建筑圍護結構傳熱系數的現場檢測方法研究

江宏玲

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽 合肥 230088）

0 引 言

最近幾年，我國建筑行業飛速發展，與此同時國家推出了能源改革計劃，從而使得建筑圍護結構的節能狀況受到了社會的普遍關注，很多學者為此進行了探究與分析，所發明的節能技術有些幾乎接近國際一流水準。盡管一系列節能研究工作正在廣泛開展，但是建筑物在采用了節能措施后，效果是否突出，如何客觀而公正地評價節能效果，怎樣將建筑能耗控制在合理范圍內等，這些問題還需要進一步深入探討。筆者認為，對于各類建筑而言，要想使其保持良好的節能狀態，應當合理選取建筑圍護結構傳熱系數。針對建筑節能，我國住建部曾經開展過專項檢查活動，并且指出務必不斷提升檢測技術［1］。因此，選用合理、有效、簡便的測試手段，將有助于推動我國建筑節能工作更好更快地發展。

1 測量圍護結構傳熱系數的常見方法

對建筑節能進行審核驗收時，關鍵是要檢查其圍護結構的傳熱系數是否合乎標準，而這則需要通過現場測試方能得知。對于這方面，自 20世紀80年代起，國內外很多學者便陸續展開了研究，并研制了多種檢測儀器，創建了多種檢測方式。

當前，業界普遍采用以下 4 種方式［2］對建筑圍護結構的熱傳導系數進行現場測試。

1.1 熱流計法

目前，這種方法已經廣為接受，因此其應用范圍最為廣泛。圖1給出了熱流計法的測試原理，操作時需要對tw、tn、q這 3 種參數進行測試，其中，tw、tn分別用以描述圍護結構兩側的溫度，q表示通過圍護結構的熱流量。基于此，可運用式（1）求出圍護結構的傳熱系數。

式中：K為圍護結構傳熱系數；R為圍護結構熱阻值；Re，Ri分別為圍護結構兩個側面的對流換熱熱阻。

通過以上兩個公式可以分析出，R值是求出K值的前提條件。根據溫度梯度和熱電效應的基本原理可制作出熱流計，圖1、圖2分別展示了該測試儀器的內部構造和測試原理。

圖1 熱流計的內部構造

圖2 熱流計測試原理

運用熱流計測試法需要注意以下 3 點。1）應當保持恒定的室內外溫差，為此可將測試對象確定為供暖 4 d 以上的建筑。2）應將熱性能恒定的墻體部位作為測試點，不宜選取明顯受到環境影響的部位。3）為了將測試誤差控制到最小化，應當使室內外溫差＞20 ℃，但是這種狀況只有在冬季才能實現，因此容易受季節限制。雖然熱流計測試法并不如想象中那樣隨意，但是國內外專家仍然指出了該測試法在現實中應用的必要性，而且將熱流計的操作方式與技術規格納入了國際標準。最近幾年，北京市頒布并執行了建筑節能改造方案，為了給節能改造提供準確的技術數據，采用熱流計法對住宅樓屋頂及外墻的傳熱系數進行了測試［3］。

1.2 熱箱法

熱箱法強調了不同于熱流計法的測試理念，即假設建筑圍護結構只存在“一維傳熱”，當計量箱內的熱度處于恒定不變狀態時，可將計量箱的加熱量視為通過被測墻體的導熱量。運用式（2），可求出K值——被測墻體的傳熱系數。

式中：q為通過圍護結構的傳熱量；tl，tr為圍護結構內外表面的測試溫度；A為圍護結構被測部位的表面積。

防護熱箱法、標定熱箱法是常用的兩種熱箱法，圖3、圖4分別表達了這兩種計量箱的結構原理。美國通常運用防護熱箱法來測定墻體的傳熱系數，并已經將其使用方式與技術規格納入到 ASTM 標準中［4］。

圖3 防護熱箱結構原理

圖4 標定熱箱結構原理

在圖3中，試件即為圍護結構，通過該結構的熱量被傳輸到計量箱的加熱絲上。傳熱系數受到多種因素的制約，如：加熱面的半徑、加熱箱內部的空氣溫度、墻體厚度等，如果對這些因素合理控制，有助于提高對被測件傳熱系數的測量精度。

通過分析可以得知，實際測定過程中，熱量并沒有完全從墻體中通過，一部分熱量通過墻體表面發散到周圍空間。有些測定方法通常將加熱絲接收的熱量視為通過墻體的熱量，測定結果出來后，往往需要對其加以修正。但標定熱箱法可對通過被測件的熱量和散發到空氣中的熱量進行標定，從而獲得比較精準的檢測結果，這也是標定熱箱法的由來。

以上兩種檢測方法的共同優勢表現為：對環境溫度的要求并不高，幾乎不受季節影響，當熱箱溫度與空氣最高溫度的溫差＞ 10 ℃、相對濕度＜60 %、溫度平均值低于 25 ℃ 時，即可進行操作。盡管這些條件并不難以實現，但熱箱法在現實中的應用還不夠廣泛，這是由于其受到三種因素的限制：一是設備安裝比較復雜，二是現有標準的適用對象為實驗室，三是不能通過測試手段來獲知熱橋部位的狀況。

1.3 非穩態法

常功率平面熱源法是非穩態法的典型代表，該方法應用較為普遍，對于建筑圍護結構傳熱系數，其測試原理如圖5所示。

圖5 常功率平面熱源法測試原理示意圖

從圖5可以分析出，非穩態法具有兩種明顯優勢，一是不需要較長的測試時間，工作效率顯著增加；二是無論溫度波動還是外部空氣流動，都不會對其產生較大作用。但非穩態法的弊端也是顯而易見的，首先，測試現場需要配備完善的設備；其次，系統編程和仿真軟件的精確性要高；再次，測試技術要達到較高的水平；最后，其測定結果需要依托非常多的可靠數據加以論證。由于這些原因，目前該方法在現實中推廣應用還存在一定的難度。

