王海波 王立娟*

寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

0 引言

隨著能源問題的日益突出，節(jié)能降耗成為建筑領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]，在新建建筑及既有建筑的節(jié)能改造中均充分體現(xiàn)。節(jié)能降耗的關(guān)鍵就是提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。對于既有建筑[2]，在建筑節(jié)能改造中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是節(jié)能改造的依據(jù)；對于新建建筑，竣工驗收階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測決定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，現(xiàn)場準(zhǔn)確檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和精確的數(shù)據(jù)處理方法對節(jié)能降耗至關(guān)重要[3]。

常見的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測方法主要有熱流計法、熱箱法、非穩(wěn)態(tài)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(jù)和特點等進(jìn)行了分析，指出控溫箱-熱流計法在提高檢測準(zhǔn)確度的同時還可縮短檢測時間；GLeftneriotiS等[5]希臘學(xué)者在測試建筑材料特性時，通過內(nèi)部增設(shè)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(xué)的高慧揮[6]通過ANSYS數(shù)值模擬和新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻檢測方法的現(xiàn)場檢測分析，得出現(xiàn)場熱阻檢測的計算公式。本文將熱流計法與熱箱法相結(jié)合，采用控制變量分析法來尋求加熱設(shè)備的最佳尺寸，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的現(xiàn)場檢測既簡便又準(zhǔn)確。

1 自制現(xiàn)場檢測墻體熱阻的裝置

1.1 實驗測試系統(tǒng)

現(xiàn)場測試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)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(shè)備。其連接示意原理圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

該實驗系統(tǒng)[7]包括設(shè)置在待測圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的溫差產(chǎn)生裝置（如圖2所示）和用來測試、接收待測圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)的溫度和熱流的數(shù)據(jù)采集裝置，它的溫差產(chǎn)生裝置設(shè)置在桶狀的殼體內(nèi)，該殼體與待測圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成圓柱狀空腔，殼體內(nèi)設(shè)置有用于強制對流的風(fēng)扇。它的溫差產(chǎn)生裝置包括加熱設(shè)備和制冷設(shè)備。此系統(tǒng)在檢測時能夠使熱量進(jìn)行二維傳導(dǎo)，使測量誤差大大降低。利用該系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，安裝、使用方便，并且測試時間不受季節(jié)限制。

圖2 溫差產(chǎn)生裝置示意圖

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該測試系統(tǒng)具有以下優(yōu)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(zhǔn)確地測量出通過建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流；

2）經(jīng)濟實用，自制現(xiàn)場測試系統(tǒng)的占地面積與設(shè)備體積相對較小，便于現(xiàn)場安裝，同時便于現(xiàn)場加熱或者制冷，耗電量少，節(jié)省檢測費用；

3）溫差產(chǎn)生設(shè)備設(shè)置了制冷和加熱功能，二者互換方便，可以使現(xiàn)場建筑待檢測圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測量不受季節(jié)、施工條件等因素的限制；

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集記錄儀可以長時間連續(xù)記錄溫度和熱流密度的數(shù)據(jù)。

1.2 實驗測試步驟

綜合各個相關(guān)檢測規(guī)范規(guī)定，確定測試過程如下：

1）將測試設(shè)備的殼體安裝到待測圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，殼體與待測維護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)表面上對應(yīng)于所述空腔的圓心位置；

2）啟動溫差產(chǎn)生裝置，制冷設(shè)備和制熱設(shè)備開始工作，同時風(fēng)扇轉(zhuǎn)動將溫差產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的熱量或冷量均勻傳送到待測圍護(hù)結(jié)構(gòu)；

3）安裝在待測圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面上的溫度傳感器和熱流傳感器將測試到的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到數(shù)據(jù)處理記錄模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)記錄處理模塊儲存記錄，再計算得到結(jié)果。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)實驗系統(tǒng)連接示意圖，分別在內(nèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面設(shè)置8只熱電偶，采集內(nèi)外表面的溫度，通過兩側(cè)熱流傳感器采集通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度，根據(jù)下式得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢測傳熱系數(shù)：

式中：λ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，R=δ/λ，m2·K/W；δ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，m；K 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢測傳熱系數(shù)；Ri為內(nèi)表面對流換熱熱阻，m2·K/W，按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB50176-2015）附錄二附表2.2的規(guī)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(shè)計規(guī)范》（GB50176-2015）附錄二附表2.2的規(guī)定采用，取0.04 m2·K/W。

用經(jīng)過標(biāo)定的實驗室用墻體傳熱系數(shù)測量設(shè)備與本文自制檢測系統(tǒng)所測得的同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)值進(jìn)行比較，得到本文所研究系統(tǒng)的測量修正系數(shù)

最后用自制系統(tǒng)測得的現(xiàn)場圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)值與設(shè)計傳熱系數(shù)值K進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果評價節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法的可行性及室外溫度波動的影響大小。

2 標(biāo)準(zhǔn)墻體的實驗對比方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)墻體的選擇

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

表1 標(biāo)準(zhǔn)墻體一的結(jié)構(gòu)組成及各參數(shù)的理論計算值

依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)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(shù)即為1.06 W/(m2·K)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)墻體二的結(jié)構(gòu)組成及各參數(shù)的理論計算值

依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)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(shù)即為0.59 W/(m2·K)。

