鄒定華

(河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000)

建筑節(jié)能的檢驗項目隨著建筑所處的熱工分區(qū)不同而不同，一般包括建筑圍護結(jié)構(gòu)主體部位的傳熱系數(shù)、建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工缺陷、熱橋部位溫度、窗戶氣密性、冬季室內(nèi)平均溫度、采暖空調(diào)系統(tǒng)的檢驗、建筑年能耗等[1－4]。在這些項目中，最為重要也最難以檢測的是外墻的傳熱系數(shù)[5]。

目前常用的建筑外墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法有2種[6－12]，一種是熱流計法，一種是熱箱法。熱流計法的應(yīng)用時間較長，已形成相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13－15]。但是根據(jù)實際應(yīng)用的情況來看，熱流計法可應(yīng)用的地區(qū)和時間都受到限制，在室內(nèi)外溫差較大，室外天氣較為溫和的情況下其所測得的結(jié)果較為準(zhǔn)確，即只適合在北方地區(qū)的冬天進行測量，在其它時間和其它地區(qū)其所測得的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差高達20%以上[2]，結(jié)果的可信度低，不能作為工程檢驗的依據(jù)。究其原因，熱流計法以穩(wěn)態(tài)傳熱的原理作為其檢驗依據(jù)，而在實際情況中，由于天氣變化的影響，建筑外墻很難達到穩(wěn)態(tài)傳熱[16]，所獲得的數(shù)據(jù)并不符合穩(wěn)態(tài)傳熱的規(guī)律。此外，在非采暖期和嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)以外的熱工區(qū)域，建筑物室內(nèi)外溫差小，測量過程中的儀器誤差和測量誤差對測量結(jié)果的影響增大。因此一些研究者研究用熱箱現(xiàn)場檢測圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，這樣做既可以提高墻體內(nèi)外側(cè)的溫差，降低儀器誤差和測量誤差，當(dāng)熱箱位于墻體外表面時，熱箱又可有效屏蔽天氣變化對被測區(qū)域傳熱的影響，使被測墻體接近于穩(wěn)態(tài)傳熱。但是這樣做也有2個缺點：1)雖然被測區(qū)域接近于穩(wěn)態(tài)傳熱，但是邊緣部分仍然不能達到穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)仍有一定的波動；2)由于被測區(qū)域與墻體其它部分存在溫差，因此存在側(cè)向熱流(即不是垂直于墻體內(nèi)外表面的熱流)，造成測試結(jié)果比真實值大。

根據(jù)項目的要求，針對以上情況，提出了采用熱箱加熱流計檢測外墻傳熱系數(shù)的方法，并運用計算機模擬的方法研究了其測量過程中的誤差，以期對檢測設(shè)備的開發(fā)提出指導(dǎo)。

1 檢測方法的檢測原理

在用熱箱檢驗建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)時，雖然被檢測邊緣區(qū)域很難達到穩(wěn)定，但是中心區(qū)域受外界天氣變化的影響已經(jīng)非常小，在室內(nèi)溫度恒定的情況下(用空調(diào)控制室內(nèi)溫度)，采用熱箱屏蔽室外天氣變化對被測區(qū)域傳熱的影響，以熱流計和溫度傳感器檢測中心部位的溫度和熱流，就能得到穩(wěn)定的檢測結(jié)果。圖1為新型熱箱法檢測的示意圖。

圖1 熱箱法示意圖

此檢測方法中影響檢測結(jié)果最大的因素是由熱箱所引起的側(cè)向熱流，這種影響可通過計算機模擬的方法計算出。應(yīng)用新型熱箱法檢測墻體傳熱系數(shù)時，所需要檢測的數(shù)據(jù)是熱箱中心部位墻體內(nèi)外側(cè)的溫度及熱流計所測得的熱流，根據(jù)3個數(shù)據(jù)可以計算出外墻傳熱系數(shù)。在傳熱過程的計算機模擬中，可以獲得兩個傳熱系數(shù)值。第1個值是材料的真實傳熱系數(shù)，這可由墻體的構(gòu)造及材料參數(shù)的設(shè)定得到。第2個值是通過獲取傳熱分析中熱箱中心墻體兩側(cè)的溫度及熱流值所得來的“測量”值，即模擬測量過程所得到的。將這個“測量”值與真實值進行對比，可以計算出在某種情況下由側(cè)向熱流所引起的誤差，從而得到一個“誤差系數(shù)”。誤差系數(shù)越接近于1，測量值與真實值越接近，誤差越小，否則，誤差越大。通過這個誤差系數(shù)，可以評價在各種情況下由側(cè)向熱流引起的的誤差。

