紅外熱像儀在被動(dòng)式超低能耗建筑性能檢測中的應(yīng)用

曹依蕾,劉 寅,高 龍,崔國游,晁岳鵬,李瑩瑩

(1.中原工學(xué)院,河南 鄭州 450007；2.河南五方合創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

1 引 言

建筑氣密性表征建筑在封閉狀態(tài)下阻止空氣滲透的能力,通常采用壓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外50 Pa壓差下的換氣次數(shù)來表征建筑氣密性[1]。在被動(dòng)式超低能耗建筑中,建筑氣密性對建筑能耗影響很大。良好的氣密性可以避免不適感,減少溫濕調(diào)節(jié)能耗需求,提高室內(nèi)空氣品質(zhì),對建筑節(jié)能有重要的意義。

現(xiàn)階段,推廣建筑節(jié)能技術(shù),提高建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),發(fā)展低能耗建筑已經(jīng)成為主流,因此節(jié)能建筑在竣工驗(yàn)收時(shí)應(yīng)要有相應(yīng)的節(jié)能檢測手段[2]。早在1999年國際標(biāo)準(zhǔn)組織就提出,利用紅外熱成像法可以定性判斷建筑物的熱工異常部位,探測建筑物熱工缺陷[3]。與傳統(tǒng)的熱流計(jì)法、熱箱法相比,紅外熱成像法具有對被測物體無影響、響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)[2],因此被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的檢測工作,用于檢測建筑物熱工缺陷的應(yīng)用尤為突出。利用紅外熱像儀對被動(dòng)房現(xiàn)場定性檢測,為施工質(zhì)量檢查和節(jié)能評估提供了科學(xué)依據(jù)。

2 紅外熱像儀基本原理

紅外熱像儀測量物體或人體表面所發(fā)射的輻射,確定表面溫度并將其轉(zhuǎn)化為熱圖像。無缺陷的均勻質(zhì)體輻射出的紅外線較為均勻,當(dāng)物體內(nèi)部出現(xiàn)缺陷時(shí),紅外熱圖像會呈現(xiàn)為不均勻的偽彩圖。室外太陽輻射或者室外溫度變化將熱量傳遞至室內(nèi)內(nèi)墻,熱流在物體內(nèi)部擴(kuò)散和傳遞,在整個(gè)過程中,由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面或結(jié)構(gòu)本身內(nèi)部的差異,最終會在物體表面形成相應(yīng)的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”,紅外熱像儀正好利用熱量輻射的原理將被測物體表面的溫度場轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D。通過紅外熱像圖顏色的差異,可以判斷被測建筑物溫度偏高或偏低的異常區(qū)域,找出建筑熱工缺陷的部位,進(jìn)而對其進(jìn)行改造。

3 紅外熱像儀應(yīng)用現(xiàn)狀

紅外熱像技術(shù)是一種無損檢測技術(shù),被廣泛應(yīng)用于材料及結(jié)構(gòu)的非破壞性檢測[4]。由于具有檢測速度快、非接觸、范圍廣、精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)觀測等優(yōu)點(diǎn),已廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、電力生產(chǎn)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、農(nóng)林業(yè)等方面[5]。根據(jù)對紅外熱圖像分析方法的不同,分為定性和定量兩種測量方法,定性方法主要用于檢測構(gòu)成建筑物外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)和氣密性組件的熱特性的廣泛變化；定量檢測是為了確定建筑圍護(hù)絕熱的程度。

Kominsky[6]等在日落后進(jìn)行了3 h的熱成像調(diào)查,以確定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部潛在水分的問題,通過定性方法進(jìn)行了熱成像測量,并用濕度計(jì)對壁面進(jìn)行檢查,研究強(qiáng)調(diào)定性與定量測量相結(jié)合的方法是一種有效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)診斷方法。

Asdrubali[7]等人提出了一種定量方法。對建筑圍護(hù)上的熱橋進(jìn)行了熱像測量和數(shù)值分析。結(jié)果表明該方法能夠有效、快速地識別和分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的實(shí)際熱橋。

Ocana[8]等人對現(xiàn)代和傳統(tǒng)的兩座不同建筑進(jìn)行了熱成像測量,通過紅外熱成像技術(shù),氣密性、冷熱橋和熱損失部位等問題快速的被檢測到。結(jié)果表明,熱損失主要發(fā)生在傳統(tǒng)建筑的開孔部位,而現(xiàn)代建筑的主要在熱橋部位。

