現場檢測圍護結構傳熱系數技術研究

郜晶

（山西五建集團有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

近些年我國建筑行業飛速發展，與此同時國家推出一系列能源改革計劃，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研究。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高檢測技術。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 檢測圍護結構傳熱系數的方法

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，而這需要通過現場測試方能得知。在此方面自20 世紀80 年代起，國內外很多學者便陸續展開研究，并研制多種檢測儀器，創建多種檢測方式。當前，業界普遍采用以下4種方式對建筑圍護結構的熱傳導系數進行現場測試[1]。

2 熱流計法

熱流計法是目前較為常見且被大家接受的測試方法，測試原理見圖1，主要是用熱流計測得通過被測墻體的熱流量q，同時測得墻體兩側的溫度tn和tW，如公式（1）所示：

圖1 熱流計法測試原理

式中：R 為墻體熱阻；Ri、Re分別為墻體內外表面對流換熱熱阻；K 為墻體傳熱系數。

由式（1）可計算出墻體的熱阻，從而得到傳熱系數。熱流計的結構如圖2 所示，它是根據熱電效應和溫度梯度的原理制成。

圖2 熱流計構造

在測試時，要選擇至少連續穩定供暖4d 的房間，也可人為地使室內外的溫差保持恒定，同時，關于測點要盡量選擇熱工性能穩定的位置，避開受環境影響較大的地方。欲使該方法的測試誤差降低，就要增大室內外的溫差，一般情況下，此溫差必須在20℃以上，但是，受季節變化影響很大。盡管如此，國內外諸多國家仍采用該方法進行圍護結構熱阻的現場測試，且在國標中詳細地規定了關于熱流計法的規格與操作方法。近幾年太原對既有住宅圍護結構進行節能改造，其中外墻和屋面的傳熱系數檢測采用的就是熱流計法，為節能改造效果提供依據。

3 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。運用如公式（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圖。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。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：①設備安裝比較復雜；②現有標準的適用對象為實驗室；③不能通過測試手段來獲知熱橋部位的狀況。

圖3 防護熱箱法原理

4 非穩態法

在非穩態測試方法中功率平面熱源法比較常見，在進行現場檢測時，將一恒定熱源放在墻體的內側，來加熱墻體。墻體的傳熱系數是通過仿真軟件對熱電偶記錄的溫度進行分析計算而得到的。位于圖5 左側圖中的絕熱層由5 層材料組成，其中金屬板和加熱板分別均勻的布置在絕熱層的兩側，使絕熱層兩側的溫度能夠保持相等，從而保證了墻體受熱均勻穩定。A 與D 是位于墻體內外兩表面的熱電偶，用來測試并記錄溫度，然后利用仿真分析軟件建立傳熱模型，并從測試數據建立邊界條件，通過分析計算得出墻體傳熱系數。

圖4 標定熱箱法原理

圖5 常功率平面熱源檢測原理

由其測試原理可知，非穩態法在應用中不易受室外空氣流動與溫度波動的影響，而且實際測試的時間也可以縮短，提高工作效率。但是這種方法尚未開發完善的設備，同時需要有精密準確的系統編程和成熟的仿真軟件，對測試全過程的技術性具有很高的要求，而且還要大量可靠數據來驗證測試結果的穩定性。因此用這種方法大規模地進行傳熱系數現場檢測還有較長的路要走。

5 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。

6 新型圍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[2]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，示意圖如圖6 所示。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。

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，使新裝置具備互換方便的加熱、制冷兩種功能，有效降低環境、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。

圖6 新型圍護結構傳熱系數現場檢測裝置

7 結論

受多種因素影響，不同地區不同建筑的傳熱現場檢測，所使用的技術不同，相關人員要根據所在地的實際情況選用最佳的檢測技術。