熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能檢測上的改進研究

(開封市建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，河南 開封 470004)

0 引言

與世界其他國家相比我國為建筑大國，在國內(nèi)每年新建的建筑面積約為16～17億m2，每年新建的建筑是所有發(fā)達國家每年新建建筑面積的總和[1-2]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國總耗能中的三分之一都是建筑耗能，目前我國對建筑耗能工作進行著重研究，使其有序穩(wěn)定的發(fā)展，建筑節(jié)能標準和技術(shù)政策的不斷完善，使我國建筑節(jié)能技術(shù)飛速發(fā)展[3-4]。熱成像是一種無損檢測技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用在建筑節(jié)能檢測中。傳統(tǒng)建筑節(jié)能檢測設(shè)備主要通過T型熱電偶、熱流巡回自動檢測儀和溫度巡回自動檢測儀對建筑物進行節(jié)能檢測，當熱流穿過建筑物的墻體時，墻體中存在熱阻，利用熱流量和溫差之間的對應(yīng)關(guān)系對建筑物中的能量進行檢測，傳統(tǒng)方法對建筑節(jié)能進行檢測時，得到的檢測結(jié)果與實際結(jié)果不符[5-6]。

為了準確的對建筑節(jié)能進行檢測，需要對建筑節(jié)能檢測技術(shù)進行深入的分析和研究。國內(nèi)外對此開展了相應(yīng)的研究，比如國外的Alsafasfeh M[7]等人提出了基于SLIC (Simple Linear Iterative Clustering)算法的熱斑檢測算法，該算法主要利用 SLIC算法將紅外圖片分成多個子區(qū)域然后提取幾何、溫度特征進行熱斑檢測，目前也處于算法仿真階段。國內(nèi)的蘇云輝[8]等人提出了一種建筑節(jié)能檢測方法，在建筑物中對耗能數(shù)據(jù)進行實測并分析，總結(jié)節(jié)能改造過程中的節(jié)能效果和實施經(jīng)驗，得到建筑節(jié)能的實際結(jié)果，完成對建筑節(jié)能的檢測。李存岑[9]等人提出了一種節(jié)能效率檢測方法，采用ADE7880作為電能質(zhì)量和電能計量的計算芯片，通過下位機控制器實現(xiàn)通訊和控制功能，并通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)和VC+編寫檢測系統(tǒng)的控制軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲存、測量控制和生成檢測報告等功能。以上相關(guān)方法存在檢測結(jié)果不準確的問題。為此提出一種熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能檢測上的改進方法。

1 傳熱系數(shù)檢測方法

1.1 熱流計法

一維的穩(wěn)態(tài)傳熱是使用熱流計法的前提，采用熱流計法時不需要考慮熱量傳遞到四周[10]。通過內(nèi)外表面熱流密度和溫度差之間的關(guān)系，計算得到該墻體中的傳熱系數(shù)。

熱流計法的使用具體步驟為：在需要檢測的部分放置熱流計，將熱電偶連接到被檢測部位四周內(nèi)外的表面，在計算機中輸入測試得到的測試信號，并對得到的信號進行處理，直到傳熱過程趨于穩(wěn)定時，得到傳熱系數(shù)[11]。

1.2 熱箱法

一維穩(wěn)態(tài)原理是熱箱法的基本要求。熱箱法通過熱箱和冷箱構(gòu)建一維的傳熱環(huán)境，在被檢測物體兩側(cè)的熱箱和冷箱內(nèi)提供輻射、風速和溫度等條件，等待熱箱和冷箱均達到穩(wěn)定狀態(tài)，通過測量輸入計算箱的功率、空氣溫度、箱體內(nèi)部溫度和被測物體的表面溫度對傳熱系數(shù)進行計算。傳熱系數(shù)的計算公式如式(1)

(1)

式中K——傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

Q——通過試件的功率/W；

A——熱箱的開口面積/m2；

Ti——熱箱中的空氣溫度/℃；

Te——冷箱中的空氣溫度/℃。

通過熱箱法對現(xiàn)場進行檢測時，一般采用防護熱箱法。在一個溫度可以控制的空間中放置計量箱，控制室內(nèi)溫度和控制箱中的溫度保持一致，使外界環(huán)境和箱體內(nèi)部不發(fā)生熱量的交換，在測量過程中將控制熱箱中的溫度調(diào)至比室外的溫度高8℃以上，當熱箱內(nèi)的加熱量等于通過墻體傳遞的熱量時，根據(jù)加熱量測得墻體內(nèi)的傳熱量，計算得到傳熱系數(shù)。

