蔣濟同, 徐華峰, 吳景福

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 青島 266100)

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紅外熱像法檢測建筑物外墻外保溫缺失的數(shù)值模擬

蔣濟同, 徐華峰, 吳景福

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 青島 266100)

介紹了紅外熱像法檢測外墻外保溫缺失的原理，闡述了ANSYS有限元數(shù)值模擬的基本步驟，并建立了自然狀態(tài)下帶保溫缺失外墻的三維傳熱模型。通過紅外熱像試驗,驗證了該模型的可行性，并結(jié)合保溫缺失實際情況，通過模擬分析了不同缺陷參數(shù)、墻體朝向、季節(jié)等多種組合條件下紅外現(xiàn)場檢測的最佳檢測時間，為質(zhì)檢部門現(xiàn)場檢測熱工缺陷提供參考。

紅外熱像法; 數(shù)值模擬; 保溫缺失; 最佳檢測時段

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，建筑能耗占全社會總能耗的比例在持續(xù)增長，而建筑物外墻傳熱面積約占整個建筑物外圍護結(jié)構(gòu)總面積的66%,通過外墻傳熱所造成的能耗損失約占建筑外圍護結(jié)構(gòu)總能耗損失的48%，因此提高建筑物圍護結(jié)構(gòu)特別是建筑外墻的保溫隔熱性能，降低其傳熱損失迫在眉睫。外墻外保溫技術(shù)的優(yōu)越性明顯，廣泛應(yīng)用于既有建筑的節(jié)能改造和新建建筑節(jié)能。紅外熱成像技術(shù)作為一種直觀、有效的建筑外墻熱工缺陷診斷方法，可迅速、全面地檢測到肉眼無法看到的保溫缺陷，但目前現(xiàn)場檢測工程量大，任務(wù)繁重；若能在檢測前判定出最佳檢測時間段，可以提高現(xiàn)場檢測的效率。

筆者在分析墻體實際傳熱過程的基礎(chǔ)上，針對外墻外保溫缺失這種常見的熱工缺陷，利用有限元數(shù)值模擬的計算方法，分析自然狀態(tài)下缺陷參數(shù)、墻體朝向、季節(jié)等對外墻外表面溫度差峰值的影響，從而確定紅外熱像技術(shù)檢測不同組合條件下外墻外保溫缺失的最佳檢測時段。

1　 紅外熱像法檢測保溫缺失概述

1.1紅外熱像儀的工作原理

紅外熱像儀是基于表面輻射溫度的原理,能產(chǎn)生熱像的紅外成像系統(tǒng)。它集光電成像技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身,通過接收物體發(fā)出的紅外輻射,再將其以熱像的形式顯示出來;而這種熱圖像與物體表面的熱分布場相對應(yīng),通過分析熱圖像可準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況,具有非接觸、準(zhǔn)確、實時、快速等特點[1]。

紅外熱成像檢測方法能夠快速檢出由于外墻保溫層的遺漏、施工等原因造成的保溫層破損、殘缺及遺留孔洞等問題,因此我國在JGJ 132-2009 《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了“建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工缺陷宜采用紅外熱像法進行定性檢測”。

1.2保溫缺失外墻傳熱過程

外墻時刻受到室內(nèi)外的熱作用,不斷有熱量通過外墻傳進或傳出。外墻由于平面尺寸遠遠大于厚度,所以可以簡化為單向傳熱。

熱量傳遞主要可分為三個過程：① 表面吸熱。② 墻內(nèi)導(dǎo)熱。③ 表面散熱。以夏天為例，當(dāng)夜晚時，室外溫度低于室內(nèi)溫度，墻體內(nèi)表面通過熱對流吸收室內(nèi)空氣中的熱量，再將熱量以熱傳導(dǎo)的形式從內(nèi)表面?zhèn)鬟f到外表面，最后外表面將熱量通過熱對流散發(fā)到室外；而當(dāng)白天時，隨著太陽輻射給外表面和室外空氣的升溫作用，室外空氣溫度開始逐漸高于外表面溫度，而外表面溫度也高于內(nèi)表面溫度，于是外表面開始熱對流吸熱，將熱量導(dǎo)熱到內(nèi)表面，再由內(nèi)表面將熱量散發(fā)到室內(nèi)。以最常用EPS板薄抹灰外保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)層由內(nèi)到外為內(nèi)飾面、主體、結(jié)合層、保溫層和保護層。墻體傳熱過程如圖1所示。

