Thermografie Anwendung - SHK

Welche Vorteile und Möglichkeiten bietet die Thermografie für das Sanitär-Heizungs-Klima-Handwerk, für die Haustechniker oder auch Energieberater? Was sollte eine Wärmebildkamera leisten? Welche Kenntnisse sollte der Thermograf haben? Auf was ist bei der Aufnahme von Wärmebildern zu achten? Und wo liegen die Fehlerquellen bei der Thermografie Auswertung?

Mit der Infrarot- oder Wärmebildkamera aufgenommene Wärmebilder (Thermogramme) sind zu einem Synonym fürs Energiesparen geworden. Wärmebrücken in den Heizkörpernischen decken sie ebenso zuverlässig auf wie unzureichend gedämmte Heizleitungen oder Pufferspeicher. Im Bereich Sanitär, Heizung und Klima sind Wärmebildkameras vielseitig einsetzbar. So lassen sich etwa Schadstellen, wie Leckagen an Heizleitungen, Probleme wie Strömungsblockaden an Heizkörpern oder ungünstig verlegte Fußbodenheizungen schnell lokalisieren. Fehler werden rasch erkannt und behoben, so dass die Haustechnik in kürzerer Zeit und mit weniger Aufwand wieder funktionsfähig gemacht werden kann. Davon profitieren SHK- und Haustechnik-Betriebe sowie ihre Kunden.

Zu den häufigsten Einsatzbereichen von Wärmebildkameras zählt die energetische Optimierung von Gebäuden oder Anlagen. Werden Wärmeverluste an Wohn-, Büro- oder Gewerbegebäuden frühzeitig lokalisiert und beseitigt, wirkt sich das positiv auf die Betriebskosten aus. Wärmebildkameras unterstützen Energieberater bei der Lokalisierung energetischer Schwachstellen. Dazu zählen insbesondere Wärmebrücken im Boden-, Sockel- und Dachbereich oder an Bauteilübergängen. Durch Fugen in der Gebäudehülle verursachte Luftundichtigkeiten können im Zusammenspiel mit der so genannten Differenzdruck-Messung (Blower-Door-Test) auf dem Display der Infrarotkamera sichtbar gemacht werden. Ebenso wie Wärme-, erhöhen auch Kälteverluste im Bereich von Kühlhallen, Lagerhallen oder Klimaanlagen den Energiebedarf und führen zu Energie-Mehrverbrauch. Mangelnde Dämmung an Gebäuden, unzureichend isolierte Anlagenkomponenten oder Rohrleitungen lassen sich mit einem kurzen Kameraschwenk ausfindig machen, so dass gezielt Abhilfe geschaffen, Energie und Betriebskosten eingespart werden können. Sieht der Bauherr, Eigentümer oder Anlagenbetreiber auf dem Display Wärmelecks, fällt es meist nicht schwer, ihn für Dämm- und Isoliermaßnahmen zu gewinnen. IR-Kameras sind somit auch ideale Auftrags-Akquisitionswerkzeuge.

