Gebäudethermografie

verständlich gemacht für den Interessierten

Gebäudethermographie – verständlich gemacht für den Interessierten

published by: epubli GmbH, Berlin, www.epubli.de

Copyright: © 2013 Elias Naber, Daniel Schmidt, Jannik Vorschütz, Hendrik Hidding, Abdul Sami Nassery, Thomas Keller, Ibrahim Ilik, Michael Stepanow, Damir Hrnjadovilc, Pouya Dibaj, Simon Kimueyer, Viktoria Schweikert, Bani Gh. Etemad, Matthias Palsherm, John Wasen, Anastasios Getsopulos, Sen Wu, Tobias Fögeling, Wilhelm Engelke, Markus Röttering, Max Hofbeck, Philip Nienhaus, Tim Schwalbe, Sebastian Kozlowski, David Engelke, Lukas Fleige, Benjamin Bellgrau, Kamil Pelka, Stefan Hecker

ISBN 978-3-8442-6769-3 (eBook)

ISBN 978-3-8442-6768-6 (Print on Demand)

PDF Version erwerbbar unter: www.epubli.de

Vorwort

Im Rahmen der Veranstaltung Mensch-Haus-Umwelt am Lehrstuhl für Nachhaltige Energiekonzepte (NEK) der Universität Paderborn, verfassten 29 engagierte Studierende aus verschiedenen Fachbereichen diese Broschüre als Leitfaden für die Gebäudethermografie. Das zweiwöchige Projekt im Februar 2013 wurde in Vertretung des Lehrstuhls für Nachhaltige Entwicklung von Herrn Dr. Ing. Dirk Prior betreut.

Als Grundlage diente hierzu die langjährige Erfahrung des Westfälischen Umweltzentrums (WUZ) auf dem Gebiet der Gebäudethermografie. Das Westfälische Umweltzentrum ist ein Kompetenzzentrum für Umweltfragen in der Region Paderborn. Auf Grundlage einer Kooperationsvereinbarung arbeitet das Westfälische Umweltzentrum, auf den Gebieten der Umweltforschung sowie des Technologie- und Wissenstransfers im Umweltbereich, eng mit der Universität Paderborn zusammen.

Die Broschüre gibt dem interessierten Endverbraucher einen kompakten und verständlichen Überblick über die Notwendigkeit von Gebäudethermografie. Es werden die technologischen und physikalischen Grundlagen erläutert sowie eine Interpretationshilfe von Thermogrammen ausgewählter Anwendungsfelder erarbeitet.

Projektteam

Inhaltsverzeichnis

Vorwort
Projektteam
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Vom Wärmestrom zur Bauphysik
3 Dichte und hochgedämmte Wandaufbauten
4 Funktionsweise und Anwendungsfelder der Thermografie
5 Thermogramme potenzieller Wärmeverlustquellen an Gebäuden
5.1 Fassade
5.2 Sockelbereich
5.3 Auskragende Elemente
5.4 Fenster
5.5 Türen
5.6 Auffälligkeiten oberhalb von Fenstern und Türen
5.7 Wanddurchbrüche
5.8 Dach
5.9 Wärmeführende Leitungen
6 Thermografieanwendungen im Gebäude
7 Erkennen von fachgerechten Thermogrammen
8 Resümee

1 Einleitung

Die Diskussionen über die globale Klimaerwärmung sowie die Veränderungen unserer Umwelt führen zu einem ökonomischen Umdenken. Knappe Ressourcen und der zunehmende globale Energiebedarf ließen die Energiepreise in den letzten Jahren stetig steigen. Aus diesem Grund ist es zwingend notwendig potenzielle Energieeinsparmöglichkeiten zu identifizieren.

In der Grafik Energiebedarf in Deutschland wird deutlich, dass in Deutschland ein großer Anteil der Energie in den privaten Haushalten benötigt wird. Der Energiebedarf der Privathaushalte lässt sich in Raumwärme, Warmwasser und elektrische Energie differenzieren. Die Raumwärme nimmt dabei den größten Anteil in Höhe von 72 % ein. Daher ist es besonders wichtig im Bereich der Gebäudedämmung effiziente und ganzheitliche Konzepte zu verwirklichen.

