Unsichtbares sichtbar machen

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• „Saison“ hat die Bauthermografie nur in der Heizperiode von Oktober bis April. Im Sommer herrscht Flaute – so die verbreitete Meinung.
• Weit gefehlt! Neben der PV-Thermografie zur Untersuchung photovoltaischer Solaranlagen lassen sich auch in den Sommermonaten mithilfe der aktiven Thermografie Fassaden, Bauteile oder haustechnische Anlagen untersuchen.
• Dabei werden diese zuvor thermisch angeregt und anschließend thermografisch untersucht. Auf diese Weise werden äußerlich nicht sichtbare Strukturen, Durchfeuchtungen, eine mangelnde Wärmedämmung, Wasser- oder Abwasserleitungen sichtbar.

Im Gegensatz zur herkömmlichen passiven Thermografie, bei der Wärmeströme aufgrund eines natürlich vorhandenen Temperaturgefälles thermografisch genutzt werden (im Winter vom beheizten Innenraum zur kalten Umgebung), muss bei der aktiven Thermografie das Objekt zunächst thermisch angeregt werden. Die aktive Thermografie nutzt das physikalische Phänomen aus, dass sich verschiedene Materialien unterschiedlich schnell aufheizen oder abkühlen.

Durch die Aufheiz- oder Abkühlungsprozesse wird in der Bausubstanz ein Wärmestrom erzeugt. Materialwechsel im Bauteil setzen diesem Wärmestrom entweder einen Widerstand entgegen, beschleunigen oder reflektieren ihn. Diese Veränderungen lassen sich mit der Thermografiekamera sichtbar machen – entweder als Momentaufnahme für einen Vergleich mit dem Zustand vor der Anregung oder als Bildserie, um zu sehen, wo etwas zuerst oder zuletzt warm oder kalt wird.

Die Anregungszeit und die Aufnahmedauer hängen vom Verfahren ab und vor allem von der Tiefe der zu untersuchenden Strukturen. Je tiefer diese liegen, desto länger ist die notwendige Anregungs- und gegebenenfalls auch Aufnahmedauer. Auch die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Bauteils spielt eine große Rolle: Gut Wärme leitende und massive Bauteile, wie etwa Massivwände, müssen relativ lange angeregt werden. Bei dünnen und leichten Bauteilen, beispielsweise Putzschichten auf einer Dämmung, ist die Anregungszeit erheblich kürzer. Sinnvolle Werte für die Anregungsstärke und -dauer sowie die Aufnahmedauer und -frequenz müssen häufig empirisch ermittelt und der vorhandenen Bausubstanz angepasst werden.

Wie wird thermisch angeregt?

Im Baubereich gibt es für die thermische Anregung von Bauteilen mehrere Methoden: Mithilfe starker Lampen (Halogen- oder Infrarot-Strahler), per Heizgebläse (Bau- oder Elektroheizer), über die Sonneneinstrahlung oder per Warmwasser, etwa bei der Leitungssuche. Elektroheizer ab 3000 W werden für die Beheizung von Winterbaustellen oder zur Bautrocknung eingesetzt und kosten ab 50 Euro (siehe Anbieterliste). Wo es möglich ist, lässt sich auch die Sonne zur Erwärmung nutzen, indem man die gewünschte Einstrahlung abwartet, respektive einen Abkühlvorgang durch eine geeignete Verschattung künstlich hervorruft.

Häufig erhält man bessere Ergebnisse, wenn man anstelle der solaren Aufwärm-, die abendliche Abkühlungsphase nach Sonnenuntergang nutzt. Nach der Aufheiz- bzw. mit Beginn der Abkühlphase beginnt die Aufnahmephase. Häufig genügt schon ein Einzelbild, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten. Manchmal muss aber die zeitliche Entwicklung berücksichtigt werden, denn bestimmte Strukturen oder Vorgänge sind nur kurzzeitig sichtbar – und diesen kurzen Moment gilt es festzuhalten. In bestimmten Fällen kann es sinnvoll sein, vor der Aufheizphase ein Thermogramm zu erstellen, um eine Vergleichsmöglichkeit (vorher / nachher) zu haben.