圖1　墻體傳熱過程示意

而當(dāng)保溫層存在破損、殘缺以及殘留的孔洞時，缺陷處的保溫層存在熱量滲漏，傳熱系數(shù)變大，加速了熱量的流失，最終會在物體表面形成相應(yīng)的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，這種由里及表出現(xiàn)的溫差現(xiàn)象，也就是紅外熱像法檢測保溫缺失熱工缺陷的原理。紅外檢測保溫缺失的原理如圖2所示。

圖2　紅外檢測保溫缺失原理示意

如圖2所示，熱流從外表面注入時，若保溫層內(nèi)出現(xiàn)缺失，則從外表面檢測，缺失處對應(yīng)外表面出現(xiàn)相對正常區(qū)域的低溫，原因是缺失的保溫層相對正常保溫層在厚度上傳熱系數(shù)變大，導(dǎo)熱量增多，致使缺陷處對應(yīng)外表面熱交換加快，溫度降低；當(dāng)熱流從內(nèi)表面注入時，因為缺陷處導(dǎo)熱量增多，致使對應(yīng)外表面升溫相對增多，所以從外表面檢測時,對應(yīng)外表面出現(xiàn)高溫。通過分析紅外熱像儀所拍攝的圖像，與可見光照片對比，即可直觀地看到保溫缺失對應(yīng)的外墻面位置。

1.3紅外熱像法檢測保溫缺失常見問題

瑞典早在1966年就開始采用紅外熱像技術(shù)來檢測建筑物節(jié)能保溫性能，美國、德國等許多國家的研究人員也都進行過這方面的研究工作[2-3]。目前,紅外熱像技術(shù)在我國只作為輔助手段，其通過檢測外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱缺陷來綜合評價建筑物的保溫性能。

在我國通用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 132-2009 《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標(biāo)準(zhǔn)》中，所檢圍護結(jié)構(gòu)熱工缺陷以外的面積稱為主體區(qū)域，受檢外表面熱工缺陷采用主體區(qū)域平均溫度與缺陷區(qū)域平均溫度之差ΔT來判定。外墻外表面缺陷主要是相對主體區(qū)域而言的，采用紅外熱像儀，主體區(qū)域平均溫度很容易確定，因此采用主體區(qū)域平均溫度作為比較的基礎(chǔ)，而將與主體區(qū)域平均溫度(T1)的溫度差不小于1 ℃的點所組成的區(qū)域定義為缺陷區(qū)域。受檢外表面的熱工缺陷采用相對面積(ψ)來評價，其值為受檢缺陷區(qū)域面積與主體區(qū)域面積的比值。ΔT可以反映缺陷的嚴重程度，相對面積ψ則反映了缺陷的影響區(qū)域。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用紅外熱像法的檢測在供熱系統(tǒng)正常運行后進行，為避免陽光直射對檢測結(jié)果的影響，檢測選擇在夜間進行，且要求室內(nèi)外溫差不低于10 ℃；因此只有選擇在冬天或夏天的晚上進行，且有時還需遮擋直接照射的陽光，這給為現(xiàn)場檢測確定最佳的檢測時間帶來了難題，也降低了外表面熱工缺陷的檢測效率。

目前紅外熱像檢測技術(shù)在缺陷深度、大小的定量化研究中,用于試驗的材料多為勻質(zhì)材料,其缺陷的深度較淺,尚無適當(dāng)?shù)挠嬎隳Ｐ瓦\用于復(fù)雜的實際工程當(dāng)中[4]。利用紅外熱像儀可以探測出由于保溫層、濕含量以及氣密性等原因造成的缺陷, 但由于建筑物外墻由多層復(fù)合材料組成，表面紅外輻射能受周圍環(huán)境影響較大，因此，在定量化測試和分析上尚有許多技術(shù)問題需要解決[5]。

2　ANSYS有限元數(shù)值模擬

有限元分析是對物理現(xiàn)象(幾何實體及載荷工況)進行求解的數(shù)值模擬，是對真實情況的近似，其通過將分析對象劃分為有限個單元，通過求解有限個節(jié)點的未知量來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量[6]。

