304既有建筑围护结构传热系数现场检测方法研究

既有建筑围护结构传热系数现场检测方法研究西安交通大学姚建波王沣浩王东洋孟祥兆王新轲摘要：鉴于建筑节能现场测试是目前我国建筑热工与暖通空调领域研究的热点、难题，本文介绍了建筑围护结构的几种现场检测方法，对其检测依据、数据处理、影响因素提出分析，以期对这一问题的解决提供帮助。关键词：建筑节能；传热系数；现场检测1引言随着能源和环境形势日益严峻，建筑节能将是我国的一项长期国策。传热系数是建筑热工节能设计中的重要参数。建筑构件（如门、窗等）的传热系数,可在实验室条件下对其进行测试。而建筑围护结构是在建造过程中形成的，其传热系数需要现场检测才能确定。通过检测建筑的实际传热性能,来判定建筑保温隔热系统的产品、技术是否符合节能设计要求,以此来鉴定新系统的产品、技术的优缺点等，同时对分析建筑物实际运行中的能耗状况和施工过程的偏差也起着非常重要的作用。因此本文将对传热系数现场测试方法进行研究总结。2现有围护结构传热系数现场检测基本方法目前对建筑节能现场检测围护结构的传热系数的方法主要有四种，即热流计法、热箱法、控温箱-热流计法和常功率平面热源法，另外红外热像仪法作为目前热故障诊断和检测领域的先进手段之一，也常用于围护结构热工性能的检测。2.1热流计法（1）热流计法原理[1]热流计法是利用温差和热流量之间的对应关系进行传热系数的测定。通常的做法是用热流计、热电偶在现场检测出被测围护结构的热流密度以及内、外表面温度,通过数据处理计算得出建筑物围护结构各部分的传热系数（如图1）。计算公式如下：e1RfkRR（1）式中，k为传热系数,W/(m2•K)；Rf为内表面换热,m2•K/W；R为被测墙体的热阻,m2•K/W；Re为外表面换热阻,m2•K/W。图1热流法示意图（2）热流计法特点热流计法的核心是测量通过被测对象的热流,并假定传热为一维。否则,热流有分量,计算出的被测物的热阻偏小,传热系数就偏大。该方法是国家检测标准首选的方法,在国际上也是公认的方法,但是这种方法用在现场测试有严重的局限性。因为使用该方法的前提条件是必须在采暖期才能进行测试,我国的现实情况是有些地区基本不采暖、采暖地区的有些工程又在非采暖期竣工等,这样就限制了它的使用。在计算时所用到的内外墙表面换热系数受环境（温度、风速、辐射等）的影响显著。如文献[2]对实验用房进行了不同风速的情况下，外墙表面换热系数A的研究，结果表明外环境（风速）对外墙表面换热系数的影响很大(如表1)。文献[3][4]就其它环境（如雨水和太阳辐射等）条件对围护结构传热系数的影响也作了研究和分析，结果表明也有较大的影响。表1几种不同风速下的表面换热系数V(m/s)0.20.50.80.72.02.5A(W/㎡·K)14.7516.5617.8720.1821.5022.60（3）双面热流计法它是改进的热流计法，一般的热流计法是在墙体内表面（环境相对较稳定）测定热流值，而双面热流计法是同时测定墙体内外两表面的热流。由于墙体的传热属于非稳定传热，在同一时刻所测得的温度值和热流值实际上由于温度波的时间延迟两者在时间上不吻合；另一方面，由于墙体的蓄热作用，由外表面进入墙体内部的热流值，与同一时刻由墙体内部流过内表面的热流不一致。采用双面热流计法测量墙体的热阻就可以消除这两个影响[5]。但这必须在环境较为稳定的情况下进行，不然外墙测得热流因受环境的影响太大而失去意义。2.2热箱法（1）热箱法原理[6]热箱法的基本原理是用人工制造一个一维传热环境,被测部位的内侧用热箱模拟采暖建筑室内条件,并使热箱内的空气温度和室内的空气温度保持一致,另一侧为室外自然条件,维持热箱内温度高于室外温度8℃以上,这样被测部位的热流总是从室内向室外传递；当热箱内的加热量与通过被测部位的传递热量达到平衡时,通过测量热箱内的加热量得到被测部位的传热量,从而根据公式（2）计算出被测部位的传热系数。因为要检测通过被测对象的热量，因此要把传向别处的热量进行剔除(如图2)。