关于墙体表面温度分布规律的探索

作者：张毅

   由于构造或施工等原因，墙体总难免存在一些热工缺陷，保温隔热墙体内部受潮、保温隔热层厚度不足、冷风渗透、热桥等热工缺陷的存在，都将导致这些部位热损失大于其他部位，造成能量浪费及影响建筑物的正常使用。由于墙体的热工缺陷大多数是隐蔽的，因此靠常规的检测方法，难以判断缺陷部位及缺陷的严重程度。

  红外技术是20世纪发展起来的新兴应用技术，该技术是利用物体温度高于绝对零度都会进行红外辐射的特点而开发的红外热像设备，通过测量物体表面的温度来检测物体的缺陷。由于其不需要与被测物体接触而受到众多行业欢迎，已广泛应用于医疗检测、环境研究、电力设备检测、机械装置检测、过程控制质量监测等方面。红外技术在建筑节能领域中的应用已经起步。由于建筑围护结构在两侧表面存在温差的情况下，围护结构内部缺陷，会导致围护结构表面相应位置的温度出现差异。利用红外热像仪检测围护结构表面的温度差异，通过红外热谱图分析，来推知墙体缺陷的影响。红外技术在建筑上的应用，已开始由定性分析转向定量分析。

  JGJ 133-2009《居住建筑节能检验标准》第一次将红外热像技术用于墙体热工缺陷的定量分析，该标准通过检测围护结构外表面缺陷区域与受检表面面积的比值一相对面积ψ（式1）和内表面因缺陷区域导致的能耗增加比p以及单块缺陷面积的最大面积来判断热工缺陷的。

  沙按照式(1)计算，卢按照式(2)计算。两式均涉及到缺陷区域面积A2的确定问题。JGJ133-2009《居住建筑节能检验标准》是采用计算缺陷部位的温度与无缺陷部位的表面温度T1的温差，再求出与T的温度差大于等于1℃的点所组成的面积的方法来确定A2。

式中：ψ为缺陷区域面积与受检表面面积之比值；卢为受检内表面由于热工缺陷所带来的能耗增加比；T为不包括缺陷区域的受检表面平均温度，oC；T为缺陷区域平均温度，为缺陷区域面积的加权温度的平均值，℃；To为环境参照体温度，℃；A：为缺陷区域面积，m2；A．为受检表面主体区域的面积，m2。

  红外热像仪拍摄的热谱图的分辨率与像素有关，热谱图上每一个像素点表示的是该点的温度。缺陷中间部位的温度与无缺陷部位的温度差别较大，缺陷部位与无缺陷部位之间的过渡区间的温度差别不大，一幅热像图由数十万个温度点组成，确定缺陷区域的边界工作量巨大。JGJ  133-2009《居住建筑节能检验标准》中将温差大于1℃的点所组成的面积作为缺陷区域，将从红外热谱图中确定出缺陷面积的难度降低了，但寻找工作量仍较大，同时该方法没能完全反应缺陷的影响。利用红外技术定量诊断热工缺陷，急需找到1种能够正确描述墙体表面温度分布规律的方法，以便更合理地确定缺陷区域面积。本文试图通过对墙体表面红外热图谱的分析，研究墙体表面温度分布规律，探讨1种识别墙体热工缺陷面积的新方法。

1墙体表面温度分布特点

  目前墙体种类很多，墙体的构造不同，但在室内外温差作用下，无热工缺陷的墙体和有热工缺陷的墙体表面温度分布是不同的。

1.1温度分布均匀的墙体的红外温度热谱图

  由均质材料构成的墙体的主墙面，在相同的内外温差作用下，无热工缺陷时，其表面温度为均匀分布。为了研究温度均匀分布墙体表面的温度分布的统计规律，对位于哈尔滨市的两个小区内的不同建筑的不同部位，采用TVS-100型红外热像仪，拍摄了红外热谱图。

图1为，为在小区1不同房间内拍摄的外墙内表面的红外热谱图及与之对应的表面温度分布图，图中编号101表示1号小区建筑第一面墙，以下相同。拍摄墙体发射率为占=0. 92。图2—图3为在哈尔滨另一个小区拍摄的不同房间内墙体红外热谱图及与之对应的表面温度分布图，拍摄墙体发射率为s=0. 92。图4—图9为由上述小区不同房间内拍摄的均匀墙体表面红外热谱图得出的表面温度分布图。

由图1~图9可见，墙体表面温度分布均匀的墙体，其温度分布图中间高，两边低，基本上以该区域最大分布密度为中心对称分布。

1.2  温度分布不均匀的墙体的红外温度热谱图

  由于构造及其他原因会导致墙体表面温度场的不均匀。如建筑中大量存在的门窗、圈梁、墙脚等部位的热桥造成的温度差异；建筑围护结构中的孔洞、保温缺陷、建筑节点保温处理不当等导致的与周边围护结构的温度差异；建筑构造中埋设的冷热管道泄露、屋面渗漏等导致的温度差异。这些温度差异可以在红外热谱图上反映出来。

图10为由于窗户周边热桥影响的墙体表面红外热谱图及表面温度分布图；图11为保温层有漏洞的墙体表面红外热谱图及表面温度分布图；图12为保温层交界处保温板边缘不整齐，且对接不严密的墙体表面红外热谱图及表面温度分布图；图13为存在圈梁热桥影响的墙体表面红外热谱图及表面温度分布图；图15位有墙角热桥影响的墙体表面红外热谱图及表面温度分布图。

