张昂 罗依南 杨子立 胡显斌
摘要：新型建筑多采用节能表皮，通过太阳能光电转换或阻断热传递方式达到保温节能效果。实际建筑使用和施工中常因表皮热缺陷影响节能效果，但热缺陷难以检测。文中设计了一种基于红外热像法的建筑节能表皮热缺陷检测设备。设备采用MLX90640红外热像传感器和STM32F4单片机为核心，通过配套垂挂拉伸结构件和相应的便捷检测方法，用户能够快速检测出具体热缺陷位，并根据红外热成像特征分析缺陷原因。该设计经太阳能表皮和陶土瓦保温表皮实测达到较好效果。
关键词：建筑节能表皮;热缺陷检测;红外热像法;MLX90640
中图分类号：TU712.3文献标志码：A
在能源问题日益严峻的现代社会，建筑节能成为所有建筑设计与施工单位必须考虑的问题。在实际建筑节能实施过程中，建筑表皮保温技术是新型高效且被广泛采用的技术[1]。目前，大量的新型节能表皮被运用于建筑的外立面，如太阳能光伏表皮[2]、气凝胶复合材质表皮[3]、LOW-E真空玻璃表皮[4]等等。這些新型表皮均有良好的节能保温特性。但是，在实际施工中，因建筑表皮施工不到位，偷工减料、设计不合理或材质瑕疵等问题，往往无法达到预期的节能效果。同时，在建筑的长期使用过程中，节能表皮会因形变开裂，材质老化损坏，接线脱落等多种原因造成性能退化或失效，使节能效果大打折扣。这些问题往往无法通过目测的方法发现，也难以通过常规手段对建筑施工完成后的外表面进行检测。除难以在建筑施工及验收检测阶段对建筑外表面的保温效果进行全面检测外，在建筑使用过程中节能表皮出现的问题更难以被及时发现和排除。以光伏建筑表皮为例，往往因阴影效应、结构瑕疵、内连接故障、单元差异性等问题，造成局部模块缓慢退化至失效，进而影响整体节能效果。
因此，需使用一种简便易用的新设备对这类新型节能表皮进行热缺陷检测。新型节能表皮和传统建筑保温技术的差异之一在于：在建筑表皮最外层对入射太阳光线进行控制，如存在局部失效或异常，会在表皮表面形成较大温度差异。例如：LOW-E玻璃表皮为高反射外层加低热传导系数内层构成，太阳能表皮为吸收光能的多晶硅玻璃构成。现阶段对于建筑节能表皮的基于热效应检测方法主要有热流计法[5]、热箱法[6]、红外热像法[7]3种。热流计法通过安装在建筑表皮上的热流计或热电偶进行测定，并统计内外墙面的温度差来计算墙体保温效果，该方法多用于建筑施工验收时的墙体保温现场检测。热箱法是建立一个人工可控的热环境，将实验用建筑表皮放置在内，用多种设备在精准标定热功率的环境下对该表皮的热参数进行测量，多用于建筑施工前评估建筑节能表皮的热参数。前两种方法均只能显示单点或者单位面积的建筑节能表皮热参数，不能进行整个建筑外立面的检测。同时前两种方法的测量较为费时费力，受到现实条件的种种限制，难以在施工、验收过程中进行测试，也难以对建筑使用中产生的缺陷进行监测。唯有红外热像法，直接通过红外图像的方式检测建筑表皮的热参数，测量简单，成本低，速度快，操作难度低，可以实现整体的外立面检测。
目前，国际上已有部分学者和工程人员对红外热像技术在建筑外墙表皮方面的应用进行了研究和工程应用[2]，但国内的应用和研究较少，缺乏专用于建筑表皮的红外热像测试设备和测试标准。部分应用尚处于定性检测阶段，缺乏定量检测和科学的检测方法。本研究基于国家住房和城乡建设部“2010工程建设标准规范制订、修订计划”标准，设计了一套专用于建筑表皮的红外热像测试设备和测试方法，并对测试数据进行定量化分析。该设备和方法可以快速方便地运用于检定建筑表皮的热效应，快速获得热效应异常点的信息，并通过该信息为进一步检测和维修提供依据。
1 检测原理
热红外线是波长介于0.76～1 000 μm的电磁波，所有温度高于绝对零度（-273 ℃）的物体都向外辐射红外线。不同温度的材质，发射的红外线波长也不相同。可通过式（1）
E=εσT （1）
计算物体红外辐射功率和其温度的关系。式中：E为红外辐射能;ε为辐射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;T为物体热力学温度。红外热检测技术即通过检测物体单点的红外辐射，获得物体单点的温度值。将红外热检测的多点矩阵，根据各点不同温度值用不同颜色显示为图像，即为红外热像。建筑的节能表皮在施工质量完好均匀的前提下，因为隔热层厚度、表面材质以及表面均匀平整，在阳光或者周围温度影响下，表现为场面温度场均匀分布，区域面积各点的温度基本相同。当施工不当或材质本身存在缺陷时，温度就会存在局部差异，通过红外热图像可以很容易地找出异常区域。材质一致并施工良好的建筑表皮在相同的外部环境中，应当表现出一致的热红外特性。红外图像用颜色代表温度值，蓝色为低温，红色为高温。在检测过程中，如节能表皮在红外图像中表现的颜色较为一致，则表示性能一致。如图像局部出现异常，则会在图像上看到颜色异常的区域。
