红外热成像技术在建筑节能检测中的应用

Ｉ建筑节能　红外热成像技术在　建筑节能检测中的应用　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌ－　ｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｔｅｓｔ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　０引言　一黄国扬Ｈｕａｎｇ　Ｇｕｏｙａｎｇ李健Ｌｉ　Ｊｉａｎ　自２Ｏ世纪７０年代以来，欧美一些　【摘　要ｌ介绍了红外热成像技术的基本原理，总结了近年来红外热戍像技术　发达国家先后开始了红外热像仪在建筑　结构工程领域诊断维护的探索，使得红　外热像技术在该领域的应用日臻完善，　给建筑结构工程质量检测和评估技术前　进和发展带来了较大的帮助。　在建筑节能研究和实践中的应用，特别通过大量翔实的图片资料阐述了红外热成　像技术在热传导损失、热对流损失、受潮、渗漏、外墙饰面质量检测中的应用，　供有关质量检测和标准制订等部ｆ］在进行相关栓测和标准编撰时参考。　【关键词】建筑节能；红外热成像；检测　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍ—　ａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｐｉｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｄａｔａ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ，ｈｅａｔ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ，ｍｏｉｓｔｕｒｅ，ｌｅａｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｘｔｅｒｉｏｒ　ｗａｌｌ　ｆｉｎｉｓｈ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓ　ｔｈａｔ　ｒｕｎ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｗｈｅｎ　ｄｏｉｎｇ　ｔｈｅｉｒ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｗｏｒｋ．　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ，ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ，ｔｅｓｔ　黄国扬，美国ｗＩＳＣＯＮＳＩＮ—ＭＡＤＩＳＯＮ大学学士，欧美大地科技有限公司经　理；李健，中国科学院硕士，欧美大地仪器设备中国有限公司技术／ｒ＿程师。　５０住宅科技／２０１０．０１　建筑节能■　１红外热成像基本原理　任何温度高于绝对零度的物体都会释　面得到了成熟的应用：墙面缺陷的检　造成墙面的温度变化，通过红外热图像　测得的表面温度可以表征出次表面的异　常。　测，粘贴饰面的检测，渗漏和受潮的检　测，热桥等热工缺陷检测，室内管道和　放出红外线，其能量与该物体温度的四　次方成正比。红外线不为人眼所见，但是　红外热像仪利用红外探测器和光学成像　电气设施的检测等（图１）。　３　红外热成像技术在建筑节能检测中的　应用　据统计，有３０％～５Ｏ％的能量消耗　集中在住宅。因此提倡节能建筑，提高能　３．１热传导损失检测　在建筑围护结构中设计有隔热层，　主要目的是以最合理的方式达到所期望　的室内环境。经验表明，缺少隔热材　物镜可接受被测目标的红外辐射能量，　并把能量分布反映到红外探测器的光敏　料、隔热材料安装不正确、气密层和气　密性不良都会降低轮廓的整体隔热性　能，从而大幅提升能耗。