紅外熱成像基本原理
1800年英國物理學家F. W. 赫胥爾發現了紅外線，紅外線是一種電磁波，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。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環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，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。溫度在優良零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。
杰出的普朗克定律表明溫度、波長和能量之間的關系存在一定的關系，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。根據斯蒂芬·玻耳茲曼定律，當溫度變化時，紅外總能量與優良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，*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、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。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像。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應用于建筑領域檢測不是一種很新的技術，具有非接觸大面積測試、響應快速、測試精度高等優勢。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。紅外熱像儀也經過幾十年的發展，已經發展成非常輕便的現場測試設備。由于建筑領域測試往往產生的溫度場差異不大和現場環境復雜等因素，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用中紅外熱像儀的條件。隨著紅外熱像儀的發展和在建筑領域中的應用日臻完善，紅外檢測技術將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。本文將著重對近年來紅外熱像技術在國內外應用和實踐進行總結。
3、外墻缺陷
3.1 空股
由于熱超導系數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。如圖1所示。
相對于傳統的手敲法檢測，紅外熱像儀檢測無需搭設腳手架，可以大面積進行拍攝，所有的檢測結果可以記錄并且重現，檢測結果比較客觀，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
由于建筑結構運動、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構破壞，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的檢測方法成功的發現。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
粘貼飾面由于粘貼不佳，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生，往往造成嚴重的經濟和社會危害。如何解決粘貼飾面剝落問題已經成為許多檢測單位和管理機構的難題。因為這種問題在事故發生之前，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構損傷“望聞、問、切”的研究已經在上海得以實踐并取得很好的效果。根據香港工程質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成功的使用紅外熱像儀進行定期檢查。
4、 建筑節能研究
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。建筑中隔熱層和氣密性缺陷可能造成麻煩，諸如室內空氣不佳、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現問題，確定產生問題的原因，然后給予相應的處理辦法。*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。到時的補救辦法只能是發費高昂的重建。
4.1 熱傳導損失
在建筑輪廓中設計有隔熱層，主要的目的是以*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、氣密層和氣密性不佳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。
建筑和隔熱標準在過去幾十年中不斷改進。許多國家根據新的“環境能源效率指導方針”擁有或正在制訂相應的節能標準。
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
- 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。
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。
熱橋是建筑結構中由于傳熱系數較大而引起的熱傳導路徑，如墻內的金屬、混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋，預制保溫中的肋條，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、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，可以通過設置斷熱條來解決。
4.2 對流熱損失
密封連接不佳會造成泄漏，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。
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。
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。
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。
5 總結
紅外熱成像檢測技術是一種已經成功使用30多年的建筑缺陷和建筑節能有效檢測手段。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。
歡迎咨詢
