基于紅外熱像法的建筑節(jié)能表皮缺陷檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)

張昂　羅依南　楊子立　胡顯斌

摘要：新型建筑多采用節(jié)能表皮，通過(guò)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換或阻斷熱傳遞方式達(dá)到保溫節(jié)能效果。實(shí)際建筑使用和施工中常因表皮熱缺陷影響節(jié)能效果，但熱缺陷難以檢測(cè)。文中設(shè)計(jì)了一種基于紅外熱像法的建筑節(jié)能表皮熱缺陷檢測(cè)設(shè)備。設(shè)備采用MLX90640紅外熱像傳感器和STM32F4單片機(jī)為核心，通過(guò)配套垂掛拉伸結(jié)構(gòu)件和相應(yīng)的便捷檢測(cè)方法，用戶(hù)能夠快速檢測(cè)出具體熱缺陷位，并根據(jù)紅外熱成像特征分析缺陷原因。該設(shè)計(jì)經(jīng)太陽(yáng)能表皮和陶土瓦保溫表皮實(shí)測(cè)達(dá)到較好效果。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能表皮;熱缺陷檢測(cè);紅外熱像法;MLX90640

中圖分類(lèi)號(hào)：TU712.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的現(xiàn)代社會(huì)，建筑節(jié)能成為所有建筑設(shè)計(jì)與施工單位必須考慮的問(wèn)題。在實(shí)際建筑節(jié)能實(shí)施過(guò)程中，建筑表皮保溫技術(shù)是新型高效且被廣泛采用的技術(shù)[1]。目前，大量的新型節(jié)能表皮被運(yùn)用于建筑的外立面，如太陽(yáng)能光伏表皮[2]、氣凝膠復(fù)合材質(zhì)表皮[3]、LOW-E真空玻璃表皮[4]等等。這些新型表皮均有良好的節(jié)能保溫特性。但是，在實(shí)際施工中，因建筑表皮施工不到位，偷工減料、設(shè)計(jì)不合理或材質(zhì)瑕疵等問(wèn)題，往往無(wú)法達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。同時(shí)，在建筑的長(zhǎng)期使用過(guò)程中，節(jié)能表皮會(huì)因形變開(kāi)裂，材質(zhì)老化損壞，接線脫落等多種原因造成性能退化或失效，使節(jié)能效果大打折扣。這些問(wèn)題往往無(wú)法通過(guò)目測(cè)的方法發(fā)現(xiàn)，也難以通過(guò)常規(guī)手段對(duì)建筑施工完成后的外表面進(jìn)行檢測(cè)。除難以在建筑施工及驗(yàn)收檢測(cè)階段對(duì)建筑外表面的保溫效果進(jìn)行全面檢測(cè)外，在建筑使用過(guò)程中節(jié)能表皮出現(xiàn)的問(wèn)題更難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除。以光伏建筑表皮為例，往往因陰影效應(yīng)、結(jié)構(gòu)瑕疵、內(nèi)連接故障、單元差異性等問(wèn)題，造成局部模塊緩慢退化至失效，進(jìn)而影響整體節(jié)能效果。