节能表皮异常主要分为两类：一类为损坏热缺陷。该缺陷可能由节能表皮材质本身的质量瑕疵引起。例如，真空LOW-E玻璃表皮通过真空层进行热阻断，并通过玻璃镀膜表面反射太阳光，以起到保温效果。当真空LOW-E玻璃因为漏气等问题造成真空度下降时，该片玻璃的热阻降低，不能很好地进行保温阻断，因此其表面温度低于正常值。该缺陷也可能由建筑使用过程中出现的节能表皮老化或损坏引起。例如，采用光伏太阳能板的节能表皮，在进行光电转换时，由光伏板的P-N结产生光电效应，同时产生一个温度变化的红外热辐射温度场。在长期使用过程中，因为光孤岛、阴影、不均匀光照、物理损坏等问题会出现局部光伏板失效异常。
二类为施工热缺陷，即在施工过程中出现工艺瑕疵，造成节能表皮无法发挥应有效果或局部的节能表皮缺失。例如，在真空LOW-E玻璃节能表皮施工时，如存在空鼓、错位或缺失，因为空气间层的影响，导致不良施工处出现局部热缺陷。
红外热图像以红色等暖色代表高温亮点，以蓝色等冷色代表低温暗点。若墙体外的节能表皮一致性好，无碎片、黑片、断栅等问题，无空鼓、错位、缺失等问题，则温度场分布均匀，即红外图像颜色较为一致。如有热缺陷区域，则在红外图像上出现颜色与周围存在明显差异的色斑。由此，可以确定缺陷的存在和故障的位置，以快速及时地进行维修和更替，如图1所示。（a）正常墙体（b）缺陷墙体（c）白天温差（d）夜间温差
2 設备设计
设计的红外温度点阵采集装置采用MLX90640红外热像传感器。该传感器的分辨率为24×32，即可以同时检测768个点的温度值;设计刷新率8 Hz，即1 s测量8次。传感器温度测量范围-40 ℃至300 ℃，测量精度±2 ℃，能够满足建筑表皮的测量要求。设计可根据需要更换前端传感器镜头，实现110×75度的大视场角度或55×35度的小视场角度，以满足不同安装条件和不同范围的测量需求。同时设计带有串口输出功能，直接输出768个温度数据数组，可以储存到电脑上位机，根据不同的建筑表皮热效应参数模型，进行进一步的统计、分析和检测。设备可以根据需要设置监控阈值，自动将超出阈值的点以方框的形式标注出来。其设备检测模块如图2所示。
装置采用STM32F4为主控处理器，外接MLX90640红外成像传感器，通过IIC总线快速采集32×24个像素点的温度点阵数据。温度点阵数据回传至处理器后，对数据进行插值处理，将32×24像素点扩展至128×96，即共有12 288个像素点，使得到的红外成像效果更易于观察和判别。
此外，处理器将温度点阵数据进行颜色处理，色温越低对应温度越高，即温度高的像素点展示为红黄色，温度低的像素点展示为蓝绿色。将该结果在LCD屏上进行显示，使插值后的温度点阵数据可视化效果更佳。同时利用串口通讯将温度点阵数据传输至PC机做进一步处理。
其中，搭配MLX90640传感器的外围电路图如图3所示。
电路图大致可分为4部分。第1部分为电源电路，利用AP2112K-3.3TRG稳压器对输入的VCC电压进行降压稳压，输出3.3 V电压，为MLX90640供电。第2部分为电源指示电路，利用LED灯指示电源的输入情况。第3部分为IIC信号的上拉电路，控制SDA与SCL的压降稳定在3 V。第4部分为适应主控板的扩展接口电路。其PCB板电路如图4所示。
利用MLX90640读取温度并形成热像图的程序流程如图5所示：第1步，需要对外设初始化。在本装置中，需要为LCD、触摸屏以及MLX90640 IIC通讯进行初始化。第2步，需要为MLX90640进行基础参数设置。在本装置中设置18位测量分辨率、8 Hz测量速率以及TV行交错帧模式。第3步，需要对MLX90640进行参数校准，并开辟内存空间，为温度点阵数据存储分配帧缓冲区。第4步，进入采集主循环。
在主循环中，装置利用IIC读取温度点阵原始帧数据，再对原始数据进行计算，得到本帧的温度，并存放到特定数组。为了得到更好的成像效果，设计采用邻近像元点平均法对不良像素进行处理，再通过插值算法扩展像素点阵，从32×24扩展至128×96。
为形成可视化热像图，需要将色彩设置为RGB，并对彩值转换后的像素点进行行场信号扫描，将结果在LCD上显示。设计最终模块实物如图6所示。
为实现高层建筑外立面检测和控制检测传感器距离与建筑表皮距离基本一致，设计了一个垂挂拉伸结构。该结构由支撑架、绞盘、索具、收放机构和刻度组成，可将设备按固定距离自需检测建筑外立面的顶部下放至底部。其中支撑架的横向伸出臂的长度可根据需要进行调节。实测中，以距离建筑表皮0.8～3 m为宜。使用时将该结构件安装在建筑需要检测的外立面顶部，放下绞盘后传感器自上而下地进行红外热像检测，其热像图可以由设置在垂挂结构顶部的显示屏实时获得，并通过绞盘上的刻度获得高度信息。检测人员可在操作中即时截图记录疑似异常点的位置信息，并通过传感器存储的详细温度数据进行进一步检测分析。
