一種新型墻體熱工檢測系統(tǒng)的開發(fā)研究

石虬 鄒鉞 許潔

1東華大學建筑環(huán)境與設備工程系

2艾奕康咨詢（深圳）有限公司上海分公司

0 引言

隨著建筑節(jié)能事業(yè)蓬勃發(fā)展，建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測的重要性日益突出，建筑外墻導熱系數(shù)更是現(xiàn)場檢測的重要組成部分。針對建筑外墻導熱系數(shù)的檢測，國內外常用的檢測方法有：熱流計法[1]、熱箱法[2]，前者對測試環(huán)境的要求比較嚴格，測試只能在采暖期進行，在南方進行建筑外墻檢測比較困難；后者比較笨重，不適合戶外測試，測試成本高。本文主要目的是研究一種能在南方進行墻體導熱系數(shù)檢測且易于實施的測試方法，并利用現(xiàn)場試驗驗證此方法的可行性和精確度。

1 新型墻體導熱系數(shù)測試系統(tǒng)

考慮到熱流計和熱箱法均有局限性，在南方進行測試比較困難，本文作者通過對熱流計法和熱箱法的局限性進行分析，提出了新型墻體導熱系數(shù)測試系統(tǒng)，分為測試部分和數(shù)據(jù)分析部分。

圖1 測試系統(tǒng)流程圖

1.1 測試部分

測試流程和現(xiàn)場布置分別如圖1和圖2所示。

圖2 測試裝置布置圖

此測試方法基于熱流計法，利用加熱裝置控制被測墻體外側溫度，使其遠高于墻內側溫度，由此給予熱流計一個較穩(wěn)定的熱流。

1.2 數(shù)據(jù)分析部分

數(shù)據(jù)處理上利用基于動態(tài)分析理論[3]編制的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，動態(tài)分析法針對了墻體的熱惰性，根據(jù)經驗公式將衰減因子以及延遲系數(shù)兩個概念加入數(shù)據(jù)分析中，優(yōu)點是能在較短時間內計算出墻體導熱系數(shù)，且精確度較高，測試時間達到3天即可得到較可靠的墻體熱阻值。

本系統(tǒng)理論上不受季節(jié)地域限制，縮短了測試時間，極大提高了圍護結構導熱系數(shù)現(xiàn)場測試可行性。

2 現(xiàn)場測試研究

為驗證此新型系統(tǒng)在墻體導熱系數(shù)現(xiàn)場測量的可行性和精確度，將此系統(tǒng)與熱流計法分別對幾種不同結構墻體進行現(xiàn)場測試，測試地點在廣州，測試時間為：熱流計法在5月份進行測試，新型方法在7月份進行測試。熱流計法對一堵280mm厚保溫墻進行測試，新型方法分別對一堵225mm厚未保溫墻和一堵260mm厚保溫墻進行測試，熱流計法測試周期選擇為96h[3]，新型測試系統(tǒng)測試周期選擇為72h[4]。

2.1 熱流計法測試

熱流計法測試數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 熱流計法測試數(shù)據(jù)

由圖3可以看出：熱流計法測試處于自然氣象狀態(tài)下時，墻內外側溫差較小，室外溫度波動幅度較大情況下，無法保證外墻壁溫度始終高于內墻壁溫度，墻體內部分區(qū)域的熱流可能反向流動，無法保證測試期間墻體熱流的單向流通，所測得熱流由此不能完全反應出墻體的導熱性能，熱阻計算時可能由此產生極大誤差。

熱流計法測試開始1天后，室內環(huán)境基本達到穩(wěn)定，將穩(wěn)定后的測試數(shù)據(jù)運用算術平均法進行計算得出：墻體導熱系數(shù)為 1.271W/(m2·K)，此墻體由標準《外墻外保溫建筑構造》[5]和標準《民用建筑熱工設計規(guī)范》[6]計算出導熱系數(shù)為 =0.97W/(m2·K)，測試熱阻值比理論值偏小，誤差為31%，由此可看出，在南方自然氣象狀態(tài)下，室內外溫差比較小時，熱流計法誤差比較大，并不適用于墻體熱工測試。