()ieQKATT（2）式中,K为传热系数,W/(m2•K)；Q为通过试件功率,W；A为热箱开口面积,m2；Ti为热箱空气温度,℃；Te为冷箱空气温度,℃。图2热箱法示意图热箱法作为实验室检测建筑构件热工性能的方法使用由来已久，发展较为成熟，并颁布有国际、国内的标准，但用来进行现场检测建筑物热阻或传热系数的热箱法还处于研究当中。它的特点是不受季节限制，只要室外平均空气温度在25℃以下，相对湿度在60%以下，热箱内温度大于室外最高温度8℃以上就可以测试。热箱法的被测部位是“面”,避免了被测围护结构的局部热工缺陷导致测试数据的较大误差，且其自动化程度较高。但是在现场如何消除误差是一个不容回避的问题。因为环境在变，采用标定热箱法就不适宜；如果采用防护热箱法就要把整个被测房间加热或用一个大的防护箱，这样设备大又多,不适合在现场作业。同时若要达到一维传热假定，所规定的加热面的高和宽至少为墙体厚度8～10倍的要求,仅热箱加热面的高与宽就必须达到至少2m以上,这在现场检测中难以实现,在使用中存在较大误差。该方法在国内尚属研究阶段，其局限性在于热桥部位无法测试，因设备较多而不利于现场测试，且尚未有关热箱法的国际标准或国内权威机构的标准，仅限于实验室测定与研究。2.3控温箱—热流计法[7]（1）控温箱—热流计法原理控温箱-热流计法的基本原理与热流计法相同，它利用控温箱控制温度，模拟采暖期建筑物的热工状况，用热流计法测定被测对象的传热系数。控温箱是一套自动控制装置，可以根据检测者的要求设定温度,来模拟采暖期建筑物的热工特征。控温设备由双层框构成,层间填充发泡聚氨酯或其它高热阻的绝热材料。具有致冷和加热功能,根据季节进行双向切换使用,夏季高温时期用致冷运行方式,春秋季用加热方式运行。采用先进的PID调节方式控制箱内温度,实现精确稳定的控温。在这个热环境中测量通过墙体的热流量、箱体内的温度、墙体被测部位的内外表面温度、室内外环境温度,根据热流计法计算公式（1）计算被测部位的热阻和传热系数。温度由温度传感器测量，热流由热流计测量。温度之和热电势值由与之相连的温度热流自动巡回检测仪自动记录，可以设定巡检时间间隔(如图3所示)。图3控温箱—热流计法示意图2）控温箱—热流计法特点控温箱—热流计法综合了热流计法和热箱法两种方法的特点。用热流计法作为基本的检测方法,同时用热箱来人工制造一个模拟采暖期的热工环境,这样既避免了热流计法受季节限制的问题,又不用校准热箱的误差,因为此热箱仅是温度控制装置,不计算输入热箱和热箱向各个方向传递的功率。因此不用庞大的防护箱在现场消除边界热损失,也不用标定其边界热损失。现今广泛应用的材料导热系数平板测试法也是这个原理,从热量传递的物理过程来看,材料导热系数的测试过程和建筑物围护结构传热系数检测过程是相同的。这种方法问世时间较短,还需要严密的理论推导和实践检验。2.4常功率平面热源法[8]（1）常功率平面热源法原理常功率平面热源法是非稳态法中一种比较常用的方法,适用于建筑材料和其它隔热材料热物理性能的测试。其现场检测的方法是在墙体内表面人为地加上一个合适的平面恒定热源,对墙体进行一定时间的加热,通过测定墙体内外表面的温度响应来辨识出墙体的传热系数（如图4）。该系统一般用人工神经网络方法仿真求解。图4常功率平面热源法示意图（2）常功率平面热源法特点此方法是非稳态法检测物体热性能的一种方法,可大大缩短实际检测时间,且能减小室外空气温度变化给传热过程带来的影响。在实验室，用非稳态法检测材料的热性能较广泛,但是用来进行现场检测还需做大量的工作才行,包括设备开发、系统编程、神经网络训练和训练效果评定等工作技术性要求很高,测试结果的稳定性、重复性都需大量的、可靠的数据来支撑。2.5墙体热工缺陷红外热像检测技术[9]当被测墙体存在不连续性时,由于连续区域和不连续区域的热扩散系数不同,物体表面相应位置的温度也就不同,即墙体表面局部区域产生温度梯度,从而导致墙体表面红外辐射能发生差异,红外探测器探测到墙体的红外辐射能,经信号处理为热像图后由显示器显示出来,通过分析热像图就可以进行测温或推断墙体内部是否存在缺陷。