讓節能觸手可見的熱成像技術

布萊恩·哈伯(Brian Harper)對我房子的狀態很不滿意。他掀起了浴室地毯的一角往下面看了看,發現缺了一塊樓板,然後大叫了起來。他給我看平板電腦上的實時熱成像視頻,這塊區域呈現暗紫色。此刻,哈伯正在評估我家房子的能源效率,很顯然,我家的得分低於平均水平。

要想減少化石燃料造成的全球溫室氣體排放量,減少住宅能耗至關重要。儘管可再生能源領域的科技進步能夠助一臂之力,但卻無法解決全部問題。哈伯曾經在大約50年前為軍方開發了早期熱成像技術,現在則在研究我位於布里斯托爾(Bristol)的維多利亞風格半獨立住宅的衛生間。衛生間裏缺一塊樓板,熱量正在從這裏流失,從而解釋了寒冷、保溫性能很差的房間和高昂的燃氣取暖費賬單之間的因果關聯。

早在1929年,匈牙利科學家卡爾曼·提漢義(Kalman Tihanyi)就發明了第一台紅外相機,從而開啟了熱成像的時代。紅外波段的電磁輻射肉眼不可見,但可以通過溫度感受到。一個物體溫度越高,它釋放的紅外輻射量也就越多。

二戰末期在德國出現的早期夜視技術採用紅外光源照亮目標。1960年代則出現了利用月光、星光和天空微光反射成像的新型夜視儀。

英國科學家在現代熱成像技術的開發上發揮了重要作用。當時的開發工作大多在位於伍斯特郡(Worcestershire)的皇家雷達研究院(Royal Radar Establishment, RRE)進行。哈伯於1967年開始以學生實習生身份在這裏工作。

哈伯的中學校長曾經對他的母親說,這位酷愛在後院庫房裏動手搞小發明、小製作的年輕人不適合去讀大學。但是RRE的考官卻十分喜歡這位15歲的小伙子並將其招於麾下。

1970年代早期,紅外相機使用的傳感器必須冷卻至零下200℃,一般採用液氮冷卻,使得這種相機體積龐大,同時價格十分昂貴。於是,包括哈伯在內的一個小組決定研發分辨率較低,但是體積更小、無需冷卻的紅外相機。

小組改進了電視攝像機技術(電視攝像機配有陰極射線管,使用電子束掃描生成廣播信號)。通過替換由硫酸三甘氨酸(一種可將溫度變化轉換為電壓變化的晶體材料)製造的熱敏感層,他們開發了一種便攜式熱成像相機。後來,消防人員使用這種相機讓視線穿透失火軍艦的濃煙,在福克蘭群島戰爭期間也有應用。

1980年離開軍隊後,哈伯開發出了一種名為Starsight的便攜式無制冷熱成像相機。這種相機得到了廣泛應用:探測電氣設備故障、生產線質量控制、醫療診斷、甚至捉拿毒販。為了確保在挑戰者號航天飛機事故之後的1988年首次航天飛機發射安全,NASA採購了能夠將肉眼不可見的氫氣火焰轉化為可見圖像的相機。

1990年代末,哈伯的興趣轉移到了其他方面:建設半地下節能住宅。他用自己位於伍斯特郡丘陵地帶的住宅進行最初的試驗。

今天,他仍然生活和工作在一個典型而怪異的發明家小天地裏。他家有6個地下車間,車間裏擺滿了車牀、等離子切割機、經緯儀、3D打印機、噴漆、數十卷電纜和堆積如山的科技期刊。我在造訪期間看到,在最大的車間(他自稱為"地球中心")裏擺著三盞大型天然氣路燈。兩個助手正在彎著腰拿著烙鐵在電路板上焊接電氣元件。隔壁是另外一個車間,裏面大部分空間擺放著一種名為Jemima的紅色小船。

早在1970年代參與建設實驗性低耗能住宅時,哈伯就已經意識到了熱成像技術在提高能源效率上的潛力。在建設自己的地下車間時,哈伯對綠色建築以及如何削減人類碳足跡的興趣日漸濃厚。

