熱流計法在外墻傳熱系數現場檢測中的應用

■彭 翔，黃嘉樑，何興升

■1.廣州市建筑材料工業研究所有限公司，廣東 廣州 510663;2.廣東省材料與構件防火檢測技術企業重點實驗室，廣東 廣州 510663

根據發達國家經驗，隨著城市發展，建筑將超越工業、交通等其它行業，最終居于社會能源消耗的首位，建筑能耗將占到社會總能耗的33%或以上。建筑能耗有兩種定義方法:廣義建筑能耗是指從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過程能耗。狹義的建筑能耗，即建筑的使用能耗，就是建筑物建成以后，在使用過程中，人們日常用能，如采暖、空調、熱水供應、炊事、照明、家用電器等的能耗，它是建筑能耗中的主導部分。

建筑節能是指在滿足人們生活工作質量前提下，在建筑物建造和使用的整個過程中合理用能，提高能源利用效率，從而達到節約能源資源的目的。2014 年全國房屋竣工面積達到42.31 億平方米，減小建筑能耗對節能減排戰略目標影響巨大，全國各級政府對建筑節能都高度重視。

1 外墻傳熱系數常用檢測方法

1.1 防護熱箱法檢測原理

防護熱箱法基于一維穩態傳熱原理，將按照設計在實驗室砌筑的墻體置于兩個不同溫度箱體之間，其中計量熱箱模擬室內或夏季室外空氣溫度、風速、輻射條件，冷箱模擬室外或夏季室內空調房間空氣溫度、風速。經過若干小時的運行，整個裝置達到穩定狀態，形成穩定的溫度場、速度場，測量試件兩側的空氣溫度、表面流速、表面防護箱溫度以及輸入計量熱箱的電加熱器功率，就可以計算通過試件傳遞的熱流量，從而計算出試件的傳熱系數和熱阻。

計量熱箱外面套裝防護熱箱，在計量箱周圍建立適當的空氣溫度和表面換熱系數場，減少試驗環境溫度變化對試驗結果的影響，還能減少通過計量箱壁的熱流量和試件不平衡熱流量。在檢測時計量熱箱的溫度與防護熱箱的溫度完全一致，使趨向于0;同時使用四點鎖緊機構，將計量熱箱通過不超過20mm 寬的鼻錐緊貼在試件表面，使趨向于0。

圖1 防護熱箱法檢測原理圖

1.2 熱流計法檢測原理

熱流計的原理是通過熱流計的熱流密度與熱電勢成正比，在對熱流計系數進行標定后，便可用溫度熱流自動測試儀檢測熱流計的輸出熱電勢從而測得熱流密度。熱流計法是利用溫差和熱流之間的對應關系對墻體的熱阻進行測試，用熱流計和熱電偶檢測被測墻體的熱流密度以及內、外表面溫度，然后計算傳熱系數。

被測墻體的熱阻用公式(1)計算:

式中:R—墻體的熱阻，m2·K/W;Δt—墻體內、外表面溫差，K;q—通過墻體的熱流密度，W/m2。

測得墻體的熱阻后，墻體的傳熱系數用公式(2)計算:

式中:K—墻體的傳熱系數，W/(m2·K);R—墻體的熱阻，m2·K/W;Ri—內表面換熱阻，m2·K/W;Re—外表面換熱阻，m2·K/W。

1.3 常功率平面熱源法檢測原理

常功率平面熱源法是一種比較常用的非穩態檢測方法，其現場檢測的方法是在墻體內表面人為地加上一個合適的平面恒定熱源，對墻體進行一定時間的加熱，通過測定墻體內外表面的溫度響應辨識出墻體的傳熱系數，原理如圖2 所示。絕熱蓋板和墻體之間的加熱部分由5 層材料組成，加熱板C1、C2和金屬板E1、E2對稱的各布置兩塊，控制絕熱層兩側溫度相等，以保證加熱板C1發出的熱量都流向墻體，E1板起對墻體表面均勻加熱的作用。墻體內表面測溫熱電偶A 和墻體外表面熱電偶D 記錄逐時溫度值。

