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红外热成像技术在建筑节能检测中的应用

日期:2019-10-16 04:52
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摘要:本文简要介绍了红外热成像技术的基本原理,总结了近年来红外热成像技术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门在进行相关检测和标准编撰时参考。
黄国扬,李健
欧美大地科技有限公司
[摘要]本文简要介绍了红外热成像技术的基本原理,总结了近年来红外热成像技术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门在进行相关检测和标准编撰时参考
[关键词]建筑节能 红外热成像
InfraredThermography Application in BuildingEnergyInspection
Timothy Wong ,Li Jian
Earth Technologies Limited
Abstract  The principle ofInfraredThermography in building application is briefly introducedin thispaper. The main focus is the development and many practicalcasesof Infrared Thermography application in building energyInspection.Particularly plenty of testing pictures were provided toshow itsapplications in heat conduction loss, heat convectionloss,moisture, leakage, tile bond quality inspection. Thedeliberationand suggestion are valuable for the test and standardssetting byregulatory departments.
Keywords  Building EnergyEfficiency  Infrared Thermography
1.红外热成像基本原理 
任何温度高于零度的物体都会释放出红外线,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,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。
 
2.红外热成像技术在建筑结构工程领域的应用
自二十世纪70年代以来,欧美一些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,并制定了相应的技术规程,例如《ASTMC1060-97 - Practice for Thermographic Inspection ofInsulationInstallations in Envelope Cavities of FrameBuildings》,《ASTMC-1153-97 - Practice for the Location of WetInsulation in RoofingSystems Using Infrared Imaging》,《ISO 6781 -Thermal insulation,qualitative detection of thermal irregularitiesin buildingenvelopes, Infrared Method》等等。【1】【2】
国内的红外建筑检测在二十世纪九十年代开始起步,一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,总结出了具体的测试方法和注意事项,颁布了各种测试规程,例如《CECS204:2006红外热像法检测建筑外墙饰面层粘结缺陷技术规程》,对该测试技术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面得到了成熟的应用(如图1所示):墙面缺陷的检测,粘贴饰面的检测,渗漏和受潮的检测,热桥等热工缺陷检测,室内管道和电气设施的检测等。
                                   
1建筑物缺陷的红外成像仪检测图像

3.
红外热成像技术在建筑节能检测中的应用
能量的消耗主要分成三部分:工业,运输和住宅。据统计,有30-50%的能量消耗集中在住宅。因此提倡节能建筑,提高能效,是一项紧迫的任务。对于新建筑和工程,比较容易处理,即建立并执行严格的节能标准和法规。然而对于现有建筑,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。
建筑中隔热层和气密性缺陷会造成室内空气不佳、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,到时唯壹的补救办法只能是花费高昂的重建费用。
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。热工性缺陷如隔热材料缺失、热桥、漏气和受潮等都会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。以下将通过一些图片资料来阐述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门在进行相关检测和标准编撰时参考
3.1.热传导损失检测
在建筑围护结构中设计有隔热层,主要目的是以合理的方式达到所期望的室内环境。经验表明,缺少隔热材料、隔热材料安装不正确、气密层和气密性不佳都会降低轮廓的整体隔热性能,从而大幅提升能耗。对于新楼或旧楼,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准。
                                       
图2 红外热图显示出此新建楼房的节能效果很好,在检测中找不出热缺陷
典型的隔热缺陷有:
l         隔热材料没有填充整个设计的空间(缝隙、孔洞、隔热层薄、隔热材料沉降、安装后材料收缩、在错误的位置进行刚性绝缘等)
l         隔热材料安装不当
l         HVAC 通过隔热层进行安装
l         有渗透性的隔热材料不足以阻挡气流的运动
l         隔热材料受潮
                                         
图3红外检测清楚的显示楼房能量损失程度
图3中楼龄为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制热功率。图4中显示在窗户和天花板之间的隔热层存在孔穴。
                                             
图4红外成像可以找出天花板和窗口之间隔热材料的缺损。
图4中此楼的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。合同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。建筑围护结构中的一些部位,在室内外温差的作用下,形成热流相对密集、内表面温度较低的区域。这些部位成为传热较多的桥梁,故称为热桥(thermalbridges),有时又可称为冷桥(coldbridges)。热桥附加能耗占整体建筑能耗的比例不断上升,根据调查和计算,在非节能型建筑中,各种热桥的附加能耗占建筑能耗的3%~5%,而在新型节能建筑中,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,若图6所示,找出了热桥存在的位置,可以通过设置断热条来解决。【3】
                                              
图5不当的隔热材料安装的影响
图5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贴在墙体上。这降低了隔热效率从而造成热损失。
                                            
图6 建筑围护结构中热桥红外图像

3.2.
对流热损失检测
密封连接不佳就会造成泄漏,气密内衬层安装不当或损坏往往会出现规律性缺陷。空气很容易通过刚性隔热体之间的部分。这些缺陷会引起不均匀的度分布,会引起房间里空气产生运动(气流),从而引起局部温度降低而增加能耗和尘土的沉降。这种泄漏路径比较复杂,不利用红外成像仪就很难发现。虽然气密性测试可以找出房间总体的漏气量,可以为气密性准确定量,但不能很好的找出气漏位置,除了窗边,门缝之外,很多时候气漏的位置在墙壁某处,一般不易被肉眼察觉。要找出气漏位置,传统方法是放烟,然后为房间增压,观察烟的走向来锁定气漏位置。这方法的缺点是如果房间有多个气漏位置,烟的走向很难将所有位置显示出来,如果位置包括地板,比空气轻的烟更难走向该位置,而且检测过后不能存盘记录,比较不方便。【3】【4】
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,那些洞由于有冷气不断流出,温度便会比较低,利用红外热像便可寻找具体气漏地方,如图7所示。
                                  

图7墙体上盖板连接处的冷空气渗透
图7中红外图像清晰的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
                                       
图8 建筑围护结构连接处密封不佳,造成严重的空气外泄的红外图谱
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。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明显的温度场差异。必要时配合渗透性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,如图9所示。
                                  
图9由于电线旁不正确的放置隔热材料以及聚乙烯气凝剥裂而造成隔热和气密性缺陷

3.3.
受潮检测
受潮恐怕是影响建筑物整体性为严重的因素之一。水是气态时,是空气和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,如图10所示。
                  
图10 建筑受潮的红外图像

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。如图11所示。
                                    
图11 建筑渗漏的红外图像
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12 建筑物外墙检测
4.总结
红外热成像检测技术是一种已经成功使用30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,将其应用于建筑领域的研究将会有更广阔的前景。
参考文献:
1. Ron Newport, Institute of Infrared Thermography; 《Infrared Building Energy Inspection》; the 2nd International Conference on Intelligent Green and Energy Efficient Building,2006
2. John Snell and Rob SpringNondestructive 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》,国内建筑行业节能红外技术研讨会,2005。
4. 黄国扬,欧美大地科技有限公司,《NEC 红外热像仪国内外新应用现状》,北京建筑节能红外技术研讨会,2008。
作者简介:&, nbsp;  
黄国扬,男,美国WISCONSIN-MADISON大学学士,红外检测Ⅱ级检测人员,现为欧美大地科技有限公司经理;
李 健,男,中国科学院硕士,专业从事红外热成像仪及其应用研究,现为欧美大地仪器设备中国有限公司技术工程师;

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