紅外熱像儀在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷診斷中的應(yīng)用

王楊洋，李陽，方修睦，陶進(jìn)

（1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130114；2.中國船舶重工集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100024；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引 言

隨著環(huán)境污染和資源枯竭的不斷加劇，建筑領(lǐng)域因其能耗和碳排放而引起越來越多的關(guān)注。2018年建筑領(lǐng)域能源占全國能源消費(fèi)的21%，建筑領(lǐng)域碳排放約占全國碳排放總量的20%[1]。建筑行業(yè)在“2030年碳達(dá)峰”和“2060年碳中和”雙碳目標(biāo)下，建筑節(jié)能及節(jié)能檢測工作也要隨之加緊步伐。

在節(jié)能檢測技術(shù)中，紅外診斷技術(shù)是一種基于傳熱理論的較好的溫度分析和測試方法，是一種非接觸檢測技術(shù)，對被測對象的溫度場沒有影響，也不會污損測試對象的表面，這種測試方法更容易被住戶所接受。紅外檢測方法具有測溫速度快、靈敏度高，檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，檢測效率很高。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工缺陷

熱工缺陷的紅外診斷關(guān)鍵是看在紅外熱像圖上是否存在熱異常，如果存在說明該圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定程度的熱工缺陷。熱工缺陷包括缺少保溫材料、保溫材料受潮和空氣滲透3種情況[2-3]。本文主要研究缺少保溫材料這種情況，最常見的是由侵入到保溫?zé)嶙柚械慕饘?、鋼筋混凝土梁、柱、肋等結(jié)構(gòu)組分引起的熱橋，該組分成為熱流的短路，在冬季產(chǎn)生熱損失，在夏季產(chǎn)生得熱，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能產(chǎn)生很大的影響。熱橋?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的影響通過紅外熱像圖可以直觀地表現(xiàn)出來，在冬季室外拍攝的熱像圖中，熱橋由于熱損失大而導(dǎo)致表面溫度較高，以淺色區(qū)域顯示，見圖1、圖2；相反在室內(nèi)，熱橋表面溫度較低，以深色區(qū)域顯示[4-5]，見圖3、圖4。

圖1 過梁的紅外熱像圖（室外側(cè)）

圖2 外墻角紅外熱像圖（室外側(cè)）

圖3 過梁的紅外熱像圖（室內(nèi)側(cè)）

圖4 外墻角的紅外熱像圖（室內(nèi)側(cè)）

通過圖1～圖4可以直觀看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體區(qū)域存在著明顯的溫度差（顏色差），也就是都存在明顯的熱工缺陷。這是按常規(guī)檢測方法無法做到的，可見紅外熱像儀在檢測熱工缺陷方面有一定的優(yōu)越性。紅外熱像儀能將不可見的溫度場形象直觀地表示出來，并且設(shè)備本身簡便易攜，在建筑物熱工缺陷檢測的應(yīng)用有著良好的發(fā)展前景。在實(shí)際的紅外圖像采集過程中，也發(fā)現(xiàn)紅外熱像儀對建筑物熱工性能的許多方面都能給出正確評價(jià)，但僅定性評價(jià)是不夠的，如何能正確分析熱工缺陷等級大小以及帶來的能耗增加是亟待解決的，本文提出一種熱工缺陷的室內(nèi)紅外診斷方法。

2 熱工缺陷室內(nèi)紅外診斷方法

工程技術(shù)人員在紅外診斷原理基礎(chǔ)上衍生出不同類型的紅外診斷方法進(jìn)行故障診斷，常見的有相對溫差診斷法、同類比較法、檔案分析法和熱譜圖分析法。為消除不同環(huán)境溫度對紅外診斷結(jié)果的影響，提出了相對溫差診斷法。當(dāng)環(huán)境溫度或設(shè)備負(fù)荷較低時(shí)，設(shè)備的溫度必須低于環(huán)境溫度高或設(shè)備負(fù)荷高的溫度。因此，此時(shí)的絕對溫度值并不意味著設(shè)備沒有缺陷，還應(yīng)考慮環(huán)境溫度和設(shè)備負(fù)荷。因此，提出了相對溫差診斷法[6]。

