控温箱－双面热流计法测定墙体传热系数及模拟分析

周世界

（扬州华正建筑工程质量检测有限公司，江苏 扬州 225009）

0 引言

本试验采用控温箱-双面热流计法测定围护结构墙体传热系数。综合了传统的热箱法和单面热流计法的优点，避免了校准热箱法误差的麻烦及热流计法季节性限制的缺点，也消除了在某个时间点流入围护结构内表面热流值和从外表面流出的热流值存在差异而造成的影响。

数值模拟计算可以对围护结构传热系数检测提供理论模型支撑，现场检测可以对理论模型进行方法验证。现阶段，我国对围护结构墙体传热系数的数值模拟计算相对较少，本文将从理想检测模型和实际检测模型进行数值模拟计算，并结合现场检测数据进行验证。

1 试验原理及试验装置

1.1 试验原理

围护结构的传热系数是围护结构的热阻的倒数，反映的是围护结构的散热能力。表示在 1 s 内，围护结构的两侧的空气温差为 1℃ 时，通过 1 m2的围护结构的热流量。传热系数越小，则墙体的隔热性能就越强。

围护机构传热系数K的表达式如式（1）所示。

式中：R0是围护结构的传热阻，m2·K/W，根据 DGJ 32/J 23－2006《民用建筑节能工程现场热工性能检测标准》附录 C［1］关于传热阻的计算，如式（2）所示。

1.2 试验装置介绍

试验装置的原理图如图 1 所示，控温箱的主体结构由挤塑型聚苯乙烯泡沫塑料加工而成，箱体内含 80 W离心鼓风机×1，PTC 波纹发热体［（3×200±10 %）W］×2，18 W 散热风扇×2，如图 2、图 3 所示。PTC 波纹发热体与散热风扇及配套支架组装起来，组成一个稳定的发热源。

图1 控温箱-双面热流计法原理图

图2 控温箱箱体外观

图3 控温箱箱体内部图

控温箱的可控温度范围从室温到 99℃，箱体内的温度由温控开关控制，温控开关外形如图 4 所示。

图4 温控开关

2 现场试验房墙体构造

图 5 中方框圈出来的是被测试验房的室外取景图，图 6 是被测试验房墙体构造。试验房北面有两扇窗，西面有一扇门，其余两面墙均是封闭的。

图5 试验房外景图

图6 墙体构造

被测墙体是由 20 mm 混合砂浆，190 mm 混凝土双排孔砌块，10 mm 抗裂砂浆，30 mm 保温层，10 mm 找平砂浆组成，墙体构造的相关参数及理论计算值如表 1 所示。

表 1 中的各层材料的物性参数来自于 DGJ 32/J 96－2010《江苏省公共建筑节能设计常用材料热物理性能参数表》，根据墙体构造的相关参数，可以得出墙体的理论计算热阻。

表1 墙体构造相关参数及理论计算值

根据式（1）可以得出墙体的传热系数的理论计算值。

3 现场检测过程及结果

热流传感器在墙体内外两侧各布置一片，传感器的内侧均涂有凡士林与墙体固定，热流传感器中心连线垂直于墙面，平行于温度梯度方向，采用铜-康铜热电偶测定围护结构内外表面的温度，内外表面各布置 3 个测量点，均分布在热流传感器的上部，左部及右部，并都标号。墙体外表面的温度测点分别标为温度“1”“2”“3”，热流传感器薄板面上标号“热流 1”，如图 7（a）所示；墙体内表面的温度测点分别标为温度“4”“5”“6”，热流传感器的薄板面上标号“热流 2”，如图 7（b）所示。围护结构内侧装有控温箱，墙内表面的热电偶及热流传感器在其内部，在局部区域人工制造一个高温内表面，使局部墙体两侧产生较大的温差，降低试验造成的误差。

