圍護結構傳熱系數的現場檢測裝置及實踐

王海波 王立娟*

寧波工程學院建筑與交通工程學院

0 引言

隨著能源問題的日益突出，節能降耗成為建筑領域可持續發展的重要途徑[1]，在新建建筑及既有建筑的節能改造中均充分體現。節能降耗的關鍵就是提高建筑圍護結構的熱工性能。對于既有建筑[2]，在建筑節能改造中，圍護結構的傳熱系數是節能改造的依據；對于新建建筑，竣工驗收階段的圍護結構傳熱系數現場檢測決定了建筑圍護結構的熱工性能是否達到標準要求。因此，現場準確檢測建筑圍護結構的傳熱系數和精確的數據處理方法對節能降耗至關重要[3]。

常見的建筑圍護結構傳熱系數檢測方法主要有熱流計法、熱箱法、非穩態法以及紅外熱像儀法等。田向偉[4]等對這幾種檢測方法的檢測依據和特點等進行了分析，指出控溫箱-熱流計法在提高檢測準確度的同時還可縮短檢測時間；GLeftneriotiS等[5]希臘學者在測試建筑材料特性時，通過內部增設小體積的加熱箱來降低外箱的溫度波動，從而提高測試精確度。

東華大學的高慧揮[6]通過ANSYS數值模擬和新型圍護結構熱阻檢測方法的現場檢測分析，得出現場熱阻檢測的計算公式。本文將熱流計法與熱箱法相結合，采用控制變量分析法來尋求加熱設備的最佳尺寸，使圍護結構熱阻的現場檢測既簡便又準確。

1 自制現場檢測墻體熱阻的裝置

1.1 實驗測試系統

現場測試圍護結構傳熱系數所用的儀器主要有熱電偶、熱流計、溫度和熱流巡回檢測儀和自制溫差控制設備。其連接示意原理圖如圖1所示。

圖1 實驗系統原理圖

該實驗系統[7]包括設置在待測圍護結構上的溫差產生裝置（如圖2所示）和用來測試、接收待測圍護結構內外兩側的溫度和熱流的數據采集裝置，它的溫差產生裝置設置在桶狀的殼體內，該殼體與待測圍護結構形成圓柱狀空腔，殼體內設置有用于強制對流的風扇。它的溫差產生裝置包括加熱設備和制冷設備。此系統在檢測時能夠使熱量進行二維傳導，使測量誤差大大降低。利用該系統進行現場檢測，安裝、使用方便，并且測試時間不受季節限制。

圖2 溫差產生裝置示意圖

與現有技術相比，該測試系統具有以下優點[7]：

1）利用圓形對稱加熱面保證二維傳熱，將熱流計粘貼于截面中心，能夠準確地測量出通過建筑維護結構的熱流；

2）經濟實用，自制現場測試系統的占地面積與設備體積相對較小，便于現場安裝，同時便于現場加熱或者制冷，耗電量少，節省檢測費用；

3）溫差產生設備設置了制冷和加熱功能，二者互換方便，可以使現場建筑待檢測圍護結構傳熱系數測量不受季節、施工條件等因素的限制；

4）數據采集系統的數據采集記錄儀可以長時間連續記錄溫度和熱流密度的數據。

1.2 實驗測試步驟

綜合各個相關檢測規范規定，確定測試過程如下：

1）將測試設備的殼體安裝到待測圍護結構上，殼體與待測維護結構形成圓柱狀空腔，將溫度傳感器和熱流傳感器各兩組分別安裝到待測圍護結構的兩側表面上對應于所述空腔的圓心位置；

2）啟動溫差產生裝置，制冷設備和制熱設備開始工作，同時風扇轉動將溫差產生裝置產生的熱量或冷量均勻傳送到待測圍護結構；

3）安裝在待測圍護結構兩側表面上的溫度傳感器和熱流傳感器將測試到的數據傳導到數據處理記錄模塊，經數據記錄處理模塊儲存記錄，再計算得到結果。

1.3 實驗數據處理方法

根據實驗系統連接示意圖，分別在內外圍護結構表面設置8只熱電偶，采集內外表面的溫度，通過兩側熱流傳感器采集通過圍護結構的熱流密度，根據下式得到圍護結構檢測傳熱系數：

式中：λ為圍護結構導熱系數，W/(m·K)；R為圍護結構熱阻，R=δ/λ，m2·K/W；δ為圍護結構厚度，m；K 為圍護結構檢測傳熱系數；Ri為內表面對流換熱熱阻，m2·K/W，按照《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-2015）附錄二附表2.2的規定采用，取0.11 m2·K/W；Re為外表面對流換熱熱阻，m2·K/W，按照《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-2015）附錄二附表2.2的規定采用，取0.04 m2·K/W。

用經過標定的實驗室用墻體傳熱系數測量設備與本文自制檢測系統所測得的同一圍護結構的傳熱系數值進行比較，得到本文所研究系統的測量修正系數

最后用自制系統測得的現場圍護結構傳熱系數值與設計傳熱系數值K進行比較，根據結果評價節能建筑圍護結構的傳熱系數現場檢測方法的可行性及室外溫度波動的影響大小。

2 標準墻體的實驗對比方案

2.1 標準墻體的選擇

為排除外部不確定干擾因素對整個實驗結果的影響，本實驗選用了兩堵標準墻體（實驗室內砌筑）作為實驗測試對比對象，標準墻體的結構組成和理論計算值如表1和表2所示。表格中的修正系數為考慮如墻體蓄濕等因素的影響而在設計中采用的一個安全系數，由設計院設計人員選擇確定。

