郜晶

（山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

近些年我國(guó)建筑行業(yè)飛速發(fā)展，與此同時(shí)國(guó)家推出一系列能源改革計(jì)劃，從而使得建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能狀況受到了社會(huì)的普遍關(guān)注，很多學(xué)者為此進(jìn)行探究與分析，所發(fā)明的節(jié)能技術(shù)有些幾乎接近國(guó)際一流水準(zhǔn)。盡管一系列節(jié)能研究工作正在廣泛開(kāi)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(guān)而公正地評(píng)價(jià)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(wèn)題還需要進(jìn)一步深入研究。針對(duì)建筑節(jié)能，我國(guó)住建部曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)專(zhuān)項(xiàng)檢查活動(dòng)，并且指出務(wù)必不斷提高檢測(cè)技術(shù)。因此，選用合理、有效、簡(jiǎn)便的測(cè)試手段，將有助于推動(dòng)我國(guó)建筑節(jié)能工作更好更快地發(fā)展。

1 檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的方法

對(duì)建筑節(jié)能進(jìn)行審核驗(yàn)收時(shí)，關(guān)鍵是要檢查其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是否合乎標(biāo)準(zhǔn)，而這需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方能得知。在此方面自20 世紀(jì)80 年代起，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者便陸續(xù)展開(kāi)研究，并研制多種檢測(cè)儀器，創(chuàng)建多種檢測(cè)方式。當(dāng)前，業(yè)界普遍采用以下4種方式對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[1]。

2 熱流計(jì)法

熱流計(jì)法是目前較為常見(jiàn)且被大家接受的測(cè)試方法，測(cè)試原理見(jiàn)圖1，主要是用熱流計(jì)測(cè)得通過(guò)被測(cè)墻體的熱流量q，同時(shí)測(cè)得墻體兩側(cè)的溫度tn和tW，如公式（1）所示：

圖1 熱流計(jì)法測(cè)試原理

式中：R 為墻體熱阻；Ri、Re分別為墻體內(nèi)外表面對(duì)流換熱熱阻；K 為墻體傳熱系數(shù)。

由式（1）可計(jì)算出墻體的熱阻，從而得到傳熱系數(shù)。熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它是根據(jù)熱電效應(yīng)和溫度梯度的原理制成。

圖2 熱流計(jì)構(gòu)造

在測(cè)試時(shí)，要選擇至少連續(xù)穩(wěn)定供暖4d 的房間，也可人為地使室內(nèi)外的溫差保持恒定，同時(shí)，關(guān)于測(cè)點(diǎn)要盡量選擇熱工性能穩(wěn)定的位置，避開(kāi)受環(huán)境影響較大的地方。欲使該方法的測(cè)試誤差降低，就要增大室內(nèi)外的溫差，一般情況下，此溫差必須在20℃以上，但是，受季節(jié)變化影響很大。盡管如此，國(guó)內(nèi)外諸多國(guó)家仍采用該方法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，且在國(guó)標(biāo)中詳細(xì)地規(guī)定了關(guān)于熱流計(jì)法的規(guī)格與操作方法。近幾年太原對(duì)既有住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造，其中外墻和屋面的傳熱系數(shù)檢測(cè)采用的就是熱流計(jì)法，為節(jié)能改造效果提供依據(jù)。

3 熱箱法

熱箱法強(qiáng)調(diào)了不同于熱流計(jì)法的測(cè)試?yán)砟?，即假設(shè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)只存在“一維傳熱”，當(dāng)計(jì)量箱內(nèi)的熱度處于恒定不變狀態(tài)時(shí)，可將計(jì)量箱的加熱量視為通過(guò)被測(cè)墻體的導(dǎo)熱量。運(yùn)用如公式（2），可求出K 值——被測(cè)墻體的傳熱系數(shù)。

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

防護(hù)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(dá)了這兩種計(jì)量箱的結(jié)構(gòu)原理圖。美國(guó)通常運(yùn)用防護(hù)熱箱法來(lái)測(cè)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。在圖3 中，試件即為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)的熱量被傳輸?shù)接?jì)量箱的加熱絲上。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(duì)這些因素合理控制，有助于提高對(duì)被測(cè)件傳熱系數(shù)的測(cè)量精度。

