Building Exterior Wall Infrared Detection Service

紅外熱成像基本原理                                                                           
1800年英國物理學家F. W. 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，紅外線是一種電磁波，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種*為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在**零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。
有名的普朗克定律表明溫度、波長和能量之間的關(guān)系存在一定的關(guān)系，紅外總能量隨溫度的增加而迅速增加；峰值波長隨溫度的增加向短波移動。根據(jù)斯蒂芬·玻耳茲曼定律，當溫度變化時，紅外總能量與**溫度的四次方成正比，當溫度有較小的變化時，會引起總能量的很大變化。
熱流在物體內(nèi)部擴散和傳遞的路徑中，將會由于材料或傳導的熱物理性質(zhì)不同，或受阻堆積，或通暢無阻傳遞，*終會在物體表面形成相應(yīng)的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，這種由里及表出現(xiàn)的溫差現(xiàn)象，就是紅外檢測的基本原理。

2、紅外熱像儀簡介
紅外熱像儀是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)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。用亮表示溫度高，暗表示溫度低。或用暖色和冷色表示溫度高低。
紅外熱成像檢測技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域檢測不是一種很新的技術(shù)，具有非接觸大面積測試、響應(yīng)快速、測試精度高等優(yōu)勢。自二十世紀70年代，歐美一些發(fā)達國家先后開始了紅外熱像儀在建筑領(lǐng)域診斷預(yù)維護的探索。紅外熱像儀也經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成非常輕便的現(xiàn)場測試設(shè)備。由于建筑領(lǐng)域測試往往產(chǎn)生的溫度場差異不大和現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等因素，具備溫度分辨率小于0.06℃、空間分辨率小于1.2mrad、具備紅外圖像和可見光圖像合成功能等是建筑應(yīng)用中紅外熱像儀不可缺少的條件。隨著紅外熱像儀的發(fā)展和在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用日臻完善，紅外檢測技術(shù)將給建筑領(lǐng)域檢測和評估技術(shù)前進和發(fā)展帶來了較大的幫助。本文將著重對近年來紅外熱像技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用和實踐進行總結(jié)。

3、外墻缺陷
3.1 空股
由于熱超導系數(shù)K不同，當建筑墻體上存在空股或者空穴時會阻礙溫度的傳遞。從而在升降溫過程中會在表面形成一個不均勻的溫度場。例如，當室內(nèi)溫度較低，室外受陽光照射溫度較高，在空股處就會形成熱量堆積，在紅外熱像儀圖中就是高溫區(qū)。如圖1所示。
相對于傳統(tǒng)的手敲法檢測，紅外熱像儀檢測無需搭設(shè)腳手架，可以大面積進行拍攝，所有的檢測結(jié)果可以記錄并且重現(xiàn)，檢測結(jié)果比較客觀，因而檢測效率和效果更好。通過紅外圖像可以清楚**的分辨出損傷的面積和程度。

圖2：某醫(yī)院大樓存在嚴重的空股，左圖為維修前紅外圖像；圖右為維修后紅外熱像儀拍攝的圖像

3.2  裂縫
由于建筑結(jié)構(gòu)運動、或者使用了不合格的水泥混凝土材料都可以可能引起的砌墻體裂縫，也會造成開口而往往會造成結(jié)構(gòu)破壞，有時會導致雨水滲入從而引起更大的麻煩，這些隱藏的缺陷很難通過常規(guī)的檢測方法成功的發(fā)現(xiàn)。通過紅外可以快速清楚的顯示，如圖3所示。值得注意的是，由于人眼對于黑白色的分辨能力*高，有些時候采用黑白的模式，可以更好的效果。
 圖3、墻體裂縫紅外熱像圖。*右邊的為中間建筑物的可見光圖像。

