牛 萌 白 莉 常文濤 化亞魏

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性在建筑節(jié)能中占有重要地位，如何提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，繼而改善其保溫特性，一直是節(jié)能研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.傳熱系數(shù)是衡量圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的重要指標(biāo)[1]，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)建筑節(jié)能和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的研究與評(píng)價(jià)起決定性作用.

目前，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法主要有四種：熱流計(jì)法、熱箱法、控溫箱-熱流計(jì)法和常功率平面熱源法[2].其中，溫控箱-熱流計(jì)法是測(cè)試精度較高，且不受季節(jié)限制的測(cè)試方法.本文采用溫控箱-熱流計(jì)法對(duì)長(zhǎng)春某節(jié)能示范工程外墻傳熱系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，分析該檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性以及太陽(yáng)輻射、熱箱內(nèi)對(duì)流及輻射因素等因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響.

1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀及測(cè)試原理

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

采用CD-JZXC1010型建筑圍護(hù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)備主要包括：溫度控制系統(tǒng)，控制箱和熱箱.溫度控制系統(tǒng)采用單片機(jī)集成結(jié)構(gòu)，通過(guò)PID和SSR控制，從而得到較高的控制精度.熱箱由電加熱器、風(fēng)機(jī)、表面溫度傳感器、空氣溫度傳感器及熱流密度傳感器組成.

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀

1.2 檢測(cè)原理

溫控箱-熱流計(jì)法是基于熱流計(jì)法的檢測(cè)原理，該方法是利用熱箱制造一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)的熱工環(huán)境，冷側(cè)為室外自然條件，通過(guò)溫控箱精確控制墻體的表面溫度，使室內(nèi)外平均溫差控制在10℃以上,最低溫差8℃[3]，這樣被測(cè)部位的熱流總是從室內(nèi)向室外傳遞，當(dāng)熱箱內(nèi)加熱量與通過(guò)被測(cè)部位的傳遞熱量達(dá)到平衡時(shí)，通過(guò)測(cè)量熱箱的加熱量得到被測(cè)部位的傳熱量[4].計(jì)算的主要理論依據(jù)如下：

由于熱流計(jì)輔助層的熱阻遠(yuǎn)小于壁面熱阻，因此當(dāng)傳熱處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過(guò)熱流計(jì)的熱流量即為通過(guò)壁面的熱流量，通過(guò)熱流計(jì)的熱流量可按下式計(jì)算：

q=Δt/(δ/λ)

(1)

式中,q為熱流計(jì)的熱流密度，W/m2；Δt為被測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)加裝熱流計(jì)后，熱流計(jì)兩面的溫差，℃；δ為熱流計(jì)的厚度，m；λ為熱流計(jì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)

則墻體的熱阻為：

R=q/ΔT

(2)

因此，墻體的傳熱阻為：

R′=R+Ri+Re

(3)

墻體的傳熱系數(shù)為：

(4)

在(2)～(4)式中，ΔT為墻體兩側(cè)溫差，℃；Ri為內(nèi)表面換熱熱阻，(m2·℃)/W；Re為外表面換熱熱阻，(m2·℃)/W.

2 檢測(cè)實(shí)例

選取長(zhǎng)春市某高校教學(xué)館為檢測(cè)對(duì)象，該教學(xué)館為國(guó)家“十二五科技支撐項(xiàng)目”示范工程，總建筑面積為27 491.81m2,于 2012年11月完工.墻體材料為460mm厚粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊，內(nèi)外抹20mm厚干粉保溫砂漿，經(jīng)計(jì)算，墻體的傳熱系數(shù)理論值為0.38 W/ (m2·K).

圖3 熱流計(jì)和熱電偶現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

采用溫控箱-熱流計(jì)法對(duì)該墻體傳熱系數(shù)檢測(cè)，具體步驟如下：

(1) 試驗(yàn)裝置安裝. 在熱箱內(nèi)選取試件的中心區(qū)域(600mm×600mm)作為測(cè)試區(qū)，在測(cè)試區(qū)內(nèi)成等邊三角型布置三個(gè)熱流計(jì)和三個(gè)熱電偶，如圖3所示.將試件冷側(cè)的熱電偶與熱側(cè)的熱流計(jì)和熱電偶對(duì)應(yīng)布點(diǎn)，并用鋁箔紙粘貼，然后連接好相關(guān)檢測(cè)設(shè)備.

(2) 檢測(cè)參數(shù)設(shè)定. 設(shè)備安裝完畢后，將熱箱的內(nèi)部控制溫度設(shè)定為35℃，調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)正常顯示后，設(shè)定檢測(cè)儀記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為20min記錄一次.