图7 热电偶热流传感器布置图

本试验在仪器预热 4 h 后开始检测，控温箱将墙体内表面的局部温度控制在 75 ℃ 左右，每 15 min 记录一次温度和热流的数据，持续四十多个小时数据记录。

根据图 8 被测墙体内外表面温度的曲线图可以看出，外表面温度在 24 小时 45 分钟之后趋于稳定，内表面温度在 24 小时 15 分钟后趋于稳定，所以当 24 小时 45 min分钟以后，通过被测墙体的热流可以近似地看做稳态的一维导热。24 小时 45 分钟前的数据存在不稳定性，可能会造成一定的误差，在计算墙体传热系数时就不作为参数的实验数据来考虑。

图8 测试墙内外表面温度曲线

与被测墙体传热系数的理论计算值K=1.26 W/（m2·K）相比，实验误差为 1.6 %，实验结果和理论计算的结果相吻合。说明实验方法可靠，建筑施工和设计参数相一致。

4 墙体传热数值模拟分析

图 9 是从 25 h 之后墙体内外表面温差变化曲线图及通过墙体的热流值变化曲线图。通过围护结构墙体的热流值是根据被测墙体内外表面的热流计的热流值的算术平均值得出。由图 9 可以看出通过墙体的热流值的曲线变化与墙体内外表面的温差的曲线变化大致成正比。温差波动不超过 1 ℃，热流波动也相对较稳定。由图 9 中的数据来计算被测墙体的传热系数比较可靠，将测试的温度差的平均值及热流平均值代入式（4）中，得出围护结构传热系数的实验值，如表 2 所示。

表2 传热系数测试结果表

图9 内外表面温差曲线及通过墙体的热流值曲线

测量围护结构的墙体传热系数过程中，至少需要用到温度热流巡检仪、PC 等设备。若是采用热箱法，那就需要携带笨重的热箱，对现场检测人员带来一定的麻烦；热流计法很受环境季节等影响，不是随时随地就能投入设备开始检测工作；就控温箱-热流计法而言，虽然在一定程度上避免了携带笨重仪器的烦恼、克服了环境季节的影响，但在现场检测的时间上未能得到改善。无论是围护结构还是仪器，在正式测量前都需要充分的预热，让被测墙体两表面及内部温度变化趋于平衡，让仪器的工作状态趋于稳定，这就需要耗费大量的时间对其做准备工作。所以，为了缩短以后的现场检测时间，接下来的工作将使用 Gambit 画出墙体模型，划分网格，并用 Fluent 计算墙体各层面通过的热流量及围护结构内外两侧的温差，进而得到墙体的传热系数。模型的原型来自于被测试验房的北立面墙。其墙体的长、宽、厚分别为 4、3、0.26 m。

4.1 理想检测下的数值模拟分析

4.1.1 墙体物理结构模型

墙体模型共分 5 层，由里到外分别是 20 mm 厚的混合砂浆、190 mm 厚的钢筋混凝土、10 mm 厚的抗裂砂浆、30 mm 厚的保温砂浆、10 mm 厚的找平砂浆。墙体的物理结构模型及网格划分如图 10 所示。

图10 墙体物理模型及网格

4.1.2 计算模型的选择

墙体的传热可近似看作能量守恒问题，所以要用到 Fluent 中的能量方程（Energy Equation）［3-5］来计算该墙体导热，如式（5）所示。式中：keff是有效导热系数，Jj是第j组扩散通量，方程的前三项分别表示因导热、组分扩散和粘性耗散等引起的能量传递；Sh包含化学反应热以及其他定义的热源项。