Warmwasser wird eingesetzt, um die Leitungsführung, etwa einer Fußboden- oder Wandheizung, sichtbar zu machen. Eine weitere Methode der thermischen Anregung ist die Anfeuchtung von Bauteilen, sofern diese eine Anfeuchtung vertragen. Die Methode beruht darauf, dass bestimmte Materialien, Inhomogenitäten oder Risse mehr Wasser aufnehmen, als das umgebende Material. Entsprechend länger hält die durch die Verdunstung bedingte Abkühlung an. So kann beispielsweise ein gesättigt feuchter Riss, je nach Luftfeuchtigkeit, einen Temperaturunterschied von bis zu 3 K aufweisen, was im Thermogramm gut sichtbar ist. Bevor man die IR-Aufnahmen macht, sollte man dem Wasser allerdings genügend Zeit lassen, damit es in Risse und Poren eindringen kann.

Auswertung der IR-Aufnahmen

Da bei der aktiven Bauthermografie lediglich im Thermogramm sichtbare Temperaturunterschiede und keine absoluten Temperaturwerte betrachtet werden, ist die Auswertung etwas einfacher als bei der passiven Thermografie. Geht es nur um eine Riss-Suche per Anfeuchte-Technik, genügt es bereits, zwei Thermogramme für trocken und feucht gegenüberzustellen.

Bei der Suche von Hohlräumen und Ablösungen, etwa von Fliesen, Putzschichten oder Bitumenbahnen ist eine Bilderserie sinnvoll. Sollen feine Strukturen sichtbar gemacht werden, ist meist eine Fouriertransformation erforderlich, um das Bildrauschen zu mindern. Die dabei generierten Phasenbilder zeigen häufig auch dann noch Strukturen, wenn in den unbearbeiteten Thermogrammen nichts mehr erkennbar ist. Sogar die Tiefe einer Struktur kann zumindest grob abgeschätzt werden. Tiefe Strukturen erscheinen später (also bei tieferen Frequenzen) als oberflächennahe.

Insgesamt erfordert die Interpretation der Thermogramme Erfahrung und manchmal kriminalistischen Spürsinn, um die Temperaturunterschiede im Bild richtig zu deuten und daraus die richtigen Schlüsse zu ziehen. Für die Auswertung, Optimierung und Nachjustierung der Thermogramme und deren Zusammenstellung zu aussagekräftigen und nachvollziehbaren Berichten offerieren IR-Kameraanbieter teilweise auch bauspezifische Auswertungsprogramme (z. B. Flir BuildIR oder InfraTec Fornax).

Erforderliche Kameratechnik

Nicht jede Thermografiekamera eignet sich für die aktive Bauthermografie, denn an die Kameratechnik werden abhängig vom Einsatzbereich bestimmte Anforderungen gestellt. Während für die Leitungsdetektion und Leckagesuche auch schon einfache Kameras mit einer IR-Auflösung ab 160 × 120 Pixeln, einer thermischen Empfindlichkeit (NETD-Wert) von  0,1 K eingesetzt werden können, sollten Kameras für die Untersuchung von Fassaden und anderen Gebäudebauteilen über eine IR-Auflösung von mindestens 320 × 240 Pixeln und über eine thermische Empfindlichkeit  0,08 K verfügen.

Sinnvoll ist eine Wechseloptik, damit man sowohl einen großen Fassaden- oder Raumausschnitt als auch Detailaufnahmen machen kann. Feine Strukturen und kleinste Temperaturunterschiede lassen sich nur mit IR-Kameras mit einer noch höheren thermischen Empfindlichkeit von  0,06 K und einer IR-Auflösung von 640 × 480 Pixeln erkennen.

Da die Temperaturunterschiede teilweise sehr gering sind, sollte eine manuelle Temperaturskalierung (Level und Span) möglich sein. Eine eingebaute oder separate, möglichst hoch auflösende optische Digitalkamera erleichtert die Auswertung und Interpretation der Thermogramme. Neben der Kamera muss auch die Bedienperson bestimmte Anforderungen erfüllen: sie sollte Wissen aus den Bereichen Bauthermografie und Bauphysik mitbringen, um Thermogramme korrekt auswerten, Probleme erkennen und richtig beurteilen zu können.