3.3 粘帖飾面
粘貼飾面由于粘貼**，容易造成滲水甚至剝落。粘貼飾面掉下來砸中汽車或者行人的時間偶有發(fā)生，往往造成嚴重的經(jīng)濟和社會危害。如何解決粘貼飾面剝落問題已經(jīng)成為許多檢測單位和管理機構(gòu)的難題。因為這種問題在事故發(fā)生之前，往往沒有什么征兆。然后這些缺陷往往逃不過紅外熱像儀的“眼睛”。根據(jù)05年8月2號解放日報報道，通過紅外熱像儀手段對建筑結(jié)構(gòu)損傷“望聞、問、切”的研究已經(jīng)在上海得以實踐并取得很好的效果。根據(jù)香港工程質(zhì)量檢測中心的文獻披露，香港對許多重要建筑物的粘帖飾面都已經(jīng)成功的使用紅外熱像儀進行定期檢查。

4、 建筑節(jié)能研究
能量的消耗主要分成三部分：工業(yè)，運輸和住宅。根據(jù)統(tǒng)計，有30-50%的能量消耗集中在第三部分。其中又有一半的能量是為了更舒服的生活而消耗。當考慮節(jié)能時，這一點是不能忽略的。提高能效，提倡節(jié)能建筑又是一個緊迫的任務(wù)。
對于新建筑和工程，比較容易處理：即建立并執(zhí)行嚴格的節(jié)能標準和法規(guī)。而對于現(xiàn)有建筑，能效相對較低，而每年只有1-2%的舊樓能得到翻新，因此，改善現(xiàn)有建筑降低其能耗勢在必行。對于舊建筑，很難評估其質(zhì)量、當前狀況和結(jié)構(gòu)合理性。如果無法看見問題所在，很難對缺陷進行修補和改善。建筑中隔熱層和氣密性缺陷可能造成麻煩，諸如室內(nèi)空氣**、空氣泄漏和受潮，都會造成居住不舒適以及能源浪費。*好的解決辦法是首先發(fā)現(xiàn)問題，確定產(chǎn)生問題的原因，然后給予相應(yīng)的處理辦法。*主要的困難是找到合適的方法和設(shè)備來進行診斷出問題所在。通過常規(guī)的視覺檢測和評估通常效率不高，只能檢測一些明顯的缺陷和表面缺陷，對某些是可行的，例如隱藏的大面積缺陷，對用戶造成的影響存在一定的因果關(guān)系。然而，通常大部分缺陷的因果關(guān)系并非總是如此，只有在造成嚴重的破壞之后才能知道。到時**的補救辦法只能是發(fā)費高昂的重建。

4.1 熱傳導損失
在建筑輪廓中設(shè)計有隔熱層，主要的目的是以*經(jīng)濟的方式達到所期望的室內(nèi)環(huán)境。經(jīng)驗表明，缺少隔熱材料、隔熱材料安裝不正確、氣密層和氣密性**都會降低輪廓的整體熱性能，從而大幅提升能耗。對于新樓或舊樓，滿足新的節(jié)能標準非常重要，隔熱和氣密層以及結(jié)構(gòu)中其它任何缺陷都必須診斷并得到修補。
建筑和隔熱標準在過去幾十年中不斷改進。許多國家根據(jù)新的“環(huán)境能源效率指導方針”擁有或正在制訂相應(yīng)的節(jié)能標準。
典型的隔熱缺陷有：
- 隔熱材料沒有填充整個設(shè)計的空間（縫隙、孔洞、隔熱層薄、隔熱材料沉降、安裝后材料收縮、在錯誤的位置進行剛性絕緣等）
- 隔熱材料安裝不當
- HVAC 通過隔熱層進行安裝
- 有滲透性的隔熱材料不足以阻擋氣流的運動
- 隔熱材料受潮