2.2 新型檢測系統(tǒng)測試

將新型測試系統(tǒng)分別對一堵225mm厚未保溫墻和一堵260mm厚保溫墻進行測試，測試在7月進行，數(shù)據(jù)采集時間為72h。新型檢測系統(tǒng)部分測試數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 新型方法部分測試數(shù)據(jù)

圖3 與圖4對比可以很明顯地看出新型方法中，經過局部加熱控制，墻兩側溫度波動幅度相較于不經加熱控制的墻兩側溫度波動要小很多，且墻兩側溫差高達15℃，由此測試受環(huán)境溫度變化影響小，更利于墻體傳熱達到基本穩(wěn)定狀態(tài)，通過墻體的熱流能良好反應出墻體導熱性能，減小了熱阻計算的誤差。

2.2.1 未保溫墻數(shù)據(jù)分析

測試時間為6月26日16時至6月29日16時，墻體一側處于加熱狀態(tài)，墻體另一側熱流計測得熱流為負，加熱4h即6月26日20時熱流開始為正值，表示墻體開始有熱流從墻體加熱側流向墻體另一側，因此測試有效數(shù)據(jù)段選取4～72h這段時間，數(shù)據(jù)分析間隔為6h。動態(tài)分析法與算術平均法分別對4h至72h所采集數(shù)據(jù)進行分析得如圖5。

圖5 未保溫墻數(shù)據(jù)

圖5 中，采用動態(tài)分析法計算傳熱系數(shù)值為1.53W/(m2·K)與0.76W/(m2·K)時所選取的數(shù)據(jù)段分別為：6月 26日 20時至 6月 27日 20時、6月 26日 20時至6月28日20時，此兩段數(shù)據(jù)段最初始熱流值均為0，所計算出導熱系數(shù)不能反映出墻體真實導熱系數(shù)值，因此將這兩段數(shù)據(jù)排除，并進行動態(tài)分析法均值和算術平均法均值計算。得出結果為：動態(tài)分析法計算傳熱系數(shù)均值為1.39W/(m2·K)，算數(shù)平均法傳熱系數(shù)計算為1.24W/(m2·K)，算數(shù)平均法比動態(tài)分析法計算值偏小10.7%。

兩種計算方法在不同測試時間下計算出墻體導熱系數(shù)與實際導熱系數(shù)之間的誤差由于剛開始墻體正處于加熱狀態(tài)，未達到穩(wěn)定狀態(tài)，選擇所有數(shù)據(jù)來計算導熱系數(shù)時，算數(shù)平均法數(shù)據(jù)偏小，而動態(tài)分析法數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。這也是采用算數(shù)平均法時需要長時間測量，待墻體傳熱穩(wěn)定之后選取測量數(shù)據(jù)的原因。而采用動態(tài)分析法可以在短時間內，得到一個墻體誤差相對較小的墻體熱阻。

測試值與理論值對比：此225mm厚度未保溫墻理論導熱系數(shù)為1.357W/(m2·K)，動態(tài)分析法計算值與理論值偏差為2%，導熱系數(shù)比理論值偏大，算術平均法計算值與理論值偏差為8.6%，導熱系數(shù)比理論值偏小。

此計算結果表明動態(tài)分析法應用于短時間現(xiàn)場測試中時計算出熱阻值能較好反應出墻體真實熱阻。

2.2.2 保溫墻數(shù)據(jù)分析

測試時間為6月29日18時至7月2日18時，有效數(shù)據(jù)時間段的選取原則同上，6月30日0時熱流計讀數(shù)開始由負值變?yōu)?，因此選取6～72h這段時間為有效數(shù)據(jù)時間段。分別用動態(tài)分析法與算數(shù)平均法對6～72h所采集數(shù)據(jù)進行分析得如圖6。

圖6中，采用動態(tài)分析法計算導熱系數(shù)值為1.5W/(m2·K)與0.99W/(m22·K)時所選取的數(shù)據(jù)段分別為：6月30日0時至7月1日0時、6月 30日 0時至7月2日0時，此兩段數(shù)據(jù)段最初始熱流值均為0，所計算出導熱系數(shù)明顯不能反映出墻體真實導熱系數(shù)值，因此將這兩段數(shù)據(jù)排除，并進行動態(tài)分析法均值和算術平均法均值計算。得出結果為：動態(tài)分析法計算傳熱系數(shù)為1.35W/(m2·K)，算數(shù)平均法傳熱系數(shù)計算為1.27W/(m2·K)，算數(shù)平均法比動態(tài)分析法計算值偏小6.2%。

