CN109520671A - 基于红外热成像技术的冷热风渗透量定量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外线成像技术的冷热风渗透量定量测量方法，属于建筑检测技术领域，其目的在于快速检测出建筑围护结构(门、窗)的渗透风量，数据可用于供暖能耗及室内空气品质相关的研究。包括以下步骤：选取需要测量的门窗；用红外热成像仪拍摄门窗缝隙处的红外热成像图像；测量门窗内外压差，同时结合缝隙处的热成像图像，选取两个梯度较大的点测量缝隙处风速；对热成像图像进行处理，自动识别缝隙并得到缝隙每个微元段的温度梯度；利用测得的两点风速和温度梯度，结合傅里叶公式得到门窗缝隙处温度梯度与渗透风速的关系式；读取微元段的温度梯度，结合以上关系式计算每个微元段的渗透风速；根据伯努利方程计算得出门窗缝隙宽度；将上述计算所得的微元段风速以及缝隙宽度相乘即可计算得出门窗冷热风渗透量。本发明与传统的压差法相比提高了计算的速度，测量误差较小，是一种能够普遍适用的测量房间冷热风渗透量的新方法。
Description
(一)技术领域
本发明属于建筑检测技术领域，具体涉及一种基于红外线成像技术的冷热风渗透量定量测量方法，用途在于能够方便的检测出建筑围护结构的渗透风量。
(二)背景技术
建筑物的漏风量对定量评估空气渗透引起的建筑能耗以及室内人员对室外颗粒物的暴露非常关键。为了获得漏风量，需要测量建筑物的气密性，目前测量建筑物气密性的常规方法是压差法。压差法的原理是在待测房间与室外环境之间人为制造一个压差，然后测量对应压差下的送风量或者排风量进而换算出房间的漏风系数。国内外已有很多学者通过研究建立了不同国家部分地区建筑的冷风渗透模型，并且建立了气密性数据库。但是压差法这种方法操作较为复杂，无法实现快速的即时测量。目前，将红外热成像仪和传统压差法相结合，用以定性分析泄漏位置的方法较为流行。其中，Kalamees[1]使用此方法测量了爱沙尼亚部分住宅的气密性；我国学者Zhou[2]也通过热成像的方法对一个酒厂的气密性进行了测量，并且找出了发生泄漏的位置，提出了改进方案。此外，热成像仪也越来越多的被用于对冷热风渗透量的定量测量。Dufour[3]在实验中使用了IR技术对一条简单二维缝隙的长度和高度进行了测量，但是由于热成像的边缘效应以及光的衍射，导致测量结果不准确。Liu[4]通过热成像技术结合热量平衡及对流换热方程，来计算通过缝隙的风量，但其方法需要假设的未知参数较多，实际应用较为困难。
综上所述，现有的建筑物漏风量测量方法存在(1)不具有普适性(2)误差较大(3)测量效率低这三个问题。为了克服以上漏风量测量方法的缺陷，本发明提出一种基于红外线成像技术的冷热风渗透量定量测量方法，在传统压差法的基础上结合红外线热成像技术，借助MATLAB等数学软件着重对图像识别和温度梯度计算过程进行优化，使其可以在不同地区、不同窗户条件下快速地对门窗漏风量进行计算，较好的弥补了现有风量测量的缺陷。
[1]Kalamees T.Air tightness and air leakages of new lightweightsingle-family detached houses in Estonia[J].Building and environment，2007，42(6)：2369-2377.
[2]Zhou H，Li W，Chen Y，et al.Case Study of Industrial-Building EnergyPerformance in a Cold-Climate Region in a Developing Country[J].Journal ofPerformance of Constructed Facilities，2015，30(2).
[3]Dufour M B，Derome D，Zmeureanu R.Analysis of thermograms for theestimation of dimensions of cracks in building envelope[J].Infrared Physics&Technology，2009，52：70-78.
[4]Liu W，Zhao X，Chen Q.A novel method for measuring air infiltrationrate in buildings[J]. Energy and Buildings，2018，168：309-318.