哈伯在德文郡(Devon)和馬爾文(Malvern)開展了早期熱成像能源效率調查。對我住宅的評估時冷住宅能源效率調查專家(Cheese)試驗計劃的一部分。哈伯和前電視製片人麥克·安德魯(Mike Andrew)以及軟件工程師傑裏米·伯馳(Jeremy Birch)等人共同構想出了這個能夠降低熱成像調查設備成本的項目。他們還發現,一旦你向房主展示熱量從其住宅中流失的具體圖像,採取補救行動的房主比例就會提高五倍。

他們首先開發了名為Heatview的地圖,一張融合了谷歌街景的布里斯托爾互動地圖,該地圖可以向房主展示其和鄰居住宅外立面的熱成像。研究小組用廉價系統取代了哈伯的熱成像相機,自己開發了軟件以及可以裝在蘋果手機上的相機。由此,熱成像調查的設備成本由以前的5,000多英鎊降低到了350英鎊左右。

"如果不能讓人們親眼看到,能量的概念就很難讓人們理解,"項目總經理安德魯說。(他曾經就職於BBC自然歷史頻道和科技紀錄片頻道)。"眼見為實非常適用於這個場景,這是我最初的想法,在後續獨立研究中也都得到了證實。"

建立了Cheese項目後,普利茅斯大學生理學家也對同一問題展開了研究。他們發表於2014年的研究報告表明,與只看到能源使用分析報告的房主相比,看到其住宅熱圖像的房主安裝擋風條的比例是前者的4.9倍。

看見綠色

在Cheese項目的第一階段,即2015-16年間,項目人員請求布里斯托爾居民整晚開啟採暖設備。調查中,他們用巨型風扇將房內空氣從前門抽出室外,從而增大通過房屋縫隙進入室內的冷空氣流量。居民在調查員隨身攜帶的平板電腦上即可直觀看到屋頂保溫層裂縫、密封不良的窗戶和地面採暖產生的問題。在後續跟進電話中,有73%的居民在三個月內採取了某種保溫措施,94%的人說他們打算進一步提高房屋的保溫性能。

Cheese項目並非鼓勵房主提高能源效率的唯一努力。然而許多政府主導的計劃卻未能實現當初預期。

2013年,英國政府推出了綠色新政(Green Deal)計劃,為能源效率改進提供貸款扶持。花在改進上的費用將以能源費用補貼形式返還,另外還為當地政府提供了綠色新政社區(Green Deal Communities)基金以提供更多鼓勵計劃。由於應用率低且遭到廣泛批評,兩項計劃在短短兩年後都被廢棄。在操辦能源效率計劃的公司倒閉後,布里斯托爾市政府不得不出面安撫那些已經簽署了合同的居民。

目前,由志願者操作的Cheese試點項目已經在兩個冬天完成了110宗調查。小組已經與其他對類似項目感興趣的城市-例如溫哥華市-進行了初步會談。

"五年之內,我們希望有10至20個城市參與房內熱調查項目,"哈伯說。"在10年之內,如果我們做法得當的話,我們將會給能源效率領域產生重大影響。"

它的確也影響到了我。除了地板上的漏洞以外,對我家的調查還發現窗戶安裝不嚴密、通風扇吹過堂風、燈泡不節能、管道和電纜周圍有縫隙、屋頂保溫層有破損等等一系列問題。幾周之後,我接到了Cheese項目小組打來的電話,詢問我是否為減少房子的能耗而做了什麼改進。

我坦率地告訴他們,有很多改進工作還停留在紙面上,但是我已經填補了地板上的一些縫隙,並且打算在客廳地面貼上塑料地磚。哈伯留下的電量計能夠實時顯示電費。看到不斷跳動的數字,我立刻關上了不用的電燈。另外,我還更換了導致熱量大量流失的破損地板。

"用高高在上的態度教導人們該如何拯救地球是起不到作用的,"哈伯說。"你應當走進社區教育人們該如何降低能源成本並提高舒適度,然後引導人們思考節能對於環境的重要性。然後人們就會豁然開朗,主動積極地去減少碳足跡。"

(BBC)尼克·弗萊明 (Nic Fleming)
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