圖6 保溫墻數(shù)據(jù)

測試值與理論值對比：由標準《外墻外保溫建筑構造》[5]和標準《民用建筑熱工設計規(guī)范》[6]計算出此墻體導熱系數(shù)為1.05W/(m2·K)。動態(tài)分析法計算值比理論值偏大28%，算術平均法計算值比理論值偏大20.9%，兩種計算方法由于與理論值偏差過大需要尋找誤差產生原因。

此誤差產生原因：由于此保溫墻砌成時間僅20天，未達到墻體砌成后需風干30天以上的規(guī)定。在測試過程和測試結束后，加熱面密封膠帶和熱流計側均有大量水珠凝結，以上現(xiàn)象均表明此保溫墻含水量過大。一般材料在相對濕度小于40%的情況下，熱導率不受環(huán)境濕度影響。常用的高效保溫材料如苯板、擠塑板，當濕度較大時，熱導率提高。對于吸水率較大的泡沫混凝土和吸濕性較大的脲醛樹脂泡沫，受濕度影響較大，當相對濕度將近100%時，熱導率分別提高73%和71%[7]。本次測試墻體主體部位均采用混凝土砌塊，導熱系數(shù)受濕度影響較大，導致墻體實際熱阻減小，實際導熱系數(shù)增大，因此測試結果均與理論值偏差很大，且計算出導熱系數(shù)均遠遠大于理論值。

采取措施：等此墻體暴露于空氣中風干一定時間后，需對墻體再次進行導熱系數(shù)測試。

3 結語

建筑圍護結構熱阻大小并不能僅依據(jù)理論值來判斷，施工質量不同對圍護結構熱阻影響非常大，因此現(xiàn)場檢測仍有必要。

現(xiàn)行建筑圍護結構熱阻檢測方法各有局限性，極大阻礙了現(xiàn)場檢測的進行。通過對現(xiàn)行檢測方法研究和實驗，提出以上新型熱阻檢測方法，并進行現(xiàn)場實驗證實了其可行性和準確性，為圍護結構熱阻現(xiàn)場檢測提供了新思路。

在南方進行建筑外墻導熱系數(shù)檢測本方法全季節(jié)適用，解決了在南方進行墻體導熱系數(shù)現(xiàn)場測試難的問題。

現(xiàn)場測試時不僅需要考慮到周圍的環(huán)境因素，同時還要考慮到墻體本身的物理特性是否符合現(xiàn)場測試要求，墻體含濕量對墻體傳熱系數(shù)影響尤其巨大。

建筑圍護結構熱阻檢測需要大量的科學理論和實驗做基礎，本方法僅針對幾種類型的墻體進行實驗，并不能充分反映出此方法的適用性和準確性，仍需對大量不同墻體進行實驗來進一步完善和發(fā)展。

[1]孫增桂.熱流計法在建筑節(jié)能檢測中的應用[J].建設科技,2003,(6):78-79

[2]高壽云.建筑墻體熱工性能測試技術研究[J].節(jié)能,2009,(2):23-26

[3]ISO.Thermal Insulation-Building Elements-In-situ Measurement of Thermal Resistance and Thermal Transmittance(ISO 9869)[S].1994

[4]C Roulet,J Gass,I Markus.In-situ U-value measurement:reliable results in shorter time by dynamic interpretation of measured data[J].ASHRAE Trans.,1987,108(2):1371-1379

[5]中國人民共和國建設部.外墻外保溫建筑構造(GJBT-912)[S].北京:中國建筑標準設計研究院,2006

[6]中國建筑科學研究院.民用建筑節(jié)能設計標準(采暖居住建筑部分)(JGJ26-95)[S].北京:中國標準出版社,1995

[7]夏赟.溫濕度對墻體熱工性能的影響[J].低溫建筑技術,2009,(1):95-97