紅外測溫技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究

田 文

（天津市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理總隊，天津300010）

眾所周知，紅外熱像測溫作為一項高新技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，獲得了很好的效果。其研發(fā)工作也在隨之不斷深入，美、德、法、日等發(fā)達(dá)國家在這方面已經(jīng)取得了豐厚的成果。社會經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，作為支柱產(chǎn)業(yè)的建筑業(yè)也迎來了空前的機遇，發(fā)展的速度與規(guī)模相當(dāng)可觀。隨著建筑已進(jìn)入“三步節(jié)能”的發(fā)展新階段，亟待引進(jìn)一種更先進(jìn)的方法對其功效進(jìn)行鑒別。紅外熱像測溫技術(shù)以其快捷、簡便和非接觸性等獨特的優(yōu)勢應(yīng)運而生，成為一段時期內(nèi)難以取代的對建筑節(jié)能最行之有效的評價手段。我國在這方面還相對滯后，其發(fā)展前景相當(dāng)可觀。

現(xiàn)階段，建筑節(jié)能已成為工程建設(shè)日常監(jiān)管工作的一項重要內(nèi)容。其作為一個重要的分部工程，必須通過質(zhì)量驗收。建筑節(jié)能工程驗收已和地基基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)工程和工程竣工驗收一起被統(tǒng)稱“四步驗收”。

一、建筑節(jié)能背景

眾所周知，自然資源由于人類長期無節(jié)制的、掠奪式的開發(fā)和利用已遭到嚴(yán)重破壞，瀕臨枯竭；加之由此而產(chǎn)生的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染使整個自然生態(tài)不堪重負(fù)，難以為繼。目前，全社會都在大力提倡節(jié)能和環(huán)保。各行各業(yè)都在從自身角度出發(fā)，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保持社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建節(jié)約型和諧社會各盡所能，積極奉獻(xiàn)。一些綠色能源已被開發(fā)和利用。傳統(tǒng)能源的開發(fā)規(guī)模已被加以必要的限制，開采方式更趨合理，技術(shù)也更加現(xiàn)代化。

統(tǒng)計顯示，建筑所消耗的能源占整個社會總消耗量的約30%，僅全國的建筑節(jié)能改造工程一項，就將意味著約2萬億元人民幣的資金投入。因此，做好建筑節(jié)能工作不僅可以提升建筑產(chǎn)品的使用功能，改善人民的居住條件，提高物質(zhì)、文化生活品質(zhì)，而且對節(jié)省能源，減少污染排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)約資源，無疑將發(fā)揮巨大作用。從而對推動社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康有序發(fā)展，促進(jìn)和諧社會的建設(shè)都將起到不可估量的作用，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實和歷史意義。

二、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，建筑節(jié)能已進(jìn)入到一個新的階段——即全面推行第三步節(jié)能。由于一些法律、法規(guī)和相關(guān)的配套政策沒能及時到位，實施“三步節(jié)能”的投入產(chǎn)出比例倒掛，產(chǎn)生的社會效益和現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)利益很難在短期內(nèi)得到有機的統(tǒng)一。加之行政管理手段比較單一，難以形成有力的市場監(jiān)管。建筑市場充斥假冒偽劣的材料和產(chǎn)品。一些不具備相應(yīng)資質(zhì)和從業(yè)資格的單位和人員夾雜其中，市場秩序被破壞，導(dǎo)致建筑節(jié)能的工程質(zhì)量水平大大下降，建筑產(chǎn)品的最終節(jié)能效果大打折扣，根本達(dá)不到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，與“三步節(jié)能”所要求達(dá)到的效果相去甚遠(yuǎn)，甚至造成更為嚴(yán)重的安全隱患。為切實保護(hù)各方的合法權(quán)益，規(guī)范市場行為，以確保這項事業(yè)的健康發(fā)展。在加緊研究、制訂和貫徹落實一些相關(guān)配套政策的同時，政府建設(shè)行政主管部門，通過不斷創(chuàng)新，運用一些高科技手段，強化對建筑節(jié)能工程質(zhì)量的行政執(zhí)法監(jiān)督職能，是非?，F(xiàn)實和極其必要的。

