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作者：張毅

   由于構(gòu)造或施工等原因，墻體總難免存在一些熱工缺陷，保溫隔熱墻體內(nèi)部受潮、保溫隔熱層厚度不足、冷風(fēng)滲透、熱橋等熱工缺陷的存在，都將導(dǎo)致這些部位熱損失大于其他部位，造成能量浪費(fèi)及影響建筑物的正常使用。由于墻體的熱工缺陷大多數(shù)是隱蔽的，因此靠常規(guī)的檢測(cè)方法，難以判斷缺陷部位及缺陷的嚴(yán)重程度。

  紅外技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的新興應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)是利用物體溫度高于絕對(duì)零度都會(huì)進(jìn)行紅外輻射的特點(diǎn)而開發(fā)的紅外熱像設(shè)備，通過測(cè)量物體表面的溫度來(lái)檢測(cè)物體的缺陷。由于其不需要與被測(cè)物體接觸而受到眾多行業(yè)歡迎，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢測(cè)、環(huán)境研究、電力設(shè)備檢測(cè)、機(jī)械裝置檢測(cè)、過程控制質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面。紅外技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)起步。由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)表面存在溫差的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面相應(yīng)位置的溫度出現(xiàn)差異。利用紅外熱像儀檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度差異，通過紅外熱譜圖分析，來(lái)推知墻體缺陷的影響。紅外技術(shù)在建筑上的應(yīng)用，已開始由定性分析轉(zhuǎn)向定量分析。

  JGJ 133-2009《居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》第一次將紅外熱像技術(shù)用于墻體熱工缺陷的定量分析，該標(biāo)準(zhǔn)通過檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面缺陷區(qū)域與受檢表面面積的比值一相對(duì)面積ψ（式1）和內(nèi)表面因缺陷區(qū)域?qū)е碌哪芎脑黾颖萷以及單塊缺陷面積的最大面積來(lái)判斷熱工缺陷的。

  沙按照式(1)計(jì)算，盧按照式(2)計(jì)算。兩式均涉及到缺陷區(qū)域面積A2的確定問題。JGJ133-2009《居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》是采用計(jì)算缺陷部位的溫度與無(wú)缺陷部位的表面溫度T1的溫差，再求出與T的溫度差大于等于1℃的點(diǎn)所組成的面積的方法來(lái)確定A2。

式中：ψ為缺陷區(qū)域面積與受檢表面面積之比值；盧為受檢內(nèi)表面由于熱工缺陷所帶來(lái)的能耗增加比；T為不包括缺陷區(qū)域的受檢表面平均溫度，oC；T為缺陷區(qū)域平均溫度，為缺陷區(qū)域面積的加權(quán)溫度的平均值，℃；To為環(huán)境參照體溫度，℃；A：為缺陷區(qū)域面積，m2；A．為受檢表面主體區(qū)域的面積，m2。

  紅外熱像儀拍攝的熱譜圖的分辨率與像素有關(guān)，熱譜圖上每一個(gè)像素點(diǎn)表示的是該點(diǎn)的溫度。缺陷中間部位的溫度與無(wú)缺陷部位的溫度差別較大，缺陷部位與無(wú)缺陷部位之間的過渡區(qū)間的溫度差別不大，一幅熱像圖由數(shù)十萬(wàn)個(gè)溫度點(diǎn)組成，確定缺陷區(qū)域的邊界工作量巨大。JGJ  133-2009《居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中將溫差大于1℃的點(diǎn)所組成的面積作為缺陷區(qū)域，將從紅外熱譜圖中確定出缺陷面積的難度降低了，但尋找工作量仍較大，同時(shí)該方法沒能完全反應(yīng)缺陷的影響。利用紅外技術(shù)定量診斷熱工缺陷，急需找到1種能夠正確描述墻體表面溫度分布規(guī)律的方法，以便更合理地確定缺陷區(qū)域面積。本文試圖通過對(duì)墻體表面紅外熱圖譜的分析，研究墻體表面溫度分布規(guī)律，探討1種識(shí)別墻體熱工缺陷面積的新方法。

1墻體表面溫度分布特點(diǎn)

  目前墻體種類很多，墻體的構(gòu)造不同，但在室內(nèi)外溫差作用下，無(wú)熱工缺陷的墻體和有熱工缺陷的墻體表面溫度分布是不同的。

1.1溫度分布均勻的墻體的紅外溫度熱譜圖

  由均質(zhì)材料構(gòu)成的墻體的主墻面，在相同的內(nèi)外溫差作用下，無(wú)熱工缺陷時(shí)，其表面溫度為均勻分布。為了研究溫度均勻分布?jí)�體表面的溫度分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)位于哈爾濱市的兩個(gè)小區(qū)內(nèi)的不同建筑的不同部位，采用TVS-100型紅外熱像儀，拍攝了紅外熱譜圖。

