EP4476514A1

EP4476514A1 - Verfahren zur bestimmung von leckagen in gebäudehüllen

Info

Publication number: EP4476514A1
Application number: EP23703749.4A
Authority: EP
Inventors: Benedikt Kölsch; Eckhard LÜPFERT; Johannes Pernpeintner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2024-12-18
Also published as: DE102022102824B3; WO2023148370A1; US20250137866A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Leckagen (11) in einer Gebäudehülle (3) eines Gebäudes (1) mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines Über- oder Unterdrucks in dem Gebäude (1) für eine vorgegebene Zeitdauer innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, wobei die vorgegebene Zeitdauer kürzer als der vorgegebene Zeitraum ist, b) Aufnehmen von mehreren Bilddaten von der Gebäudehülle (3) mittels Infrarotthermografie während des vorgegebenen Zeitraumes, c) Wiederholen der Schritte a) und b) d) Auswerten der Bilddaten, wobei die durch die Wiederholung des Schrittes a) an Leckagen (11) in der Gebäudehülle (3) entstehende Temperaturänderungen durch ausströmende oder einströmende Luft erkannt werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung von Leckagen in Gebäudehüllen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Leckagen, insbesondere Luftleckagen, in Gebäudehüllen.

Leckagen in Gebäudehüllen führen zu Undichtigkeiten des zugehörigen Gebäudes. Zur Bestimmung der Luftdichtheit eines Gebäudes sind dem Anmelder verschiedene Messmethoden bekannt, wobei die beschriebenen Messmethoden nicht notwendigerweise einen konkreten Stand der Technik darstellen.

Bei dem sogenannten Blower-Door-Test wird ein Differenzdruck zwischen den Innenräumen des Gebäudes und der Umgebung des Gebäudes aufgebaut und der resultierende Volumenstrom als Maß für die Luftdichtheit verwendet. Hierbei wird die Eingangstür oder eine andere Öffnung des Gebäudes mit einem Ventilator ausgestattet. Über den Ventilator kann ein statischer Über- oder Unterdrück im Gebäude erzeugt werden. Der Luftvolumenstrom durch den Ventilator wird gemessen. Dies ermöglicht die Quantifizierung der integralen Luftdichtheit des Gebäudes. Mit Rauchspendern oder Luftgeschwindigkeitsmessern können weiterhin lokale Luftströmungen detektiert werden, was eine qualitative Bestimmung von Ort und Größe einer undichten Stelle ermöglicht.

Eine weitere Methode ist das sogenannte Tracergas-Verfahren. Hierbei wird ein Spurengas, das leicht zu detektieren ist, oft SF6, in das zu untersuchende Gebäude eingebracht und verteilt. Die Abklingkurve der Tracergas-Konzentration im Raum wird durch Konzentrationsmessung innerhalb einer gewissen Zeitdauer bestimmt. Mit diesem Verfahren wird die Luftwechsel rate quantifiziert, die sich durch Lüftungsanlagen, offene Fenster oder unkontrolliert durch Leckagen im Gebäude, etwa an Materialübergängen und Ecken, ergibt.

Diese Methode benötigt teilweise eine mehrstündige Eindüsung des Tracergases. Dieses ist je nach verwendetem Gas atemluftverdrängend und/oder klimaschädlich. Während der Messung ist daher anderweitige Nutzung des Gebäudes beeinträchtigt. Ferner beeinflussen Wind und andere Umgebungsbedingungen die Ergebnisse der Messung.

