Blick vom Vorplatz auf den FHWS Standort Sanderheinrichsleitenweg in Würzburg

Forschungsprojekt für Digitalisierung und Umweltschutz an der FHWS

03.04.2019 | fhws.de, Pressemeldung, FKV, FM
BMBF-gefördertes Industrieforschungsprojekt entwickelt neues Verfahren für ultrahochauflösende 3D-Thermografie

Kaum zwei Themen werden derzeit intensiver in Deutschland diskutiert als die Digitalisierung und der Umweltschutz: Bei der Digitalisierung von Bestandsgebäuden hat sich im letzten Jahrzehnt der terrestrische Laserscanner etabliert. Hierbei handelt es sich um ein Instrument, dass die Umgebung mit einem rotierenden Laser flächenhaft abtastet und daraus eine 3D-Punktwolke erstellt, die die vollständige Geometrie millimetergenau wiederspiegelt. Diese Punktwolken können zudem durch eine intern verbaute Kamera mit den Farbinformationen der Oberfläche kombiniert werden, woraus ein maßhaltiges und naturgetreues dreidimensionales Digitalmodell des gescannten Objekts entsteht.

Umweltschutz im großen Maßstab betreibt die gemeinnützige Schweizer Stiftung Eiif (European Industrial Insulation Foundation). Diese bildete bereits über 100 sogenannte TIPCHECK (Technical Insulation Performance CHECK) Ingenieure aus, die in Industrieanlagen vermeidbare Energieverluste auffinden und beheben. Das Energiesparpotential wurde bereits 2012 auf jährlich 170.000 Gigawattstunden geschätzt, der Energiemenge sämtlicher Atom- und Kohlekraftwerke in Deutschland. Durch Vermeidung dieser Energieverluste könnte der CO2-Ausstoß um fast 50 Megatonnen pro Jahr verringert werden, dem Gewicht von 135 Empire-State-Buildings. Für ein TIPCHECK-Energieaudit untersucht ein Ingenieur eine Industrieanlage auf Energieverluste, bestimmt die Oberfläche des zu dämmenden Bauteils mittels Zollstock und vermisst die Temperatur mit einem Kontaktthermometer.

Der FHWS war es jetzt möglich, ein neues Verfahren zu entwickeln, mit dem 3D-Thermografieaufnahmen von Bestandsanlagen in bis dato unerreichter Auflösung angefertigt werden können. In dem BMBF Forschungsprojekt „eDIan“ (effiziente Dämmung von Industrieanlagen) wurde hierfür ein Panoramakopf mit einer Thermografiekamera kombiniert, was die vollständige Erfassung der Umgebung ermöglicht. Wie in der Panoramafotografie / Gigapixelfotografie positioniert der Panoramakopf eine Kamera um den Nodalpunkt und nimmt hierbei parallaxefrei eine Vielzahl an Einzelbildern auf. Diese Einzelbilder müssen anschließend sehr genau geometrisch kalibriert werden, bevor sie zu einem Gesamtbild, einem Panorama, zusammengefügt werden können. Aufgrund der geringen Auflösung von Thermografiekameras sind hierfür jedoch aktuell mehrere hundert Aufnahmen nötig. Durch die geometrische Kalibrierung liegt das Thermografiepanorama jedoch als entzerrtes Bild vor, weshalb es mit der 3D-Punktwolke eines terrestrischen Laserscanners kombiniert werden kann. Das Resultat ist ein digitales, maßhaltiges und hochaufgelöstes Abbild der Umgebung mit Farbinformationen, Reflexionseigenschaften sowie den thermografischen Informationen der Oberfläche.

Hiermit können z.B. Energieverluste in Form von Wärme- oder Kältelecks festgestellt werden. In Abbildung 1 sind jeweils links die 3D-Punktwolken gezeigt, rechts die thermografische Information der Oberfläche. Abbildung 1 a) zeigt den Staubabscheider eines Müllheizkraftwerkes, Abbildung 1 b) die Rohrleitungen zum Transport vorgewärmten Kohlestaubes eines Kohlekraftwerkes. Die Thermografieaufnahmen sind hier farbig dargestellt von Blau (kalt) bis Rot (heiß). Über die Abstrahloberfläche und die Temperaturdifferenz zur Umgebung kann der Energieverlust beziffert  werden. 

Weiterhin kann das Verfahren verwendet werden, um Bestandsgebäude zu untersuchen. Abbildung 1 1c) zeigt die Decke der Schönbornkapelle in Würzburg. Hier ist in der Thermografie die Stützkonstruktion unterhalb der Kuppeldecke erkennbar. Abbildung 1 d) zeigt die Außenfassade der FHWS am Röntgenring. Die Zwischendeckenkonstruktion oberhalb der unteren Fensterreihen ist in der Thermografie zu sehen, die Position kann genau festgestellt werden. In der Thermografie wurde der Color-Code auf Graustufe umgestellt, um feinere Nuancen hervorheben zu können.

Die 3D-Thermografieaufnahmen sind zudem für BIM (Building Information Modeling) geeignet. Mit dem neu entwickelten Verfahren können zusätzlich die thermografischen Informationen eines Bestandsgebäudes in das BIM miteinfließen. Hierdurch wären z.B. aussagekräftige Messungen über den Erfolg einer Dämmmaßnahme möglich, indem aufnahmen vor und nach der Maßnahme miteinander verglichen werden. Zudem können die Datensätze mit Potree platzsparend online zur Verfügung gestellt und mit einem Webbrowser (wie z.B. Firefox) betrachtet werden. Eine 3D-Punktwolke, bestehend aus knapp 50 Mio. Einzelpunkten, umfasst gerade einmal 250 Megabyte.

Das neu entwickelte Verfahren, hochaufgelöste und geometrisch kalibrierte Thermografieinformationen als Panorama zur Verfügung zu stellen, ist sowohl autark einsetzbar, als auch mit jedem kommerziell erhältlichen terrestrischen 3D-Laserscanner kombinierbar.

Zum Hintergrund:

Das Industrieforschungsprojekt eDlan (FHprofUnt Fördernummer 03FH021PX5) wurde mit über einer halben Million Euro vom BMBF unterstützt. Neben der FHWS waren die gemeinnützige Schweizer Stiftung EiiF (European Industrial Insulation Foundation), die Firmen KAEFER, Hertel B.V., VIB (Niederländische Vereinigung der thermischen Isolierunternehmen), G+H Gruppe, Knauf, Arnold Group, GWK Kuhlmann, Bilfinger, Dr. Clauß GmbH und Topa GmbH an dem Projekt beteiligt. Das Projekt endet im April 2019. Projektverantwortlich sind Dr. rer. nat. Sebastian Fiedler, Professor Dr. Stefan Knoblach sowie Professor Dr. Winfried Wilke.