圖4：紅外檢測清楚的顯示樓房能量損失程度。樓齡為8年，紅外圖象顯示在墻體和房頂都有明顯的熱損失，基礎(chǔ)處也沒有隔熱處理。對樓頂進行檢測發(fā)現(xiàn)天花板沒有安裝隔熱材料。房屋主人知道了熱損失程度，也確切理解了該采取措施進行改進。修補后可再用紅外檢測評估隔熱安裝的效果和質(zhì)量。

墻體沒有足夠的隔熱層也會造成明顯的熱損失。室內(nèi)外溫差越大或材料的K值越低，就需要越大的制冷或致熱功率。圖4顯示在窗戶和天花板之間的隔熱層存在孔穴。
在墻體空穴中安裝隔熱材料要求很嚴，必須填充在空穴中并緊實貼在墻壁上。如果沒有這樣安裝，隔熱效果大打折扣，很有可能成為空氣對流的一個通道，進一步降低隔熱效果。
熱橋是建筑結(jié)構(gòu)中由于傳熱系數(shù)較大而引起的熱傳導路徑，如墻內(nèi)的金屬、混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋，預(yù)制保溫中的肋條，外保溫墻體中為固定保溫板加設(shè)的金屬錨固件、內(nèi)保溫層中設(shè)置的龍骨、門窗框等等。若右圖5所示，整個樓房存在大量的熱橋，找出了熱橋存在的位置，可以通過設(shè)置斷熱條來解決。

4.2 對流熱損失
密封連接**會造成泄漏，氣密內(nèi)襯層安裝不當或損壞往往會出現(xiàn)規(guī)律性缺陷。空氣很容易的通過剛性隔熱體之間的部分。這些缺陷會引起不好的溫度分布，會引起房間里空氣產(chǎn)生運動（氣流），從而引起局部溫度降低而增加能耗和塵土的沉降。泄漏路徑比較復(fù)雜，沒有紅外成像儀很難發(fā)現(xiàn)。
空氣外泄只能在外面進行檢測，具有相反的紅外熱圖特征，不具有規(guī)律性特征。外泄的分析更為復(fù)雜，因為往往氣體必需經(jīng)過多層材料。如果在檢測組合結(jié)構(gòu)時（例如帶有飾面的磚墻面），即使有很嚴重的空氣泄漏也很難在熱圖上表現(xiàn)出明顯的溫度場差異。必要時配合滲透性能測試可更準確檢測出漏氣的位置。


5、受潮和滲漏
受潮恐怕是影響建筑物整體性*為嚴重的因素之一。是氣態(tài)時，是空氣和建筑材料中必要且有用的組成部分。然而一旦成為液態(tài)或者固態(tài)，將產(chǎn)生不少麻煩。受潮的原因可能根源于滲漏、冷凝或建筑材料釋放的濕氣。

受潮（來源于滲漏或冷凝）會產(chǎn)生許多問題，水可能滲入一個小的裂縫，然后滯留在不滲透水的建筑材料中。磚和混凝土中未粘合好的區(qū)域往往造成磚墻體中積水和氣體泄漏。使用不合格的混凝土造成也會造成雨水的滲入。

        辦公大樓或者住宅常常會因為外部雨水滲入而造成問題。通過常規(guī)辦法去尋找滲漏源和滲漏路徑往往不能成功。滲水破壞是持續(xù)的，造成建筑材料、設(shè)備和裝飾家具的過早損壞，并引起室內(nèi)空氣污染。滲入點難以確定，因為水往往不按照預(yù)想的路徑滲入。肉眼看不到任何滲水痕跡，借助于紅外熱像儀，可以清楚的發(fā)現(xiàn)滲水并找到滲漏源。

        如右圖11所示。

5 總結(jié)
紅外熱成像檢測技術(shù)是一種已經(jīng)成功使用30多年的建筑缺陷和建筑節(jié)能有效檢測手段。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，隨著我們對紅外熱像技術(shù)的進一步認識和科研思路及理念的轉(zhuǎn)變，紅外熱像技術(shù)將日趨成熟，將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的研究將會有更廣闊的前景。

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