2 誤差系數(shù)的計算公式

根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱原理，現(xiàn)場檢測所得圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)：

式中R0為外圍護結(jié)構(gòu)傳熱阻，m2·K／W；為外圍護結(jié)構(gòu)外表面平均溫度，℃；θi為外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度，℃；ˉq為通過外圍護結(jié)構(gòu)的熱流強度，W／m2；αe為外圍護結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，αi為外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176—1993)，其值分別取23W／m2·K和8.7W／m2·K。

而由墻體構(gòu)造及材料的傳熱性能，外墻的真實傳熱系數(shù)：

式中Ri為外墻各層材料的熱阻。

根據(jù)誤差系數(shù)的定義，誤差系數(shù)由下式確定：

3 計算機模擬的條件設(shè)定

采用ANSYS 10.0對圖1中所示方法的測量過程進行了模擬，分析各種條件對誤差系數(shù)的影響。

在熱箱尺寸相對于墻體厚度足夠大時，墻體內(nèi)外的溫差對于熱箱中心部位傳熱的影響已經(jīng)很小，因此分析中簡化條件，設(shè)定室內(nèi)空氣溫度ti與室外空氣溫度te相同，te＝ti＝15℃；根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176—1993)，墻體內(nèi)表面換熱系數(shù)αi＝8.7W／m2·K，墻體外表面換熱系數(shù)αe＝23.0W／m2·K，熱箱與墻體的換熱系數(shù)取αh＝8.7W／m2·K。

武漢市目前常用的墻體材料是20、24的蒸壓加氣混凝土，密度的不同，加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)不同，密度為700kg／m3時導(dǎo)熱系數(shù)為0.22W／m·K，密度為500kg／m3時導(dǎo)熱系數(shù)為0.19W／m·K，根據(jù)研究的需要，在模擬中對灰砂磚進行了分析，其導(dǎo)熱系數(shù)取1.10W／m·K；應(yīng)用較多的保溫技術(shù)為膠粉聚苯顆粒外墻外保溫和膨脹聚苯板外墻外保溫，膠粉聚苯顆粒保溫漿料的導(dǎo)熱系數(shù)取0.06W／m·K，膨脹聚苯板導(dǎo)熱系數(shù)取0.041W／m·K。

4 結(jié)果及分析

4.1 熱箱尺寸效應(yīng)的影響

分析中墻體構(gòu)造為常用的24cm加氣混凝土＋3cm膨脹聚苯板，熱箱尺寸分別取0.6、1.0、1.4、1.8m，熱箱內(nèi)空氣溫度25℃，分析結(jié)果見圖2。從圖中可以看出，熱箱尺寸對于誤差系數(shù)有顯著的影響。在熱箱尺寸較小時，誤差系數(shù)較大，而熱箱尺寸大到一定程度時，誤差系數(shù)已經(jīng)接近于1，測量值與真實值已非常接近，即側(cè)向熱流所引起的誤差已非常小。

圖2 熱箱尺寸對誤差系數(shù)的影響

4.2 熱箱內(nèi)空氣溫度的影響

分析中墻體構(gòu)造為24cm加氣混凝土＋3cm膨脹聚苯板，熱箱尺寸取1.0、1.8m，熱箱內(nèi)空氣溫度分別為25、30、35℃，分析結(jié)果見表1。表中的結(jié)果顯示，熱箱內(nèi)空氣溫度的高低對于誤差系數(shù)沒有影響。這是由于熱箱內(nèi)溫度變化后，側(cè)向熱流的大小也隨之成比例變化。但是，實際測量中熱箱內(nèi)空氣溫度對于測試結(jié)果還是有一定影響，因為熱箱內(nèi)溫度提高后，通過墻體的熱流值增大，儀器誤差對于測試結(jié)果的影響降低。

