控溫箱-熱流計(jì)法在夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用

范凱  張宏春

（南京市建筑安裝工程質(zhì)量檢測中心  江蘇·南京  210017）

【摘要】 對目前夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法及其局限性進(jìn)行了分析和思考，結(jié)合實(shí)例敘述了控溫箱-熱流計(jì)法的檢測過程，對于夏熱冬冷地區(qū)而言，該方法有較好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：夏熱冬冷  圍護(hù)結(jié)構(gòu)  傳熱系數(shù)  現(xiàn)場檢測

1、概述

夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)為夏季悶熱、冬季寒冷、環(huán)境潮濕、日照率低、靜風(fēng)率高以及夏天和冬天室內(nèi)外的溫差較小. 該地區(qū)夏天主要依靠通風(fēng)和空調(diào)降低室內(nèi)溫度，而冬天主要依靠人體溫度或使用暖空調(diào)升高室內(nèi)溫度. JGJ132-2009《居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測所用的熱流計(jì)法應(yīng)在采暖期進(jìn)行，這給夏熱冬冷地區(qū)的現(xiàn)場檢測工作帶來諸多的不便. 夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑室內(nèi)基本沒有采暖和供暖設(shè)施，即使到了采暖期，室內(nèi)外的溫差也同樣不具備可供檢測的溫差. 并且使用熱流計(jì)法進(jìn)行居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測定時(shí)，無法在被測墻體上建立一個(gè)理想的一維的穩(wěn)態(tài)傳熱條件.

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是建筑節(jié)能檢測的一個(gè)重要參數(shù)，各地根據(jù)地方氣候特點(diǎn)都在研究適應(yīng)當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)的檢測方法。目前圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測方法中具備代表性的有熱流計(jì)法、熱箱法和控溫箱－熱流計(jì)法。筆者經(jīng)過比較，認(rèn)為控溫箱－熱流計(jì)法在夏熱冬冷地區(qū)有較好的適應(yīng)性。控溫箱－熱流計(jì)法利用控溫箱人工控溫、模擬采暖熱環(huán)境，采用熱流計(jì)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，得到被測墻體的傳熱系數(shù)。下面分別對熱流計(jì)法、熱箱法、控溫箱－熱流計(jì)法的檢測原理及操作方法進(jìn)行比較。

2、目前傳熱系數(shù)檢測方法簡介

2.1 熱流計(jì)法

目前國內(nèi)用于實(shí)踐的砌體熱阻/傳熱系數(shù)檢測方法以熱流計(jì)法為普遍。這種方法是以一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理為基本前提的。如圖1( 箭頭所示為熱流方向及分布)熱流計(jì)法是在一維穩(wěn)態(tài)傳熱的前提下, 通過檢測熱流計(jì)的熱流密度和砌體兩面的溫差, 根據(jù)公式: R=△t/q 來計(jì)算砌體的熱工性能( 熱阻、傳熱系數(shù)) 。但這種方法在實(shí)際應(yīng)用中有很多缺陷。

     *, 熱流計(jì)適用于相對均質(zhì)的材料。而現(xiàn)有建筑砌體材料的多樣性很難滿足這個(gè)要求, 特別是空心砌塊、空心磚等空心砌體材料, 空心的尺寸對于熱流計(jì)來說遠(yuǎn)夠不上均質(zhì), 所以, 直接用熱流計(jì)法來檢測這樣的砌體, 誤差就會(huì)很大, 一般采用加大熱流計(jì)粘貼數(shù)量、通過測試數(shù)據(jù)的平均值來減小誤差, 但數(shù)據(jù)的差別對其科學(xué)性和真實(shí)性的影響是比較明顯的。

     第二, 熱流計(jì)在砌體表面粘貼時(shí), 為了使粘貼平整且沒有氣孔, 需用外力擠壓, 而且是經(jīng)常性的, 經(jīng)常性的擠壓很可能破壞熱流計(jì)的工況, 但熱流計(jì)的工況是否正常一般情況下是很難覺察的, 因?yàn)闊崃饔?jì)的標(biāo)定很不容易操作, 所以, 數(shù)據(jù)的可靠性很難保證。

