福建省圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測技術(shù)探討

喻輝

（福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司 福建省 福州市 350012）

福建省圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測技術(shù)探討

喻輝

（福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司 福建省 福州市 350012）

采用熱箱熱流計法是我國夏熱冬暖地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測的一種常見方法。本文通過對福建省圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)實(shí)際檢測過程進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有檢測手段在福建省地區(qū)實(shí)施過程中存在的問題，找出影響檢測結(jié)果的因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)思路。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)；傳熱系數(shù)；現(xiàn)場檢測；熱箱熱流計法

1　概述

目前我國建筑用能已經(jīng)超過全國能源消費(fèi)總量的1/4，今后可能逐步增加到1/3[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力提高，對建筑節(jié)能要求也越來越高。按住建部建筑節(jié)能2010年規(guī)劃目標(biāo)，要求全面實(shí)現(xiàn)節(jié)能50%的目標(biāo)。福建省雖然地處夏熱冬暖地區(qū)，但城鎮(zhèn)新建建筑嚴(yán)格落實(shí)強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，“十二五”期間福建省節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行率要求達(dá)到100%，其中提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能作為達(dá)成目標(biāo)的一個重要手段。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能是影響建筑能耗的主要內(nèi)在因素，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的一個重要評價指標(biāo)。判定一棟建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是否符合設(shè)計要求，僅通過理論計算和同條件試樣法檢測不能反映施工質(zhì)量和建筑物實(shí)際保溫性能，因此有必要對圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

福建省常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法有熱流計法、紅外熱像儀法和熱箱法等。其中熱流計法作為一種比較法，其原理在于借助于熱流計測定通過試件的熱量，熱流計法的本質(zhì)要求是通過熱流計的熱流是通過被測對象的熱流，并且這個熱流平行于溫度梯度方向（通過熱流計的熱流）為一維傳導(dǎo)，不考慮向四周的擴(kuò)散[2]。其優(yōu)點(diǎn)在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差越大，其相對誤差約小，檢測結(jié)果也更精確。缺點(diǎn)是受季節(jié)限制明顯，僅可在有采暖供熱系統(tǒng)且正常運(yùn)行后，且宜選在最冷月進(jìn)行測試，在非采暖期或夏熱冬暖地區(qū)不推薦使用此法，嚴(yán)重制約此法在福建省內(nèi)檢測推廣應(yīng)用。紅外熱像儀法作為一項確定物體表面溫度的非破壞性檢測技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能熱工缺陷、混凝土建筑物飾面缺陷等檢測領(lǐng)域。紅外熱像儀法一般選擇夜間或陰天進(jìn)行檢測，避免陽光照射對檢測結(jié)果造成影響。它能準(zhǔn)確快速檢測建筑物內(nèi)外表面溫度，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行摸查并確定主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度，然后對存疑部位進(jìn)行詳查，測定各部位溫差和相應(yīng)面積，根據(jù)熱工缺陷測試原理引入能耗增加比對熱工缺陷進(jìn)行判定。其缺陷在于無法測得熱流值，不能獨(dú)立作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測手段，通常用于分析檢測結(jié)果時作參考對比。熱箱法是人為制造一個一維傳熱模型環(huán)境，被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)用熱箱模擬建筑物室內(nèi)環(huán)境條件，外側(cè)為室外自然環(huán)境或根據(jù)季節(jié)需要加蓋冷箱。其中熱箱熱流計法是利用溫控裝置控制熱箱溫度，模擬建筑物熱工情況，用熱流計法測定受檢圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在于避免熱流計法受季節(jié)影響及地區(qū)氣候限制，又減少熱箱溫度波動對檢測結(jié)果的影響，設(shè)備簡易方便，適合福建省夏熱冬暖地區(qū)開展圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測工作。熱箱-熱流計法也有其局限性，如熱橋部位無法檢測，檢測現(xiàn)場宜與紅外熱像儀法相輔助等。本文主要針對福建省圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測使用較多的熱箱熱流計法進(jìn)行分析和探討。

2　熱箱熱流計法圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測原理

根據(jù)《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T132-2009）中圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位傳熱系數(shù)檢測內(nèi)容，檢測參數(shù)包括主體部位熱流密度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫度，所用的儀表主要是建筑用熱流計和熱電偶。當(dāng)采用算術(shù)平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻：

式中：R——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻（m2·K/W）；

θIj——圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位內(nèi)表面溫度的第j次測量值（℃）；

θEj——圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位外表面溫度的第j次測量值（℃）；

qj——圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位熱流密度的第j次測量值（W/m2）。

計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)：

式中：U——圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位傳熱系數(shù)[W/（m2·K）]；

Ri——內(nèi)表面換熱阻，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）中附錄二表2.2的規(guī)定采用；

Re——外表面換熱阻，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）中附錄二表2.3的規(guī)定采用。

