一種新型墻體熱工檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究

石虬 鄒鉞 許潔

1東華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系

2艾奕康咨詢(xún)（深圳）有限公司上海分公司

0 引言

隨著建筑節(jié)能事業(yè)蓬勃發(fā)展，建筑節(jié)能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的重要性日益突出，建筑外墻導(dǎo)熱系數(shù)更是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的重要組成部分。針對(duì)建筑外墻導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外常用的檢測(cè)方法有：熱流計(jì)法[1]、熱箱法[2]，前者對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，測(cè)試只能在采暖期進(jìn)行，在南方進(jìn)行建筑外墻檢測(cè)比較困難；后者比較笨重，不適合戶外測(cè)試，測(cè)試成本高。本文主要目的是研究一種能在南方進(jìn)行墻體導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)且易于實(shí)施的測(cè)試方法，并利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證此方法的可行性和精確度。

1 新型墻體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

考慮到熱流計(jì)和熱箱法均有局限性，在南方進(jìn)行測(cè)試比較困難，本文作者通過(guò)對(duì)熱流計(jì)法和熱箱法的局限性進(jìn)行分析，提出了新型墻體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，分為測(cè)試部分和數(shù)據(jù)分析部分。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)流程圖

1.1 測(cè)試部分

測(cè)試流程和現(xiàn)場(chǎng)布置分別如圖1和圖2所示。

圖2 測(cè)試裝置布置圖

此測(cè)試方法基于熱流計(jì)法，利用加熱裝置控制被測(cè)墻體外側(cè)溫度，使其遠(yuǎn)高于墻內(nèi)側(cè)溫度，由此給予熱流計(jì)一個(gè)較穩(wěn)定的熱流。

1.2 數(shù)據(jù)分析部分

數(shù)據(jù)處理上利用基于動(dòng)態(tài)分析理論[3]編制的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，動(dòng)態(tài)分析法針對(duì)了墻體的熱惰性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式將衰減因子以及延遲系數(shù)兩個(gè)概念加入數(shù)據(jù)分析中，優(yōu)點(diǎn)是能在較短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出墻體導(dǎo)熱系數(shù)，且精確度較高，測(cè)試時(shí)間達(dá)到3天即可得到較可靠的墻體熱阻值。

本系統(tǒng)理論上不受季節(jié)地域限制，縮短了測(cè)試時(shí)間，極大提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可行性。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

為驗(yàn)證此新型系統(tǒng)在墻體導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的可行性和精確度，將此系統(tǒng)與熱流計(jì)法分別對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)墻體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)在廣州，測(cè)試時(shí)間為：熱流計(jì)法在5月份進(jìn)行測(cè)試，新型方法在7月份進(jìn)行測(cè)試。熱流計(jì)法對(duì)一堵280mm厚保溫墻進(jìn)行測(cè)試，新型方法分別對(duì)一堵225mm厚未保溫墻和一堵260mm厚保溫墻進(jìn)行測(cè)試，熱流計(jì)法測(cè)試周期選擇為96h[3]，新型測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試周期選擇為72h[4]。

2.1 熱流計(jì)法測(cè)試

熱流計(jì)法測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 熱流計(jì)法測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖3可以看出：熱流計(jì)法測(cè)試處于自然氣象狀態(tài)下時(shí)，墻內(nèi)外側(cè)溫差較小，室外溫度波動(dòng)幅度較大情況下，無(wú)法保證外墻壁溫度始終高于內(nèi)墻壁溫度，墻體內(nèi)部分區(qū)域的熱流可能反向流動(dòng)，無(wú)法保證測(cè)試期間墻體熱流的單向流通，所測(cè)得熱流由此不能完全反應(yīng)出墻體的導(dǎo)熱性能，熱阻計(jì)算時(shí)可能由此產(chǎn)生極大誤差。

