紅外技術(shù)在輕型木結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能檢測中的應(yīng)用

(南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037)

紅外熱成像檢測技術(shù)主要利用紅外輻射的原理對設(shè)備及其他物體的表面進(jìn)行檢測。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于受到各類因素及結(jié)構(gòu)自身的差異，其內(nèi)外表面的傳熱速度會有所不同，進(jìn)而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度場的不均勻，而紅外熱像儀則能通過紅外輻射原理將被測物體表面對應(yīng)的輻射溫度顯示出來[1-2]。通過紅外熱像儀對被測物體表面溫度場的確定，人們能夠清楚地知道是否存在缺陷以及缺陷的形狀[3-4]，并能針對熱工性能薄弱的地方進(jìn)行改造，提高建筑的節(jié)能性。

ISO 6781：1983(E)《絕熱 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱缺陷的定性探測 紅外線法》是關(guān)于紅外技術(shù)應(yīng)用于建筑測試上的一份標(biāo)準(zhǔn)，其后也發(fā)布了其修改版本，在該版本中定義了熱工缺陷。國內(nèi)在2001年也發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 132-2009《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定了可以使用紅外熱成像儀對建筑的熱工缺陷進(jìn)行定性判斷。2005年哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了定量化研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷的工作，并提出了相應(yīng)的量化指標(biāo)[5]。2009年的《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》則要求在節(jié)能檢測中必須使用紅外熱像技術(shù)對建筑進(jìn)行缺陷檢測。在木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域，MARTIN等[6]用紅外技術(shù)研究了木結(jié)構(gòu)外墻角以及天花板連接處的熱橋問題，西安交通大學(xué)在測試寒冷地區(qū)輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)能表現(xiàn)中也使用了紅外技術(shù)[7]。輕型木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)造上的特點(diǎn)，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)、樓地層等多個部位均以規(guī)格材為框架，空腔內(nèi)置保溫材料，而保溫材料的敷設(shè)、墻骨柱、墻體轉(zhuǎn)角處、門窗等構(gòu)造形式，將直接影響到整棟建筑的節(jié)能性能。筆者通過拍攝輕型木結(jié)構(gòu)建筑的紅外熱成像圖，分析了輕型木結(jié)構(gòu)建筑中存在的熱工缺陷，以期為輕型木結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)能改造提供依據(jù)。

1 檢測方法

1.1 檢測對象

南京某職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)的一棟輕型木結(jié)構(gòu)建筑共有兩層結(jié)構(gòu)，總建筑面積為422.42 m2，一層面積為270.88 m2，主要用于辦公，二層面積為151.54 m2，主要用于起居生活(包括臥室、書房、客廳等)。

1.2 檢測儀器

使用TESTO 882手持式熱像儀，其溫度測量范圍為-20350 ℃，精度為±2 ℃，工作相對濕度為20%80%，配套分析軟件為IRSoft，德國公司制造。

HOBO溫濕度記錄儀的型號為U10-003，溫度范圍為-2070 ℃，相對濕度范圍為25%95%，精度為±0.4 ℃，±3.5%，美國公司制造。

1.3 檢測方法

參照J(rèn)GJ/T 132-2009，測試時間為2018年1月19日20時至21時，設(shè)置室內(nèi)溫度為22 ℃，使用HOBO溫濕度記錄儀記錄室內(nèi)外溫度，待室內(nèi)外溫度穩(wěn)定并滿足室內(nèi)外溫差大于10 ℃時開始檢測。檢測期間，室內(nèi)空氣溫度每小時變化不超過2 ℃，室外空氣溫度每小時變化不超過5 ℃。測試部位為二樓臥室墻體、二樓墻體連接處、一樓大廳的窗戶(包括百葉窗、普通窗、老虎窗)，并通過熱成像儀配套分析軟件IRSoft對檢測部位的紅外熱成像圖的溫度分布進(jìn)行分析。

2 檢測結(jié)果與分析

2.1 墻體部位的檢測結(jié)果與分析

紅外熱成像儀將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，熱成像圖上的不同顏色代表被測物體的不同溫度，通過查看熱成像圖，研究者可以直觀地看到被測目標(biāo)的整體溫度分布狀況，研究目標(biāo)的發(fā)熱情況，從而進(jìn)行下一步工作的判斷[8]。紅外拍攝會受到太陽輻射、風(fēng)速等的影響，測試開始前被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面至少12 h不受太陽的直接輻射[9]。圖1為臥室一側(cè)墻體的測試圖像，圖1(a)為紅外熱成像圖，其中墻體平均溫度(AV)為13.6 ℃，冷點(diǎn)溫度(CS)為10.6 ℃，熱點(diǎn)溫度(HS)為16.8 ℃。圖1(a)中a，b與c，d所在垂直線為墻骨柱所在位置，a，c與b，d所在直線為P1，P2水平溫度剖面線，其數(shù)據(jù)在圖1(b)中顯示。P1與P2溫度剖面線呈相同趨勢，在c點(diǎn)左側(cè)溫度沒有明顯差別；P1，P2同時在a，b，c，d兩處有明顯的溫度下降，且呈現(xiàn)一定范圍的低溫；P2剖面線上d點(diǎn)周圍溫度明顯低于P1剖面線上c點(diǎn)周圍的溫度。