溫度場隨時間發(fā)生變化的傳熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。實際上，無論是在自然界還是在工程中，絕大部分傳熱過程都是非穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱按進行特點可分為周期性傳熱和非周期性傳熱兩種。周期性傳熱是指導(dǎo)熱物體的溫度隨時間發(fā)生周期性變化；而非穩(wěn)態(tài)傳熱是指物體內(nèi)的溫度隨時間不斷升高或降低，并在相當(dāng)長時間后逐漸趨于周圍介質(zhì)的溫度而最終達到平衡，這類傳熱過程又稱為瞬態(tài)傳熱[7]。

外墻白天每小時受到不同強度的太陽輻射照射，伴隨著墻體溫度的上升和下降，而夜晚沒有太陽輻射的作用，室內(nèi)外空氣基本趨于穩(wěn)定，于是墻體傳熱過程趨于平衡狀態(tài)，因此外墻的傳熱過程分析可歸為瞬態(tài)熱分析。

2.1瞬態(tài)熱分析基本步驟

ANSYS瞬態(tài)熱分析包括三個主要過程：建立有限元模型、施加載荷和求解、后處理。

2.1.1建立有限元模型步驟

① 過濾圖形用戶界面。② 確定工作文件名、工作標(biāo)題與單位制。③ 進入PREP7前處理器。④ 選擇單元類型，設(shè)置單元選項，定義單元實常數(shù)。⑤ 定義材料熱性能參數(shù)。⑥ 創(chuàng)建幾何模型。⑦ 網(wǎng)格劃分。

2.1.2 施加載荷和求解步驟

① 定義分析類型，瞬態(tài)分析為Transient。② 設(shè)置初始條件，可以為均勻溫度場，即所有節(jié)點溫度相同；也可以選擇指定點、線、面，設(shè)置節(jié)點溫度；不僅可施加溫度載荷，還可施加熱流率、熱對流、熱流密度、生熱率和熱輻射率等條件。③ 指定載荷步選項，包括設(shè)置計算終止時間、載荷步的載荷子步數(shù)、載荷恒定或漸變、時間步長是否自動調(diào)節(jié)、時間積分是否打開、非線性選項和輸出控制等參數(shù)。④ 求解。

2.1.3后處理

ANSYS后處理提供兩種方式:通用后處理(POST1處理器)和時間歷程后處理(POST26處理器)。通用后處理用于展現(xiàn)整個模型在某一載荷步(時間點)的結(jié)果，而時間歷程后處理可用于展現(xiàn)模型中特定點在整個瞬態(tài)傳熱過程的計算結(jié)果。

2.2數(shù)理模型的建立

EPS薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代才在我國出現(xiàn)的新型墻體節(jié)能系統(tǒng)，其采用了聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS板)這種質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)很小的保溫材料，并且價格相對低廉，從而成為目前市場上最受歡迎的外墻外保溫系統(tǒng)。本模型以EPS薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)形式，針對20世紀(jì)80～90年代大批既有建筑節(jié)能改造的工作量，以240 mm厚普通粘土磚墻為主體，內(nèi)抹面為10 mm厚的砂漿抹面，用40 mm厚EPS(聚苯乙烯泡沫)板作保溫層，主體基層與保溫層間為5 mm厚砂漿結(jié)合層，外表面為5 mm砂漿抹面；而保溫缺失取規(guī)格面積為200 mm×200 mm，厚度為20 mm，深度(缺陷外邊緣距離保溫層外邊緣的距離)為0 mm，保溫缺失處完全填充抹面砂漿。具體模型如圖3所示;各種材料的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1　墻體材料熱物理參數(shù)

圖3　數(shù)理模型結(jié)構(gòu)示意

為了簡化計算，對模型進行了假設(shè)：

① 外墻看作是多層連續(xù)、各向同性的常物性結(jié)構(gòu)，無接觸熱阻。② 在檢測日當(dāng)天內(nèi)室內(nèi),溫度恒定、內(nèi)外壁面的對流換熱系數(shù)為常數(shù)。③ 外表面所吸收的太陽輻射在一小時內(nèi)看作常數(shù)。④ 抹面砂漿填滿保溫缺失處，無空鼓存在，與外抹面緊密接觸無熱阻。

由圖1墻體傳熱過程可知，墻體的熱量主要由對流和太陽輻射獲得，空氣對流和輻射對建筑物外墻外表面的總換熱量q為：

(1)

(2)

