紅外熱成像基本原理
1800年英國(guó)物理學(xué)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(wú)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(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在優(yōu)良零度以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。
杰出的普朗克定律表明溫度、波長(zhǎng)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(zhǎng)隨溫度的增加向短波移動(dòng)。根據(jù)斯蒂芬·玻耳茲曼定律，當(dāng)溫度變化時(shí)，紅外總能量與優(yōu)良溫度的四次方成正比，當(dāng)溫度有較小的變化時(shí)，會(huì)引起總能量的很大變化。
熱流在物體內(nèi)部擴(kuò)散和傳遞的路徑中，將會(huì)由于材料或傳導(dǎo)的熱物理性質(zhì)不同，或受阻堆積，或通暢無(wú)阻傳遞，*終會(huì)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(cè)的基本原理。
2、紅外熱像儀簡(jiǎn)介
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)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(chǎng)相對(duì)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(cè)物體的不同溫度。用亮表示溫度高，暗表示溫度低?；蛴门屠渖硎緶囟雀叩?。
紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域檢測(cè)不是一種很新的技術(shù)，具有非接觸大面積測(cè)試、響應(yīng)快速、測(cè)試精度高等優(yōu)勢(shì)。自二十世紀(jì)70年代，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家先后開始了紅外熱像儀在建筑領(lǐng)域診斷預(yù)維護(hù)的探索。紅外熱像儀也經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成非常輕便的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備。由于建筑領(lǐng)域測(cè)試往往產(chǎn)生的溫度場(chǎng)差異不大和現(xiàn)場(chǎng)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(cè)技術(shù)將給建筑領(lǐng)域檢測(cè)和評(píng)估技術(shù)前進(jìn)和發(fā)展帶來(lái)了較大的幫助。本文將著重對(duì)近年來(lái)紅外熱像技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用和實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)。
3、外墻缺陷
3.1 空股
由于熱超導(dǎo)系數(shù)K不同，當(dāng)建筑墻體上存在空股或者空穴時(shí)會(huì)阻礙溫度的傳遞。從而在升降溫過(guò)程中會(huì)在表面形成一個(gè)不均勻的溫度場(chǎng)。例如，當(dāng)室內(nèi)溫度較低，室外受陽(yáng)光照射溫度較高，在空股處就會(huì)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(duì)于傳統(tǒng)的手敲法檢測(cè)，紅外熱像儀檢測(cè)無(wú)需搭設(shè)腳手架，可以大面積進(jìn)行拍攝，所有的檢測(cè)結(jié)果可以記錄并且重現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果比較客觀，因而檢測(cè)效率和效果更好。通過(guò)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(yán)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(yùn)動(dòng)、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(huì)造成開口而往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞，有時(shí)會(huì)導(dǎo)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(guò)常規(guī)的檢測(cè)方法成功的發(fā)現(xiàn)。通過(guò)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(duì)于黑白色的分辨能力*高，有些時(shí)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
粘貼飾面由于粘貼不佳，容易造成滲水甚至剝落。粘貼飾面掉下來(lái)砸中汽車或者行人的時(shí)間偶有發(fā)生，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)危害。如何解決粘貼飾面剝落問(wèn)題已經(jīng)成為許多檢測(cè)單位和管理機(jī)構(gòu)的難題。因?yàn)檫@種問(wèn)題在事故發(fā)生之前，往往沒(méi)有什么征兆。然后這些缺陷往往逃不過(guò)紅外熱像儀的“眼睛”。根據(jù)05年8月2號(hào)解放日?qǐng)?bào)報(bào)道，通過(guò)紅外熱像儀手段對(duì)建筑結(jié)構(gòu)損傷“望聞、問(wèn)、切”的研究已經(jīng)在上海得以實(shí)踐并取得很好的效果。根據(jù)香港工程質(zhì)量檢測(cè)中心的文獻(xiàn)披露，香港對(duì)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(jìn)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(yùn)輸和住宅。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dāng)考慮節(jié)能時(shí)，這一點(diǎn)是不能忽略的。提高能效，提倡節(jié)能建筑又是一個(gè)緊迫的任務(wù)。
