建筑墻體保溫性能檢驗裝置的測試原理對比

趙斯衎 ，陳愛玲 （福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

1 概述

隨著建筑工程質量的提高，以及居民生活質量的提高，出現了各式各樣的高層建筑，在人們享受陽光帶來的溫暖時，也會擔憂建筑外墻在陽光下暴曬造成室內升溫的困擾，因此，建筑墻體的保溫性能作為能耗檢測的重要指標，已得到廣泛關注。建筑墻體的保溫性能是以傳熱系數K值表示，以往稱總傳熱系數，國家現行標準規范統一定名為傳熱系數。傳熱系數K值，是指在穩定傳熱條件下，結構兩側空氣溫差為1度(K,℃)，1h內通過1m2傳遞的熱量，單位是瓦/平方米·度(W/m2·K)。而導熱系數λ是指在穩定傳熱條件下，1m厚度材料，兩側表面溫差為1度 (K,℃)，1h內通過1m2傳遞的熱量，單位是瓦/平方米·度(W/m2·K)，此時K可由℃表示。傳熱系數K可由公式（1）表示：

式中，h1，h2分別為兩結構表面熱交換系數，W/m2·℃；

δ為材料厚度，m；

λ為材料導熱系數，W/(m·℃)。

目前，建筑行業及建筑建材檢測機構，普遍使用墻體保溫性能檢驗裝置來測試墻體傳熱系數K值的大小，進而得出墻體質量的優劣。其工作原理主要有熱流計法、熱箱法和控溫箱法。

2 三種方法的分析與比較

2.1 熱流計法

由于墻體具有熱阻，墻體溫度隨著其厚度衰減，使墻體內外表面產生溫差，因此，熱流計法采用熱流計和溫度傳感器測量通過墻體的熱流值和表面溫度，經過計算得出墻體熱阻和傳熱系數。該方法是基于溫度只在厚度方向傳遞，傳熱過程近似一維穩態傳熱下成立的，不考慮向四周的擴散。其計算公式如下：

式中，K 為傳熱系數，W/(m2·K)；

Ri為墻體內表面熱阻，m2·K/W；

Re為墻體內外表面熱阻，m2·K/W；

R為被測墻體試件的熱阻，m2·K/W；

而被測墻體試件的熱阻又可表示為

式中，T1為墻體冷端溫度，K；

T2為墻體熱端溫度，K；

E為熱流計顯示值，mV；

C為熱流計探測頭系數，W/(m2·mV)，出廠時已標定此系數。

由以上公式可知，若考慮熱流向四周的擴散，被測墻體試件的熱阻將偏小，其傳熱系數將偏大，不適用于現場測試。該方法多適用于陽光充足地區或有供暖設施的地域。此外，其內部使用的熱流計與熱電偶的測量位置不宜陽光直射，且不能有空氣滲漏等，因此，由于該方法的局限性，其測試結果的穩定性較差。

2.2 熱箱法

該方法也是基于一維穩態傳熱的原理，在被測墻體試件的一側用熱箱模擬采暖建筑的室內環境，使熱箱內和室內溫度保持一致，另一側為冷箱，相當于室外自然條件，維持熱箱內溫度與室外溫度在8℃以上，并配合溫度、風速和輻射條件，這樣，保證了被測試件熱流方向始終由室內流向室外。當熱箱內加熱量與通過被測試件的傳遞熱量達到平衡時，通過對加熱量的測試即可得到被測試件的傳熱量，并對空氣溫度、被測試件和箱體內壁表面溫度，以及輸入到計量箱的功率進行測量，通過公式（4）即可得到所需的傳熱系數。

