熱流計法在外墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用

■彭 翔，黃嘉樑，何興升

■1.廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司，廣東 廣州 510663;2.廣東省材料與構(gòu)件防火檢測技術(shù)企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510663

根據(jù)發(fā)達國家經(jīng)驗，隨著城市發(fā)展，建筑將超越工業(yè)、交通等其它行業(yè)，最終居于社會能源消耗的首位，建筑能耗將占到社會總能耗的33%或以上。建筑能耗有兩種定義方法:廣義建筑能耗是指從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過程能耗。狹義的建筑能耗，即建筑的使用能耗，就是建筑物建成以后，在使用過程中，人們?nèi)粘Ｓ媚埽绮膳⒖照{(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、家用電器等的能耗，它是建筑能耗中的主導(dǎo)部分。

建筑節(jié)能是指在滿足人們生活工作質(zhì)量前提下，在建筑物建造和使用的整個過程中合理用能，提高能源利用效率，從而達到節(jié)約能源資源的目的。2014 年全國房屋竣工面積達到42.31 億平方米，減小建筑能耗對節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)影響巨大，全國各級政府對建筑節(jié)能都高度重視。

1 外墻傳熱系數(shù)常用檢測方法

1.1 防護熱箱法檢測原理

防護熱箱法基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，將按照設(shè)計在實驗室砌筑的墻體置于兩個不同溫度箱體之間，其中計量熱箱模擬室內(nèi)或夏季室外空氣溫度、風(fēng)速、輻射條件，冷箱模擬室外或夏季室內(nèi)空調(diào)房間空氣溫度、風(fēng)速。經(jīng)過若干小時的運行，整個裝置達到穩(wěn)定狀態(tài)，形成穩(wěn)定的溫度場、速度場，測量試件兩側(cè)的空氣溫度、表面流速、表面防護箱溫度以及輸入計量熱箱的電加熱器功率，就可以計算通過試件傳遞的熱流量，從而計算出試件的傳熱系數(shù)和熱阻。

計量熱箱外面套裝防護熱箱，在計量箱周圍建立適當(dāng)?shù)目諝鉁囟群捅砻鎿Q熱系數(shù)場，減少試驗環(huán)境溫度變化對試驗結(jié)果的影響，還能減少通過計量箱壁的熱流量和試件不平衡熱流量。在檢測時計量熱箱的溫度與防護熱箱的溫度完全一致，使趨向于0;同時使用四點鎖緊機構(gòu)，將計量熱箱通過不超過20mm 寬的鼻錐緊貼在試件表面，使趨向于0。

圖1 防護熱箱法檢測原理圖

1.2 熱流計法檢測原理

熱流計的原理是通過熱流計的熱流密度與熱電勢成正比，在對熱流計系數(shù)進行標(biāo)定后，便可用溫度熱流自動測試儀檢測熱流計的輸出熱電勢從而測得熱流密度。熱流計法是利用溫差和熱流之間的對應(yīng)關(guān)系對墻體的熱阻進行測試，用熱流計和熱電偶檢測被測墻體的熱流密度以及內(nèi)、外表面溫度，然后計算傳熱系數(shù)。

被測墻體的熱阻用公式(1)計算:

式中:R—墻體的熱阻，m2·K/W;Δt—墻體內(nèi)、外表面溫差，K;q—通過墻體的熱流密度，W/m2。

測得墻體的熱阻后，墻體的傳熱系數(shù)用公式(2)計算:

式中:K—墻體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);R—墻體的熱阻，m2·K/W;Ri—內(nèi)表面換熱阻，m2·K/W;Re—外表面換熱阻，m2·K/W。

1.3 常功率平面熱源法檢測原理

常功率平面熱源法是一種比較常用的非穩(wěn)態(tài)檢測方法，其現(xiàn)場檢測的方法是在墻體內(nèi)表面人為地加上一個合適的平面恒定熱源，對墻體進行一定時間的加熱，通過測定墻體內(nèi)外表面的溫度響應(yīng)辨識出墻體的傳熱系數(shù)，原理如圖2 所示。絕熱蓋板和墻體之間的加熱部分由5 層材料組成，加熱板C1、C2和金屬板E1、E2對稱的各布置兩塊，控制絕熱層兩側(cè)溫度相等，以保證加熱板C1發(fā)出的熱量都流向墻體，E1板起對墻體表面均勻加熱的作用。墻體內(nèi)表面測溫?zé)犭娕糀 和墻體外表面熱電偶D 記錄逐時溫度值。