因此，需使用一種簡(jiǎn)便易用的新設(shè)備對(duì)這類(lèi)新型節(jié)能表皮進(jìn)行熱缺陷檢測(cè)。新型節(jié)能表皮和傳統(tǒng)建筑保溫技術(shù)的差異之一在于：在建筑表皮最外層對(duì)入射太陽(yáng)光線進(jìn)行控制，如存在局部失效或異常，會(huì)在表皮表面形成較大溫度差異。例如：LOW-E玻璃表皮為高反射外層加低熱傳導(dǎo)系數(shù)內(nèi)層構(gòu)成，太陽(yáng)能表皮為吸收光能的多晶硅玻璃構(gòu)成?，F(xiàn)階段對(duì)于建筑節(jié)能表皮的基于熱效應(yīng)檢測(cè)方法主要有熱流計(jì)法[5]、熱箱法[6]、紅外熱像法[7]3種。熱流計(jì)法通過(guò)安裝在建筑表皮上的熱流計(jì)或熱電偶進(jìn)行測(cè)定，并統(tǒng)計(jì)內(nèi)外墻面的溫度差來(lái)計(jì)算墻體保溫效果，該方法多用于建筑施工驗(yàn)收時(shí)的墻體保溫現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。熱箱法是建立一個(gè)人工可控的熱環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)用建筑表皮放置在內(nèi)，用多種設(shè)備在精準(zhǔn)標(biāo)定熱功率的環(huán)境下對(duì)該表皮的熱參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，多用于建筑施工前評(píng)估建筑節(jié)能表皮的熱參數(shù)。前兩種方法均只能顯示單點(diǎn)或者單位面積的建筑節(jié)能表皮熱參數(shù)，不能進(jìn)行整個(gè)建筑外立面的檢測(cè)。同時(shí)前兩種方法的測(cè)量較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，受到現(xiàn)實(shí)條件的種種限制，難以在施工、驗(yàn)收過(guò)程中進(jìn)行測(cè)試，也難以對(duì)建筑使用中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。唯有紅外熱像法，直接通過(guò)紅外圖像的方式檢測(cè)建筑表皮的熱參數(shù)，測(cè)量簡(jiǎn)單，成本低，速度快，操作難度低，可以實(shí)現(xiàn)整體的外立面檢測(cè)。

目前，國(guó)際上已有部分學(xué)者和工程人員對(duì)紅外熱像技術(shù)在建筑外墻表皮方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究和工程應(yīng)用[2]，但國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和研究較少，缺乏專(zhuān)用于建筑表皮的紅外熱像測(cè)試設(shè)備和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。部分應(yīng)用尚處于定性檢測(cè)階段，缺乏定量檢測(cè)和科學(xué)的檢測(cè)方法。本研究基于國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“2010工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂、修訂計(jì)劃”標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)用于建筑表皮的紅外熱像測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化分析。該設(shè)備和方法可以快速方便地運(yùn)用于檢定建筑表皮的熱效應(yīng)，快速獲得熱效應(yīng)異常點(diǎn)的信息，并通過(guò)該信息為進(jìn)一步檢測(cè)和維修提供依據(jù)。

1 檢測(cè)原理

熱紅外線是波長(zhǎng)介于0.76～1 000 μm的電磁波，所有溫度高于絕對(duì)零度（-273 ℃）的物體都向外輻射紅外線。不同溫度的材質(zhì)，發(fā)射的紅外線波長(zhǎng)也不相同?？赏ㄟ^(guò)式（1）

E=εσT （1）

計(jì)算物體紅外輻射功率和其溫度的關(guān)系。式中：E為紅外輻射能;ε為輻射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);T為物體熱力學(xué)溫度。紅外熱檢測(cè)技術(shù)即通過(guò)檢測(cè)物體單點(diǎn)的紅外輻射，獲得物體單點(diǎn)的溫度值。將紅外熱檢測(cè)的多點(diǎn)矩陣，根據(jù)各點(diǎn)不同溫度值用不同顏色顯示為圖像，即為紅外熱像。建筑的節(jié)能表皮在施工質(zhì)量完好均勻的前提下，因?yàn)楦魺釋雍穸取⒈砻娌馁|(zhì)以及表面均勻平整，在陽(yáng)光或者周?chē)鷾囟扔绊懴?，表現(xiàn)為場(chǎng)面溫度場(chǎng)均勻分布，區(qū)域面積各點(diǎn)的溫度基本相同。當(dāng)施工不當(dāng)或材質(zhì)本身存在缺陷時(shí)，溫度就會(huì)存在局部差異，通過(guò)紅外熱圖像可以很容易地找出異常區(qū)域。材質(zhì)一致并施工良好的建筑表皮在相同的外部環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出一致的熱紅外特性。紅外圖像用顏色代表溫度值，藍(lán)色為低溫，紅色為高溫。在檢測(cè)過(guò)程中，如節(jié)能表皮在紅外圖像中表現(xiàn)的顏色較為一致，則表示性能一致。如圖像局部出現(xiàn)異常，則會(huì)在圖像上看到顏色異常的區(qū)域。