隨著市場的不斷開放，國內(nèi)、外的人流、物流、資金流和技術(shù)流的融合、匯聚，一大批新材料、新產(chǎn)品、新設(shè)備和先進(jìn)的技術(shù)、工藝，以及與之相伴而生的五花八門、分門別類的規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等技術(shù)文件也如影隨形、紛至沓來。這樣以來，無形中也給工程質(zhì)量安全的監(jiān)督執(zhí)法工作帶來更大的技術(shù)難度。由于科技含量不足，造成檢測手段匱乏、方法簡單、效率低下。工作沒少作，問題沒少出，事倍功半，已成為嚴(yán)重制約監(jiān)督職能正常發(fā)揮的瓶頸。以目前的行政執(zhí)法能力和監(jiān)管水平都難以保證達(dá)到預(yù)期的效果。從而限制和阻礙了建筑節(jié)能的發(fā)展進(jìn)程。從維護(hù)建設(shè)市場秩序，保障建筑節(jié)能順利實施的角度出發(fā)，迫切需要一種行之有效的市場監(jiān)督管理手段，讓這一利國利民的政策落實到位，惠及百姓，真正步入良性、健康發(fā)展的軌道。政府在其中應(yīng)當(dāng)發(fā)揮相當(dāng)?shù)淖饔?，扮演著至為關(guān)鍵的角色。在端正工作態(tài)度，強化法制觀念的同時，創(chuàng)新工作思路，大膽借鑒和引進(jìn)一些國內(nèi)外先進(jìn)的高科技成果于監(jiān)督管理工作當(dāng)中，提升行政執(zhí)法水平，維護(hù)政府權(quán)威。讓科學(xué)技術(shù)融入行政管理，服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，真正地轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，造福百姓，是社會主義政治文明建設(shè)的具體體現(xiàn)。

“工欲善其事，必先利其器?！苯ㄔO(shè)行政主管部門，應(yīng)該做到與時俱進(jìn)，發(fā)揚創(chuàng)新精神，加強高新技術(shù)手段的利用，不斷改進(jìn)和完善自身的工作方法。提高行政執(zhí)法水平，加大監(jiān)督管理力度。以適應(yīng)當(dāng)前不斷變化的形勢和解決隨時可能遇到的問題。一種“立竿見影”，可以直接、客觀地反映建筑節(jié)能工程真實的質(zhì)量信息；生動、形象地體現(xiàn)節(jié)能效果的檢測手段呼之欲出。

在此，特別提出一種對建筑節(jié)能工程質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)分析評價的全新體系。利用紅外熱像儀和遠(yuǎn)紅外熱成像攝像機等先進(jìn)測溫設(shè)備對建筑節(jié)能情況進(jìn)行實際監(jiān)測的方法。

三、紅外測溫的基本原理

如今，紅外熱像測溫這一高新技術(shù)發(fā)展得非常之迅速，已被廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，并發(fā)揮著其它技術(shù)難以替代的極其重要作用。同樣，在民用領(lǐng)域，其發(fā)展勢頭也非常迅猛，方興未艾。前景如火如荼一片光明。美國、德國、英國、法國和日本等發(fā)達(dá)國家非常重視紅外熱像測溫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，在這一領(lǐng)域居領(lǐng)先地位［1］。紅外熱成像技術(shù)并不神秘，它距離我們的生活也并不遙遠(yuǎn)。人們想必對SARS時期“出盡風(fēng)頭”的紅外線體溫計還是記憶猶新的，它就是紅外熱像測溫技術(shù)應(yīng)用的一個最典型的實例。從物理學(xué)原理分析：任何一個物體的溫度都在熱力學(xué)溫標(biāo)的絕對零度（-273 15℃）之上，也就是說，T≥0 K。所以，每個物體都具有一定的溫度，也都能成為一個紅外輻射源，能夠不斷向周圍發(fā)射和吸收紅外輻射，且溫度分布具有一定的穩(wěn)定性和特征性。不同物體及同一物體不同部位溫度大多不盡相同，也就形成了不同的熱場。根據(jù)這一原理，通過熱成像采集系統(tǒng)捕捉物體紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，形成偽色彩熱圖（圖1是一張我國國土紅外熱圖），然后再利用專用分析軟件，經(jīng)專業(yè)人員對熱圖進(jìn)行分析，排除一些影響因素的干擾，判斷出物體溫度。進(jìn)而形成標(biāo)定溫度的可靠依據(jù)。紅外熱成像測溫系統(tǒng)采用高分辨率數(shù)字測溫技術(shù)，實現(xiàn)了非接觸高精度溫度測量。

