在大多数商业建筑中，屋顶暖通空调设备在维护良好室内空气质量方面起关键作用。暖通空调设备的安装和状况直接影响运营成本、设备预期寿命、居住舒适度和建筑耐受度。就这一点而论，优化设备性能是所有建筑利益相关者的当务之急。
本文将红外（IR）热成像技术用于评估暖通空调系统运行性能的优点。通过实际案例确定使用热像仪时可接受的捷径与不可接受的实践，强调降低遗漏实际问题或发现虚假问题几率的*佳实践。我们将探讨热成像技术（如果利用得当）如何能促进调试、维修和取证研究，并*终为客户带来巨大成本节约。
了解暖通空调和建筑学
热像师**了解在任何应用中待检测的设备非常重要。既然如此，了解基本暖通空调设备运行知识对于正确评估设备的红外图像和分析系统总体性能很有必要。本文将简要介绍商业屋顶空调装置（RTU），其包括位于同一机壳内的蒸发器和冷凝器线圈/风扇和其它附件。此外，我们也将探讨冷凝器供水管道，包括来自冷却塔的开环回路和到达建筑空调装置的闭合回路。这些系统的相关操作参数将在本文的个案研究中提及。这些案例证明了红外技术在分析暖通空调系统运行中的强大作用。拥有**暖通空调背景的读者能够将这些概念应用到许多其它系统类型。
除了了解暖通空调设备运行方式和各种部件的预期温度，了解建筑科学和影响红外热像仪捕获图像的环境因素同样重要。因此，暖通空调技术人员需要了解红外技术。
红外测量挑战
反射和背景温度构成户外红外测量中的*大挑战。测量源通常包括从-10℃的晴朗天空到66℃的附近电机，再到介于这两个温度之间和超出这一温度范围（-10℃到66℃）的一切事物。请记住，屋顶平台和附近的建筑同样会发出辐射——有时是因为它们本身较热，另一些时候是因为来自另外一个来源的反射。
通常可通过利用创意拍照角度改变反射源来识别反射或*大限度减少反射。此外，在表面和源之间放置红外屏蔽板（硬纸板）或在**的情况下粘贴电工胶带于低发射率（高反射率）表面也有助于获取更**的读数。在屋顶暖通空调检测期间将会测量的大多数元件的*低发射率为0.85。因此，除了未喷漆的金属表面（管道绝热罩、防雨板等），温度读数常常比较**，足以显示大多数问题区域。在需要获得更**温度读数的情况下，可对反射温度、环境温度和发射率进行微调。
相对于暴露在阳光下的部件，建筑或设备的长期阴影会形成真正较冷的区域。这通常发生在外壳一侧或屋顶附近。您需要独立判读阳光照射区域和阴暗区域的结果，或者选择在**中不同时段对这两种区域进行重新测量。
也可通过改变拍摄角度、更靠近设备或（如有必要）忽略设备*近边缘的温度，降低背景温度的影响。热像仪的分辨率直接影响获得准确读数所需的与设备的距离。不建议使用红外测温仪（单一温度点温枪）进行暖通空调测量，因为如果这样做就相当于透过一个针孔执行可见光测量。本文引用的图片皆由FLIR T300红外热像仪以320×240热分辨率捕获。
为了展示所有这些因素如何影响热图像判读，考虑图1中典型屋顶空调装置（RTU）的红外图像和可见光图像。在左侧图像中，一处异常温度分布以缘饰垂直面下面冷条纹的形式出现。当您往后退，中心图像显示这实际上只是由冷凝管立管投射的一道阴影。右侧可见光图像证实来源真是一个阴影，因此，不存在问题。取一个区域的平均温度，在左侧图像中我们看到阴影区域的温度比屋顶平台的温度低大约14℃。另外需要注意的是，当您旋转图像时，冷条纹不移动，保持在相同的位置，证明那一区域的屋顶平台实际上温度更低，条纹不是反射。此外，该冷凝管包裹有黑色弹性塑料隔热层，因此不会有明显反射。
然后，看一下缘饰，您会发现红外图案不连贯且混乱，这是光亮、未上漆金属表面的典型特征。在上漆的RTU上，温度更可靠。如果希望测得实际温度，您可以忽略缘饰读数或粘贴电工胶带。
