紅外熱像儀在建筑圍護結構熱工缺陷診斷中的應用

王楊洋，李陽，方修睦，陶進

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

0 引 言

隨著環境污染和資源枯竭的不斷加劇，建筑領域因其能耗和碳排放而引起越來越多的關注。2018年建筑領域能源占全國能源消費的21%，建筑領域碳排放約占全國碳排放總量的20%[1]。建筑行業在“2030年碳達峰”和“2060年碳中和”雙碳目標下，建筑節能及節能檢測工作也要隨之加緊步伐。

在節能檢測技術中，紅外診斷技術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，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，檢測范圍廣等優點，檢測效率很高。

1 圍護結構的熱工缺陷

熱工缺陷的紅外診斷關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結構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熱阻中的金屬、鋼筋混凝土梁、柱、肋等結構組分引起的熱橋，該組分成為熱流的短路，在冬季產生熱損失，在夏季產生得熱，對圍護結構的保溫性能產生很大的影響。熱橋對圍護結構表面溫度的影響通過紅外熱像圖可以直觀地表現出來，在冬季室外拍攝的熱像圖中，熱橋由于熱損失大而導致表面溫度較高，以淺色區域顯示，見圖1、圖2；相反在室內，熱橋表面溫度較低，以深色區域顯示[4-5]，見圖3、圖4。

圖1 過梁的紅外熱像圖（室外側）

圖2 外墻角紅外熱像圖（室外側）

圖3 過梁的紅外熱像圖（室內側）

圖4 外墻角的紅外熱像圖（室內側）

通過圖1～圖4可以直觀看出，圍護結構與主體區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，并且設備本身簡便易攜，在建筑物熱工缺陷檢測的應用有著良好的發展前景。在實際的紅外圖像采集過程中，也發現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，但僅定性評價是不夠的，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紅外診斷方法。

2 熱工缺陷室內紅外診斷方法

工程技術人員在紅外診斷原理基礎上衍生出不同類型的紅外診斷方法進行故障診斷，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。為消除不同環境溫度對紅外診斷結果的影響，提出了相對溫差診斷法。當環境溫度或設備負荷較低時，設備的溫度必須低于環境溫度高或設備負荷高的溫度。因此，此時的絕對溫度值并不意味著設備沒有缺陷，還應考慮環境溫度和設備負荷。因此，提出了相對溫差診斷法[6]。

“相對溫差”是指2臺設備條件相同或基本相同（包括負荷大小、環境溫度、表面狀況等）的2個對應測點之間的溫度差值，與其中較熱設備測點溫升比值的百分數，按式（1）計算：

式中：τ1和T1——較熱設備測點的溫度和溫升，℃；

τ2和T2——正常相對應點的溫度和溫升，℃；

T0——參考環境的溫度，℃。

物體真實溫度受到環境溫度和大氣環境的影響。對于室內側和室外側來說，顯然這2種因素的影響效果不同。所以紅外熱像儀對圍護結構熱工缺陷的診斷，需要根據診斷所處的環境定義不同的診斷方法。本研究主要針對室內診斷方法進行分析。

為了更好地在室內對熱工缺陷進行診斷，參考紅外診斷方法中的相對溫差判斷法[7]，提出圍護結構內表面相對溫差δt這一參數，數學表達式見式（2）：

式中：δt——相對溫差；

t1——圍護結構主體區域平均溫度，℃；

t2——圍護結構缺陷區域最高（最低）溫度，℃；

t0——環境參考溫度，℃。

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

由式（2）可見，參數δt反映了熱工缺陷區域的表面溫度，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。

當面積為A的研究區域為圍護結構主體區域時，設此時對流換熱系數為α，則無熱工缺陷時的耗熱量Q1為：

式中：Q1——無缺陷時的耗熱量，W；

α——對流換熱系數，W（/m2·℃）；

A——研究區域面積，m2。

當研究區域存在熱工缺陷時的耗熱量Q2為：

式中：Q2——存在缺陷時的耗熱量，W。

由于熱工缺陷的影響，所帶來的耗熱量變化△為：

在實驗室條件下通過被測構件的數據進行測試[8]，δt與△的計算結果見圖5。

圖5 △與δt的關系

由圖5可見，δt越大，圍護結構耗熱量增加得越多，熱損失越大，熱工缺陷越嚴重，所以δt作為熱工缺陷的評價參數是合適的。

但是僅由δt這一個參數來評價還不全面，因為它涉及到熱工缺陷表面的最低溫度，僅代表了圍護結構缺陷的嚴重程度，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，計算公式見式（6）：

式中：ψ——相對面積；

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

A——圍護結構面積，m2。

對相對面積ψ這一參數的分析，也是從相對面積ψ對圍護結構耗熱量的影響出發，存在熱工缺陷時的耗熱量Q2及變化△計算如下：

實驗室條件下通過被測構件的數據進行測試，ψ與△的計算結果見圖6。

圖6 ψ與△的變化關系

由圖6可見，ψ越大，圍護結構耗熱量增加得越多，熱損失越大，熱工缺陷范圍越大，所以參數ψ作為評價熱工缺陷的參數是合適的。

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

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%左右時對應參數作為臨界值。當δt=0.35，ψ=0.60時，此時耗熱量分別增加了近50%。所以將δt=0.35，ψ=0.60看作一個臨界值作為評價熱工缺陷。為了對上述2種參數進行實例分析，對熱工缺陷的等級做出規定（見表1）。

表1 室內熱工缺陷等級

3 工程實例分析

3.1 實測現場紅外熱像圖

測試為冬季采暖期位于嚴寒地區某小區住戶，檢測時室內已關掉空調、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。室內實際測試中所拍攝的紅外熱像圖案例見圖7，為了后續分析問題方便進行編號1#～12#。

圖7 熱工缺陷紅外熱像

3.2 缺陷等級分析

將在室內實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，結果見表2。

表2 建筑實例的室內熱工缺陷等級

對于室內熱工缺陷，用圍護結構內表面相對溫差δt，相對面積ψ這2個參數來評價，即可對這些新建或既有建筑進行定量評價[9-10]。

3.3 節能改造減碳潛力分析

根據上述實測，紅外熱像儀在描述建筑現狀的準確數據方面有很重要的作用。可以直觀顯示出既有建筑存在的熱工缺陷，繼而導致的能源浪費問題。所以利用紅外熱像儀對熱工缺陷進行檢測，有針對性進行節能改造是降低能耗和減少碳排放的強有力的途徑[11]。

研究上述12個熱工缺陷紅外熱像圖實例，根據表2的數據，利用式（3）分別計算節能改造前后的耗熱量，12個實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，節能改造后每個實例的耗熱量都會有不同程度的下降，下降比例3%～29%，平均達到10%。經過計算，12個紅外熱像圖實例折合面積130.44 m2，累計耗熱量下降446 W。我國建筑面積規模位居世界第一，現有城鎮總建筑存量約650億m2，這些建筑每年僅在使用過程中的“運營碳排放”就達到21億t，約占我國碳排放總量的20%。假設有50%既有建筑存在熱工缺陷，如果進行改造后可發揮10%節能潛力來核算，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]，其全生命周期內的節能減碳潛力巨大。

表3 節能改造前后耗熱量對比 W

4 結語

提出一種用紅外熱像儀對建筑物的熱工缺陷進行定量診斷的方法。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例相結合提出室內熱工缺陷的評價參數。對于室內熱工缺陷，用圍護結構內表面相對溫差δt、相對面積ψ這2個參數來進行定量評價，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的有效工具，為建筑節能改造更有效地實施，進一步提升建筑領域節能減碳效果開辟了新途徑。