表1 標準墻體一的結構組成及各參數的理論計算值

依據表1中的數據和公式RW=Ri+∑R+Re可計算出墻體的傳熱熱阻為0.94(m2·K)/W，其傳熱系數即為1.06 W/(m2·K)。

表2 標準墻體二的結構組成及各參數的理論計算值

依據表2中的數據和公式RW=Ri+∑R+Re可計算出墻體的傳熱熱阻為1.69(m2·K)/W，其傳熱系數即為0.59 W/(m2·K)。

試驗采用中國建筑科學研究院研制的JW建筑墻體保溫性能檢測設備（編號：A00429）（圖3），試驗依據為《絕熱穩態傳熱性質的測定、標定和防護熱箱法》（GB/T13475-2008）。表3為兩種墻體的測試結果。

圖3 熱箱法測試建筑墻體傳熱系數系統

表3 兩種墻體的測試結果

通過測試實驗得到兩種標準墻體的傳熱系數與其理論計算結果（設計傳熱系數值）進行比較，并計算偏差，其對比結果如表4所示。

表4 墻體傳熱系數理論值與實驗值的比較

從實驗結果看，標準墻體的實驗值與修正后的理論計算值比較接近，偏差在15%以內。此結論可以用來證明現場測試傳熱系數的可行性。

2.2 對比實驗

在得到標準墻體的實際測試值后，將采用自制現場墻體傳熱系數測試系統去測試標準墻體，自制系統的加熱箱體半徑分為0.4 m、0.6 m、0.8 m和1.0 mm四種，每種標準墻體分別測試3次，具體數據如表5和表6所示。

表5 標準墻體一的對比試驗

用自制現場墻體傳熱系數測試系統去測試標準墻體，研究同一標準墻體在不同尺寸的加熱裝置測試下的傳熱系數，從而分析墻體傳熱系數與加熱裝置半徑的關系，選擇最佳尺寸的加熱設備，減小墻體傳熱系數的測試誤差。通過分析表5和表6中數據得出標準墻體一和標準墻體二的傳熱系數隨加熱面半徑變化情況，如圖4所示。

表6 標準墻體二的對比試驗

圖4 標準墻體一和標準墻體二的傳熱系數與加熱面半徑關系

由圖4可知，用自制現場墻體傳熱系數測試系統測得的兩堵標準墻體的傳熱系數K隨加熱設備的加熱面半徑R的增大而趨于恒定，即傳熱逐漸接近無限大平板導熱，二維傳熱對傳熱系數測試結果的影響逐漸減小，在現有假設條件下，計算誤差也逐漸減小。由本次實驗的對比結果分析可知，加熱設備的加熱面半徑達到0.8 m時，圍護結構的傳熱系數K值已經趨于恒定。因此，在選用熱流計法與熱箱法相結合來現場檢測建筑圍護結構的傳熱系數時，檢測系統的加熱設備的加熱面半徑宜按0.8 m來設計。

2.3 修正系數的確定

前面通過標定后的熱箱法在實驗室測試標準墻體的傳熱系數Ks，以該測試值為標準來修正自制現場墻體傳熱系數測試系統的測量值K，則自制系統的測量修正系數

對于標準墻體一來說，修正系數C1=1.21/1.29=0.94；

針對標準墻體二而言，修正系數C2=0.63/0.67=0.94。

因此，自制的現場墻體傳熱系數測試系統的檢測結果的修正值為0.94。該修正系數的得出，為現場測試圍護結構傳熱系數提供了依據。

3 檢測方法的實踐應用

2015年10月，用自制現場傳熱系數檢測設備對某住宅項目的外墻進行建筑物圍護結構傳熱系數現場檢測，其外墻的設計傳熱系數為0.62 W/(m2·K)，墻體的主要熱工性能參數如表7所示，現場檢測裝置如圖5所示。

圖5 墻體傳熱系數現場檢測裝置圖

表7 外墻主要熱工性能參數

依據表7中的數據和公式RW=Ri+∑R+Re可計算出墻體的傳熱熱阻為1.60(m2·K)/W，其傳熱系數即為0.62 W/(m2·K)。

經過連續6天的測量，根據檢測數據計算得出最終傳熱系數為0.609 W/(m2·K)，如表8所示。

表8 測試斷面檢測數據及其處理結果

根據《誤差理論與數據處理》[8]可知測試的可靠程度為3σy，其中σy為傳熱系數的標準誤差，經計算得到誤差范圍為0.062 W/(m2·K)，由表8中的數據可知，傳熱系數的最終計算結果在誤差允許范圍內。

修正后的傳熱系數計算值與理論設計值相比較，絕對誤差⊿K1=0.011，相對誤差γ=1.8%。兩者誤差均在允許范圍內。

4 結論

在用自制現場墻體傳熱系數測試系統對標準墻體進行檢測時，通過將加熱設備的加熱面半徑設計成不同的尺寸，對標準墻體進行測試，來尋求對墻體傳熱系數測量結果影響最小的加熱設備。該對比實驗表明，在加熱面半徑大于等于0.8 m時，墻體傳熱系數趨于恒定。為了使現場測試方便，測試設備便于攜帶，加熱設備的加熱面半徑宜選用0.8 m。且通過實踐應用，證明了該系統用于測試現場圍護結構熱阻的可行性。