圖1 臥室一側(cè)墻體的測試圖像

輕型木結(jié)構(gòu)的墻體結(jié)構(gòu)為多根豎向墻骨柱，以406 mm或610 mm為間隔通過頂梁板與底梁板固定組成木框架形式，在間隔空腔內(nèi)填充保溫材料，并在外鋪設(shè)覆面板形成保溫層。由于木結(jié)構(gòu)的這種墻體結(jié)構(gòu)，整面墻體的保溫性能幾乎依靠保溫材料的鋪設(shè)，所以通過對墻體進(jìn)行紅外測試，可以大致對整棟建筑的保溫情況進(jìn)行判斷。測試墻體的墻骨柱規(guī)格(長×寬)為38 mmX140 mm，墻骨柱間距為406 mm。通過墻體測試結(jié)果的分析可以看出，墻骨柱處溫度低于周圍保溫材料的溫度，且d點(diǎn)周圍存在擴(kuò)散狀的低溫區(qū)域，得出d點(diǎn)處存在保溫層分布不均的問題，說明墻骨柱是影響墻體保溫性能的因素之一。

2.2 墻體連接部位的檢測結(jié)果與分析

圖2為墻體轉(zhuǎn)角處的紅外熱成像圖，圖中CS冷點(diǎn)為全圖溫度最低的地方，為4.4℃。測試處存在明顯低于周圍墻體溫度的區(qū)域，所占比例約為1%。圖3為兩面墻體相交轉(zhuǎn)角處的測試圖像，圖3(a)中的P1為隨機(jī)拉取的一條水平溫度剖面線，a為P1與白色虛線區(qū)域的相交點(diǎn)；圖3(b)為P1剖面線的溫度曲線，可以看到在a點(diǎn)處溫度驟降，且圖3(a)中的白色虛線區(qū)域均與a點(diǎn)相似，存在熱橋缺陷。熱橋是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)的某些部位的傳熱系數(shù)大于其他部位的，這些部位的溫度較低，特別在冬天容易結(jié)露，進(jìn)而引起霉菌等，嚴(yán)重者甚至?xí)嗡?，對生活與健康影響極大。

圖2 墻體轉(zhuǎn)角處的紅外熱成像圖

圖3 兩面墻體相交轉(zhuǎn)角處紅外熱成像圖

圖4 輕型木結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角構(gòu)造示意

兩處熱橋缺陷均存在于墻體連接部位，T型轉(zhuǎn)角如圖4(a)所示，L型轉(zhuǎn)角如圖4(b)所示，墻體通過3塊規(guī)格材連接，在此處不便填充保溫棉，容易形成熱橋缺陷。

2.3 窗戶部位的檢測結(jié)果與分析

門窗處的施工質(zhì)量往往會直接影響到室內(nèi)的溫濕度，如果處理不好，則會降低室內(nèi)的熱環(huán)境質(zhì)量，并且造成能量的損失。

圖5為百葉窗處的測試圖像，圖5(a)的紅外熱成像圖中的P1為沿百葉窗下端拉取的水平線，a，b兩點(diǎn)分別是百葉窗兩個底角端點(diǎn)。紅外圖像可以明顯看到有部分區(qū)域溫度低于其他區(qū)域的，從圖5(b)的溫度剖面圖也能看出，在a，b兩點(diǎn)處出現(xiàn)曲線的驟降與驟升，且a，b之間呈現(xiàn)持續(xù)低溫波動。百葉窗存在較為嚴(yán)重的漏氣現(xiàn)象，使用紅外熱成像儀可以直觀便捷地觀察到門窗的漏氣現(xiàn)象，但是由于紅外拍攝的圖像為瞬時圖像，因此不能對氣密性進(jìn)行定量分析[10]。

圖5 百葉窗處的測試圖像

圖6 普通窗的紅外熱成像圖

圖7 老虎窗的紅外熱成像圖

圖6是普通窗的紅外熱成像圖。由圖6可以看出，窗戶四周的熱成像圖顯示溫度變化均勻，并沒有缺陷，說明此處窗戶的氣密性較好。圖7為老虎窗的紅外熱成像圖。在輕型木結(jié)構(gòu)建筑中，對老虎窗的構(gòu)造要求非常細(xì)致，一旦施工中稍有不慎，就會出現(xiàn)漏氣、滲水等問題。通過紅外結(jié)果可以看到老虎窗洞口周圍并沒有明顯的高低溫差異，因此該處沒有熱工缺陷，老虎窗氣密性較好。

3 結(jié)語

(1)輕型木結(jié)構(gòu)墻體部位的測試顯示，墻體龍骨間的保溫材料分布不均，有熱工缺陷，因此龍骨處保溫材料的鋪設(shè)需要施工人員加強(qiáng)處理。

(2)輕型木結(jié)構(gòu)墻體連接部位的測試顯示，墻體轉(zhuǎn)角連接處、墻角踢腳線部位由于構(gòu)造的原因易形成較為嚴(yán)重的熱橋現(xiàn)象。

(3)輕型木結(jié)構(gòu)窗戶部位的測試顯示，老虎窗及普通窗的氣密性較好，未發(fā)現(xiàn)缺陷，但百葉窗的漏氣情況較為嚴(yán)重，存在明顯的低溫，需要對其進(jìn)行改造。

使用紅外熱像技術(shù)可以準(zhǔn)確直觀地顯示拍攝物體的溫度分布情況，能讓研究人員快速確定建筑的缺陷部位，有利于為輕型木結(jié)構(gòu)建筑的質(zhì)量問題提供解決方案，提升建筑的節(jié)能效果。紅外熱像技術(shù)是輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)能檢測的一種有效手段。