基于紅外熱像法的建筑節(jié)能表皮缺陷檢測設(shè)備設(shè)計

張 昂，羅依南，楊子立，胡顯斌

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué) 至誠學(xué)院，福建 福州 350116)

在能源問題日益嚴峻的現(xiàn)代社會，建筑節(jié)能成為所有建筑設(shè)計與施工單位必須考慮的問題。在實際建筑節(jié)能實施過程中，建筑表皮保溫技術(shù)是新型高效且被廣泛采用的技術(shù)[1]。目前，大量的新型節(jié)能表皮被運用于建筑的外立面，如太陽能光伏表皮[2]、氣凝膠復(fù)合材質(zhì)表皮[3]、LOW-E真空玻璃表皮[4]等等。這些新型表皮均有良好的節(jié)能保溫特性。但是，在實際施工中，因建筑表皮施工不到位，偷工減料、設(shè)計不合理或材質(zhì)瑕疵等問題，往往無法達到預(yù)期的節(jié)能效果。同時，在建筑的長期使用過程中，節(jié)能表皮會因形變開裂，材質(zhì)老化損壞，接線脫落等多種原因造成性能退化或失效，使節(jié)能效果大打折扣。這些問題往往無法通過目測的方法發(fā)現(xiàn)，也難以通過常規(guī)手段對建筑施工完成后的外表面進行檢測。除難以在建筑施工及驗收檢測階段對建筑外表面的保溫效果進行全面檢測外，在建筑使用過程中節(jié)能表皮出現(xiàn)的問題更難以被及時發(fā)現(xiàn)和排除。以光伏建筑表皮為例，往往因陰影效應(yīng)、結(jié)構(gòu)瑕疵、內(nèi)連接故障、單元差異性等問題，造成局部模塊緩慢退化至失效，進而影響整體節(jié)能效果。

因此，需使用一種簡便易用的新設(shè)備對這類新型節(jié)能表皮進行熱缺陷檢測。新型節(jié)能表皮和傳統(tǒng)建筑保溫技術(shù)的差異之一在于：在建筑表皮最外層對入射太陽光線進行控制，如存在局部失效或異常，會在表皮表面形成較大溫度差異。例如：LOW-E玻璃表皮為高反射外層加低熱傳導(dǎo)系數(shù)內(nèi)層構(gòu)成，太陽能表皮為吸收光能的多晶硅玻璃構(gòu)成?，F(xiàn)階段對于建筑節(jié)能表皮的基于熱效應(yīng)檢測方法主要有熱流計法[5]、熱箱法[6]、紅外熱像法[7]3種。熱流計法通過安裝在建筑表皮上的熱流計或熱電偶進行測定，并統(tǒng)計內(nèi)外墻面的溫度差來計算墻體保溫效果，該方法多用于建筑施工驗收時的墻體保溫現(xiàn)場檢測。熱箱法是建立一個人工可控的熱環(huán)境，將實驗用建筑表皮放置在內(nèi)，用多種設(shè)備在精準標定熱功率的環(huán)境下對該表皮的熱參數(shù)進行測量，多用于建筑施工前評估建筑節(jié)能表皮的熱參數(shù)。前兩種方法均只能顯示單點或者單位面積的建筑節(jié)能表皮熱參數(shù)，不能進行整個建筑外立面的檢測。同時前兩種方法的測量較為費時費力，受到現(xiàn)實條件的種種限制，難以在施工、驗收過程中進行測試，也難以對建筑使用中產(chǎn)生的缺陷進行監(jiān)測。唯有紅外熱像法，直接通過紅外圖像的方式檢測建筑表皮的熱參數(shù)，測量簡單，成本低，速度快，操作難度低，可以實現(xiàn)整體的外立面檢測。