在我國,紅外熱像儀也逐漸應(yīng)用于建筑物外墻檢測和建筑節(jié)能檢測中。JGJ/T177-2009《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出由于采用紅外熱像成儀進(jìn)行熱工缺陷的檢測具有眾覽全局的效果,所以,在建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)深入檢測之前,宜優(yōu)先進(jìn)行熱工缺陷的檢測。

4 現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)概況

4.1 測試對象情況

本次測試建筑為某被動(dòng)式超低能耗建筑,該建筑為公共建筑,建筑面積約1515.68 m2,地上三層。建筑外窗采用塑鋼窗框,玻璃為三玻兩腔雙low-E內(nèi)充氬氣,外窗氣密性符合國家標(biāo)準(zhǔn)。外墻保溫采用150 mm厚的石墨聚苯板,雙層錯(cuò)縫鋪設(shè),另外采用斷熱橋的保溫錨栓,減少了熱橋的出現(xiàn)。

4.2 測試內(nèi)容與時(shí)間

現(xiàn)場測試主要內(nèi)容為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷的測試和診斷,包括冷熱橋的檢測、門窗冷風(fēng)滲透的檢測、保溫層是否完整以及預(yù)留孔洞有無填補(bǔ)等缺陷。

測試時(shí)間為2018年11月,當(dāng)日最大風(fēng)速為西北風(fēng)2級,相對濕度37 %,符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測期間環(huán)境條件。另外,為避免太陽輻射對紅外診斷結(jié)果的影響,選擇傍晚接近天黑時(shí)段作為測試時(shí)間段,測試期間建筑外門窗已經(jīng)安裝驗(yàn)收完成。

測試儀器為FLIR T640,紅外波長范圍:7.5～14 μm；測量溫度范圍:-40～650 ℃；測量精度:±2或±2 %；分辨率:640×480。該設(shè)備符合國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定的建筑用紅外熱像儀技術(shù)參數(shù):紅外波長8.0～14.0 μm、測溫范圍-20～+100 ℃、溫度分辨率≤0.10 ℃,紅外圖像≥320×240像素等。

5 現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果與分析

施工不當(dāng)或偏差會造成建筑建造過程中建筑圍護(hù)存在熱工缺陷,利用紅外熱像儀可以快速準(zhǔn)確查找出這些缺陷部位,從而指導(dǎo)后期改造與驗(yàn)收。以某一公共建筑為例,利用紅外熱像儀對其外圍護(hù)進(jìn)行拍攝,以下為現(xiàn)場實(shí)拍結(jié)果。

5.1 現(xiàn)場紅外熱成像法測試情況

(1)墻體保溫

建筑墻面保溫是一項(xiàng)重要的內(nèi)容,但在后期驗(yàn)收時(shí),由于保溫層處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部,無法用肉眼直接觀測到是否存在保溫層偏差、開裂等現(xiàn)象,因此使用紅外熱成像技術(shù)對其進(jìn)行檢測,可快速直觀地找到缺陷部位。圖1為保溫層的現(xiàn)場照片以及紅外熱像圖。

(a)現(xiàn)場照片 (b)紅外熱像圖

從圖1可以看出,墻體表面溫度場分布均勻,沒有大范圍的異常,墻體不存在熱工缺陷,施工較為均勻。

(2)門窗部位

門窗氣密性表示門窗關(guān)閉時(shí)阻止空氣滲漏的能力,在國內(nèi)外推行的門窗節(jié)能標(biāo)識體系中,氣密性參數(shù)是評價(jià)門窗節(jié)能與否的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前我國大多數(shù)建筑墻體氣密性較好,而外門窗是較薄弱地位[9],室外空氣通過門窗縫隙滲入室內(nèi),從而影響到室內(nèi)溫濕度,尤其室內(nèi)外溫差大的情況。

由圖2可見,窗戶玻璃整體的溫度、窗框與墻壁的接縫處溫度分布比較均勻,但窗框與窗扇的接縫處顯示溫度較高,將此位置確定為熱工缺陷疑似部位。

(a)現(xiàn)場照片 (b)紅外熱像圖

(3)天窗部位

從圖3可以看出,天窗窗框四周密封比較嚴(yán),無漏風(fēng)現(xiàn)象,且玻璃隔熱效果比較好,沒有出現(xiàn)窗框變形、四周密封材料脫落等現(xiàn)象,氣密性較好。