通過(guò)分析可以得知，實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，熱量并沒(méi)有完全從墻體中通過(guò)，一部分熱量通過(guò)墻體表面發(fā)散到周?chē)臻g。有些測(cè)定方法通常將加熱絲接收的熱量視為通過(guò)墻體的熱量，測(cè)定結(jié)果出來(lái)后，往往需要對(duì)其加以修正。但標(biāo)定熱箱法可對(duì)通過(guò)被測(cè)件的熱量和散發(fā)到空氣中的熱量進(jìn)行標(biāo)定，從而獲得比較精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果，這也是標(biāo)定熱箱法的由來(lái)。

以上兩種檢測(cè)方法的共同優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：對(duì)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(duì)濕度＜60%、溫度平均值低于25℃時(shí)，即可進(jìn)行操作。盡管這些條件并不難以實(shí)現(xiàn)，但熱箱法在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用還不夠廣泛，這是由于其受到三種因素的限制：①設(shè)備安裝比較復(fù)雜；②現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的適用對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室；③不能通過(guò)測(cè)試手段來(lái)獲知熱橋部位的狀況。

圖3 防護(hù)熱箱法原理

4 非穩(wěn)態(tài)法

在非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法中功率平面熱源法比較常見(jiàn)，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，將一恒定熱源放在墻體的內(nèi)側(cè)，來(lái)加熱墻體。墻體的傳熱系數(shù)是通過(guò)仿真軟件對(duì)熱電偶記錄的溫度進(jìn)行分析計(jì)算而得到的。位于圖5 左側(cè)圖中的絕熱層由5 層材料組成，其中金屬板和加熱板分別均勻的布置在絕熱層的兩側(cè)，使絕熱層兩側(cè)的溫度能夠保持相等，從而保證了墻體受熱均勻穩(wěn)定。A 與D 是位于墻體內(nèi)外兩表面的熱電偶，用來(lái)測(cè)試并記錄溫度，然后利用仿真分析軟件建立傳熱模型，并從測(cè)試數(shù)據(jù)建立邊界條件，通過(guò)分析計(jì)算得出墻體傳熱系數(shù)。

圖4 標(biāo)定熱箱法原理

圖5 常功率平面熱源檢測(cè)原理

由其測(cè)試原理可知，非穩(wěn)態(tài)法在應(yīng)用中不易受室外空氣流動(dòng)與溫度波動(dòng)的影響，而且實(shí)際測(cè)試的時(shí)間也可以縮短，提高工作效率。但是這種方法尚未開(kāi)發(fā)完善的設(shè)備，同時(shí)需要有精密準(zhǔn)確的系統(tǒng)編程和成熟的仿真軟件，對(duì)測(cè)試全過(guò)程的技術(shù)性具有很高的要求，而且還要大量可靠數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性。因此用這種方法大規(guī)模地進(jìn)行傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)還有較長(zhǎng)的路要走。

5 紅外熱像儀法

非接觸測(cè)試方式是紅外熱像儀法的顯著特征，其應(yīng)用原理為：對(duì)墻體表面發(fā)射的紅外輻射信號(hào)通過(guò)紅外熱像儀進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度場(chǎng)。在建筑節(jié)能改造的過(guò)程中，以建筑外墻為目標(biāo)對(duì)象，運(yùn)用紅外熱像儀可測(cè)得該圍護(hù)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(rèn)為，這種方法的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為定性分析，不適用于定量分析，因此在現(xiàn)實(shí)中要想得到廣泛使用，還需要作出進(jìn)一步研究。

6 新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置

為了對(duì)當(dāng)前的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，吳培浩[2]等學(xué)者對(duì)熱箱法、熱流計(jì)法進(jìn)行了充分融合，從而發(fā)明出一種新型的測(cè)試裝置，示意圖如圖6 所示。該裝置由五個(gè)部分構(gòu)成，即熱流計(jì)、溫差產(chǎn)生設(shè)備、溫差控制線(xiàn)、熱電偶以及用于獲取溫度和熱流的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

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

（1）加熱面為圓形，具有對(duì)稱(chēng)性，實(shí)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(jì)。

（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，使新裝置具備互換方便的加熱、制冷兩種功能，有效降低環(huán)境、季節(jié)等因素對(duì)測(cè)試方法的影響。

（4）整套裝置便于安裝，且無(wú)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。

圖6 新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置

7 結(jié)論

受多種因素影響，不同地區(qū)不同建筑的傳熱現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，所使用的技術(shù)不同，相關(guān)人員要根據(jù)所在地的實(shí)際情況選用最佳的檢測(cè)技術(shù)。