     第三, 檢測時(shí)室內(nèi)外要求有一定的溫差, 自然環(huán)境下只有冬季采暖期才基本滿足要求, 但滿足溫差要求的時(shí)期并不多, 其他時(shí)期如果采用加熱所測環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)溫差要求, 在方法上有很大的難度。熱流計(jì)法規(guī)定了在采暖期供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行后進(jìn)行檢測，檢測持續(xù)時(shí)間不應(yīng)小于96 h. 但是，如果按規(guī)定至少連續(xù)檢測96 h，整個(gè)檢測周期偏長，在夏熱冬冷地區(qū)沒有供暖系統(tǒng)的情況下就無法進(jìn)行檢測.具備供暖系統(tǒng)一般情況也無法能很好的控制內(nèi)外表面溫差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T23483-2009《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測方法》規(guī)定的要求（見表1）。而且有些建筑工程在非采暖季竣工，如果要等到冬季采暖后進(jìn)行檢測，必然給工程的竣工驗(yàn)收造成影響。此外，由于全年的檢測工作都將集中到冬季，勢必造成工作量集中，也會(huì)給檢測工作帶來很大的困難。熱流計(jì)法檢測如圖2 所示。

                           表1

2.2 熱箱法

熱箱法作為實(shí)驗(yàn)室檢測建筑構(gòu)件熱工性能的方法使用由來已久, 發(fā)展較為成熟, 并頒布有、國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn), 但用來進(jìn)行現(xiàn)場檢測建筑物熱阻或傳熱系數(shù)的熱箱法還處于研究當(dāng)中。熱箱法也是基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理,通過測量計(jì)量箱為維持一定的設(shè)定溫度而需要的加熱功率和砌體兩面的溫差, 通過公式R=(A△t) /Q 來計(jì)算砌體的熱工性能( 熱阻和傳熱系數(shù)) 。熱箱法檢測裝置由恒溫箱、計(jì)量箱、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等組成。它的主要特點(diǎn)是不受季節(jié)限制。熱箱法的被測部位是" 面", 避免了被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的局部熱工缺陷導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的較大誤差, 且其自動(dòng)化程度較高。但是在現(xiàn)場如何消除誤差是一個(gè)不容回避的問題, 因?yàn)榄h(huán)境在變, 采用標(biāo)定熱箱法就不適宜;如果采用防護(hù)熱箱法就要把整個(gè)被測房間加熱或用一個(gè)大防護(hù)箱,目前現(xiàn)場檢測中，一般是將現(xiàn)場的一間房子當(dāng)作恒溫箱, 將其內(nèi)溫度加熱到和計(jì)量箱相同的溫度, 這在操作中有時(shí)是很不現(xiàn)實(shí)。同時(shí)若要達(dá)到一維傳熱假定, 所規(guī)定的加熱面的高和寬至少為墻體厚度8～10 倍的要求, 僅熱箱加熱面的高與寬就必須達(dá)到至少2 m 以上, 這在現(xiàn)場檢測中難以實(shí)現(xiàn), 且在實(shí)際使用中存在較大誤差。該方法在國內(nèi)尚屬研究階段,其局限性在于熱橋部位無法測試, 因設(shè)備較多而不利于現(xiàn)場測試, 且尚未有關(guān)熱箱法的標(biāo)準(zhǔn)或國內(nèi)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn), 于實(shí)驗(yàn)室測定與研究。熱箱法檢測如圖3 所示。

2.3 控溫箱- 熱流計(jì)法

控溫箱- 熱流計(jì)法是將熱流計(jì)法和熱箱法相結(jié)合, 用熱流計(jì)測量通過砌體的熱流密度, 用恒溫箱來保證砌體內(nèi)外溫差, 根據(jù)熱流計(jì)法的計(jì)算原理來計(jì)算砌體的熱工性能, 能夠做到檢測不受檢測環(huán)境溫度條件的限制,在任何季節(jié)都能開展工作。溫控箱- 熱流計(jì)法檢測如圖4 所示。

控溫箱－熱流計(jì)法的測試原理和數(shù)據(jù)計(jì)算方法與熱流計(jì)法相同，主要區(qū)別是測試環(huán)境。熱流計(jì)法測試時(shí)墻體兩端均是自然采暖時(shí)的室內(nèi)外溫度環(huán)境；控溫箱－熱流計(jì)法測試時(shí)用控溫箱控制溫度， 模擬采暖期建筑物的熱工狀況，一端是人工控溫溫度環(huán)境，另一端是自然溫度環(huán)境。控溫箱是一套自動(dòng)控溫裝置, 可以根據(jù)檢測者的要求設(shè)定溫度, 來模擬采暖期建筑物的熱工特征。采用*PID 調(diào)節(jié)方式控制箱內(nèi)溫度, 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控溫。能夠滿足GB/T23483-2009《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測方法》中測試墻體時(shí)對內(nèi)外表面溫差的要求（見表1）。

在這個(gè)熱環(huán)境中測量通過墻體的熱流量、箱體內(nèi)的溫度、墻體被測部位的內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)外環(huán)境溫度，也可根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算被測部位的熱阻和傳熱系數(shù)。現(xiàn)場檢測示意圖見圖5。

