控溫箱－雙面熱流計法測定墻體傳熱系數及模擬分析

周世界

（揚州華正建筑工程質量檢測有限公司，江蘇 揚州 225009）

0 引言

本試驗采用控溫箱-雙面熱流計法測定圍護結構墻體傳熱系數。綜合了傳統的熱箱法和單面熱流計法的優點，避免了校準熱箱法誤差的麻煩及熱流計法季節性限制的缺點，也消除了在某個時間點流入圍護結構內表面熱流值和從外表面流出的熱流值存在差異而造成的影響。

數值模擬計算可以對圍護結構傳熱系數檢測提供理論模型支撐，現場檢測可以對理論模型進行方法驗證。現階段，我國對圍護結構墻體傳熱系數的數值模擬計算相對較少，本文將從理想檢測模型和實際檢測模型進行數值模擬計算，并結合現場檢測數據進行驗證。

1 試驗原理及試驗裝置

1.1 試驗原理

圍護結構的傳熱系數是圍護結構的熱阻的倒數，反映的是圍護結構的散熱能力。表示在 1 s 內，圍護結構的兩側的空氣溫差為 1℃ 時，通過 1 m2的圍護結構的熱流量。傳熱系數越小，則墻體的隔熱性能就越強。

圍護機構傳熱系數K的表達式如式（1）所示。

式中：R0是圍護結構的傳熱阻，m2·K/W，根據 DGJ 32/J 23－2006《民用建筑節能工程現場熱工性能檢測標準》附錄 C［1］關于傳熱阻的計算，如式（2）所示。

1.2 試驗裝置介紹

試驗裝置的原理圖如圖 1 所示，控溫箱的主體結構由擠塑型聚苯乙烯泡沫塑料加工而成，箱體內含 80 W離心鼓風機×1，PTC 波紋發熱體［（3×200±10 %）W］×2，18 W 散熱風扇×2，如圖 2、圖 3 所示。PTC 波紋發熱體與散熱風扇及配套支架組裝起來，組成一個穩定的發熱源。

圖1 控溫箱-雙面熱流計法原理圖

圖2 控溫箱箱體外觀

圖3 控溫箱箱體內部圖

控溫箱的可控溫度范圍從室溫到 99℃，箱體內的溫度由溫控開關控制，溫控開關外形如圖 4 所示。

圖4 溫控開關

2 現場試驗房墻體構造

圖 5 中方框圈出來的是被測試驗房的室外取景圖，圖 6 是被測試驗房墻體構造。試驗房北面有兩扇窗，西面有一扇門，其余兩面墻均是封閉的。

圖5 試驗房外景圖

圖6 墻體構造

被測墻體是由 20 mm 混合砂漿，190 mm 混凝土雙排孔砌塊，10 mm 抗裂砂漿，30 mm 保溫層，10 mm 找平砂漿組成，墻體構造的相關參數及理論計算值如表 1 所示。

表 1 中的各層材料的物性參數來自于 DGJ 32/J 96－2010《江蘇省公共建筑節能設計常用材料熱物理性能參數表》，根據墻體構造的相關參數，可以得出墻體的理論計算熱阻。

表1 墻體構造相關參數及理論計算值

根據式（1）可以得出墻體的傳熱系數的理論計算值。

3 現場檢測過程及結果

熱流傳感器在墻體內外兩側各布置一片，傳感器的內側均涂有凡士林與墻體固定，熱流傳感器中心連線垂直于墻面，平行于溫度梯度方向，采用銅-康銅熱電偶測定圍護結構內外表面的溫度，內外表面各布置 3 個測量點，均分布在熱流傳感器的上部，左部及右部，并都標號。墻體外表面的溫度測點分別標為溫度“1”“2”“3”，熱流傳感器薄板面上標號“熱流 1”，如圖 7（a）所示；墻體內表面的溫度測點分別標為溫度“4”“5”“6”，熱流傳感器的薄板面上標號“熱流 2”，如圖 7（b）所示。圍護結構內側裝有控溫箱，墻內表面的熱電偶及熱流傳感器在其內部，在局部區域人工制造一個高溫內表面，使局部墻體兩側產生較大的溫差，降低試驗造成的誤差。

