江宏玲

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230088）

0 引 言

最近幾年，我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，與此同時國家推出了能源改革計劃，從而使得建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能狀況受到了社會的普遍關(guān)注，很多學(xué)者為此進行了探究與分析，所發(fā)明的節(jié)能技術(shù)有些幾乎接近國際一流水準(zhǔn)。盡管一系列節(jié)能研究工作正在廣泛開展，但是建筑物在采用了節(jié)能措施后，效果是否突出，如何客觀而公正地評價節(jié)能效果，怎樣將建筑能耗控制在合理范圍內(nèi)等，這些問題還需要進一步深入探討。筆者認為，對于各類建筑而言，要想使其保持良好的節(jié)能狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)合理選取建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)。針對建筑節(jié)能，我國住建部曾經(jīng)開展過專項檢查活動，并且指出務(wù)必不斷提升檢測技術(shù)［1］。因此，選用合理、有效、簡便的測試手段，將有助于推動我國建筑節(jié)能工作更好更快地發(fā)展。

1 測量圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的常見方法

對建筑節(jié)能進行審核驗收時，關(guān)鍵是要檢查其圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是否合乎標(biāo)準(zhǔn)，而這則需要通過現(xiàn)場測試方能得知。對于這方面，自 20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)外很多學(xué)者便陸續(xù)展開了研究，并研制了多種檢測儀器，創(chuàng)建了多種檢測方式。

當(dāng)前，業(yè)界普遍采用以下 4 種方式［2］對建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)進行現(xiàn)場測試。

1.1 熱流計法

目前，這種方法已經(jīng)廣為接受，因此其應(yīng)用范圍最為廣泛。圖1給出了熱流計法的測試原理，操作時需要對tw、tn、q這 3 種參數(shù)進行測試，其中，tw、tn分別用以描述圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)的溫度，q表示通過圍護結(jié)構(gòu)的熱流量?；诖?，可運用式（1）求出圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。

式中：K為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；R為圍護結(jié)構(gòu)熱阻值；Re，Ri分別為圍護結(jié)構(gòu)兩個側(cè)面的對流換熱熱阻。

通過以上兩個公式可以分析出，R值是求出K值的前提條件。根據(jù)溫度梯度和熱電效應(yīng)的基本原理可制作出熱流計，圖1、圖2分別展示了該測試儀器的內(nèi)部構(gòu)造和測試原理。

圖1 熱流計的內(nèi)部構(gòu)造

圖2 熱流計測試原理

運用熱流計測試法需要注意以下 3 點。1）應(yīng)當(dāng)保持恒定的室內(nèi)外溫差，為此可將測試對象確定為供暖 4 d 以上的建筑。2）應(yīng)將熱性能恒定的墻體部位作為測試點，不宜選取明顯受到環(huán)境影響的部位。3）為了將測試誤差控制到最小化，應(yīng)當(dāng)使室內(nèi)外溫差＞20 ℃，但是這種狀況只有在冬季才能實現(xiàn)，因此容易受季節(jié)限制。雖然熱流計測試法并不如想象中那樣隨意，但是國內(nèi)外專家仍然指出了該測試法在現(xiàn)實中應(yīng)用的必要性，而且將熱流計的操作方式與技術(shù)規(guī)格納入了國際標(biāo)準(zhǔn)。最近幾年，北京市頒布并執(zhí)行了建筑節(jié)能改造方案，為了給節(jié)能改造提供準(zhǔn)確的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用熱流計法對住宅樓屋頂及外墻的傳熱系數(shù)進行了測試［3］。

1.2 熱箱法

熱箱法強調(diào)了不同于熱流計法的測試理念，即假設(shè)建筑圍護結(jié)構(gòu)只存在“一維傳熱”，當(dāng)計量箱內(nèi)的熱度處于恒定不變狀態(tài)時，可將計量箱的加熱量視為通過被測墻體的導(dǎo)熱量。運用式（2），可求出K值——被測墻體的傳熱系數(shù)。

式中：q為通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量；tl，tr為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的測試溫度；A為圍護結(jié)構(gòu)被測部位的表面積。

防護熱箱法、標(biāo)定熱箱法是常用的兩種熱箱法，圖3、圖4分別表達了這兩種計量箱的結(jié)構(gòu)原理。美國通常運用防護熱箱法來測定墻體的傳熱系數(shù)，并已經(jīng)將其使用方式與技術(shù)規(guī)格納入到 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中［4］。