紅外熱成像測溫技術(shù)是在紅外焦平面陣列技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。近30年來，紅外焦平面陣列技術(shù)因其在靈敏度、抗干擾能力和檢測精度方面具有的無可比擬的優(yōu)勢得到飛速發(fā)展，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛地應(yīng)用。隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，紅外熱成像測溫技術(shù)因其高效、準(zhǔn)確、非接觸性等獨一無二的優(yōu)勢也得到了很大提升。紅外熱成像測溫系統(tǒng)是一種二維的熱圖像成像和溫度測量裝置。該系統(tǒng)利用目標(biāo)與環(huán)境之間由于溫度輻射和發(fā)射率的差異所產(chǎn)生的熱對比度，把紅外輻射能量密度的分布探測并顯示出來，成為“熱像”，然后根據(jù)己獲取的灰度圖像的某處的灰度值和建立起的標(biāo)定溫度的模型，顯示出該處對應(yīng)的溫度（或平均溫度）。根據(jù)紅外熱成像技術(shù)的原理，利用這種測溫方法結(jié)合驅(qū)動電路將從非制冷紅外焦平面輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸入到專業(yè)智能芯片，由現(xiàn)場可編程門陣列FPGA控制數(shù)據(jù)的傳輸以及完成圖像處理。利用其嵌入式處理器軟核，完成測溫設(shè)計和文件系統(tǒng)的設(shè)計。最后利用Microsoft推出Visual Studio開發(fā)環(huán)境平臺完成對紅外焦平面進(jìn)行兩點校正、溫度定標(biāo)、溫度曲線擬合、數(shù)據(jù)分析等一系列工作。該系統(tǒng)實現(xiàn)了測溫的視頻顯示功能，可從顯示器獲得清晰的紅外熱圖像和溫度信息。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性高，具有最高溫度實時追蹤、點測溫、區(qū)域測溫、線測溫、等溫線分析等功能。實驗結(jié)果表明，在10 m內(nèi)，系統(tǒng)的測溫精度達(dá)到了0．5℃，達(dá)到了系統(tǒng)的要求。

熱成像測溫的技術(shù)優(yōu)勢在于：（1）非接觸測量；（2）響應(yīng)快；（3）不影響被測目標(biāo)的溫度分布；（4）無需達(dá)到與被測物體的溫度平衡，只需接受輻射；（5）測溫范圍寬；（6）靈敏度高；（7）空間分辨率高（例如點成像系統(tǒng)1s內(nèi)可測200kdot）等。瑕不掩瑜，紅外測溫技術(shù)在具備上述優(yōu)勢的同時，還必須考慮測量誤差問題。雖然一些因素有可能給測量的精度帶來一些影響。如：（1）被測目標(biāo)物體的發(fā)射率；（2）背景因素；（3）大氣因素等［2-3］。

但是，通過一些技術(shù)手段可以把這些影響降到最低。例如：可以利用非均勻性校正這一圖像處理技術(shù)和圖像增強技術(shù)消除或者減弱這些影響。非均勻性校正技術(shù)又分為：線性校正技術(shù)和非線性校正技術(shù)2種。