1.3 非穩(wěn)態(tài)法

熱流計法和熱箱法都是基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱。由于墻體自身的系統(tǒng)較為復雜，不能準確的對墻體兩側(cè)的環(huán)境進行控制，提出非穩(wěn)態(tài)法對墻體的傳熱系數(shù)進行檢測。

使用非穩(wěn)態(tài)法檢測的過程為：進行檢測前將恒定熱源平面安裝到被測墻體的表面，對墻體加熱。在加熱的過程中可以得到墻體內(nèi)部和外部的表面溫度受影響的程度，最后計算得到墻體的傳熱系數(shù)。

1.4 熱成像法

熱成像是一種無損檢測技術(shù)，利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。改進后的FLIR E30熱成像儀測量距離更遠，成像系數(shù)更高。

2 傳熱系數(shù)計算方法

2.1 面積加權(quán)法

面積加權(quán)法為簡化的方法，面積加權(quán)法將外墻受周邊熱橋影響的二維溫度場簡化變?yōu)橐痪S的溫度場，通過面積加權(quán)法對外墻的平均傳熱系數(shù)進行計算，計算公式為

(2)

式中Kp——外墻中的部位傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

KB1、KB2、KB3——熱橋部位在墻體周圍的傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

Fp——外墻中主要部位的總面積/m2；

FB1、FB2、FB3——熱橋部位在墻體周邊的面積/m2。

圖1為熱橋部位與外墻主要部位的位置關(guān)系圖。

圖1 周邊熱橋部位與外墻主要部分的位置關(guān)系

通過大量的工程檢測和實踐可知，當節(jié)能建筑中的保溫性能較好時，附加的熱橋耗熱量損失在建筑結(jié)構(gòu)中的比例逐漸增大。

2.2 線傳熱系數(shù)法

在建筑中，大多數(shù)的熱橋部位為線性，如砌體結(jié)構(gòu)中的檐口、窗洞口邊緣、圈梁和構(gòu)造柱等。從整體性能上看，熱橋部位一般表現(xiàn)為在尺度固定的方向上遠遠大于另外兩個方向，熱橋部分可通過在某個平面內(nèi)的長度和斷面圖進行描述。熱橋斷面的傳熱狀況參數(shù)通過線傳熱系數(shù)進行表示，當圍護兩側(cè)結(jié)構(gòu)的空氣溫度差為1℃時，線傳熱系數(shù)反映了熱橋部分通過單位長度的附加傳熱量，線傳熱系數(shù)的計算公式為

(3)

式中A——在某塊矩形墻體在熱橋一邊的面積/m2；

l——熱橋的長度/m，計算Ψ時熱橋長度l的取值一般為1 m；

B——另一條矩形墻體的長度/m，即A=B·l，通常情況下B≥1 m；

Q2D——該矩形墻體流過的熱流/W;

2D——二維傳熱；

K——主要斷面在墻體中的傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

tn——內(nèi)側(cè)墻體中的空氣溫度/℃；

te——外側(cè)墻體的空氣溫度/℃。

通過公式(3)可知，線傳熱系數(shù)Ψ反映了熱橋中存在的額外傳熱量。通過計算線傳熱系數(shù)Ψ可得到熱橋?qū)ㄖ黧w傳熱系數(shù)造成的影響程度。通過熱橋節(jié)點的長度和線傳熱系數(shù)根據(jù)式(4)修正傳熱系數(shù)，得到建筑墻體的平均傳熱系數(shù)Km

(4)

式中Km——平均單元墻體的傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

K——主斷面在單元墻體中的傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

Ψj——第j個結(jié)構(gòu)性熱橋在單元墻體中的線傳熱系數(shù)/W·(m·℃)-1；

lj——第j個結(jié)構(gòu)性熱橋在單元墻體中的計算長度/m；

A——單元墻體的總面積/m2。

通過公式(4)，可以準確的對建筑墻體中的熱橋進行分析，并對熱橋影響平均傳熱系數(shù)的程度進行評價。將外圍護結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)受熱橋的影響轉(zhuǎn)化為不同熱橋節(jié)點Ψ的長度和大小，有助于設(shè)計階段控制建筑能耗、選擇節(jié)點構(gòu)造和確定保溫類型。

