建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的誤差分析

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(yàn)項(xiàng)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(hù)結(jié)構(gòu)主體部位的傳熱系數(shù)、建筑圍護(hù)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(yàn)、建筑年能耗等[1－4]。在這些項(xiàng)目中，最為重要也最難以檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)方法有2種[6－12]，一種是熱流計(jì)法，一種是熱箱法。熱流計(jì)法的應(yīng)用時(shí)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(shí)際應(yīng)用的情況來看，熱流計(jì)法可應(yīng)用的地區(qū)和時(shí)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(cè)得的結(jié)果較為準(zhǔn)確，即只適合在北方地區(qū)的冬天進(jìn)行測(cè)量，在其它時(shí)間和其它地區(qū)其所測(cè)得的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)20%以上[2]，結(jié)果的可信度低，不能作為工程檢驗(yàn)的依據(jù)。究其原因，熱流計(jì)法以穩(wěn)態(tài)傳熱的原理作為其檢驗(yàn)依據(jù)，而在實(shí)際情況中，由于天氣變化的影響，建筑外墻很難達(dá)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(cè)量過程中的儀器誤差和測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響增大。因此一些研究者研究用熱箱現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圍護(hù)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(cè)量誤差，當(dāng)熱箱位于墻體外表面時(shí)，熱箱又可有效屏蔽天氣變化對(duì)被測(cè)區(qū)域傳熱的影響，使被測(cè)墻體接近于穩(wěn)態(tài)傳熱。但是這樣做也有2個(gè)缺點(diǎn)：1)雖然被測(cè)區(qū)域接近于穩(wěn)態(tài)傳熱，但是邊緣部分仍然不能達(dá)到穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)仍有一定的波動(dòng)；2)由于被測(cè)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(cè)試結(jié)果比真實(shí)值大。

根據(jù)項(xiàng)目的要求，針對(duì)以上情況，提出了采用熱箱加熱流計(jì)檢測(cè)外墻傳熱系數(shù)的方法，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬的方法研究了其測(cè)量過程中的誤差，以期對(duì)檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)提出指導(dǎo)。

1 檢測(cè)方法的檢測(cè)原理

在用熱箱檢驗(yàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)時(shí)，雖然被檢測(cè)邊緣區(qū)域很難達(dá)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(duì)被測(cè)區(qū)域傳熱的影響，以熱流計(jì)和溫度傳感器檢測(cè)中心部位的溫度和熱流，就能得到穩(wěn)定的檢測(cè)結(jié)果。圖1為新型熱箱法檢測(cè)的示意圖。

圖1 熱箱法示意圖

此檢測(cè)方法中影響檢測(cè)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(jì)算機(jī)模擬的方法計(jì)算出。應(yīng)用新型熱箱法檢測(cè)墻體傳熱系數(shù)時(shí)，所需要檢測(cè)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(jì)所測(cè)得的熱流，根據(jù)3個(gè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出外墻傳熱系數(shù)。在傳熱過程的計(jì)算機(jī)模擬中，可以獲得兩個(gè)傳熱系數(shù)值。第1個(gè)值是材料的真實(shí)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(gè)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(cè)量”值，即模擬測(cè)量過程所得到的。將這個(gè)“測(cè)量”值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，可以計(jì)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(gè)“誤差系數(shù)”。誤差系數(shù)越接近于1，測(cè)量值與真實(shí)值越接近，誤差越小，否則，誤差越大。通過這個(gè)誤差系數(shù)，可以評(píng)價(jià)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(jì)算公式

根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱原理，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)：

式中R0為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻，m2·K／W；為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面平均溫度，℃；θi為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面平均溫度，℃；ˉq為通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流強(qiáng)度，W／m2；αe為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，αi為外圍護(hù)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(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)模擬的條件設(shè)定

采用ANSYS 10.0對(duì)圖1中所示方法的測(cè)量過程進(jìn)行了模擬，分析各種條件對(duì)誤差系數(shù)的影響。

在熱箱尺寸相對(duì)于墻體厚度足夠大時(shí)，墻體內(nèi)外的溫差對(duì)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(jì)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(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.22W／m·K，密度為500kg／m3時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.19W／m·K，根據(jù)研究的需要，在模擬中對(duì)灰砂磚進(jìn)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(duì)于誤差系數(shù)有顯著的影響。在熱箱尺寸較小時(shí)，誤差系數(shù)較大，而熱箱尺寸大到一定程度時(shí)，誤差系數(shù)已經(jīng)接近于1，測(cè)量值與真實(shí)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(duì)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(duì)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(shí)際測(cè)量中熱箱內(nèi)空氣溫度對(duì)于測(cè)試結(jié)果還是有一定影響，因?yàn)闊嵯鋬?nèi)溫度提高后，通過墻體的熱流值增大，儀器誤差對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響降低。

表1 熱箱內(nèi)空氣溫度對(duì)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(duì)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(chǎng)檢測(cè)中，熱箱尺寸的選擇對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有著直接的影響，對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)檢測(cè)傳熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量選擇較大尺寸的熱箱，減小側(cè)向熱流對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。由以上的分析來看，對(duì)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(shí)，側(cè)向熱流引起的誤差已經(jīng)在1%以下，測(cè)量結(jié)果的精度得到較大的提高。

表3 墻體構(gòu)造對(duì)誤差系數(shù)的影響

5 新型熱箱法的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)

為檢測(cè)新型熱箱法的實(shí)際效果，自制了邊長1.5m的熱箱(由于實(shí)驗(yàn)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)按圖1所示方法對(duì)24cm厚700級(jí)加氣混凝土＋30mm苯板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前在JTRG－Ⅰ型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能檢測(cè)熱箱中對(duì)相同結(jié)構(gòu)砌體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。檢測(cè)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(shí)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)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(yàn)在一間有大窗戶的房間中進(jìn)行，房間中砌3m×3m砌體，同時(shí)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(chǎng)檢測(cè)砌體時(shí)盡量在測(cè)量部位用實(shí)驗(yàn)室熱箱檢測(cè)所用加氣混凝土砌塊。試驗(yàn)于2007年4月12日至15日進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)熱箱對(duì)砌體室外側(cè)進(jìn)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(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度及熱流值由JTRG－Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)記錄。圖3顯示了新型熱箱法檢測(cè)過程中穩(wěn)定后的溫度和熱流值，表4是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室熱箱檢測(cè)的砌體熱阻值對(duì)比。圖3和表4結(jié)果表明，新型熱箱法檢測(cè)過程中墻體表面溫度和熱流值穩(wěn)定，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)，而且檢測(cè)結(jié)果的精度較好。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中的墻面溫度與熱流

表4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(cè)精度的重要因素，對(duì)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(duì)于檢測(cè)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(duì)于武漢市常用墻體構(gòu)造，熱箱邊長在1.8m時(shí)可基本消除側(cè)向熱流對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響。

4)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，新型熱箱法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差小，與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值的偏差在10%以內(nèi)。

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