对于新建筑或　旧建筑，满足新的节能标准非常重要，　隔热和气密层以及结构中其它任何缺陷　都必须诊断并得到修补。建筑和隔热标　准在过去几十年中不断改进。许多国家　根据新的“环境能源效率指导方针”拥　有或正在制订相应的节能标；隹。典型的　隔热缺陷有：　组件上，从而获得红外热像图，这种热像　图与物体表面的热分布场相对应。当热　流在物体内部扩散和传递的路径中，将　会由于材料或传导的热物理性质不同，　或受阻堆积，或通畅无阻传递，最终会　在物体表面形成相应的“热区”和“冷　区”，这种由里及表出现的温差，通过　效，是一项紧迫的任务。对于新建的建　筑工程，比较容易处理，可建立并执行　严格的节能标准和法规。然而对于既有　建筑，能效相对较低，而每年只有　１％～２％的旧楼能得到翻新，因此，改　善现有建筑降低其能耗势在必行。由于　环境保护和节能的迫切需要，国内外特　别是加拿大、美国、日本等国家都非常　重视红外热成像技术在建筑节能方面的　应用研究，取得了丰富的经验和成果。　红外热成像仪进行检测并成像，进而可　以评估其质量或状态。　（１）隔热材料没有填充整个设计　的空间（缝隙、孔洞、隔热层薄、隔　２　我国红外热成像技术在建筑结构工程　领域的应用　我国的红外建筑检测在２Ｏ世纪９０年　热材料沉降、安装后材料收缩、在错误　的位置进行刚性绝缘等）。　（２）隔热材料安装不当。　ｆ　３）Ｈ　ＶＡ　Ｃ　通过隔热层进行安　装。　建筑中隔热层和气密性缺陷会造成室　内空气不良、空气泄漏和受潮等，导致　居住不舒适以及能源浪费。而解决这些　问题最主要的困难是难以找到合适的方　法和设备来诊断出问题所在。常规的视　代开始起步，～开始主要集中在外墙饰　面砖的粘结质量以及渗漏检测方面。由　于这些应用领域没有其它适合的检测手　段，而红外热成像技术具有大面积、非接　触远距离检测，不影响被测物体，使用安　全，检测快速，结果直观可视等优势，使　得该技术在建筑领域得到了迅猛的发展。　通过大量的科研和工程实践，总结出了　（４）有渗透性的隔热材料不足以　阻挡气流的运动。　觉检测和评估通常效率不高，只能检测　出一些明显的缺陷、表面缺陷，或隐藏　（５）隔热材料受潮。　图２中的建筑南楼龄为８年，红外图　像显示在墙体和房顶都有明显的热损　失，基础部位也没有隔热处理。对楼顶　的大面积缺陷。然而通常大部分缺陷并　不明显，而且往往只有在造成严重的破　坏之后才能知道，到时唯一的补救办法　只能是花费高昂的重建费用。　具体的测试方法和注意事项，颁布了各　种测试规程，例如《红外热像法检测建　筑外墙饰面层粘结缺陷技术规程》　（ＣＥＣＳ　２Ｏ４：２０Ｏ６），对该测试技术　进行检测发现天花板没有安装隔热材　料。　另外，墙体没有足够的隔热层也会　造成明显的热损失。室内外温差越大或　材料的Ｋ值越低，就需要越大的制冷或　红外热像仪作为一种预维护诊断技　术，是一种极为经济而且对建筑物本身　没有损坏的诊断办法。热工性缺陷如隔　的发展和应用起到了很大的推动作用。　目前红外热成像技术已经在以下几个方　热材料缺失、热桥、漏气和受潮等都会　图１建筑物缺陷的红外成像仪检测图像　２０１０．０１／住宅科技５１　●建筑节能　制热功率。　图３中红外图像显示在窗户和天花板　之间的隔热层存在孔穴，其它地方也可　以找到类似的情况。这可能导致更为严　重的问题，如在墙体空穴中形成受潮。　承包商忽略了在墙体空穴中放置隔热材　料，通过红外热像仪检测很容易发现。　在墙体空穴中安装隔热材料要求很　严，必须填充在空穴中并紧实贴在墙壁　上。如果没有这样安装很有可能成为空　气对流的一个通道，隔热效果将会大打　折扣（图４）。图４中红外图像显示了不当　的隔热材料安装的影响隔热材料没有紧　图２红外检测清楚的显示楼房能量损失程度　图３红外成像找出的天花板和窗口之间　隔热材料缺损　图４不当的隔热材料安装的影响　５２住宅科技／２０１０．０１　贴在墙体上。这降低了隔热效率从而造　流），从而引起局部温度降低而增加能　成热损失。建筑围护结构中的一些部位，　耗和尘土的沉降。