建筑墙体保温性能检验装置的测试原理对比

2020-11-23赵斯衎陈爱玲福建省计量科学研究院福建福州350003

安徽建筑 2020年11期

赵斯衎，陈爱玲（福建省计量科学研究院，福建福州 350003）

1 概述

随着建筑工程质量的提高，以及居民生活质量的提高，出现了各式各样的高层建筑，在人们享受阳光带来的温暖时，也会担忧建筑外墙在阳光下暴晒造成室内升温的困扰，因此，建筑墙体的保温性能作为能耗检测的重要指标，已得到广泛关注。建筑墙体的保温性能是以传热系数K值表示，以往称总传热系数，国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，结构两侧空气温差为1度(K,℃)，1h内通过1m2传递的热量，单位是瓦/平方米·度(W/m2·K)。而导热系数λ是指在稳定传热条件下，1m厚度材料，两侧表面温差为1度 (K,℃)，1h内通过1m2传递的热量，单位是瓦/平方米·度(W/m2·K)，此时K可由℃表示。传热系数K可由公式（1）表示：

式中，h1，h2分别为两结构表面热交换系数，W/m2·℃；

δ为材料厚度，m；

λ为材料导热系数，W/(m·℃)。

目前，建筑行业及建筑建材检测机构，普遍使用墙体保温性能检验装置来测试墙体传热系数K值的大小，进而得出墙体质量的优劣。其工作原理主要有热流计法、热箱法和控温箱法。

2 三种方法的分析与比较

2.1 热流计法

由于墙体具有热阻，墙体温度随着其厚度衰减，使墙体内外表面产生温差，因此，热流计法采用热流计和温度传感器测量通过墙体的热流值和表面温度，经过计算得出墙体热阻和传热系数。该方法是基于温度只在厚度方向传递，传热过程近似一维稳态传热下成立的，不考虑向四周的扩散。其计算公式如下：

式中，K 为传热系数，W/(m2·K)；

Ri为墙体内表面热阻，m2·K/W；

Re为墙体内外表面热阻，m2·K/W；

R为被测墙体试件的热阻，m2·K/W；

而被测墙体试件的热阻又可表示为

式中，T1为墙体冷端温度，K；

T2为墙体热端温度，K；

E为热流计显示值，mV；

C为热流计探测头系数，W/(m2·mV)，出厂时已标定此系数。

由以上公式可知，若考虑热流向四周的扩散，被测墙体试件的热阻将偏小，其传热系数将偏大，不适用于现场测试。该方法多适用于阳光充足地区或有供暖设施的地域。此外，其内部使用的热流计与热电偶的测量位置不宜阳光直射，且不能有空气渗漏等，因此，由于该方法的局限性，其测试结果的稳定性较差。

2.2 热箱法

该方法也是基于一维稳态传热的原理，在被测墙体试件的一侧用热箱模拟采暖建筑的室内环境，使热箱内和室内温度保持一致，另一侧为冷箱，相当于室外自然条件，维持热箱内温度与室外温度在8℃以上，并配合温度、风速和辐射条件，这样，保证了被测试件热流方向始终由室内流向室外。当热箱内加热量与通过被测试件的传递热量达到平衡时，通过对加热量的测试即可得到被测试件的传热量，并对空气温度、被测试件和箱体内壁表面温度，以及输入到计量箱的功率进行测量，通过公式（4）即可得到所需的传热系数。

式中，K 为传热系数，W/(m2·K)；

Q为通过被测墙体试件功率，W；

A为热箱开口面积，m2；

Th为热箱空气温度，℃；

Tc为热箱空气温度，℃；

由于该方法是基于一维稳态传热的原理，测试通过被测墙体试件的热量，并将传向试件其他方向的热量进行排除，因此，根据排除方法的不同，又可分为防护热箱法和标定热箱法。防护热箱法基本原理为，当墙体保温性能检验装置内部计量箱外环境与内环境基本平衡时，不需考虑计量箱的热损耗，此时整个测试环境可视为理想状态，因此，穿过试件的总热流量将等于输入计量箱的热量，即输入计量箱的功率。而标定热箱法基本原理为，对检验装置内部计量箱的箱壁损失和迂回损失进行标定，在输入计量箱的总功率中扣除这两部分损失，从而间接获得穿过试件的热流量。

热箱法已成为实验室检测的通用方法，不受季节限制，并有相关国内外标准。但是，基于一维稳态传热的条件，在现场实际情况下，很难实现。

2.3 控温箱法

控温箱是一套自动控温装置，由双层框构成，层间填充发泡聚氨酯或其他高热阻的绝缘材料，具有加热与制冷功能，可随季节变换进行双向切换使用，模拟出建筑物的实际状况。温度由温度传感器，如热电阻和热电偶进行测量，热流作为热电势通过热流计探头转换成热流密度，温度值和热电势可由温度热流巡检仪按所需时间间隔自动记录，通过测量被测墙体试件的热流量和内外表面温度、室内外环境温度、箱体内的温度、参照热流计法，利用公式（2）和（3），得出所需的传热系数。

该方法结合了热流计法和热箱法的特点，用热流计法作为基本测试方法，用热箱法控制模拟出的环境状况，不仅解决了热流计受季节影响的问题，还避免了对热箱误差的校准。由于该方法中的热箱仅为一个温度控制装置，无需计算输入热箱和热箱向各个方向传递的功率，因此，不用庞大的防护箱来消除边界的热损失，也无须对热损失进行标定。该方法如今已广泛应用于建筑节能、材料导热方面。

2.4 其他方法

除了上述三种方法以外，还有其他个别少见的方法，如温度场响应法和红外热像仪法。

当一个物体的一侧被加热时，温度升高，并传热到另一侧，需要一定时间，使得另一侧温度也升高。因此，温度场响应法与常见方法不同，其只记录被测试件的温度和时间，不记录被测试件的功率和热流，并结合相关公式即可计算出被测试件的热阻或传热系数。该方法是基于温度在均匀介质中传播的条件下进行的，且测试环境也要相对稳定。因此，在现实测试环境下，难以满足该方法所需条件，若用该方法，所测试结果的重复性与稳定性都无法满足要求。而且该方法并无相关国家标准或地方规范进行参照，其测试结果难以具有权威性。

红外热像仪法，根据物体红外辐射的特点，即一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，该能量的大小和波长，与物体的表面温度有着十分密切的联系。因此，该方法就是通过对红外辐射能量的测量，进而得出物体的表面温度。但是，该方法通过测得的各种热成像图，其实只能对物体的温度进行定性分析，无法具体量化所测结果，因此，多用于分析对比参考使用。并且该方法必须在建筑物内部提供热源，使得内部温度大于外部温度，当热量传递至外墙后，热成像仪才能进行反应，不仅需要等待时间，也需要一定的成本准备内部的热源供给。该方法也无相关国家标准或地方规范作为依据，所以较少使用。