圖3 防護熱箱結(jié)構(gòu)原理

圖4 標(biāo)定熱箱結(jié)構(gòu)原理

在圖3中，試件即為圍護結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)的熱量被傳輸?shù)接嬃肯涞募訜峤z上。傳熱系數(shù)受到多種因素的制約，如：加熱面的半徑、加熱箱內(nèi)部的空氣溫度、墻體厚度等，如果對這些因素合理控制，有助于提高對被測件傳熱系數(shù)的測量精度。

通過分析可以得知，實際測定過程中，熱量并沒有完全從墻體中通過，一部分熱量通過墻體表面發(fā)散到周圍空間。有些測定方法通常將加熱絲接收的熱量視為通過墻體的熱量，測定結(jié)果出來后，往往需要對其加以修正。但標(biāo)定熱箱法可對通過被測件的熱量和散發(fā)到空氣中的熱量進行標(biāo)定，從而獲得比較精準(zhǔn)的檢測結(jié)果，這也是標(biāo)定熱箱法的由來。

以上兩種檢測方法的共同優(yōu)勢表現(xiàn)為：對環(huán)境溫度的要求并不高，幾乎不受季節(jié)影響，當(dāng)熱箱溫度與空氣最高溫度的溫差＞ 10 ℃、相對濕度＜60 %、溫度平均值低于 25 ℃ 時，即可進行操作。盡管這些條件并不難以實現(xiàn)，但熱箱法在現(xiàn)實中的應(yīng)用還不夠廣泛，這是由于其受到三種因素的限制：一是設(shè)備安裝比較復(fù)雜，二是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的適用對象為實驗室，三是不能通過測試手段來獲知熱橋部位的狀況。

1.3 非穩(wěn)態(tài)法

常功率平面熱源法是非穩(wěn)態(tài)法的典型代表，該方法應(yīng)用較為普遍，對于建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，其測試原理如圖5所示。

圖5 常功率平面熱源法測試原理示意圖

從圖5可以分析出，非穩(wěn)態(tài)法具有兩種明顯優(yōu)勢，一是不需要較長的測試時間，工作效率顯著增加；二是無論溫度波動還是外部空氣流動，都不會對其產(chǎn)生較大作用。但非穩(wěn)態(tài)法的弊端也是顯而易見的，首先，測試現(xiàn)場需要配備完善的設(shè)備；其次，系統(tǒng)編程和仿真軟件的精確性要高；再次，測試技術(shù)要達到較高的水平；最后，其測定結(jié)果需要依托非常多的可靠數(shù)據(jù)加以論證。由于這些原因，目前該方法在現(xiàn)實中推廣應(yīng)用還存在一定的難度。

1.4 紅外熱像儀法

非接觸測試方式是紅外熱像儀法的顯著特征，其應(yīng)用原理為：對墻體表面發(fā)射的紅外輻射信號通過紅外熱像儀進行捕捉，由此獲得熱影像，然后借助于操作軟件求出建筑圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度場。在建筑節(jié)能改造的過程中，以建筑外墻為目標(biāo)對象，運用紅外熱像儀可測得該圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的溫度，從而為節(jié)能改造提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。通常認為，這種方法的優(yōu)勢表現(xiàn)為定性分析，不適用于定量分析，因此在現(xiàn)實中要想得到廣泛使用，還需要作出進一步研究［5］。

1.5 幾種方法的比較

上述 4 種測試方法雖然在現(xiàn)實中比較常見，但其優(yōu)勢和弊端卻不盡相同。接下來將從以下幾點對這 4 種測試方法做出對比分析。

1）現(xiàn)場受限狀況。與熱流計法、熱箱法、非穩(wěn)態(tài)法相比，紅外熱像儀法可對紅外輻射信號進行接收。但從實際應(yīng)用狀況來看，難以獲取到比較完善的圍護結(jié)構(gòu)紅外發(fā)射率數(shù)據(jù)，因此該測試方法最容易受到局限。

2）攜帶的方便性。紅外熱像儀與熱流計體積不大，最易于攜帶，而熱箱不僅沉重而且需要占用較多的空間，需要配備專門的運輸工具，因此在 4 種方法中，熱箱法所用的測試設(shè)備最不易于攜帶。

3）測試時間。盡管熱流計使用的檢測儀器最便于攜帶，但與熱箱法、非穩(wěn)態(tài)法、紅外熱像儀法相比，它的最大弊端表現(xiàn)在需耗用最多的檢測時間。