Ein erster Schritt ist die Schwachstellenanalyse zur Identifikation von Wärmeverlusten an Gebäuden. In den letzten Jahren etablierte sich immer mehr das Verfahren der Gebäudethermografie als Hilfsmittel zur Analyse. Durch die einfache Anwendbarkeit und die stark gesunkenen Investitionskosten für die Infrarotkameras hat sich ein großer Markt gebildet, der Thermografieanalysen von Gebäuden anbietet. Mitunter bieten unseriöse Unternehmen Thermografien an und bewegen die Kunden durch manipulierte Bilder dazu, die Dämmung des Hauses unter hohem Kostenaufwand erneuern zu lassen.

Diese Broschüre soll dem Interessierten ein grundlegendes Verständnis über die Möglichkeiten und Grenzen der Gebäudethermografie aufzeigen. Hierbei ist das Ziel, die Interpretation von Thermogrammen sowie das Aufzeigen von potenziellen Schwachstellen in der Gebäudestruktur zu vermitteln.

2 Vom Wärmestrom zur Bauphysik

Bei Wärme wird von Watt und bei Temperatur von Grad gesprochen, aber was ist damit gemeint? Und wie geht die Wärme durch eine Wand?

Wärme ist Energie (gemessen Joule [J]). Temperatur ist der thermische Zustand (gemessen in [°C] oder [K]).

Die Wärmeenergie setzt sich zusammen aus der Masse, dem spezifischen Widerstand des Stoffes und der Temperatur. Dabei lässt sich die Masse mit dem Volumen des Raumes und der Dichte des Stoffes definieren. Demnach gilt es, eine Unterscheidung zwischen dem thermischen Zustand des Raumes (der Raumtemperatur) sowie seiner thermischen Energie zu machen.

Wenn eine Wärmeübertragung möglich ist, bewegt sich die Wärmeenergie von dem Ort höherer Temperatur zum Ort niedrigerer Temperatur (siehe Grafik). Diese Übertragung wird in Watt gemessen und heißt Wärmestrom . Dabei gleichen sich die Temperaturen abhängig von der Wärmekapazität an. Bei einer hohen Wärmekapazität führt dieselbe Änderung der Wärmeenergie zu einer geringeren Temperaturänderung als bei niedriger Wärmekapazität. Das Angleichen findet so lange statt bis beide Orte die gleiche Temperatur haben.

Generell gibt es drei Arten von Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.[1]

Die Wärmeleitung ist ein Transport von Wärme durch ein Medium, physikalisch gesehen aufgrund von atomarer und molekularer Wechselwirkung. Die Wärme wird als Bewegungsenergie von stark schwingenden Molekülen an benachbarte, schwächer schwingende Moleküle durch Stoßvorgänge weitergegeben. Anschaulich kann Wärmeleitung an einem Metallstab erklärt werden. Wird ein Ende des Stabes erhitzt (Wärmeenergie zugeführt), so wird sich das andere Ende auch erwärmen. Wärmekonvektion ist eine Überlagerung von Wärmeleitung und Transport durch einen Trägermedium. Es wird von Wärmemitführung gesprochen, ein Beispiel hierfür ist der Transport von Wärmeenergie durch das Warmwasser vom Heizkessel zu den Heizkörpern. Die Wärmestrahlung ist diejenige Wärmeenergie, die mit einer Wärmebildkamera erfasst werden kann. Sie ist gekennzeichnet durch den Wärmetransport ohne Trägermedium durch elektromagnetische Schwingungen, die sogenannten Infrarotwellen. Einer der bekanntesten Wärmestrahler ist unsere Sonne, sie strahlt Wärmestrahlung aus und versorgt uns so mit Wärmeenergie.

Die Wärmeübertragung durch eine Wand oder einen anderen abgrenzenden Teil eines Gebäudes wird Wärmetransmission genannt. Insgesamt ist der Vorgang der Wärmeübertragung durch eine Wand eine Kombination aus Wärmeübergang und Wärmeleitung. Wärmeübergang ist der Transport der Wärme durch Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung auf die Wand. Wärmeleitung ist der Wärmetransport in der Wand.

Die Wärmetransmission ist in einem Haus unerwünscht. Je höher sie ist, desto mehr Wärme tritt ein oder aus. Diese Wärme wird mit einer Wärmebildkamera sichtbar gemacht. Um den Wärmestromtransport zu bewerten wird die Wärmetransmission durch den Wärmedurchgangskoeffizienten U beschrieben. Der Wärmedurchgangskoeffizient beschreibt die Wärmemenge, die in einer bestimmten Zeit durch ein Baustoff, Wand oder Bauteil hindurchfließt. Dieser Koeffizient oder Wert wird sehr häufig für Baustoffe, Isolationen etc. angegeben.