Auch mittels Infrarotthermografie können Leckagen in den Gebäudeteilen detektiert werden. Dabei werden lokale Änderungen oder Abweichungen der Oberflächentemperaturen infolge von Durchströmungen von Gebäudebauteilen visualisiert. Die Temperaturdifferenz zwischen Gebäudeinnerem und der Umgebung sollte allerdings mindestens 5-10 °C betragen, um Temperaturunterschiede auflösen zu können. Dabei ist es schwierig, den Unterschied zwischen einer Wärmebrücke und einer Luftleckage festzustellen. Um die Qualität der Messung zu verbessern, können Differenzbilder verwendet werden. Bei dieser sogenannten Differenzthermografie wird zuerst ein Infrarotbild im ursprünglichen Zustand des Gebäudes aufgenommen und ein zweites Bild nach dem Einschalten eines Ventilators, der ein Über- oder Unterdrück im Gebäude und damit eine Durchströmung der Leckagen erzeugt. Der zeitliche Abstand zwischen dem Einschalten des Ventilators und der Bildaufnahme beträgt in der Regel mehrere Minuten bis eine halbe Stunde. Diese Zeit wird benötigt um einen ausreichend messbaren lokalen Temperaturunterschied zu erzeugen. Beide Bilder werden subtrahiert und das resultierende Thermografiebild zeigt die Temperaturunterschiede an den Leckagen, was eine Ortung ermöglichen kann. In Erweiterung der Differenzmessung wird teilweise der Temperaturtrend von Pixeln oder Objekten nach dem Einschalten des Ventilators analysiert. Bei derartigen Messungen können Veränderungen über den Messzeitraum in Wind, Strahlungstemperatur des Himmels oder Umgebungsobjekttemperaturen, die als Reflexionen im Bild sichtbar werden, das Ergebnis stark verfälschen, so dass die Differenz-Infrarotthermografie zumeist nur für den Innenbereich, d.h. für Messung einzelner Räume geeignet ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von Leckagen in Gebäudehüllen zu schaffen, bei der eine kurze Messdauer verwirklicht ist und das in vorteilhafter Weise auch für den Außenbereich und ganze Fassaden geeignet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch den Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Leckagen an einer Gebäudehülle eines Gebäudes sind folgende Schritte vorgesehen: a) Erzeugen eines Über- oder Unterdrucks in dem Gebäude für eine vorgegebene Zeitdauer innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, wobei die vorgegebene Zeitdauer kürzer als der vorgegebene Zeitraum ist, b) Aufnehmen von mehreren Bilddaten von der Gebäudehülle mittels Infrarotthermografie während des vorgegebenen Zeitraumes, c) Wiederholen der Schritte a) und b), d) Auswerten der Bilddaten, wobei die durch die Wiederholung des Schrittes a) an Leckagen in der Gebäudehülle entstehenden Temperaturänderungen durch ausströmende oder einströmende Luft erkannt bzw. ermittelt werden.

Da der Zeitraum und die Zeitdauer in Schritt a) vorgegeben ist, kann in vorteilhafter Weise ein Auswerten von Bilddaten erfolgen, da bekannt ist, wann eine durch den Über- oder Unterdrück in dem Gebäude erzeugte Temperaturänderung an der Gebäudehülle auftreten kann. Eine zeitliche Zuordnung der Bilddaten kann über entsprechende Zeitstempel erfolgen. Dadurch können Temperaturänderungen, die durch externe Einflüsse induziert sind, wie beispielsweise Schatten oder Windeinflüsse, auf einfache Art und Weise erkannt bzw. eliminiert werden.

Die Bilddaten werden vorzugsweise in dem vorgegebenen Zeitraum sowohl während der Zeitdauer, in der der Über- oder Unterdrück erzeugt wird, als auch außerhalb dieser Zeitdauer aufgenommen. Vorzugsweise werden die Bilddaten von außen aufgenommen, d.h. die Außenseite der Gebäudehülle wird aufgenommen.