4.1.3 理想传热模型的条件

1）墙体的长宽均比厚度大很多，墙体表面近似看作是无限大；

2）平行于墙面的墙体材料均是一致且均匀；

3）不存在热桥的影响，垂直于墙体的各个区域的导热系数相同；

4）墙体内部不存在热源，只来源于环境温度，不考虑辐射的影响；

5）墙体两侧空气存在足够大的温度差，且两侧空气温度保持稳定；

6）整个体系不存在任何化学变化；

7）整个体系除了温度变化以外，不存在其他物理变化。

4.1.4 模型边界的条件

1）内、外墙表面的空气换热系数为 9.1 W/（m2·K）、25 W/（m2·K）；

2）内、外表面的空气温度为 73.8 ℃、18.8 ℃；

3）墙体各个材料物性参数均为实际参数；

4）其他参数均为默认值。

4.1.5 计算结果与分析

通过 fluent 计算得出墙体温度分布图（见图 11），及墙体表面与内部层面的热流量的分布图（见图 12）。

图11 理想检测下墙体温度分布

图12 理想检测下沿 Z 轴的温度曲线

根据图 12 的曲线图看出，在理想检测条件下，内外形成温差，热流由高温内表面流向低温外表面，在普通砂浆层和钢筋混凝土层稳定时，墙体内部温度的变化趋于墙体内表面，到了保温砂浆，热量传递受到阻碍；由图12 可看出，热阻越小，温差越小，热阻越大，温差越大。类似于电路，压差形成电流，电阻越大，分得的电压也就越大。Fluent 数值模拟的计算结果与实际结构相符合。

从图 13 的各层热流分布图可看出，在理想的一维传热模型下，在整个传递过程中，热流的大小不变，类似于单个闭合的电路中，电流的大小在整个电路中是处处相等的。

综合图 12 温度曲线图和图 13 热流分布图，可以分别得出围护结构墙体的内外表面的温差，以及通过围护结构的热流大小，可以求出围护结构本身的热阻R，再根据式（2）求出墙体换热阻R0，如表 3 所示。

表3 墙体传热系数相关参数的计算值（理想检测）

图13 理想检测下的通过各层面的热流分布

4.2 实际状态检测下的数值模拟分析

实际检测和理想检测不同，理想检测是在整个墙面的内外两侧温度分布均匀下进行，每个点的温差保持一致，在实际操作中是很难达到。而现场操作中只是对局部墙面进行加热，其他墙面的外界温度均为同一温度。

在设计墙体模型时，在内表面要进行分割，分割出一个局部高温面，达到实际检测的效果，如图 14 所示。

图14 实际检测的物理模型与网格

局部加热造成仅仅只有这局部及周围存在着温差，所以图 15 取出的是有温差效果的局部墙体。图 16 是取自平行于Z轴的不同线上的墙体内部的温度曲线。曲线图中“（0.45，0.45）”表示，过点（x，y）=（0.45，0.45）且平行于Z轴的线段，其余的依次类推，其中（0.45，0.45）是加热区域的中心部位。从图 16 的曲线可以看出，曲线的总体趋势符合理想时的状况，但在钢筋混凝土层的温度普遍偏低，越偏离加热区的中心位置，温度偏低越严重。主要是因为，加热区域的温度不仅受到垂直于墙面的温度的影响，还受到同一层面的温度影响。加热区域的中心位置离边缘最远，受到同一层面的温度影响最小，在计算温差及热流时，选择（0.45，0.45）处。

图15 实际检测条件下的局部墙体温度分布

图16 实际检测下平行于 Z 轴的温度曲线

根据理想检测计算结果（见表 3）和实际检测计算结果（见表 4）得出的墙体传热系数，可以看出，实际检测计算模型的传热系数要高于理想结果的传热系数，原因可能是出自墙体内表面仅仅只有局部加热，其他表面都受到环境的低温影响，从而影响到墙体内部的温度分布，所以在局部受热面在传热过程中，受到同层面的温度影响，造成温度偏低，致使温差变小。因为温度分布不均，造成热流在通过墙面并不完全是一维过程，热流分流，造成一部分热流损失，致使墙体热阻的计算结果偏小。

表4 墙体传热系数相关参数的计算值（实际检测）

5 结论

本文采取控温箱-双面热流计法现场检测围护结构的传热系数，并用 Gambit 搭建围护机构物理模型，并对物理模型进行网格划分，得出模拟计算值（模拟计算中分为理想检测与实际检测的物理模拟计算），其结果总结如表 5 所示。

表5 墙体传热系数的实测值及数值模拟值

物理模拟计算出的结果高于实测值，是因为搭建墙体物理模型的墙体结构与实际结构存在着差异，且在物理模型中，未考虑外墙的未知装饰面，造成墙体热阻的计算值偏低。物理模型计算中，得出的墙体内温度分布，符合实际情况。Q