曹依蕾,刘 寅,高 龙,崔国游,晁岳鹏,李莹莹

(1.中原工学院,河南 郑州 450007；2.河南五方合创建筑设计有限公司,河南 郑州 450003)

1 引 言

建筑气密性表征建筑在封闭状态下阻止空气渗透的能力,通常采用压差实验室内外50 Pa压差下的换气次数来表征建筑气密性[1]。在被动式超低能耗建筑中,建筑气密性对建筑能耗影响很大。良好的气密性可以避免不适感,减少温湿调节能耗需求,提高室内空气品质,对建筑节能有重要的意义。

现阶段,推广建筑节能技术,提高建筑节能标准,发展低能耗建筑已经成为主流,因此节能建筑在竣工验收时应要有相应的节能检测手段[2]。早在1999年国际标准组织就提出,利用红外热成像法可以定性判断建筑物的热工异常部位,探测建筑物热工缺陷[3]。与传统的热流计法、热箱法相比,红外热成像法具有对被测物体无影响、响应速度快、测量精度高等优点[2],因此被广泛应用于不同领域的检测工作,用于检测建筑物热工缺陷的应用尤为突出。利用红外热像仪对被动房现场定性检测,为施工质量检查和节能评估提供了科学依据。

2 红外热像仪基本原理

红外热像仪测量物体或人体表面所发射的辐射,确定表面温度并将其转化为热图像。无缺陷的均匀质体辐射出的红外线较为均匀,当物体内部出现缺陷时,红外热图像会呈现为不均匀的伪彩图。室外太阳辐射或者室外温度变化将热量传递至室内内墙,热流在物体内部扩散和传递,在整个过程中,由于围护结构表面或结构本身内部的差异,最终会在物体表面形成相应的“热区”和“冷区”,红外热像仪正好利用热量辐射的原理将被测物体表面的温度场转变为可见的热图。通过红外热像图颜色的差异,可以判断被测建筑物温度偏高或偏低的异常区域,找出建筑热工缺陷的部位,进而对其进行改造。

3 红外热像仪应用现状

红外热像技术是一种无损检测技术,被广泛应用于材料及结构的非破坏性检测[4]。由于具有检测速度快、非接触、范围广、精度高、易于实现自动化和实时观测等优点,已广泛地应用于军事领域、电力生产领域、医学领域、农林业等方面[5]。根据对红外热图像分析方法的不同,分为定性和定量两种测量方法,定性方法主要用于检测构成建筑物外部围护结构和气密性组件的热特性的广泛变化；定量检测是为了确定建筑围护绝热的程度。

Kominsky[6]等在日落后进行了3 h的热成像调查,以确定建筑围护结构外部潜在水分的问题,通过定性方法进行了热成像测量,并用湿度计对壁面进行检查,研究强调定性与定量测量相结合的方法是一种有效的围护结构诊断方法。

Asdrubali[7]等人提出了一种定量方法。对建筑围护上的热桥进行了热像测量和数值分析。结果表明该方法能够有效、快速地识别和分析围护结构上的实际热桥。

Ocana[8]等人对现代和传统的两座不同建筑进行了热成像测量,通过红外热成像技术,气密性、冷热桥和热损失部位等问题快速的被检测到。结果表明,热损失主要发生在传统建筑的开孔部位,而现代建筑的主要在热桥部位。

在我国,红外热像仪也逐渐应用于建筑物外墙检测和建筑节能检测中。JGJ/T177-2009《公共建筑节能检测标准》中明确指出由于采用红外热像成仪进行热工缺陷的检测具有众览全局的效果,所以,在建筑物外围护结构深入检测之前,宜优先进行热工缺陷的检测。

4 现场实测试验概况

4.1 测试对象情况

本次测试建筑为某被动式超低能耗建筑,该建筑为公共建筑,建筑面积约1515.68 m2,地上三层。建筑外窗采用塑钢窗框,玻璃为三玻两腔双low-E内充氩气,外窗气密性符合国家标准。外墙保温采用150 mm厚的石墨聚苯板,双层错缝铺设,另外采用断热桥的保温锚栓,减少了热桥的出现。

4.2 测试内容与时间

现场测试主要内容为建筑围护结构热工缺陷的测试和诊断,包括冷热桥的检测、门窗冷风渗透的检测、保温层是否完整以及预留孔洞有无填补等缺陷。

测试时间为2018年11月,当日最大风速为西北风2级,相对湿度37 %,符合标准规定的检测期间环境条件。另外,为避免太阳辐射对红外诊断结果的影响,选择傍晚接近天黑时段作为测试时间段,测试期间建筑外门窗已经安装验收完成。

测试仪器为FLIR T640,红外波长范围:7.5～14 μm；测量温度范围:-40～650 ℃；测量精度:±2或±2 %；分辨率:640×480。该设备符合国家相关规范规定的建筑用红外热像仪技术参数:红外波长8.0～14.0 μm、测温范围-20～+100 ℃、温度分辨率≤0.10 ℃,红外图像≥320×240像素等。

5 现场实测试验结果与分析

施工不当或偏差会造成建筑建造过程中建筑围护存在热工缺陷,利用红外热像仪可以快速准确查找出这些缺陷部位,从而指导后期改造与验收。以某一公共建筑为例,利用红外热像仪对其外围护进行拍摄,以下为现场实拍结果。