線性校正假設(shè)探測器單元的響應(yīng)呈線性，

式中：x為某一探測器單元的輸入信號；Y 為可測得的輸出信號。如果能求出增益因子a和偏移因子b，就可求得無畸變的輸入因子x［4］。

在實踐中應(yīng)根據(jù)實際測溫范圍，選擇不同的工作波長。通過具體的實驗數(shù)據(jù)，從環(huán)境、反射率和距離系數(shù)等幾個方面，分析查找影響測量精度的原因，并從環(huán)境溫度與被測目標(biāo)溫度之間的相互關(guān)系入手，消除因環(huán)境溫度產(chǎn)生的紅外測溫誤差［5-6］。

紅外熱成像攝像機是一種能將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)化為人眼可見圖像的儀器，它不需要可見光，是依靠熱量來成像的，屬于紅外光學(xué)領(lǐng)域的高端產(chǎn)品，紅外熱成像攝像機是集先進(jìn)的光電子技術(shù)，紅外熱成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。紅外熱成像攝像機對所拍攝對象的溫度有極強的捕捉能力，不同溫度在畫面上會顯示不同顏色，一般情況下，溫度越高畫面上的顏色就越趨向光譜的暖色系；反之，則正好相反。利用這一原理，就可以通過專業(yè)的紅外攝像機等設(shè)備對已經(jīng)投入使用的建筑物在采暖期或制冷期的熱量散失和熱量導(dǎo)入情況進(jìn)行拍攝記錄。

四、應(yīng)用范圍與實例

以單位工程為例，就是在工程項目竣工并交付使用后，在采暖（或制冷）期內(nèi)，對建筑物的外表面進(jìn)行系統(tǒng)供熱（或制冷）前、中、后期的溫度實測，即在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測條件下，專業(yè)技術(shù)人員按照相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程，利用先進(jìn)的紅外測溫技術(shù)，對建筑物的表面進(jìn)行紅外熱像采集，并利用專業(yè)分析軟件進(jìn)行圖像——數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而用數(shù)據(jù)表明測出的表面溫度，通過熱工計算公式：θ＝ti＋（tse-ti）／Roai得到墻體內(nèi)表面的平均溫度。從而得出熱量散失（或?qū)耄┘礋釗p失情況，并記錄、傳輸和儲存得到的圖像、數(shù)據(jù)等相關(guān)信息（見圖2）。利用人工或通過相關(guān)設(shè)備直接利用專業(yè)的計算機軟件將其進(jìn)行統(tǒng)計、整理、分析、參照、比對，得出最終結(jié)論，直觀地反映建筑物的節(jié)能情況，對建筑節(jié)能工程質(zhì)量也就是建筑節(jié)能的最終效果綜合、科學(xué)地進(jìn)行分析和評價。

圖2 建筑節(jié)能紅外測溫評估系統(tǒng)流程圖

利用這一技術(shù)，不僅可以在單位工程竣工后，通過對建筑節(jié)能效果的檢測完成對工程質(zhì)量的評價，也可以利用建立起的紅外熱像精確測溫模型，通過對建筑材料、保溫材料等節(jié)能保溫性能的檢測來實現(xiàn)過程監(jiān)控。以“治病救人”來取代“死后驗尸”。甚至還可以推而廣之，結(jié)合成熟的航空、航天遙感探測技術(shù)，對宏觀區(qū)域內(nèi)的建筑物進(jìn)行動態(tài)的地毯式掃描或靜態(tài)的鳥瞰監(jiān)測——即以飛機（固定翼飛機、直升機和旋翼機等）、微型遙控飛行器（固定翼飛機、直升機、旋翼機和風(fēng)箏等）、無人機、熱氣球以及人造地球衛(wèi)星或其他航空、航天器為載體，搭載該檢測系統(tǒng)，通過專業(yè)技術(shù)人員直接或間接操控，完成對地面不同區(qū)域范圍實施不同精度等級的監(jiān)控。結(jié)合許多城市正在全面推進(jìn)的數(shù)字化城市建設(shè)，實行城市網(wǎng)格化管理，建設(shè)數(shù)字城市規(guī)劃測量系統(tǒng)工程，構(gòu)建起類似我國剛剛建成并投入使用并在實戰(zhàn)中發(fā)揮出極大作用的對國土資源實施監(jiān)控的“天網(wǎng)”系統(tǒng)和森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，不同層級的對建筑節(jié)能實際情況進(jìn)行有效監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)。以掌握各地貫徹國家既定節(jié)能政策、實施建筑節(jié)能工作的實際成效，也為科學(xué)決策提供依據(jù)。