目前，國際上已有部分學(xué)者和工程人員對紅外熱像技術(shù)在建筑外墻表皮方面的應(yīng)用進行了研究和工程應(yīng)用[2],但國內(nèi)的應(yīng)用和研究較少，缺乏專用于建筑表皮的紅外熱像測試設(shè)備和測試標準。部分應(yīng)用尚處于定性檢測階段，缺乏定量檢測和科學(xué)的檢測方法。本研究基于國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“2010工程建設(shè)標準規(guī)范制訂、修訂計劃”標準，設(shè)計了一套專用于建筑表皮的紅外熱像測試設(shè)備和測試方法，并對測試數(shù)據(jù)進行定量化分析。該設(shè)備和方法可以快速方便地運用于檢定建筑表皮的熱效應(yīng)，快速獲得熱效應(yīng)異常點的信息，并通過該信息為進一步檢測和維修提供依據(jù)。

1 檢測原理

熱紅外線是波長介于0.76～1 000 μm的電磁波，所有溫度高于絕對零度(-273 ℃)的物體都向外輻射紅外線。不同溫度的材質(zhì)，發(fā)射的紅外線波長也不相同?？赏ㄟ^式(1)

E=εσT4

(1)

計算物體紅外輻射功率和其溫度的關(guān)系。式中:E為紅外輻射能;ε為輻射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);T為物體熱力學(xué)溫度。紅外熱檢測技術(shù)即通過檢測物體單點的紅外輻射，獲得物體單點的溫度值。將紅外熱檢測的多點矩陣，根據(jù)各點不同溫度值用不同顏色顯示為圖像，即為紅外熱像。建筑的節(jié)能表皮在施工質(zhì)量完好均勻的前提下，因為隔熱層厚度、表面材質(zhì)以及表面均勻平整，在陽光或者周圍溫度影響下，表現(xiàn)為場面溫度場均勻分布，區(qū)域面積各點的溫度基本相同。當(dāng)施工不當(dāng)或材質(zhì)本身存在缺陷時，溫度就會存在局部差異，通過紅外熱圖像可以很容易地找出異常區(qū)域。材質(zhì)一致并施工良好的建筑表皮在相同的外部環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出一致的熱紅外特性。紅外圖像用顏色代表溫度值，藍色為低溫，紅色為高溫。在檢測過程中，如節(jié)能表皮在紅外圖像中表現(xiàn)的顏色較為一致，則表示性能一致。如圖像局部出現(xiàn)異常，則會在圖像上看到顏色異常的區(qū)域。

節(jié)能表皮異常主要分為兩類：一類為損壞熱缺陷。該缺陷可能由節(jié)能表皮材質(zhì)本身的質(zhì)量瑕疵引起。例如，真空LOW-E玻璃表皮通過真空層進行熱阻斷，并通過玻璃鍍膜表面反射太陽光，以起到保溫效果。當(dāng)真空LOW-E玻璃因為漏氣等問題造成真空度下降時，該片玻璃的熱阻降低，不能很好地進行保溫阻斷，因此其表面溫度低于正常值。該缺陷也可能由建筑使用過程中出現(xiàn)的節(jié)能表皮老化或損壞引起。例如，采用光伏太陽能板的節(jié)能表皮，在進行光電轉(zhuǎn)換時，由光伏板的P-N結(jié)產(chǎn)生光電效應(yīng)，同時產(chǎn)生一個溫度變化的紅外熱輻射溫度場。在長期使用過程中，因為光孤島、陰影、不均勻光照、物理損壞等問題會出現(xiàn)局部光伏板失效異常。

二類為施工熱缺陷，即在施工過程中出現(xiàn)工藝瑕疵，造成節(jié)能表皮無法發(fā)揮應(yīng)有效果或局部的節(jié)能表皮缺失。例如，在真空LOW-E玻璃節(jié)能表皮施工時，如存在空鼓、錯位或缺失，因為空氣間層的影響，導(dǎo)致不良施工處出現(xiàn)局部熱缺陷。

紅外熱圖像以紅色等暖色代表高溫亮點，以藍色等冷色代表低溫暗點。若墻體外的節(jié)能表皮一致性好，無碎片、黑片、斷柵等問題，無空鼓、錯位、缺失等問題，則溫度場分布均勻，即紅外圖像顏色較為一致。如有熱缺陷區(qū)域，則在紅外圖像上出現(xiàn)顏色與周圍存在明顯差異的色斑。由此，可以確定缺陷的存在和故障的位置，以快速及時地進行維修和更替，如圖1所示。