式中:aw為外墻外表面與室外空氣間的換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；tw為外墻外表面溫度，℃；tf為室外空氣的溫度，℃；te為綜合溫度，℃；ρ為外墻外表面對太陽輻射的吸收系數(shù)；I為外墻外表面接受的太陽輻射總強度，W·m-2。

室外綜合溫度te是一個工程上表達太陽輻射和室外空氣溫度對外墻外表面綜合作用的一個物理量；由式(2)可知，要得到綜合溫度值，需要計算室外氣溫tf、太陽輻射總強度I。日氣溫可按下式計算：

將式(3)按兩階傅里葉展開得到：

(5)

式中：tw,τ為檢測當(dāng)天第τ 時刻的室外氣溫，℃；tw,max為檢測日的最高氣溫，℃；ατ為模比系數(shù)，其日平均值為0.522；Δtw為日溫差，檢測日的最高氣溫和最低氣溫的差值，℃。

檢測當(dāng)天的溫度范圍可提前由天氣預(yù)報得知，由式(5)即可獲得近似逐時的日氣溫。

照射在建筑維護結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射總強度由直接輻射、天空散射和地面反射三部分組成，具體計算公式參照文獻[8]。

假定檢測日期為秋分(9月22日)，檢測對象為普通粘土磚砌體西面外墻。從檢測日前四天(9月18日)開始數(shù)值模擬，以消除初始溫度場給結(jié)果帶來的誤差，建立模型前需要計算相關(guān)物理量，包括秋分西墻五天的太陽輻射總強度I逐時值、五天日氣溫tf逐時值、外墻外表面吸收系數(shù)取水泥砂漿輻射率0.54、秋分外墻外表面總換熱系數(shù)取ASHRAE公式(墻外表面換熱系數(shù)計算公式)中風(fēng)速5 m·s-1時粗糙面的值21.727 W·m-2·K-1、內(nèi)表面換熱系數(shù)取8.72 W·m-2·K-1。

2.3有限元計算過程

2.3.1建立有限元模型

① 進入前處理器PREP7，選擇SOLID70三維實體8節(jié)點六面體單元，自由度為溫度。② 按表1中取值定義各種材料熱物性參數(shù)。③ 按圖3的尺寸大小建立幾何模型。④ 劃分網(wǎng)格時，先沿X軸方向(墻體厚度)劃分，各層劃分比例為2∶20∶1∶8∶1，其中保溫層再按缺陷外邊沿劃分為1∶1，即為2∶20∶1∶4∶4∶1;Y、Z軸方向劃分比例均為8∶8∶8；最后按不同材料劃分單元，并將材料屬性賦予其中。

2.3.2施加載荷和求解計算

① 定義熱分析為瞬態(tài)熱分析。② 設(shè)定外墻初始溫度為均勻溫度20 ℃；內(nèi)外表面均施加對流載荷，室內(nèi)空氣溫度恒定為20 ℃，室外溫度取由太陽輻射和對流綜合作用而來的綜合溫度，綜合溫度逐時值由式(5)計算而得，秋分當(dāng)天逐時(1∶00～24∶00)綜合溫度分別為20，20，20，19，20，20，22，23，26，28，29，31，40，48，52，51，44，25，24，23，23，22，21，21 ℃。③ 因為綜合溫度逐時改變，選擇載荷類型為階躍式。④ 設(shè)定計算終止時間為43 200秒(五天)，載荷步長為3 600秒，共120載荷步。⑤ 控制結(jié)果文件，求解。2.3.3后處理

利用ANSYS的POST1處理器可得到模型在每一載荷步下的表面溫度云圖，特別是秋分當(dāng)天每一小時時刻墻體的溫度分布云圖，選取外表面即可讀取每一時刻外表面的溫度信息，包括溫度范圍、熱影響區(qū)域范圍、缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的大致平均溫度。在POST26處理器中，可得到每一節(jié)點和單元在每一載荷步下的溫度值，并可對這些結(jié)果進行各種運算和曲線圖形顯示，筆者主要提取中心點的溫度值信息，從而分析與正常區(qū)域平均值的溫差。