Es gilt: Je kleiner der U-Wert bzw. Wärmedurchgangskoeffizient, desto besser ist die Wärmedämmung.

In einem Gebäude wird ein besonderes Augenmerk auf die Wärmebrücken gelegt. Bei Wärmebrücken handelt es sich um Bereiche in der Gebäudehülle, durch die mehr Wärme transportiert wird, als durch die angrenzenden Bereiche. Wärmebrücken sind geometrie- und/ oder materialbedingt. [2]

Wandbereiche mit verschiedenen Wandstärken, wie sie in Heizkörpernischen zu finden sind und Wandbereiche bei denen das Verhältnis zwischen Innenfläche und Außenfläche unterschiedlich ist (siehe Abbildung Geometriebedingte Wärmebrücke), sind geometriebedingte Wärmebrücken. Eine Konstruktion aus Bauelementen mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten bilden materialbedingte Wärmebrücken. Ein Beispiel hierfür ist ein Stahlträger, der sich in der Wand befindet.

Häufig treten geometriebedingte und materialbedingte Wärmebrücken in Kombination auf. Ein Beispiel ist eine in der Außenwand aufgehängte Zwischendecke, wie in der unteren Abbildung dargestellt. Zum einen gibt es eine geometrische Wärmebrücke durch die Zimmerecken, zum anderen eine materialbedingte Wärmebrücke durch den Übergang zwischen Mauerwerk- und Zwischendeckenmaterial.

Durch eine Wärmebrücke entstehen bei niedrigeren Außentemperaturen Bereiche an den Innenseiten der Außenwände die kühler sind, als die sie umgebenden Bereiche. Um diesen Wärmeverlust auszugleichen, muss mehr geheizt werden. Mit Hilfe der Gebäudethermografie können die Wärmebrücken sichtbar gemacht werden. Eine weitere Auswirkung ist eine mögliche Bildung von Kondenswasser auf den abgekühlten Innenflächen. Dies begünstigt die Schimmelpilzbildung, welche gesundheitliche Probleme der Bewohner nach sich ziehen kann.

Die massenstrombedingte Wärmbrücke ist eine Sonderart von Wärmebrücken. Sie beruht auf der Wärmekonvektion, d.h. dem Wärmetransport durch ein Medium. Dies tritt bei der sogenannten Infiltration auf. Dabei handelt es sich um einen ungewollten Luftaustausch zwischen Hausinnerem und der Umwelt. Auch unzureichend gedämmte Wasserleitungen sind massenstrombedingte Wärmebrücken.

An einem Haus machen sich verschiedene Wärmebrücken bemerkbar. In der folgenden Abbildung werden einige häufig auftretende Wärmebrücken veranschaulicht. Diese werden ab Kapitel fünf anhand von Thermogrammen genau erläutert und interpretiert.

3 Dichte und hochgedämmte Wandaufbauten

Im Laufe der Zeit haben sich die Ansprüche an einen modernen Wandaufbau deutlich verändert. Dabei wird heute ein besonderer Fokus auf die Wärmedämmung gelegt. Die in einem Gebäude existierenden Wärmebrücken weisen dabei auf mögliche Stellen der Undichtheit hin. Sobald eine Gebäudewand „undicht“ ist, beeinflusst dies den baulichen Wärmeschutz.

Luftdichtheit

Eine luftdichte Wand weist die Eigenschaft auf, keine Luftdiffusion zwischen dem Gebäudeinneren und der Umgebung zuzulassen. Die Folge eines nicht ausreichend luftdicht ausgeführten Wandaufbaus, ist ein erhöhter Energiebedarf. Die Dichtheit eines Gesamtbauwerkes ist demzufolge von den Materialeigenschaften einzelner Wandbestandteile sowie deren qualitativen Aufbaus abhängig.

Dämmung

Die effektive Dämmung der Gebäudehülle verringert den Wärmefluss aus dem Bauwerk. So ist zunächst zu klären, wie eine Dämmung definiert wird.

