圍護結構傳熱系數檢測方法分析及應用探討

陳師栩

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 前言

隨著國家對有關建筑工程質量驗收要求的提高，并且關于建筑節能及綠色建筑法律法規及相關技術標準要求，對于建筑材料的熱工數據檢測也成為國家及地方驗收標準的必檢項目，建筑材料如何能在滿足安全強度的大前提之下做到節能減排也成為各大材料生產廠家及施工單位的重點考慮要素。

建筑物要達到綠色節能減排，其中建筑主體圍護結構有很大占比。構成圍護結構的砌筑材料是否能通過熱工節能檢測是該項目的重中之重，滿足了該要求，室外的氣候變化通過該建筑主體圍護結構對室內環境的舒適性產生產生影響。

1 圍護結構傳熱系數的熱工意義

對于建筑物的圍護結構是否能達到節能保溫的要求，可以從其構筑材料及圍護主體的熱工參數進行檢測分析，熱工參數主要為：導熱系數、蓄熱系數、熱阻、傳熱阻導溫系數、傳熱系數。

傳熱系數是在穩態傳熱條件下，當圍護結構兩側的空氣溫差為1K(1℃)時，單位時間內通過單位平方米圍護結構面積所能傳遞的熱量，單位為W/（m2·K）,傳熱系數包含了圍護結構自身的砌筑構造和結構兩側空氣層在內的熱能量傳導性能。傳熱系數與傳熱阻為倒數關系，而傳熱阻與其圍護結構的構筑材料導熱系數及相關厚度有關，導熱系數與導溫系數及比熱容有關，所以綜合其計算方式可以知道建筑物中圍護結構傳熱系數是判斷其保溫效果的最終參數之一。

傳熱系數是圍護結構系統中熱工性能的表現，許多實驗也表明了圍護結構傳熱系數的降低可以明顯減少建筑能耗，通過達到良好的圍護結構傳熱系數可以讓建筑物在夏天及冬天減少空調能量的損失，降低其總體耗電量。研究表明現代建筑空調耗電量的占比越來越大，如何有效利用及減少排放是當代綠色建筑重要的評價之一。作為建筑表面積占比最大的圍護結構如何能通過其構造、材料等多方面降低其傳熱系數從而達到節能環保，是建筑學中一項重要的研究課題之一。

2 圍護結構傳熱系數檢測方法

2.1 對比試樣的樣品構造說明

為求更直觀地體現三種不同傳熱系數檢測方式（計算法、砌筑法、現場法）的數據差異，通過對同一結構的圍護墻體（圖1、表1）分別進行三種不同方法的檢測，從而得到不同檢測方法下的傳熱系數數值。

表1 圍護結構墻體構造砌筑說明

圖1 蒸壓加氣混凝土保溫墻體

2.2 圍護結構傳熱系數計算法

圍護結構傳熱系數計算法是通過防護熱板法測試得出砌筑材料的導熱系數或者通過《民用建筑熱工設計規范》查表得出砌筑材料的導熱系數和熱阻之后，代入其計算公式推算出圍護結構的傳熱系數。

基本計算方法如下：

⑴計算出單一均質材料層的熱阻：R=δ/λ

R——材料層的熱阻（m2·K/W）；

λ——材料的導熱系數[W/（m·K）]；

δ——材料層的厚度（m）。

⑵計算多層均質材料層組成的熱阻：

⑶計算圍護結構傳熱阻：R0=Ri+R+Re

為保證圍護結構傳熱系數計算法的重復性與準確性，由三組不同實驗人員對同一塊蒸壓加氣混凝土砌塊樣品進行三組導熱系數檢測，結合《民用建筑熱工設計規范》規范附錄提供的抹灰砂漿導熱系數計算出實驗墻體的傳熱系數。

蒸壓加氣混凝土砌塊樣品導熱系數檢測儀器：游標卡尺；鋼直尺；電子天平；導熱系數測定儀。

防護熱板法裝置測定導熱系數原理為：在穩態條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內，建立類似于兩個平行的溫度平面為界存在的一維均勻熱流密度，從而得出材料導熱系數，其結構如圖2。