熱流計(jì)法測(cè)試開(kāi)始1天后，室內(nèi)環(huán)境基本達(dá)到穩(wěn)定，將穩(wěn)定后的測(cè)試數(shù)據(jù)運(yùn)用算術(shù)平均法進(jìn)行計(jì)算得出：墻體導(dǎo)熱系數(shù)為 1.271W/(m2·K)，此墻體由標(biāo)準(zhǔn)《外墻外保溫建筑構(gòu)造》[5]和標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)為 =0.97W/(m2·K)，測(cè)試熱阻值比理論值偏小，誤差為31%，由此可看出，在南方自然氣象狀態(tài)下，室內(nèi)外溫差比較小時(shí)，熱流計(jì)法誤差比較大，并不適用于墻體熱工測(cè)試。

2.2 新型檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

將新型測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)一堵225mm厚未保溫墻和一堵260mm厚保溫墻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試在7月進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為72h。新型檢測(cè)系統(tǒng)部分測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 新型方法部分測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 與圖4對(duì)比可以很明顯地看出新型方法中，經(jīng)過(guò)局部加熱控制，墻兩側(cè)溫度波動(dòng)幅度相較于不經(jīng)加熱控制的墻兩側(cè)溫度波動(dòng)要小很多，且墻兩側(cè)溫差高達(dá)15℃，由此測(cè)試受環(huán)境溫度變化影響小，更利于墻體傳熱達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)墻體的熱流能良好反應(yīng)出墻體導(dǎo)熱性能，減小了熱阻計(jì)算的誤差。

2.2.1 未保溫墻數(shù)據(jù)分析

測(cè)試時(shí)間為6月26日16時(shí)至6月29日16時(shí)，墻體一側(cè)處于加熱狀態(tài)，墻體另一側(cè)熱流計(jì)測(cè)得熱流為負(fù)，加熱4h即6月26日20時(shí)熱流開(kāi)始為正值，表示墻體開(kāi)始有熱流從墻體加熱側(cè)流向墻體另一側(cè)，因此測(cè)試有效數(shù)據(jù)段選取4～72h這段時(shí)間，數(shù)據(jù)分析間隔為6h。動(dòng)態(tài)分析法與算術(shù)平均法分別對(duì)4h至72h所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得如圖5。

圖5 未保溫墻數(shù)據(jù)

圖5 中，采用動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算傳熱系數(shù)值為1.53W/(m2·K)與0.76W/(m2·K)時(shí)所選取的數(shù)據(jù)段分別為：6月 26日 20時(shí)至 6月 27日 20時(shí)、6月 26日 20時(shí)至6月28日20時(shí)，此兩段數(shù)據(jù)段最初始熱流值均為0，所計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)不能反映出墻體真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)值，因此將這兩段數(shù)據(jù)排除，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析法均值和算術(shù)平均法均值計(jì)算。得出結(jié)果為：動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算傳熱系數(shù)均值為1.39W/(m2·K)，算數(shù)平均法傳熱系數(shù)計(jì)算為1.24W/(m2·K)，算數(shù)平均法比動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算值偏小10.7%。

兩種計(jì)算方法在不同測(cè)試時(shí)間下計(jì)算出墻體導(dǎo)熱系數(shù)與實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)之間的誤差由于剛開(kāi)始?jí)w正處于加熱狀態(tài)，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，選擇所有數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，算數(shù)平均法數(shù)據(jù)偏小，而動(dòng)態(tài)分析法數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定。這也是采用算數(shù)平均法時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，待墻體傳熱穩(wěn)定之后選取測(cè)量數(shù)據(jù)的原因。而采用動(dòng)態(tài)分析法可以在短時(shí)間內(nèi)，得到一個(gè)墻體誤差相對(duì)較小的墻體熱阻。

測(cè)試值與理論值對(duì)比：此225mm厚度未保溫墻理論導(dǎo)熱系數(shù)為1.357W/(m2·K)，動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算值與理論值偏差為2%，導(dǎo)熱系數(shù)比理論值偏大，算術(shù)平均法計(jì)算值與理論值偏差為8.6%，導(dǎo)熱系數(shù)比理論值偏小。

此計(jì)算結(jié)果表明動(dòng)態(tài)分析法應(yīng)用于短時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中時(shí)計(jì)算出熱阻值能較好反應(yīng)出墻體真實(shí)熱阻。

