紅外熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能檢測中的應(yīng)用_圖文

1、0引言自20世紀(jì)70年代以來,歐美一些發(fā)達(dá)國家先后開始了紅外熱像儀在建筑結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域診斷維護(hù)的探索,使得紅外熱像技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用日臻完善,給建筑結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測和評估技術(shù)前進(jìn)和發(fā)展帶來了較大的幫助。黃國揚,美國W I S C O N S I N -M A D I S O N 大學(xué)學(xué)士,歐美大地科技有限公司經(jīng)理;李健,中國科學(xué)院碩士,歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司技術(shù)工程師。紅外熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能檢測中的應(yīng)用黃國揚Huang Guoyang 李健Li Jian【摘要】介紹了紅外熱成像技術(shù)的基本原理,總結(jié)了近年來紅外熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能研究和實踐中的應(yīng)用,特別通過大量翔實的圖片資料闡述了紅外熱成

2、像技術(shù)在熱傳導(dǎo)損失、熱對流損失、受潮、滲漏、外墻飾面質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,供有關(guān)質(zhì)量檢測和標(biāo)準(zhǔn)制訂等部門在進(jìn)行相關(guān)檢測和標(biāo)準(zhǔn)編撰時參考。【關(guān)鍵詞】建筑節(jié)能;紅外熱成像;檢測【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 ye

3、ars. 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

4、 run the quality test and make the criteria when doing their corresponding work.【Keywords 】building energy saving, infrared thermal imaging, testThe Application of Infrared Thermal Imaging Technol-ogy in the Test of Building Energy Saving 1紅外熱成像基本原理任何溫度高于絕對零度的物體都會釋放出紅外線,其能量與該物體溫度的四次方成正比。紅外線不為人眼所見,但是

5、紅外熱像儀利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡可接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量,并把能量分布反映到紅外探測器的光敏組件上,從而獲得紅外熱像圖,這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。當(dāng)熱流在物體內(nèi)部擴(kuò)散和傳遞的路徑中,將會由于材料或傳導(dǎo)的熱物理性質(zhì)不同,或受阻堆積,或通暢無阻傳遞,最終會在物體表面形成相應(yīng)的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”,這種由里及表出現(xiàn)的溫差,通過紅外熱成像儀進(jìn)行檢測并成像,進(jìn)而可以評估其質(zhì)量或狀態(tài)。2我國紅外熱成像技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用我國的紅外建筑檢測在20世紀(jì)90年代開始起步,一開始主要集中在外墻飾面磚的粘結(jié)質(zhì)量以及滲漏檢測方面。由于這些應(yīng)用領(lǐng)域沒有其它適合的檢測手段,而紅外熱成像技術(shù)具有

6、大面積、非接觸遠(yuǎn)距離檢測,不影響被測物體,使用安全,檢測快速,結(jié)果直觀可視等優(yōu)勢,使得該技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。通過大量的科研和工程實踐,總結(jié)出了具體的測試方法和注意事項,頒布了各種測試規(guī)程,例如紅外熱像法檢測建筑外墻飾面層粘結(jié)缺陷技術(shù)規(guī)程(C E C S 204:2006,對該測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到了很大的推動作用。目前紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)在以下幾個方造成墻面的溫度變化,通過紅外熱圖像測得的表面溫度可以表征出次表面的異常。3.1熱傳導(dǎo)損失檢測在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)計有隔熱層,主要目的是以最合理的方式達(dá)到所期望的室內(nèi)環(huán)境。經(jīng)驗表明,缺少隔熱材料、隔熱材料安裝不正確、氣密層和氣密性不良都會降

