红外测温技术在建筑节能中的应用研究

田 文

（天津市建设工程质量安全监督管理总队，天津300010）

众所周知，红外热像测温作为一项高新技术在军事和民用领域已得到广泛应用，获得了很好的效果。其研发工作也在随之不断深入，美、德、法、日等发达国家在这方面已经取得了丰厚的成果。社会经济在不断发展，作为支柱产业的建筑业也迎来了空前的机遇，发展的速度与规模相当可观。随着建筑已进入“三步节能”的发展新阶段，亟待引进一种更先进的方法对其功效进行鉴别。红外热像测温技术以其快捷、简便和非接触性等独特的优势应运而生，成为一段时期内难以取代的对建筑节能最行之有效的评价手段。我国在这方面还相对滞后，其发展前景相当可观。

现阶段，建筑节能已成为工程建设日常监管工作的一项重要内容。其作为一个重要的分部工程，必须通过质量验收。建筑节能工程验收已和地基基础工程、主体结构工程和工程竣工验收一起被统称“四步验收”。

一、建筑节能背景

众所周知，自然资源由于人类长期无节制的、掠夺式的开发和利用已遭到严重破坏，濒临枯竭；加之由此而产生的日益严重的环境污染使整个自然生态不堪重负，难以为继。目前，全社会都在大力提倡节能和环保。各行各业都在从自身角度出发，为发展循环经济，保持社会经济可持续发展，构建节约型和谐社会各尽所能，积极奉献。一些绿色能源已被开发和利用。传统能源的开发规模已被加以必要的限制，开采方式更趋合理，技术也更加现代化。

统计显示，建筑所消耗的能源占整个社会总消耗量的约30%，仅全国的建筑节能改造工程一项，就将意味着约2万亿元人民币的资金投入。因此，做好建筑节能工作不仅可以提升建筑产品的使用功能，改善人民的居住条件，提高物质、文化生活品质，而且对节省能源，减少污染排放，保护生态环境，节约资源，无疑将发挥巨大作用。从而对推动社会和经济的可持续健康有序发展，促进和谐社会的建设都将起到不可估量的作用，具有深远的现实和历史意义。

二、现状及发展趋势

目前，建筑节能已进入到一个新的阶段——即全面推行第三步节能。由于一些法律、法规和相关的配套政策没能及时到位，实施“三步节能”的投入产出比例倒挂，产生的社会效益和现实经济利益很难在短期内得到有机的统一。加之行政管理手段比较单一，难以形成有力的市场监管。建筑市场充斥假冒伪劣的材料和产品。一些不具备相应资质和从业资格的单位和人员夹杂其中，市场秩序被破坏，导致建筑节能的工程质量水平大大下降，建筑产品的最终节能效果大打折扣，根本达不到设计的标准和规范的要求，与“三步节能”所要求达到的效果相去甚远，甚至造成更为严重的安全隐患。为切实保护各方的合法权益，规范市场行为，以确保这项事业的健康发展。在加紧研究、制订和贯彻落实一些相关配套政策的同时，政府建设行政主管部门，通过不断创新，运用一些高科技手段，强化对建筑节能工程质量的行政执法监督职能，是非常现实和极其必要的。

随着市场的不断开放，国内、外的人流、物流、资金流和技术流的融合、汇聚，一大批新材料、新产品、新设备和先进的技术、工艺，以及与之相伴而生的五花八门、分门别类的规程、标准和规范等技术文件也如影随形、纷至沓来。这样以来，无形中也给工程质量安全的监督执法工作带来更大的技术难度。由于科技含量不足，造成检测手段匮乏、方法简单、效率低下。工作没少作，问题没少出，事倍功半，已成为严重制约监督职能正常发挥的瓶颈。以目前的行政执法能力和监管水平都难以保证达到预期的效果。从而限制和阻碍了建筑节能的发展进程。从维护建设市场秩序，保障建筑节能顺利实施的角度出发，迫切需要一种行之有效的市场监督管理手段，让这一利国利民的政策落实到位，惠及百姓，真正步入良性、健康发展的轨道。政府在其中应当发挥相当的作用，扮演着至为关键的角色。在端正工作态度，强化法制观念的同时，创新工作思路，大胆借鉴和引进一些国内外先进的高科技成果于监督管理工作当中，提升行政执法水平，维护政府权威。让科学技术融入行政管理，服务经济建设，真正地转化为社会生产力，造福百姓，是社会主义政治文明建设的具体体现。

“工欲善其事，必先利其器。”建设行政主管部门，应该做到与时俱进，发扬创新精神，加强高新技术手段的利用，不断改进和完善自身的工作方法。提高行政执法水平，加大监督管理力度。以适应当前不断变化的形势和解决随时可能遇到的问题。一种“立竿见影”，可以直接、客观地反映建筑节能工程真实的质量信息；生动、形象地体现节能效果的检测手段呼之欲出。

