让节能触手可见的热成像技术

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布莱恩·哈伯(Brian Harper)对我房子的状态很不满意。他掀起了浴室地毯的一角往下面看了看,发现缺了一块楼板,然后大叫了起来。他给我看平板电脑上的实时热成像视频,这块区域呈现暗紫色。此刻,哈伯正在评估我家房子的能源效率,很显然,我家的得分低于平均水平。

要想减少化石燃料造成的全球温室气体排放量,减少住宅能耗至关重要。尽管可再生能源领域的科技进步能够助一臂之力,但却无法解决全部问题。哈伯曾经在大约50年前为军方开发了早期热成像技术,现在则在研究我位于布里斯托尔(Bristol)的维多利亚风格半独立住宅的卫生间。卫生间里缺一块楼板,热量正在从这里流失,从而解释了寒冷、保温性能很差的房间和高昂的燃气取暖费账单之间的因果关联。

早在1929年,匈牙利科学家卡尔曼·提汉义(Kalman Tihanyi)就发明了第一台红外相机,从而开启了热成像的时代。红外波段的电磁辐射肉眼不可见,但可以通过温度感受到。一个物体温度越高,它释放的红外辐射量也就越多。

二战末期在德国出现的早期夜视技术采用红外光源照亮目标。1960年代则出现了利用月光、星光和天空微光反射成像的新型夜视仪。

英国科学家在现代热成像技术的开发上发挥了重要作用。当时的开发工作大多在位于伍斯特郡(Worcestershire)的皇家雷达研究院(Royal Radar Establishment, RRE)进行。哈伯于1967年开始以学生实习生身份在这里工作。

哈伯的中学校长曾经对他的母亲说,这位酷爱在后院库房里动手搞小发明、小制作的年轻人不适合去读大学。但是RRE的考官却十分喜欢这位15岁的小伙子并将其招于麾下。

1970年代早期,红外相机使用的传感器必须冷却至零下200℃,一般采用液氮冷却,使得这种相机体积庞大,同时价格十分昂贵。于是,包括哈伯在内的一个小组决定研发分辨率较低,但是体积更小、无需冷却的红外相机。

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Image caption 今天人们越来越多的使用便携式热成像相机来监测住宅的热量流失情况(图片来源: Alamy)

小组改进了电视摄像机技术(电视摄像机配有阴极射线管,使用电子束扫描生成广播信号)。通过替换由硫酸三甘氨酸(一种可将温度变化转换为电压变化的晶体材料)制造的热敏感层,他们开发了一种便携式热成像相机。后来,消防人员使用这种相机让视线穿透失火军舰的浓烟,在福克兰群岛战争期间也有应用。

1980年离开军队后,哈伯开发出了一种名为Starsight的便携式无制冷热成像相机。这种相机得到了广泛应用:探测电气设备故障、生产线质量控制、医疗诊断、甚至捉拿毒贩。为了确保在挑战者号航天飞机事故之后的1988年首次航天飞机发射安全,NASA采购了能够将肉眼不可见的氢气火焰转化为可见图像的相机。

1990年代末,哈伯的兴趣转移到了其他方面:建设半地下节能住宅。他用自己位于伍斯特郡丘陵地带的住宅进行最初的试验。

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Image caption 布莱恩·哈伯生活和工作的地方是一个典型的发明家小天地(图片来源: Nic Fleming)

今天,他仍然生活和工作在一个典型而怪异的发明家小天地里。他家有6个地下车间,车间里摆满了车床、等离子切割机、经纬仪、3D打印机、喷漆、数十卷电缆和堆积如山的科技期刊。我在造访期间看到,在最大的车间(他自称为"地球中心")里摆着三盏大型天然气路灯。两个助手正在弯着腰拿着烙铁在电路板上焊接电气元件。隔壁是另外一个车间,里面大部分空间摆放着一种名为Jemima的红色小船。

早在1970年代参与建设实验性低耗能住宅时,哈伯就已经意识到了热成像技术在提高能源效率上的潜力。在建设自己的地下车间时,哈伯对绿色建筑以及如何削减人类碳足迹的兴趣日渐浓厚。