Vorzugsweise sind die vorgegebenen Zeiträume bei der Wiederholung des Schrittes a) gleich lang. Auch kann vorgesehen sein, dass bei der Wiederholung des Schrittes a) die vorgegebenen Zeitdauern, in denen ein Über- oder Unterdrück in dem Gebäude erzeugt wird, gleich lang sind, wobei der Zeitpunkt innerhalb der vorgegebenen Zeiträume, an dem mit der Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks in dem Gebäude begonnen wird, gleich ist. Mit anderen Worten: Der zeitliche Ablauf der Erzeugung des Über- oder Unterdrucks in Schritt a) ist bei jeder Wiederholung des Schrittes a) gleich. Somit wird periodisch ein Über- oder Unterdrück in dem Gebäude erzeugt, sodass die Auswertung der Bilddaten in besonders vorteilhafter Weise erfolgen kann, da die aufgrund der periodischen Erzeugung des Über- oder Unterdrucks an den Leckagen ebenfalls periodisch auftretende Temperaturänderung in besonders vorteilhafter Weise erkannt werden kann.

Der Über- oder Unterdrück in dem Gebäude kann mittels eines Blower-Door-Systems (also mittels eines in einer Türöffnung eingebauten Gebläses) erzeugt werden. Derartige Systeme sind vielfach erprobt und eignen sich somit in besonders vorteilhafter Weise zur reproduzierbaren Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks in einem Gebäude.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass dieses im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren relativ schnell ausgeführt werden kann und gegenüber Umgebungseinflüssen relativ unempfindlich ist. Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass in Schritt b) eine zeitliche Serie von Bilddaten derselben Stelle der Gebäudehülle aufgenommen wird. Mit anderen Worten: Während der Durchführung des Verfahrens wird die zur Aufnahme der Bilddaten verwendete Kamera nicht bewegt und die Bilder werden im gleichen zeitlichen Abstand aufgenommen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass Bilddaten mittels einer bewegten Kamera aufgenommen werden, wobei Bilddaten derselben Stelle der Gebäudehülle für die spätere Auswertung mittels Bilderkennung einander zugeordnet werden.

Bei der Auswertung der Bilddaten in Schritt d) kann für jedes Pixel der Bilddaten der zeitliche Verlauf der Temperatur in Frequenzanteile zerlegt und analysiert werden kann. Dadurch ist eine Auswertung der Bilddaten in besonders vorteilhafter Weise möglich.

Bei Auswertung kann die Analyse unter Verwendung einer Anregungsfrequenz der Erzeugung von Über- oder Unterdrück in dem Gebäude erfolgen. Über die Anregungsfrequenz kann in vorteilhafterweise auf Signale, die durch den Überoder Unterdrück hervorgerufen werden, geschlossen werden.

Dabei kann zur Zerlegung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur in Frequenzanteile eine Fourier-Transformation, vorzugsweise eine Fast-Fourier-Transformation, über jedes Pixel der Bilddaten durchgeführt werden.

In Schritt a) kann eine Erzeugung eines Überdrucks mit einem Zieldruck von mindestens 50 Pa erfolgen. Ein derartiger Wert hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Ferner kann vorgesehen sein, dass in Schritt a) der vorgegebene Zeitraum eine Dauer von x Sekunden und die vorgegebene Zeitdauer eine Dauer von x/2 Sekunden aufweist. Auf diese Weise kann eine periodische Erzeugung des Über- oder Unterdrucks in vorteilhafter Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Zeitraum 20 Sekunden lang sein und die Zeitdauer, in der der Unter- oder Überdruck erzeugt wird, 10 Sekunden.

Die Bilddaten können mittels einer Infrarotkamera aufgenommen werden. Die Infrarotkamera kann beispielsweise eine Kamera sein, die im Spektralbereich von 7-14 pm empfindlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich auch zur Auffindung von Leckagen an Wänden innerhalb eines Gebäudes verwendet werden, wobei in diesem Fall zusätzlich zu einem Unter- oder Überdruck in einem Raum in dem Gebäude ein Temperaturunterschied zu einem angrenzenden Raum, von dem aus Bilddaten aufgenommen werden, geschaffen werden muss. Der Temperaturunterschied kann beispielsweise durch Heizen oder Kühlen einer der beiden Räume erzeugt werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs der periodischen Erzeugung eines Überdrucks und

Fig. 3 die Auswertung mittels Fast-Fourier-Transformation an einem beispielhaften Pixel an einer Leckage.