(3) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察. 測(cè)試期間要定期觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不正常，應(yīng)停止實(shí)驗(yàn)，待調(diào)試正常之后，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀的精度分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間從2013-11-23,10∶18開始至 2013-11-26,10∶27結(jié)束，共216組檢測(cè)數(shù)據(jù)，隨機(jī)截取一段時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

由表1可知，溫度傳感器和熱流傳感器測(cè)得內(nèi)墻，外墻各測(cè)點(diǎn)的溫度和熱流變化趨于一致，且各測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)刻溫度波動(dòng)不明顯.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，北外墻傳熱系數(shù)取平均值得：0.367 W/m2·K.檢測(cè)數(shù)據(jù)在進(jìn)行38h之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下，溫控箱內(nèi)空氣波動(dòng)t空為+0.9℃，熱箱內(nèi)測(cè)點(diǎn)1的溫度tn1波動(dòng)范圍為34.05℃～34.12℃，側(cè)點(diǎn)2的溫度tn2波動(dòng)范圍為34.01℃～34.10℃，測(cè)點(diǎn)3 的溫度tn3波動(dòng)范圍為34.00℃～34.10℃，各測(cè)點(diǎn)的溫度波動(dòng)均不大于1℃，試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備測(cè)試精度較高，溫控箱內(nèi)溫度分布的均勻性和穩(wěn)定性較好.

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值的確定

為更好驗(yàn)證溫控箱-熱流計(jì)法在傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的準(zhǔn)確性，對(duì)建筑不同朝向外墻進(jìn)行實(shí)測(cè)，同一朝向各測(cè)點(diǎn)取平均值，結(jié)果如圖4，圖5所示.對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算可知，南外墻傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值為0.414W/m2·K，東外墻傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值為0.372W/m2·K，該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值取平均值為0.384W/m2·K.

圖4 南外墻各參數(shù)隨時(shí)間變化

圖5 東外墻各參數(shù)隨時(shí)間變化

3 K值的影響因素分析

3.1 太陽(yáng)輻射的影響

從圖4，圖5可以看出，在9∶00-14∶00之間，由于該建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)遮擋，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間為晴天，因此太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈變化導(dǎo)致外墻溫度的突然升高，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)測(cè)的傳熱系數(shù)值突然增大，且外墻溫度變化越劇烈，傳熱系數(shù)波動(dòng)越大.從測(cè)試結(jié)果看，南外墻的實(shí)測(cè)值與理論值偏差最大，在9∶00-15∶00之間的傳熱系數(shù)值明顯大于下午15∶00-17∶00，這是因?yàn)樵?∶00-15∶00之間，南外墻受太陽(yáng)輻射最強(qiáng).因此，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)避免選取南面墻體，同時(shí)避免選取熱橋、夾縫處或陽(yáng)光直射的墻面，在條件允許的情況下，選擇北面外墻進(jìn)行檢測(cè).

3.2 熱箱內(nèi)對(duì)流及輻射的影響

物體的熱交換由對(duì)流換熱和輻射換熱組成.控箱內(nèi)的熱源(風(fēng)機(jī)、電加熱器)對(duì)墻體表面造成一定的對(duì)流及輻射影響，同時(shí)與箱體壁面也存在著局部熱交換.在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，熱箱內(nèi)和室內(nèi)空氣溫度也總是有一些差別，熱箱內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量也會(huì)與相鄰未扣住部分進(jìn)行熱交換，從而對(duì)墻體的傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值造成影響.

3.3 其他因素的影響

此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值還受室內(nèi)外溫差、空氣濕度、表面風(fēng)速、測(cè)試部位的熱橋、天氣劇烈變化等方面因素的影響.需要注意的是，人為因素對(duì)傳熱系數(shù)的檢測(cè)會(huì)造成直接影響，比如熱流計(jì)貼片沒(méi)有緊貼墻體，導(dǎo)致貼片與墻體之間有氣泡產(chǎn)生；檢測(cè)人員沒(méi)有按照規(guī)范要求布點(diǎn)，這些都會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

4 結(jié)論

(1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀在檢測(cè)過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試精度較高，溫控箱內(nèi)溫度分布均勻性和穩(wěn)定性較好；

(2) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳熱系數(shù)的比較分析，傳熱系數(shù)實(shí)測(cè)值跟計(jì)算值偏差在1.1%，證明溫控箱-熱流計(jì)法在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法中具有很高的準(zhǔn)確性；

(3) 為減少太陽(yáng)輻射對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可以采取適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)措施，同時(shí)采用鋁箔紙粘貼，測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)避免選取南面墻體.同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)將熱箱內(nèi)熱流計(jì)和熱電偶置于中央位置，從而減少受熱箱內(nèi)熱量與相鄰未扣住部分熱交換的影響；

(4) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)影響因素復(fù)雜多樣，檢測(cè)人員在檢測(cè)之前應(yīng)先判斷檢測(cè)期間外界環(huán)境條件是否達(dá)到檢測(cè)要求，按照規(guī)范要求操作，盡量避免不利因素的影響；同時(shí)對(duì)于無(wú)法避免的因素，應(yīng)對(duì)設(shè)備本身或檢測(cè)方法予以改進(jìn).

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王 芳，盛 雪，李天一.建筑物墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)現(xiàn)有方法的分析[J].制冷與空調(diào)，2011,25(5):164-167.

[2] 吳培浩，麥粵幫，路建嶺.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].新型建筑材料，2011(4):79-83.

[3] 費(fèi)慧慧，段 愷.建筑節(jié)能現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法及其影響因素[J].施工技術(shù)，2000,29(7):31-33.

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