圖2 常功率平面熱源法檢測示意圖

該系統用人工神經網絡方法仿真求解。該系統設計的墻體傳熱過程是非穩態的三維傳熱過程，這一過程受到墻體內側平面熱源的作用和室內外空氣溫度變化的影響，有針對性地編制非穩態導熱墻體的傳熱程序。將得到的溫度場數據和對應的邊界條件、初始條件共同構成樣本集對網絡進行訓練。將測試時間中的室內平均溫度、室外平均溫度、熱流密度、墻體內外表面溫度作為輸入樣本，將墻體傳熱系數作為輸出樣本進行訓練。網絡經過一定時間的訓練達到穩定狀態，將各溫度值和熱流密度值輸入，由網絡即可映射出墻體的傳熱系數。

2 采用輔助冷熱箱的熱流計法檢測原理

我國JGJ/T132-2009《居住建筑節能檢測標準》7.1.6 條款中規定“檢測時間宜選在最冷月，且應避開氣溫劇烈變化的天氣。對設置采暖系統的地區，冬季檢測應在采暖系統正常運行后進行;對未設置采暖系統的地區，應在人為適當地提高室內溫度后進行檢測。在其它季節，可采取人工加熱或制冷的方式建立室內外溫差。圍護結構高溫側表面溫度應高于低溫側10℃以上，且在檢測過程中的任何時刻均不得等于或低于低溫側表面溫度。當傳熱系數小于1W/(m2·K)時，高溫側表面溫度宜高于低溫側10/K℃以上。檢測持續時間不應少于96h。檢測期間，室內溫度應保持穩定，受檢區域外表面宜避免雨雪侵襲和陽光直射。”

廣州地處夏熱冬暖地區，冬季不采暖，夏季天氣變化多端，在自然條件下難以形成穩定的室內外溫差，在外墻傳熱系數現場檢測中要想連續采集96 個小時較穩定的數據比較困難，難以滿足建筑節能現場檢測的市場需求。

現有檢測方法在不同的側面有所突破，但是應用于現場檢測時都有不足之處。通過對現有檢測方法、現場條件、檢測效果等方面分析，吸取防護熱箱法和常功率平面加熱法的優點，我們提出了在墻體傳熱系數熱流計法現場檢測中，在墻體內外側對應安裝輔助冷、熱箱進行檢測的方法，檢測示意圖如圖3 所示。

冷、熱輔助箱主要由箱體、半導體制冷器、溫控裝置、直流電源和溫度探頭等構成，冷、熱箱分別采用半導體制冷器進行制冷或加熱，通過溫控裝置進行自動調溫，熱流和溫度傳感器用礬士林和鋁箔膠帶貼合在墻體表面上。輔助箱不但可以人工制造穩定的一維傳熱，同時避免了風雨天氣在外墻外側的侵襲導致的影響。

圖3 采用輔助冷、熱箱的熱流計法檢測示意圖

3 采用輔助冷熱箱的熱流計法檢測實例

在一棟建成使用了五年多的辦公建筑，我們選擇了一處外墻墻體進行熱流計法檢測其傳熱系數。該墻傳熱系數設計值見表1。我們選擇了三組溫度進行檢測，三組溫度分別為45/25℃、40/20℃、35/15℃，檢測結果見表2。

表1 外墻熱工性能表

表2 采用輔助冷、熱箱的熱流計法檢測外墻傳熱系數結果

通過計算，三組檢測結果與設計值相差都不超過5%，表明采用輔助冷、熱箱的熱流計法檢測的建筑外墻傳熱系數是可行的，且有良好的環境適應性，能大力提高檢測效率。檢測發現所測墻體的傳熱系數因設置的溫度高低不同而略有差異，因此我們認為墻體的傳熱系數在一定程度上受溫度的升高而略為增加。

4 結束語

我國擁有龐大的建筑，建筑能耗已經越來越成為社會經濟發展的巨大負擔，因此建筑節能全面實施勢在必行。只要廣大的技術人員集思廣益、不斷摸索，努力研究出有一定的理論支持、可實施性強的方法，必定能更好的推進建筑節能。

［1］GB/T 13475-2008，絕熱穩態傳熱性質的測定標定和防護熱箱法［S］.

［2］JGJ/T 132-2009，居住建筑節能檢測標準［S］.

［3］徐占發主編.建筑節能技術實用手冊［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［4］田斌守.建筑圍護結構傳熱系數現場檢測方法研究［D］.西安:西安建筑科技大學，2006.