2.4計算結(jié)果分析

由POST1通用處理器可得到秋分西墻逐時的墻體溫度云圖，4∶00、11∶00、 15∶00、18∶00時刻外表面溫度分布如圖4所示。

圖4　模型外表面不同時刻的溫度分布云圖

從圖4可知,缺陷區(qū)域?qū)?yīng)外表面出現(xiàn)異常區(qū)域，且其異常區(qū)域溫度與正常區(qū)域溫度之差先由正值變?yōu)樨撝?，再變成正值，即由“熱區(qū)”變成“冷區(qū)”再變成“熱區(qū)”。發(fā)生此變化的原因是太陽輻射和對流對外墻面的綜合作用。凌晨時無日照作用，室外空氣溫度低于室內(nèi)，熱量由內(nèi)表面對流吸收，沿墻體厚度方向?qū)岬酵獗砻?，再由外表面對流換熱散發(fā)到室外，因缺陷部位沿厚度方向保溫層缺失，此處墻體傳熱系數(shù)變大，加速了熱量的傳遞，從外表面檢測時會出現(xiàn)熱斑；白天，隨著太陽輻射的增溫作用和墻體傳熱的滯后效果，室外空氣溫度逐漸高于室內(nèi)溫度，熱量反方向傳遞，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)小，對熱量的傳遞有一定的阻隔作用，而缺失保溫層處減小了這種阻隔，熱阻變小，熱量快速傳導(dǎo)向室內(nèi)，致使缺陷處對應(yīng)外表面出現(xiàn)低溫區(qū)域；傍晚隨著日落，太陽輻射的作用逐漸減小，所帶來的增溫效果逐漸消失，室外空氣溫度降低至低于室內(nèi)溫度時，熱量又開始由內(nèi)向外傳遞，從外表面檢測到熱斑。

由溫度分布云圖可得到某時刻正常區(qū)域的平均值以及缺陷熱影響區(qū)域的大致范圍，再結(jié)合POST26時間歷程后處理器，即可得到各節(jié)點的溫度變化。節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)將與主體區(qū)域平均溫度(T1)的溫度差不小于1 ℃的點所組成的區(qū)域定義為缺陷區(qū)域，通過分析溫度分布云圖缺陷區(qū)域臨界節(jié)點的溫度，即可計算出缺陷區(qū)域的面積。

根據(jù)中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的溫差峰值來確定最佳檢測時段，因此筆者主要從POST26后處理結(jié)果圖中讀取中心點溫度，從各時刻溫度分布云圖得到正常區(qū)域平均溫度。中心點溫度變化如圖5所示。中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的溫差如表2所示。

表2　中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的差值　℃

圖5　連續(xù)五天的中心點的溫度變化

結(jié)合表2和2.3.2可知，秋分西墻外表面中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的溫差峰值出現(xiàn)在綜合溫度大幅上升和大幅下降之后的時刻，即14∶00(低溫)和18∶00(高溫)；13∶00～14∶00間升溫8 ℃，而17∶00～18∶00間降溫19 ℃,而夜晚差值均小于1 ℃。因此，臨近秋分若需要紅外檢測外表面熱工缺陷特別是保溫缺失，可選擇14∶00～15∶00或17∶30～18∶00為最佳檢測時段。

3　試驗驗證

為了驗證墻體傳熱模型的可行性，進行了自然條件下真實墻體外保溫缺失試驗:使用紅外熱像儀采集墻體外表面溫度信息，使用溫度計記錄室內(nèi)外逐時氣溫，以這些數(shù)據(jù)為輸入，加載到模型中，與實際所測外表面溫度分布特征進行對比。

3.1試驗裝置及試件制作

所用的紅外熱像儀型號為TH9100WV，測溫溫度計采用最小刻度為0.5 ℃的干濕球溫度計。試驗對象為中國海洋大學(xué)校園內(nèi)一實驗用房，周圍無遮擋，該房屋為240 mm厚磚砌體結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面抹10 mm厚砂漿，外表面用5 mm厚砂漿粘貼40 mm厚面積為600 mm×1200 mm保溫板，再外抹5 mm

厚砂漿作保護層。為了與驗證模型和熱工缺陷評定等級[9]對應(yīng)，將一塊保溫板挖去厚度為20 mm、面積分別為50 mm×50 mm(無明顯缺陷)、100 mm×100 mm(一般缺陷)、200 mm×200 mm(一般缺陷)的部分；將另一保溫板挖去厚度為40 mm、面積分別為50 mm×50 mm、100 mm×100 mm、200 mm×200 mm的部分，再用外抹面砂漿將保溫板缺失部位填滿，最后保溫層外表面抹上5 mm砂漿。