試驗采用中國建筑科學(xué)研究院研制的JW建筑墻體保溫性能檢測設(shè)備（編號：A00429）（圖3），試驗依據(jù)為《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定、標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》（GB/T13475-2008）。表3為兩種墻體的測試結(jié)果。

圖3 熱箱法測試建筑墻體傳熱系數(shù)系統(tǒng)

表3 兩種墻體的測試結(jié)果

通過測試實驗得到兩種標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)與其理論計算結(jié)果（設(shè)計傳熱系數(shù)值）進(jìn)行比較，并計算偏差，其對比結(jié)果如表4所示。

表4 墻體傳熱系數(shù)理論值與實驗值的比較

從實驗結(jié)果看，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)。此結(jié)論可以用來證明現(xiàn)場測試傳熱系數(shù)的可行性。

2.2 對比實驗

在得到標(biāo)準(zhǔn)墻體的實際測試值后，將采用自制現(xiàn)場墻體傳熱系數(shù)測試系統(tǒng)去測試標(biāo)準(zhǔn)墻體，自制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)墻體分別測試3次，具體數(shù)據(jù)如表5和表6所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)墻體一的對比試驗

用自制現(xiàn)場墻體傳熱系數(shù)測試系統(tǒng)去測試標(biāo)準(zhǔn)墻體，研究同一標(biāo)準(zhǔn)墻體在不同尺寸的加熱裝置測試下的傳熱系數(shù)，從而分析墻體傳熱系數(shù)與加熱裝置半徑的關(guān)系，選擇最佳尺寸的加熱設(shè)備，減小墻體傳熱系數(shù)的測試誤差。通過分析表5和表6中數(shù)據(jù)得出標(biāo)準(zhǔn)墻體一和標(biāo)準(zhǔn)墻體二的傳熱系數(shù)隨加熱面半徑變化情況，如圖4所示。

表6 標(biāo)準(zhǔn)墻體二的對比試驗

圖4 標(biāo)準(zhǔn)墻體一和標(biāo)準(zhǔn)墻體二的傳熱系數(shù)與加熱面半徑關(guān)系

由圖4可知，用自制現(xiàn)場墻體傳熱系數(shù)測試系統(tǒng)測得的兩堵標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)K隨加熱設(shè)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(dǎo)熱，二維傳熱對傳熱系數(shù)測試結(jié)果的影響逐漸減小，在現(xiàn)有假設(shè)條件下，計算誤差也逐漸減小。由本次實驗的對比結(jié)果分析可知，加熱設(shè)備的加熱面半徑達(dá)到0.8 m時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值已經(jīng)趨于恒定。因此，在選用熱流計法與熱箱法相結(jié)合來現(xiàn)場檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)時，檢測系統(tǒng)的加熱設(shè)備的加熱面半徑宜按0.8 m來設(shè)計。

2.3 修正系數(shù)的確定

前面通過標(biāo)定后的熱箱法在實驗室測試標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)Ks，以該測試值為標(biāo)準(zhǔn)來修正自制現(xiàn)場墻體傳熱系數(shù)測試系統(tǒng)的測量值K，則自制系統(tǒng)的測量修正系數(shù)

對于標(biāo)準(zhǔn)墻體一來說，修正系數(shù)C1=1.21/1.29=0.94；

針對標(biāo)準(zhǔn)墻體二而言，修正系數(shù)C2=0.63/0.67=0.94。

因此，自制的現(xiàn)場墻體傳熱系數(shù)測試系統(tǒng)的檢測結(jié)果的修正值為0.94。該修正系數(shù)的得出，為現(xiàn)場測試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)提供了依據(jù)。

3 檢測方法的實踐應(yīng)用

2015年10月，用自制現(xiàn)場傳熱系數(shù)檢測設(shè)備對某住宅項目的外墻進(jìn)行建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測，其外墻的設(shè)計傳熱系數(shù)為0.62 W/(m2·K)，墻體的主要熱工性能參數(shù)如表7所示，現(xiàn)場檢測裝置如圖5所示。

圖5 墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測裝置圖

表7 外墻主要熱工性能參數(shù)

依據(jù)表7中的數(shù)據(jù)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(shù)即為0.62 W/(m2·K)。

經(jīng)過連續(xù)6天的測量，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)計算得出最終傳熱系數(shù)為0.609 W/(m2·K)，如表8所示。

表8 測試斷面檢測數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果

根據(jù)《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》[8]可知測試的可靠程度為3σy，其中σy為傳熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差，經(jīng)計算得到誤差范圍為0.062 W/(m2·K)，由表8中的數(shù)據(jù)可知，傳熱系數(shù)的最終計算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

修正后的傳熱系數(shù)計算值與理論設(shè)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(nèi)。

4 結(jié)論

在用自制現(xiàn)場墻體傳熱系數(shù)測試系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)墻體進(jìn)行檢測時，通過將加熱設(shè)備的加熱面半徑設(shè)計成不同的尺寸，對標(biāo)準(zhǔn)墻體進(jìn)行測試，來尋求對墻體傳熱系數(shù)測量結(jié)果影響最小的加熱設(shè)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(shù)趨于恒定。為了使現(xiàn)場測試方便，測試設(shè)備便于攜帶，加熱設(shè)備的加熱面半徑宜選用0.8 m。且通過實踐應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)用于測試現(xiàn)場圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的可行性。