紅外熱像儀在被動式超低能耗建筑性能檢測中的應用

曹依蕾,劉 寅,高 龍,崔國游,晁岳鵬,李瑩瑩

(1.中原工學院,河南 鄭州 450007；2.河南五方合創建筑設計有限公司,河南 鄭州 450003)

1 引 言

建筑氣密性表征建筑在封閉狀態下阻止空氣滲透的能力,通常采用壓差實驗室內外50 Pa壓差下的換氣次數來表征建筑氣密性[1]。在被動式超低能耗建筑中,建筑氣密性對建筑能耗影響很大。良好的氣密性可以避免不適感,減少溫濕調節能耗需求,提高室內空氣品質,對建筑節能有重要的意義。

現階段,推廣建筑節能技術,提高建筑節能標準,發展低能耗建筑已經成為主流,因此節能建筑在竣工驗收時應要有相應的節能檢測手段[2]。早在1999年國際標準組織就提出,利用紅外熱成像法可以定性判斷建筑物的熱工異常部位,探測建筑物熱工缺陷[3]。與傳統的熱流計法、熱箱法相比,紅外熱成像法具有對被測物體無影響、響應速度快、測量精度高等優點[2],因此被廣泛應用于不同領域的檢測工作,用于檢測建筑物熱工缺陷的應用尤為突出。利用紅外熱像儀對被動房現場定性檢測,為施工質量檢查和節能評估提供了科學依據。

2 紅外熱像儀基本原理

紅外熱像儀測量物體或人體表面所發射的輻射,確定表面溫度并將其轉化為熱圖像。無缺陷的均勻質體輻射出的紅外線較為均勻,當物體內部出現缺陷時,紅外熱圖像會呈現為不均勻的偽彩圖。室外太陽輻射或者室外溫度變化將熱量傳遞至室內內墻,熱流在物體內部擴散和傳遞,在整個過程中,由于圍護結構表面或結構本身內部的差異,最終會在物體表面形成相應的“熱區”和“冷區”,紅外熱像儀正好利用熱量輻射的原理將被測物體表面的溫度場轉變為可見的熱圖。通過紅外熱像圖顏色的差異,可以判斷被測建筑物溫度偏高或偏低的異常區域,找出建筑熱工缺陷的部位,進而對其進行改造。

3 紅外熱像儀應用現狀

紅外熱像技術是一種無損檢測技術,被廣泛應用于材料及結構的非破壞性檢測[4]。由于具有檢測速度快、非接觸、范圍廣、精度高、易于實現自動化和實時觀測等優點,已廣泛地應用于軍事領域、電力生產領域、醫學領域、農林業等方面[5]。根據對紅外熱圖像分析方法的不同,分為定性和定量兩種測量方法,定性方法主要用于檢測構成建筑物外部圍護結構和氣密性組件的熱特性的廣泛變化；定量檢測是為了確定建筑圍護絕熱的程度。

Kominsky[6]等在日落后進行了3 h的熱成像調查,以確定建筑圍護結構外部潛在水分的問題,通過定性方法進行了熱成像測量,并用濕度計對壁面進行檢查,研究強調定性與定量測量相結合的方法是一種有效的圍護結構診斷方法。

Asdrubali[7]等人提出了一種定量方法。對建筑圍護上的熱橋進行了熱像測量和數值分析。結果表明該方法能夠有效、快速地識別和分析圍護結構上的實際熱橋。

Ocana[8]等人對現代和傳統的兩座不同建筑進行了熱成像測量,通過紅外熱成像技術,氣密性、冷熱橋和熱損失部位等問題快速的被檢測到。結果表明,熱損失主要發生在傳統建筑的開孔部位,而現代建筑的主要在熱橋部位。

在我國,紅外熱像儀也逐漸應用于建筑物外墻檢測和建筑節能檢測中。JGJ/T177-2009《公共建筑節能檢測標準》中明確指出由于采用紅外熱像成儀進行熱工缺陷的檢測具有眾覽全局的效果,所以,在建筑物外圍護結構深入檢測之前,宜優先進行熱工缺陷的檢測。

4 現場實測試驗概況

4.1 測試對象情況

本次測試建筑為某被動式超低能耗建筑,該建筑為公共建筑,建筑面積約1515.68 m2,地上三層。建筑外窗采用塑鋼窗框,玻璃為三玻兩腔雙low-E內充氬氣,外窗氣密性符合國家標準。外墻保溫采用150 mm厚的石墨聚苯板,雙層錯縫鋪設,另外采用斷熱橋的保溫錨栓,減少了熱橋的出現。

4.2 測試內容與時間

現場測試主要內容為建筑圍護結構熱工缺陷的測試和診斷,包括冷熱橋的檢測、門窗冷風滲透的檢測、保溫層是否完整以及預留孔洞有無填補等缺陷。

測試時間為2018年11月,當日最大風速為西北風2級,相對濕度37 %,符合標準規定的檢測期間環境條件。另外,為避免太陽輻射對紅外診斷結果的影響,選擇傍晚接近天黑時段作為測試時間段,測試期間建筑外門窗已經安裝驗收完成。

測試儀器為FLIR T640,紅外波長范圍:7.5～14 μm；測量溫度范圍:-40～650 ℃；測量精度:±2或±2 %；分辨率:640×480。該設備符合國家相關規范規定的建筑用紅外熱像儀技術參數:紅外波長8.0～14.0 μm、測溫范圍-20～+100 ℃、溫度分辨率≤0.10 ℃,紅外圖像≥320×240像素等。

5 現場實測試驗結果與分析

施工不當或偏差會造成建筑建造過程中建筑圍護存在熱工缺陷,利用紅外熱像儀可以快速準確查找出這些缺陷部位,從而指導后期改造與驗收。以某一公共建筑為例,利用紅外熱像儀對其外圍護進行拍攝,以下為現場實拍結果。