此前，法國的敦刻爾克市就曾利用直升飛機搭載紅外熱成像攝像機在城市高空對整個轄區(qū)內(nèi)的建筑物進(jìn)行鳥瞰俯拍。通過熱成像技術(shù)，宏觀、客觀、直觀的反映出每個建筑在節(jié)能方面所達(dá)到的具體效果。從而對整個城市的建筑節(jié)能的落實情況一目了然。

五、結(jié)論

紅外熱像測溫系統(tǒng)，作為預(yù)知性維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域最為先進(jìn)有效的手段之一，具有溫度靈敏度高（目前世界上最先進(jìn)的紅外熱像儀，其溫度靈敏度可達(dá)0．03℃ ）、測溫準(zhǔn)確、測溫范圍廣、形象直觀、可靠性強、使用安全、操作簡便、價格適中，可以適應(yīng)各種惡劣的監(jiān)測環(huán)境的特點。既可現(xiàn)場直測，也可通過對紅外熱圖像信息的數(shù)據(jù)處理、傳輸實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

紅外測溫技術(shù)是一面鏡子、一塊試金石，能讓一些不良工程和違規(guī)行為現(xiàn)身；它為建筑節(jié)能工程的質(zhì)量監(jiān)管工作提供了技術(shù)保障，也為行業(yè)行政執(zhí)法提供了強有力的證據(jù)，生動而且直觀。即使非專業(yè)人員也能一目了然，為執(zhí)法提供行之有效的舉證手段；讓監(jiān)管工作有的放矢。

紅外成像測溫在其他一些領(lǐng)域的應(yīng)用已較為普遍和成功，形成了一種很成熟的技術(shù)，將其運用在建筑節(jié)能方面，技術(shù)上不存在太大的問題［6］；只是在具體實施階段還應(yīng)結(jié)合實際情況加以認(rèn)真的研發(fā)，努力形成科學(xué)、規(guī)范、高效、簡便適用的專業(yè)體系。盡快地加以試用和推廣。使其在該領(lǐng)域盡早地發(fā)揮作用，顯現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保持社會經(jīng)濟(jì)的高速和可持續(xù)地健康發(fā)展，為構(gòu)建社會主義和諧社會做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］ 蔡毅，湯錦亞．對紅外熱成像技術(shù)發(fā)展的幾點看法［J］．紅外技術(shù)，2000，22（2）：2-6．

［2］ 于偉杰，劉華，彭群生，等．計算機紅外成像仿真［J］．計算機應(yīng)用與軟件，2004，21（7）：1-2，15．

［3］ 趙強，劉隆和，唐志凱．目標(biāo)在復(fù)雜背景中的紅外成像特性研究［J］．制導(dǎo)與引信，2005，26（3）：14-18．

［4］ 劉志才，李志廣．紅外熱像儀圖像處理技術(shù)綜述［J］．紅外技術(shù)，2000，22（6）：27-32．

［5］ 晏敏，彭楚武，顏永紅，等．紅外測溫原理及誤差分析［J］．湖南大學(xué)學(xué)報，2004，31（5）：110-112．

［6］ 玄哲浩，賈志海，崔淑琴．紅外熱像儀溫度顯示準(zhǔn)確性檢定方法［J］．激光與紅外，2002，32（4）：256-258．