“相對溫差”是指2臺設(shè)備條件相同或基本相同（包括負(fù)荷大小、環(huán)境溫度、表面狀況等）的2個(gè)對應(yīng)測點(diǎn)之間的溫度差值，與其中較熱設(shè)備測點(diǎn)溫升比值的百分?jǐn)?shù)，按式（1）計(jì)算：

式中：τ1和T1——較熱設(shè)備測點(diǎn)的溫度和溫升，℃；

τ2和T2——正常相對應(yīng)點(diǎn)的溫度和溫升，℃；

T0——參考環(huán)境的溫度，℃。

物體真實(shí)溫度受到環(huán)境溫度和大氣環(huán)境的影響。對于室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)來說，顯然這2種因素的影響效果不同。所以紅外熱像儀對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工缺陷的診斷，需要根據(jù)診斷所處的環(huán)境定義不同的診斷方法。本研究主要針對室內(nèi)診斷方法進(jìn)行分析。

為了更好地在室內(nèi)對熱工缺陷進(jìn)行診斷，參考紅外診斷方法中的相對溫差判斷法[7]，提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面相對溫差δt這一參數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（2）：

式中：δt——相對溫差；

t1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體區(qū)域平均溫度，℃；

t2——圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)域最高（最低）溫度，℃；

t0——環(huán)境參考溫度，℃。

需說明的是，對冬季采暖期，室內(nèi)溫度較室外溫度高，溫度缺陷區(qū)域是指溫度比主體區(qū)域低1℃及其以上的溫度區(qū)域。

由式（2）可見，參數(shù)δt反映了熱工缺陷區(qū)域的表面溫度，而表面溫度影響到耗熱量，可以說δt間接反映了熱工缺陷對耗熱量的影響。

當(dāng)面積為A的研究區(qū)域?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)主體區(qū)域時(shí)，設(shè)此時(shí)對流換熱系數(shù)為α，則無熱工缺陷時(shí)的耗熱量Q1為：

式中：Q1——無缺陷時(shí)的耗熱量，W；

α——對流換熱系數(shù)，W（/m2·℃）；

A——研究區(qū)域面積，m2。

當(dāng)研究區(qū)域存在熱工缺陷時(shí)的耗熱量Q2為：

式中：Q2——存在缺陷時(shí)的耗熱量，W。

由于熱工缺陷的影響，所帶來的耗熱量變化△為：

在實(shí)驗(yàn)室條件下通過被測構(gòu)件的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試[8]，δt與△的計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 △與δt的關(guān)系

由圖5可見，δt越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量增加得越多，熱損失越大，熱工缺陷越嚴(yán)重，所以δt作為熱工缺陷的評價(jià)參數(shù)是合適的。

但是僅由δt這一個(gè)參數(shù)來評價(jià)還不全面，因?yàn)樗婕暗綗峁と毕荼砻娴淖畹蜏囟?，僅代表了圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，無法代表熱工缺陷的影響范圍，即熱工缺陷的作用面積，所以提出相對面積ψ這一參數(shù)，計(jì)算公式見式（6）：

式中：ψ——相對面積；

A0——缺陷區(qū)域面積，是指缺陷區(qū)域溫度與主體區(qū)域平均溫度差≤±1℃的等溫線所包圍的面積，m2；

A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2。

對相對面積ψ這一參數(shù)的分析，也是從相對面積ψ對圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的影響出發(fā)，存在熱工缺陷時(shí)的耗熱量Q2及變化△計(jì)算如下：

實(shí)驗(yàn)室條件下通過被測構(gòu)件的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，ψ與△的計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 ψ與△的變化關(guān)系

由圖6可見，ψ越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量增加得越多，熱損失越大，熱工缺陷范圍越大，所以參數(shù)ψ作為評價(jià)熱工缺陷的參數(shù)是合適的。

綜上所述，δt和ψ都可以作為評價(jià)熱工缺陷的參數(shù)，但是由參數(shù)的定義式可見，兩者的側(cè)重點(diǎn)不同。δt涉及到熱工缺陷表面的最低溫度，體現(xiàn)了熱工缺陷的嚴(yán)重程度；而ψ涉及到熱工缺陷的面積，體現(xiàn)了熱工缺陷的作用范圍。為了正確評價(jià)熱工缺陷，應(yīng)采用δt和ψ雙參數(shù)進(jìn)行評價(jià)。最重要的是由于紅外測溫和輔助軟件的先進(jìn)性，對t2、t1、A的確定十分容易，這是傳統(tǒng)方法無法做到的。