7、低輪廓的整體隔熱性能,從而大幅提升能耗。對于新建筑或舊建筑,滿足新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)非常重要,隔熱和氣密層以及結(jié)構(gòu)中其它任何缺陷都必須診斷并得到修補(bǔ)。建筑和隔熱標(biāo)準(zhǔn)在過去幾十年中不斷改進(jìn)。許多國家根據(jù)新的“環(huán)境能源效率指導(dǎo)方針”擁有或正在制訂相應(yīng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。典型的隔熱缺陷有:(1隔熱材料沒有填充整個設(shè)計的空間(縫隙、孔洞、隔熱層薄、隔熱材料沉降、安裝后材料收縮、在錯誤的位置進(jìn)行剛性絕緣等。(2隔熱材料安裝不當(dāng)。(3H V A C 通過隔熱層進(jìn)行安裝。(4有滲透性的隔熱材料不足以阻擋氣流的運動。(5隔熱材料受潮。圖2中的建筑南樓齡為8年,紅外圖像顯示在墻體和房頂都有明顯的熱損失,基礎(chǔ)部位也沒有隔熱處理。

8、對樓頂進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)天花板沒有安裝隔熱材料。另外,墻體沒有足夠的隔熱層也會造成明顯的熱損失。室內(nèi)外溫差越大或材料的K 值越低,就需要越大的制冷或面得到了成熟的應(yīng)用:墻面缺陷的檢測,粘貼飾面的檢測,滲漏和受潮的檢測,熱橋等熱工缺陷檢測,室內(nèi)管道和電氣設(shè)施的檢測等(圖1。3紅外熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能檢測中的應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計,有30%50%的能量消耗集中在住宅。因此提倡節(jié)能建筑,提高能效,是一項緊迫的任務(wù)。對于新建的建筑工程,比較容易處理,可建立并執(zhí)行嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。然而對于既有建筑,能效相對較低,而每年只有1%2%的舊樓能得到翻新,因此,改善現(xiàn)有建筑降低其能耗勢在必行。由于環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的迫切需要,國

9、內(nèi)外特別是加拿大、美國、日本等國家都非常重視紅外熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能方面的應(yīng)用研究,取得了豐富的經(jīng)驗和成果。建筑中隔熱層和氣密性缺陷會造成室內(nèi)空氣不良、空氣泄漏和受潮等,導(dǎo)致居住不舒適以及能源浪費。而解決這些問題最主要的困難是難以找到合適的方法和設(shè)備來診斷出問題所在。常規(guī)的視覺檢測和評估通常效率不高,只能檢測出一些明顯的缺陷、表面缺陷,或隱藏的大面積缺陷。然而通常大部分缺陷并不明顯,而且往往只有在造成嚴(yán)重的破壞之后才能知道,到時唯一的補(bǔ)救辦法只能是花費高昂的重建費用。紅外熱像儀作為一種預(yù)維護(hù)診斷技術(shù),是一種極為經(jīng)濟(jì)而且對建筑物本身沒有損壞的診斷辦法。熱工性缺陷如隔熱材料缺失、熱橋、漏氣和受潮等

10、都會 圖1建筑物缺陷的紅外成像儀檢測圖像 制熱功率。 圖3中紅外圖像顯示在窗戶和天花板之間的隔熱層存在孔穴,其它地方也可以找到類似的情況。這可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的問題,如在墻體空穴中形成受潮。承包商忽略了在墻體空穴中放置隔熱材料,通過紅外熱像儀檢測很容易發(fā)現(xiàn)。 在墻體空穴中安裝隔熱材料要求很嚴(yán),必須填充在空穴中并緊實貼在墻壁上。如果沒有這樣安裝很有可能成為空氣對流的一個通道,隔熱效果將會大打折扣(圖4。圖4中紅外圖像顯示了不當(dāng)?shù)母魺岵牧习惭b的影響隔熱材料沒有緊 圖3紅外成像找出的天花板和窗口之間 隔熱材料缺損 圖4不當(dāng)?shù)母魺岵牧习惭b的影響貼在墻體上。這降低了隔熱效率從而造成熱損失。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的