Ein reibungsloser Haustechnik-Betrieb setzt regelmäßige Wartungsarbeiten und Inspektionen voraus. Schäden werden so frühzeitig erkannt und teure Folgeschäden vermieden. Neben herkömmlichen, zerstörungsfreien Prüf- und Messverfahren (Sichtprüfung, Druck, Schall, Feuchte etc.) hat sich im SHK-Bereich auch die Infrarotthermografie als eine verlässliche Mess- und Inspektionsmethode etabliert. Ist ein Problem oder Schaden bereits aufgetreten, können die Ursachen schneller eingegrenzt und lokalisiert werden. Mit Hilfe mobiler Wärmebildkameras lassen sich heiße Stellen (Hot spots) an hydraulischen, mechanischen oder elektrischen Anlagenkomponenten aufspüren. Thermografische Untersuchungen ermöglichen eine schnelle Zustandskontrolle von Rohrleitungen, Ventilen, Heizkörpern, Pumpen und anderen für den Haustechnik-Betrieb wichtigen Systembauteilen. Thermisch auffällig belastete Bauelemente von Geräten oder Anlagen werden ebenso entdeckt, wie auffällige Vor- und Rücklauftemperaturen bei Heizkreisverteilern, fehlende oder mangelhafte Isolierungen bei Leitungen und Anlagen oder eine durch Verschlammung ineffiziente Wärmeabgabe von Heizkörpern. Eine nicht erwünschte, respektive unzureichende Wärmeabgabe kostet unnötig Energie und beeinträchtigt die Anlagen-Wirtschaftlichkeit. Entsprechende Maßnahmen wie eine Leitungsisolierung oder die Hochdruckspülung von Heizkörpern schafft Abhilfe. Anhand von Vorher-/Nachher-Wärmebildern kann man Kunden sowohl das Problem als auch den Erfolg der Maßnahme anschaulich vermitteln. Um die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit von Anlagen zu steigern und Betriebskosten zu senken, sollten nicht nur bestehende Anlagen regelmäßig kontrolliert werden. Werden auch neue Heizungs- oder Klimaanlagen vor der regulären Aufnahme des Betriebs unter Last untersucht, lassen sich mögliche Fehler frühzeitig aufdecken.

Unter Putz oder im Estrich verlegte Leitungen sind im Schadensfall heikel, weil Stemmarbeiten viel Aufwand verursachen. Wird ein Wasserverlust in einer Leitung festgestellt, steht der Installateur nicht nur vor dem Problem, dass der Leitungsverlauf meist unbekannt ist. Das Wasser kann zudem an Stellen aus Wand, Decke oder Boden austreten, die von der eigentlichen Leckage mehr oder weniger weit entfernt sind. Eine Reparatur hat dann meist eine Zerstörung großflächiger Fußboden- oder Wandbereiche zur Folge. Um den ursprünglichen Zustand wieder herzustellen, entstehen erhebliche Arbeits- und Materialkosten. Mit der Infrarotkamera lassen sich sowohl Leitungsverläufe bei Wand- oder Fußbodenheizungen lokalisieren, als auch Leitungsleckagen anhand von "Hot Spots" eingrenzen. Weil durchfeuchtete Bauteile ein anderes Wärmeabstrahlverhalten haben, als trockene Bereiche, lassen sich diese Leitungslecks an Warm- oder Kaltwasserleitungen ebenso erkennen wie Undichtigkeiten von Abwasserleitungen, so dass notwendige Reparaturmaßnahmen räumlich eingegrenzt werden können.

Manchmal lassen sich Schadensstellen aufgrund individueller Randbedingungen wie Konstruktionen, Schichtaufbauten, Isolierungen, unterschiedlichen Verlegungstiefen nicht eindeutig bestimmen. Auch geringere Leitungsisolierungen im Bereich von T-Stücken und Bögen können zu Fehlinterpretationen führen. Dann ist der parallele Einsatz mehrerer Messverfahren empfehlenswert, wie etwa von elektroakustischen Messungen oder Feuchtesensoren. Außerdem sollte die "VATh-Richtlinie: Leckortung zur Planung, Durchführung und Dokumentation  infrarotthermografischer Untersuchungen an wasserführenden Leitungssystemen" beachtet werden (siehe auch Infokasten - Praxistipps Leckortung).
 

