建筑圍護結構傳熱性能現場檢測的誤差分析

鄒定華

(河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作454000)

建筑節能的檢驗項目隨著建筑所處的熱工分區不同而不同，一般包括建筑圍護結構主體部位的傳熱系數、建筑圍護結構的熱工缺陷、熱橋部位溫度、窗戶氣密性、冬季室內平均溫度、采暖空調系統的檢驗、建筑年能耗等[1－4]。在這些項目中，最為重要也最難以檢測的是外墻的傳熱系數[5]。

目前常用的建筑外墻傳熱系數現場檢測方法有2種[6－12]，一種是熱流計法，一種是熱箱法。熱流計法的應用時間較長，已形成相關的技術標準[13－15]。但是根據實際應用的情況來看，熱流計法可應用的地區和時間都受到限制，在室內外溫差較大，室外天氣較為溫和的情況下其所測得的結果較為準確，即只適合在北方地區的冬天進行測量，在其它時間和其它地區其所測得的結果標準偏差高達20%以上[2]，結果的可信度低，不能作為工程檢驗的依據。究其原因，熱流計法以穩態傳熱的原理作為其檢驗依據，而在實際情況中，由于天氣變化的影響，建筑外墻很難達到穩態傳熱[16]，所獲得的數據并不符合穩態傳熱的規律。此外，在非采暖期和嚴寒、寒冷地區以外的熱工區域，建筑物室內外溫差小，測量過程中的儀器誤差和測量誤差對測量結果的影響增大。因此一些研究者研究用熱箱現場檢測圍護結構傳熱系數，這樣做既可以提高墻體內外側的溫差，降低儀器誤差和測量誤差，當熱箱位于墻體外表面時，熱箱又可有效屏蔽天氣變化對被測區域傳熱的影響，使被測墻體接近于穩態傳熱。但是這樣做也有2個缺點：1)雖然被測區域接近于穩態傳熱，但是邊緣部分仍然不能達到穩定，因此數據仍有一定的波動；2)由于被測區域與墻體其它部分存在溫差，因此存在側向熱流(即不是垂直于墻體內外表面的熱流)，造成測試結果比真實值大。

根據項目的要求，針對以上情況，提出了采用熱箱加熱流計檢測外墻傳熱系數的方法，并運用計算機模擬的方法研究了其測量過程中的誤差，以期對檢測設備的開發提出指導。

1 檢測方法的檢測原理

在用熱箱檢驗建筑圍護結構傳熱系數時，雖然被檢測邊緣區域很難達到穩定，但是中心區域受外界天氣變化的影響已經非常小，在室內溫度恒定的情況下(用空調控制室內溫度)，采用熱箱屏蔽室外天氣變化對被測區域傳熱的影響，以熱流計和溫度傳感器檢測中心部位的溫度和熱流，就能得到穩定的檢測結果。圖1為新型熱箱法檢測的示意圖。

圖1 熱箱法示意圖

此檢測方法中影響檢測結果最大的因素是由熱箱所引起的側向熱流，這種影響可通過計算機模擬的方法計算出。應用新型熱箱法檢測墻體傳熱系數時，所需要檢測的數據是熱箱中心部位墻體內外側的溫度及熱流計所測得的熱流，根據3個數據可以計算出外墻傳熱系數。在傳熱過程的計算機模擬中，可以獲得兩個傳熱系數值。第1個值是材料的真實傳熱系數，這可由墻體的構造及材料參數的設定得到。第2個值是通過獲取傳熱分析中熱箱中心墻體兩側的溫度及熱流值所得來的“測量”值，即模擬測量過程所得到的。將這個“測量”值與真實值進行對比，可以計算出在某種情況下由側向熱流所引起的誤差，從而得到一個“誤差系數”。誤差系數越接近于1，測量值與真實值越接近，誤差越小，否則，誤差越大。通過這個誤差系數，可以評價在各種情況下由側向熱流引起的的誤差。

2 誤差系數的計算公式

根據穩態傳熱原理，現場檢測所得圍護結構的傳熱系數：

式中R0為外圍護結構傳熱阻，m2·K／W；為外圍護結構外表面平均溫度，℃；θi為外圍護結構內表面平均溫度，℃；ˉq為通過外圍護結構的熱流強度，W／m2；αe為外圍護結構外表面傳熱系數，αi為外圍護結構內表面傳熱系數，根據《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—1993)，其值分別取23W／m2·K和8.7W／m2·K。

而由墻體構造及材料的傳熱性能，外墻的真實傳熱系數：

式中Ri為外墻各層材料的熱阻。

根據誤差系數的定義，誤差系數由下式確定：

3 計算機模擬的條件設定

采用ANSYS 10.0對圖1中所示方法的測量過程進行了模擬，分析各種條件對誤差系數的影響。

在熱箱尺寸相對于墻體厚度足夠大時，墻體內外的溫差對于熱箱中心部位傳熱的影響已經很小，因此分析中簡化條件，設定室內空氣溫度ti與室外空氣溫度te相同，te＝ti＝15℃；根據《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176—1993)，墻體內表面換熱系數αi＝8.7W／m2·K，墻體外表面換熱系數αe＝23.0W／m2·K，熱箱與墻體的換熱系數取αh＝8.7W／m2·K。

武漢市目前常用的墻體材料是20、24的蒸壓加氣混凝土，密度的不同，加氣混凝土的導熱系數不同，密度為700kg／m3時導熱系數為0.22W／m·K，密度為500kg／m3時導熱系數為0.19W／m·K，根據研究的需要，在模擬中對灰砂磚進行了分析，其導熱系數取1.10W／m·K；應用較多的保溫技術為膠粉聚苯顆粒外墻外保溫和膨脹聚苯板外墻外保溫，膠粉聚苯顆粒保溫漿料的導熱系數取0.06W／m·K，膨脹聚苯板導熱系數取0.041W／m·K。

