搜索
1建筑节能现场检测方法田斌守摘要本文综述了几种建筑物围护结构传热系数现场检测方法的原理、操作方法、适用条件，指出各种方法的优缺点及注意事项。关键词建筑节能检测热流计法热箱法控温箱－热流计法非稳态法当今飞速发展的国民经济活动必然导致前所未有的资源能源消耗速度。而许多资源能源是不可再生的，为了人类的可持续发展，节约能源刻不容缓。据介绍，我国目前单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近的发达国家的2～3倍，而建筑能耗也占全国能耗总量的27.5％。随着人民生活水平的不断提高、城市化进程的加快以及住房体制改革的深化，建筑能耗在我国增长趋势很大，很可能是我国今后能耗的一个主要增长点。为建设节约型社会，促进经济社会可持续发展，国家发展委员会发布了“节能中长期专项规划”，建筑节能作为三大重点领域中的一项，受到高度重视。建设部也相继发布了一系列建筑节能标准，其中包括若干强制性条款，目前正在建设领域逐步实施。建筑节能工作从流程上可分为设计审查、现场检测、竣工验收三个大的阶段。对节能建筑的评价，从建设前期对施工图纸审查计算阶段、向现场检测和竣工验收转移是大势所趋。建筑节能现场检测也是落实建筑节能政策的重要保证手段。目前，全国范围内建筑节能检测都执行JGJ132－2001《采暖居住建筑节能检验标准》，它是最具权威性的检测方法，它的发布实施，为建筑节能政策的执行提供了一个科学的依据，使得建筑节能由传统的间接计算、目测定性评判到现在的直接测量，从此这项工作进入了由定性到定量、由间接到直接、由感性判断到科学检测的新阶段。根据我们对建筑节能影响因素和现场检测的可实施性的分析，我们认为能够在实验室检测的宜在实验室检测（如门窗等作为产品在工程使用前后它的性状不会发生改变），除此之外，只有围护结构是在建造过程中形成的，对它的检测只能在现场进行。因此建筑节能现场检测最主要的项目是围护结构的传热系数，这也是最重要的项目。如何准确测量墙体传热系数是建筑节能现场检测验收的关键。目前对建筑节能现场检测的、围护结构（一般测外墙和屋顶、架空地板）的2传热系数的检测方法，主要有四种：热流计法、功率法、控温箱－热流计法、常功率平面热源法。1、热流计法1.1热流计法原理热流计法的通过检测被测对象的热流E，冷端温度T1和热端温度T2，即可根据公式(1)计算出被测对象的热阻和传热系数，现场检测示意图如图1所以。)/(1eiRRRK(1)其中：K为传热系数，W/(m2.K)；CETTR*12；T1为冷端温度，K；T2为热端温度，K；E为热流计读数，mv；C为热流计测头系数，W/(m2.mv)，热流计出厂时已标定；R为被测物的热阻，m2.K/W；Ri为内表面换热阻，m2.K/W；Re为外表面换热阻，m2.K/W。图1热流计法检测示意图1.2热流计法的特点热流计法的本质是测量通过热流计的热流，该热流即是通过被测对象的热流，并且这个热流平行于温度梯度方向，即通过热流计的热流为一维传导，不考虑向四周的扩散。如果不是这样，热流有分量，那么计算出的被测物的热阻偏小，3传热系数就偏大。该方法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、即使在采暖期竣工又是壁挂锅炉分户采暖等，这样就限制了它的使用。对于这些工程显然热流计法无法检测。2、功率法（就是俗称的热箱法）2.1热箱法原理热箱法是基于一维稳态传热的原理，在试件两侧的箱体（热箱和冷箱）内，分别建立所需的温度、风速和辐射条件，达到稳定状态后，测量空气温度、试件和箱体内壁的表面温度及输入到计量箱的功率，就可以根据公式（2）计算出试件的热传递性质——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，这样根据处理方式的不同又分为标定热箱法和防护热箱法。)(eiTTAQk（2）其中：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热箱空气温度，K或℃；Te冷箱空气温度，K或℃。2.1.1标定热箱法原理检测原理示意图如图2所示。将标定热箱法的装置置于一个温度受到控制的空间内，该空间的温度可与计量箱内部的温度不同。采用高比热阻的箱壁使得流过箱壁的热流量Q3尽量小。输入的总功率Qp应根据箱壁热流量Q3和侧面迂回热损Q4进行修正。Q3和Q4应该用已知比热阻的试件进行标定，标定试件的厚度、比热阻范围应同被测试件的范围相同，其温度范围亦应与被测试件试验的温度范围相同。用公式（3）计算被测试件的热阻、传热阻和传热系数。4)(//)(11431nenisesipTTAQKQTTARQQQQ（3）式中Qp为输入的总功率，W；Q1为通过试件的功率，W；Q2为试件内不平衡热流，W；Q3为箱壁热流量，W；Q4为侧面迂回热损，W；A为热箱开口面积，m2；Tsi为试件热侧表面温度，KTse为试件冷侧表面温度，K；Tni为试件热侧环境温度，K；Tne为试件冷侧环境温度，K试件冷箱试件框架计量箱Q4Q1Q3QP图2实验室标定热箱法原理示意图2.1.2防护热箱法原理防护热箱法检测原理示意图如图3所示。在防护热箱法中，将计量箱置于防护箱内。控制防护箱内温度与计量箱内温度相同，使试件内不平衡热流量Q2和流过计量箱壁的热流量Q3减至最小可以忽略。按公式（4）计算被测试件的热阻、传热阻和传热系数，)(//)(11231nenisesipTTAQKQTTARQQQQ（4）5周边绝热鼻锥防护箱计量箱冷箱试件Q2Q5Q1Q3QP图3实验室防护热箱法检测原理示意图2.2热箱法特点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，是成熟的试验方法，并颁布有国际、国内的标准。