热成像技术在建筑节能检测上的改进研究

(开封市建设工程质量检测站，河南 开封 470004)

0 引言

与世界其他国家相比我国为建筑大国，在国内每年新建的建筑面积约为16～17亿m2，每年新建的建筑是所有发达国家每年新建建筑面积的总和[1-2]。经调查发现，我国总耗能中的三分之一都是建筑耗能，目前我国对建筑耗能工作进行着重研究，使其有序稳定的发展，建筑节能标准和技术政策的不断完善，使我国建筑节能技术飞速发展[3-4]。热成像是一种无损检测技术，被广泛的应用在建筑节能检测中。传统建筑节能检测设备主要通过T型热电偶、热流巡回自动检测仪和温度巡回自动检测仪对建筑物进行节能检测，当热流穿过建筑物的墙体时，墙体中存在热阻，利用热流量和温差之间的对应关系对建筑物中的能量进行检测，传统方法对建筑节能进行检测时，得到的检测结果与实际结果不符[5-6]。

为了准确的对建筑节能进行检测，需要对建筑节能检测技术进行深入的分析和研究。国内外对此开展了相应的研究，比如国外的Alsafasfeh M[7]等人提出了基于SLIC (Simple Linear Iterative Clustering)算法的热斑检测算法，该算法主要利用 SLIC算法将红外图片分成多个子区域然后提取几何、温度特征进行热斑检测，目前也处于算法仿真阶段。国内的苏云辉[8]等人提出了一种建筑节能检测方法，在建筑物中对耗能数据进行实测并分析，总结节能改造过程中的节能效果和实施经验，得到建筑节能的实际结果，完成对建筑节能的检测。李存岑[9]等人提出了一种节能效率检测方法，采用ADE7880作为电能质量和电能计量的计算芯片，通过下位机控制器实现通讯和控制功能，并通过数据库技术和VC+编写检测系统的控制软件，实现数据分析、数据储存、测量控制和生成检测报告等功能。以上相关方法存在检测结果不准确的问题。为此提出一种热成像技术在建筑节能检测上的改进方法。

1 传热系数检测方法

1.1 热流计法

一维的稳态传热是使用热流计法的前提，采用热流计法时不需要考虑热量传递到四周[10]。通过内外表面热流密度和温度差之间的关系，计算得到该墙体中的传热系数。

热流计法的使用具体步骤为：在需要检测的部分放置热流计，将热电偶连接到被检测部位四周内外的表面，在计算机中输入测试得到的测试信号，并对得到的信号进行处理，直到传热过程趋于稳定时，得到传热系数[11]。

1.2 热箱法

一维稳态原理是热箱法的基本要求。热箱法通过热箱和冷箱构建一维的传热环境，在被检测物体两侧的热箱和冷箱内提供辐射、风速和温度等条件，等待热箱和冷箱均达到稳定状态，通过测量输入计算箱的功率、空气温度、箱体内部温度和被测物体的表面温度对传热系数进行计算。传热系数的计算公式如式(1)

(1)

式中K——传热系数/W·(m2·℃)-1；

Q——通过试件的功率/W；

A——热箱的开口面积/m2；

Ti——热箱中的空气温度/℃；

Te——冷箱中的空气温度/℃。

通过热箱法对现场进行检测时，一般采用防护热箱法。在一个温度可以控制的空间中放置计量箱，控制室内温度和控制箱中的温度保持一致，使外界环境和箱体内部不发生热量的交换，在测量过程中将控制热箱中的温度调至比室外的温度高8℃以上，当热箱内的加热量等于通过墙体传递的热量时，根据加热量测得墙体内的传热量，计算得到传热系数。

1.3 非稳态法

热流计法和热箱法都是基于一维稳态传热。由于墙体自身的系统较为复杂，不能准确的对墙体两侧的环境进行控制，提出非稳态法对墙体的传热系数进行检测。

使用非稳态法检测的过程为：进行检测前将恒定热源平面安装到被测墙体的表面，对墙体加热。在加热的过程中可以得到墙体内部和外部的表面温度受影响的程度，最后计算得到墙体的传热系数。

1.4 热成像法

热成像是一种无损检测技术，利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，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。改进后的FLIR E30热成像仪测量距离更远，成像系数更高。

2 传热系数计算方法

2.1 面积加权法

面积加权法为简化的方法，面积加权法将外墙受周边热桥影响的二维温度场简化变为一维的温度场，通过面积加权法对外墙的平均传热系数进行计算，计算公式为

(2)