表1 熱箱內(nèi)空氣溫度對誤差系數(shù)的影響

4.3 墻體厚度的影響

分析中墻體構(gòu)造為24cm加氣混凝土＋3cm膨脹聚苯板，40cm加氣混凝土＋5cm膨脹聚苯板，60cm加氣混凝土＋5cm膨脹聚苯板。熱箱尺寸取1.0、1.8m，熱箱內(nèi)空氣溫度25℃，分析結(jié)果見表2。表中結(jié)果顯示，墻體構(gòu)造對于誤差系數(shù)有顯著的影響。隨著墻體厚度的增加，誤差系數(shù)顯著增大。因此，在現(xiàn)場檢測中，熱箱尺寸的選擇對于檢測結(jié)果有著直接的影響，對于不同氣候地區(qū)，墻體的厚度不一樣，熱箱的大小也不一樣，應(yīng)該按照墻體厚度來選擇熱箱。

表2 墻體厚度對誤差系數(shù)的影響

4.4 墻體構(gòu)造的影響

分析中選用4種厚度相同構(gòu)造不同的墻體，其構(gòu)造見表3?？梢钥闯?，墻體構(gòu)造對誤差系數(shù)有影響，不同構(gòu)造的墻體誤差系數(shù)不一樣。而熱箱尺寸不一樣，誤差系數(shù)的變化不一樣，熱箱尺寸越大，誤差系數(shù)的變化也越小。因此，在用熱箱現(xiàn)場檢測傳熱系數(shù)時，應(yīng)盡量選擇較大尺寸的熱箱，減小側(cè)向熱流對于測試結(jié)果的影響。由以上的分析來看，對于武漢市常用的墻體構(gòu)造來講，熱箱的尺寸在1.8m左右時，側(cè)向熱流引起的誤差已經(jīng)在1%以下，測量結(jié)果的精度得到較大的提高。

表3 墻體構(gòu)造對誤差系數(shù)的影響

5 新型熱箱法的現(xiàn)場檢測試驗

為檢測新型熱箱法的實際效果，自制了邊長1.5m的熱箱(由于實驗空間的限制，沒有采用1.8m的熱箱，且從模擬結(jié)果來看，1.5m的熱箱誤差與1.8m熱箱相差很小)，采用JTRG－Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動測試系統(tǒng)按圖1所示方法對24cm厚700級加氣混凝土＋30mm苯板進行現(xiàn)場檢測。同時，進行現(xiàn)場檢測前在JTRG－Ⅰ型圍護結(jié)構(gòu)熱工性能檢測熱箱中對相同結(jié)構(gòu)砌體進行了實驗室檢測。檢測前加氣混凝土烘干至絕干；加氣混凝土的砌筑以聚氨脂泡沫作為粘接劑，同時起到填充接縫的作用，加氣混凝土表面不抹砂漿，以減小加氣混凝土和砂漿含水對現(xiàn)場檢測和實驗室檢測結(jié)果的影響。苯板粘貼中采用凡士林找平，以盡可能消除接觸熱阻。試驗在一間有大窗戶的房間中進行，房間中砌3m×3m砌體，同時以木框架＋苯板的結(jié)構(gòu)和砌體共同將房間分隔為2部分，靠窗部分開窗，與室外同溫度變化，作為室外部分。砌筑現(xiàn)場檢測砌體時盡量在測量部位用實驗室熱箱檢測所用加氣混凝土砌塊。試驗于2007年4月12日至15日進行。試驗時熱箱對砌體室外側(cè)進行加熱，溫度設(shè)定為40℃，室內(nèi)空氣溫度用空調(diào)控制在20℃左右，熱箱中心部位砌體表面溫度、室內(nèi)對應(yīng)點溫度及熱流值由JTRG－Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動測試系統(tǒng)自動記錄。圖3顯示了新型熱箱法檢測過程中穩(wěn)定后的溫度和熱流值，表4是現(xiàn)場檢測和實驗室熱箱檢測的砌體熱阻值對比。圖3和表4結(jié)果表明，新型熱箱法檢測過程中墻體表面溫度和熱流值穩(wěn)定，其結(jié)果與實驗室檢測值誤差在8%以下，表明新型熱箱法可用于武漢地區(qū)的現(xiàn)場檢測，而且檢測結(jié)果的精度較好。