3　影響因素分析

3.1熱箱面積的影響

建筑節(jié)能工程施工驗(yàn)收要求一年四季都能檢測，因此《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T132-2009）在修訂時采取人為創(chuàng)造一定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫差的措施，如冬季室內(nèi)電加熱器加熱，夏季采取室內(nèi)空調(diào)制冷，春秋兩季通過在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面覆蓋電熱毯等做法來增大外墻、屋頂內(nèi)外表面溫差。但這些做法無法避免檢測過程中能耗高，達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定時間長，且難以控制室內(nèi)溫度波動。本文采取1.2m×1.2m×0.2mm和2m×2m×0.2m兩種尺寸熱箱對同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位進(jìn)行先后檢測，檢測儀器采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑節(jié)能儀表研究所研制的BES-Aa型熱箱法圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀。熱箱內(nèi)側(cè)均布置電加熱裝置及散熱鋁板，熱箱周邊采用柔性材質(zhì)保證與主體部位密封性。圖1為時間-圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位內(nèi)表面溫度曲線。在檢測過程中，現(xiàn)有的熱箱技術(shù)還無法保證熱箱內(nèi)的溫度恒定。受熱箱尺寸影響，較小尺寸熱箱現(xiàn)場檢測中加熱傳熱過程出現(xiàn)一定的周期性。熱箱法由于控溫箱在平面方向的尺寸有限，必然引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向的散熱，使平壁中的導(dǎo)熱偏離一維導(dǎo)熱的理想模型，引起測試平壁熱阻的誤差。因此，若要達(dá)到熱箱法假定的一維傳熱，對加熱面的高和寬有一定要求，一般至少為墻體厚度的8～10倍，熱箱尺寸高與寬須達(dá)到2m以上[2]，這與實(shí)際檢測結(jié)果相符。

圖1

3.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位含水率的影響

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位含水率對現(xiàn)場檢測結(jié)果的影響，《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T132-2009）僅給出相應(yīng)檢測宜在受檢圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成至少12個月后進(jìn)行。它對受檢圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位的干燥狀態(tài)從時間上進(jìn)行了定量規(guī)定。實(shí)踐表明，保溫材料含水率越高，其導(dǎo)熱系數(shù)越大。而目前節(jié)能設(shè)計中對圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位傳熱系數(shù)計算所用的節(jié)能材料導(dǎo)熱系數(shù)未涉及到材料含水率情況，如《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）給出的是絕干狀態(tài)下的材料導(dǎo)熱系數(shù)。而現(xiàn)場施工過程中，節(jié)能保溫材料、砌塊、砂漿、飾面材料等均與水相接觸，完工后外墻又受天氣氣候影響，且福建省多雨水、潮濕，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位傳熱系數(shù)的實(shí)測值較理論值偏大。因此實(shí)際檢測過程中，當(dāng)檢測結(jié)果明顯偏離理論值時，除了用紅外熱像儀法排除熱橋、熱缺陷和避免熱箱內(nèi)外溫差產(chǎn)生水汽對墻體影響外，應(yīng)對墻體構(gòu)造情況進(jìn)行鉆芯取樣和對其組成材料的含水率進(jìn)行檢測，根據(jù)含水率對其傳熱系數(shù)檢測結(jié)果進(jìn)行加權(quán)修正[3]。

3.3溫差的影響

福建省屬于夏熱冬暖地區(qū)，其最冷月白晝室外溫度多高于10℃，年平均氣溫自北而南在17～21℃之間。《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T132-2009）要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測中，最小溫差應(yīng)不小于10℃。有研究表明，通過調(diào)整熱箱溫度來改變熱冷側(cè)表面溫度差，溫度差分別為12℃、16℃、20℃，不同溫差條件下的傳熱系數(shù)的變化不大[3]。但如果室外溫度極端較高情況下仍增大外墻內(nèi)外側(cè)溫差，傳熱系數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，并有減小趨勢。分析其原因在于外側(cè)溫度由于室外溫度高易發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致溫差產(chǎn)生較大波動，而熱流密度由于墻體阻隔原因發(fā)生變化滯后，從而導(dǎo)致傳熱系數(shù)檢測結(jié)果出現(xiàn)大幅波動。因此建議在福建省夏熱冬暖地區(qū)控制溫差稍高于10℃較為合適，即可滿足檢測精度，且避開高溫等極端天氣。

4　總結(jié)

熱箱熱流計法作為一種可靠的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法，在福建省地區(qū)現(xiàn)場檢測過程中，如有可能建議，首先用紅外熱像儀對整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，排除明顯的熱工缺陷和熱橋等，保證檢測位置無裂縫和空氣滲漏，且不受加熱、制冷裝置的直接影響；熱箱周邊采用柔性材質(zhì)保證與主體部位密封性，避免熱箱內(nèi)外溫差產(chǎn)生水汽對墻體影響；圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位內(nèi)外溫差控制稍高于10℃較為合適；在檢測結(jié)果偏離理論值情況下，建議鉆芯取樣，檢測其含水率，根據(jù)含水率情況對其傳熱系數(shù)的檢測結(jié)果進(jìn)行加權(quán)修正。

[1]《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T132-2009）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]姜玉梅，劉立武，魏代曉，等.既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測技術(shù)分析與探討[J].制冷與空調(diào)，2012，6（26）：241～245.

[3]章家海.圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測影響因素探討[J].安徽建筑，2011，4（179）：194～195.

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