Ist ein Haus ausreichend gedämmt, erhöht dies nicht nur den Wohnkomfort, indem ein behagliches und gesundes Raumklima erzeugt wird, sondern schont auch den Geldbeutel, da keine Heizenergie ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird.[3]

Die eingesetzten Dämmstoffmaterialien zeichnen sich durch geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Diese bilden den Hauptbestandteil von Wärmedämmverbundsystemen (WDVS).

Die Dämmung kann auf zwei unterschiedlichen Arten, als Innen- oder Außendämmung angebracht werden. Innendämmung kann vor allem bei kurzfristig genutzten Räumen, wie z.B. Kirchengebäuden oder Ferienhäusern, die schnell aufgeheizt werden müssen sinnvoll sein. Sie bedarf bei wasserdampfdurchlässigen Dämmplatten einer zusätzlichen innenliegenden dampfsperrenden Schicht, um Kondenswasserbildung im Wandquerschnitt zu vermeiden.[4]

Innendämmung

Innendämmung ist ein mögliches Dämmverfahren, um den Wärmeschutz einer Außenwand eines bereits bestehenden Gebäudes zu verbessern.

Mögliche Vorteile für den Einsatz der Innendämmung sind, dass hierdurch das Dämmen von Eigentumswohnungen oder Häusern mit denkmalgeschützten Fassaden ermöglicht wird. Bei der Innendämmung ist jedoch bedenklich, dass durch den Einbau einer Dampfsperre der Taupunkt in das Konstruktionsinnere einer Wand verlagert werden kann. Sobald die Dampfsperre, zum Beispiel durch einen Nagel oder eine Steckdose durchbrochen wird, besteht das Risiko der Schimmelbildung.

Grundsätzlich ist die Wahl der Dämmstoffdicke zu beachten, um Energieverluste durch die Wand zu verringern. Mit steigender Dicke verringert sich jedoch die Wohnfläche. Die nachfolgende Graphik verdeutlicht die abnehmenden Wärmeverluste der Außenwand mit steigender Dämmstärke.

Außendämmung

Die Außendämmung erfolgt vermehrt durch den Einsatz eines mehrschichtigen Wärmedämmverbundsystems. Ein Wärmedämmverbundsystem besteht aus Dämmstoffplatten, die auf das vorhandene Mauerwerk aufgeklebt oder gedübelt werden. Auf diese Dämmschicht wird der Mörtel samt einem eingebetteten Gewebe aufgetragen. Dieses Gewebe sorgt dafür, dass später keine Risse im Putz z.B. durch Dehnungsspannungen im Untergrund entstehen können (s. Abbildung).

Wärmedämmverbundsysteme können nahezu auf allen massiven Untergründen eingesetzt werden. Für die Dämmplatten eines Wärmedämmverbundsystems bieten sich verschiedene Materialien an, wie z.B. Mineralwolle- oder Polystyrolplatten.[5]

Der Einsatz von Außendämmung ist nicht nur Bestandteil eines Neubaus, sondern auch zur Verbesserung des Wärmeschutzes bereits älterer Gebäude einsetzbar. Falls die Altbaufassade als Schlussbeschichtung verputzt ist, werden die Dämmschichten auf die Wandoberfläche aufgetragen. Im Falle einer verklinkerten Wandoberfläche handelt es sich um eine zweischalige Fassade, welche kerngedämmt wird. Solche Gebäude haben praktisch zwei Außenwände. Eine verklinkerte Außenwand und eine innere tragende Wand. Zwischen den Wänden besteht ein Hohlraum, in welchen Dämmstoffe eingelassen werden[6] (Vgl. Kapitel 6).

Erreichen eines höheren Dämmwerts

Je geringer der Energieverlust eines Hauses sein soll, desto größer muss der Wärmewiderstand, welcher als U-Wert angegeben wird, der einzelnen Gebäudekomponenten sein.

Je kleiner dieser ist, desto geringer ist die Wärmeemission. Die Vergrößerung der Schichtdicke des Materials trägt zur besseren Wärmedämmung bei. Dabei sollte jedoch ein speziell für die Wärmedämmung geeignetes Material ausgewählt werden.

Aus der folgenden Abbildung geht hervor, dass mit einer 2 cm dicken Dämmstoffschicht die gleiche Dämmwirkung wie durch den Einsatz einer 90 cm dicken Klinkerschicht erreicht wird.