式中:K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),W/(m²·℃)；

R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻,(m²·℃)/W；

R_e為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對流換熱熱阻,(m²·℃)/W；

R_i為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對流換熱熱阻,(m²·℃)/W；

T_ij為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的第j次測量值，℃；

T_oj為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度的第j次測量值，℃；

q_j為熱流密度的第j次測量值，W/ m²。

溫度由溫度傳感器( 通常用銅- 康銅熱電偶或熱電阻) 測量, 熱流由熱流計(jì)測量, 熱流計(jì)測得的值是熱電勢, 通過測頭系數(shù)轉(zhuǎn)換成熱流密度。溫度值和熱電勢值由與之相連的溫度、熱流自動(dòng)巡回檢測儀自動(dòng)記錄, 可以設(shè)定巡檢的時(shí)間間隔。根據(jù)GB/T23483-2009《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測方法》中要求記錄時(shí)間間隔不應(yīng)大于30min。

3．控溫箱- 熱流計(jì)法檢測實(shí)例

3.1工程概況

所測工程為南京市某別墅，檢測的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為該工程二樓一朝東墻體， 墻體保溫形式采用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，其熱工性能計(jì)算見表2。

                                  表2

3.2儀器設(shè)備

根據(jù)控溫箱-熱流計(jì)法的要求，選用WQCJ無線式墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測裝置，其主要特點(diǎn)：1.實(shí)時(shí)采集3個(gè)通道多點(diǎn)溫度及熱流值數(shù)據(jù)；2.全面顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；3.動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)過程曲線；4.可連續(xù)存儲(chǔ)多達(dá)300小時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；5.可人工控制箱內(nèi)溫度25-60℃；6. 控溫裝置的控溫面積是熱流計(jì)傳感面積的10 倍，消除了邊界效應(yīng).

在該設(shè)備投入使用前，為驗(yàn)證設(shè)備的準(zhǔn)確性，用已知導(dǎo)熱系數(shù)的保溫板作為標(biāo)準(zhǔn)試件，模擬現(xiàn)場外墻檢測其傳熱系數(shù)，保溫板換算傳熱系數(shù)為0.51 00W/(m²·℃)，設(shè)備第3通道兩次檢測結(jié)果為：0.4871 W/(m²·℃).（偏差為-4.49%）和0.4907 W/(m²·℃)（偏差為-3.78%）；2通道1次檢測結(jié)果為0.5200 W/(m²·℃)（偏差為+2.00%），偏差均低于5%，表明該設(shè)備準(zhǔn)確性可以接受。

3.3.檢測要點(diǎn)

3.3.1 選擇檢測部位的原則

現(xiàn)場檢測宜在已充分干燥的墻體或主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行。限于客觀條件，無法對每棟竣工的建筑的所有保溫結(jié)構(gòu)都進(jìn)行檢測，因此，只能抽取代表性建筑的代表性房間進(jìn)行檢測。當(dāng)測試主體部位的傳熱系數(shù)時(shí)，為了使傳熱過程接近一維傳熱，檢測墻面長度和寬度越大越好，一定程度上檢測房間越大越好。

由于建筑物耗熱量指標(biāo)是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和傳熱面積決定的，因此，根據(jù)熱工計(jì)算要求，在建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測中，必須選擇建筑物的屋頂、外墻、熱橋、樓梯間隔墻和地下室頂板等部位作為檢測部位，無熱橋或地下室頂板的部位除外。但在現(xiàn)場檢測時(shí)，還要考慮設(shè)備的安裝，選擇適合設(shè)備箱體大小的、帶有保溫系統(tǒng)的外墻，且對應(yīng)的外墻應(yīng)便于安裝設(shè)備外機(jī)。

測點(diǎn)位置應(yīng)盡量選擇在檢測部位的中央，當(dāng)測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體部位的傳熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測目的采用紅外熱像儀協(xié)助確定，測點(diǎn)不應(yīng)靠近熱橋、裂縫和有空氣滲漏的部位，不應(yīng)受加熱、制冷裝置和風(fēng)扇的直接影響，且應(yīng)避免陽光直射。圍護(hù)結(jié)構(gòu)被測區(qū)域的外表面應(yīng)避免雨雪侵襲和陽光直射。