当墙体内部存在缺陷,如空洞、热桥、保温层受潮,外墙面砖或水泥砂浆抹面产生剥离等现象时,这些有缺陷的部位与正常部位相比,会在外表面产生温度差,通过分析红外热像仪所测得的温度分布图像,便可知空洞、热桥、受潮或剥离等缺陷部位的位置及大小。尽管红外热像仪能够快速准确地测量物体表面的温度,但是由于它所能测得的仅仅是墙体表面的温度,无法测得热流值,因此在墙体传热系数现场测试时可以结合红外热像法获取表面温度的即时数据并进行分析,但红外热像仪法无法单独用来检测墙体的传热系数,在实际检测中需要与其它测试方法配合使用。红外热像仪用于建筑节能研究和检测在我国尚处于起步阶段,它将会极大地推进建筑节能现场检测技术的提高,具有广阔的应用前景。3现场测试的数据处理现场测试数据处理常用的是稳态算法，这种方法把传热过程简化为一维稳态传热，在两侧温差为⊿t时，根据傅立叶定律来计算墙体的导热热阻。这种方法所要求的条件苛刻，需要稳定的时间较长，所以在现场测试中运用时，一般得到不是很精确的结果。同时由于墙体的储热和侧向传热作用始终存在，其计算误差较大。因此有人提出了导热损失和不同保温围护结构的传热系数的修正[10]。另外，在有限元法基础上提出了动态分析法，在温度和热流变化较大的情况下,采用动态分析方法[11]可从对热流计测量数据的分析，求得建筑物围护结构的稳态热性能。目前围护结构传热非稳态的算法主要有反应系数法、Z传递函数法、拉普拉斯变换函数法，以及国内频域回归方法（FDR方法）[12]。针对非稳态传热设计了测试系统，并编制了非稳态导热的程序，辨识了传热系数。但是这些方法都存在一些困扰和问题，如计算结果易出现差错、计算收敛性、计算结果难以验证、实现难度大等。4结论建筑节能现场检测技术是推行建筑节能政策、标准的重要内容,因为我国地域广阔,各地气候条件和建筑特色各异,且传热复杂，容易受环境影响，各地都针对地方特点展开了积极而深入地研究，从测试到数据处理均逐步得到改进，测试条件也由稳态向非稳态，由复杂限制条件到适合现场测试的简单条件，由忽略环境影响到研究环境影响发展。虽然目前还没有一种受到大家广泛认可、简便易行、设备投资小、适合现场检测的方法,但是也取得了一定的成果,这些成果必将对落实建筑节能起到一定的促进作用。参考文献[1]孙增桂，郑宜涛.热流计法在建筑节能检测中的应用.建设科技.2003.6[2]JayamahaSEG,WijeysunderaNEandChouSK,Measurementoftheheattransfercoefficientforwall,BuildingandEnvironment.1996,31(5):399-407.[3]JayamahaSEG,WijeysunderaNEandChouSK,Effectofrainontheheatgainthroughbuildingwallsintropicalclimates.BuildingandEnvironment.1997,32(5):465-477.[4]ChowWKandChanKT,OverallthermaltransfervaluesforbuildingenvelopesinHongKong,AppliedEnergy.1992,24(4):289-312[5]王珍吾,孟庆林,张百庆.双面热流计法现场测墙体构造热阻.建筑节能.2004(9):38-40[6]张镛,田斌守.用冷箱控温检测墙体传热系数的探索.建筑节能2006，7：42-44[7]田斌守.建筑节能现场检测方法.工程质量.2006,12：52-56[8]黄峥,朱彤,赵鸿.非稳态法检测建筑围护结构传热系数.墙材革新与建筑节能,2005(8)[9]杨红,刘加平,黄振利,杨西伟.墙体传热系数现场检测及热工缺陷红外热像检测技术研究.保温材料与建筑节能.2004,5:38-40[10]潘雷