雙面熱流計(jì)法測(cè)定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)研究

摘要：我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展伴隨著巨大的能源消耗與環(huán)境污染，隨著綠色環(huán)保可持續(xù)觀念的深入人心，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今各行各業(yè)的重心所在。在建筑行業(yè)中，也逐漸推行建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)，甚至需要進(jìn)行建筑節(jié)能改造。文章以雙面熱流計(jì)法作為測(cè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)方法進(jìn)行研究，希望能夠提高我國(guó)建筑節(jié)能改造水平，降低我國(guó)建筑能耗。

關(guān)鍵詞：建筑工程；節(jié)能改造；圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；雙面熱流計(jì)法；建筑能耗 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU502 文章編號(hào)：1009-2374（2016）13-0026-02 DOI：10.13535/j.cnKi.11-4406/n.2016.13.013

現(xiàn)階段，我國(guó)既有建筑房屋數(shù)量龐大，并且由于之前建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與建設(shè)尚未普及，在這些既有建筑房屋中，很少有建筑節(jié)能功能，因此這些建筑必然會(huì)造成大量的能源消耗。與近些年的新建節(jié)能建筑相比較，尚未采取節(jié)能功能的建筑占據(jù)了大多數(shù)，要想實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，必須要對(duì)既有建筑進(jìn)行改造，才能大幅度地降低全國(guó)建筑能耗。在我國(guó)建筑行業(yè)中，建筑節(jié)能的實(shí)現(xiàn)不僅是進(jìn)行新建建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)與建造，還包括對(duì)既有建筑的節(jié)能改造。在建筑節(jié)能改造中，需要根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)來(lái)進(jìn)行，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的測(cè)定是建筑節(jié)能改造的關(guān)鍵所在。

1 建筑節(jié)能改造及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定方法

1.1 建筑節(jié)能改造內(nèi)容

在進(jìn)行既有建筑節(jié)能改造的時(shí)候，必須要詳細(xì)調(diào)查現(xiàn)有建筑的基本情況，不但要對(duì)建筑的建造時(shí)間以及建筑的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的調(diào)查，還要建立數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行當(dāng)?shù)亟ㄖ嚓P(guān)數(shù)據(jù)資料的收錄，如此一來(lái)在進(jìn)行建筑節(jié)能改造時(shí)，便能從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)從而提供數(shù)據(jù)方面以及技術(shù)上的支持。本文主要從圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行論述，因此在調(diào)查建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能時(shí)，可以從如下三點(diǎn)來(lái)進(jìn)行：一是進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)文件的收集，詳細(xì)了解建筑的各方面情況；二是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙，將建筑物的耗熱量指標(biāo)以及各種熱工性能指標(biāo)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；三是進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，進(jìn)行建筑現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能檢測(cè)一方面可以對(duì)新建建筑節(jié)能性進(jìn)行評(píng)價(jià)，另一方面還能將現(xiàn)有建筑傳熱的實(shí)際情況測(cè)定出來(lái)，從而能夠?qū)⒔ㄖ?jié)能改造方案設(shè)計(jì)得更為科學(xué)合理。從這個(gè)方面來(lái)看，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系統(tǒng)在建筑節(jié)能改造中起到了極為重要的作用。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的測(cè)定方法

目前為止，防護(hù)熱箱法、常功率平面熱源法、單面熱流計(jì)法、雙面熱流計(jì)法以及熱箱法標(biāo)定熱箱法是五種較為常用的測(cè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的方法。這五種方法在使用過程中，都存在一定的局限性，或者操作較為復(fù)雜。熱箱法是一種較為成熟的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法，在國(guó)際以及國(guó)內(nèi)都有相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，熱箱法的測(cè)定不會(huì)受到季節(jié)的影響，但關(guān)鍵的是消除測(cè)試誤差。而雙面熱流計(jì)法是一種操作簡(jiǎn)單方便，卻能夠不受溫度熱流不一致的影響的測(cè)定方法。本文以雙面熱流計(jì)法作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的主要測(cè)定方法進(jìn)行研究，為現(xiàn)有建筑的節(jié)能改造提供參考。

2 建筑節(jié)能改造中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 測(cè)試對(duì)象概況

既有建筑物測(cè)試對(duì)象選擇北京海淀區(qū)某建筑樓，測(cè)試的房屋選擇東西朝向的5樓房屋，將測(cè)試點(diǎn)布置在北向一間房間的北面外墻上，此外墻的構(gòu)造是內(nèi)表面為水泥砂漿，中層為陶粒混凝土，外表面為水泥砂漿，最外層是防水涂料。

2.2 雙面熱流計(jì)法測(cè)定

從熱阻計(jì)算公式R=中可以得知，墻體的熱阻值R是可以計(jì)算出來(lái)的，主要是通過對(duì)外墻內(nèi)外表面的溫差值t進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)外墻的熱流值q就能夠計(jì)算出來(lái)。