(a)正常墻體 (b)缺陷墻體 (c)白天溫差 (d)夜間溫差圖1 缺陷墻體溫差示意圖Fig.1 Schematic diagram for temperature difference of defective wall

2 設(shè)備設(shè)計

設(shè)計的紅外溫度點陣采集裝置采用MLX90640紅外熱像傳感器。該傳感器的分辨率為24×32，即可以同時檢測768個點的溫度值；設(shè)計刷新率8 Hz，即1 s測量8次。傳感器溫度測量范圍-40 ℃至300 ℃，測量精度±2 ℃，能夠滿足建筑表皮的測量要求。設(shè)計可根據(jù)需要更換前端傳感器鏡頭，實現(xiàn)110×75度的大視場角度或55×35度的小視場角度，以滿足不同安裝條件和不同范圍的測量需求。同時設(shè)計帶有串口輸出功能，直接輸出768個溫度數(shù)據(jù)數(shù)組，可以儲存到電腦上位機，根據(jù)不同的建筑表皮熱效應(yīng)參數(shù)模型，進行進一步的統(tǒng)計、分析和檢測。設(shè)備可以根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)控閾值，自動將超出閾值的點以方框的形式標注出來。其設(shè)備檢測模塊如圖2所示。

圖2 檢測模塊設(shè)計圖Fig.2 Monitoring module block diagram

裝置采用STM32F4為主控處理器，外接MLX90640紅外成像傳感器，通過IIC總線快速采集32×24個像素點的溫度點陣數(shù)據(jù)。溫度點陣數(shù)據(jù)回傳至處理器后，對數(shù)據(jù)進行插值處理，將32×24像素點擴展至128×96，即共有12 288個像素點，使得到的紅外成像效果更易于觀察和判別。

此外，處理器將溫度點陣數(shù)據(jù)進行顏色處理，色溫越低對應(yīng)溫度越高，即溫度高的像素點展示為紅黃色，溫度低的像素點展示為藍綠色。將該結(jié)果在LCD屏上進行顯示，使插值后的溫度點陣數(shù)據(jù)可視化效果更佳。同時利用串口通訊將溫度點陣數(shù)據(jù)傳輸至PC機做進一步處理。

其中，搭配MLX90640傳感器的外圍電路圖如圖3所示。

圖3 MLX90640電路設(shè)計Fig.3 Circuit design of MLX90640

電路圖大致可分為4部分。第1部分為電源電路，利用AP2112K-3.3TRG穩(wěn)壓器對輸入的VCC電壓進行降壓穩(wěn)壓，輸出3.3 V電壓，為MLX90640供電。第2部分為電源指示電路，利用LED燈指示電源的輸入情況。第3部分為IIC信號的上拉電路，控制SDA與SCL的壓降穩(wěn)定在3 V。第4部分為適應(yīng)主控板的擴展接口電路。其PCB板電路如圖4所示。

圖4 PCB電路設(shè)計Fig.4 PCB design of MLX90640

利用MLX90640讀取溫度并形成熱像圖的程序流程如圖5所示：第1步，需要對外設(shè)初始化。在本裝置中，需要為LCD、觸摸屏以及MLX90640 IIC通訊進行初始化。第2步，需要為MLX90640進行基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。在本裝置中設(shè)置18位測量分辨率、8 Hz測量速率以及TV行交錯幀模式。第3步，需要對MLX90640進行參數(shù)校準，并開辟內(nèi)存空間，為溫度點陣數(shù)據(jù)存儲分配幀緩沖區(qū)。第4步，進入采集主循環(huán)。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

在主循環(huán)中，裝置利用IIC讀取溫度點陣原始幀數(shù)據(jù)，再對原始數(shù)據(jù)進行計算，得到本幀的溫度，并存放到特定數(shù)組。為了得到更好的成像效果，設(shè)計采用鄰近像元點平均法對不良像素進行處理，再通過插值算法擴展像素點陣，從32×24擴展至128×96。

