围护结构传热系数检测方法分析及应用探讨

2022-09-13陈师栩

广东建材 2022年8期

陈师栩

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 前言

随着国家对有关建筑工程质量验收要求的提高，并且关于建筑节能及绿色建筑法律法规及相关技术标准要求，对于建筑材料的热工数据检测也成为国家及地方验收标准的必检项目，建筑材料如何能在满足安全强度的大前提之下做到节能减排也成为各大材料生产厂家及施工单位的重点考虑要素。

建筑物要达到绿色节能减排，其中建筑主体围护结构有很大占比。构成围护结构的砌筑材料是否能通过热工节能检测是该项目的重中之重，满足了该要求，室外的气候变化通过该建筑主体围护结构对室内环境的舒适性产生产生影响。

1 围护结构传热系数的热工意义

对于建筑物的围护结构是否能达到节能保温的要求，可以从其构筑材料及围护主体的热工参数进行检测分析，热工参数主要为：导热系数、蓄热系数、热阻、传热阻导温系数、传热系数。

传热系数是在稳态传热条件下，当围护结构两侧的空气温差为1K(1℃)时，单位时间内通过单位平方米围护结构面积所能传递的热量，单位为W/（m2·K）,传热系数包含了围护结构自身的砌筑构造和结构两侧空气层在内的热能量传导性能。传热系数与传热阻为倒数关系，而传热阻与其围护结构的构筑材料导热系数及相关厚度有关，导热系数与导温系数及比热容有关，所以综合其计算方式可以知道建筑物中围护结构传热系数是判断其保温效果的最终参数之一。

传热系数是围护结构系统中热工性能的表现，许多实验也表明了围护结构传热系数的降低可以明显减少建筑能耗，通过达到良好的围护结构传热系数可以让建筑物在夏天及冬天减少空调能量的损失，降低其总体耗电量。研究表明现代建筑空调耗电量的占比越来越大，如何有效利用及减少排放是当代绿色建筑重要的评价之一。作为建筑表面积占比最大的围护结构如何能通过其构造、材料等多方面降低其传热系数从而达到节能环保，是建筑学中一项重要的研究课题之一。

2 围护结构传热系数检测方法

2.1 对比试样的样品构造说明

为求更直观地体现三种不同传热系数检测方式（计算法、砌筑法、现场法）的数据差异，通过对同一结构的围护墙体（图1、表1）分别进行三种不同方法的检测，从而得到不同检测方法下的传热系数数值。

表1 围护结构墙体构造砌筑说明

图1 蒸压加气混凝土保温墙体

2.2 围护结构传热系数计算法

围护结构传热系数计算法是通过防护热板法测试得出砌筑材料的导热系数或者通过《民用建筑热工设计规范》查表得出砌筑材料的导热系数和热阻之后，代入其计算公式推算出围护结构的传热系数。

基本计算方法如下：

⑴计算出单一均质材料层的热阻：R=δ/λ

R——材料层的热阻（m2·K/W）；

λ——材料的导热系数[W/（m·K）]；

δ——材料层的厚度（m）。

⑵计算多层均质材料层组成的热阻：

⑶计算围护结构传热阻：R0=Ri+R+Re

为保证围护结构传热系数计算法的重复性与准确性，由三组不同实验人员对同一块蒸压加气混凝土砌块样品进行三组导热系数检测，结合《民用建筑热工设计规范》规范附录提供的抹灰砂浆导热系数计算出实验墙体的传热系数。

蒸压加气混凝土砌块样品导热系数检测仪器：游标卡尺；钢直尺；电子天平；导热系数测定仪。

防护热板法装置测定导热系数原理为：在稳态条件下，在具有平行表面的均匀板状试件内，建立类似于两个平行的温度平面为界存在的一维均匀热流密度，从而得出材料导热系数，其结构如图2。

图2

在标准实验室环境下（温度25℃、湿度50%），三组试验人员分别将同一组蒸压加气混凝土砌块样品通过烘箱将样品烘至干态后，分别用钢直尺、游标卡尺、电子天平计算出样品密度，最后将样品装入同一台导热系数测定仪并在全电脑控制模式下测定样品导热系数，三组导热系数数据见表2。

表2 导热系数结果

通过《民用建筑热工设计规范》查表得出密封空气内、外间层表面换热阻数值：0.16（m2·K/W）, 水泥抹灰砂浆导热系数：0.93W/（m·K），乳胶漆导热系数忽略不计，蒸压加气混凝土砌块、泡沫混凝土砌块墙体因灰缝影响，导热系数的修正系数a=1.25。将三组导热系数数据分别代入围护结构传热系数的基本计算公式后，最终得出三组不同的墙体传热系数，如表3。

表3 围护墙体传热系数结果（计算法）

2.3 围护结构传热系数砌筑法

围护结构传热系数砌筑法是把要测定的围护结构按照实际施工现场砌筑的要求及造法，砌筑在1.2m×1.2m 的试样框架内。围护结构样品砌筑完成后继续在等条件下养护28 天后装入稳态热传递性质测定系统内，按《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》标准规定进行传热系数检测。

稳态热传递性质测定系统检测原理为：模拟四季围护结构构件的传热，将构件置于两个不同温度场的箱体之间，热箱模拟室内或夏天季节情况，冷箱模拟室外或室内空调环境。仪器达到热传导稳定状态后对围护结构试验样品的冷、热面进行热流数据采集，通过计算机软件计算出传热系数值，仪器构造如图3、图4。

