Gebäude Energie- und Sanierungsberatung

 
Dipl.-Ing. (FH) Karsten Gerbes VDI Lüneburg

Über die Thermografie

Physikalische Grundlagen

Elektromagnetische Felder breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit durch elektro-magnetische Wellen aus. Dieses entsteht wenn elektrische Ladungsträger (i. d. R. Elektronen) sich beschleunigt bewegen. Das ist zum Beispiel in Funkantennen, angeregten Atomkernen oder bei Quantensprüngen von Elektronen und der damit Verbundenen Emission von Licht, Infrarot-, Ultraviolett- oder Röntgenstrahlung der Fall. Die dabei entstehenden elektromagnetischen Wellen unterscheiden sich lediglich in ihrer Wellenlänge und damit in ihrer Frequenz ( Quotient aus Lichtgeschwindigkeit und der Wellenlänge).
Nicht so spektakulär, aber doch alltäglich sendet jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273,2 °C) Wärme in Form von elektromagnetischen Wellen aus. Die Wellenlänge dieser Strahlung wird durch die Oberflächentemperatur des Körpers bestimmt und resultiert aus der Bewegungsvielfalt der Moleküle im Inneren des Körpers, die mit steigender Temperatur zunimmt.
Diese ausgesendete Wärmestrahlung wird der Infrarotstrahlung zugeordnet und wird vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen.

Aufgrund der verschiedenen Wellenlängen und der daraus resultierenden Eigenschaften lässt sich die Gesamtheit der elektromagnetischen Strahlung als Spektrum bildlich darstellen.

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Ein sehr kleines Band entfällt dabei auch auf den für das menschliche Auge sichtbaren Bereich als ‚sichtbares Licht’ Je nach Frequenz nimmt unser Auge die Strahlung in Form verschiedener Farben und Farbmischungen war.
Mit zunehmender Wellenlänge (über das sichtbare Rot hinaus) wird die elektromagnetische Strahlung der Infrarotstrahlung (IR) zugeordnet.
Die entsprechende Wellenlänge liegt dabei zwischen rund einem Millimeter und 750 milliardstel Metern (750 Nanometern).
Die Infrarotstrahlung können wir nicht sehen, wohl aber als Wärme spüren. Je kleiner die Wellenlänge der Strahlung ist, desto mehr Energie wird übertragen, desto wärmer ist unser Empfinden. Innerhalb des Infrarotspektrums wird mit steigender Frequenz (verringerter Wellenlänge) immer energiereichere Strahlung emittiert, bis der Grenzbereich zum sichtbaren Rot beim Glühen eines Körpers erreicht ist.

Umsetzung der Physik

Sowie mit Radios der untere Spektralbereich hörbar gemacht wird, so lässt sich mit Hilfe von Infrarotbildkameras (= Wärmebildkameras) der Spektralbereich der Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 8 bis etwa 14 m sichtbar in Form eines Wärmebildes darstellen.
In der Regel wird das Infrarotspektrum der emittierten Strahlung von Objekten betrachtet. Je nach Oberflächentemperatur weist die emittierte Strahlung eine andere Wellenlänge auf. Diese Wellenlänge wird von der Kamera eingefangen, gemessen und einer Temperatur zugeordnet. Dabei richtet sich die Zuordnung nach dem Abstrahlungsverhalten des zu betrachtenden Objektmaterials.
Die Kamera misst auf diese Weise tausende von Temperaturen.
Da diese Messwerte allein noch kein Bild ausmachen, sind verschiedenen Temperaturbereichen verschiedene Farben zugeordnet.
Die Definition der Temperaturbereiche (Temperaturspreizung) und der zugeordneten Farben richten sich dabei nach dem zu betrachtenden Objekt und der jeweiligen Anwendung.
Neben dem Abstrahlungsverhalten des zu betrachtenden Objektes (Emissionsgrad) bestimmt die Hintergrundstrahlung (bei Außenaufnahmen oft kosmische Strahlung) das dargestellte Bild entscheidend und müssen entsprechend berücksichtigt werden.

Arten der Thermografie

Bei der Thermografie eines Objektes (z.B. Fensters) wird der Temperaturbereich auf die maximal vorkommenden Temperaturen im Bildausschnitt festgelegt und einzelne Farben stellvertretend zugeordnet. Um die Zuordnung nachvollziehen zu können, ist Beides in Form einer kombinierten Temperatur- Farbskala mit angegeben. Damit ist eine konkrete Temperaturmessung eines einzelnen Oberflächenpunktes möglich.

Bei dem Wärmebild eines Objektes ist diese konkrete Zuordnung nicht vorgesehen. In erster Linie dienen sie zum schnellen Auffinden und Darstellen von Temperatur-unterschieden. Um energietechnische Schwachstellen in einer Gebäudehülle zu finden, ist diese Betrachtung ausreichend.

Kameras

Die handelsüblichen Infrarotkameras sind im Prinzip wie normale Kameras für sichtbares Licht aufgebaut. Auch hier wird das Bild über ein Objektiv mit Linsen auf einen elektronischen Bildsensor projiziert. Der Bildsensor reagiert allerdings nicht auf Strahlung aus dem Spektralbereich des sichtbaren Lichtes, sondern nur auf Strahlung aus dem Spektralbereich der Infrarotstrahlung. Durch die größere Wellenlänge der Strahlung sind auch andere Materialien für die optischen Bauteile wie Linsen und Objektive nötig. Verwendet wird hier oft Silizium oder Germanium.

Das Herzstück der Kamera ist aber der elektronische Bildumsetzer, der die auf ihn treffende IR-Strahlung Punkt für Punkt erfasst und durch eine Auswertelektronik in die entsprechende Temperatur umgerechnet. Der Temperatur wird wiederum eine Farbe zugeordnet, die dann auf einem Bildschirm optisch dargestellt werden kann.
Handelsübliche Infrarotkameras unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anzahl der Temperaturmesspunkte, der Empfindlichkeit (bei unter 0,1 K), dem Spektralbereich und der technischen Ausstattung.
Aufgrund der unüblichen Materialien und Bauteile sind Infrarotkameras sehr teuer.

Anwendung der Thermografie im Bauwesen

Aufgrund der aufwendigen Beheizung unserer Gebäude und der sehr unterschiedlichen Detailkonstruktionen ist die Anwendung der Thermografie zur bildlichen Darstellung von Temperaturen im Bauwesen sehr vielfältig.

Optimal wäre eine Gebäudehülle, die die teure Wärmeenergie im Inneren einschließt. In der Gebäudepraxis sieht das allerdings anders aus, denn die Bauteile der Gebäudehülle sind weder luftdicht noch trennen sie Innen- und Außenoberfläche völlig von einander. Durch das Erwärmen der Gebäudehülle wird ein Teil der Wärmeenergie permanent von Innen nach Außen ‚geleitet’. Die dabei verlorene Energie kann, je nach Konstruktion beachtlich sein.
Mit der Gebäudethermografie lässt sich das Ableiten der Wärmeenergie bauteilbezogen lokalisieren und im Vergleich mit den realen Gegebenheiten bautechnisch Bewerten.
Die aussagefähige Analyse und Bewertung des Gebäudebestandes gibt grundlegende Hilfestellung bei der Entscheidung über Art und Umfang einer möglichen Sanierung.

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