在此，特别提出一种对建筑节能工程质量进行系统分析评价的全新体系。利用红外热像仪和远红外热成像摄像机等先进测温设备对建筑节能情况进行实际监测的方法。

三、红外测温的基本原理

如今，红外热像测温这一高新技术发展得非常之迅速，已被广泛地应用于军事领域，并发挥着其它技术难以替代的极其重要作用。同样，在民用领域，其发展势头也非常迅猛，方兴未艾。前景如火如荼一片光明。美国、德国、英国、法国和日本等发达国家非常重视红外热像测温技术的研发与应用，在这一领域居领先地位［1］。红外热成像技术并不神秘，它距离我们的生活也并不遥远。人们想必对SARS时期“出尽风头”的红外线体温计还是记忆犹新的，它就是红外热像测温技术应用的一个最典型的实例。从物理学原理分析：任何一个物体的温度都在热力学温标的绝对零度（-273 15℃）之上，也就是说，T≥0 K。所以，每个物体都具有一定的温度，也都能成为一个红外辐射源，能够不断向周围发射和吸收红外辐射，且温度分布具有一定的稳定性和特征性。不同物体及同一物体不同部位温度大多不尽相同，也就形成了不同的热场。根据这一原理，通过热成像采集系统捕捉物体红外辐射，并将其转换为数字信号，形成伪色彩热图（图1是一张我国国土红外热图），然后再利用专用分析软件，经专业人员对热图进行分析，排除一些影响因素的干扰，判断出物体温度。进而形成标定温度的可靠依据。红外热成像测温系统采用高分辨率数字测温技术，实现了非接触高精度温度测量。

红外热成像测温技术是在红外焦平面阵列技术的基础上发展起来的。近30年来，红外焦平面阵列技术因其在灵敏度、抗干扰能力和检测精度方面具有的无可比拟的优势得到飞速发展，在很多领域都得到了广泛地应用。随着社会经济和科学技术的不断进步与发展，红外热成像测温技术因其高效、准确、非接触性等独一无二的优势也得到了很大提升。红外热成像测温系统是一种二维的热图像成像和温度测量装置。该系统利用目标与环境之间由于温度辐射和发射率的差异所产生的热对比度，把红外辐射能量密度的分布探测并显示出来，成为“热像”，然后根据己获取的灰度图像的某处的灰度值和建立起的标定温度的模型，显示出该处对应的温度（或平均温度）。根据红外热成像技术的原理，利用这种测温方法结合驱动电路将从非制冷红外焦平面输出的模拟信号转化为数字信号，输入到专业智能芯片，由现场可编程门阵列FPGA控制数据的传输以及完成图像处理。利用其嵌入式处理器软核，完成测温设计和文件系统的设计。最后利用Microsoft推出Visual Studio开发环境平台完成对红外焦平面进行两点校正、温度定标、温度曲线拟合、数据分析等一系列工作。该系统实现了测温的视频显示功能，可从显示器获得清晰的红外热图像和温度信息。该系统工作稳定，可靠性高，具有最高温度实时追踪、点测温、区域测温、线测温、等温线分析等功能。实验结果表明，在10 m内，系统的测温精度达到了0．5℃，达到了系统的要求。

热成像测温的技术优势在于：（1）非接触测量；（2）响应快；（3）不影响被测目标的温度分布；（4）无需达到与被测物体的温度平衡，只需接受辐射；（5）测温范围宽；（6）灵敏度高；（7）空间分辨率高（例如点成像系统1s内可测200kdot）等。瑕不掩瑜，红外测温技术在具备上述优势的同时，还必须考虑测量误差问题。虽然一些因素有可能给测量的精度带来一些影响。如：（1）被测目标物体的发射率；（2）背景因素；（3）大气因素等［2-3］。

但是，通过一些技术手段可以把这些影响降到最低。例如：可以利用非均匀性校正这一图像处理技术和图像增强技术消除或者减弱这些影响。非均匀性校正技术又分为：线性校正技术和非线性校正技术2种。

线性校正假设探测器单元的响应呈线性，

式中：x为某一探测器单元的输入信号；Y 为可测得的输出信号。如果能求出增益因子a和偏移因子b，就可求得无畸变的输入因子x［4］。

在实践中应根据实际测温范围，选择不同的工作波长。通过具体的实验数据，从环境、反射率和距离系数等几个方面，分析查找影响测量精度的原因，并从环境温度与被测目标温度之间的相互关系入手，消除因环境温度产生的红外测温误差［5-6］。

红外热成像摄像机是一种能将物体的红外辐射转化为人眼可见图像的仪器，它不需要可见光，是依靠热量来成像的，属于红外光学领域的高端产品，红外热成像摄像机是集先进的光电子技术，红外热成像技术和图像处理技术于一体的高科技产品。红外热成像摄像机对所拍摄对象的温度有极强的捕捉能力，不同温度在画面上会显示不同颜色，一般情况下，温度越高画面上的颜色就越趋向光谱的暖色系；反之，则正好相反。利用这一原理，就可以通过专业的红外摄像机等设备对已经投入使用的建筑物在采暖期或制冷期的热量散失和热量导入情况进行拍摄记录。