3.2試驗結(jié)果與分析

紅外熱像儀拍攝時間為2014年9月22日秋分0∶00～24∶00，每到整點時刻對兩塊缺陷保溫板各拍攝一張紅外照片，并用干濕球溫度計記錄下整點時刻的氣溫。

圖6　試件在不同時刻的實測紅外圖像

依據(jù)實測紅外圖像中的溫度數(shù)據(jù),得到最佳檢測時段及對應(yīng)中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的差值，如表3,4所示。

表3　20 mm厚缺陷的實測最佳檢測時段與溫度差值

表4　40 mm厚缺陷的實測最佳檢測時段與溫度差值

可見，20,40 mm厚的保溫缺陷均存在低溫峰值和高溫峰值時的最佳檢測時段，但40 mm厚缺陷的最佳檢測時段相對延遲了一個小時。

以實測的氣溫為載荷施加到模型中，得到模型中的最佳檢測時段及對應(yīng)中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度差值如表5,6所示。

表5　20 mm厚缺陷的模型最佳檢測時段與差值

表6　40 mm厚缺陷的模型最佳檢測時段與差值

比較表3～6得到,20 mm厚的最佳檢測時段出現(xiàn)在綜合溫度大幅升溫4 ℃(14∶00～15∶00)和大幅降溫20 ℃(17∶00～18∶00)時段；而40 mm厚的最佳檢測時段仍然在升溫和降溫時段，但相比延遲了一小時。差值誤差的存在受到眾多因素的影響，包括外表面砂漿輻射率、換熱系數(shù)等參數(shù)確定、環(huán)境因素如風(fēng)速的影響及拍攝條件的限制，但從表中信息可知，用該模型來簡化模擬外墻的傳熱過程具有一定的可行性，后續(xù)將利用該模型進行最佳檢測時段的拓展分析。

4　數(shù)值模擬分析

為了分析紅外熱像法檢測保溫缺失缺陷的能力以及判斷在不同季節(jié)、不同朝向的最佳檢測時段是否不同，此處設(shè)定了不同的缺陷參數(shù)、朝向、季節(jié)的多組合條件。

4.1不同組合的設(shè)定

以上述數(shù)理模型為基礎(chǔ)，按實際保溫缺失情況，從厚度上將缺陷分為20,30,40 mm三種；從深度上將缺陷分為0,10,20 mm；依據(jù)缺陷評定等級將面積劃分為50 mm×50 mm、100 mm×100 mm、200 mm×200 mm；墻體朝向上分為正東、正南、正西、正北；季節(jié)上選擇四季典型日：春分、夏至、秋分、冬至。

因為保溫缺失一般與主體接觸或者砂漿外抹面接觸，所以當(dāng)深度為0 mm時，厚度上有20，30，40 mm三種；深度為10 mm時，厚度上只有30 mm一種；深度為20 mm時，厚度上只有20 mm一種。一個季節(jié)一種朝向下有5×3=15種組合，即一共有15×4×4=240種組合。

4.2最佳檢測時段的確定

為了減小初始溫度帶來的誤差，均選擇從各季節(jié)典型日四天前開始模擬，春分從3月17日至3月21日，夏至從6月17日至6月21日，秋分從9月18日至9月22日，冬至從12月17日至12月21日。各典型日初始溫度、室內(nèi)溫度、換熱系數(shù)如表7所示。

不同組合的太陽輻射強度、日氣溫都選擇青島地區(qū)，各典型日不同朝向的日照時間表8所示。

表7　各典型日的加載參數(shù)取值

表8　各典型日的不同朝向日照時間

按瞬態(tài)熱分析步驟，對每種組合建立模型，施加載荷和求解，通過POST1和POST26處理器可得到每種組合下各時刻的溫度分布云圖和中心點的溫度值，通過比較中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的差值，對差值小于1 ℃的不作考慮，從而得出各典型日不同朝向的最佳檢測時段。

由數(shù)值模擬結(jié)果表明:在同一典型日下不僅東、南、西、北四個朝向墻體的最佳檢測時段不同，而且隨著缺陷參數(shù)的變化，最佳檢測時段也發(fā)生變化。