In Figur 1 ist ein System zur Bestimmung von Leckagen 11 in einer Gebäudehülle 3 eines Gebäudes 1 schematisch dargestellt. In einer Öffnung 5 in der Gebäudehülle 3, beispielsweise in einer Tür, wird ein Blower- Door-System 7 installiert, mittels dem ein Überdrück in dem Gebäude 1 erzeugt werden kann. Im Außenbereich des Gebäudes 1 ist eine Infra rot kam era 9 installiert, die Bilddaten von der Gebäudehülle 3 aufnimmt. Durch den Überdruck in dem Gebäude 1 tritt durch Leckagen 11 in der Gebäudehülle 3 Luft aus und es entstehen Temperaturänderungen, die mittels der Infrarotkamera 9 aufgenommen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Leckagen 11 in der Gebäudehülle 3 des Gebäudes 1 werden folgende Schritte durchgeführt: a) Zunächst wird ein Über- oder Unterdrück in dem Gebäude 1 für eine vorgegebene Zeitdauer X_n innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes Z_n erzeugt, wobei die vorgegebene Zeitdauer X_n kürzer als der vorgegebene Zeitraum Z_n ist. Während des vorgegebenen Zeitraums Z_n werden in einem Schritt b) mittels der Infrarotkamera 9 mehrere Bilddaten von der Gebäudehülle 3 aufgenommen. Die Schritte a) und b) werden in einem Schritt c) wiederholt.

In einem Schritt d) werden die Bilddaten ausgewertet, wobei die durch die Wiederholung des Schritts a) an den Leckagen 11 in der Gebäudehülle 3 aufgrund der ein- oder ausströmenden Luft entstehenden Temperaturänderungen erkannt werden können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit vorgesehen sein, dass periodisch ein Über- oder Unterdrück in dem Gebäude 1 erzeugt wird. Der vorgegebenen Zeitraum Z_n bzw. vorgegebene Zeiträume Z_n und die vorgegebene Zeitdauer X_n bzw. die vorgegebenen Zeitdauern X_n sind in Figur 2 als Diagramm dargestellt. Beispielsweise kann eine vorgegebene Zeitdauer X_n, in der ein Überoder Unterdrück in dem Gebäude 1 erzeugt wird, halb so lang sein wie ein vorgegebener Zeitraum Z_n. Wie in Figur 2 dargestellt ist, dauert in einem Durchlauf der vorgegebenen Zeitraum Z_n von einem Zeitpunkt tn-i bis t _n. Bei etwa der Hälfte des vorgegebenen Zeitraumes Z_n wird das Blower- Door-System 7 eingeschaltet, sodass ein Über- oder Unterdrück in dem Gebäude 1 erzeugt wird (Beginn von X_n). Die Zeitdauer X_n, in der das Blower- Door-System 7 eingeschaltet ist, endet mit dem Ende des vorgegebenen Zeitraums Z_n. Durch die Wiederholung der Zeiträume Z_n entsteht ein periodisches Ansteigen und Abfallen des Drucks in dem Gebäude 1 und somit auch eine periodische Temperaturänderung an den Leckagen 11 in der Gebäudehülle 3. Diese können in vorteilhafter Weise während der Auswertung der Bilddaten erkannt werden. Wie aus Figur 2 hervorgeht, sind die vorgegebenen Zeiträume Z_n im Schritt a) stets gleich lang, genauso wie die Zeitdauern X_n, an denen der Über- oder Unterdrück in dem Gebäude 1 erzeugt wird.

Für die Auswertung wird eine Fourier Transformation, insbesondere eine Fourier Transformation (FFT) über jedes Pixel des Bildes (Gleichung (1)) berechnet und damit der zeitliche Verlauf der Temperatur in Frequenzanteile zerlegt und analysiert. Das Ergebnis der FFT ist ein komplexes Wertepaar, aus dem sich die Amplitude (Gleichung (2)) und die Phase (Gleichung (3)) zu diskreten Frequenzen im Signal bestimmen lässt.

