沈陽某建筑外墻保溫缺陷的紅外熱成像及分析

趙雷昌

中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司

0 引言

沈陽某建筑，2006 年底完成施工圖設(shè)計，0 9 年竣工交付使用。在交付當(dāng)年冬季供暖后，使 用方反映，附樓某些房間室內(nèi)溫度達不到設(shè)計值，散 熱器表面溫度不正常，房 間漏風(fēng)問題嚴重，嚴 重影響室內(nèi)使用效果。

以盡量減小對工作環(huán)境影響為原則，暖 通專業(yè)采取了增加局部房間散熱器數(shù)量、調(diào) 節(jié)供暖入口調(diào)節(jié)閥阻力等措施，建 筑專業(yè)采取了對若干房間吊頂進行保溫等措施之后，部 分房間有所改善，但 在室外達到室外供暖計算溫度時，仍有個別房間溫度低于設(shè)計值，且房間內(nèi)散熱器表面溫度已達到正常溫度，房 間內(nèi)工作人員反映強烈。

為了分析、確 定問題產(chǎn)生的原因，在 2011 年 8 月份與2012 年3 月份，筆 者先后兩次用某型號紅外熱成像儀對該建筑進行紅外熱成像取照，通 過對成像圖片進行分析，尋 找問題的根源。

1 建筑物概況

該建筑物地處沈陽市皇姑區(qū)內(nèi)，占 地面積33428 m2，建 筑高度為 16.5 m，總 建筑面積 38482 m2。其中溫度達不到使用要求的房間集中在西附樓，西 附樓為 3 層鋼框架結(jié)構(gòu)（局部為 2 層），層 高均為 4.0 m，基本柱網(wǎng)13.5 m×8 m。

建筑設(shè)計外墻為復(fù)合夾心板墻面，外 墻巖棉夾心板厚度為 100 mm（施工時修改為 50 mm）。西附樓外窗設(shè)斷橋鋁合金鍍膜夾層中空玻璃：鋼 化玻璃 6 mm+空氣層 12 mm+玻璃 6 mm（離線 Low-E）+PVB 膜1.52 mm+玻璃 6 mm（從室外至室內(nèi)），內(nèi) 附設(shè)電動織物遮陽系統(tǒng)。

1.1 測試條件

測試時間：2012-3-11，20:00～21:30

測試地點：沈 陽某建筑西附樓

測試室外條件：室 外溫度-15 ℃

測試儀器：F luke Ti32-10070601

測試房間：西 附樓一層西側(cè)房間以及二層南側(cè)大開間。

說明：被 測試的房間，均 為在室外達到供暖計算溫度，溫 度未達到設(shè)計值的房間。由于測試時已近當(dāng)?shù)毓┡┢?，?集中供暖情況下，房 間溫度達到設(shè)計值，根 據(jù)現(xiàn)場拍攝的紅外成像照片，圍 護結(jié)構(gòu)缺陷卻仍能反映出來。

1.2 成像拍攝結(jié)果

圖1～8 為各房間成像拍攝結(jié)果（左側(cè)為紅外線成像，右 側(cè)為數(shù)碼相機成像）。

圖1 一層西側(cè)辦公室室內(nèi)

圖2 一層西側(cè)辦公室室內(nèi)（室內(nèi)關(guān)燈狀態(tài)）

圖3 二層大開間辦公室室內(nèi)

圖4 二層大開間辦公室室內(nèi)（室內(nèi)關(guān)燈狀態(tài)）

圖5 西側(cè)房間（室外局部一）

圖6 西側(cè)房間（室外局部二）

1.3 成像拍攝結(jié)果分析

由于建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計做法是一致的，因 此從照片上理論得出，各區(qū)域溫度應(yīng)該也是均勻一致的。顯著存在不同室內(nèi)、外 溫度區(qū)域已可以定性說明圍護結(jié)構(gòu)做法存在差異，也就是有缺陷。根據(jù)以上紅外成像，分 析得出以下信息：

1）根 據(jù)圖1～圖4 中外墻內(nèi)表面溫度，峰 值處溫度在13.0～15.0 ℃，低 谷處溫度在3.2～5.1 ℃。出 現(xiàn)低谷處溫度的區(qū)域主要集中在窗過梁上部區(qū)域，墻 和柱子結(jié)合部及墻角處，且 區(qū)域面積較大。

2）根 據(jù)圖3、圖 4 外窗窗框內(nèi)表面溫度，局 部溫度值為7.2～7.6 ℃，明 顯低于其它窗框的表面溫度。可以定性確定此處的外窗窗框隔熱性能有缺陷。

3）根 據(jù)圖3、圖 4 吊頂處內(nèi)表面溫度，二 層吊頂?shù)V棉板連接處溫度均較低，僅 為 2.5 ℃，說 明吊頂內(nèi)存在與室外相接觸的空間（理論分析由于此處和外界無接觸，此 處應(yīng)為略低于室溫）?，F(xiàn)場打開吊頂板，即 有冷風(fēng)感，吊 頂內(nèi)溫度明顯較低，且 冷風(fēng)感較強。綜上可以得出，二 層南向大開間辦公室吊頂內(nèi)四周圍護結(jié)構(gòu)封閉不嚴，存 在漏風(fēng)現(xiàn)象。

4）根 據(jù)圖5～圖6 中外墻外表面溫度，低 谷處溫度在-11.3～-13.3 ℃，已 標定的最低值為-13.8 ℃。峰值處溫度為-5.9～-7.5 ℃。出現(xiàn)區(qū)域主要集中在窗過梁上部區(qū)域、墻 和柱子結(jié)合部及墻角處，這 和結(jié)論1 中內(nèi)表面溫度低值出現(xiàn)區(qū)域重合。可以確認以上區(qū)域存在建筑隔熱性能缺陷。