1.4 紅外熱像儀法

非接觸測試方式是紅外熱像儀法的顯著特征，其應用原理為：對墻體表面發射的紅外輻射信號通過紅外熱像儀進行捕捉，由此獲得熱影像，然后借助于操作軟件求出建筑圍護結構的表面溫度場。在建筑節能改造的過程中，以建筑外墻為目標對象，運用紅外熱像儀可測得該圍護結構內外表面的溫度，從而為節能改造提供可靠的技術數據。通常認為，這種方法的優勢表現為定性分析，不適用于定量分析，因此在現實中要想得到廣泛使用，還需要作出進一步研究［5］。

1.5 幾種方法的比較

上述 4 種測試方法雖然在現實中比較常見，但其優勢和弊端卻不盡相同。接下來將從以下幾點對這 4 種測試方法做出對比分析。

1）現場受限狀況。與熱流計法、熱箱法、非穩態法相比，紅外熱像儀法可對紅外輻射信號進行接收。但從實際應用狀況來看，難以獲取到比較完善的圍護結構紅外發射率數據，因此該測試方法最容易受到局限。

2）攜帶的方便性。紅外熱像儀與熱流計體積不大，最易于攜帶，而熱箱不僅沉重而且需要占用較多的空間，需要配備專門的運輸工具，因此在 4 種方法中，熱箱法所用的測試設備最不易于攜帶。

3）測試時間。盡管熱流計使用的檢測儀器最便于攜帶，但與熱箱法、非穩態法、紅外熱像儀法相比，它的最大弊端表現在需耗用最多的檢測時間。

4）外部環境的影響。相比其他 3 種測試方法，熱流計法適用于室內外溫差較大的環境，其主要應用對象為冬季供暖的建筑物。由于熱箱內部的恒溫環境可通過人為設置，因此幾乎不受外部環境的影響。

建筑圍護結構不僅能夠蓄存較多熱容量，而且在熱能傳導過程中還具有明顯的遲滯特征。對于這種物體，任何一種傳熱系數檢測方法都不能做到既不受環境的影響，還能夠被方便且快速地操作。若要使測試儀器便于攜帶，并使測試時間、空氣濕度、空氣溫度、大氣流速等因素的影響降低到最小化，只有做出更進一步的研究。盡管通過空調制冷，可使室內在夏季出現較大的溫差，但由于該季節晝夜溫差較大，仍然不適宜使用熱流計法。總的來說，要想使我國建筑節能工作取得明顯成效，有必要研制出能同時滿足環境要求低、測試時間短、便于攜帶等條件的新型檢測方式。

1.6 新型建筑維護結構傳熱系數現場檢測裝置

為了對當前的檢測技術進行改進，吳培浩等學者對熱箱法、熱流計法進行了充分融合，從而發明出一種新型的測試裝置（見圖6）。該裝置由五個部分構成，即熱流計、溫差產生設備、溫差控制線、熱電偶以及用于獲取溫度和熱流的數據采集設備［6］。

圖6 新型測試裝置示意圖

相比于常用的圍護結構傳熱系數檢測技術，該測試裝置表現出 4 種優勢。

1）加熱面為圓形，具有對稱性，實現了從假設中的“一維傳熱”到“二維傳熱”的轉變。為了精準獲知墻體的熱流，在截面中心配置了熱流計。

2）數據采集設備使熱流密度、溫度等技術數據保持了連續性。

3）利用溫差產生設備，使新裝置具備了互換方便的加熱、制冷兩種功能，有效降低了環境、季節等因素對測試方法的影響。

4）整套裝置便于安裝，且無需占用較多空間；既能夠快速制冷或加熱又節省用電，使用成本較低［7］。

2 檢測方法研究展望

隨著時代的發展，建筑節能問題引起了世界各國的普遍關注，國內外諸多專家學者均做出了分析與探究。我國對建筑節能的研究相對滯后，然而經過多年的努力，有關建筑節能改造的制度、方案、標準等已經明顯趨于規范。

對建筑節能檢測的方法、過程進行分析，能夠為實例工程分析提供理論支撐和技術支持。采用熱流計法和紅外熱像儀相結合的方法，來分析所檢測的民用建筑的能耗與節能情況，能夠切實提高熱流計法節能檢測的效率，且因其測點數量較少，能夠對建筑物進行大面積節能檢查。

為了更好地完成建筑圍護結構傳熱系數的檢測工作，在提升民用建筑檢測技術水平的前提下，需要對當前能耗檢測的管理制度進行“頂層設計”，從管理和體制上確保監測管理制度能夠生根發芽并茁壯成長，如何進行有效的制度安排，需要從理論上進行進一步的探討。

3 結 語

當前，針對建筑圍護結構傳熱系數的檢測，很多國內外學者運用傅里葉定律做出了進一步探究，創建了諸多新型檢測方式，并在實驗或模擬中得到了驗證。盡管如此，傅里葉定律只適用于一維傳熱的穩態環境，現實中的測試環境不是一成不變的，熱量在空間中的散發也是多維的。對于我國而言，選用準確度高、測試時間短且對測試環境要求不高的傳熱系數檢測方法，才有助于我國建筑節能工作落到實處。但這種方式如何獲得，值得人們去深刻思索。