρήσεων. Τα βήματα αυτά, σε γενικές γραμμές, είναι τα εξής: 1. Σχεδιασμός μέτρησης 2. Επίσκεψη στο χώρο μέτρησης 3. Προετοιμασία μέτρησης κανόνες ασφάλειας μέτρησης 4. Δημιουργία θερμογραφημάτων 5. Επεξεργασία θερμογραφημάτων 3.3 Συνθήκες μετρήσεων / Περιβαλλοντικές συνθήκες 3.3.1 Ψυχρά κλίματα Απαραίτητη η ύπαρξη υψηλής διαφοράς θερμοκρασίας (άνω των 10 ο C) ανάμεσα στο εσωτερικό και το εξωτερικό του κτιρίου προτιμούνται ώρες θερμοκρασιακών μεταβολών (π.χ. νωρίς το πρωί) Αποφεύγονται οι μέρες με βροχόπτωση Χαμηλή ταχύτητα ανέμου (<2 m/s) Τα κτίρια πρέπει να θερμαίνονται σταθερά Σε περίπτωση νυχτερινής λήψης, απαραίτητη η ύπαρξη καθαρού ουρανού (τα σύννεφα αντανακλούν την υπέρυθρη ακτινοβολία) 3.3.2 Θερμά κλίματα Απαραίτητη η ύπαρξη υψηλής διαφοράς θερμοκρασίας (άνω των 10 ο C) ανάμεσα στο εσωτερικό και το εξωτερικό του κτιρίου προτιμούνται ώρες θερμοκρασιακών μεταβολών (π.χ. νωρίς το απόγευμα) Προτιμούνται οι ζεστές ηλιόλουστες μέρες Χαμηλή ταχύτητα ανέμου (<2 m/s) Τα κτίρια πρέπει να ψύχονται σταθερά Σε περίπτωση νυχτερινής λήψης, απαραίτητη η ύπαρξη καθαρού ουρανού (τα σύννεφα αντανακλούν την υπέρυθρη ακτινοβολία) 3.4 Ρύθμιση των παραμέτρων της θερμοκάμερας Η βασική προετοιμασία της μέτρησης, περιλαμβάνει τη ρύθμιση των παραμέτρων της θερμοκάμερας που αφορούν κυρίως:
στο επίπεδο και το εύρος των μετρούμενων θερμοκρασιών (level, span) στο συντελεστή ακτινοβολίας ε (emissivity factor) στην ανακλώμενη θερμοκρασία (Reflection temperature) στην αντιστάθμιση της ατμόσφαιρας (θερμοκρασίας και υγρασίας) στην απόσταση στόχου 3.5 Ρύθμιση του συντελεστή ε Μια πολύ βασική παράμετρος που επηρεάζει τη μέτρηση και επαλήθευση θερμογραφημάτων είναι ο συντελεστής ακτινοβολίας ε. Οι δυο εικόνες που ακλουθούν δείχνουν τη σημασία της σωστής επιλογής του ε. Εικόνα. 3.3: Ρύθμιση συντελεστή ε [4] Με εισδοχή στην θερμοκάμερα, της τιμής του συντελεστή ακτινοβολίας ε κατά 50% λιγότερο από το πραγματικό, η μέτρηση της θερμοκρασίας του ποτηριού που λαμβάνουμε από την θερμοκάμερα μειώνεται κατά 23%.