圖2

在標準實驗室環境下（溫度25℃、濕度50%），三組試驗人員分別將同一組蒸壓加氣混凝土砌塊樣品通過烘箱將樣品烘至干態后，分別用鋼直尺、游標卡尺、電子天平計算出樣品密度，最后將樣品裝入同一臺導熱系數測定儀并在全電腦控制模式下測定樣品導熱系數，三組導熱系數數據見表2。

表2 導熱系數結果

通過《民用建筑熱工設計規范》查表得出密封空氣內、外間層表面換熱阻數值：0.16（m2·K/W）, 水泥抹灰砂漿導熱系數：0.93W/（m·K），乳膠漆導熱系數忽略不計，蒸壓加氣混凝土砌塊、泡沫混凝土砌塊墻體因灰縫影響，導熱系數的修正系數a=1.25。將三組導熱系數數據分別代入圍護結構傳熱系數的基本計算公式后，最終得出三組不同的墻體傳熱系數，如表3。

表3 圍護墻體傳熱系數結果（計算法）

2.3 圍護結構傳熱系數砌筑法

圍護結構傳熱系數砌筑法是把要測定的圍護結構按照實際施工現場砌筑的要求及造法，砌筑在1.2m×1.2m 的試樣框架內。圍護結構樣品砌筑完成后繼續在等條件下養護28 天后裝入穩態熱傳遞性質測定系統內，按《絕熱 穩態傳熱性質的測定標定和防護熱箱法》標準規定進行傳熱系數檢測。

穩態熱傳遞性質測定系統檢測原理為：模擬四季圍護結構構件的傳熱，將構件置于兩個不同溫度場的箱體之間，熱箱模擬室內或夏天季節情況，冷箱模擬室外或室內空調環境。儀器達到熱傳導穩定狀態后對圍護結構試驗樣品的冷、熱面進行熱流數據采集，通過計算機軟件計算出傳熱系數值，儀器構造如圖3、圖4。

圖3

圖4

同樣為保證圍護結構傳熱系數砌筑法的重復性與準確性，由三組不同實驗人員對該蒸壓加氣混凝土砌塊墻體樣品進行三組傳熱系數檢測，為保證每組數據的對比性，該蒸壓加氣混凝土砌塊墻體樣品在標準實驗室環境下（溫度25℃、濕度50%）養護28 天，每組人員試驗間隔24 小時，保證穩態熱傳遞性質測定系統每組測試的穩定運行。穩態熱傳遞性質測定系統中熱室溫度設置為35℃，冷室溫度設置為-10℃，熱傳導狀態穩定后對冷、熱面熱流數據進行6 次采集，每次采集持續時間為30分鐘。表4 為三組試驗人員得出的傳熱系數數據。

表4 圍護墻體傳熱系數結果（砌筑法）

2.4 圍護結構傳熱系數現場法

圍護結構傳熱系數現場法是根據《建筑物圍護結構傳熱系數及采暖供熱量檢測方法》、《居住建筑節能檢測標準》標準，將圍護熱傳遞性能現場檢測儀運送到檢測現場，根據被檢測的建筑物圖紙選取確定的檢測區域后，在檢測部位的室內外安裝好檢測儀的熱流計和溫度傳感器，并把檢測熱箱充分貼合安裝在被測表面，設置好各傳感器數據后，檢測儀將在規定的測試時間內采集相關的數據，經計算機及相關軟件對被測圍護結構進行數據分析從而得出傳熱系數。

圍護熱傳遞性能現場檢測儀的檢測原理是人為制造一個一維的熱傳遞條件環境，通過室內面的熱箱可以模擬建筑物室內環境，通過微電腦控制軟件中的算法可以實時控制熱箱內和被測面的溫度，使之保持一致的穩定狀態，另一側面為室外自然環境狀態，在一定的檢測周期內取穩定的24 小時數據，經過運算得出被測圍護結構的傳熱系數。原理圖如圖5。

圖5

圍護結構傳熱系數現場法在檢測現場環境上與計算法、砌筑法不同，并不能如圍護結構傳熱系數計算法一樣在試驗室環境下（溫度25℃、濕度50%）進行，也不能像圍護結構傳熱系數砌筑法那樣人為建立一個密封的冷、熱檢測環境。三組實驗人員按照實際檢測的氣候情況對測試墻體樣品進行實驗，熱箱溫度設置為50℃，測試運行周期為96 個小時，取穩定后的24 小時傳熱系數數據。為保證儀器的穩定運行以及試驗墻體樣品熱流的消散，每組實驗間隔為24 小時。三組現場法熱流密度具體差別見圖6。