Vielfältige Einsatzfelder

Obwohl sie keine quantitativen Aussagen über Temperaturwerte liefert wie die passive Thermografie, ist die aktive Bauthermografie vielfältig einsetzbar. Dazu zählen die Lokalisierung von Ablösungen an Putzen, Fliesen oder Bitumenschweißbahnen, die Visualisierung unterschiedlicher Materialien im Mauerwerk, wie Mauerziegel, Mörtelfugen, Stütze, Stürze, Deckenplatte oder Ringanker, und das Sichtbarmachen von Stahl- oder Holzständern hinter Trockenbauwänden.

Auch Putzstärken lassen sich abschätzen, da dicke Putze das darunter liegende Mauerwerk diffuser und unschärfer erscheinen lassen als dünne. Der Ursache von Rissbildungen oder Putzabplatzungen kann ebenso nachgegangen werden, wie etwa Materialwechseln im Wandinneren oder Durchfeuchtungen. Da feuchte Bausubstanz eine höhere Wärmekapazität hat und somit Temperaturänderungen langsamer folgt, lassen sich die Ursachen durchfeuchteter Bauteile lokalisieren, insbesondere der Feuchteeintritt, der sich unter Umständen weit entfernt vom Feuchteaustritt befinden kann.

Sogar durch eine nicht sachgerechte Ausführung entstandene Feuchteschäden an Wärmedämmverbundsystemen (WDVS) lassen sich mit dieser Methode lokalisieren, ohne die Fassade punktuell öffnen zu müssen. Feuchte Dämmplatten sind thermisch träger, während sich trocken gebliebene WDVS-Bereiche schneller erwärmen bzw. auskühlen. Etwa eine halbe Stunde nach Sonnenauf- oder -untergang kann der Temperaturunterschied bis zu 5 K betragen.

Ein weites Einsatzgebiet ist die Ortung Wasser führender Leitungen, die zuvor mit Warm- oder Heißwasser thermisch angeregt und dann per IR-Kamera lokalisiert werden können.

Strukturen sichtbar machen

Ob ein Gebäude ungedämmt oder gedämmt ist – und wenn ja, welche Struktur die Wärmedämmung aufweist – lässt sich nicht nur im Winter, sondern auch im Sommer klären. Beim ungedämmten Gebäude kann die durch Tageserwärmung oder Sonneneinstrahlung eingebrachte Wärme tief in die Bausubstanz eindringen. Durch die oben beschriebenen physikalischen Effekte werden thermische Strukturen sichtbar und dabei beispielsweise konstruktive Wärmebrücken aufgedeckt. Da Mauerwerk und Mauerwerksfugen die Sonnenwärme unterschiedlich schnell ableiten, sieht man auch das Fugenbild.

Gedämmte Gebäude verhalten sich völlig anders: die oberste, dünne Putzschicht erwärmt sich aufgrund der geringen Wärmekapazität schnell und stark. Darunter liegende Mauerstrukturen bleiben unsichtbar. Als thermische Anregung genügen ein bis zwei Stunden Besonnung, für die Auswertung eine IR-Einzelaufnahme zum geeigneten Zeitpunkt.

Bauteilstrukturen im Innenbereich sind dann von Interesse, wenn im Rahmen einer Renovierung oder Sanierung aufgedeckt werden soll, was sich hinter Tapeten, Putzen, Fliesen oder Teppichböden verbirgt. Im Innenbereich empfiehlt es sich vor der Aufheizphase, ein Thermogramm und danach mehrere Thermogramme etwa im Minutenabstand anzufertigen, während der Elektroheizer etwa 10 bis 30 min läuft. Die Raumheizung sollte aus sein, sonst kann es zu unerwünschten thermischen Überlagerungen kommen.

Auch Durchfeuchtungsursachen im Außen- oder Innenbereich kann man auf den Grund gehen: Woher kommt die Feuchtigkeit und wie groß ist der Schaden? Flächen mit Putzablösungen erscheinen nach einer natürlichen oder künstlichen thermischen Anregung besonders warm, da die Wärme aufgrund der Luftschicht an der abgelösten Stelle viel schlechter in das Bauteil eindringen kann. Die feuchten Zonen erwärmen sich langsamer und erscheinen kühler, da der Feuchtegehalt sowohl die Wärmeleitung als auch die Wärmekapazität erhöht. Der Effekt ist im IR-Kameradisplay deutlich erkennbar, weshalb im Außenbereich in der Regel eine Einzelaufnahme nach einer Aufheizphase von etwa einer Stunde ausreicht. In Räumen genügt meist eine kurze Aufheizphase ab 10 min.