4. Εφαρμογές Θερμογραφίας (Case Studies) 4.1 Θερμική αντίσταση κτηριακού κελύφους, θερμικές γέφυρες Για να εντοπίσουμε τις περιοχές στις οποίες έχουμε διαφορές στην μεταφορά θερμότητας από το κέλυφος ενός κτηρίου (θερμικές γέφυρες) προσδιορίζονται οι κατανομές θερμοκρασιών στις διάφορες περιοχές του κελύφους του κτηρίου. Γενικά, στο κέλυφος του κτιρίου υπάρχουν τμήματα ή δομικά στοιχεία, όπου η θερμική τους αντίσταση η οποία εν γένει είναι ομοιόμορφη, μεταβάλλεται κατά αισθητό τρόπο, από τις εξής αιτίες: Ολικής ή μερικής παρεμβολής στο ομοιογενές τμήμα του κελύφους, ενός στοιχείου με διαφορετική θερμική αγωγιμότητα. Αλλαγής πάχους στη δομή του τμήματος του κελύφους. Ύπαρξης διαφοράς εμβαδού μεταξύ εσωτερικής και εξωτερικής πλευράς, όπως αυτό συμβαίνει στις γωνιακές συναντήσεις διαφόρων στοιχείων. Σε όλα αυτά τα στοιχεία, όπου η θερμική τους αντίσταση είναι μειωμένη και κατά συνέπεια αυξημένος ο συντελεστής θερμοπερατότητας, οι επιφανειακές εσωτερικές θερμοκρασίες είναι πολύ μικρότερες των αντίστοιχων ομοιογενών στοιχείων και τείνουν να πλησιάσουν, τη χειμερινή περίοδο, την θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα. Στα στοιχεία αυτά γίνεται μια γρήγορη γεφύρωση της θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος, εφόσον δεν υπάρχει θερμομονωτικό στοιχείο που να διακόπτει αυτή τη γεφύρωση. Στοιχεία στα οποία παρουσιάζονται αυτές οι διαταραχές στη ροή θερμότητας, ονομάζονται θερμικές γέφυρες. Για να εντοπίσουμε θερμικές γέφυρες με θερμογραφήματα, πρέπει το σύστημα εσωτερικόπεριβάλλον χώρος του κτηρίου να βρίσκεται σε ισορροπία. Αυτό συμβαίνει κατά τους χειμερινούς μήνες, όταν έχουμε θερμαινόμενους εσωτερικούς χώρους, χαμηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος και ικανοποιητική διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξώτερου χώρου (τουλάχιστον 20 ο C). Επίσης το σύστημα πρέπει να έχει ισορροπήσει, δηλαδή, η θερμοκρασιακή διαφορά να έχει παραμείνει σταθερή για τουλάχιστον τρεις ώρες. Η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία αλλοιώνει τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Για τον λόγω αυτό προτιμώνται τα νυχτερινά θερμογραφήματα. Πάντως έχουμε αξιόπιστα αποτελέσματα και ημέρες στις οποίες έχουμε χαμηλές θερμοκρασίες και 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. Εικόνα 4.1: Θερμοκρασιακό διάγραμμα ερμηνείας εντοπισμού θερμικών απωλειών με θερμογραφία [5]
Q ολ = Q 1 = Q 2 = Q 3 = α a * F * (t 2 - t La )*z Όπου: t 2 Θερμοκρασία εξωτερικής επιφάνειας t La Θερμοκρασία περιβάλλοντος α συντελεστής θερμικής μεταβίβασης (i εσωτερικού χώρου, a εξωτερικού χώρου) F το εμβαδόν της επιφάνειας z ο χρόνος ροής του θερμότητας Άρα όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά (t 2 - t La ) για την κατασκευή τόσο μεγαλύτερη μεταφορά θερμότητας έχουμε από το εσωτερικό στο εξωτερικό της κατασκευής. Αύξηση της θερμοκρασίας στην εξωτερική πλευρά σε ένα ομοιογενή τοίχο προκύπτει στην περίπτωση που έχει αποκολληθεί ή διαβραχεί η μόνωση με αποτέλεσμα να μειώνεται η θερμομονωτική ικανότητα. Εικόνα 4.2: Θερμογραφία εξωτερικής όψης κτιρίου [4] Η θερμογραφία δείχνει ελλιπή μόνωση του τοίχου στο σημείο κάτω από το παράθυρο Εικόνα 4.3: Θερμογραφία εξωτερικής όψης κτιρίου [4] Η θερμογραφία δείχνει κακή μόνωση σε σημεία της τοιχοποιίας 4.1 Εντοπισμός σημείων μεγάλων απωλειών θερμότητας Συνήθης ποιοτικός έλεγχος των κατασκευών με την θερμογραφία είναι ο εντοπισμός τυχόν διαρροής θερμού αέρα από την κατασκευή.