In Figur 3 ist das Amplitudenspektrum beispielhaft für ein Pixel nahe einer der beiden Leckagen 9 dargestellt. Da die Periodendauer und damit auch die Frequenz (in diesem Beispiel 0.025 Hz), mit der das Blower- Door-System 7 die Temperaturoszillationen am Gebäude 1 angeregt hat, bekannt sind, kann abschließend das Amplituden- und Phasenspektrum bei dieser Frequenz und ggfs. bei den Harmonischen für jedes Pixel ausgewertet werden. Auf diese Weise kann für jedes Pixel ausgewertet werden, ob eine Temperaturänderung mit der bekannten Frequenz oder deren Harmonischen vorliegt, sodass darauf geschlossen werden kann, ob das Pixel eine Stelle einer Leckage 11 in der Gebäudehülle 3 darstellt.

Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine schnelle und zuverlässige Detektion von Leckagen 11 in der Gebäudehülle 3, wobei auf einfache Art und Weise Messungen von außen durchgeführt werden können. Dabei werden äußere Störfaktoren in vorteilhafter Weise eliminiert, sodass ein zuverlässiges Ergebnis erfolgt. Die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darüber hinaus auch auf einfache Art und Weise von Laien interpretierbar und somit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Leckagedetektion an Gebäuden objektiver.

Bezugszeichenliste Gebäude Gebäudehülle Öffnung Blower- Door-System Infra rot kam era Leckagen

Claims

PATENTANSPRÜCHE Verfahren zur Bestimmung von Leckagen (11) in einer Gebäudehülle (3) eines Gebäudes (1) mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines Über- oder Unterdrucks in dem Gebäude (1) für eine vorgegebene Zeitdauer innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, wobei die vorgegebene Zeitdauer kürzer als der vorgegebene Zeitraum ist, b) Aufnehmen von mehreren Bilddaten von der Gebäudehülle (3) mittels Infrarotthermografie während des vorgegebenen Zeitraumes, c) Wiederholen der Schritte a) und b) d) Auswerten der Bilddaten, wobei die durch die Wiederholung des Schrittes a) an Leckagen (11) in der Gebäudehülle (3) entstehende Temperaturänderungen durch ausströmende oder einströmende Luft erkannt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der

Wiederholung des Schrittes a) die vorgegebenen Zeiträume gleich lang sind. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der

Wiederholung des Schrittes a) die vorgegebenen Zeitdauern, in denen ein Über- oder Unterdrück in dem Gebäude (1) erzeugt wird, gleich lang sind, wobei der Zeitpunkt innerhalb der vorgegebenen Zeiträume, an dem mit der Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks in dem Gebäude (1) begonnen wird, gleich ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Über- oder Unterdrück in dem Gebäude (1) mittels eines Blower-Door- Systems (7) erzeugt wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine zeitliche Serie von Bilddaten derselben Stelle der Gebäudehülle (3) aufgenommen werden. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung für jedes Pixel der Bilddaten der zeitliche Verlauf der Temperatur in Frequenzanteile zerlegt und analysiert wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung die Analyse unter Verwendung einer Anregungsfrequenz der Erzeugung von Über- oder Unterdrück in dem Gebäude (1) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zerlegung des zeitlichen Verlaufs der Temperatur in Frequenzanteile eine Fourier-Transformation, vorzugsweise eine Fast-Fourier-Transformation, über jedes Pixel der Bilddaten durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Erzeugung eines Überdrucks mit einem Zieldruck von mindestens 50 Pa erfolgt. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der vorgegebene Zeitraum eine Dauer von x Sekunden und die vorgegebene Zeitdauer eine Dauer von x/2 Sekunden aufweist.