圖1為，為在小區(qū)1不同房間內(nèi)拍攝的外墻內(nèi)表面的紅外熱譜圖及與之對(duì)應(yīng)的表面溫度分布圖，圖中編號(hào)101表示1號(hào)小區(qū)建筑第一面墻，以下相同。拍攝墻體發(fā)射率為占=0. 92。圖2—圖3為在哈爾濱另一個(gè)小區(qū)拍攝的不同房間內(nèi)墻體紅外熱譜圖及與之對(duì)應(yīng)的表面溫度分布圖，拍攝墻體發(fā)射率為s=0. 92。圖4—圖9為由上述小區(qū)不同房間內(nèi)拍攝的均勻墻體表面紅外熱譜圖得出的表面溫度分布圖。

由圖1~圖9可見，墻體表面溫度分布均勻的墻體，其溫度分布圖中間高，兩邊低，基本上以該區(qū)域最大分布密度為中心對(duì)稱分布。

1.2  溫度分布不均勻的墻體的紅外溫度熱譜圖

  由于構(gòu)造及其他原因會(huì)導(dǎo)致墻體表面溫度場(chǎng)的不均勻。如建筑中大量存在的門窗、圈梁、墻腳等部位的熱橋造成的溫度差異；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的孔洞、保溫缺陷、建筑節(jié)點(diǎn)保溫處理不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的與周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度差異；建筑構(gòu)造中埋設(shè)的冷熱管道泄露、屋面滲漏等導(dǎo)致的溫度差異。這些溫度差異可以在紅外熱譜圖上反映出來(lái)。

圖10為由于窗戶周邊熱橋影響的墻體表面紅外熱譜圖及表面溫度分布圖；圖11為保溫層有漏洞的墻體表面紅外熱譜圖及表面溫度分布圖；圖12為保溫層交界處保溫板邊緣不整齊，且對(duì)接不嚴(yán)密的墻體表面紅外熱譜圖及表面溫度分布圖；圖13為存在圈梁熱橋影響的墻體表面紅外熱譜圖及表面溫度分布圖；圖15位有墻角熱橋影響的墻體表面紅外熱譜圖及表面溫度分布圖。

  由上述墻體表面紅外熱譜圖及表面溫度分布圖可見，由于熱工缺陷的存在，導(dǎo)致墻體表面的溫度分布不均勻，高低溫區(qū)域明顯。由于缺陷部位的不同，溫度分布密度差異較大，圖形不對(duì)稱。圖10表明，由于窗戶周邊熱橋的影響，導(dǎo)致窗戶熱橋區(qū)域溫度高于無(wú)熱橋部位，但缺陷部位溫度與其余部位溫度差別不大，圖形為單峰型；圖11表明，由于保溫層存在孔洞，導(dǎo)致孔洞區(qū)域缺陷溫度較低，但缺陷區(qū)域較小，圖形為單峰型；圖12表明，由于保溫板接縫缺陷，導(dǎo)致缺陷部位溫度較低，與非接縫部位溫差較大，圖形為雙峰型；圖13表明，由于圈梁影響，導(dǎo)致圈梁部位溫度偏高，與其余部位溫差較大，缺陷區(qū)域較大，圖形為單峰型；圖14表明，內(nèi)墻腳溫度較低，缺陷特別明顯，圖形總體呈單峰型，是墻體中最易結(jié)露的部位。

2  溫度均勻分布?jí)�體表面溫度分布規(guī)律

鑒于溫度均勻分布?jí)�體的表面溫度分布特征疑似正態(tài)分布，可采用x2擬和優(yōu)度檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其是否符合正態(tài)分布。正態(tài)分布函數(shù)可表示為

式中：u是正態(tài)分布的位置參數(shù)，表示正態(tài)分布圖的水平位置；u是正態(tài)分布的形狀參數(shù)，表示分布的分散程度，盯越大數(shù)據(jù)越分散。

設(shè)總體分布函數(shù)為F（x），F(xiàn)o（x）為一完全已知或類型已知但依賴若干未知參數(shù)的分布函數(shù)。要檢驗(yàn)的假設(shè)是Ho:F(x)=Fo（x），即

式中：n；及np。分別為觀測(cè)頻數(shù)和期望頻數(shù)；X2值表示實(shí)際觀測(cè)結(jié)果與理論期望結(jié)果相對(duì)差異的總和。當(dāng)n一∞時(shí)，x2的極限分布是自由度為k-m-l的x2分布。對(duì)于給定的a，可以查出臨界值x。2（k-m-1），得到Ho的拒絕域?yàn)閤2≥x。2（k-m-l），否則可接受。

