红外技术在建筑节能现场检测中的应用研究

前言

随着全球能源问题的日益突出，建筑节能成为缓解能源压力、实现可持续发展的重要举措。准确、高效的建筑节能现场检测是确保建筑节能效果、推动建筑节能技术发展的关键环节。红外技术作为一种非接触式的检测手段，具有直观、快速、全面等优点，在建筑节能现场检测中得到了广泛应用。

1 红外技术基本原理

红外技术基于红外辐射相关特性展开应用，以下从红外辐射的产生、特性、检测原理以及红外热像仪工作机制等方面详细介绍其基本原理：

1.1 红外辐射的产生

热辐射本质：红外辐射是热辐射的一种形式，自然界中任何温度高于绝对零度 (-273.15^∘C ）的物体都会不断地向外发射红外辐射。这是因为物体内部的分子、原子和电子等微观粒子在不停地做无规则运动，这种运动会以电磁波的形式向外辐射能量，而红外辐射就是其中位于可见光红光外侧、波长范围在 0.76-1000μm 之间的电磁波。

不同温度的辐射差异：物体温度越高，其内部微观粒子的运动就越剧烈，辐射出的红外能量也就越大，辐射波长会向短波方向移动；反之，温度越低，辐射的红外能量越小，辐射波长会向长波方向移动。

1.2 红外辐射的检测原理

红外探测器的作用：红外探测器是红外检测系统的核心部件，它能够将接收到的红外辐射信号转换为电信号。常见的红外探测器有热探测器和光子探测器两大类。

热探测器：利用红外辐射的热效应来工作。当红外辐射照射到热探测器上时，探测器的温度会升高，从而引起探测器某些物理性质的变化，如电阻、电容、热电势等，通过测量这些物理性质的变化就可以得到红外辐射的强度信息。热探测器具有响应波段宽、可在室温下工作等优点，但响应速度较慢，灵敏度相对较低。

光子探测器：基于光电效应工作。当红外光子照射到光子探测器的敏感材料上时，会产生光电子或光生载流子，从而引起电信号的变化。光子探测器具有响应速度快、灵敏度高、探测率高等优点，但一般需要在低温下工作，响应波段相对较窄。

信号处理与显示：红外探测器输出的电信号通常比较微弱，需要经过放大、滤波等信号处理电路进行处理，以提高信号的质量和强度。处理后的信号再通过显示设备，如红外热像仪的显示屏，将其转换为可视化的热图像。热图像中不同的颜色代表不同的温度，检测人员可以根据热图像直观地了解被检测物体表面的温度分布情况。

1.3 红外热像仪的工作机制

光学系统：红外热像仪的光学系统主要由红外物镜组成，其作用是将被检测物体发出的红外辐射聚焦到红外探测器上。红外物镜的设计需要考虑红外辐射的波长范围、像差校正等因素，以确保能够清晰地成像。

扫描系统（部分热像仪）：对于一些机械扫描式的红外热像仪，还需要扫描系统来对被检测物体进行逐点或逐线扫描，从而获取完整的热图像。扫描系统通常由扫描镜和驱动电机组成，扫描镜在驱动电机的带动下进行往复运动，将红外辐射依次引入到红外探测器上。

图像处理与显示：红外探测器输出的电信号经过处理后，由图像处理电路将其转换为数字图像信号，并进行伪彩色处理，将不同的温度值映射为不同的颜色。最后，处理后的热图像显示在热像仪的显示屏上，供检测

人员观察和分析。

2 红外技术在建筑节能现场检测中的应用

2.1 建筑围护结构热工缺陷检测外墙热工缺陷检测

原理：建筑外墙的热工性能直接影响建筑的能耗。当外墙存在保温层脱落、裂缝、空洞等热工缺陷时，会导致该部位的热阻降低，在室内外温差的作用下，缺陷部位的温度与正常部位会有明显差异。红外热像仪可以快速捕捉这种温度差异，以热图像的形式直观显示出来。

检测方法：在夜间或室内外温差较大的时段进行检测。检测人员手持红外热像仪沿外墙表面扫描，记录热图像。对于发现的异常温度区域，可结合其他检测手段（如钻孔检测）进一步确定缺陷的性质和程度。

屋面热工缺陷检测

原理：屋面是建筑的重要围护结构，其热工缺陷如防水层破损、保温层受潮等会影响屋面的保温性能。红外热像仪可以检测屋面表面的温度分布，发现温度异常区域，从而判断是否存在热工缺陷。

检测方法：选择在晴朗的夜晚或清晨进行检测，此时屋面表面温度受太阳辐射影响较小，温度差异更能反映屋面的热工状况。检测人员站在地面或使用无人机搭载红外热像仪对屋面进行全面扫描。

2.2 门窗保温性能检测

检测原理：门窗是建筑围护结构中保温性能相对较弱的部位，其保温性能的好坏直接影响建筑的能耗。当门窗存在密封不严、玻璃保温性能差等问题时，会导致室内外热量交换增加，门窗表面温度与周围墙体温度会有差异。红外热像仪可以检测这种温度差异，评估门窗的保温性能。

检测方法：在室内外温差较大的情况下，关闭门窗一段时间后，使用红外热像仪对门窗表面进行扫描，记录门窗各部位的温度分布情况。同时，可结合门窗的气密性检测等其他检测手段，综合评估门窗的保温性能。

2.3 空调系统运行状态检测

制冷/制热效果检测

检测原理：空调系统的制冷或制热效果直接影响室内的温度分布。当空调系统运行不正常时，如制冷剂泄漏、风机故障等，会导致室内温度不均匀，部分区域温度过高或过低。红外热像仪可以检测室内表面的温度分布，发现温度异常区域，从而判断空调系统的运行状态。

检测方法：在空调系统正常运行一段时间后，使用红外热像仪对室内墙面、天花板、地面等表面进行扫描，记录温度分布情况。同时，可结合室内温度传感器的测量数据，综合评估空调系统的制冷或制热效果。

结束语

红外技术在建筑节能现场检测中具有重要的作用，能够直观、快速地发现建筑的热工缺陷和节能问题。虽然该技术存在一定的局限性，但随着技术的不断改进和创新，其应用前景将更加广阔。未来，应进一步加强红外技术在建筑节能检测领域的研究和应用，提高建筑节能检测水平，推动建筑节能事业的发展。

参考文献：

[1]吴鹏飞.红外技术在建筑节能现场检测应用中的基础性研究[D].西安：西安建筑科技大学，2021.

[2]秦仕达.红外热像技术在泌乳牛舍建筑节能现场检测中的应用[D].哈尔滨：东北农业大学，2022.