為了研究問題的方便，本研究對δt和ψ的討論，都選擇耗熱量增加50%左右時(shí)對應(yīng)參數(shù)作為臨界值。當(dāng)δt=0.35，ψ=0.60時(shí)，此時(shí)耗熱量分別增加了近50%。所以將δt=0.35，ψ=0.60看作一個(gè)臨界值作為評價(jià)熱工缺陷。為了對上述2種參數(shù)進(jìn)行實(shí)例分析，對熱工缺陷的等級做出規(guī)定（見表1）。

表1 室內(nèi)熱工缺陷等級

3 工程實(shí)例分析

3.1 實(shí)測現(xiàn)場紅外熱像圖

測試為冬季采暖期位于嚴(yán)寒地區(qū)某小區(qū)住戶，檢測時(shí)室內(nèi)已關(guān)掉空調(diào)、照明燈等，檢測部位選擇北向房間未受到太陽光直射，無輻射源干擾。室內(nèi)實(shí)際測試中所拍攝的紅外熱像圖案例見圖7，為了后續(xù)分析問題方便進(jìn)行編號1#～12#。

圖7 熱工缺陷紅外熱像

3.2 缺陷等級分析

將在室內(nèi)實(shí)際測試中所拍攝的熱工缺陷紅外熱像圖的溫度信息提取出來，結(jié)果見表2。

表2 建筑實(shí)例的室內(nèi)熱工缺陷等級

對于室內(nèi)熱工缺陷，用圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面相對溫差δt，相對面積ψ這2個(gè)參數(shù)來評價(jià)，即可對這些新建或既有建筑進(jìn)行定量評價(jià)[9-10]。

3.3 節(jié)能改造減碳潛力分析

根據(jù)上述實(shí)測，紅外熱像儀在描述建筑現(xiàn)狀的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)方面有很重要的作用?？梢灾庇^顯示出既有建筑存在的熱工缺陷，繼而導(dǎo)致的能源浪費(fèi)問題。所以利用紅外熱像儀對熱工缺陷進(jìn)行檢測，有針對性進(jìn)行節(jié)能改造是降低能耗和減少碳排放的強(qiáng)有力的途徑[11]。

研究上述12個(gè)熱工缺陷紅外熱像圖實(shí)例，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，利用式（3）分別計(jì)算節(jié)能改造前后的耗熱量，12個(gè)實(shí)例熱工缺陷改造前后的耗熱量對比如表3所示。

從表3可以看出，節(jié)能改造后每個(gè)實(shí)例的耗熱量都會有不同程度的下降，下降比例3%～29%，平均達(dá)到10%。經(jīng)過計(jì)算，12個(gè)紅外熱像圖實(shí)例折合面積130.44 m2，累計(jì)耗熱量下降446 W。我國建筑面積規(guī)模位居世界第一，現(xiàn)有城鎮(zhèn)總建筑存量約650億m2，這些建筑每年僅在使用過程中的“運(yùn)營碳排放”就達(dá)到21億t，約占我國碳排放總量的20%。假設(shè)有50%既有建筑存在熱工缺陷，如果進(jìn)行改造后可發(fā)揮10%節(jié)能潛力來核算，每年就可減少1億t碳排放，如果考慮到建筑壽命周期50年來衡量[12]，其全生命周期內(nèi)的節(jié)能減碳潛力巨大。

表3 節(jié)能改造前后耗熱量對比 W

4 結(jié)語

提出一種用紅外熱像儀對建筑物的熱工缺陷進(jìn)行定量診斷的方法。識別建筑物熱工缺陷熱橋的溫度場分布，并將紅外診斷方法與檢測實(shí)例相結(jié)合提出室內(nèi)熱工缺陷的評價(jià)參數(shù)。對于室內(nèi)熱工缺陷，用圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面相對溫差δt、相對面積ψ這2個(gè)參數(shù)來進(jìn)行定量評價(jià)，并確定熱工缺陷的等級。紅外熱像儀可以作為熱工缺陷定量評價(jià)的有效工具，為建筑節(jié)能改造更有效地實(shí)施，進(jìn)一步提升建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳效果開辟了新途徑。