哈伯在德文郡(Devon)和马尔文(Malvern)开展了早期热成像能源效率调查。对我住宅的评估时冷住宅能源效率调查专家(Cheese)试验计划的一部分。哈伯和前电视制片人麦克·安德鲁(Mike Andrew)以及软件工程师杰里米·伯驰(Jeremy Birch)等人共同构想出了这个能够降低热成像调查设备成本的项目。他们还发现,一旦你向房主展示热量从其住宅中流失的具体图像,采取补救行动的房主比例就会提高五倍。

他们首先开发了名为Heatview的地图,一张融合了谷歌街景的布里斯托尔互动地图,该地图可以向房主展示其和邻居住宅外立面的热成像。研究小组用廉价系统取代了哈伯的热成像相机,自己开发了软件以及可以装在苹果手机上的相机。由此,热成像调查的设备成本由以前的5,000多英镑降低到了350英镑左右。

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Image caption 这张热图像显示了一座缺乏保温层的房屋(图片来源: Alamy)

"如果不能让人们亲眼看到,能量的概念就很难让人们理解,"项目总经理安德鲁说。(他曾经就职于BBC自然历史频道和科技纪录片频道)。"眼见为实非常适用于这个场景,这是我最初的想法,在后续独立研究中也都得到了证实。"

建立了Cheese项目后,普利茅斯大学生理学家也对同一问题展开了研究。他们发表于2014年的研究报告表明,与只看到能源使用分析报告的房主相比,看到其住宅热图像的房主安装挡风条的比例是前者的4.9倍。

看见绿色

在Cheese项目的第一阶段,即2015-16年间,项目人员请求布里斯托尔居民整晚开启采暖设备。调查中,他们用巨型风扇将房内空气从前门抽出室外,从而增大通过房屋缝隙进入室内的冷空气流量。居民在调查员随身携带的平板电脑上即可直观看到屋顶保温层裂缝、密封不良的窗户和地面采暖产生的问题。在后续跟进电话中,有73%的居民在三个月内采取了某种保温措施,94%的人说他们打算进一步提高房屋的保温性能。

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Image caption 在看到自己房屋热流失图像的布里斯托尔居民中,有大约四分之三的人采取了保温措施(图片来源: Alamy)

Cheese项目并非鼓励房主提高能源效率的唯一努力。然而许多政府主导的计划却未能实现当初预期。

2013年,英国政府推出了绿色新政(Green Deal)计划,为能源效率改进提供贷款扶持。花在改进上的费用将以能源费用补贴形式返还,另外还为当地政府提供了绿色新政社区(Green Deal Communities)基金以提供更多鼓励计划。由于应用率低且遭到广泛批评,两项计划在短短两年后都被废弃。在操办能源效率计划的公司倒闭后,布里斯托尔市政府不得不出面安抚那些已经签署了合同的居民。

目前,由志愿者操作的Cheese试点项目已经在两个冬天完成了110宗调查。小组已经与其他对类似项目感兴趣的城市-例如温哥华市-进行了初步会谈。

"五年之内,我们希望有10至20个城市参与房内热调查项目,"哈伯说。"在10年之内,如果我们做法得当的话,我们将会给能源效率领域产生重大影响。"

它的确也影响到了我。除了地板上的漏洞以外,对我家的调查还发现窗户安装不严密、通风扇吹过堂风、灯泡不节能、管道和电缆周围有缝隙、屋顶保温层有破损等等一系列问题。几周之后,我接到了Cheese项目小组打来的电话,询问我是否为减少房子的能耗而做了什么改进。

我坦率地告诉他们,有很多改进工作还停留在纸面上,但是我已经填补了地板上的一些缝隙,并且打算在客厅地面贴上塑料地砖。哈伯留下的电量计能够实时显示电费。看到不断跳动的数字,我立刻关上了不用的电灯。另外,我还更换了导致热量大量流失的破损地板。

"用高高在上的态度教导人们该如何拯救地球是起不到作用的,"哈伯说。"你应当走进社区教育人们该如何降低能源成本并提高舒适度,然后引导人们思考节能对于环境的重要性。然后人们就会豁然开朗,主动积极地去减少碳足迹。"

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