以春分東墻和北墻為例:① 東墻白天低溫峰值的最佳檢測時段,深0 mm,厚20 mm的缺陷外墻為7∶00～8∶00，深0 mm,厚30 mm和深0 mm,厚40 mm的缺陷外墻均為8∶00～9∶00；高溫峰值最佳檢測時段,只有深0 mm,厚40 mm的凌晨4∶00～5∶00時段；而隨著深度增加，深10 mm,厚30 mm和深20 mm,厚20 mm的缺陷外墻均無最佳檢測時段。② 北墻只有深0 mm,厚40 mm的缺陷外墻存在高溫峰值的最佳檢測時段4∶00～5∶00。

由此得出，缺陷面積只影響峰值的大小即最佳檢測時段是否存在，而不影響最佳檢測時段的早晚；缺陷面積、深度不變，厚度越大時,最佳檢測時段越延遲；缺陷面積、厚度不變，深度越大時,不僅峰值越小而且最佳檢測時段越延遲。

對可檢測缺陷外墻進行統(tǒng)計，分低溫峰值和高溫峰值檢測時段，得到不同季節(jié)不同朝向外墻最佳檢測時段如表9所示。

表9　不同季節(jié)不同朝向的最佳檢測時段

表9的最佳檢測時段是在中心點溫度與正常區(qū)域平均溫度的差值不小于1 ℃的基礎(chǔ)上確定的，尚未考慮實際檢測中紅外熱像儀的分辨率、距離系數(shù)等拍攝條件及環(huán)境因素。因此,要確定最終的最佳檢測時段,應(yīng)在此基礎(chǔ)上提取外墻外表面的缺陷區(qū)域面積，從而判定紅外熱像法是否能檢測到對應(yīng)的面積缺陷，即紅外熱像法的檢測能力。

5　結(jié)論

(1) 紅外熱像法檢測外墻外保溫缺失缺陷的最佳檢測時段分為低溫和高溫最佳檢測時段，即該種類缺陷不僅在夜晚可以檢測，而且在白天也能檢測到。

(2) 缺陷參數(shù)、墻體朝向、季節(jié)對紅外熱像法現(xiàn)場檢測保溫缺陷都有影響，在最佳檢測時段(表9)進行紅外熱像儀大面積掃描檢測時效果更佳。

(3) 低溫最佳檢測時段出現(xiàn)在室外綜合溫度大幅度上升或下降之后，而高溫最佳檢測時段一般只出現(xiàn)在室內(nèi)外溫差較大的冬至夜晚或西墻快速大幅降溫以后。

(4) 外墻外保溫缺失缺陷的面積變大，外表面溫度差峰值變大，最佳檢測時段不發(fā)生改變；外墻外保溫缺失缺陷的深度越大，外表面溫度差峰值越小，最佳檢測時段推遲；外墻外保溫缺失缺陷的厚度越大，外表面溫度差峰值越大，最佳檢測時段推遲。

(5) 墻體朝向上，東、南、西墻一年四季均存在低溫最佳檢測時段，而只有西墻存在高溫最佳檢測時段；北墻只有在缺陷厚度較大或夏至有太陽直接照射時才出現(xiàn)最佳檢測時段。

(6) 季節(jié)上，只有冬至?xí)r的室內(nèi)外溫差較大，存在高溫最佳檢測時段。

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Numerical Simulation of Infrared Thermographic Inspection of the Lack of Thermal Insulation in Exterior Wall of Building

JIANG Ji-tong, XU Hua-feng, WU Jing-fu

(College of Engineering, Ocean University of China Engineering Institute, Qingdao 266100, China)

The principle of detecting the lack of external thermal insulation of exterior wall by Infrared thermography was introduced, and the basic steps for ANSYS finite element numerical simulation was discussed. Three dimension heat transfer model of exterior wall which contained the lack of thermal insulation was established. The feasibility of the model was verified by infrared thermographic experiments. Considering the actual situation of the lack of thermal insulation, the optimal testing time of infrared detection in different conditions combined with defect parameters, orientation of wall and seasons was analyzed by numerical simulation, providing suggestions of detecting thermal irregularities for the quality control agencies.

Infrared thermography; Numerical simulation;The lack of external thermal insulation; The optimal testing time

2015-01-26

蔣濟同(1966-),男,教授,博士，副院長,主要從事建筑物無損檢測和結(jié)構(gòu)工程等研究工作。

10.11973/wsjc201510010

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0039-08