(a)現(xiàn)場照片 (b)紅外熱像圖

(4)女兒墻

建筑冷熱橋是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的傳熱系數(shù)明顯大于主體區(qū)域的部位,無論何種形式的熱橋都是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵點(diǎn)。為了查看建筑屋頂是否有缺失,是否有冷熱橋的出現(xiàn),對建筑屋頂也采用熱成像儀進(jìn)行檢測。圖4為屋頂圖片的兩張紅外熱像圖。

(a) (b)

從圖4可以看出,建筑斜坡屋面整體施工均勻,無明顯熱工缺陷,但女兒墻墻角部位出現(xiàn)溫度異常部位,溫度達(dá)到6.1 ℃,比主體區(qū)域平均溫度高出1.2 ℃,按照《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定與主體區(qū)域平均溫度相差大于1 ℃的區(qū)域即為缺陷區(qū)域。

(5)屋頂太陽能固定架

太陽能固定支架為后期安裝太陽能集熱板所預(yù)留,但免不了熱量會通過此處散失,如圖5所示,屋面散熱多集中在支架或是易產(chǎn)生熱橋的部位,太陽能支架顯示為溫度較高區(qū)域,這是由于屋面與支架材質(zhì)不同,傳熱系數(shù)有差異所造成。經(jīng)分析此處相對面積較小,故被判定為合格。

(a) (b)

(6)外圍護(hù)

從圖6可以看出,整棟建筑沒有明顯的工程缺陷,無明顯熱橋,一層門窗與建筑的接縫處有少量熱量散失。

(a) (b)

5.2 理論計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)紅外熱圖像顯示的熱異?？梢缘贸鼋ㄖo(hù)存在熱缺陷,但這不能作為建筑節(jié)能評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),所得結(jié)果不能反映缺陷的嚴(yán)重程度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)方修睦[10]給出了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷的量化指標(biāo)同(見表1),他將外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面無缺陷的區(qū)域稱為主體區(qū)域,并規(guī)定與主體平均溫度相差6 ℃的區(qū)域?yàn)閲?yán)重缺陷區(qū)域。溫差ΔT用下式表示:

ΔT=|T1-T2|×100 %

(1)

式中,T1為主體區(qū)域的平均溫度(℃)；T2為呈現(xiàn)不均勻彩圖的缺陷區(qū)域最高(低)溫度(℃)。

盡管ΔT可以反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度,但是不能反映缺陷危害的大小,這與缺陷區(qū)域的面積也有關(guān)系,因此引出相對面積Ψ作為缺陷的輔助判定指標(biāo)。相對面積Ψ計(jì)算公式如下:

(2)

式中,Ψ為相對面積；Ai為缺陷區(qū)域面積(m2)；A0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體區(qū)域面積(m2)。A0是指被檢測部位所在的外墻面或者屋面面積,按照缺陷所在樓層的房間的外圍尺寸計(jì)算；∑Ai是指所檢測的部位所在外墻面或者屋面上所有缺陷區(qū)域的面積之和。上述面積均不包括門窗面積。

根據(jù)上述熱工缺陷的定量指標(biāo)對現(xiàn)場所得圖像進(jìn)行處理、分析,結(jié)果見表2。

從表2可以看出被測建筑存有不可避免的熱工缺陷,但缺陷對建筑能耗的影響較小,缺陷等級仍界定為合格,這說明通過熱成像技術(shù)可以直接觀測到建筑存在的熱工缺陷,但缺陷是否影響到建筑節(jié)能還需計(jì)算分析。

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱工缺陷分級

表2 理論計(jì)算結(jié)果

6 結(jié) 論

(1)紅外熱像儀具備操作簡單的優(yōu)勢,能夠正確反映建筑結(jié)構(gòu)表面的溫度場分布,在被動(dòng)式超低能耗建筑中可以定性檢測建筑的氣密性,同時(shí)能準(zhǔn)確顯示建筑工程缺陷部位。

(2)紅外熱像技術(shù)除了應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱橋和熱工缺陷檢測外,還可以用于裝飾層脫落檢測、管道泄漏檢測、電氣系統(tǒng)等方面,因此紅外熱像技術(shù)有很大的實(shí)用價(jià)值,應(yīng)大力推廣采用。

(3)本文利用紅外熱像儀檢測建筑熱工缺陷,并用國內(nèi)現(xiàn)有量化指標(biāo)判定了被測對象的熱工缺陷等級,發(fā)現(xiàn)實(shí)際問題不應(yīng)只依靠定性測量,應(yīng)通過定量和定性測量相結(jié)合的方法進(jìn)行詳細(xì)檢測。