2.2.2 保溫墻數(shù)據(jù)分析

測(cè)試時(shí)間為6月29日18時(shí)至7月2日18時(shí)，有效數(shù)據(jù)時(shí)間段的選取原則同上，6月30日0時(shí)熱流計(jì)讀數(shù)開(kāi)始由負(fù)值變?yōu)?，因此選取6～72h這段時(shí)間為有效數(shù)據(jù)時(shí)間段。分別用動(dòng)態(tài)分析法與算數(shù)平均法對(duì)6～72h所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得如圖6。

圖6中，采用動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)值為1.5W/(m2·K)與0.99W/(m22·K)時(shí)所選取的數(shù)據(jù)段分別為：6月30日0時(shí)至7月1日0時(shí)、6月 30日 0時(shí)至7月2日0時(shí)，此兩段數(shù)據(jù)段最初始熱流值均為0，所計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)明顯不能反映出墻體真實(shí)導(dǎo)熱系數(shù)值，因此將這兩段數(shù)據(jù)排除，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析法均值和算術(shù)平均法均值計(jì)算。得出結(jié)果為：動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算傳熱系數(shù)為1.35W/(m2·K)，算數(shù)平均法傳熱系數(shù)計(jì)算為1.27W/(m2·K)，算數(shù)平均法比動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算值偏小6.2%。

圖6 保溫墻數(shù)據(jù)

測(cè)試值與理論值對(duì)比：由標(biāo)準(zhǔn)《外墻外保溫建筑構(gòu)造》[5]和標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]計(jì)算出此墻體導(dǎo)熱系數(shù)為1.05W/(m2·K)。動(dòng)態(tài)分析法計(jì)算值比理論值偏大28%，算術(shù)平均法計(jì)算值比理論值偏大20.9%，兩種計(jì)算方法由于與理論值偏差過(guò)大需要尋找誤差產(chǎn)生原因。

此誤差產(chǎn)生原因：由于此保溫墻砌成時(shí)間僅20天，未達(dá)到墻體砌成后需風(fēng)干30天以上的規(guī)定。在測(cè)試過(guò)程和測(cè)試結(jié)束后，加熱面密封膠帶和熱流計(jì)側(cè)均有大量水珠凝結(jié)，以上現(xiàn)象均表明此保溫墻含水量過(guò)大。一般材料在相對(duì)濕度小于40%的情況下，熱導(dǎo)率不受環(huán)境濕度影響。常用的高效保溫材料如苯板、擠塑板，當(dāng)濕度較大時(shí)，熱導(dǎo)率提高。對(duì)于吸水率較大的泡沫混凝土和吸濕性較大的脲醛樹(shù)脂泡沫，受濕度影響較大，當(dāng)相對(duì)濕度將近100%時(shí)，熱導(dǎo)率分別提高73%和71%[7]。本次測(cè)試墻體主體部位均采用混凝土砌塊，導(dǎo)熱系數(shù)受濕度影響較大，導(dǎo)致墻體實(shí)際熱阻減小，實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)增大，因此測(cè)試結(jié)果均與理論值偏差很大，且計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值。

采取措施：等此墻體暴露于空氣中風(fēng)干一定時(shí)間后，需對(duì)墻體再次進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻大小并不能僅依據(jù)理論值來(lái)判斷，施工質(zhì)量不同對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻影響非常大，因此現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)仍有必要。

現(xiàn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻檢測(cè)方法各有局限性，極大阻礙了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的進(jìn)行。通過(guò)對(duì)現(xiàn)行檢測(cè)方法研究和實(shí)驗(yàn)，提出以上新型熱阻檢測(cè)方法，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其可行性和準(zhǔn)確性，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了新思路。

在南方進(jìn)行建筑外墻導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)本方法全季節(jié)適用，解決了在南方進(jìn)行墻體導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試難的問(wèn)題。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)不僅需要考慮到周?chē)沫h(huán)境因素，同時(shí)還要考慮到墻體本身的物理特性是否符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，墻體含濕量對(duì)墻體傳熱系數(shù)影響尤其巨大。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻檢測(cè)需要大量的科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)做基礎(chǔ)，本方法僅針對(duì)幾種類(lèi)型的墻體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并不能充分反映出此方法的適用性和準(zhǔn)確性，仍需對(duì)大量不同墻體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步完善和發(fā)展。

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[6]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)(JGJ26-95)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995

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