圖2 常功率平面熱源法檢測示意圖

該系統(tǒng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法仿真求解。該系統(tǒng)設(shè)計的墻體傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)的三維傳熱過程，這一過程受到墻體內(nèi)側(cè)平面熱源的作用和室內(nèi)外空氣溫度變化的影響，有針對性地編制非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱墻體的傳熱程序。將得到的溫度場數(shù)據(jù)和對應(yīng)的邊界條件、初始條件共同構(gòu)成樣本集對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。將測試時間中的室內(nèi)平均溫度、室外平均溫度、熱流密度、墻體內(nèi)外表面溫度作為輸入樣本，將墻體傳熱系數(shù)作為輸出樣本進行訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過一定時間的訓(xùn)練達到穩(wěn)定狀態(tài)，將各溫度值和熱流密度值輸入，由網(wǎng)絡(luò)即可映射出墻體的傳熱系數(shù)。

2 采用輔助冷熱箱的熱流計法檢測原理

我國JGJ/T132-2009《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》7.1.6 條款中規(guī)定“檢測時間宜選在最冷月，且應(yīng)避開氣溫劇烈變化的天氣。對設(shè)置采暖系統(tǒng)的地區(qū)，冬季檢測應(yīng)在采暖系統(tǒng)正常運行后進行;對未設(shè)置采暖系統(tǒng)的地區(qū)，應(yīng)在人為適當(dāng)?shù)靥岣呤覂?nèi)溫度后進行檢測。在其它季節(jié)，可采取人工加熱或制冷的方式建立室內(nèi)外溫差。圍護結(jié)構(gòu)高溫側(cè)表面溫度應(yīng)高于低溫側(cè)10℃以上，且在檢測過程中的任何時刻均不得等于或低于低溫側(cè)表面溫度。當(dāng)傳熱系數(shù)小于1W/(m2·K)時，高溫側(cè)表面溫度宜高于低溫側(cè)10/K℃以上。檢測持續(xù)時間不應(yīng)少于96h。檢測期間，室內(nèi)溫度應(yīng)保持穩(wěn)定，受檢區(qū)域外表面宜避免雨雪侵襲和陽光直射。”

廣州地處夏熱冬暖地區(qū)，冬季不采暖，夏季天氣變化多端，在自然條件下難以形成穩(wěn)定的室內(nèi)外溫差，在外墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測中要想連續(xù)采集96 個小時較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)比較困難，難以滿足建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測的市場需求。

現(xiàn)有檢測方法在不同的側(cè)面有所突破，但是應(yīng)用于現(xiàn)場檢測時都有不足之處。通過對現(xiàn)有檢測方法、現(xiàn)場條件、檢測效果等方面分析，吸取防護熱箱法和常功率平面加熱法的優(yōu)點，我們提出了在墻體傳熱系數(shù)熱流計法現(xiàn)場檢測中，在墻體內(nèi)外側(cè)對應(yīng)安裝輔助冷、熱箱進行檢測的方法，檢測示意圖如圖3 所示。

冷、熱輔助箱主要由箱體、半導(dǎo)體制冷器、溫控裝置、直流電源和溫度探頭等構(gòu)成，冷、熱箱分別采用半導(dǎo)體制冷器進行制冷或加熱，通過溫控裝置進行自動調(diào)溫，熱流和溫度傳感器用礬士林和鋁箔膠帶貼合在墻體表面上。輔助箱不但可以人工制造穩(wěn)定的一維傳熱，同時避免了風(fēng)雨天氣在外墻外側(cè)的侵襲導(dǎo)致的影響。

圖3 采用輔助冷、熱箱的熱流計法檢測示意圖

3 采用輔助冷熱箱的熱流計法檢測實例

在一棟建成使用了五年多的辦公建筑，我們選擇了一處外墻墻體進行熱流計法檢測其傳熱系數(shù)。該墻傳熱系數(shù)設(shè)計值見表1。我們選擇了三組溫度進行檢測，三組溫度分別為45/25℃、40/20℃、35/15℃，檢測結(jié)果見表2。

表1 外墻熱工性能表

表2 采用輔助冷、熱箱的熱流計法檢測外墻傳熱系數(shù)結(jié)果

通過計算，三組檢測結(jié)果與設(shè)計值相差都不超過5%，表明采用輔助冷、熱箱的熱流計法檢測的建筑外墻傳熱系數(shù)是可行的，且有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能大力提高檢測效率。檢測發(fā)現(xiàn)所測墻體的傳熱系數(shù)因設(shè)置的溫度高低不同而略有差異，因此我們認為墻體的傳熱系數(shù)在一定程度上受溫度的升高而略為增加。

4 結(jié)束語

我國擁有龐大的建筑，建筑能耗已經(jīng)越來越成為社會經(jīng)濟發(fā)展的巨大負擔(dān)，因此建筑節(jié)能全面實施勢在必行。只要廣大的技術(shù)人員集思廣益、不斷摸索，努力研究出有一定的理論支持、可實施性強的方法，必定能更好的推進建筑節(jié)能。

［1］GB/T 13475-2008，絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護熱箱法［S］.

［2］JGJ/T 132-2009，居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］徐占發(fā)主編.建筑節(jié)能技術(shù)實用手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］田斌守.建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2006.