*后，如果关注无阴影的屋顶平台，您会注意到大部分是均匀的温度随着向上延伸到缘饰并到达垂直面时温和地降低，即相对于太阳的角度不断变化。您也会注意到暴露的屋顶材料的差异（脏污区域与干净区域、柏油、不同材料片等）。如果同时拍摄了可见光图像，这些差异将更容易识别。
利用培训更明智地测量
更重要的是纵览全局 – 无论是红外图像，还是周围环境的可见光图像。您可以结合暖通空调系统知识，了解应该查看的区域；并结合建筑科学知识，了解如何正确查看热图像。但是如果使用热像仪时视野过于狭窄，您可能错误地发现本不存在的问题或遗漏真正重要的问题，无论从您客户的角度还是就我们的职业而言，这都是不可接受的。此外，当在屋顶上作业时，应始终充分意识到周围环境。屋顶上有许多严重危险——屋顶边缘无护栏，皮带和风扇无防护装置，裸露的带电电气部件，绊倒风险等。在执行热测量期间时刻关注大局有助于您保持**和高效。
将红外测量纳入现有IOM和暖通空调系统检测程序，有利于更快检测到问题，从而优化设备性能。例如：
- 运动部件的非接触式测量–如检测过热轴承，因为大多数泵没有经校准且连接楼宇自动化系统（BAS）的振动传感器
- 检测管道和线圈高点的气袋
- 检测哪个线圈在运行以及是否有异常区域
- 间接检测气体和液体泄漏
- 估计过程气体和液体的工作温度范围
- 检测受损的导管和管道隔热
- 确定设备到达稳定状态所需的运行时间
- 在调试期间快速交叉检查导管/线圈相对于BAS控制点的温度
在系统启动时执行热测量或在调试期间作为功能性能测试（FPT）的一部分执行热测量，所有者可将该信息用作基线数据以促进不断进行的预防性维护。当作为取证研究执行时，热测量常常能揭示根本原因和以确凿证据确认假设。此外，一张图像胜过千言万语，报告辅之以热图像能更清晰地凸显问题区域。通过深思熟虑的呈现，该信息可由非暖通空调领域的专业人士（如**财务官）更轻松理解。
案例研究1-成套RTU和缘饰安装不善
图2显示成套屋顶空调装置（RTU）供气管道泄漏的可见光图像和热图像。该装置为一个商场零售租户服务，该租户自大约6个月前原始安装后一直遭受制冷问题的困扰。租户的施工队确定RTU尺寸过小，并计划更换一个更大型的RTU。我们的热检测很快揭示导管连接**和RTU与缘饰之间接合垫料破损才是真正的元凶。结果，许多供气泄漏到屋顶平台而不是对租户空间制冷。
图2中的热图像显示接合垫料受损区域*冷部分的清晰梯度，以及远离供气泄漏位置时放射状图案中逐渐升温。注意，红外热像仪无法直接检测到13℃供气泄漏，而是检测到影响缘饰上屋顶的冷空气的效应。用手沿该区域触摸能够确认泄漏。
为了强调相对温度值与高精度**温度值之间的关系，图3显示图2中使用的完整未裁剪红外图像。如果我们假设RTU外壳、缘饰上屋顶和柏油块均为ε=0.95（左侧）相对于ε=0.85（右侧），**温差为0.6℃- 11℃。RTU外壳和柏油块的温差处于更高范围，这是可以预料的，因为它们的真实发射率数值稍低于这里的屋顶。但是就我们的预期用途而言，这些差异是微不足道的，并且如果将温度量程设置为自动调整，发射率设置不会影响显示的红外图像。但是很显然，您应该合理地估计发射率，因为就上面例子而言，如果估计ε= 0.05，将会得出79℃-154℃这一毫无意义的读数。
一般而言，由于防雨板发射率低，我们在分析时直接将其忽略，但是您可以关注我们粘贴的3条电工胶带，以显示其真实温度曲线与反射。
因为供气管接头未正确安装在该装置上，漏气直接吹到隔热缘饰内。如图4所示，缘饰的外表面温度降至大约21℃，远低于当地户外露点温度，导致屋顶平台湿透并且有时水滴落到室内。过量空��随后从前文显示的缘饰接合垫料受损处泄漏。图2中泄漏处不会有凝结液滴，因为那一区域的“局部”露点温度对应于经调节温湿度的供气而不是潮湿的户外空气。另外值得注意的是，送风温度本身为13℃。上述例子中显示更高的温度是由缘饰传导和户外辐射载荷造成的。