3实际运用效果
将该设备运用于实际建筑节能表皮检测，考察其使用效果。检测时间以正午等阳光辐照较为强烈的时段为宜，实验中的检测时间均为上午10点至下午3点之间，天气晴好，日照充足。检测某建筑A的太阳能节能表皮，其表面为非晶硅镀膜太阳能玻璃幕墙。检测发现其约15 m高处外立面有一区域温度比其他区域高10 ℃左右。经拆卸检测，发现该太阳能光伏板存在断栅，断裂区域已无法正常工作。检测热像图如图7所示，其具体位置如图8所示。
检测某建筑B的保温节能表皮，其外表皮保护层为陶土瓦，内侧保温层为聚苯颗粒。检测发现其5.3 m位置有一处0.8 m2左右区域温度低于周边温度约6 ℃，如图9所示。经进一步拆卸检测，发现该处外表皮经过后期修补处理，修补过程中未按照原建筑设计要求补上聚苯颗粒隔热层，造成隔热缺陷。
4结论
红外热像检测技术在建筑节能表皮的工程检测中尚属新技术，行业内尚未形成一套完整的标准化的检测流程。通过实验表明，红外热像检测法的检测速度远高于传统检测方法，检测难度大幅降低，检测准确度和一致性都较高。本研究设计的红外检测模块和检测手段，能够根据不同建筑节能表皮和不同缺陷形式设定不同的测试阈值，以适应不同的材质、问题和测试环境，快速找出缺陷原因，并记录缺陷具体位置。在尚未形成红外检测行业标准前，该设计作为定性普查的一种行之有效的检测方法，为进一步以传统方式检测提供了参考，较之使用手持式红外热像仪进行测试，大大简化了其测试实施难度并降低了设备成本。参考文献：
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（责任编辑：曾晶）
Design of Defect Detection Equipment for Building Energy
Saving Skin Based on Infrared Thermal Imaging Method
ZHANG Ang LUO Yinan YANG Zili HU Xianbin
（1.College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China;
2.Zhicheng College，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China）Abstract：
Energy saving skin is often used in new buildings， which can achieve the effect of heat preservation and energy saving through solar photovoltaic conversion or blocking heat transfer. In actual use and construction， energy-saving effect of building is often affected by skin thermal defects， but the thermal defects are difficult to detect. We design a kind of equipment for building energy-saving skin thermal defect detection based on infrared thermal imaging method. The MLX90640 infrared thermal imaging sensor and STM32F4 single chip microcomputer are used as the core of the equipment. Through the matching structure and measurement method， users can quickly detect specific thermal defects and analyze the causes of defects according to the characteristics of infrared thermal imaging.The design has been tested to achieve good results by using solar energy skin and ceramic tile insulation skin.
Key words：
building energy saving skin; thermal defect detection; infrared thermography; MLX90640