(三)发明内容
解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于红外线成像技术的冷热风渗透量定量测量方法，使其可以在不同地区、不同气候条件下快速地对门窗缝隙的冷热风渗透量进行测量。
技术方案
l、基于红外线成像技术的冷热风渗透量定量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：选取需要测量的门窗；
步骤(2)：用红外热成像仪拍摄门窗缝隙处的红外热成像图像；
步骤(3)：测量门窗内外压差，同时结合缝隙处的热成像图像，选取两个梯度较大的点测量缝隙处风速；
步骤(4)：对热成像图像进行处理，自动识别缝隙并得到缝隙每个微元段的温度梯度；
步骤(5)：利用测得的两点风速和温度梯度，结合傅里叶公式得到门窗缝隙处温度梯度与渗透风速的关系式；
步骤(6)：读取微元段的温度梯度，结合以上关系式计算每个微元段的渗透风速；
步骤(7)：根据伯努利方程计算得出门窗缝隙宽度；
步骤(8)：将上述步骤(6)计算所得的微元段风速，以及步骤(7)计算的缝隙宽度相乘即可计算得出门窗冷热风渗透量。
2、所述步骤(3)中，根据缝隙热成像图像，选取垂直缝隙方向温度梯度最大的两个位置，使用热球或热线风速仪测量此位置的风速。
3、所述步骤(4)中，需要对图像进行投影对正处理，然后根据温度识别缝隙位置，将缝隙划分成若干微元段，并计算每个微元段垂直于缝隙的温度梯度。
4、所述步骤(5)中，根据傅里叶导热方程和对流换热方程建立热平衡关系式，通过测得的两点风速和温度梯度可以求得关系式中的常数。
5、所述步骤(7)中，根据伯努利方程求得缝隙风速、压差和宽度的关系，可根据测得的压差和以上步骤求得的风速计算出每个缝隙微元段的宽度。
有益效果
本发明利用红外线热成像技术结合压差和速度的测量来计算门窗的冷热风渗透量，克服了原有测量方法效率低、误差大、适用范围小的缺陷。与传统压差法相比，提高了计算的速度和精度；本发明能够通过红外热成像设备，结合数学算法，快速求得门窗的冷热风渗透量。
(四)附图说明
图1为本发明实施方式中基于红外线成像技术的冷热风渗透量定量测量方法流程示意图。
图2为用于对发明实施方式作进一步详细描述的南京某居民楼卫生间玻璃门热成像图实例。
图3为实例中试验系统的示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图2所示为冬季南京某住宅楼卫生间玻璃门红外热成像图，门两侧室内外压差为0.5Pa，室外空气温度为15℃；系统示意图如图3所示，试验中运用到红外热像仪手机探头：
(1)由于卫生间可以通过排风创造稳定的空气流量条件，并且可以通过开启暖气控制内外温差条件，因此选取卫生间门作为测量冷风渗透量的目标；
(2)使用美国FLIR公司的红外热像仪手机探头生成该门的红外热成像图，如图3所示，门框和门靠近缝隙处的位置存在明显的温度梯度；
(3)将红外热成像图和FLIR TOOL软件生成的像素点温度参数分别导入MATLAB，同时选取门的四个顶点，将图像投影对正；
(4)划定门框位置范围，通过程序根据温度(范围内温度最低点)识别缝隙位置，并将缝隙划分成若干微元段；
(5)选取微元，根据傅里叶定律，建立该微元内的热量平衡方程式： 查得，紊流情况下，传热系数是关于风速v的4/5次方的函数，因此，初步确定热平衡方程式为：其中为微元中垂直于缝隙的温度梯度，v为气流速度，T为室外空气温度，Tsurface为缝隙处的壁面温度。
(6)选取缝隙微元中温度梯度较大的A、B两点，用热球风速仪测得这两处缝隙的风速，分别为vA＝1.4m/s，vB＝2.4m/s。代入热平衡方程式，得出a，b的值，分别为a＝-33.5，b＝32.13。因此，最终确定热平衡方程式为：
(7)将门框周围缝隙等分，每段长度约为0.04m。在处理后的图像中读取每段中点的温度梯度和表面温度以及缝隙处的壁面温度，室外空气温度T为15℃，代入热平衡方程式，进而可以得到每段缝隙微元的空气流速v。
(8)当缝隙内的空气流动为紊流时，根据伯努利方程，结合P·H·BAKER研究成果，得缝隙内的空气流速与缝隙两端的压差的关系式：
其中，ΔP——缝隙两端的压差，Pa，此处根据测量结果为0.5Pa；
μ——空气的动力粘度，N·s/m2，此处为17.84×10-6N·s/m2；
ρ——空气密度，kg/m3，此处为1.226kg/m3；
C——压力损失指数，根据L.P.Hopkins和B.Hansford的研究成果，对于直条缝，C＝1.5；有一个直角弯的条缝，C＝2.5，此处取门的四个顶点C＝2.5，其余直条缝处，C＝1.5。
Z——缝隙的长度，m，此处为0.04m；
将算得的空气流速v代入上式，得出每段缝隙微元的缝隙宽度d。
(9)对于缝隙的某一微元段而言，可以通过下式计算缝隙的冷风渗透量：
其中，——缝隙某一微元段的冷风渗透量，m3/h
(10)计算得窗户总的冷风渗透量：
计算结果为80m3/h。
Claims (5)
1.基于红外热成像技术的冷热风渗透量定量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：选取需要测量的门窗；
步骤(2)：用红外热成像仪拍摄门窗缝隙处的红外热成像图像；
步骤(3)：测量门窗内外压差，同时结合缝隙处的热成像图像，选取两个梯度较大的点测量缝隙处风速；
步骤(4)：对热成像图像进行处理，自动识别缝隙并得到缝隙每个微元段的温度梯度；
步骤(5)：利用测得的两点风速和温度梯度，结合傅里叶公式得到门窗缝隙处温度梯度与渗透风速的关系式；
步骤(6)：读取微元段的温度梯度，结合以上关系式计算每个微元段的渗透风速；
步骤(7)：根据伯努利方程计算得出门窗缝隙宽度；
步骤(8)：将上述步骤(6)计算所得的微元段风速，以及步骤(7)计算的缝隙宽度相乘即可计算得出门窗冷热风渗透量。
2.所述步骤(3)中，根据缝隙热成像图像，选取垂直缝隙方向温度梯度最大的两个位置，使用热球或热线风速仪测量此位置的风速。
3.所述步骤(4)中，需要对图像进行投影对正处理，然后根据温度识别缝隙位置，将缝隙划分成若干微元段，并计算每个微元段垂直于缝隙的温度梯度。
4.所述步骤(5)中，根据傅里叶导热方程和对流换热方程建立热平衡关系式，通过测得的两点风速和温度梯度可以求得关系式中的常数。
5.所述步骤(7)中，根据伯努利方程求得缝隙风速、压差和宽度的关系，可根据测得的压差和以上步骤求得的风速计算出每个缝隙微元段的宽度。
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