對(duì)于新建筑和工程，比較容易處理：即建立并執(zhí)行嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。而對(duì)于現(xiàn)有建筑，能效相對(duì)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(shì)在必行。對(duì)于舊建筑，很難評(píng)估其質(zhì)量、當(dāng)前狀況和結(jié)構(gòu)合理性。如果無(wú)法看見問(wèn)題所在，很難對(duì)缺陷進(jìn)行修補(bǔ)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)空氣不佳、空氣泄漏和受潮，都會(huì)造成居住不舒適以及能源浪費(fèi)。*好的解決辦法是首先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確定產(chǎn)生問(wèn)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(lái)進(jìn)行診斷出問(wèn)題所在。通過(guò)常規(guī)的視覺(jué)檢測(cè)和評(píng)估通常效率不高，只能檢測(cè)一些明顯的缺陷和表面缺陷，對(duì)某些是可行的，例如隱藏的大面積缺陷，對(duì)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(yán)重的破壞之后才能知道。到時(shí)的補(bǔ)救辦法只能是發(fā)費(fèi)高昂的重建。
4.1 熱傳導(dǎo)損失
在建筑輪廓中設(shè)計(jì)有隔熱層，主要的目的是以*經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到所期望的室內(nèi)環(huán)境。經(jīng)驗(yàn)表明，缺少隔熱材料、隔熱材料安裝不正確、氣密層和氣密性不佳都會(huì)降低輪廓的整體熱性能，從而大幅提升能耗。對(duì)于新樓或舊樓，滿足新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)。
建筑和隔熱標(biāo)準(zhǔn)在過(guò)去幾十年中不斷改進(jìn)。許多國(guó)家根據(jù)新的“環(huán)境能源效率指導(dǎo)方針”擁有或正在制訂相應(yīng)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
典型的隔熱缺陷有：
- 隔熱材料沒(méi)有填充整個(gè)設(shè)計(jì)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(cuò)誤的位置進(jìn)行剛性絕緣等）
- 隔熱材料安裝不當(dāng)
- HVAC 通過(guò)隔熱層進(jìn)行安裝
- 有滲透性的隔熱材料不足以阻擋氣流的運(yùn)動(dòng)
- 隔熱材料受潮
圖4：紅外檢測(cè)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(méi)有隔熱處理。對(duì)樓頂進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)天花板沒(méi)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(jìn)行改進(jìn)。修補(bǔ)后可再用紅外檢測(cè)評(píng)估隔熱安裝的效果和質(zhì)量。
墻體沒(méi)有足夠的隔熱層也會(huì)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(yán)，必須填充在空穴中并緊實(shí)貼在墻壁上。如果沒(méi)有這樣安裝，隔熱效果大打折扣，很有可能成為空氣對(duì)流的一個(gè)通道，進(jìn)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(dǎo)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(gè)樓房存在大量的熱橋，找出了熱橋存在的位置，可以通過(guò)設(shè)置斷熱條來(lái)解決。
4.2 對(duì)流熱損失
密封連接不佳會(huì)造成泄漏，氣密內(nèi)襯層安裝不當(dāng)或損壞往往會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性缺陷?？諝夂苋菀椎耐ㄟ^(guò)剛性隔熱體之間的部分。這些缺陷會(huì)引起不好的溫度分布，會(huì)引起房間里空氣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（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(méi)有紅外成像儀很難發(fā)現(xiàn)。
空氣外泄只能在外面進(jìn)行檢測(cè)，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?yàn)橥鶜怏w必需經(jīng)過(guò)多層材料。如果在檢測(cè)組合結(jié)構(gòu)時(shí)（例如帶有飾面的磚墻面），即使有很嚴(yán)重的空氣泄漏也很難在熱圖上表現(xiàn)出明顯的溫度場(chǎng)差異。必要時(shí)配合滲透性能測(cè)試可更準(zhǔn)確檢測(cè)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(yán)重的因素之一。是氣態(tài)時(shí)，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(lái)源于滲漏或冷凝）會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，水可能滲入一個(gè)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(huì)造成雨水的滲入。
辦公大樓或者住宅常常會(huì)因?yàn)橥獠坑晁疂B入而造成問(wèn)題。通過(guò)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(guò)早損壞，并引起室內(nèi)空氣污染。滲入點(diǎn)難以確定，因?yàn)樗话凑疹A(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(cè)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(cè)手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著我們對(duì)紅外熱像技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)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(huì)有更廣闊的前景。
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