3.3.2 熱流計(jì)和溫度傳感器的安裝方法

熱流計(jì)應(yīng)直接安裝在被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面；溫度傳感器應(yīng)在被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面安裝。內(nèi)表面溫度傳感器應(yīng)靠近熱流計(jì)安裝，外表面溫度傳感器宜在與熱流片相對應(yīng)的位置安裝。WQCJ無線式墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測裝置的內(nèi)箱體上配備有3塊熱流計(jì)，旁邊有6塊溫度傳感器，安裝時(shí)須將外機(jī)上的溫度傳感器直接對應(yīng)于內(nèi)箱的熱流計(jì)上，緊貼墻面，該過程需要測量確定位置。

3.3.3 測量時(shí)間的控制

檢測時(shí)待墻體蓄熱穩(wěn)定后方可進(jìn)行正式測試，檢測時(shí)間應(yīng)≥96 h。采用累積式測法，每15 min 自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)1 次。對于輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)：單位面積比熱容< 20kJ/(kg·K)，宜使用夜間采集數(shù)據(jù)(日落后1 h 至日出)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻。當(dāng)經(jīng)過連續(xù)4 個(gè)夜間測量之后，相鄰2 次測量的計(jì)算結(jié)果相差≤5%時(shí)即可結(jié)束測量。對于重型圍護(hù)結(jié)構(gòu)：單位面積比熱容≥20kJ/(kg·K)，應(yīng)使用全天采集數(shù)據(jù)(24 h 的整數(shù)倍)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，且只有在下列條件得到滿足時(shí)方可結(jié)束測量：

(1)末次熱租R 計(jì)算值與24 h 之前的R 計(jì)算值相差≤5%；

(2)檢測期間內(nèi)第1 個(gè)INT(2 ×DT/ 3)天數(shù)內(nèi)與后一個(gè)同樣長的天數(shù)內(nèi)的R 計(jì)算值相差≤5%(注：DT 為檢測持續(xù)天數(shù)，INT 表示取整數(shù)部分)。

3.4 檢測數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

檢測周期為七天，時(shí)間是2010年4月27日12：21至2010年5月4 日17：33  ，共記錄1097條數(shù)據(jù)。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)為2010年4月30日17：38至2010年5月4 日17：33，共記錄602條數(shù)據(jù)，結(jié)果分析其偏差見表3。

表3

通過以上表格數(shù)據(jù)可以看出檢測數(shù)據(jù)能很好的將計(jì)算值控制在≤5%。檢測數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，根據(jù)2.3節(jié)式（1）：

為  7266.7K ， 為  6926.2 W/ m² ，R=  1.0492 (m²·K)/W，

根據(jù)2.3節(jié)式（2）： ，K=0.8339 W/（m²·K）≤設(shè)計(jì)值0.8913 W/（m²·K），符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

5.1 綜合墻體熱工傳熱系數(shù)三種檢測方法比較：熱流計(jì)法基本適應(yīng)于北方地區(qū)的現(xiàn)場傳熱系數(shù)檢測，熱箱法適應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室的墻體檢測，而控溫箱-熱流計(jì)法可用于夏熱冬冷地區(qū)的現(xiàn)場傳熱系數(shù)檢測。控溫箱- 熱流計(jì)法綜合了熱流計(jì)法和熱箱法兩種方法的特點(diǎn)。用熱流計(jì)法作為基本的檢測方法, 同時(shí)用熱箱來人工制造一個(gè)模擬采暖期的熱工環(huán)境, 這樣既避免了熱流計(jì)法受季節(jié)限制的問題, 又不用校準(zhǔn)熱箱的誤差, 熱箱僅是溫度控制裝置, 不計(jì)算輸入熱箱和熱箱向各個(gè)方向傳遞的功率。因此不用龐大的防護(hù)箱在現(xiàn)場消除邊界熱損失, 也不用標(biāo)定其邊界熱損失。

5.2 針對目前的一些檢測方法受環(huán)境溫度和季節(jié)的限制問題，本文認(rèn)為保證檢測部位內(nèi)外溫差15 ℃以上的條件下測試是可行的，使用控溫箱-熱流計(jì)法檢測時(shí)不受季節(jié)氣候的影響，在夏熱冬冷地區(qū)有較好的適應(yīng)性和可操作性，使得這種方法能滿足節(jié)能工程的質(zhì)量控制和節(jié)能工程竣工驗(yàn)收.

5.3 由于本方法采用人為控制溫差的方法，能夠顯著提高檢測效率，使檢測周期縮短，通過近來的實(shí)踐應(yīng)用表明，控溫箱-熱流計(jì)法切實(shí)可行，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，完夠滿足夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測的要求。

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產(chǎn)品型號：我司新品——GPRS傳熱系數(shù)檢測儀JXJ-I
產(chǎn)品名稱：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀/溫度熱流巡檢儀
 

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