節(jié)能表皮異常主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)為損壞熱缺陷。該缺陷可能由節(jié)能表皮材質(zhì)本身的質(zhì)量瑕疵引起。例如，真空LOW-E玻璃表皮通過(guò)真空層進(jìn)行熱阻斷，并通過(guò)玻璃鍍膜表面反射太陽(yáng)光，以起到保溫效果。當(dāng)真空LOW-E玻璃因?yàn)槁獾葐?wèn)題造成真空度下降時(shí)，該片玻璃的熱阻降低，不能很好地進(jìn)行保溫阻斷，因此其表面溫度低于正常值。該缺陷也可能由建筑使用過(guò)程中出現(xiàn)的節(jié)能表皮老化或損壞引起。例如，采用光伏太陽(yáng)能板的節(jié)能表皮，在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)，由光伏板的P-N結(jié)產(chǎn)生光電效應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)溫度變化的紅外熱輻射溫度場(chǎng)。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，因?yàn)楣夤聧u、陰影、不均勻光照、物理?yè)p壞等問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)局部光伏板失效異常。

二類(lèi)為施工熱缺陷，即在施工過(guò)程中出現(xiàn)工藝瑕疵，造成節(jié)能表皮無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有效果或局部的節(jié)能表皮缺失。例如，在真空LOW-E玻璃節(jié)能表皮施工時(shí)，如存在空鼓、錯(cuò)位或缺失，因?yàn)榭諝忾g層的影響，導(dǎo)致不良施工處出現(xiàn)局部熱缺陷。

紅外熱圖像以紅色等暖色代表高溫亮點(diǎn)，以藍(lán)色等冷色代表低溫暗點(diǎn)。若墻體外的節(jié)能表皮一致性好，無(wú)碎片、黑片、斷柵等問(wèn)題，無(wú)空鼓、錯(cuò)位、缺失等問(wèn)題，則溫度場(chǎng)分布均勻，即紅外圖像顏色較為一致。如有熱缺陷區(qū)域，則在紅外圖像上出現(xiàn)顏色與周?chē)嬖诿黠@差異的色斑。由此，可以確定缺陷的存在和故障的位置，以快速及時(shí)地進(jìn)行維修和更替，如圖1所示。（a）正常墻體（b）缺陷墻體（c）白天溫差（d）夜間溫差

2 設(shè)備設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的紅外溫度點(diǎn)陣采集裝置采用MLX90640紅外熱像傳感器。該傳感器的分辨率為24×32，即可以同時(shí)檢測(cè)768個(gè)點(diǎn)的溫度值;設(shè)計(jì)刷新率8 Hz，即1 s測(cè)量8次。傳感器溫度測(cè)量范圍-40 ℃至300 ℃，測(cè)量精度±2 ℃，能夠滿(mǎn)足建筑表皮的測(cè)量要求。設(shè)計(jì)可根據(jù)需要更換前端傳感器鏡頭，實(shí)現(xiàn)110×75度的大視場(chǎng)角度或55×35度的小視場(chǎng)角度，以滿(mǎn)足不同安裝條件和不同范圍的測(cè)量需求。同時(shí)設(shè)計(jì)帶有串口輸出功能，直接輸出768個(gè)溫度數(shù)據(jù)數(shù)組，可以?xún)?chǔ)存到電腦上位機(jī)，根據(jù)不同的建筑表皮熱效應(yīng)參數(shù)模型，進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)、分析和檢測(cè)。設(shè)備可以根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)控閾值，自動(dòng)將超出閾值的點(diǎn)以方框的形式標(biāo)注出來(lái)。其設(shè)備檢測(cè)模塊如圖2所示。