以式(1)為檢驗(yàn)函數(shù)，進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)計(jì)算。下面以圖一為例進(jìn)行分析。由紅外熱譜圖可以得到表1的數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，取k=16，m=2，由式(3)得到X2 =15. 282，對(duì)于給定的a=0.01，可以得到x。2（k-m-l）=27. 688。這表明：X2≤x。2（k-m-l），故可接受。正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果表明，圖1所示的表面溫度均勻墻體的表面溫度分布符合正態(tài)分布。同理，可得圖2—圖9的檢驗(yàn)結(jié)果，詳見表2。

  由表2可見，圖2—圖9的均勻墻體都滿足x2≤x。2（k-m-l），同樣表明，表面溫度均勻墻體的表面溫度分布符合正態(tài)分布。這樣我們就可以認(rèn)為，只要是溫度均勻壁面，不論其面積大小，尺寸形狀如何，其表面溫度分布形式是對(duì)稱的，均符合正態(tài)分布，其數(shù)學(xué)期望為整體樣本的平均值。

  采用同樣的方法分析溫度分布不均勻的墻體，分析結(jié)果表明，此類墻體表面的溫度分布不符合正態(tài)分布。

3墻體表面溫度特性分析

  由上述分析可知，邊界條件相同的構(gòu)造均勻墻體，以u(píng)分界，如果一側(cè)溫度分布符合正態(tài)分布，那么另一側(cè)的溫度分布也符合正態(tài)分布，其分布形式是關(guān)于數(shù)學(xué)期望值而對(duì)稱的；如果墻體構(gòu)造不均勻，就會(huì)造成溫度場(chǎng)分布形式的不對(duì)稱性，且不均勻性越大，不對(duì)稱性就越大。

  由于正態(tài)分布只與墻體的溫度均勻程度相關(guān)，與壁面區(qū)域尺寸、形狀無(wú)關(guān)，而溫度均勻的墻體不會(huì)存在熱工缺陷，因此我們可以規(guī)定符合正態(tài)分布的墻體是非熱工缺陷墻體。如果規(guī)定，一面墻體中溫度分布符合正態(tài)分布的部分是非熱工缺陷部分，不符合正態(tài)分布的部分為缺陷部分的話，那么我們就可以認(rèn)為紅外熱譜圖中的溫度不對(duì)稱部分就是缺陷部位，其不對(duì)稱外延部分越大，缺陷部位影響就越大。實(shí)際墻面的溫度分布不對(duì)稱性是由熱橋等“缺陷”造成的，對(duì)這部分溫度外延部分進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)缺陷部位的能耗以及其它方面的量化分析。

4  應(yīng)用舉例

  按上述思想，可以將存在熱工缺陷的紅外熱譜圖分解為均勻區(qū)域和缺陷區(qū)域，并根據(jù)缺陷區(qū)域的大小，判斷其缺陷程度。以圖11所示的存在圈梁熱橋影響的墻體表面紅外熱譜圖為例，來(lái)判斷其缺陷狀況。

將圖11所示的紅外熱譜圖分解為兩部分(圖15)。用實(shí)線圈出的區(qū)域I為墻體的主體區(qū)域，它根據(jù)溫度均勻表面是關(guān)于數(shù)學(xué)期望值對(duì)稱的特點(diǎn)而構(gòu)建的，是假定沒有熱橋影響時(shí)的墻體表面的溫度分布，該溫度分布符合正態(tài)分布；減去正態(tài)分布區(qū)域后的剩余部分為區(qū)域Ⅱ，是由于圈梁造成的非對(duì)稱部分的溫度分布，表示的是比正常區(qū)域（假定的無(wú)熱橋部位）多耗能的部分。此時(shí)區(qū)域I平均溫度t1=7.5℃；外延部位平均溫度t2=8.3℃，外延部位所占比例為總面積的62.82%，缺陷部位能耗為無(wú)缺陷時(shí)能耗的1. 22倍。

5  結(jié)論

  由上述分析可知：

  1)均勻墻體表面溫度分布符合正態(tài)分布，其數(shù)學(xué)期望是其均值，均值越高，墻體表面平均溫度越高；方差越小，表面溫度越均勻。

  2)同一壁面溫度場(chǎng)是若干個(gè)均勻溫度場(chǎng)疊加而成的結(jié)果，缺陷部位的溫度分布不對(duì)稱，分布曲線外延部分即是由缺陷部位造成的，外延部分越大，缺陷部位影響越明顯。

3)通過對(duì)外延部分分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量分析。

5[摘要]對(duì)均勻墻體表面的紅外熱譜圖的分析表明，均勻墻體表面溫度分布符合正態(tài)分布，圖形是對(duì)稱的，而非均勻墻體表面溫度分布是非對(duì)稱的，這種非對(duì)稱性是由缺陷部位造成的，其不對(duì)稱外延部分越大，缺陷部位影響就越大。本文研究為利用紅外熱像儀進(jìn)行建筑熱工缺陷研究提供一種新思路。