Infrared Thermography Application in Building Energy Inspection
Chen Juwen
Earth Products China Limited
Abstract The principle of Infrared Thermography in building application is briefly introduced in this paper. The main focus is the development and many practical cases of Infrared Thermography application in building energy Inspection. The deliberation and suggestion are valuable for the test and standards setting by regulatory departments.
Key words Building Energy Efficiency Infrared Thermography
1、紅外熱成像基本原理
任何物體都會釋放出紅外線，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組件上，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。熱流在物體內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不同，或受阻堆積，或通暢無阻傳遞，最終會在物體表面形成相應的“熱區”和“冷區”，這種由里及表出現的溫差現象，就是紅外檢測的基本原理。
2、應用簡介
紅外熱成像檢測技術應用于建筑領域檢測不是一種很新的技術。自二十世紀70年代，歐美一些發達國家先后開始了紅外熱像儀在建筑領域診斷預維護的探索，紅外熱像技術在建筑領域中的應用日臻完善，給建筑領域檢測和評估技術前進和發展帶來了較大的幫助。
在過去的幾十年的發展中，紅外熱成像技術已經在以下幾個方面得到了成熟的應用(如圖1所示)：墻面缺陷的檢測;粘貼飾面的檢測;滲漏和受潮的檢測;熱橋等熱工缺陷檢測;室內管道和電氣設施的檢測。由于環境保護和節能的迫切需要，國內外特別是加拿大、美國、日本等國家對紅外熱成像在節能的應用研究，取得了豐富的經驗和成果。本文將著重對近年來紅外熱像技術應用于建筑節能研究做一下總結。
圖1、 建筑缺陷的紅外成像儀檢測圖像
3、 能量的消耗
能量的消耗主要分成三部分：工業，運輸和住宅。根據統計，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。當考慮節能時，這一點是不能忽略的。提高能效，提倡節能建筑又是一個緊迫的任務。
對于新建筑和工程，比較容易處理：即建立并執行嚴格的節能標準和法規。而對于現有建筑，能效相對較低，而每年只有1-2%的舊樓能得到翻新，因此，改善現有建筑降低其能耗勢在必行。對于舊建筑，很難評估其質量、當前狀況和結構合理性。如果無法看見問題所在，很難對缺陷進行修補和改善。這是一個主要的問題。
4、 紅外檢測和測試
建筑中隔熱層和氣密性缺陷可能造成麻煩，諸如室內空氣不良、空氣泄漏和受潮，都會造成居住不舒適以及能源浪費。最好的解決辦法是首先發現問題，確定產生問題的原因，然后給予相應的處理辦法。最主要的困難是找到合適的方法和設備來進行診斷出問題所在。通過常規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系。然而，通常大部分缺陷的因果關系并非總是如此，只有在造成嚴重的破壞之后才能知道。到時唯一的補救辦法只能是發費高昂的重建。
紅外熱成像法是一種預維護技術，最為經濟，對建筑本身損壞最少的一種診斷辦法。熱工性缺陷如隔熱材料缺失、熱橋、漏氣和受潮等都會造成墻面的溫度變化。通過表面溫度熱圖像來表征出次表面的異常。然而，對這些圖像的分析以及對結果給出正確的處理辦法，這需要有嚴格受訓的紅外成像儀操作人員，對建筑學必須有很好的了解。
5、 熱傳導損失
在建筑圍護結構設計有隔熱層，主要的目的是以最經濟的方式達到所期望的室內環境。經驗表明，缺少隔熱材料、隔熱材料安裝不正確、氣密層和氣密性不良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，滿足新的節能標準非常重要，隔熱和氣密層以及結構中其它任何缺陷都必須診斷并得到修補。
典型的隔熱缺陷有：
- 隔熱材料沒有填充整個設計的空間(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