Da die Effekte eher schwach ausgeprägt sind, empfehlen sich Zeitreihenaufnahmen, sodass man mithilfe einer Auswertungssoftware die Aufheizgeschwindigkeit jedes einzelnen IR-Bildpixels berechnen kann. Das erste Thermogramm sollte kurz vor der Aufheizphase und danach eine Thermogrammserie im Minutentakt angefertigt werden.

Weshalb sich ein Dachgeschoss-Zimmer im Winter nicht ausreichend beheizen lässt, kann man auch im Sommer klären. Lücken in der Dachdämmung zeigen sich nämlich im Sommer genauso wie im Winter. Bereiche, an denen im Winter die Wärme entweicht und dadurch die Innenwand abkühlt, sind auch im Sommer von innen thermografisch auffällig – als besonders warme Bereiche. Als Anregung genügen ein bis zwei Stunden Sonneneinstrahlung auf die zu untersuchende Dachfläche, je nach Strahlungsintensität und Dachaufbau. Da der Effekt meist deutlich in Erscheinung tritt, genügt in der Regel eine einzelne Innenraumaufnahme. Das Thermogramm kann anschließend wie bei der passiven Thermografie interpretiert werden – mit dem Unterschied, dass der Wärmetransport von außen nach innen stattfindet.

Ob ein Gebäude von außen gedämmt ist und welche Struktur die Dämmung aufweist, lässt sich ebenso herausfinden. Dabei lässt man die Fassade am besten durch die Sonne etwa eine Stunde aufwärmen und macht anschließend eine Einzelaufnahme. Bei gedämmten Gebäuden wird nur die oberste, dünne Putzschicht erwärmt. Deshalb werden nur die unmittelbar darunter liegenden Dämmplattenfugen oder Haltedübel sichtbar, das weiter hinten liegende Mauerwerk nicht.

Leitungen und Leckagen orten

Im SHK-Bereich verbreitet, aber nicht frei von Tücken, ist die Leitungs- und Leckagesuche. Mit der Infrarotkamera lassen sich sowohl Leitungsverläufe bei Wand-, Decken- oder Fußbodenheizungen oder Abflussrohren visualisieren, als auch Leitungsleckagen orten. Dazu müssen die Leitungen wahlweise mit Kalt-, Warm- oder Heißwasser befüllt, respektive durchströmt werden.

Die Leitungssuche funktioniert besonders gut, wenn diese möglichst unmittelbar und ohne Luftschicht in die Bausubstanz eingebettet sind und das Wasser in diesen Leitungen entweder deutlich wärmer oder kälter als die Bausubstanz ist. Bereits nach etwa 10 min Heißwasserlauf werden erste Effekte sichtbar, nach etwa 30 bis 40 min sollte das gesamte Leitungssystem sichtbar sein. Danach erwärmt sich sukzessive das umgebende Material, sodass Kalt-/Warm-Unterschiede und damit die Sichtbarkeit abnimmt.

Da durchfeuchtete Bauteile ein anderes Wärmeabstrahlverhalten als trockene Bereiche haben, lassen sich Leitungslecks an Heiz- und Wasserleitungen ebenso erkennen, wie beispielsweise Undichtigkeiten von Flachdächern. Mit der IR-Kamera lassen sich Schadensstellen anhand ungewöhnlicher Temperaturverläufe, sogenannter „Hot“Spots“ sichtbar machen und damit notwendige Reparaturmaßnahmen räumlich eingrenzen.