11、一些部位,在室內(nèi)外溫差的作用下,形成熱流相對密集、內(nèi)表面溫度較低的區(qū)域。這些部位成為傳熱較多的橋梁,故稱為熱橋(thermalbridges。熱橋附加能耗占整體建筑能耗的比例不斷上升,根據(jù)調(diào)查和計算,在非節(jié)能型建筑中,各種熱橋的附加能耗占建筑能耗的3%5%,而在新型節(jié)能建筑中,一般占節(jié)能建筑的20%左右。砌在磚墻或加氣混凝土墻內(nèi)的金屬,混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋,預(yù)制保溫中的肋條,夾心保溫墻中為拉結(jié)內(nèi)外兩片墻體設(shè)置的金屬聯(lián)結(jié)件,外保溫墻體中為固定保溫板加設(shè)的金屬錨固件,內(nèi)保溫層中設(shè)置的龍骨,挑出的陽臺板與主體結(jié)構(gòu)的連接部位,保溫門窗中的門窗框特別是金屬門窗框等等。整個樓房存在大量的熱橋

12、,如圖5所示,找出了熱橋存在的位置,可以通過設(shè)置斷熱條來解決。3.2對流熱損失檢測密封連接不良就會造成泄漏,氣密內(nèi)襯層安裝不當(dāng)或損壞往往會出現(xiàn)規(guī)律性缺陷。空氣很容易通過剛性隔熱體之間的部分。這些缺陷會引起不均勻的度分布,會引起房間里空氣產(chǎn)生運動(氣圖5建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱橋紅外圖像流,從而引起局部溫度降低而增加能耗和塵土的沉降。這種泄漏路徑比較復(fù)雜,不利用紅外成像儀就很難發(fā)現(xiàn)。雖然氣密性測試可以找出房間總體的漏氣量,可以為氣密性準(zhǔn)確定量,但不能很好地找出氣漏位置,除了窗邊、門縫之外,很多時候氣漏的位置在墻壁某處,一般不易被肉眼察覺。要找出氣漏位置,傳統(tǒng)方法是放煙,然后為房間增壓,觀察煙的走向來鎖定

13、氣漏位置。這方法的缺點是如果房間有多個氣漏位置,煙的走向很難將所有位置顯示出來,如果位置包括地板,比空氣輕的煙更難走向該位置,而且檢測過后不能存盤記錄,比較不方便。圖2紅外檢測清楚的顯示樓房能量損失程度在氣密性測試中,紅外熱像技術(shù)可以幫助定性,找出滲漏位置。原理是當(dāng)室內(nèi)氣壓和外面有偏差時,會差生空氣流動,空氣會經(jīng)過房間的洞流出流入,那地方的溫度由于有空氣流動,會跟其它地方不同。譬如室內(nèi)是充滿冷氣,增壓時冷氣被排到外面,那些洞由于有冷氣不斷流出,溫度便會比較低,利用紅外熱像便可尋找具體氣漏地方(圖6。圖6中紅外圖像清晰地顯示墻體上蓋板連接處的冷空氣滲透。整個房子密封性很差,造成較大的能量損失?？?/p>

14、氣外泄只能在外面進(jìn)行檢測,具有相反的紅外熱像圖特征(圖7。外泄的分析更為復(fù)雜,因為往往氣體必需經(jīng)過多層材料。如果在檢測組合結(jié)構(gòu)時(例如帶有飾面的磚墻面,即使有很嚴(yán)重的空氣泄漏也很難在熱圖上表現(xiàn)出明顯的溫度場差異。必要時配合滲透性能測試可更準(zhǔn)確檢測出漏氣的位置。由于在螺栓、電線等旁邊沒有正確的安裝隔熱材料,形成空隙而造成垂直氣流,也將對隔熱性能產(chǎn)生明顯的影響(圖8。圖8不正確的放置隔熱材料以及聚乙烯氣凝剝裂而造成的隔熱和氣密性缺陷3.3受潮檢測受潮恐怕是影響建筑物整體性最為嚴(yán)重的因素之一。水是氣態(tài)時,是空氣和建筑材料中必要且有用的組成部分。然而一旦成為液態(tài)或者固態(tài),將產(chǎn)生不少麻煩。受潮的原因可能