5）根 據(jù)圖5～圖6 中外墻外表面溫度，柱 子處溫度在-10.5 ℃，踢 腳處溫度在-2.2～-3.1 ℃，即 使溫度達到設(shè)計值的房間，在 柱、外 墻踢腳處存在冷橋現(xiàn)象，熱 損失現(xiàn)象嚴重。

以上分析均是根據(jù) 2012 年 3 月份測試數(shù)據(jù)分析而得。2011 年8 月份測試時，由 于時間處于夏季，室 外太陽輻射強烈，室 外外表面溫度已經(jīng)是熱傳導(dǎo)、輻 射換熱作用后的綜合值。對于定性判斷圍護結(jié)構(gòu)缺陷的區(qū)域，這 部分數(shù)據(jù)能起到作用。但對缺陷程度的判斷，需要剔除掉太陽輻射對圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度的影響，這是一件很有難度的工作，且對缺陷的判斷意義不大。故最終分析選取了冬季熱成像的數(shù)據(jù)。

2 理論計算分析

圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和熱阻計算公式如下[1]：

當(dāng)墻表面平整時，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的換熱系數(shù)αn=8.7 W/(m2· ℃)。外墻，屋 頂與室外空氣接觸的表面外表面換熱系數(shù)αw=23 W/(m2· ℃)[2]，其 余圍護結(jié)構(gòu)各項數(shù)值選取見表1。根 據(jù)以上條件，計 算西附樓外墻圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為0.87 W/(m·2K)。

表1 西附樓外圍護結(jié)構(gòu)K 值計算表

在傳熱過程中的任意一個界面，其 熱流密度處處相等。即：

根據(jù)式（3），推 導(dǎo)出圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度T n1、圍 護結(jié)構(gòu)外表面溫度Tw1、中 間任意一層內(nèi)表面溫度T n,i、中間任意一層外表面溫度Tw,i分別為：

以下計算均設(shè)定室內(nèi)、外 溫度穩(wěn)定，熱 流密度恒定為依據(jù)的。

假定西附樓外墻圍護結(jié)構(gòu)有缺陷，其 缺陷程度為相當(dāng)于原 50 mm 保溫層的 20%，即 10 mm 厚的保溫層，也 就是相當(dāng)于原圍護結(jié)構(gòu)傳熱能力的322%。根據(jù)式（4）～（ 11）及 表 1 中各項數(shù)據(jù)，分 別計算西附樓外墻各層圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外 表面溫度如表2：

表2 圍護結(jié)構(gòu)有缺陷時（相當(dāng)于20%）溫度

表2 中的室外溫度：第 一處為遠處室外溫度。第 二處為圍護結(jié)構(gòu)室外側(cè)，溫 度邊界層靠近室外側(cè)的外表面溫度。表格中的室內(nèi)溫度：第一處為圍護結(jié)構(gòu)室內(nèi)側(cè)，溫度邊界層靠近室內(nèi)側(cè)的表面溫度。第二處為遠處室內(nèi)溫度。

根據(jù)式（4）～（ 11）及 表 1 中各項數(shù)據(jù)，結(jié) 合表 2 中室內(nèi)、外 表面溫度，分 別計算西附樓外墻，在 不同保溫層厚度情況下，圍 護結(jié)構(gòu)室內(nèi)內(nèi)表面、室 外外表面溫度如表3 所示：

表3 不同保溫層厚度時圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)論

紅外熱成像的建筑圍護結(jié)構(gòu)缺陷識別鑒定，以 及缺陷效果對建筑物供暖、制 冷效果的影響，是 一個橫跨建筑、暖 通兩個專業(yè)新興的應(yīng)用點。

西附樓在暖通設(shè)計時，采用的統(tǒng)一的負荷計算，配管方式也一致，但 在實際運行時，只 有一層西向2 個房間，二 層大開間溫度沒有達到設(shè)計值，且 室內(nèi)散熱器表面溫度為正常值，同 時其余房間溫度正常，可 以排除采暖系統(tǒng)設(shè)計存在問題。考慮到室內(nèi)取照時，工作臺、柜 子有遮擋外墻的情況，拍 攝區(qū)域只為吊頂下無遮擋的區(qū)域，取 景區(qū)域沒有完全覆蓋外墻。因此本分析以室外拍照的溫度分析為主，室 內(nèi)紅外成像的溫度分析為輔。

1）根 據(jù)以上室外分析，室 外外墻外表面低谷處溫度為 -5.9～-7.5 ℃，相 對應(yīng)保溫層厚度只有 2～3 mm，相當(dāng)于原設(shè)計敷設(shè)保溫層 50 mm 的4%～6%，傳熱能力相當(dāng)于原設(shè)計的 4.5～5.0 倍。此部分圍護結(jié)構(gòu)缺陷嚴重，有 缺陷部位的保溫層基本上就形同虛設(shè)。

2）漏 風(fēng)因素，根 據(jù)吊頂?shù)V棉板連接處溫度 2.5 ℃，和現(xiàn)場吊頂打開的漏風(fēng)感，判 斷出建筑圍護結(jié)構(gòu)封閉不嚴，但無法進行冷風(fēng)入侵的熱損耗的定量分析。這和上條圍護結(jié)構(gòu)有缺陷對應(yīng)，可 以確定圍護結(jié)構(gòu)存在嚴重漏風(fēng)問題。

3）其 它因素。本次測試中，還 發(fā)現(xiàn)外窗窗框有缺陷，外 墻踢腳處、立 柱處冷橋現(xiàn)象嚴重。這些均會導(dǎo)致熱損耗大于設(shè)計值。在設(shè)計時，這些部位的防冷橋設(shè)計需要認真考慮，精 心設(shè)計。