裝置采用STM32F4為主控處理器，外接MLX90640紅外成像傳感器，通過(guò)IIC總線快速采集32×24個(gè)像素點(diǎn)的溫度點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。溫度點(diǎn)陣數(shù)據(jù)回傳至處理器后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，將32×24像素點(diǎn)擴(kuò)展至128×96，即共有12 288個(gè)像素點(diǎn)，使得到的紅外成像效果更易于觀察和判別。

此外，處理器將溫度點(diǎn)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色處理，色溫越低對(duì)應(yīng)溫度越高，即溫度高的像素點(diǎn)展示為紅黃色，溫度低的像素點(diǎn)展示為藍(lán)綠色。將該結(jié)果在LCD屏上進(jìn)行顯示，使插值后的溫度點(diǎn)陣數(shù)據(jù)可視化效果更佳。同時(shí)利用串口通訊將溫度點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)做進(jìn)一步處理。

其中，搭配MLX90640傳感器的外圍電路圖如圖3所示。

電路圖大致可分為4部分。第1部分為電源電路，利用AP2112K-3.3TRG穩(wěn)壓器對(duì)輸入的VCC電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓，輸出3.3 V電壓，為MLX90640供電。第2部分為電源指示電路，利用LED燈指示電源的輸入情況。第3部分為IIC信號(hào)的上拉電路，控制SDA與SCL的壓降穩(wěn)定在3 V。第4部分為適應(yīng)主控板的擴(kuò)展接口電路。其PCB板電路如圖4所示。

利用MLX90640讀取溫度并形成熱像圖的程序流程如圖5所示：第1步，需要對(duì)外設(shè)初始化。在本裝置中，需要為L(zhǎng)CD、觸摸屏以及MLX90640 IIC通訊進(jìn)行初始化。第2步，需要為MLX90640進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。在本裝置中設(shè)置18位測(cè)量分辨率、8 Hz測(cè)量速率以及TV行交錯(cuò)幀模式。第3步，需要對(duì)MLX90640進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，并開(kāi)辟內(nèi)存空間，為溫度點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配幀緩沖區(qū)。第4步，進(jìn)入采集主循環(huán)。

在主循環(huán)中，裝置利用IIC讀取溫度點(diǎn)陣原始幀數(shù)據(jù)，再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到本幀的溫度，并存放到特定數(shù)組。為了得到更好的成像效果，設(shè)計(jì)采用鄰近像元點(diǎn)平均法對(duì)不良像素進(jìn)行處理，再通過(guò)插值算法擴(kuò)展像素點(diǎn)陣，從32×24擴(kuò)展至128×96。

為形成可視化熱像圖，需要將色彩設(shè)置為RGB，并對(duì)彩值轉(zhuǎn)換后的像素點(diǎn)進(jìn)行行場(chǎng)信號(hào)掃描，將結(jié)果在LCD上顯示。設(shè)計(jì)最終模塊實(shí)物如圖6所示。

為實(shí)現(xiàn)高層建筑外立面檢測(cè)和控制檢測(cè)傳感器距離與建筑表皮距離基本一致，設(shè)計(jì)了一個(gè)垂掛拉伸結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由支撐架、絞盤(pán)、索具、收放機(jī)構(gòu)和刻度組成，可將設(shè)備按固定距離自需檢測(cè)建筑外立面的頂部下放至底部。其中支撐架的橫向伸出臂的長(zhǎng)度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)測(cè)中，以距離建筑表皮0.8～3 m為宜。使用時(shí)將該結(jié)構(gòu)件安裝在建筑需要檢測(cè)的外立面頂部，放下絞盤(pán)后傳感器自上而下地進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)，其熱像圖可以由設(shè)置在垂掛結(jié)構(gòu)頂部的顯示屏實(shí)時(shí)獲得，并通過(guò)絞盤(pán)上的刻度獲得高度信息。檢測(cè)人員可在操作中即時(shí)截圖記錄疑似異常點(diǎn)的位置信息，并通過(guò)傳感器存儲(chǔ)的詳細(xì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)分析。