4 結果及分析

4.1 熱箱尺寸效應的影響

分析中墻體構造為常用的24cm加氣混凝土＋3cm膨脹聚苯板，熱箱尺寸分別取0.6、1.0、1.4、1.8m，熱箱內空氣溫度25℃，分析結果見圖2。從圖中可以看出，熱箱尺寸對于誤差系數有顯著的影響。在熱箱尺寸較小時，誤差系數較大，而熱箱尺寸大到一定程度時，誤差系數已經接近于1，測量值與真實值已非常接近，即側向熱流所引起的誤差已非常小。

圖2 熱箱尺寸對誤差系數的影響

4.2 熱箱內空氣溫度的影響

分析中墻體構造為24cm加氣混凝土＋3cm膨脹聚苯板，熱箱尺寸取1.0、1.8m，熱箱內空氣溫度分別為25、30、35℃，分析結果見表1。表中的結果顯示，熱箱內空氣溫度的高低對于誤差系數沒有影響。這是由于熱箱內溫度變化后，側向熱流的大小也隨之成比例變化。但是，實際測量中熱箱內空氣溫度對于測試結果還是有一定影響，因為熱箱內溫度提高后，通過墻體的熱流值增大，儀器誤差對于測試結果的影響降低。

表1 熱箱內空氣溫度對誤差系數的影響

4.3 墻體厚度的影響

分析中墻體構造為24cm加氣混凝土＋3cm膨脹聚苯板，40cm加氣混凝土＋5cm膨脹聚苯板，60cm加氣混凝土＋5cm膨脹聚苯板。熱箱尺寸取1.0、1.8m，熱箱內空氣溫度25℃，分析結果見表2。表中結果顯示，墻體構造對于誤差系數有顯著的影響。隨著墻體厚度的增加，誤差系數顯著增大。因此，在現場檢測中，熱箱尺寸的選擇對于檢測結果有著直接的影響，對于不同氣候地區，墻體的厚度不一樣，熱箱的大小也不一樣，應該按照墻體厚度來選擇熱箱。

表2 墻體厚度對誤差系數的影響

4.4 墻體構造的影響

分析中選用4種厚度相同構造不同的墻體，其構造見表3。可以看出，墻體構造對誤差系數有影響，不同構造的墻體誤差系數不一樣。而熱箱尺寸不一樣，誤差系數的變化不一樣，熱箱尺寸越大，誤差系數的變化也越小。因此，在用熱箱現場檢測傳熱系數時，應盡量選擇較大尺寸的熱箱，減小側向熱流對于測試結果的影響。由以上的分析來看，對于武漢市常用的墻體構造來講，熱箱的尺寸在1.8m左右時，側向熱流引起的誤差已經在1%以下，測量結果的精度得到較大的提高。

表3 墻體構造對誤差系數的影響

5 新型熱箱法的現場檢測試驗

為檢測新型熱箱法的實際效果，自制了邊長1.5m的熱箱(由于實驗空間的限制，沒有采用1.8m的熱箱，且從模擬結果來看，1.5m的熱箱誤差與1.8m熱箱相差很小)，采用JTRG－Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動測試系統按圖1所示方法對24cm厚700級加氣混凝土＋30mm苯板進行現場檢測。同時，進行現場檢測前在JTRG－Ⅰ型圍護結構熱工性能檢測熱箱中對相同結構砌體進行了實驗室檢測。檢測前加氣混凝土烘干至絕干；加氣混凝土的砌筑以聚氨脂泡沫作為粘接劑，同時起到填充接縫的作用，加氣混凝土表面不抹砂漿，以減小加氣混凝土和砂漿含水對現場檢測和實驗室檢測結果的影響。苯板粘貼中采用凡士林找平，以盡可能消除接觸熱阻。試驗在一間有大窗戶的房間中進行，房間中砌3m×3m砌體，同時以木框架＋苯板的結構和砌體共同將房間分隔為2部分，靠窗部分開窗，與室外同溫度變化，作為室外部分。砌筑現場檢測砌體時盡量在測量部位用實驗室熱箱檢測所用加氣混凝土砌塊。試驗于2007年4月12日至15日進行。試驗時熱箱對砌體室外側進行加熱，溫度設定為40℃，室內空氣溫度用空調控制在20℃左右，熱箱中心部位砌體表面溫度、室內對應點溫度及熱流值由JTRG－Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動測試系統自動記錄。圖3顯示了新型熱箱法檢測過程中穩定后的溫度和熱流值，表4是現場檢測和實驗室熱箱檢測的砌體熱阻值對比。圖3和表4結果表明，新型熱箱法檢測過程中墻體表面溫度和熱流值穩定，其結果與實驗室檢測值誤差在8%以下，表明新型熱箱法可用于武漢地區的現場檢測，而且檢測結果的精度較好。

圖3 現場檢測過程中的墻面溫度與熱流

表4 現場檢測和實驗檢測結果

6 結論

1)熱箱尺寸和墻體厚度是影響新型熱箱法檢測精度的重要因素，對于不同厚度的墻體，選擇合適尺寸的熱箱是降低側向熱流引起誤差的技術保證。

2)墻體構造對于檢測結果的誤差有影響，這種影響隨著熱箱尺寸的增大而減小。

3)對于武漢市常用墻體構造，熱箱邊長在1.8m時可基本消除側向熱流對于檢測結果的影響。

4)現場檢測結果表明，新型熱箱法現場檢測結果標準偏差小，與實驗檢測值的偏差在10%以內。

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