四、应用范围与实例

以单位工程为例，就是在工程项目竣工并交付使用后，在采暖（或制冷）期内，对建筑物的外表面进行系统供热（或制冷）前、中、后期的温度实测，即在标准监测条件下，专业技术人员按照相应的技术规程，利用先进的红外测温技术，对建筑物的表面进行红外热像采集，并利用专业分析软件进行图像——数据转换，从而用数据表明测出的表面温度，通过热工计算公式：θ＝ti＋（tse-ti）／Roai得到墙体内表面的平均温度。从而得出热量散失（或导入）即热损失情况，并记录、传输和储存得到的图像、数据等相关信息（见图2）。利用人工或通过相关设备直接利用专业的计算机软件将其进行统计、整理、分析、参照、比对，得出最终结论，直观地反映建筑物的节能情况，对建筑节能工程质量也就是建筑节能的最终效果综合、科学地进行分析和评价。

图2 建筑节能红外测温评估系统流程图

利用这一技术，不仅可以在单位工程竣工后，通过对建筑节能效果的检测完成对工程质量的评价，也可以利用建立起的红外热像精确测温模型，通过对建筑材料、保温材料等节能保温性能的检测来实现过程监控。以“治病救人”来取代“死后验尸”。甚至还可以推而广之，结合成熟的航空、航天遥感探测技术，对宏观区域内的建筑物进行动态的地毯式扫描或静态的鸟瞰监测——即以飞机（固定翼飞机、直升机和旋翼机等）、微型遥控飞行器（固定翼飞机、直升机、旋翼机和风筝等）、无人机、热气球以及人造地球卫星或其他航空、航天器为载体，搭载该检测系统，通过专业技术人员直接或间接操控，完成对地面不同区域范围实施不同精度等级的监控。结合许多城市正在全面推进的数字化城市建设，实行城市网格化管理，建设数字城市规划测量系统工程，构建起类似我国刚刚建成并投入使用并在实战中发挥出极大作用的对国土资源实施监控的“天网”系统和森林火灾预警系统，不同层级的对建筑节能实际情况进行有效监测的网络。以掌握各地贯彻国家既定节能政策、实施建筑节能工作的实际成效，也为科学决策提供依据。

此前，法国的敦刻尔克市就曾利用直升飞机搭载红外热成像摄像机在城市高空对整个辖区内的建筑物进行鸟瞰俯拍。通过热成像技术，宏观、客观、直观的反映出每个建筑在节能方面所达到的具体效果。从而对整个城市的建筑节能的落实情况一目了然。

五、结论

红外热像测温系统，作为预知性维护和状态监测领域最为先进有效的手段之一，具有温度灵敏度高（目前世界上最先进的红外热像仪，其温度灵敏度可达0．03℃ ）、测温准确、测温范围广、形象直观、可靠性强、使用安全、操作简便、价格适中，可以适应各种恶劣的监测环境的特点。既可现场直测，也可通过对红外热图像信息的数据处理、传输实现远程监控。

红外测温技术是一面镜子、一块试金石，能让一些不良工程和违规行为现身；它为建筑节能工程的质量监管工作提供了技术保障，也为行业行政执法提供了强有力的证据，生动而且直观。即使非专业人员也能一目了然，为执法提供行之有效的举证手段；让监管工作有的放矢。

红外成像测温在其他一些领域的应用已较为普遍和成功，形成了一种很成熟的技术，将其运用在建筑节能方面，技术上不存在太大的问题［6］；只是在具体实施阶段还应结合实际情况加以认真的研发，努力形成科学、规范、高效、简便适用的专业体系。尽快地加以试用和推广。使其在该领域尽早地发挥作用，显现巨大的经济和社会效益。为发展循环经济，保持社会经济的高速和可持续地健康发展，为构建社会主义和谐社会做出应有的贡献。

［1］ 蔡毅，汤锦亚．对红外热成像技术发展的几点看法［J］．红外技术，2000，22（2）：2-6．

［2］ 于伟杰，刘华，彭群生，等．计算机红外成像仿真［J］．计算机应用与软件，2004，21（7）：1-2，15．

［3］ 赵强，刘隆和，唐志凯．目标在复杂背景中的红外成像特性研究［J］．制导与引信，2005，26（3）：14-18．

［4］ 刘志才，李志广．红外热像仪图像处理技术综述［J］．红外技术，2000，22（6）：27-32．

［5］ 晏敏，彭楚武，颜永红，等．红外测温原理及误差分析［J］．湖南大学学报，2004，31（5）：110-112．

［6］ 玄哲浩，贾志海，崔淑琴．红外热像仪温度显示准确性检定方法［J］．激光与红外，2002，32（4）：256-258．