Die Qualität von Wärmebildern ist abhängig von der Leistungsfähigkeit der IR-Kamera. Insbesondere die Auflösung des Kamera-Detektors spielt dabei eine entscheidende Rolle. Je höher diese ist, desto besser ist die Wärmebild-Qualität und desto mehr Details lassen sich erkennen. Sie liegt bei Einsteigerkameras bei 160 x 120 IR-Bildpunkten, was 19.200 einzelnen Messwerten entspricht. Mehr Details sind mit höher aufgelösten IR-Kameras, z.B. mit 320 x 240 oder 640 x 480 IR-Bildpunkten erkennbar. Ebenso wichtig ist die thermische Empfindlichkeit, auch NETD-Wert genannt. Sie gibt die kleinste Temperaturdifferenz an, die vom Detektor erfasst werden kann und sollte zwischen 0,1 und 0,05 Kelvin bei 30°C liegen, je kleiner desto besser. Auch die geometrische Auflösung (IFOV-Wert) entscheidet über die Messgenauigkeit. Sie ist abhängig vom aktuell eingesetzten Objektiv und definiert die kleinstmögliche Messfleckgröße. Das ist jene Fläche auf dem Messobjekt, die aus einem Meter Entfernung einer einzelnen Detektorzelle in einem Wärmebild zugeordnet werden kann. Die Messfleckgröße entscheidet darüber, wie genau bei einer vorhandenen Objektgröße bzw. Objektentfernung gemessen werden kann. Je nach räumlicher Situation bzw. Objektentfernung sollte das Kameraobjektiv aufgabenbezogen durch ein Tele- oder Weitwinkelobjektiv austauschbar sein, um beispielsweise eine Raumsituation mit einer einzigen Aufnahme erfassen zu können. Zu den Kamera-Einstellmöglichkeiten sollten der Emissionsgrad (materialspezifischer Wärmeabstrahl-Kennwert des Messobjekts) sowie die reflektierte Temperatur gehören.

Über die Qualität der Thermogramme entscheidet nicht nur die Kamera, sondern auch, wer sie bedient. Der Kameranutzer muss, über die korrekte Bedienung der Kamera hinaus, mögliche Fehlerquellen und Grenzen der Thermografie kennen sowie die Messergebnisse korrekt interpretieren. Das setzt sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Auswertung Kenntnisse aus den Bereichen Optik, Wärmestrahlung, Wärmeleitung, Messtechnik, Materialkunde, Bauphysik und durch das Messobjekt bedingtes Fachwissen voraus. Kenntnisse über verwendete Materialien, den technischen und konstruktiven Aufbau des jeweiligen Messobjekts sind unverzichtbar, denn sie helfen, Messfehler zu vermeiden und thermische Auffälligkeiten richtig zu deuten. Ferner sollte man sich vorher mit der Funktionsweise und thermischen Charakteristik der zu untersuchenden Anlage sowie möglichen Störungen vertraut machen. Häufig müssen zusätzliche Messungen vorgenommen werden, um weitere Parameter zu ermitteln, beispielsweise Druck-, Elektroakustik-, Feuchtemesser etc. Deshalb muss der Thermograf auch mit diesen Messwerkzeugen vertraut sein. Grundsätzlich sollten Thermografie Untersuchungen im SHK-Bereich und insbesondere Leckageortungen nur von auf diesem Gebiet erfahrenen Personen durchgeführt werden. Wer die Thermografie als Dienstleistung anbietet, sollte auch über entsprechende Qualifikationen verfügen und diese gegebenenfalls durch geeignete Zertifikate nachweisen (z.B. DIN EN ISO 9712, Stufe 2 oder 3, siehe auch www.vath.de/zertifizierung.htm oder www.testo.de/akademie).

