现场检测围护结构传热系数技术研究

郜晶

（山西五建集团有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

近些年我国建筑行业飞速发展，与此同时国家推出一系列能源改革计划，从而使得建筑围护结构的节能状况受到了社会的普遍关注，很多学者为此进行探究与分析，所发明的节能技术有些几乎接近国际一流水准。尽管一系列节能研究工作正在广泛开展，但是建筑物在采用了节能措施后，效果是否突出，如何客观而公正地评价节能效果，怎样将建筑能耗控制在合理范围内等，这些问题还需要进一步深入研究。针对建筑节能，我国住建部曾经开展过专项检查活动，并且指出务必不断提高检测技术。因此，选用合理、有效、简便的测试手段，将有助于推动我国建筑节能工作更好更快地发展。

1 检测围护结构传热系数的方法

对建筑节能进行审核验收时，关键是要检查其围护结构的传热系数是否合乎标准，而这需要通过现场测试方能得知。在此方面自20 世纪80 年代起，国内外很多学者便陆续展开研究，并研制多种检测仪器，创建多种检测方式。当前，业界普遍采用以下4种方式对建筑围护结构的热传导系数进行现场测试[1]。

2 热流计法

热流计法是目前较为常见且被大家接受的测试方法，测试原理见图1，主要是用热流计测得通过被测墙体的热流量q，同时测得墙体两侧的温度tn和tW，如公式（1）所示：

图1 热流计法测试原理

式中：R 为墙体热阻；Ri、Re分别为墙体内外表面对流换热热阻；K 为墙体传热系数。

由式（1）可计算出墙体的热阻，从而得到传热系数。热流计的结构如图2 所示，它是根据热电效应和温度梯度的原理制成。

图2 热流计构造

在测试时，要选择至少连续稳定供暖4d 的房间，也可人为地使室内外的温差保持恒定，同时，关于测点要尽量选择热工性能稳定的位置，避开受环境影响较大的地方。欲使该方法的测试误差降低，就要增大室内外的温差，一般情况下，此温差必须在20℃以上，但是，受季节变化影响很大。尽管如此，国内外诸多国家仍采用该方法进行围护结构热阻的现场测试，且在国标中详细地规定了关于热流计法的规格与操作方法。近几年太原对既有住宅围护结构进行节能改造，其中外墙和屋面的传热系数检测采用的就是热流计法，为节能改造效果提供依据。

3 热箱法

热箱法强调了不同于热流计法的测试理念，即假设建筑围护结构只存在“一维传热”，当计量箱内的热度处于恒定不变状态时，可将计量箱的加热量视为通过被测墙体的导热量。运用如公式（2），可求出K 值——被测墙体的传热系数。

式中：q 为通过围护结构的传热量；tl，tr为围护结构内外表面的测试温度；A 为围护结构被测部位的表面积。

防护热箱法、标定热箱法是常用的两种热箱法，图3、图4 分别表达了这两种计量箱的结构原理图。美国通常运用防护热箱法来测定墙体的传热系数，并已经将其使用方式与技术规格纳入到ASTM 标准中。在图3 中，试件即为围护结构，通过该结构的热量被传输到计量箱的加热丝上。传热系数受到多种因素的制约，如：加热面的半径、加热箱内部的空气温度、墙体厚度等，如果对这些因素合理控制，有助于提高对被测件传热系数的测量精度。

通过分析可以得知，实际测定过程中，热量并没有完全从墙体中通过，一部分热量通过墙体表面发散到周围空间。有些测定方法通常将加热丝接收的热量视为通过墙体的热量，测定结果出来后，往往需要对其加以修正。但标定热箱法可对通过被测件的热量和散发到空气中的热量进行标定，从而获得比较精准的检测结果，这也是标定热箱法的由来。

以上两种检测方法的共同优势表现为：对环境温度的要求并不高，几乎不受季节影响，当热箱温度与空气最高温度的温差＞10℃、相对湿度＜60%、温度平均值低于25℃时，即可进行操作。尽管这些条件并不难以实现，但热箱法在现实中的应用还不够广泛，这是由于其受到三种因素的限制：①设备安装比较复杂；②现有标准的适用对象为实验室；③不能通过测试手段来获知热桥部位的状况。

图3 防护热箱法原理

4 非稳态法

在非稳态测试方法中功率平面热源法比较常见，在进行现场检测时，将一恒定热源放在墙体的内侧，来加热墙体。墙体的传热系数是通过仿真软件对热电偶记录的温度进行分析计算而得到的。位于图5 左侧图中的绝热层由5 层材料组成，其中金属板和加热板分别均匀的布置在绝热层的两侧，使绝热层两侧的温度能够保持相等，从而保证了墙体受热均匀稳定。A 与D 是位于墙体内外两表面的热电偶，用来测试并记录温度，然后利用仿真分析软件建立传热模型，并从测试数据建立边界条件，通过分析计算得出墙体传热系数。

图4 标定热箱法原理

图5 常功率平面热源检测原理

由其测试原理可知，非稳态法在应用中不易受室外空气流动与温度波动的影响，而且实际测试的时间也可以缩短，提高工作效率。但是这种方法尚未开发完善的设备，同时需要有精密准确的系统编程和成熟的仿真软件，对测试全过程的技术性具有很高的要求，而且还要大量可靠数据来验证测试结果的稳定性。因此用这种方法大规模地进行传热系数现场检测还有较长的路要走。

5 红外热像仪法

非接触测试方式是红外热像仪法的显著特征，其应用原理为：对墙体表面发射的红外辐射信号通过红外热像仪进行捕捉，由此获得热影像，然后借助于操作软件求出建筑围护结构的表面温度场。在建筑节能改造的过程中，以建筑外墙为目标对象，运用红外热像仪可测得该围护结构内外表面的温度，从而为节能改造提供可靠的技术数据。通常认为，这种方法的优势表现为定性分析，不适用于定量分析，因此在现实中要想得到广泛使用，还需要作出进一步研究。

6 新型围护结构传热系数现场检测装置

为了对当前的检测技术进行改进，吴培浩[2]等学者对热箱法、热流计法进行了充分融合，从而发明出一种新型的测试装置，示意图如图6 所示。该装置由五个部分构成，即热流计、温差产生设备、温差控制线、热电偶以及用于获取温度和热流的数据采集设备。

相比于常用的围护结构传热系数检测技术，该测试装置表现出4 种优势。

（1）加热面为圆形，具有对称性，实现了从假设中的“一维传热”到“二维传热”的转变。为了精准获知墙体的热流，在截面中心配置了热流计。

（2）数据采集设备使热流密度、温度等技术数据保持了连续性。

（3）利用温差产生设备，使新装置具备互换方便的加热、制冷两种功能，有效降低环境、季节等因素对测试方法的影响。

（4）整套装置便于安装，且无需占用较多空间；既能够快速制冷或加热又节省用电，使用成本较低。

图6 新型围护结构传热系数现场检测装置

7 结论

受多种因素影响，不同地区不同建筑的传热现场检测，所使用的技术不同，相关人员要根据所在地的实际情况选用最佳的检测技术。