圖6 三組現場法熱流密度

三組圍護結構傳熱系數現場法的數據如表5。

表5 圍護墻體傳熱系數結果（現場法）

2.5 圍護結構傳熱系數三種檢測方法數據差異分析

由計算法、砌筑法、現場法三種不同的圍護結構傳熱系數檢測方法得出的數據結果可以看出，計算法是三種方法中差異最小的一種傳熱系數檢測方法。三組不同實驗人員得出的墻體傳熱系數數據，計算法數據最大值0.874W/（m2·K）與最小值0.866W/（m2·K）偏差在1%內，砌筑法數據最大值1.064W/（m2·K）與最小值1.029W/（m2·K）偏差為3.4%，現場法數據最大值1.331W/（m2·K）與最小值1.212W/（m2·K）偏差為9.8%。并且，三種方法得出的數據存在較大的差異，特別是計算法與現場法兩種方法的傳熱系數數據相對比。計算法的平均傳熱系數為0.870W/（m2·K），而現場法的平均傳熱系數為1.269W/（m2·K），兩種方法偏差高達45%。

3 應用建議

在具備試驗資質的實驗人員在符合標準檢測的操作下，同一砌筑結構的墻體樣品在基本相同的實驗環境內（現場法除外）得到的圍護結構傳熱系數數據差異大，必然導致圍護結構傳熱系數測試的判定有一定的混亂性，造成在實際的科研、工程檢測中不能明確地應用傳熱系數檢測方法。

針對上述問題，筆者根據三種傳熱系數檢測方法的差異，以及多年從事建材熱工檢測的經驗，提出以下建議：

第一，圍護結構傳熱系數計算法因其便利的計算方式、較少的重復性偏差以及較短的檢測周期，可以運用在圍護結構初期的設計階段和熱工節能的建模設定。計算法只需要對砌筑節能材料導熱系數進行導熱檢測，而其他輔材則可通過《民用建筑熱工設計規范》查表得到并代入圍護結構的基本計算公式，計算出圍護結構的傳熱系數數據。計算法是屬于在絕對理想的環境情況下進行，屏蔽了一切影響試驗的因數，所以計算法只應該用在設計、熱工建模的階段。

第二，圍護結構傳熱系數砌筑法是對構造整體不分割的檢測模式，被測圍護結構樣品都是根據施工構造表的流程規定砌筑而來，所以砌筑法可用在實際施工中砌筑材料的選型、選材階段。對于不同廠家、不同型號、不同批次的砌筑材料可以有著不同熱工差異，而不同的砌筑方式、不同砌筑施工人員的工藝水平等因素也直接影響著圍護結構傳熱系數。在這些因素的影響下，傳熱系數數據不能像計算法單靠查表與絕對理想情況下的計算公式可以得出。因此砌筑法用在砌筑材料選型、選材階段是最優的推薦方法。

第三，圍護結構傳熱系數現場法對于工程施工中傳熱系數檢測有著不可替代的意義。圍護結構傳熱系數現場法是對現場施工、現場環境、現場砌筑材料、現場砌筑工藝的數據檢測，雖然說現場法在目前檢測中可能會因為現場定點、氣候變化、溫濕度的差異、操作人員的水平等因素還存在著一系列檢測的限制，計算法與砌筑法在這種情況下反而能較為準確地得到設計、建模等相關熱工參數，但是隨著現場傳熱系數測試設備的改造升級，以及檢測方法的不斷進步，數據的偏差與重復性問題將有所改善。現場法如果能配合節能抽芯檢測，可能會提高實際施工中圍護結構傳熱系數檢測的準確性。

4 結語

通過對計算法、砌筑法、現場法三種圍護結構傳熱系數的檢測數據、檢測周期、操作過程等方面的分析，暫時還不能一概而論地確定哪一種方法才是傳熱系數最好的檢測手段。未來應在圍護結構傳熱系數的檢測方法及手段上作進一步研究，尋求一種能結合或改進計算法、砌筑法、現場法的檢測方法。