4）外部環(huán)境的影響。相比其他 3 種測試方法，熱流計法適用于室內(nèi)外溫差較大的環(huán)境，其主要應(yīng)用對象為冬季供暖的建筑物。由于熱箱內(nèi)部的恒溫環(huán)境可通過人為設(shè)置，因此幾乎不受外部環(huán)境的影響。

建筑圍護結(jié)構(gòu)不僅能夠蓄存較多熱容量，而且在熱能傳導(dǎo)過程中還具有明顯的遲滯特征。對于這種物體，任何一種傳熱系數(shù)檢測方法都不能做到既不受環(huán)境的影響，還能夠被方便且快速地操作。若要使測試儀器便于攜帶，并使測試時間、空氣濕度、空氣溫度、大氣流速等因素的影響降低到最小化，只有做出更進一步的研究。盡管通過空調(diào)制冷，可使室內(nèi)在夏季出現(xiàn)較大的溫差，但由于該季節(jié)晝夜溫差較大，仍然不適宜使用熱流計法。總的來說，要想使我國建筑節(jié)能工作取得明顯成效，有必要研制出能同時滿足環(huán)境要求低、測試時間短、便于攜帶等條件的新型檢測方式。

1.6 新型建筑維護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測裝置

為了對當(dāng)前的檢測技術(shù)進行改進，吳培浩等學(xué)者對熱箱法、熱流計法進行了充分融合，從而發(fā)明出一種新型的測試裝置（見圖6）。該裝置由五個部分構(gòu)成，即熱流計、溫差產(chǎn)生設(shè)備、溫差控制線、熱電偶以及用于獲取溫度和熱流的數(shù)據(jù)采集設(shè)備［6］。

圖6 新型測試裝置示意圖

相比于常用的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測技術(shù)，該測試裝置表現(xiàn)出 4 種優(yōu)勢。

1）加熱面為圓形，具有對稱性，實現(xiàn)了從假設(shè)中的“一維傳熱”到“二維傳熱”的轉(zhuǎn)變。為了精準(zhǔn)獲知墻體的熱流，在截面中心配置了熱流計。

2）數(shù)據(jù)采集設(shè)備使熱流密度、溫度等技術(shù)數(shù)據(jù)保持了連續(xù)性。

3）利用溫差產(chǎn)生設(shè)備，使新裝置具備了互換方便的加熱、制冷兩種功能，有效降低了環(huán)境、季節(jié)等因素對測試方法的影響。

4）整套裝置便于安裝，且無需占用較多空間；既能夠快速制冷或加熱又節(jié)省用電，使用成本較低［7］。

2 檢測方法研究展望

隨著時代的發(fā)展，建筑節(jié)能問題引起了世界各國的普遍關(guān)注，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者均做出了分析與探究。我國對建筑節(jié)能的研究相對滯后，然而經(jīng)過多年的努力，有關(guān)建筑節(jié)能改造的制度、方案、標(biāo)準(zhǔn)等已經(jīng)明顯趨于規(guī)范。

對建筑節(jié)能檢測的方法、過程進行分析，能夠為實例工程分析提供理論支撐和技術(shù)支持。采用熱流計法和紅外熱像儀相結(jié)合的方法，來分析所檢測的民用建筑的能耗與節(jié)能情況，能夠切實提高熱流計法節(jié)能檢測的效率，且因其測點數(shù)量較少，能夠?qū)ㄖ镞M行大面積節(jié)能檢查。

為了更好地完成建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的檢測工作，在提升民用建筑檢測技術(shù)水平的前提下，需要對當(dāng)前能耗檢測的管理制度進行“頂層設(shè)計”，從管理和體制上確保監(jiān)測管理制度能夠生根發(fā)芽并茁壯成長，如何進行有效的制度安排，需要從理論上進行進一步的探討。

3 結(jié) 語

當(dāng)前，針對建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的檢測，很多國內(nèi)外學(xué)者運用傅里葉定律做出了進一步探究，創(chuàng)建了諸多新型檢測方式，并在實驗或模擬中得到了驗證。盡管如此，傅里葉定律只適用于一維傳熱的穩(wěn)態(tài)環(huán)境，現(xiàn)實中的測試環(huán)境不是一成不變的，熱量在空間中的散發(fā)也是多維的。對于我國而言，選用準(zhǔn)確度高、測試時間短且對測試環(huán)境要求不高的傳熱系數(shù)檢測方法，才有助于我國建筑節(jié)能工作落到實處。但這種方式如何獲得，值得人們?nèi)ド羁趟妓鳌?/p>