Modelling of heat diffusion for infrared thermography applications in building elements

Tese de doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraConsidera-se essencial a deteção e caracterização de defeitos em elementos construtivos de forma a prevenir a ocorrência de patologias em edifícios e as reparações onerosas consequentes. Várias técnicas de inspeção não destrutivas têm sido propostas para este efeito, sendo uma delas a termografia por infravermelhos. Esta é uma ferramenta não invasiva com grande potencial para avaliar materiais e detetar defeitos. Em edifícios a termografia tem sido maioritariamente utilizada para avaliar a qualidade da envolvente térmica em estudos de desempenho energético uma vez que esta permite a deteção da falta de isolamento, da existência de fugas de ar e de pontes térmicas, bem como da concentração de água. Estes estudos estão geralmente confinados a uma análise em regime permanente. Contudo, em outros sectores esta técnica tem evoluído para uma análise quantitativa que permite uma avaliação dos defeitos relativamente às suas características mais importantes, como por exemplo a sua profundidade e geometria. Isto requer o uso de técnicas experimentais específicas, como a termografia ativa em que se faz o aquecimento ou arrefecimento da superfície em análise, e a interpretação de resultados experimentais obtidos em regime transiente. Esse processamento depende do material estudado e requer por sua vez o desenvolvimento de ferramentas de simulação da transferência de calor para descrever o campo de calor entre o defeito e a superfície. A maioria das técnicas que se encontram disponíveis foram desenvolvidas para as áreas da aeronáutica, mecânica e eletrónica e não se encontram adequadas aos materiais de construção, que em geral apresentam uma condutibilidade menor e requerem uma inspeção a maior profundidade. Esta é a motivação para o trabalho de investigação apresentado nesta tese. O principal objetivo do trabalho foi o desenvolvimento de modelos de simulação que permitam contribuir para a interpretação quantitativa dos resultados experimentais obtidos em regime transiente em aplicações de termografia em edifícios usando uma abordagem em termos de diferença de fase, bem como para a definição da configuração de ensaio. Para isso foram desenvolvidos modelos de transferência de calor por condução em meios sólidos com base em expressões analíticas e métodos numéricos com vista à simulação de resultados experimentais de aplicações de termografia e ao estudo das relações complexas que existem entre as variáveis que afetam a resposta, em regime transiente, da fase da onda térmica em elementos construtivos com defeitos (propriedades térmicas dos materiais e características dos defeitos). Ao longo deste trabalho, o problema a ser modelado evoluiu progressivamente: do caso de um defeito fino inserido num meio sólido infinito para um defeito fino num meio estratificado. A modelação numérica de defeitos 3D fez-se com recurso a uma formulação do método de elementos fronteira adequada para resolver problemas de transferência de calor na proximidade de inclusões finas (TBEM) e a simulação da condução 3D ao longo de meios estratificados foi feita com recurso a soluções analíticas baseadas em funções de Green. A fim de se verificar a aplicabilidade dos modelos para simular resultados de diferença de fase em aplicações de termografia, realizaram-se ensaios experimentais com termografia ativa e obtiveram-se os resultados em termos de diferença de fase através da aplicação de uma transformada de Fourier. Os testes foram realizados utilizando provetes com defeitos localizados a profundidades distintas. Isto resultou num conjunto de resultados que foram comparados com os obtidos nas simulações. Concluiu-se que os modelos propostos podem ser utilizados para prever a detetabilidade dos defeitos e, em particular, podem ser úteis na definição dos parâmetros de teste. Estes resultados suportam a interpretação de resultados experimentais de diferença de fase em aplicações de termografia quantitativa para a avaliação de elementos de construção.Early detection and characterization of defects may be essential to prevent building pathologies and avoid costly repair works. Different non-destructive techniques have been proposed over the years to perform these tasks, one of which is infrared thermography (IRT). IRT is a powerful tool that can be used to evaluate materials and detect defects in a non-invasive manner. In buildings, IRT has been mostly used to assess the quality of building envelopes in energy efficiency studies and detect defects such as missing insulation, air leakages, thermal bridges and excessive moisture. These studies are most frequently confined to a steady state analysis. However, in many other sectors the technique has evolved to a stage where a quantitative IRT analysis is performed, enabling the characterization of defects regarding their most relevant properties such as depth and geometry. This requires the employment of specific testing techniques, such as actively heating the test specimen, and the interpretation of IRT data using complex processing techniques which depend on the material being inspected and which involve the development of heat transfer simulation tools to describe the heat field between the defect and the surface. Most available techniques were developed for applications in sectors such as aeronautics, mechanics and electronics and are not adequate for building materials, which generally have lower conductivity and require deeper probing. This is the motivation for the present thesis. The main goal of this research work was to develop modelling tools that contribute to the quantitative interpretation of transient thermal data obtained from IRT applications in buildings using a phase contrast approach, and to the definition of experimental setup parameters. To achieve this goal, heat transfer by conduction in solid media was modelled using analytical solutions and numerical methods formulated in the frequency domain in an attempt to simulate experimental IRT results and to study the complex relationships that exist between the variables (material thermal properties, defect characteristics) affecting the thermal wave phase response of defective building elements in transient regime. Throughout the study, the problem being modelled progressively evolved from the case of an unbounded solid medium containing a thin defect, to a multilayered medium containing a defect within one of its layers. Numerical modelling of the three-dimensional (3D) heat diffusion in the proximity of 3D defects was performed using a formulation of the boundary element method written in terms of normal derivative integral equation (TBEM) which is suited to solve heat transfer problems in the proximity of thin inclusions. Analytical solutions based on 3D Green’s functions were used to simulate heat diffusion in multilayered systems. In order to verify the applicability of the models to simulate IRT phase contrast results, active IRT experimental studies were carried out using and, by applying a Fourier transform to the transient temperature responses, thermal wave phase results were obtained. Tests were carried out using different test specimens that incorporated defects located at various depths. This resulted in a collection of experimental measurements which were compared to the results obtained from the simulations. It was concluded that the proposed models can be used to predict the detectability of defects and in particular can be helpful in defining experimental setup parameters. These results support the interpretation of experimental phase contrast data in quantitative IRT applications to evaluate building elements.FEDER-COMPETE 2020 co-funded projects POCI-01-0247-FEDER-003393 and POCI-01-0247-FEDER-003179