圖7 熱電偶熱流傳感器布置圖

本試驗在儀器預熱 4 h 后開始檢測，控溫箱將墻體內表面的局部溫度控制在 75 ℃ 左右，每 15 min 記錄一次溫度和熱流的數據，持續四十多個小時數據記錄。

根據圖 8 被測墻體內外表面溫度的曲線圖可以看出，外表面溫度在 24 小時 45 分鐘之后趨于穩定，內表面溫度在 24 小時 15 分鐘后趨于穩定，所以當 24 小時 45 min分鐘以后，通過被測墻體的熱流可以近似地看做穩態的一維導熱。24 小時 45 分鐘前的數據存在不穩定性，可能會造成一定的誤差，在計算墻體傳熱系數時就不作為參數的實驗數據來考慮。

圖8 測試墻內外表面溫度曲線

與被測墻體傳熱系數的理論計算值K=1.26 W/（m2·K）相比，實驗誤差為 1.6 %，實驗結果和理論計算的結果相吻合。說明實驗方法可靠，建筑施工和設計參數相一致。

4 墻體傳熱數值模擬分析

圖 9 是從 25 h 之后墻體內外表面溫差變化曲線圖及通過墻體的熱流值變化曲線圖。通過圍護結構墻體的熱流值是根據被測墻體內外表面的熱流計的熱流值的算術平均值得出。由圖 9 可以看出通過墻體的熱流值的曲線變化與墻體內外表面的溫差的曲線變化大致成正比。溫差波動不超過 1 ℃，熱流波動也相對較穩定。由圖 9 中的數據來計算被測墻體的傳熱系數比較可靠，將測試的溫度差的平均值及熱流平均值代入式（4）中，得出圍護結構傳熱系數的實驗值，如表 2 所示。

表2 傳熱系數測試結果表

圖9 內外表面溫差曲線及通過墻體的熱流值曲線

測量圍護結構的墻體傳熱系數過程中，至少需要用到溫度熱流巡檢儀、PC 等設備。若是采用熱箱法，那就需要攜帶笨重的熱箱，對現場檢測人員帶來一定的麻煩；熱流計法很受環境季節等影響，不是隨時隨地就能投入設備開始檢測工作；就控溫箱-熱流計法而言，雖然在一定程度上避免了攜帶笨重儀器的煩惱、克服了環境季節的影響，但在現場檢測的時間上未能得到改善。無論是圍護結構還是儀器，在正式測量前都需要充分的預熱，讓被測墻體兩表面及內部溫度變化趨于平衡，讓儀器的工作狀態趨于穩定，這就需要耗費大量的時間對其做準備工作。所以，為了縮短以后的現場檢測時間，接下來的工作將使用 Gambit 畫出墻體模型，劃分網格，并用 Fluent 計算墻體各層面通過的熱流量及圍護結構內外兩側的溫差，進而得到墻體的傳熱系數。模型的原型來自于被測試驗房的北立面墻。其墻體的長、寬、厚分別為 4、3、0.26 m。

4.1 理想檢測下的數值模擬分析

4.1.1 墻體物理結構模型

墻體模型共分 5 層，由里到外分別是 20 mm 厚的混合砂漿、190 mm 厚的鋼筋混凝土、10 mm 厚的抗裂砂漿、30 mm 厚的保溫砂漿、10 mm 厚的找平砂漿。墻體的物理結構模型及網格劃分如圖 10 所示。

圖10 墻體物理模型及網格

4.1.2 計算模型的選擇

墻體的傳熱可近似看作能量守恒問題，所以要用到 Fluent 中的能量方程（Energy Equation）［3-5］來計算該墻體導熱，如式（5）所示。式中：keff是有效導熱系數，Jj是第j組擴散通量，方程的前三項分別表示因導熱、組分擴散和粘性耗散等引起的能量傳遞；Sh包含化學反應熱以及其他定義的熱源項。