式中Kp——外墙中的部位传热系数/W·(m2·℃)-1；

KB1、KB2、KB3——热桥部位在墙体周围的传热系数/W·(m2·℃)-1；

Fp——外墙中主要部位的总面积/m2；

FB1、FB2、FB3——热桥部位在墙体周边的面积/m2。

图1为热桥部位与外墙主要部位的位置关系图。

图1 周边热桥部位与外墙主要部分的位置关系

通过大量的工程检测和实践可知，当节能建筑中的保温性能较好时，附加的热桥耗热量损失在建筑结构中的比例逐渐增大。

2.2 线传热系数法

在建筑中，大多数的热桥部位为线性，如砌体结构中的檐口、窗洞口边缘、圈梁和构造柱等。从整体性能上看，热桥部位一般表现为在尺度固定的方向上远远大于另外两个方向，热桥部分可通过在某个平面内的长度和断面图进行描述。热桥断面的传热状况参数通过线传热系数进行表示，当围护两侧结构的空气温度差为1℃时，线传热系数反映了热桥部分通过单位长度的附加传热量，线传热系数的计算公式为

(3)

式中A——在某块矩形墙体在热桥一边的面积/m2；

l——热桥的长度/m，计算Ψ时热桥长度l的取值一般为1 m；

B——另一条矩形墙体的长度/m，即A=B·l，通常情况下B≥1 m；

Q2D——该矩形墙体流过的热流/W;

2D——二维传热；

K——主要断面在墙体中的传热系数/W·(m2·℃)-1；

tn——内侧墙体中的空气温度/℃；

te——外侧墙体的空气温度/℃。

通过公式(3)可知，线传热系数Ψ反映了热桥中存在的额外传热量。通过计算线传热系数Ψ可得到热桥对建筑主体传热系数造成的影响程度。通过热桥节点的长度和线传热系数根据式(4)修正传热系数，得到建筑墙体的平均传热系数Km

(4)

式中Km——平均单元墙体的传热系数/W·(m2·℃)-1；

K——主断面在单元墙体中的传热系数/W·(m2·℃)-1；

Ψj——第j个结构性热桥在单元墙体中的线传热系数/W·(m·℃)-1；

lj——第j个结构性热桥在单元墙体中的计算长度/m；

A——单元墙体的总面积/m2。

通过公式(4)，可以准确的对建筑墙体中的热桥进行分析，并对热桥影响平均传热系数的程度进行评价。将外围护结构的平均传热系数受热桥的影响转化为不同热桥节点Ψ的长度和大小，有助于设计阶段控制建筑能耗、选择节点构造和确定保温类型。

2.3 对流换热系数法

对流换热系数法的基础条件是在稳定状态的传热状态下，热流密度通过平壁后相等。首先对建筑物室外的气流速度和环境温度进行测量，得到热流密度值q；通过热成像技术对整片墙体内外的平均温度差和表面温度分布进行计算，得到平均传热系数Km和墙体热阻。

设ti代表的是平均壁面温度，t0代表的是环境温度，v代表的是气流速度，总热流密度的表达式为

q=αc(ti-t0)

(5)

式中αc——对流换热的系数，在冬季时，气流速度v较小，按照αc=2+3.5v进行计算。

已知热成像图中像素点总数n、温度相同的像素点总数nj和每一点温度tj，可得到壁面平均温度T的计算公式

(6)

根据公式(7)计算得到平均传热系数Km

(7)

式中q——穿过墙体的热流密度/W·m-2；

tn——室内的温度/℃；

te——室外的温度/℃。

3 测试与验证

本次实验在某省的养殖场进行，通过热成像技术对养殖场外围护结构的传热系数和窗户气密性进行检测，该省四季分明，冬季寒冷并且漫长。本次实验选取密封式有窗的养殖场进行测试。采用FLIR E30热成像仪对养殖场的墙壁和窗户进行拍摄，得到墙壁和窗户的热谱图用于检测墙壁的传热系数和窗户的气密性，图2为改进后FLIR E30热成像仪。采用欧米茄便携式温度计对外墙表明的温度进行测量，通过LGR-WSD20温湿度记录仪对养殖场中的相对湿度和空气温度进行测量，利用数字微风仪对养殖场外的气流速度和空气温度进行测量，进行检测时，养殖场外的温度为-13℃，养殖场内部的温度为-1℃，瞬时平均风速为1.2 m/s，空气湿度为65%，养殖场两侧窗户的温度差为13℃。