5.1 現場紅外熱成像法測試情況

(1)墻體保溫

建筑墻面保溫是一項重要的內容,但在后期驗收時,由于保溫層處于結構內部,無法用肉眼直接觀測到是否存在保溫層偏差、開裂等現象,因此使用紅外熱成像技術對其進行檢測,可快速直觀地找到缺陷部位。圖1為保溫層的現場照片以及紅外熱像圖。

(a)現場照片 (b)紅外熱像圖

從圖1可以看出,墻體表面溫度場分布均勻,沒有大范圍的異常,墻體不存在熱工缺陷,施工較為均勻。

(2)門窗部位

門窗氣密性表示門窗關閉時阻止空氣滲漏的能力,在國內外推行的門窗節能標識體系中,氣密性參數是評價門窗節能與否的一項重要指標。目前我國大多數建筑墻體氣密性較好,而外門窗是較薄弱地位[9],室外空氣通過門窗縫隙滲入室內,從而影響到室內溫濕度,尤其室內外溫差大的情況。

由圖2可見,窗戶玻璃整體的溫度、窗框與墻壁的接縫處溫度分布比較均勻,但窗框與窗扇的接縫處顯示溫度較高,將此位置確定為熱工缺陷疑似部位。

(a)現場照片 (b)紅外熱像圖

(3)天窗部位

從圖3可以看出,天窗窗框四周密封比較嚴,無漏風現象,且玻璃隔熱效果比較好,沒有出現窗框變形、四周密封材料脫落等現象,氣密性較好。

(a)現場照片 (b)紅外熱像圖

(4)女兒墻

建筑冷熱橋是指圍護結構中的傳熱系數明顯大于主體區域的部位,無論何種形式的熱橋都是建筑圍護結構分析的關鍵點。為了查看建筑屋頂是否有缺失,是否有冷熱橋的出現,對建筑屋頂也采用熱成像儀進行檢測。圖4為屋頂圖片的兩張紅外熱像圖。

(a) (b)

從圖4可以看出,建筑斜坡屋面整體施工均勻,無明顯熱工缺陷,但女兒墻墻角部位出現溫度異常部位,溫度達到6.1 ℃,比主體區域平均溫度高出1.2 ℃,按照《公共建筑節能檢測標準》規定與主體區域平均溫度相差大于1 ℃的區域即為缺陷區域。

(5)屋頂太陽能固定架

太陽能固定支架為后期安裝太陽能集熱板所預留,但免不了熱量會通過此處散失,如圖5所示,屋面散熱多集中在支架或是易產生熱橋的部位,太陽能支架顯示為溫度較高區域,這是由于屋面與支架材質不同,傳熱系數有差異所造成。經分析此處相對面積較小,故被判定為合格。

(a) (b)

(6)外圍護

從圖6可以看出,整棟建筑沒有明顯的工程缺陷,無明顯熱橋,一層門窗與建筑的接縫處有少量熱量散失。

(a) (b)

5.2 理論計算結果及分析

根據紅外熱圖像顯示的熱異常可以得出建筑圍護存在熱缺陷,但這不能作為建筑節能評價的標準,所得結果不能反映缺陷的嚴重程度。哈爾濱工業大學方修睦[10]給出了建筑圍護結構熱工缺陷的量化指標同(見表1),他將外圍護結構表面無缺陷的區域稱為主體區域,并規定與主體平均溫度相差6 ℃的區域為嚴重缺陷區域。溫差ΔT用下式表示:

ΔT=|T1-T2|×100 %

(1)

式中,T1為主體區域的平均溫度(℃)；T2為呈現不均勻彩圖的缺陷區域最高(低)溫度(℃)。

盡管ΔT可以反映圍護結構缺陷的嚴重程度,但是不能反映缺陷危害的大小,這與缺陷區域的面積也有關系,因此引出相對面積Ψ作為缺陷的輔助判定指標。相對面積Ψ計算公式如下:

(2)

式中,Ψ為相對面積；Ai為缺陷區域面積(m2)；A0為圍護結構主體區域面積(m2)。A0是指被檢測部位所在的外墻面或者屋面面積,按照缺陷所在樓層的房間的外圍尺寸計算；∑Ai是指所檢測的部位所在外墻面或者屋面上所有缺陷區域的面積之和。上述面積均不包括門窗面積。

根據上述熱工缺陷的定量指標對現場所得圖像進行處理、分析,結果見表2。

從表2可以看出被測建筑存有不可避免的熱工缺陷,但缺陷對建筑能耗的影響較小,缺陷等級仍界定為合格,這說明通過熱成像技術可以直接觀測到建筑存在的熱工缺陷,但缺陷是否影響到建筑節能還需計算分析。

表1 外圍護結構表面熱工缺陷分級

表2 理論計算結果

6 結 論

(1)紅外熱像儀具備操作簡單的優勢,能夠正確反映建筑結構表面的溫度場分布,在被動式超低能耗建筑中可以定性檢測建筑的氣密性,同時能準確顯示建筑工程缺陷部位。

(2)紅外熱像技術除了應用于建筑圍護結構的熱橋和熱工缺陷檢測外,還可以用于裝飾層脫落檢測、管道泄漏檢測、電氣系統等方面,因此紅外熱像技術有很大的實用價值,應大力推廣采用。

(3)本文利用紅外熱像儀檢測建筑熱工缺陷,并用國內現有量化指標判定了被測對象的熱工缺陷等級,發現實際問題不應只依靠定性測量,應通過定量和定性測量相結合的方法進行詳細檢測。