Von massiven Wänden zum Wärmedämmverbundsystem

Die folgenden Abbildungen zeigen die Temperaturverläufe eines konventionellen Altbaus sowie eines moderneren Wandaufbaus. Um die unterschiedlichen Anforderungen an eine Wand erfüllen zu können (Stabilität, Schutz vor Witterungseinflüssen, Wärmedämmung, usw.), ist man mit der Zeit von einer massiven Mauer zu einem Wandaufbau aus unterschiedlichen Materialschichten gekommen.

Die wichtigste Aussage bezüglich des Wärmeverlustes liefert die Betrachtung der Temperaturkurven vorangegangener Abbildungen. Daraus wird ersichtlich, dass der Temperaturabfall in wenig gedämmten Wänden erheblich steiler verläuft. Somit wirkt die zusätzliche Dämmung als eine Art Widerstand, die den unerwünschten Wärmeverlust verringert.

Wärmedämmung und Luftfeuchtigkeit

Neben dem Aspekt der Senkung der Heizkosten, hat eine fachgerechte Wärmedämmung nach dem neuesten Stand weitere Funktionen. Nur wenn alle Wärmedämmkomponenten eines Hauses aufeinander abgestimmt sind, ist kondensierende Luftfeuchtigkeit kein Problem und der Wärmeschutz des Hauses gewährleistet.

Potenzielle Wärmeverlustquellen

Mit dem Schimmelbefall und den Feuchtigkeitsschäden an den Wänden sind bereits einige der Folgen schlechter Dämmung und mangelhafter Materialzustände genannt. Ein weiterer Aspekt, der mit erheblichem Wärmeverlust einhergeht, sind unangenehme Zuglufterscheinungen.

Das Besondere solcher Wärmeverlustquellen an der Gebäudehülle ist, dass eine Nichterkennung dieser zu einer weiteren Verschlechterung des Materials führen und andere Schäden zur Folge haben kann. Deshalb ist es besonders relevant, solche Probleme möglichst früh entdecken und beheben zu können.

Im Folgenden wird nun beispielhaft auf mögliche Entstehungsfaktoren sowie die Feststellung nicht ausreichend luftdichter Wandaufbauten eingegangen, die enorme Auswirkungen auf den gesamten Wärmehaushalt haben können.

Die größte Umschließungsfläche des Gebäudes ist die Außenwand. Sie ist jahrelang unterschiedlichsten Witterungsbedingungen ausgesetzt. Dadurch kommt es zu Schäden, wie z.B. Lücken, Spalten und Rissen in der Hauswand. Bei unzureichender, mangelhafter oder falscher Dämmung und verloren gehender Dichtheit geht ein großer Teil der Wärme über die Außenwand verloren. Zudem kann, wie bereits erwähnt, auch entsprechend von innen gedämmt werden. Auch bei der Errichtung der Gebäudehülle können aufgrund falscher Konstruktion oder Nachlässigkeiten an der Bausache Phänomene der mangelhaften Dichtheit auftreten, welche das Wohnklima beeinträchtigen. Unterschiedliche Qualitätsverluste und Mängel können dabei sowohl in Zusammenhang mit Beschaffenheit und Konstruktion stehen als auch vom Alter des Materials abhängen.

Zur Identifikation solcher Wärmeaustrittsstellen wird auf verschiedene Methoden zurückgegriffen.

Besonders geeignet, um Hinweise über Orte der genannten Stellen zu erhalten, ist bei richtiger Anwendung die Thermografie. Solche Aufnahmen können farblich die Wärmeverluststellen verdeutlichen.

Auch eine Außensteckdose in der Wand kann durch fehlerhaften Einbau, wie z.B. ungeeigneter Leerrohrinstallationen zu einer thermischen Schwachstelle führen. Es besteht also eine undichte Stelle in der Wand und kalte Luft dringt über Umwege von außen nach innen in den beheizten Raum. Folge dieser Problematik ist die permanente Zugluft, die das Wohnklima stark beeinträchtigt.

Thermografieaufnahmen liefern damit eine konkrete Entscheidungshilfe für anstehende Sanierungsmaßnahmen. Wärmeschwachstellen lassen sich gezielt und flächenorientiert erkennen und aufdecken. Somit sind Verbesserungen zielgerichtet ohne größeren Erkennungsaufwand möglich.

Für die effektive Ermittlung von Wärmeverlustquellen wird daher der Einsatz der Thermografie nahegelegt, da es bei der Ursachenfindung unterschiedlichster Anomalien und Unstimmigkeiten mit hoher Zuverlässigkeit zum Erfolg führt.