圖3：紅外檢測清楚的顯示樓房能量損失程度。樓齡為8年，紅外圖像顯示在墻體和房頂都有明顯的熱損失，基礎處也沒有隔熱處理。對樓頂進行檢測發現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量。
墻體沒有足夠的隔熱層也會造成明顯的熱損失。室內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。
圖4、紅外成像可以找出天花板和窗口之間隔熱材料的缺損。在此樓的其它地方也可以找到類似的情況。這可能導致更為嚴重的問題，如在墻體空穴中形成受潮。合同承包商忽略了在墻體空穴中放置隔熱材料，通過紅外熱像儀檢測很容易發現。
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。
建筑圍護結構中的一些部位，在室內外溫差的作用下，形成熱流相對密集、內表面溫度較低的區域。這些部位成為傳熱較多的橋梁，故稱為熱橋(thermal bridges)，有時又可稱為冷橋(cold bridges)。由于熱橋附加能耗占整體建筑能耗的比例不斷上升,根據調查和計算,在非節能型建筑中,各種熱橋的附加能耗占建筑能耗的3%～5%,而在新型節能建筑中,一般占節能建筑的20%左右。砌在磚墻或加氣混凝土墻內的金屬，混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋，預制保溫中的肋條，夾心保溫墻中為拉結內外兩片墻體設置的金屬聯結件，外保溫墻體中為固定保溫板加設的金屬錨固件，內保溫層中設置的龍骨，挑出的陽臺板與主體結構的連接部位，保溫門窗中的門窗框特別是金屬門窗框等等。整個樓房存在大量的熱橋，若圖6所示，找出了熱橋存在的位置，可以通過設置斷熱條來解決。
圖5、紅外圖像顯示不當的隔熱材料安裝的影響。隔熱材料沒有緊貼在墻體上。這降低隔熱效率從而造成熱損失。
圖6、建筑圍護結構中熱橋紅外圖像
6、 對流熱損失
密封連接不良會造成泄漏，氣密內襯層安裝不當或損壞往往會出現規律性缺陷。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。泄漏路徑比較復雜，沒有紅外成像儀很難發現。
圖7：紅外圖像清晰的顯示墻體上蓋板連接處的冷空氣滲透。整個房子密封性很差，造成較大的能量損失。
圖8：建筑圍護結構連接處密封不良，造成嚴重的空氣外泄的紅外圖譜。
空氣外泄只能在外面進行檢測，具有相反的紅外熱圖特征，不具有規律性特征。外泄的分析更為復雜，因為往往氣體必需經過多層材料。如果在檢測組合結構時(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。
由于在螺栓、電線等旁邊沒有正確的安裝隔熱材料形成空隙而造成垂直氣流，也將對隔熱性能產生明顯的影響，如下圖9所示。
圖9：由于在電線旁不正確的放置隔熱材料以及聚乙烯氣凝剝裂而造成隔熱和氣密性缺陷。
7、 受潮
受潮恐怕是影響建筑物整體性最為嚴重的因素之一。是氣態時，是空氣和建筑材料中必要且有用的組成部分。然而一旦成為液態或者固態，將產生不少麻煩。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。由于建筑結構運動引起的砌墻體裂縫，也會造成開口而引起雨水滲入，這通過紅外可以快速清楚的顯示，如圖10所示。
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。滲水破壞是持續的，造成建筑材料、設備和裝飾家具的過早損壞，并引起室內空氣污染。滲入點難以確定，因為水往往不按照預想的路徑滲入。肉眼看不到任何滲水痕跡，借助于紅外熱像儀，可以清楚的發現滲水并找到滲漏源。如右圖11所示。
8、 總結
紅外熱成像檢測技術是一種已經成功使用30多年的建筑節能和建筑缺陷檢有效檢測手段。對于大小建筑的所有方面的預維護紅外檢測是一種最為有效的降低能耗和維護費用的方式。隨著科學技術的發展，隨著我們對紅外熱像技術的進一步認識和科研思路及理念的轉變，紅外熱像技術將日趨成熟，將其應用于建筑領域的研究將會有更廣闊的前景。
參考：
1. Ron Newport, Institute of Infrared Thermography; 《Infrared Building Energy Inspection》; the 2nd International Conference on Intelligent Green and Energy Efficient Building,2006。
2. 陳賜賢，香港工程質量檢測中心有限公司，《紅外檢測在外墻檢測和滲漏檢測中的應用》，全國建筑行業節能紅外技術研討會，2005。
3. 黃國揚，歐美大地儀器設備中國有限公司，《NEC 紅外熱像儀國內外最新應用現狀》，北京建筑節能紅外技術研討會，2006。