这种泄漏路径比较复　在室内外温差的作用下，形成热流相对　杂，不利用红外成像仪就很难发现。虽　密集、内表面温度较低的区域。这些部位　然气密性测试可以找出房间总体的漏气　成为传热较多的桥梁，故称为热桥　量，可以为气密性；隹确定量，但不能很　（ｔｈｅ　ｒｍａｌ　ｂｒｉｄｇｅｓ）。热桥附加能耗占整　好地找出气漏位置，除了窗边、门缝之　体建筑能耗的比例不断上升　根据调查和　外，很多时候气漏的位置在墙壁某处，　计算，在非节能型建筑中，各种热桥的附加　一般不易被肉眼察觉。要找出气漏位　能耗占建筑能耗的３％～５％　而在新型节　置，传统方法是放烟，然后为房间增　能建筑中，一般占节能建筑的２０％左右。　砌在砖墙或加气混凝土墙内的金属，混　凝土或钢筋混凝土的梁、柱、板和肋，预　制保温中的肋条，夹心保温墙中为拉结　内外两片墙体设置的金属联结件，外保　温墙体中为固定保温板加设的金属锚固　件，内保温层中设置的龙骨，挑出的阳台　板与主体结构的连接部位，保温门窗中　的门窗框特别是金属门窗框等等。整个　楼房存在大量的热桥，如图５所示，找出　了热桥存在的位置，可以通过设置断热　图５建筑围护结构中热桥红外图像　条来解决。　３．２对流热损失检测　压，观察烟的走向来锁定气漏位置。这　密封连接不良就会造成泄漏，气密　方法的缺点是如果房间有多个气漏位　内衬层安装不当或损坏往往会出现规律　置，烟的走向很难将所有位置显示出　性缺陷。空气很容易通过刚性隔热体之　来，如果位置包括地板，比空气轻的烟　间的部分。这些缺陷会引起不均匀的度　更难走向该位置，而且检测过后不能存　分布，会引起房间里空气产生运动（气　盘记录，比较不方便。　建筑节能■在气密性测试中，红外热像技术可　以帮助定性，找出渗漏位置。原理是当　室内气压和外面有偏差时，会差生空气　流动，空气会经过房间的洞流出流入，　那地方的温度由于有空气流动　会跟其　能测试可更准确检测出漏气的位置。　由于在螺栓、电线等旁边没有正确　的安装隔热材料，形成空隙而造成垂直　气流，也将对隔热性能产生明显的影响　（图８　）。　图８不正确的放置隔热材料以及聚乙　烯气凝剥裂而造成的隔热和气密性缺陷　建筑材料中必要且有用的组成部分。然　而一旦成为液态或者固态，将产生不少　麻烦。受潮的原因可能根源于渗漏、冷　凝或建筑材料释放的湿气。　受潮会产生许多问题，水可能渗入　一它地方不同。譬如室内是充满冷气，增　压时冷气被排到外面，那些洞由于有冷　个小的裂缝，然后滞留在不透水的建　筑材料中。砖和混凝土中未粘合好的区　气不断流出，温度便会比较低，利用红　３．３受潮检测　外热像便可寻找具体气漏地方（图　受潮恐怕是影响建筑物整体性最为严　６　）。　重的因素之一。水是气态时，是空气和　图６墙体上盖板连接处的冷空气渗透　图６中红外图像清晰地显示墙体上盖　板连接处的冷空气渗透。整个房子密封　性很差，造成较大的能量损失。　空气外泄只能在外面进行检测，具　有相反的红外热像图特征（图７）。外　泄的分析更为复杂，因为往往气体必需　经过多层材料。如果在检测组合结构时　（例如带有饰面的砖墙面），即使有很　严重的空气泄漏也很难在热图上表现出　图７建筑围护结构连接处密封不良　明显的温度场差异。必要时配合渗透性　的红外图谱　图８不正确的放置隔热材料以及聚乙烯气凝剥裂而造成的隔热和气密性缺陷　域往往造成砖墙体中积水和气体泄漏。　使用不合格的混凝土造也会造成雨水的　渗入。由于建筑结构运动引起的砌墙体　裂缝，也会造成开口而引起雨水渗入，　这通过红外可以快速清楚的显示（图　９　）。　３．４渗漏检测　建（构）筑物墙面、屋面及各种　管道在使用过程中因各种因素导致的开　裂、断裂而造成渗漏等缺陷均可用红外　热像仪进行检测，而且方便、快速、可　大面积检测，而有时人工目测却找不出　问题所在。如果建筑物表面深层相对于　周围的材料表现出热或凉，则其表面的　温度也相应地表现出热或凉，借助红外　热像仪可探测出这一深层热或凉的位　置。