4.1.3 理想傳熱模型的條件

1）墻體的長寬均比厚度大很多，墻體表面近似看作是無限大；

2）平行于墻面的墻體材料均是一致且均勻；

3）不存在熱橋的影響，垂直于墻體的各個區域的導熱系數相同；

4）墻體內部不存在熱源，只來源于環境溫度，不考慮輻射的影響；

5）墻體兩側空氣存在足夠大的溫度差，且兩側空氣溫度保持穩定；

6）整個體系不存在任何化學變化；

7）整個體系除了溫度變化以外，不存在其他物理變化。

4.1.4 模型邊界的條件

1）內、外墻表面的空氣換熱系數為 9.1 W/（m2·K）、25 W/（m2·K）；

2）內、外表面的空氣溫度為 73.8 ℃、18.8 ℃；

3）墻體各個材料物性參數均為實際參數；

4）其他參數均為默認值。

4.1.5 計算結果與分析

通過 fluent 計算得出墻體溫度分布圖（見圖 11），及墻體表面與內部層面的熱流量的分布圖（見圖 12）。

圖11 理想檢測下墻體溫度分布

圖12 理想檢測下沿 Z 軸的溫度曲線

根據圖 12 的曲線圖看出，在理想檢測條件下，內外形成溫差，熱流由高溫內表面流向低溫外表面，在普通砂漿層和鋼筋混凝土層穩定時，墻體內部溫度的變化趨于墻體內表面，到了保溫砂漿，熱量傳遞受到阻礙；由圖12 可看出，熱阻越小，溫差越小，熱阻越大，溫差越大。類似于電路，壓差形成電流，電阻越大，分得的電壓也就越大。Fluent 數值模擬的計算結果與實際結構相符合。

從圖 13 的各層熱流分布圖可看出，在理想的一維傳熱模型下，在整個傳遞過程中，熱流的大小不變，類似于單個閉合的電路中，電流的大小在整個電路中是處處相等的。

綜合圖 12 溫度曲線圖和圖 13 熱流分布圖，可以分別得出圍護結構墻體的內外表面的溫差，以及通過圍護結構的熱流大小，可以求出圍護結構本身的熱阻R，再根據式（2）求出墻體換熱阻R0，如表 3 所示。

表3 墻體傳熱系數相關參數的計算值（理想檢測）

圖13 理想檢測下的通過各層面的熱流分布

4.2 實際狀態檢測下的數值模擬分析

實際檢測和理想檢測不同，理想檢測是在整個墻面的內外兩側溫度分布均勻下進行，每個點的溫差保持一致，在實際操作中是很難達到。而現場操作中只是對局部墻面進行加熱，其他墻面的外界溫度均為同一溫度。

在設計墻體模型時，在內表面要進行分割，分割出一個局部高溫面，達到實際檢測的效果，如圖 14 所示。

圖14 實際檢測的物理模型與網格

局部加熱造成僅僅只有這局部及周圍存在著溫差，所以圖 15 取出的是有溫差效果的局部墻體。圖 16 是取自平行于Z軸的不同線上的墻體內部的溫度曲線。曲線圖中“（0.45，0.45）”表示，過點（x，y）=（0.45，0.45）且平行于Z軸的線段，其余的依次類推，其中（0.45，0.45）是加熱區域的中心部位。從圖 16 的曲線可以看出，曲線的總體趨勢符合理想時的狀況，但在鋼筋混凝土層的溫度普遍偏低，越偏離加熱區的中心位置，溫度偏低越嚴重。主要是因為，加熱區域的溫度不僅受到垂直于墻面的溫度的影響，還受到同一層面的溫度影響。加熱區域的中心位置離邊緣最遠，受到同一層面的溫度影響最小，在計算溫差及熱流時，選擇（0.45，0.45）處。

圖15 實際檢測條件下的局部墻體溫度分布

圖16 實際檢測下平行于 Z 軸的溫度曲線

根據理想檢測計算結果（見表 3）和實際檢測計算結果（見表 4）得出的墻體傳熱系數，可以看出，實際檢測計算模型的傳熱系數要高于理想結果的傳熱系數，原因可能是出自墻體內表面僅僅只有局部加熱，其他表面都受到環境的低溫影響，從而影響到墻體內部的溫度分布，所以在局部受熱面在傳熱過程中，受到同層面的溫度影響，造成溫度偏低，致使溫差變小。因為溫度分布不均，造成熱流在通過墻面并不完全是一維過程，熱流分流，造成一部分熱流損失，致使墻體熱阻的計算結果偏小。

表4 墻體傳熱系數相關參數的計算值（實際檢測）

5 結論

本文采取控溫箱-雙面熱流計法現場檢測圍護結構的傳熱系數，并用 Gambit 搭建圍護機構物理模型，并對物理模型進行網格劃分，得出模擬計算值（模擬計算中分為理想檢測與實際檢測的物理模擬計算），其結果總結如表 5 所示。

表5 墻體傳熱系數的實測值及數值模擬值

物理模擬計算出的結果高于實測值，是因為搭建墻體物理模型的墻體結構與實際結構存在著差異，且在物理模型中，未考慮外墻的未知裝飾面，造成墻體熱阻的計算值偏低。物理模型計算中，得出的墻體內溫度分布，符合實際情況。Q