  由上述墙体表面红外热谱图及表面温度分布图可见，由于热工缺陷的存在，导致墙体表面的温度分布不均匀，高低温区域明显。由于缺陷部位的不同，温度分布密度差异较大，图形不对称。图10表明，由于窗户周边热桥的影响，导致窗户热桥区域温度高于无热桥部位，但缺陷部位温度与其余部位温度差别不大，图形为单峰型；图11表明，由于保温层存在孔洞，导致孔洞区域缺陷温度较低，但缺陷区域较小，图形为单峰型；图12表明，由于保温板接缝缺陷，导致缺陷部位温度较低，与非接缝部位温差较大，图形为双峰型；图13表明，由于圈梁影响，导致圈梁部位温度偏高，与其余部位温差较大，缺陷区域较大，图形为单峰型；图14表明，内墙脚温度较低，缺陷特别明显，图形总体呈单峰型，是墙体中最易结露的部位。

2  温度均匀分布墙体表面温度分布规律

鉴于温度均匀分布墙体的表面温度分布特征疑似正态分布，可采用x2拟和优度检验来验证其是否符合正态分布。正态分布函数可表示为

式中：u是正态分布的位置参数，表示正态分布图的水平位置；u是正态分布的形状参数，表示分布的分散程度，盯越大数据越分散。

设总体分布函数为F（x），Fo（x）为一完全已知或类型已知但依赖若干未知参数的分布函数。要检验的假设是Ho:F(x)=Fo（x），即

式中：n；及np。分别为观测频数和期望频数；X2值表示实际观测结果与理论期望结果相对差异的总和。当n一∞时，x2的极限分布是自由度为k-m-l的x2分布。对于给定的a，可以查出临界值x。2（k-m-1），得到Ho的拒绝域为x2≥x。2（k-m-l），否则可接受。

以式(1)为检验函数，进行非参数检验计算。下面以图一为例进行分析。由红外热谱图可以得到表1的数据。

根据表1的数据，取k=16，m=2，由式(3)得到X2 =15. 282，对于给定的a=0.01，可以得到x。2（k-m-l）=27. 688。这表明：X2≤x。2（k-m-l），故可接受。正态分布检验结果表明，图1所示的表面温度均匀墙体的表面温度分布符合正态分布。同理，可得图2—图9的检验结果，详见表2。

  由表2可见，图2—图9的均匀墙体都满足x2≤x。2（k-m-l），同样表明，表面温度均匀墙体的表面温度分布符合正态分布。这样我们就可以认为，只要是温度均匀壁面，不论其面积大小，尺寸形状如何，其表面温度分布形式是对称的，均符合正态分布，其数学期望为整体样本的平均值。

  采用同样的方法分析温度分布不均匀的墙体，分析结果表明，此类墙体表面的温度分布不符合正态分布。

3墙体表面温度特性分析

  由上述分析可知，边界条件相同的构造均匀墙体，以u分界，如果一侧温度分布符合正态分布，那么另一侧的温度分布也符合正态分布，其分布形式是关于数学期望值而对称的；如果墙体构造不均匀，就会造成温度场分布形式的不对称性，且不均匀性越大，不对称性就越大。

  由于正态分布只与墙体的温度均匀程度相关，与壁面区域尺寸、形状无关，而温度均匀的墙体不会存在热工缺陷，因此我们可以规定符合正态分布的墙体是非热工缺陷墙体。如果规定，一面墙体中温度分布符合正态分布的部分是非热工缺陷部分，不符合正态分布的部分为缺陷部分的话，那么我们就可以认为红外热谱图中的温度不对称部分就是缺陷部位，其不对称外延部分越大，缺陷部位影响就越大。实际墙面的温度分布不对称性是由热桥等“缺陷”造成的，对这部分温度外延部分进行分析，可以实现缺陷部位的能耗以及其它方面的量化分析。

4  应用举例

  按上述思想，可以将存在热工缺陷的红外热谱图分解为均匀区域和缺陷区域，并根据缺陷区域的大小，判断其缺陷程度。以图11所示的存在圈梁热桥影响的墙体表面红外热谱图为例，来判断其缺陷状况。

将图11所示的红外热谱图分解为两部分(图15)。用实线圈出的区域I为墙体的主体区域，它根据温度均匀表面是关于数学期望值对称的特点而构建的，是假定没有热桥影响时的墙体表面的温度分布，该温度分布符合正态分布；减去正态分布区域后的剩余部分为区域Ⅱ，是由于圈梁造成的非对称部分的温度分布，表示的是比正常区域（假定的无热桥部位）多耗能的部分。此时区域I平均温度t1=7.5℃；外延部位平均温度t2=8.3℃，外延部位所占比例为总面积的62.82%，缺陷部位能耗为无缺陷时能耗的1. 22倍。

5  结论

  由上述分析可知：

  1)均匀墙体表面温度分布符合正态分布，其数学期望是其均值，均值越高，墙体表面平均温度越高；方差越小，表面温度越均匀。

  2)同一壁面温度场是若干个均匀温度场叠加而成的结果，缺陷部位的温度分布不对称，分布曲线外延部分即是由缺陷部位造成的，外延部分越大，缺陷部位影响越明显。

3)通过对外延部分分析，可以实现对缺陷的定量分析。

5[摘要]对均匀墙体表面的红外热谱图的分析表明，均匀墙体表面温度分布符合正态分布，图形是对称的，而非均匀墙体表面温度分布是非对称的，这种非对称性是由缺陷部位造成的，其不对称外延部分越大，缺陷部位影响就越大。本文研究为利用红外热像仪进行建筑热工缺陷研究提供一种新思路。