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. Εικόνα 4.4: Θερμοκρασιακό διάγραμμα διαφυγής αέρα [5] Εικόνα 4.5: Θερμογράφημα παραθύρου και αντίστοιχη φωτογραφία [5] Διαπιστώνεται ότι στο εσωτερικό του κτηρίου στην θέση του αρμού του κουφώματος αναπτύσσονται χαμηλές θερμοκρασίες (σε ορισμένα σημεία σχεδόν όση η θερμοκρασία περιβάλλοντος την ημέρα των μετρήσεων 14 C) Εικόνα 4.6: Θερμογράφημα παραθύρου [4] Διαπιστώνεται είσοδος αέρα μεταξύ του κουφώματος και του τοίχου
4.2 Εμφάνιση υψηλών θερμοκρασιών σε ειδικές περιπτώσεις Οι θερμικές κηλίδες είναι δυνατό να οφείλονται π.χ. σε θερμαντικά σώματα στο πίσω μέρος της τοιχοποιίας. Η μεταφορά θερμότητας σε αυτήν την περίπτωση και οι προκύπτουσες θερμικές μεταβολές δίδονται στην Εικόνα 4.7. Εικόνα 4.7: Θερμοκρασιακό διάγραμμα που προκύπτει από ύπαρξη θερμικών σωμάτων πίσω από Τοιχοποιία [5] Εικόνα 4.8: Θερμογράφημα εξωτερικής όψης κτηρίου και αντίστοιχη φωτογραφία. Στην πίσω πλευρά του αριστερού παραθύρου υπάρχει θερμαντικό σώμα [5] 4.3 Αναγνώριση διαφόρων υλικών κατασκευής Με την θερμογραφία αναγνωρίζουμε υλικά με διαφορετική θερμική αντίσταση που βρίσκονται στο ίδιο κατασκευαστικό μέλος λόγω της διαφορετικής ταχύτητας μεταφοράς της θερμότητας.
Εικόνα 4.9: Θερμοκρασιακό διάγραμμα για την αναγνώριση διαφορετικών υλικών με θερμογραφία [5] Εικόνα 4.10: Θερμογράφημα τοίχου και αντίστοιχη φωτογραφία [5] Στα θερμογραφήματα διακρίνονται ευχερώς οι περιοχές που είναι από οπτόπλινθους (θερμές περιοχές) οι οποίες παρουσιάζουν μεγάλη θερμική αντίσταση και υψηλή θερμοκρασία, σε αντίθεση με τις περιοχές δομημένες με φυσικούς λίθους που παρουσιάζουν μικρή θερμική αντίσταση (χαμηλή θερμοκρασία). Εικόνα 4.11: Θερμογράφημα τοίχου [4]
Στο θερμογράφημα σημειώνονται οι θερμές περιοχές της τοιχοποιίας δίπλα στο κούφωμα του παραθύρου οι οποίες είναι από οπτοπλινθοδομή σε αντίθεση με τις ψυχρές περιοχές οι οποίες είναι δομημένες με φυσικούς λίθους 4.4 Εντοπισμός νερού μέσα στα υλικά Με την θερμογραφία μπορεί να εντοπιστεί η ύπαρξη νερού ή υγρασίας σε δομικά υλικά (π.χ. ύπαρξη νερού μέσω των τριχοειδών από το έδαφος). Η κίνηση του νερού μέσω των τριχοειδών καθώς επίσης και η διαφορετική θερμική του συμπεριφορά λόγω μεγάλης θερμοχωρητικότητάς του, έχει σαν συνέπεια θερμοκρασιακές διαφορές στην επιφάνεια της κατασκευής. Έτσι κατά τις πρώτες πρωινές ώρες ή κατά τις πρώτες βράδυνες ώρες, το νερό βρίσκεται σε διαφορετική θερμοκρασία από την θερμοκρασία του υλικού Λόγω αυτού εντοπίζεται μέσα στα υλικά με την βοήθεια θερμογραφημάτων Εικόνα 4.12: Θερμοκρασιακό διάγραμμα εντοπισμού νερού [5] Εικόνα 4.13: Τοιχοποιία με εμφανή ίχνη ανερχόμενης υγρασίας και αντίστοιχο θερμογράφημα [5]