式中，K 為傳熱系數，W/(m2·K)；

Q為通過被測墻體試件功率，W；

A為熱箱開口面積，m2；

Th為熱箱空氣溫度，℃；

Tc為熱箱空氣溫度，℃；

由于該方法是基于一維穩態傳熱的原理，測試通過被測墻體試件的熱量，并將傳向試件其他方向的熱量進行排除，因此，根據排除方法的不同，又可分為防護熱箱法和標定熱箱法。防護熱箱法基本原理為，當墻體保溫性能檢驗裝置內部計量箱外環境與內環境基本平衡時，不需考慮計量箱的熱損耗，此時整個測試環境可視為理想狀態，因此，穿過試件的總熱流量將等于輸入計量箱的熱量，即輸入計量箱的功率。而標定熱箱法基本原理為，對檢驗裝置內部計量箱的箱壁損失和迂回損失進行標定，在輸入計量箱的總功率中扣除這兩部分損失，從而間接獲得穿過試件的熱流量。

熱箱法已成為實驗室檢測的通用方法，不受季節限制，并有相關國內外標準。但是，基于一維穩態傳熱的條件，在現場實際情況下，很難實現。

2.3 控溫箱法

控溫箱是一套自動控溫裝置，由雙層框構成，層間填充發泡聚氨酯或其他高熱阻的絕緣材料，具有加熱與制冷功能，可隨季節變換進行雙向切換使用，模擬出建筑物的實際狀況。溫度由溫度傳感器，如熱電阻和熱電偶進行測量，熱流作為熱電勢通過熱流計探頭轉換成熱流密度，溫度值和熱電勢可由溫度熱流巡檢儀按所需時間間隔自動記錄，通過測量被測墻體試件的熱流量和內外表面溫度、室內外環境溫度、箱體內的溫度、參照熱流計法，利用公式（2）和（3），得出所需的傳熱系數。

該方法結合了熱流計法和熱箱法的特點，用熱流計法作為基本測試方法，用熱箱法控制模擬出的環境狀況，不僅解決了熱流計受季節影響的問題，還避免了對熱箱誤差的校準。由于該方法中的熱箱僅為一個溫度控制裝置，無需計算輸入熱箱和熱箱向各個方向傳遞的功率，因此，不用龐大的防護箱來消除邊界的熱損失，也無須對熱損失進行標定。該方法如今已廣泛應用于建筑節能、材料導熱方面。

2.4 其他方法

除了上述三種方法以外，還有其他個別少見的方法，如溫度場響應法和紅外熱像儀法。

當一個物體的一側被加熱時，溫度升高，并傳熱到另一側，需要一定時間，使得另一側溫度也升高。因此，溫度場響應法與常見方法不同，其只記錄被測試件的溫度和時間，不記錄被測試件的功率和熱流，并結合相關公式即可計算出被測試件的熱阻或傳熱系數。該方法是基于溫度在均勻介質中傳播的條件下進行的，且測試環境也要相對穩定。因此，在現實測試環境下，難以滿足該方法所需條件，若用該方法，所測試結果的重復性與穩定性都無法滿足要求。而且該方法并無相關國家標準或地方規范進行參照，其測試結果難以具有權威性。

紅外熱像儀法，根據物體紅外輻射的特點，即一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量，該能量的大小和波長，與物體的表面溫度有著十分密切的聯系。因此，該方法就是通過對紅外輻射能量的測量，進而得出物體的表面溫度。但是，該方法通過測得的各種熱成像圖，其實只能對物體的溫度進行定性分析，無法具體量化所測結果，因此，多用于分析對比參考使用。并且該方法必須在建筑物內部提供熱源，使得內部溫度大于外部溫度，當熱量傳遞至外墻后，熱成像儀才能進行反應，不僅需要等待時間，也需要一定的成本準備內部的熱源供給。該方法也無相關國家標準或地方規范作為依據，所以較少使用。

3 結論

本文通過對墻體保溫性能測試儀常見的主要的三種測試原理進行分析，得出各自的優缺點，總結出最優測試方法，并對少見的條件不成熟的測試方法也進行了分析，為此類儀器的功率測試提供了技術依據，對今后該類儀器的更新換代提供了較好的參考價值。