热箱法用来进行现场检测建筑物热阻或传热系数是近几年的事情，它的特点是不受季节限制，据研究人员介绍只要建筑物室内外温差达到8℃就可以一年四季进行现场检测围护结构的传热系数，设备也比较简单，自动化程度较高，如图4所示。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。图4热箱法现场检测示意图3、控温箱－热流计法3.1控温箱－热流计法的原理控温箱－热流计法的基本原理与热流计法相同，利用控温箱控制温度、模拟6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温装置，可以根据检测者的要求设定温度，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，实现精确稳定地控温。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（5）、（6）计算被测部位的热阻和传热系数。CETTR*12(5))/(1eiRRRK(6)其中K为传热系数，W/(m2.K)；E为热流计读数，mv；C为热流计测头系数，W/(m2.mv)，热流计出厂时已标定；R为被测物的热阻，m2.K/W；Ri为内表面换热阻，m2.K/W；Re为外表面换热阻，m2.K/W。温度由温度传感器（通常用铜－康铜热电偶或热电阻）测量，热流由热流计测量，热流计测得的值是热电势，通过测头系数转换成热流密度。温度值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，可以设定巡检的时间间隔。在现场检测墙体传热系数的过程选取有代表性的墙体，粘贴温度传感器和热流计，在对应面相应位置粘贴温度传感器，然后将温度控制仪箱体紧靠在墙体被测位置，使得热流计位于温度控制仪箱体中心。等达到稳定后结束检测，巡检仪数据由专用传输软件上传给微机，再用数据处理软件进行数据处理，以表格、图表、曲线或数字形式显示检测结果。7数据采集仪（温度热流巡检仪）密封条控温箱热电偶热流计热电偶墙体图5控温箱－热流计法现场检测示意图3.2控温箱－热流计法的特点控温箱－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，因为这时的热箱仅仅是一个温度控制装置，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维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。4、常功率平面热源法4.1常功率平面热源法检测的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辨识出墙体的传热系数。原理如图6所示。绝热盖板和墙体之间的加热部分由5层材料组成，加热板C1、C2和金属板、E2对称地各布置两块，控制绝热层两侧温度相等，以保证加热板C1发出的热量都流向墙体，E1板对墙体表面均匀加热的作用。墙体内表面测温热电偶A和墙体外表面测温热电偶D记录逐时温度值。该系统用人工神经网络方法（ArtificialNeuralNetwork，简称ANN）仿真求解过程分为以下几个步骤：8（1）该系统设计的墙体传热过程是非稳态的三维传热过程，这一过程受到墙体内侧平面热源的作用和室内外空气温度变化的影响，有针对性地编制非稳态导热墙体的传热程序。建立墙体传热的求解模型，输入多种边界条件和初始条件，利用已编制的三维非稳态导热墙体的传热程序进行求解，可以得到加热后墙体的温度场数据。（2）将得到的温度场数据和对应的边界条件、初始条件共同构成样本集对网络进行训练。在该研究中由于实验能测得的墙体温度场数据只是墙体内外表面的温度，因此将测试时间中的以下5个参数作为神经网络的输入样本：室内平均温度、室外平均温度、热流密度、墙体内外表面温度；将墙体的传热系数作为输出样本进行训练。（3）网络经过一定时间的训练达到稳定状态，将各温度值和热流密度值输入，由网络即可映射出墙体的传热系数。32DAE1BC1BC2E21－试验墙体；2－绝热盖板；3－绝热层A-墙体内表面测温热电偶；B-绝热层两侧测温热电偶；C1、C2－加热板；D－墙体外表面测温热电偶；E1、E2－金属板图6常功率平面热源法现场检测墙体传热系数示意图4.2常功率平面热源法检测的特点由于此方法是非稳态法检测物体热性能的一种方法，可以大大缩短实际检测时间，而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恐怕要作大量的工作才行，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、重复性都要有大量的、可靠的数9据来支撑。5、结语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，各地都针对地方特点展开了积极而热烈地研究。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的大政起到一定的促进作用。参考文献1GB/T13475－92《建筑构件稳态热传递性质的测定标定和防护热箱法》2GB10294～10295－88《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法和热流计法》3JGJ132-2001《采暖居住建筑节能检验标准》4田斌守,等.应用热流计现场检测建筑物传热系数[J].新型建筑材料,2004(8)5黄峥,等.非稳态法检测建筑围护结构传热系数[J].墙材革新与建筑节能,2005