注意，如果回风管接头具有同等大小的泄漏，它不会直接显示出来，因为它将户外空气吸入缘饰，因此不会在该视图中形成温差（ΔT）。为此，注意与您正测量的过程液体有关的环境温度和反射温度。
我们发现带彩虹色调色板的画中画（叠加）交付更容易被非技术客户理解——蓝色表示冷，红色表示热，问题区域单独显示在可见光图像顶部，以获得更好的清晰度。如果并入得当，红外图像能为报告增添清晰的实证部分，并提高未来讨论和行动的效率。向租户提供如图2所示的结论性图像，使安装承包商能立即维修安装错误且不招致额外成本。这比他们*初索取的升级费用净节约将近7,500美元。租户空间如今制冷情况良好。
案例研究2 - 污水回路
列举的第2个案例关于一座高层住宅公寓楼。该系统由每个公寓单元均有部署的水源热泵（WSHP）组成。闭环管道从水源热泵（WSHP）抽水到热交换器，热交换器将水温降低约5.6℃。一个开放式管道回路从这些热交换器的另一端抽水，将水温增加5.6℃，然后输送到冷却塔，以*终排出建筑中的热量。全年每天的实际工作温度变化很大。但是在大部分工作条件下，整个热交换器的温度变化（ΔT）应该接近于热交换器两端的温差。
泵和热交换器通常设在如图5所示的邻近冷却塔的屋顶平台处的房间中。该建筑中的多台水源热泵（WSHP）将会不停跳闸，尤其是在周末接近中午的时段（入住高峰期和日照得热量高峰）。这表明进入楼宇的闭环水温度上升到38℃，而不是通常的*大设计值31℃。
在7月份将近下午6点对该空间进行检测。户外湿球温度约为22℃，这意味着我们预计从冷却塔出来的水温为26℃，因为根据-14℃近似值选择冷却塔。为了查看冷凝器水系统的整体工作条件，使用红外热像仪扫描机械房。由于正值夜晚，制冷系统未承受重负荷，因此没有水源热泵（WSHP）在那一时段跳闸。但是，根本问题显而易见。
图6显示机械房的叠加热图像，旁边的表格利用区域内平均值显示管道表面温度。异常温度（开环回路温差超过闭环回路温差5倍多）表示通过热交换器的限制流。整个泵的压降决定限制流。两种回路中由于疏于维护产生的过量碎片堵塞热交换器的小型管道并导致热交换器失效。需要另一个承包商对两个回路执行化学清洗和冲洗。在对两个回路进行不到5分钟的清理之后，系统温度均衡化，并且此后一直正常运行。
该建筑拥有一个监测温度的BAS和分布在每个泵的压力点。收集所有这些数据后，控制系统趋势数据可以通过观测压力和**温度攀升以及过去几个月的温差下降，在导致如此严重后果之前，轻松预测该情形。然而，不幸的是，通常情况下控制系统仅部分安装和维护，因此数据是无用的。管道端口中的测温仪大部分损坏。
上漆管道的发射率接近ε=0.85，并且没有管道隔热绝缘材料（钢管本身电阻较小除外）。因此，使用红外热像仪获得的温度读数相当准确，与液体温度相同。红外测量能快速准确地识别根本原因，为所有人和维护人员提供实证证据。
原承包商提供的不正确计算结果表明应增加闭环泵容量。业主寻求**种意见。利用热图像确定不需要更换泵，从而减少了现场所需劳动力，为业主节省了将近50,000美元。
总结
热成像技术提供一种针对暖通空调系统运行诸多方面的快速且实证的故障排查方法。将红外热像仪用作诊断工具，对暖通空调设备生命周期的各个阶段——从启动、预防性维护到取证检测——都大有助益。这种强大的工具能识别即使*精密的控制系统也经常遗漏的问题。本文探讨利用红外技术评估屋顶暖通空调设备的优势和挑战。凭借对暖通空调和红外理论的透彻理解，这些概念可适用于许多其它类型的暖通空调设备和装置。如果您使用红外热像仪进行试验和检测暖通空调设备的不同部分（或任何事物），您将找到更多**型解决方案。
鸣谢
作者在此感谢所有允许扫描其建筑的客户，以及提供RTU漏气热图像的RCI工程有限公司负责人Oscar Sebelen，P.E.。
与FLIR红外培训中心和InfraMation 2015联合创作