Dabei muss man allerdings einiges beachten. So muss das Leckagewasser entweder wärmer / kälter als die Bausubstanz sein oder an der Oberfläche verdunsten können. Ferner muss eine ausreichende Wassermenge auslaufen, damit das Wasser nicht sofort die Temperatur der Bausubstanz annimmt. Allerdings lassen sich die Schadensstellen in der Praxis aufgrund individueller Randbedingungen, wie Konstruktionen, Schichtaufbauten, Isolierungen, unterschiedliche Verlegungstiefen etc., nicht immer eindeutig bestimmen. So kann etwa eine erhöhte Wärmeabstrahlung ebenso durch fehlende Rohrisolierungen oder ein nicht korrekt befestigtes und dadurch weiter oben im Estrich befindliches Heizrohr hervorgerufen werden.

Deshalb sollte man zusätzliche Messungen, wie Feuchtigkeits-, Druck- und Geräuschmessungen oder Messungen mittels Spürgas, gegebenenfalls in Kombination durchführen. Außerdem sollte die VATh-Richtlinie für die „Planung, Durchführung und Dokumentation thermografischer Messungen an verdeckt liegenden, Wasser führenden Leitungssystemen innerhalb- und außerhalb von Gebäuden“ beachtet werden (Download auf www.vath.de ).

Fazit: Technik mit viel Potenzial

Obwohl die aktive Thermografie in der Industrie zur zerstörungsfreien Materialprüfung von Metallen oder Verbundstoffen schon geraume Zeit eingesetzt wird (siehe auch [6] und [7]), ist sie selbst für viele erfahrene Bauthermografen ein noch unbekanntes Terrain. Auch von den meisten IR-Kameraherstellern wurde das Potenzial der aktiven Bauthermografie noch nicht erkannt. Dabei kann, ebenso wie die PV-Thermografie (TGA 06-2012: Die Sonne bringt Mängel an den Tag,  Webcode  362170), auch die aktive Bauthermografie die Einsatzdauer, die Einsatzmöglichkeiten von IR-Kameras und das Geschäftsfeld von Thermografen erweitern.

Dieser Fachbeitrag basiert auf der InfraTec-Seminarveranstaltung „Bauthermografie und Fornax“ von Dr.-Ing. Georg Dittié sowie der Webseite www.thermografie.de

Literatur, Quelle, Links

[1] DIN EN ISO 9712 Zerstörungsfreie Prüfung – Qualifizierung und Zertifizierung von Personal für die zerstörungsfreie Prüfung. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2012

[2] Flir (Hrsg.): Wärmebildtechnik-Ratgeber für industrielle Anwendungen. Frankfurt: Flir Systems Germany, Eigenverlag, 2011, Download auf www.flir.de

[3] Testo AG (Hrsg.): Praxisratgeber Thermografie für Heizungsbauer. Lenzkirch: Testo, Eigenverlag, 2012, Download auf www.testo.de

[4] Testo (Hrsg.): Praxisratgeber Thermografie in der präventiven Instandhaltung. Lenzkirch: Testo, Eigenverlag, 2014, Download auf www.testo.de

[5]  www.thermografie.de Infos rund um die (Bau-)Thermografie

[6]  www.bam.de Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung, Suche: Thermografie

[7]  www.dgzfp.de Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung

• Für die thermische Anregung reicht häufig die Sonne aus. Im Innenbereich genügt ein einfacher Elektro-Heizstrahler ab 3 kW.
• Gut Wärme leitende und massive Bauteile müssen relativ lange – dünne und leichte eher kürzer thermisch angeregt werden.
• Sind große Temperaturunterschiede zu erwarten, genügen Einzelaufnahmen, IR-Serienbilder sind bei geringen Temperaturunterschieden und feinen Strukturen sinnvoll.
• IR-Kamera mit mind. 160 × 120 IR-Pixeln und einem NETD-Wert  0,1 K einsetzen (besser: 320 × 240 IR-Pixel und  0,08 K, bzw. 640 × 480 IR-Pixel und  0,06 K).

Anbieter Elektro-Heizlüfter (Auswahl):

www.euromac.nl www.guede.com www.heliosventilatoren.de www.masterheaters.de www.rowi.de www.trotec.de www.veab.com

Anbieter IR-Kameras (Auswahl):

www.flir.de www.fluke.de www.icodata.de www.infratec.de www.irpod.net www.milwaukeetool.de www.opgal.com www.reichelt.de www.testboy.de www.testo.de www.thermal.com www.trotec.de www.umarex-laserliner.de www.warensortiment.de