Während der Messung sucht der Thermograph mit der Infrarotkamera die Anlage ab und dokumentiert Auffälligkeiten er per Wärmebild, Sichtfoto, schriftlichen Notizen oder Sprachaufzeichnungen. Sowohl die Aufnahme von Wärmebildern als auch deren Interpretation und Auswertung setzt Fachwissen, Know-how und Erfahrung voraus. Achtet man bei der Aufnahme nicht auf bestimmte Randbedingungen und mögliche Fehlerquellen, erhält man fehlerhafte Ergebnisse. Wichtig bei der Aufnahme sind die Fokussierung und der Bildausschnitt. Zwar lassen sich falsche oder ungünstige Kameraeinstellungen per Software bis zu einem gewissen Grad nachträglich korrigieren. Nicht korrigiert werden können eine mangelnde Fokussierung, der Bildausschnitt sowie die Messung verfälschende Randbedingungen. Zu jeder Thermografie-Aufnahme sollte aus derselben Sichtperspektive parallel auch ein Digitalkamera-Foto (Lichtbild) angefertigt werden, um später bei der Auswertung der Thermogramme lokalisierte Schwachstellen und Leckagen einfacher zuordnen zu können. Als Zeitaufwand müssen für eine fachgerechte thermografische Untersuchung etwa eine Stunde vor Ort und weitere zwei bis vier Stunden für die Auswertung und Berichterstellung im Büro einkalkuliert werden. Schon während der Messung sollten Thermogramme auf dem Display vorab begutachtet werden, um einen ersten Eindruck vom Messobjekt zu erhalten, für Plausibilitätsprüfungen etc. Für diese erste Vor-Ort-Auswertung halten Thermografiekameras zahlreiche Funktionen bereit, mit denen sowohl das aktuelle als auch alle bereits aufgenommenen und im internen oder externen Bildspeicher enthaltenen Thermografiebilder vorab ausgewertet werden können. Zu den geräteabhängigen Auswertefunktionen zählen die Anzeige der Temperaturskalierung, die Position und den Wert der Min-/Max-Temperatur, wahlweise die Cursor-/Multipunkt-/Multigebietstemperatur, eine Isothermendarstellung und andere.

Die eigentliche Auswertung der Wärmebilder erfolgt entweder mit Hilfe einer mobilen App direkt beim Kunden oder mit der zum Kamera-Lieferumfang gehörenden Auswertesoftware im Büro. Deren Funktionen zur Analyse und Berichterstellung sind umfangreicher und detaillierter: Thermogramme können modifiziert, optimiert, analysiert, Digitalfotos gegenübergestellt, respektive mit diesen überlagert und zu einem nachvollziehbaren Thermografie-Bericht zusammengestellt werden. Am häufigsten müssen Farbskalen und Farbpaletten über das gesamte Bild oder lokal in einem bestimmten Bereich optimiert werden. Über die Temperatur-Spreizung (auch „Span“ genannt) wird die obere und untere Temperatur auf der Skala eingestellt. Damit lässt sich die zum jeweiligen Messobjekt passende Temperatur-„Spannweite“ und damit der Bildkontrast einstellen. Die Temperatur in der Mitte der Temperaturskala wird über die "Level"-Funktion eingestellt und bewirkt eine Verschiebung der Farbskala hin zum obersten oder untersten Farbwert der aktuell verwendeten Farbpalette. Eine Automatik unterstützt die Level- und Span-Voreinstellung, die man anschließend per manueller Feinjustierung optimieren kann. Mit beiden Werten lassen sich zu helle, zu dunkle, zu kontrastarme oder übersteuerte Thermogramme nachträglich korrigieren. Zur Visualisierung kritischer Temperaturen können sowohl Über- und Unterschreitungen von Grenzwerten als auch einzelne Pixel in einem bestimmten Temperaturbereich hervorgehoben werden. Ferner lassen sich für beliebige Temperaturen Alarmmarken setzen, die bei einer Unter- oder Überschreitung einen optischen oder akustischen Alarm auslösen, etwa bei Erreichung der Taupunkttemperatur, die eine Schimmelpilzbildung begünstigt. ROIs (Regions of Interest), das sind im Thermogramm mit Hilfe von Punkten, Linien oder Flächen definierte Messbereiche, können in Form von Messreihen und Diagrammen ausgewertet werden. Profildiagramme geben dabei den Temperaturverlauf entlang einer Linie oder einer Fläche an und Histogramme zeigen die Häufigkeitsverteilung von Temperaturwerten. Zeitbasierte Auswertungen von IR-Bildersequenzen ermöglichen das Erstellen von Bilderserien, um den Verlauf von Temperaturwerten innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts zu visualisieren – beispielsweise das Aufheizverhalten von Fußbodenheizungen.