图2 FLIR E30热成像仪

图3为使用热成像技术得到的养殖场窗户的热谱图，图4为养殖场窗户的可见光照片。

图3 养殖场窗户红外图像

图4 养殖场窗户可见光照片

分析图3可知，由热成像技术得到的养殖场窗户红外图像可知，养殖场窗户表面的温度分布非常不均匀，养殖场窗户表面温度不均匀是由两种情况造成的，一是因为反射作用导致同一块玻璃上不同区域的表面温度不同；二是窗框与玻璃接触框架之间存在缝隙，导致缝隙处的玻璃表面温度较低。利用FLIR Quick Repork在窗框一条边上与玻璃连接处选取温度变化最明显的一个点作为基点，选取窗框4条边上的4个基点后连接构成4条直线，并测得玻璃的温度信息，如表1所示。

表1养殖场窗户温度分布

位置最小值/℃最大值/℃平均值/℃温差/℃连接处1-11.3-6.0-8.55.4连接处2-13.3-10.6-11.92.8连接处3-10.8-9.4-10.11.5连接处4-10.9-11.2-10.90.4

分析表1可知，在养殖场的窗户连接处1的最大温度值为-6.0℃，最小温度值为-11.3℃，平均温度值为-8.5℃，从养殖场室内温度1℃和养殖场室外温度-13℃进行考虑，可知在-6.0℃的位置存在漏风部位。

以养殖场作为实验的研究对象，在养殖场的南侧存在一个大型运动场，对养殖场南侧的墙壁进行拍摄，图5为养殖场的墙壁构造图。

图5 养殖场墙壁构造图

图6为测试当天24 h养殖场壁面温度、舍外空气温度和舍内空气温度的分布情况。

图6 养殖场舍内和舍外温度变化

分析图6可知，在12～14和19～22时间段内养殖场的舍外温度、舍内温度和壁面温度的波动较小，此时养殖场内的热稳定性较高，为稳态传热。为了避免阳光辐射对检测造成的影响，选择19～20时间段作为测试时间。养殖场墙壁的下半部分和上半部分的结构与材料不同，为了得到准确的检测结果，在养殖场墙壁上选择10个测试点，其中下半部分和上半部分各5个测试点，已知养殖场墙壁下半部分的实际平均传热系数为0.24 W/(m2℃)，上半部分的实际平均传热系数为0.32 W/(m2℃)。通过改进后的FLIR E30热成像仪得到红色图像和传热系数，通过公式(1)测得热桥部位与外墙主要部位的平均传热系数；通过公式(2)测得檐口、窗洞口边缘、圈梁和构造柱的平均传热系数；通过公式(3)测得整片墙体的平均传热系数。表2为养殖场墙壁下半部分的传热系数，表3为养殖场墙壁上半部分的传热系数。

表2养殖场下半部分的传热系数计算过程

项目检测时间1819202122室外风速/m·s-12.52.770.71.80.4室内温度/℃-4.1-0.8-2.5-4.8-5.1室外温度/℃-19.3-21.5-31.1-18.1-25.2壁面温度/℃-19.0-21.2-30.6-17.8-24.7对流换热系数11.2612.234.788.743.7温差/℃0.150.140.370.140.36平均传热系数/W·m-2℃-10.280.180.170.270.25

表3养殖场上半部分的传热系数计算过程

项目检测时间1819202122室外风速/m·s-12.52.770.71.80.4室内温度/℃-4.1-0.8-2.5-4.8-5.1室外温度/℃-19.3-21.5-31.1-18.1-25.2壁面温度/℃-18.9-21.0-30.3-17.6-24.6对流换热系数11.2612.234.788.743.7温差/℃0.190.250.510.210.5平均传热系数/W·m-2℃-10.340.300.250.370.35

分析表2和表3可知，养殖场墙壁下半部分的平均传热系数为0.23 W/(m2℃)，与养殖场实际的平均传热系数相差0.01 W/(m2℃)，可忽略不计，养殖场墙壁上半部分的平均传热系数约为0.32 W/(m2℃)。验证改进后的热成像技术可准确的对建筑节能进行检测。

4 结论

热成像是一种无损检测技术，可有效的提高检测的质量。但在实际应用的过程中需注意以下问题：

(1)使用常规的检测方法进行建筑节能检测时，得到的检测结果与实际结果不符，检测结果不准确。本文提出一种热成像技术在建筑节能检测上的改进方法，可以准确的完成建筑节能检测，值得推广和应用。

(2)热成像仪的精度和检测环境对检测结果有着直接或间接的影响，在检测的过程中需要尽可能采用精度高的热成像仪设备。本文所采用的改进后的FLIR E30热成像仪满足本项目的使用要求。