5.1 现场红外热成像法测试情况

(1)墙体保温

建筑墙面保温是一项重要的内容,但在后期验收时,由于保温层处于结构内部,无法用肉眼直接观测到是否存在保温层偏差、开裂等现象,因此使用红外热成像技术对其进行检测,可快速直观地找到缺陷部位。图1为保温层的现场照片以及红外热像图。

(a)现场照片 (b)红外热像图

从图1可以看出,墙体表面温度场分布均匀,没有大范围的异常,墙体不存在热工缺陷,施工较为均匀。

(2)门窗部位

门窗气密性表示门窗关闭时阻止空气渗漏的能力,在国内外推行的门窗节能标识体系中,气密性参数是评价门窗节能与否的一项重要指标。目前我国大多数建筑墙体气密性较好,而外门窗是较薄弱地位[9],室外空气通过门窗缝隙渗入室内,从而影响到室内温湿度,尤其室内外温差大的情况。

由图2可见,窗户玻璃整体的温度、窗框与墙壁的接缝处温度分布比较均匀,但窗框与窗扇的接缝处显示温度较高,将此位置确定为热工缺陷疑似部位。

(a)现场照片 (b)红外热像图

(3)天窗部位

从图3可以看出,天窗窗框四周密封比较严,无漏风现象,且玻璃隔热效果比较好,没有出现窗框变形、四周密封材料脱落等现象,气密性较好。

(a)现场照片 (b)红外热像图

(4)女儿墙

建筑冷热桥是指围护结构中的传热系数明显大于主体区域的部位,无论何种形式的热桥都是建筑围护结构分析的关键点。为了查看建筑屋顶是否有缺失,是否有冷热桥的出现,对建筑屋顶也采用热成像仪进行检测。图4为屋顶图片的两张红外热像图。

(a) (b)

从图4可以看出,建筑斜坡屋面整体施工均匀,无明显热工缺陷,但女儿墙墙角部位出现温度异常部位,温度达到6.1 ℃,比主体区域平均温度高出1.2 ℃,按照《公共建筑节能检测标准》规定与主体区域平均温度相差大于1 ℃的区域即为缺陷区域。

(5)屋顶太阳能固定架

太阳能固定支架为后期安装太阳能集热板所预留,但免不了热量会通过此处散失,如图5所示,屋面散热多集中在支架或是易产生热桥的部位,太阳能支架显示为温度较高区域,这是由于屋面与支架材质不同,传热系数有差异所造成。经分析此处相对面积较小,故被判定为合格。

(a) (b)

(6)外围护

从图6可以看出,整栋建筑没有明显的工程缺陷,无明显热桥,一层门窗与建筑的接缝处有少量热量散失。

(a) (b)

5.2 理论计算结果及分析

根据红外热图像显示的热异常可以得出建筑围护存在热缺陷,但这不能作为建筑节能评价的标准,所得结果不能反映缺陷的严重程度。哈尔滨工业大学方修睦[10]给出了建筑围护结构热工缺陷的量化指标同(见表1),他将外围护结构表面无缺陷的区域称为主体区域,并规定与主体平均温度相差6 ℃的区域为严重缺陷区域。温差ΔT用下式表示:

ΔT=|T1-T2|×100 %

(1)

式中,T1为主体区域的平均温度(℃)；T2为呈现不均匀彩图的缺陷区域最高(低)温度(℃)。

尽管ΔT可以反映围护结构缺陷的严重程度,但是不能反映缺陷危害的大小,这与缺陷区域的面积也有关系,因此引出相对面积Ψ作为缺陷的辅助判定指标。相对面积Ψ计算公式如下:

(2)

式中,Ψ为相对面积；Ai为缺陷区域面积(m2)；A0为围护结构主体区域面积(m2)。A0是指被检测部位所在的外墙面或者屋面面积,按照缺陷所在楼层的房间的外围尺寸计算；∑Ai是指所检测的部位所在外墙面或者屋面上所有缺陷区域的面积之和。上述面积均不包括门窗面积。

根据上述热工缺陷的定量指标对现场所得图像进行处理、分析,结果见表2。

从表2可以看出被测建筑存有不可避免的热工缺陷,但缺陷对建筑能耗的影响较小,缺陷等级仍界定为合格,这说明通过热成像技术可以直接观测到建筑存在的热工缺陷,但缺陷是否影响到建筑节能还需计算分析。

表1 外围护结构表面热工缺陷分级

表2 理论计算结果

6 结 论

(1)红外热像仪具备操作简单的优势,能够正确反映建筑结构表面的温度场分布,在被动式超低能耗建筑中可以定性检测建筑的气密性,同时能准确显示建筑工程缺陷部位。

(2)红外热像技术除了应用于建筑围护结构的热桥和热工缺陷检测外,还可以用于装饰层脱落检测、管道泄漏检测、电气系统等方面,因此红外热像技术有很大的实用价值,应大力推广采用。

(3)本文利用红外热像仪检测建筑热工缺陷,并用国内现有量化指标判定了被测对象的热工缺陷等级,发现实际问题不应只依靠定性测量,应通过定量和定性测量相结合的方法进行详细检测。