红外热像仪在建筑围护结构热工缺陷诊断中的应用

王杨洋，李阳，方修睦，陶进

（1.吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114；2.中国船舶重工集团国际工程有限公司，北京 100024；3.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引 言

随着环境污染和资源枯竭的不断加剧，建筑领域因其能耗和碳排放而引起越来越多的关注。2018年建筑领域能源占全国能源消费的21%，建筑领域碳排放约占全国碳排放总量的20%[1]。建筑行业在“2030年碳达峰”和“2060年碳中和”双碳目标下，建筑节能及节能检测工作也要随之加紧步伐。

在节能检测技术中，红外诊断技术是一种基于传热理论的较好的温度分析和测试方法，是一种非接触检测技术，对被测对象的温度场没有影响，也不会污损测试对象的表面，这种测试方法更容易被住户所接受。红外检测方法具有测温速度快、灵敏度高，检测范围广等优点，检测效率很高。

1 围护结构的热工缺陷

热工缺陷的红外诊断关键是看在红外热像图上是否存在热异常，如果存在说明该围护结构具有一定程度的热工缺陷。热工缺陷包括缺少保温材料、保温材料受潮和空气渗透3种情况[2-3]。本文主要研究缺少保温材料这种情况，最常见的是由侵入到保温热阻中的金属、钢筋混凝土梁、柱、肋等结构组分引起的热桥，该组分成为热流的短路，在冬季产生热损失，在夏季产生得热，对围护结构的保温性能产生很大的影响。热桥对围护结构表面温度的影响通过红外热像图可以直观地表现出来，在冬季室外拍摄的热像图中，热桥由于热损失大而导致表面温度较高，以浅色区域显示，见图1、图2；相反在室内，热桥表面温度较低，以深色区域显示[4-5]，见图3、图4。

图1 过梁的红外热像图（室外侧）

图2 外墙角红外热像图（室外侧）

图3 过梁的红外热像图（室内侧）

图4 外墙角的红外热像图（室内侧）

通过图1～图4可以直观看出，围护结构与主体区域存在着明显的温度差（颜色差），也就是都存在明显的热工缺陷。这是按常规检测方法无法做到的，可见红外热像仪在检测热工缺陷方面有一定的优越性。红外热像仪能将不可见的温度场形象直观地表示出来，并且设备本身简便易携，在建筑物热工缺陷检测的应用有着良好的发展前景。在实际的红外图像采集过程中，也发现红外热像仪对建筑物热工性能的许多方面都能给出正确评价，但仅定性评价是不够的，如何能正确分析热工缺陷等级大小以及带来的能耗增加是亟待解决的，本文提出一种热工缺陷的室内红外诊断方法。

2 热工缺陷室内红外诊断方法

工程技术人员在红外诊断原理基础上衍生出不同类型的红外诊断方法进行故障诊断，常见的有相对温差诊断法、同类比较法、档案分析法和热谱图分析法。为消除不同环境温度对红外诊断结果的影响，提出了相对温差诊断法。当环境温度或设备负荷较低时，设备的温度必须低于环境温度高或设备负荷高的温度。因此，此时的绝对温度值并不意味着设备没有缺陷，还应考虑环境温度和设备负荷。因此，提出了相对温差诊断法[6]。

“相对温差”是指2台设备条件相同或基本相同（包括负荷大小、环境温度、表面状况等）的2个对应测点之间的温度差值，与其中较热设备测点温升比值的百分数，按式（1）计算：

式中：τ1和T1——较热设备测点的温度和温升，℃；

τ2和T2——正常相对应点的温度和温升，℃；

T0——参考环境的温度，℃。

物体真实温度受到环境温度和大气环境的影响。对于室内侧和室外侧来说，显然这2种因素的影响效果不同。所以红外热像仪对围护结构热工缺陷的诊断，需要根据诊断所处的环境定义不同的诊断方法。本研究主要针对室内诊断方法进行分析。

为了更好地在室内对热工缺陷进行诊断，参考红外诊断方法中的相对温差判断法[7]，提出围护结构内表面相对温差δt这一参数，数学表达式见式（2）：

式中：δt——相对温差；

t1——围护结构主体区域平均温度，℃；

t2——围护结构缺陷区域最高（最低）温度，℃；

t0——环境参考温度，℃。

需说明的是，对冬季采暖期，室内温度较室外温度高，温度缺陷区域是指温度比主体区域低1℃及其以上的温度区域。

由式（2）可见，参数δt反映了热工缺陷区域的表面温度，而表面温度影响到耗热量，可以说δt间接反映了热工缺陷对耗热量的影响。

当面积为A的研究区域为围护结构主体区域时，设此时对流换热系数为α，则无热工缺陷时的耗热量Q1为：

式中：Q1——无缺陷时的耗热量，W；

α——对流换热系数，W（/m2·℃）；

A——研究区域面积，m2。

当研究区域存在热工缺陷时的耗热量Q2为：

式中：Q2——存在缺陷时的耗热量，W。

由于热工缺陷的影响，所带来的耗热量变化△为：

在实验室条件下通过被测构件的数据进行测试[8]，δt与△的计算结果见图5。

图5 △与δt的关系

由图5可见，δt越大，围护结构耗热量增加得越多，热损失越大，热工缺陷越严重，所以δt作为热工缺陷的评价参数是合适的。

但是仅由δt这一个参数来评价还不全面，因为它涉及到热工缺陷表面的最低温度，仅代表了围护结构缺陷的严重程度，无法代表热工缺陷的影响范围，即热工缺陷的作用面积，所以提出相对面积ψ这一参数，计算公式见式（6）：

