■彭 翔，黃嘉樑，何興升

■1.廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司，廣東 廣州 510663;2.廣東省材料與構(gòu)件防火檢測(cè)技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510663

根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，隨著城市發(fā)展，建筑將超越工業(yè)、交通等其它行業(yè)，最終居于社會(huì)能源消耗的首位，建筑能耗將占到社會(huì)總能耗的33%或以上。建筑能耗有兩種定義方法:廣義建筑能耗是指從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過程能耗。狹義的建筑能耗，即建筑的使用能耗，就是建筑物建成以后，在使用過程中，人們?nèi)粘Ｓ媚埽绮膳?、空調(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、家用電器等的能耗，它是建筑能耗中的主導(dǎo)部分。

建筑節(jié)能是指在滿足人們生活工作質(zhì)量前提下，在建筑物建造和使用的整個(gè)過程中合理用能，提高能源利用效率，從而達(dá)到節(jié)約能源資源的目的。2014 年全國(guó)房屋竣工面積達(dá)到42.31 億平方米，減小建筑能耗對(duì)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)影響巨大，全國(guó)各級(jí)政府對(duì)建筑節(jié)能都高度重視。

1 外墻傳熱系數(shù)常用檢測(cè)方法

1.1 防護(hù)熱箱法檢測(cè)原理

防護(hù)熱箱法基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，將按照設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室砌筑的墻體置于兩個(gè)不同溫度箱體之間，其中計(jì)量熱箱模擬室內(nèi)或夏季室外空氣溫度、風(fēng)速、輻射條件，冷箱模擬室外或夏季室內(nèi)空調(diào)房間空氣溫度、風(fēng)速。經(jīng)過若干小時(shí)的運(yùn)行，整個(gè)裝置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，測(cè)量試件兩側(cè)的空氣溫度、表面流速、表面防護(hù)箱溫度以及輸入計(jì)量熱箱的電加熱器功率，就可以計(jì)算通過試件傳遞的熱流量，從而計(jì)算出試件的傳熱系數(shù)和熱阻。

計(jì)量熱箱外面套裝防護(hù)熱箱，在計(jì)量箱周圍建立適當(dāng)?shù)目諝鉁囟群捅砻鎿Q熱系數(shù)場(chǎng)，減少試驗(yàn)環(huán)境溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，還能減少通過計(jì)量箱壁的熱流量和試件不平衡熱流量。在檢測(cè)時(shí)計(jì)量熱箱的溫度與防護(hù)熱箱的溫度完全一致，使趨向于0;同時(shí)使用四點(diǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)，將計(jì)量熱箱通過不超過20mm 寬的鼻錐緊貼在試件表面，使趨向于0。

圖1 防護(hù)熱箱法檢測(cè)原理圖

1.2 熱流計(jì)法檢測(cè)原理

熱流計(jì)的原理是通過熱流計(jì)的熱流密度與熱電勢(shì)成正比，在對(duì)熱流計(jì)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后，便可用溫度熱流自動(dòng)測(cè)試儀檢測(cè)熱流計(jì)的輸出熱電勢(shì)從而測(cè)得熱流密度。熱流計(jì)法是利用溫差和熱流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)墻體的熱阻進(jìn)行測(cè)試，用熱流計(jì)和熱電偶檢測(cè)被測(cè)墻體的熱流密度以及內(nèi)、外表面溫度，然后計(jì)算傳熱系數(shù)。

被測(cè)墻體的熱阻用公式(1)計(jì)算:

式中:R—墻體的熱阻，m2·K/W;Δt—墻體內(nèi)、外表面溫差，K;q—通過墻體的熱流密度，W/m2。

測(cè)得墻體的熱阻后，墻體的傳熱系數(shù)用公式(2)計(jì)算:

式中:K—墻體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);R—墻體的熱阻，m2·K/W;Ri—內(nèi)表面換熱阻，m2·K/W;Re—外表面換熱阻，m2·K/W。

1.3 常功率平面熱源法檢測(cè)原理

常功率平面熱源法是一種比較常用的非穩(wěn)態(tài)檢測(cè)方法，其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法是在墻體內(nèi)表面人為地加上一個(gè)合適的平面恒定熱源，對(duì)墻體進(jìn)行一定時(shí)間的加熱，通過測(cè)定墻體內(nèi)外表面的溫度響應(yīng)辨識(shí)出墻體的傳熱系數(shù)，原理如圖2 所示。絕熱蓋板和墻體之間的加熱部分由5 層材料組成，加熱板C1、C2和金屬板E1、E2對(duì)稱的各布置兩塊，控制絕熱層兩側(cè)溫度相等，以保證加熱板C1發(fā)出的熱量都流向墻體，E1板起對(duì)墻體表面均勻加熱的作用。墻體內(nèi)表面測(cè)溫?zé)犭娕糀 和墻體外表面熱電偶D 記錄逐時(shí)溫度值。