圖3 現(xiàn)場檢測過程中的墻面溫度與熱流

表4 現(xiàn)場檢測和實驗檢測結(jié)果

6 結(jié)論

1)熱箱尺寸和墻體厚度是影響新型熱箱法檢測精度的重要因素，對于不同厚度的墻體，選擇合適尺寸的熱箱是降低側(cè)向熱流引起誤差的技術(shù)保證。

2)墻體構(gòu)造對于檢測結(jié)果的誤差有影響，這種影響隨著熱箱尺寸的增大而減小。

3)對于武漢市常用墻體構(gòu)造，熱箱邊長在1.8m時可基本消除側(cè)向熱流對于檢測結(jié)果的影響。

4)現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，新型熱箱法現(xiàn)場檢測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差小，與實驗檢測值的偏差在10%以內(nèi)。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 132—2009 居住建筑節(jié)能檢驗標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]黃崢.兩種建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測方法的數(shù)值研究[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2006(7)：45－47.HUANG ZHENG.Comparing research of the two insitu building energy conservation test methods[J].Wall Materials Innovation and Energy Saving in Building，2006(7)：45－47.

[3]RAHMAN M M，RASUL M G，KHAN M M K.Energy conservation measures in an institutional building in sub－tropical climate in Australia[J].Applied Energy，2010，87(10)：2994－3004.

[4]YU JING－HUA，YANG CHANG－ZHI，TIAN LI－WEI，et al.Evaluation on energy and thermal performance for residential envelopes in hot summer and cold winter zone of China[J].Applied Energy，2009，86(10)：1970－1985.

[5]王文成，方明樂，周澤.建筑節(jié)能工程監(jiān)督檢測工作初探[J].建筑監(jiān)督檢測與造價，2009，13(2)：7－10.WANG WEN－CHEN， FANG MING－LE， ZHOU ZHE.Discussions on the supervision and test work of energy－saving building engineering [J].Supervision Test and Cost of Construction，2009，13(2)：7－10.

[6]田斌守，楊永恒.應(yīng)用熱流計現(xiàn)場檢測建筑物傳熱系數(shù)[J].新型建筑材料，2004(8)：59－61.TIAN BING－SHOU，YANG YONG－HENG.In－site measurement of heat transfer coefficient of building by using heat meters[J].New Building Materials，2004(8)：59－61.

[7]魏曉成.加強住宅建筑節(jié)能評價的必要性[J].中外建筑，2006(3)：85－86.WEI XIAO－CHEN.The necessity for building energy conservation assessment[J].Chinese and Oversea Architecture，2006(3)：85－86.

[8]李萍，程從亮.傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測中的數(shù)值模擬[J].新型建筑材料，2009(10)：42－44.LING PING， CHENG CONG－LIANG.Numerical simulation on in－situ measurement about heat transfer coefficient[J].New Building Materials，2009(10)：42－44.

[9]PENG CHANGHAI，WU ZHISHEN.Thermoelectricity analogy method for computing the periodic heat transfer in external building envelopes[J].Applied Energy，2008，85(8)：735－754.

[10]PENG CHANG－HAI，WU ZHI－SHEN.In situ measuring and evaluating the thermal resistance of building construction[J].Energy and Buildings，2008，40(11)：2076－2082.

[11]YESILATA B，TURGUT P.A simple dynamic measurement technique for comparing thermal insulation performances of anisotropic building materials[J].Energy and Buildings，2007，139：1027－1034.

[12]PENG C，WU Z.Thermoelectricity analogy method for computing the periodic heat transfer in external building envelopes[J].Applied Energy，2008，85：735－754.

[13]ISO.ISO 9869－1994.Thermal insulation－Building elements－In－situ measurement of thermal resistance andthermal transmittance[S].http：／／www.iso.org／iso／iso＿catalogue／catalogue＿ics／catalogue＿detail＿ics.htm？ics1＝91＆ics2＝120＆ics3＝10＆csnumber＝17746.

[14]ASTM.ASTM C1046－95Standard Practice for In－Situ Measurement of Heat Flux and Temperature on Building Envelope Components[S].http：／／www.astm.org／Standards／C1046.htm.

[15]ASTM.ASTM C1155－95Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building Envelope Components from the In－Situ Data[S].http：／／www.astm.org／Standards／C1155.htm.

[16]楊晚生.太陽輻射對圍護結(jié)構(gòu)熱流密度的現(xiàn)場檢測誤差分析[J].建筑節(jié)能，Vol37(7)，2009：70－71.YANG WAN－SHENG.Error analysis of on－site detecting heating flux for envelope structure by solar radiation[J].Construction Energy Conservation，2009，37(7)：70－71.