式中：ψ——相对面积；

A0——缺陷区域面积，是指缺陷区域温度与主体区域平均温度差≤±1℃的等温线所包围的面积，m2；

A——围护结构面积，m2。

对相对面积ψ这一参数的分析，也是从相对面积ψ对围护结构耗热量的影响出发，存在热工缺陷时的耗热量Q2及变化△计算如下：

实验室条件下通过被测构件的数据进行测试，ψ与△的计算结果见图6。

图6 ψ与△的变化关系

由图6可见，ψ越大，围护结构耗热量增加得越多，热损失越大，热工缺陷范围越大，所以参数ψ作为评价热工缺陷的参数是合适的。

综上所述，δt和ψ都可以作为评价热工缺陷的参数，但是由参数的定义式可见，两者的侧重点不同。δt涉及到热工缺陷表面的最低温度，体现了热工缺陷的严重程度；而ψ涉及到热工缺陷的面积，体现了热工缺陷的作用范围。为了正确评价热工缺陷，应采用δt和ψ双参数进行评价。最重要的是由于红外测温和辅助软件的先进性，对t2、t1、A的确定十分容易，这是传统方法无法做到的。

为了研究问题的方便，本研究对δt和ψ的讨论，都选择耗热量增加50%左右时对应参数作为临界值。当δt=0.35，ψ=0.60时，此时耗热量分别增加了近50%。所以将δt=0.35，ψ=0.60看作一个临界值作为评价热工缺陷。为了对上述2种参数进行实例分析，对热工缺陷的等级做出规定（见表1）。

表1 室内热工缺陷等级

3 工程实例分析

3.1 实测现场红外热像图

测试为冬季采暖期位于严寒地区某小区住户，检测时室内已关掉空调、照明灯等，检测部位选择北向房间未受到太阳光直射，无辐射源干扰。室内实际测试中所拍摄的红外热像图案例见图7，为了后续分析问题方便进行编号1#～12#。

图7 热工缺陷红外热像

3.2 缺陷等级分析

将在室内实际测试中所拍摄的热工缺陷红外热像图的温度信息提取出来，结果见表2。

表2 建筑实例的室内热工缺陷等级

对于室内热工缺陷，用围护结构内表面相对温差δt，相对面积ψ这2个参数来评价，即可对这些新建或既有建筑进行定量评价[9-10]。

3.3 节能改造减碳潜力分析

根据上述实测，红外热像仪在描述建筑现状的准确数据方面有很重要的作用。可以直观显示出既有建筑存在的热工缺陷，继而导致的能源浪费问题。所以利用红外热像仪对热工缺陷进行检测，有针对性进行节能改造是降低能耗和减少碳排放的强有力的途径[11]。

研究上述12个热工缺陷红外热像图实例，根据表2的数据，利用式（3）分别计算节能改造前后的耗热量，12个实例热工缺陷改造前后的耗热量对比如表3所示。

从表3可以看出，节能改造后每个实例的耗热量都会有不同程度的下降，下降比例3%～29%，平均达到10%。经过计算，12个红外热像图实例折合面积130.44 m2，累计耗热量下降446 W。我国建筑面积规模位居世界第一，现有城镇总建筑存量约650亿m2，这些建筑每年仅在使用过程中的“运营碳排放”就达到21亿t，约占我国碳排放总量的20%。假设有50%既有建筑存在热工缺陷，如果进行改造后可发挥10%节能潜力来核算，每年就可减少1亿t碳排放，如果考虑到建筑寿命周期50年来衡量[12]，其全生命周期内的节能减碳潜力巨大。

表3 节能改造前后耗热量对比 W

4 结语

提出一种用红外热像仪对建筑物的热工缺陷进行定量诊断的方法。识别建筑物热工缺陷热桥的温度场分布，并将红外诊断方法与检测实例相结合提出室内热工缺陷的评价参数。对于室内热工缺陷，用围护结构内表面相对温差δt、相对面积ψ这2个参数来进行定量评价，并确定热工缺陷的等级。红外热像仪可以作为热工缺陷定量评价的有效工具，为建筑节能改造更有效地实施，进一步提升建筑领域节能减碳效果开辟了新途径。