為形成可視化熱像圖，需要將色彩設(shè)置為RGB，并對彩值轉(zhuǎn)換后的像素點進行行場信號掃描，將結(jié)果在LCD上顯示。設(shè)計最終模塊實物如圖6所示。

圖6 紅外模塊實物Fig.6 Infrared module in reality

為實現(xiàn)高層建筑外立面檢測和控制檢測傳感器距離與建筑表皮距離基本一致，設(shè)計了一個垂掛拉伸結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由支撐架、絞盤、索具、收放機構(gòu)和刻度組成，可將設(shè)備按固定距離自需檢測建筑外立面的頂部下放至底部。其中支撐架的橫向伸出臂的長度可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。實測中，以距離建筑表皮0.8～3 m為宜。使用時將該結(jié)構(gòu)件安裝在建筑需要檢測的外立面頂部，放下絞盤后傳感器自上而下地進行紅外熱像檢測，其熱像圖可以由設(shè)置在垂掛結(jié)構(gòu)頂部的顯示屏實時獲得，并通過絞盤上的刻度獲得高度信息。檢測人員可在操作中即時截圖記錄疑似異常點的位置信息，并通過傳感器存儲的詳細溫度數(shù)據(jù)進行進一步檢測分析。

3 實際運用效果

將該設(shè)備運用于實際建筑節(jié)能表皮檢測，考察其使用效果。檢測時間以正午等陽光輻照較為強烈的時段為宜，實驗中的檢測時間均為上午10點至下午3點之間，天氣晴好，日照充足。檢測某建筑A的太陽能節(jié)能表皮，其表面為非晶硅鍍膜太陽能玻璃幕墻。檢測發(fā)現(xiàn)其約15 m高處外立面有一區(qū)域溫度比其他區(qū)域高10 ℃左右。經(jīng)拆卸檢測，發(fā)現(xiàn)該太陽能光伏板存在斷柵，斷裂區(qū)域已無法正常工作。檢測熱像圖如圖7所示，其具體位置如圖8所示。

圖7 檢測熱像圖Fig.7 Detection thermogram

圖8 缺陷具體位置Fig.8 Specific location of defects

檢測某建筑B的保溫節(jié)能表皮，其外表皮保護層為陶土瓦，內(nèi)側(cè)保溫層為聚苯顆粒。檢測發(fā)現(xiàn)其5.3 m位置有一處0.8 m2左右區(qū)域溫度低于周邊溫度約6 ℃，如圖9所示。經(jīng)進一步拆卸檢測，發(fā)現(xiàn)該處外表皮經(jīng)過后期修補處理，修補過程中未按照原建筑設(shè)計要求補上聚苯顆粒隔熱層，造成隔熱缺陷。

圖9 存在隔熱缺陷的建筑表皮熱像Fig.9 Thermogram for skin of building with thermal insulation defect

4 結(jié)論

紅外熱像檢測技術(shù)在建筑節(jié)能表皮的工程檢測中尚屬新技術(shù)，行業(yè)內(nèi)尚未形成一套完整的標準化的檢測流程。通過實驗表明，紅外熱像檢測法的檢測速度遠高于傳統(tǒng)檢測方法，檢測難度大幅降低，檢測準確度和一致性都較高。本研究設(shè)計的紅外檢測模塊和檢測手段，能夠根據(jù)不同建筑節(jié)能表皮和不同缺陷形式設(shè)定不同的測試閾值，以適應(yīng)不同的材質(zhì)、問題和測試環(huán)境，快速找出缺陷原因，并記錄缺陷具體位置。在尚未形成紅外檢測行業(yè)標準前，該設(shè)計作為定性普查的一種行之有效的檢測方法，為進一步以傳統(tǒng)方式檢測提供了參考，較之使用手持式紅外熱像儀進行測試，大大簡化了其測試實施難度并降低了設(shè)備成本。