如地下管道隔热层断裂，那么，在　表面将会产生热点，用热像仪可直接测　得：管道热水泄漏浸透周围区域，使区　域导热性增加，从而使周围温度比无泄　漏干燥区温度高，据此可探测泄漏部　位，可以避免不必要的开挖过程，节省　费用。办公大楼或者住宅常常会因为外　部雨水渗入而造成问题，通过常规办法　去寻找渗漏源和渗漏路径往往不能成　功。渗水破坏是持续的，造成建筑材料、　设备和装饰家具的过早损坏，并引起室　内空气污染。而渗入点难以确定，因为　水经常不按照预想的路径渗入。肉眼看　不到任何渗水痕迹，借助于红外热像　仪，可以清楚的发现渗水并找到渗漏源　（图１　０）。　３．５外墙饰面质量检测　墙体结构有很大的热容量，如混凝　土或砖砌体结构的主体，在正常情况　下，外表面的温度比结构材料的温度高　时，热量会由外墙饰面传递给结构墙体　材料。当外墙饰面板（砖）的温度比　结构材料的温度低时，则热量会反向传　２Ｏｌｏ　Ｏｌ／住宅科技５３　建筑节能　图９　建筑受潮的红外图像　递。当外墙饰面板（砖）产生空鼓时，　在其空鼓的位置就会形成很薄的空气层，　由于空气层具有很好的隔热性能，因此，　有空鼓的外墙板（砖）在日照或外气温发　生变化时，空鼓部位的温度就会比正常　墙体的温度变化大。一般说来，日照时外　墙板（砖）表面温度会升高，空鼓部位温　度比正常部位的温度要高：当外表面日　图１　０建筑渗漏的红外图像　图１１建筑物外墙检测　５４住宅科技／２０１０．０１　照减少或气温降低时，与上述情况正好　相反。因此，若外墙存在脱落、空鼓等粘　结缺陷部位，在红外热像图上将表现为　“热斑”或“冷斑”，其检测结果直观、可　靠，分析外墙的红外热像特征图谱，并对　其进行理论计算，即可确定外墙的粘结　质量（图１　１）。　４结语　红外热成像检测技术是一种已经　成功使用３Ｏ多年的建筑节能和建筑缺　陷有效检测手段。对于大小建筑所有　方面的预维护，红外检测是一种最为　有效的降低能耗和维护费用的方式。　随着科学技术的发展，以及我们对红　外热像技术的进一步认识和科研思路　的转变，红外热像技术将日趋成熟，将　其应用于君锖预域的研究将会有更广　阔的前景。　参考文献：　［１】Ｒｏｎ　Ｎｅｗｐｏｒｔ．ｐｈｙ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎ—　ｅｒｇｙ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ．ｔｈｅ　２ｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎ—　ｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｇｒｅｅｎ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｆ－　ｉｆｃｉｅｎｔ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ，２００６．　［２】Ｊｏｈｎ　Ｓｎｅｌｌ　ａｎｄ　Ｒｏｂ　Ｓｐｒｉｎｇ，Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃ—　ｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｖｅｌｏｐｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ，ＩｎｆｒａＭａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２．　‘　［３】陈赐贤．香港工程质量检测中心有限公　司，红外检测在外墙检测和渗漏检测中　的应用，全国建筑行业节能红外技术研　讨会，２００５．　［４】黄国扬．ＮＥＣ红外热像仪国内外最新应　用现状．北京建筑节能红外技术研讨会，　２０ｏ８．　（收稿日期：２　００　９—１　２—１　７）　ｌ