Εικόνα 4.14: Θερμογραφία στο εσωτερικό κτιρίου [4] Η θερμογραφία δείχνει διείσδυση υγρασίας στο πάτωμα. Με γυμνό μάτι είναι αδύνατος ο εντοπισμός, κάτι το οποίο φαίνεται καθαρά στο θερμογράφημα. Εικόνα 4.15: Θερμογραφία δαπέδου [4] Η θερμογραφία δείχνει διαρροή στην ενδοδαπέδια θέρμανση
5. Συμπεράσματα Η θερμογραφία είναι ένα πολύτιμο, δια μη καταστροφής, εργαλείο του μηχανικού για την μελέτη των κατασκευών, όπου σε κακοτεχνίες που παρουσιάζονται πολύ συχνά δεν είναι εφικτή μία ασφαλής προσέγγιση της ποιότητάς τους. Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε, η θερμογραφία έχει άριστες εφαρμογές τόσον στην μελέτη της θερμικής θωράκισης των κτηρίων, όσον και στην ανίχνευση σημείων μεγάλων απωλειών θερμότητας, την αναγνώριση διαφόρων τύπων υλικών, την ανίχνευση αγωγών μέσα στα υλικά, την ανίχνευση νερού μέσα στα υλικά αλλά και την ανίχνευση ανωμαλιών κάτω από την επιφάνεια των υλικών.
6. Ασκήσεις - Περιπτώσεις προς μελέτη Στη συνέχεια ακολουθούν 5 περιπτώσεις από θερμογραφίες και φωτογραφίες σε σημεία κτηρίων. Εντοπίστε τα προβλήματα και προτείνετε πιθανές επεμβάσεις για τη λύση τους. 1. Θερμογραφία και φωτογραφία εξωτερικής όψεως κτιρίου. Αυτό το κτήριο είναι πιο θερμό στο εσωτερικό. Η κατασκευή από τελείται από σκυρόδεμα μόνωση σκυρόδεμα. 2. Θερμογραφία και φωτογραφία από πρόσοψη κτιρίου. 3. Θερμογραφία και φωτογραφία γυάλινης σκεπής σε αίθριο. 4. Θερμογραφία και φωτογραφία αποθήκης. 5. Θερμογραφία και φωτογραφία οροφής με κούφωμα.
7. Βιβλιογραφία 1. Αθανάσιος Τριανταφύλλου, Δομικά Υλικά, Πάτρα 2008 2. Building Physics, www.ahlborn.com 3. Χριστόδουλος Ελληνόπουλος, Εφαρμογές θερμογραφίας στην ενεργειακή απόδοση των κτηρίων 4. Thermal imaging guidebook for building and renewable energy applications, www.flir.com 5. Αιμ. Γ. Κορωναίος, Γ.-Φοίβος Σαργέντης, Θερμογραφία, Δημοσιεύσεις Εργαστηρίου Τεχνικών Υλικών ΕΜΠ, Τεύχος 2, ΑΘΗΝΑ 2003 6. ISO 7345: Thermal insulation - Physical quantities and definitions 7. ISO 6946: http://www.iso.org/iso/rss.xml?csnumber=40968&rss=detailbuilding components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation method 8. Τεχνική Οδηγία Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας, Τ.Ο.Τ.Ε.Ε 20701-2/2010, Θερμοφυσικές ιδιότητες δομικών υλικών και έλεγχος της θερμομονωτικής επάρκειας των κτηρίων, Αθήνα, Ιούλιος 2010