2.3 對流換熱系數(shù)法

對流換熱系數(shù)法的基礎(chǔ)條件是在穩(wěn)定狀態(tài)的傳熱狀態(tài)下，熱流密度通過平壁后相等。首先對建筑物室外的氣流速度和環(huán)境溫度進行測量，得到熱流密度值q；通過熱成像技術(shù)對整片墻體內(nèi)外的平均溫度差和表面溫度分布進行計算，得到平均傳熱系數(shù)Km和墻體熱阻。

設(shè)ti代表的是平均壁面溫度，t0代表的是環(huán)境溫度，v代表的是氣流速度，總熱流密度的表達式為

q=αc(ti-t0)

(5)

式中αc——對流換熱的系數(shù)，在冬季時，氣流速度v較小，按照αc=2+3.5v進行計算。

已知熱成像圖中像素點總數(shù)n、溫度相同的像素點總數(shù)nj和每一點溫度tj，可得到壁面平均溫度T的計算公式

(6)

根據(jù)公式(7)計算得到平均傳熱系數(shù)Km

(7)

式中q——穿過墻體的熱流密度/W·m-2；

tn——室內(nèi)的溫度/℃；

te——室外的溫度/℃。

3 測試與驗證

本次實驗在某省的養(yǎng)殖場進行，通過熱成像技術(shù)對養(yǎng)殖場外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和窗戶氣密性進行檢測，該省四季分明，冬季寒冷并且漫長。本次實驗選取密封式有窗的養(yǎng)殖場進行測試。采用FLIR E30熱成像儀對養(yǎng)殖場的墻壁和窗戶進行拍攝，得到墻壁和窗戶的熱譜圖用于檢測墻壁的傳熱系數(shù)和窗戶的氣密性，圖2為改進后FLIR E30熱成像儀。采用歐米茄便攜式溫度計對外墻表明的溫度進行測量，通過LGR-WSD20溫濕度記錄儀對養(yǎng)殖場中的相對濕度和空氣溫度進行測量，利用數(shù)字微風儀對養(yǎng)殖場外的氣流速度和空氣溫度進行測量，進行檢測時，養(yǎng)殖場外的溫度為-13℃，養(yǎng)殖場內(nèi)部的溫度為-1℃，瞬時平均風速為1.2 m/s，空氣濕度為65%，養(yǎng)殖場兩側(cè)窗戶的溫度差為13℃。

圖2 FLIR E30熱成像儀

圖3為使用熱成像技術(shù)得到的養(yǎng)殖場窗戶的熱譜圖，圖4為養(yǎng)殖場窗戶的可見光照片。

圖3 養(yǎng)殖場窗戶紅外圖像

圖4 養(yǎng)殖場窗戶可見光照片

分析圖3可知，由熱成像技術(shù)得到的養(yǎng)殖場窗戶紅外圖像可知，養(yǎng)殖場窗戶表面的溫度分布非常不均勻，養(yǎng)殖場窗戶表面溫度不均勻是由兩種情況造成的，一是因為反射作用導致同一塊玻璃上不同區(qū)域的表面溫度不同；二是窗框與玻璃接觸框架之間存在縫隙，導致縫隙處的玻璃表面溫度較低。利用FLIR Quick Repork在窗框一條邊上與玻璃連接處選取溫度變化最明顯的一個點作為基點，選取窗框4條邊上的4個基點后連接構(gòu)成4條直線，并測得玻璃的溫度信息，如表1所示。

表1養(yǎng)殖場窗戶溫度分布

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

分析表1可知，在養(yǎng)殖場的窗戶連接處1的最大溫度值為-6.0℃，最小溫度值為-11.3℃，平均溫度值為-8.5℃，從養(yǎng)殖場室內(nèi)溫度1℃和養(yǎng)殖場室外溫度-13℃進行考慮，可知在-6.0℃的位置存在漏風部位。