15、根源于滲漏、冷凝或建筑材料釋放的濕氣。受潮會產(chǎn)生許多問題,水可能滲入一個小的裂縫,然后滯留在不透水的建筑材料中。磚和混凝土中未粘合好的區(qū)域往往造成磚墻體中積水和氣體泄漏。使用不合格的混凝土造也會造成雨水的滲入。由于建筑結(jié)構(gòu)運動引起的砌墻體裂縫,也會造成開口而引起雨水滲入,這通過紅外可以快速清楚的顯示(圖9。3.4滲漏檢測建(構(gòu)筑物墻面、屋面及各種管道在使用過程中因各種因素導(dǎo)致的開裂、斷裂而造成滲漏等缺陷均可用紅外熱像儀進(jìn)行檢測,而且方便、快速、可大面積檢測,而有時人工目測卻找不出問題所在。如果建筑物表面深層相對于周圍的材料表現(xiàn)出熱或涼,則其表面的溫度也相應(yīng)地表現(xiàn)出熱或涼,借助紅外熱像儀可探測出

16、這一深層熱或涼的位置。如地下管道隔熱層斷裂,那么,在表面將會產(chǎn)生熱點,用熱像儀可直接測得;管道熱水泄漏浸透周圍區(qū)域,使區(qū)域?qū)嵝栽黾?從而使周圍溫度比無泄漏干燥區(qū)溫度高,據(jù)此可探測泄漏部位,可以避免不必要的開挖過程,節(jié)省費用。辦公大樓或者住宅常常會因為外部雨水滲入而造成問題,通過常規(guī)辦法去尋找滲漏源和滲漏路徑往往不能成功。滲水破壞是持續(xù)的,造成建筑材料、設(shè)備和裝飾家具的過早損壞,并引起室內(nèi)空氣污染。而滲入點難以確定,因為水經(jīng)常不按照預(yù)想的路徑滲入。肉眼看不到任何滲水痕跡,借助于紅外熱像儀,可以清楚的發(fā)現(xiàn)滲水并找到滲漏源(圖10。3.5外墻飾面質(zhì)量檢測墻體結(jié)構(gòu)有很大的熱容量,如混凝土或磚砌體結(jié)構(gòu)

17、的主體,在正常情況下,外表面的溫度比結(jié)構(gòu)材料的溫度高時,熱量會由外墻飾面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)墻體材料。當(dāng)外墻飾面板(磚的溫度比結(jié)構(gòu)材料的溫度低時,則熱量會反向傳圖7建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接處密封不良 的紅外圖譜圖6墻體上蓋板連接處的冷空氣滲透圖8不正確的放置隔熱材料以及聚乙烯氣凝剝裂而造成的隔熱和氣密性缺陷插座 室內(nèi)遞。當(dāng)外墻飾面板(磚產(chǎn)生空鼓時,在其空鼓的位置就會形成很薄的空氣層,由于空氣層具有很好的隔熱性能,因此,有空鼓的外墻板(磚在日照或外氣溫發(fā)生變化時,空鼓部位的溫度就會比正常墻體的溫度變化大。一般說來,日照時外墻板(磚表面溫度會升高,空鼓部位溫度比正常部位的溫度要高;當(dāng)外表面日照減少或氣溫降低時,與上

18、述情況正好相反。因此,若外墻存在脫落、空鼓等粘結(jié)缺陷部位,在紅外熱像圖上將表現(xiàn)為“熱斑”或“冷斑”,其檢測結(jié)果直觀、可靠,分析外墻的紅外熱像特征圖譜,并對其進(jìn)行理論計算,即可確定外墻的粘結(jié)質(zhì)量(圖11。4結(jié)語紅外熱成像檢測技術(shù)是一種已經(jīng)成功使用30多年的建筑節(jié)能和建筑缺陷有效檢測手段。對于大小建筑所有方面的預(yù)維護(hù),紅外檢測是一種最為有效的降低能耗和維護(hù)費用的方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以及我們對紅外熱像技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識和科研思路的轉(zhuǎn)變,紅外熱像技術(shù)將日趨成熟,將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的研究將會有更廣闊的前景。參考文獻(xiàn):1 Ron Newport.phy.Infrared Building En-ergy Inspection.the 2nd International Con-ference on Intelligent Green and