图3

图4

同样为保证围护结构传热系数砌筑法的重复性与准确性，由三组不同实验人员对该蒸压加气混凝土砌块墙体样品进行三组传热系数检测，为保证每组数据的对比性，该蒸压加气混凝土砌块墙体样品在标准实验室环境下（温度25℃、湿度50%）养护28 天，每组人员试验间隔24 小时，保证稳态热传递性质测定系统每组测试的稳定运行。稳态热传递性质测定系统中热室温度设置为35℃，冷室温度设置为-10℃，热传导状态稳定后对冷、热面热流数据进行6 次采集，每次采集持续时间为30分钟。表4 为三组试验人员得出的传热系数数据。

表4 围护墙体传热系数结果（砌筑法）

2.4 围护结构传热系数现场法

围护结构传热系数现场法是根据《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》、《居住建筑节能检测标准》标准，将围护热传递性能现场检测仪运送到检测现场，根据被检测的建筑物图纸选取确定的检测区域后，在检测部位的室内外安装好检测仪的热流计和温度传感器，并把检测热箱充分贴合安装在被测表面，设置好各传感器数据后，检测仪将在规定的测试时间内采集相关的数据，经计算机及相关软件对被测围护结构进行数据分析从而得出传热系数。

围护热传递性能现场检测仪的检测原理是人为制造一个一维的热传递条件环境，通过室内面的热箱可以模拟建筑物室内环境，通过微电脑控制软件中的算法可以实时控制热箱内和被测面的温度，使之保持一致的稳定状态，另一侧面为室外自然环境状态，在一定的检测周期内取稳定的24 小时数据，经过运算得出被测围护结构的传热系数。原理图如图5。

图5

围护结构传热系数现场法在检测现场环境上与计算法、砌筑法不同，并不能如围护结构传热系数计算法一样在试验室环境下（温度25℃、湿度50%）进行，也不能像围护结构传热系数砌筑法那样人为建立一个密封的冷、热检测环境。三组实验人员按照实际检测的气候情况对测试墙体样品进行实验，热箱温度设置为50℃，测试运行周期为96 个小时，取稳定后的24 小时传热系数数据。为保证仪器的稳定运行以及试验墙体样品热流的消散，每组实验间隔为24 小时。三组现场法热流密度具体差别见图6。

图6 三组现场法热流密度

三组围护结构传热系数现场法的数据如表5。

表5 围护墙体传热系数结果（现场法）

2.5 围护结构传热系数三种检测方法数据差异分析

由计算法、砌筑法、现场法三种不同的围护结构传热系数检测方法得出的数据结果可以看出，计算法是三种方法中差异最小的一种传热系数检测方法。三组不同实验人员得出的墙体传热系数数据，计算法数据最大值0.874W/（m2·K）与最小值0.866W/（m2·K）偏差在1%内，砌筑法数据最大值1.064W/（m2·K）与最小值1.029W/（m2·K）偏差为3.4%，现场法数据最大值1.331W/（m2·K）与最小值1.212W/（m2·K）偏差为9.8%。并且，三种方法得出的数据存在较大的差异，特别是计算法与现场法两种方法的传热系数数据相对比。计算法的平均传热系数为0.870W/（m2·K），而现场法的平均传热系数为1.269W/（m2·K），两种方法偏差高达45%。

3 应用建议

在具备试验资质的实验人员在符合标准检测的操作下，同一砌筑结构的墙体样品在基本相同的实验环境内（现场法除外）得到的围护结构传热系数数据差异大，必然导致围护结构传热系数测试的判定有一定的混乱性，造成在实际的科研、工程检测中不能明确地应用传热系数检测方法。

针对上述问题，笔者根据三种传热系数检测方法的差异，以及多年从事建材热工检测的经验，提出以下建议：

第一，围护结构传热系数计算法因其便利的计算方式、较少的重复性偏差以及较短的检测周期，可以运用在围护结构初期的设计阶段和热工节能的建模设定。计算法只需要对砌筑节能材料导热系数进行导热检测，而其他辅材则可通过《民用建筑热工设计规范》查表得到并代入围护结构的基本计算公式，计算出围护结构的传热系数数据。计算法是属于在绝对理想的环境情况下进行，屏蔽了一切影响试验的因数，所以计算法只应该用在设计、热工建模的阶段。

第二，围护结构传热系数砌筑法是对构造整体不分割的检测模式，被测围护结构样品都是根据施工构造表的流程规定砌筑而来，所以砌筑法可用在实际施工中砌筑材料的选型、选材阶段。对于不同厂家、不同型号、不同批次的砌筑材料可以有着不同热工差异，而不同的砌筑方式、不同砌筑施工人员的工艺水平等因素也直接影响着围护结构传热系数。在这些因素的影响下，传热系数数据不能像计算法单靠查表与绝对理想情况下的计算公式可以得出。因此砌筑法用在砌筑材料选型、选材阶段是最优的推荐方法。

第三，围护结构传热系数现场法对于工程施工中传热系数检测有着不可替代的意义。围护结构传热系数现场法是对现场施工、现场环境、现场砌筑材料、现场砌筑工艺的数据检测，虽然说现场法在目前检测中可能会因为现场定点、气候变化、温湿度的差异、操作人员的水平等因素还存在着一系列检测的限制，计算法与砌筑法在这种情况下反而能较为准确地得到设计、建模等相关热工参数，但是随着现场传热系数测试设备的改造升级，以及检测方法的不断进步，数据的偏差与重复性问题将有所改善。现场法如果能配合节能抽芯检测，可能会提高实际施工中围护结构传热系数检测的准确性。