以養(yǎng)殖場作為實驗的研究對象，在養(yǎng)殖場的南側(cè)存在一個大型運動場，對養(yǎng)殖場南側(cè)的墻壁進行拍攝，圖5為養(yǎng)殖場的墻壁構(gòu)造圖。

圖5 養(yǎng)殖場墻壁構(gòu)造圖

圖6為測試當天24 h養(yǎng)殖場壁面溫度、舍外空氣溫度和舍內(nèi)空氣溫度的分布情況。

圖6 養(yǎng)殖場舍內(nèi)和舍外溫度變化

分析圖6可知，在12～14和19～22時間段內(nèi)養(yǎng)殖場的舍外溫度、舍內(nèi)溫度和壁面溫度的波動較小，此時養(yǎng)殖場內(nèi)的熱穩(wěn)定性較高，為穩(wěn)態(tài)傳熱。為了避免陽光輻射對檢測造成的影響，選擇19～20時間段作為測試時間。養(yǎng)殖場墻壁的下半部分和上半部分的結(jié)構(gòu)與材料不同，為了得到準確的檢測結(jié)果，在養(yǎng)殖場墻壁上選擇10個測試點，其中下半部分和上半部分各5個測試點，已知養(yǎng)殖場墻壁下半部分的實際平均傳熱系數(shù)為0.24 W/(m2℃)，上半部分的實際平均傳熱系數(shù)為0.32 W/(m2℃)。通過改進后的FLIR E30熱成像儀得到紅色圖像和傳熱系數(shù)，通過公式(1)測得熱橋部位與外墻主要部位的平均傳熱系數(shù)；通過公式(2)測得檐口、窗洞口邊緣、圈梁和構(gòu)造柱的平均傳熱系數(shù)；通過公式(3)測得整片墻體的平均傳熱系數(shù)。表2為養(yǎng)殖場墻壁下半部分的傳熱系數(shù)，表3為養(yǎng)殖場墻壁上半部分的傳熱系數(shù)。

表2養(yǎng)殖場下半部分的傳熱系數(shù)計算過程

項目檢測時間1819202122室外風速/m·s-12.52.770.71.80.4室內(nèi)溫度/℃-4.1-0.8-2.5-4.8-5.1室外溫度/℃-19.3-21.5-31.1-18.1-25.2壁面溫度/℃-19.0-21.2-30.6-17.8-24.7對流換熱系數(shù)11.2612.234.788.743.7溫差/℃0.150.140.370.140.36平均傳熱系數(shù)/W·m-2℃-10.280.180.170.270.25

表3養(yǎng)殖場上半部分的傳熱系數(shù)計算過程

項目檢測時間1819202122室外風速/m·s-12.52.770.71.80.4室內(nèi)溫度/℃-4.1-0.8-2.5-4.8-5.1室外溫度/℃-19.3-21.5-31.1-18.1-25.2壁面溫度/℃-18.9-21.0-30.3-17.6-24.6對流換熱系數(shù)11.2612.234.788.743.7溫差/℃0.190.250.510.210.5平均傳熱系數(shù)/W·m-2℃-10.340.300.250.370.35

分析表2和表3可知，養(yǎng)殖場墻壁下半部分的平均傳熱系數(shù)為0.23 W/(m2℃)，與養(yǎng)殖場實際的平均傳熱系數(shù)相差0.01 W/(m2℃)，可忽略不計，養(yǎng)殖場墻壁上半部分的平均傳熱系數(shù)約為0.32 W/(m2℃)。驗證改進后的熱成像技術(shù)可準確的對建筑節(jié)能進行檢測。

4 結(jié)論

熱成像是一種無損檢測技術(shù)，可有效的提高檢測的質(zhì)量。但在實際應(yīng)用的過程中需注意以下問題：

(1)使用常規(guī)的檢測方法進行建筑節(jié)能檢測時，得到的檢測結(jié)果與實際結(jié)果不符，檢測結(jié)果不準確。本文提出一種熱成像技術(shù)在建筑節(jié)能檢測上的改進方法，可以準確的完成建筑節(jié)能檢測，值得推廣和應(yīng)用。

(2)熱成像儀的精度和檢測環(huán)境對檢測結(jié)果有著直接或間接的影響，在檢測的過程中需要盡可能采用精度高的熱成像儀設(shè)備。本文所采用的改進后的FLIR E30熱成像儀滿足本項目的使用要求。