3實(shí)際運(yùn)用效果

將該設(shè)備運(yùn)用于實(shí)際建筑節(jié)能表皮檢測(cè)，考察其使用效果。檢測(cè)時(shí)間以正午等陽(yáng)光輻照較為強(qiáng)烈的時(shí)段為宜，實(shí)驗(yàn)中的檢測(cè)時(shí)間均為上午10點(diǎn)至下午3點(diǎn)之間，天氣晴好，日照充足。檢測(cè)某建筑A的太陽(yáng)能節(jié)能表皮，其表面為非晶硅鍍膜太陽(yáng)能玻璃幕墻。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其約15 m高處外立面有一區(qū)域溫度比其他區(qū)域高10 ℃左右。經(jīng)拆卸檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該太陽(yáng)能光伏板存在斷柵，斷裂區(qū)域已無(wú)法正常工作。檢測(cè)熱像圖如圖7所示，其具體位置如圖8所示。

檢測(cè)某建筑B的保溫節(jié)能表皮，其外表皮保護(hù)層為陶土瓦，內(nèi)側(cè)保溫層為聚苯顆粒。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其5.3 m位置有一處0.8 m2左右區(qū)域溫度低于周邊溫度約6 ℃，如圖9所示。經(jīng)進(jìn)一步拆卸檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該處外表皮經(jīng)過(guò)后期修補(bǔ)處理，修補(bǔ)過(guò)程中未按照原建筑設(shè)計(jì)要求補(bǔ)上聚苯顆粒隔熱層，造成隔熱缺陷。

4結(jié)論

紅外熱像檢測(cè)技術(shù)在建筑節(jié)能表皮的工程檢測(cè)中尚屬新技術(shù)，行業(yè)內(nèi)尚未形成一套完整的標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)流程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，紅外熱像檢測(cè)法的檢測(cè)速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，檢測(cè)難度大幅降低，檢測(cè)準(zhǔn)確度和一致性都較高。本研究設(shè)計(jì)的紅外檢測(cè)模塊和檢測(cè)手段，能夠根據(jù)不同建筑節(jié)能表皮和不同缺陷形式設(shè)定不同的測(cè)試閾值，以適應(yīng)不同的材質(zhì)、問(wèn)題和測(cè)試環(huán)境，快速找出缺陷原因，并記錄缺陷具體位置。在尚未形成紅外檢測(cè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)前，該設(shè)計(jì)作為定性普查的一種行之有效的檢測(cè)方法，為進(jìn)一步以傳統(tǒng)方式檢測(cè)提供了參考，較之使用手持式紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)試，大大簡(jiǎn)化了其測(cè)試實(shí)施難度并降低了設(shè)備成本。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：曾晶）

Design of Defect Detection Equipment for Building Energy

Saving Skin Based on Infrared Thermal Imaging Method

ZHANG Ang LUO Yinan YANG Zili HU Xianbin

（1.College of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China;

2.Zhicheng College，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China）Abstract： Energy saving skin is often used in new buildings， which can achieve the effect of heat preservation and energy saving through solar photovoltaic conversion or blocking heat transfer. In actual use and construction， energy-saving effect of building is often affected by skin thermal defects， but the thermal defects are difficult to detect. We design a kind of equipment for building energy-saving skin thermal defect detection based on infrared thermal imaging method. The MLX90640 infrared thermal imaging sensor and STM32F4 single chip microcomputer are used as the core of the equipment. Through the matching structure and measurement method， users can quickly detect specific thermal defects and analyze the causes of defects according to the characteristics of infrared thermal imaging.The design has been tested to achieve good results by using solar energy skin and ceramic tile insulation skin.

Key words： building energy saving skin; thermal defect detection; infrared thermography; MLX90640