圖2 常功率平面熱源法檢測(cè)示意圖

該系統(tǒng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法仿真求解。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的墻體傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)的三維傳熱過程，這一過程受到墻體內(nèi)側(cè)平面熱源的作用和室內(nèi)外空氣溫度變化的影響，有針對(duì)性地編制非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱墻體的傳熱程序。將得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的邊界條件、初始條件共同構(gòu)成樣本集對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。將測(cè)試時(shí)間中的室內(nèi)平均溫度、室外平均溫度、熱流密度、墻體內(nèi)外表面溫度作為輸入樣本，將墻體傳熱系數(shù)作為輸出樣本進(jìn)行訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過一定時(shí)間的訓(xùn)練達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將各溫度值和熱流密度值輸入，由網(wǎng)絡(luò)即可映射出墻體的傳熱系數(shù)。

2 采用輔助冷熱箱的熱流計(jì)法檢測(cè)原理

我國(guó)JGJ/T132-2009《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》7.1.6 條款中規(guī)定“檢測(cè)時(shí)間宜選在最冷月，且應(yīng)避開氣溫劇烈變化的天氣。對(duì)設(shè)置采暖系統(tǒng)的地區(qū)，冬季檢測(cè)應(yīng)在采暖系統(tǒng)正常運(yùn)行后進(jìn)行;對(duì)未設(shè)置采暖系統(tǒng)的地區(qū)，應(yīng)在人為適當(dāng)?shù)靥岣呤覂?nèi)溫度后進(jìn)行檢測(cè)。在其它季節(jié)，可采取人工加熱或制冷的方式建立室內(nèi)外溫差。圍護(hù)結(jié)構(gòu)高溫側(cè)表面溫度應(yīng)高于低溫側(cè)10℃以上，且在檢測(cè)過程中的任何時(shí)刻均不得等于或低于低溫側(cè)表面溫度。當(dāng)傳熱系數(shù)小于1W/(m2·K)時(shí)，高溫側(cè)表面溫度宜高于低溫側(cè)10/K℃以上。檢測(cè)持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于96h。檢測(cè)期間，室內(nèi)溫度應(yīng)保持穩(wěn)定，受檢區(qū)域外表面宜避免雨雪侵襲和陽光直射?！?/p>

廣州地處夏熱冬暖地區(qū)，冬季不采暖，夏季天氣變化多端，在自然條件下難以形成穩(wěn)定的室內(nèi)外溫差，在外墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中要想連續(xù)采集96 個(gè)小時(shí)較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)比較困難，難以滿足建筑節(jié)能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的市場(chǎng)需求。

現(xiàn)有檢測(cè)方法在不同的側(cè)面有所突破，但是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)都有不足之處。通過對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法、現(xiàn)場(chǎng)條件、檢測(cè)效果等方面分析，吸取防護(hù)熱箱法和常功率平面加熱法的優(yōu)點(diǎn)，我們提出了在墻體傳熱系數(shù)熱流計(jì)法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，在墻體內(nèi)外側(cè)對(duì)應(yīng)安裝輔助冷、熱箱進(jìn)行檢測(cè)的方法，檢測(cè)示意圖如圖3 所示。

冷、熱輔助箱主要由箱體、半導(dǎo)體制冷器、溫控裝置、直流電源和溫度探頭等構(gòu)成，冷、熱箱分別采用半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制冷或加熱，通過溫控裝置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)溫，熱流和溫度傳感器用礬士林和鋁箔膠帶貼合在墻體表面上。輔助箱不但可以人工制造穩(wěn)定的一維傳熱，同時(shí)避免了風(fēng)雨天氣在外墻外側(cè)的侵襲導(dǎo)致的影響。

圖3 采用輔助冷、熱箱的熱流計(jì)法檢測(cè)示意圖

3 采用輔助冷熱箱的熱流計(jì)法檢測(cè)實(shí)例

在一棟建成使用了五年多的辦公建筑，我們選擇了一處外墻墻體進(jìn)行熱流計(jì)法檢測(cè)其傳熱系數(shù)。該墻傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)值見表1。我們選擇了三組溫度進(jìn)行檢測(cè)，三組溫度分別為45/25℃、40/20℃、35/15℃，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表1 外墻熱工性能表

表2 采用輔助冷、熱箱的熱流計(jì)法檢測(cè)外墻傳熱系數(shù)結(jié)果

通過計(jì)算，三組檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值相差都不超過5%，表明采用輔助冷、熱箱的熱流計(jì)法檢測(cè)的建筑外墻傳熱系數(shù)是可行的，且有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能大力提高檢測(cè)效率。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)所測(cè)墻體的傳熱系數(shù)因設(shè)置的溫度高低不同而略有差異，因此我們認(rèn)為墻體的傳熱系數(shù)在一定程度上受溫度的升高而略為增加。

4 結(jié)束語

我國(guó)擁有龐大的建筑，建筑能耗已經(jīng)越來越成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大負(fù)擔(dān)，因此建筑節(jié)能全面實(shí)施勢(shì)在必行。只要廣大的技術(shù)人員集思廣益、不斷摸索，努力研究出有一定的理論支持、可實(shí)施性強(qiáng)的方法，必定能更好的推進(jìn)建筑節(jié)能。

［1］GB/T 13475-2008，絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法［S］.

［2］JGJ/T 132-2009，居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］徐占發(fā)主編.建筑節(jié)能技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］田斌守.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2006.