其中，銅康銅熱電偶是用來(lái)進(jìn)行外墻內(nèi)外表面的溫差值測(cè)量的主要工具，而熱流值則是使用熱流計(jì)測(cè)出來(lái)的。在進(jìn)行溫度值以及熱流值測(cè)量過程中，需要注意兩個(gè)問題：一是在測(cè)量溫度值以及熱流值的過程中，墻體的傳熱不夠穩(wěn)定，在實(shí)際測(cè)量方面溫度波會(huì)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，因此兩者在時(shí)間上并不是相吻合的；二是墻體具有蓄熱的作用，由外表面進(jìn)入墻體內(nèi)部的熱流值，與同一時(shí)刻由墻體內(nèi)部流過內(nèi)表面的熱流并不一致。利用雙面熱流計(jì)法來(lái)進(jìn)行墻體熱阻的測(cè)量，就能夠避免出現(xiàn)上述兩個(gè)問題。

測(cè)試過程如下：需要用到兩個(gè)銅康銅熱電偶，分別置于墻體內(nèi)外表面上，并且將DC100數(shù)據(jù)采集儀與兩個(gè)銅康銅熱電偶相聯(lián)系，進(jìn)行墻體內(nèi)外表面溫度值的測(cè)量。另外需要兩個(gè)熱流計(jì)，同樣置于墻體內(nèi)外表面，與數(shù)據(jù)采集儀相連接，進(jìn)行墻體內(nèi)外表面熱流值的測(cè)量。在這個(gè)過程中假設(shè)作用于外墻的溫度波是呈周期性變化的簡(jiǎn)諧波，可大致算出溫度波的延遲時(shí)間為7.2小時(shí)。因此為避免溫度波時(shí)間延遲所帶來(lái)的影響，測(cè)試的時(shí)間需要比延遲時(shí)間長(zhǎng)。本次測(cè)試采集了11天內(nèi)的數(shù)值求平均值，測(cè)試時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于延長(zhǎng)時(shí)間。除此之外，為了確保墻體熱流值的準(zhǔn)確性，可以利用通過墻體內(nèi)、外表面的熱流的平均值代替。

2.3 數(shù)據(jù)處理

i時(shí)刻墻體內(nèi)、外表面的溫差值為：Δti=ti1-ti2

整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)的溫差平均值為：

i時(shí)刻通過墻體的熱流為：qi=（qi1+qi2）

整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)通過墻體的熱流平均值為：

式中：時(shí)刻墻體外表面的溫度值用til表示；時(shí)刻墻體外表面的溫度值用ti2表示；時(shí)刻通過墻體外表面熱流值用qi1表示；時(shí)刻通過墻體內(nèi)表面熱流值用qi2表示；整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)的時(shí)間跨度用K表示。

K=11×24×60=15840分鐘

在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)墻體的平均熱阻值為：R測(cè)=

由DC100數(shù)據(jù)采集儀記錄的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出：=0.480℃；=1.09w/m2

因此，根據(jù)熱阻計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，墻體構(gòu)造熱阻平均值為：R測(cè)===0.440m2·K/w

2.4 測(cè)量值與理論值的比較

在既有建筑節(jié)能改造中，利用雙面熱流計(jì)法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確定，可以通過計(jì)算理論值的方法進(jìn)行比較來(lái)確定。

被測(cè)外墻熱阻計(jì)算如下：

水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.93w/m·K，陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)取0.50w/m·K。防水涂料層的熱阻略去不計(jì)。

水泥砂漿（外表面）：m2·K/w

陶粒混凝土：==0.380m2·K/w

水泥砂漿（內(nèi)表面）：==0.016m2·K/w

被測(cè)外墻的構(gòu)造熱阻值為：R=R1+R2+R3=0.022+0.380+0.016=0.418m2·K/w

相對(duì)誤差為：

從上述對(duì)比中可以看出，雙面熱流計(jì)法測(cè)量值R測(cè)與理論值相近，因此在此次雙面熱流計(jì)法測(cè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的應(yīng)用中，雙面熱流計(jì)法測(cè)定值是科學(xué)可行的。

3 雙面熱流計(jì)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定注意事項(xiàng)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定注意事項(xiàng)

3.1.1 熱惰性對(duì)檢測(cè)的影響分析及處理措施。在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定時(shí)，外界溫度以及熱流的變化會(huì)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗，被稱為熱惰性。不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有各不相同的熱惰性。熱惰性與檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短以及數(shù)據(jù)的有效性息息相關(guān)，如果所測(cè)定出的數(shù)據(jù)沒有反映出熱流傳遞的周期性變化，那么這項(xiàng)數(shù)據(jù)是無(wú)效的。為了避免上述情況對(duì)雙面熱流計(jì)法測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響，可以采取三種方法：一是在被測(cè)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面安裝雙面熱流計(jì)，這樣能夠有效地避免墻體蓄熱對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；二是如果被測(cè)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)其熱惰性較大，通常情況下會(huì)讓此圍護(hù)結(jié)構(gòu)有4個(gè)測(cè)試周期的穩(wěn)定期，這樣一來(lái)，墻體傳熱便能夠出現(xiàn)穩(wěn)定的周期變化。之后，進(jìn)行3個(gè)周期的檢測(cè)，并將這3個(gè)周期的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，如此一來(lái)便能夠減少由于熱惰性過大而引起的測(cè)試誤差；三是在選定檢測(cè)日期的時(shí)候，檢測(cè)時(shí)候要盡量挑選室外溫差波動(dòng)較小的日期，也就是說在沒有大的天氣變化的日期適合進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.2 雙面熱流計(jì)熱阻對(duì)檢測(cè)的影響。在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定時(shí)，需要在墻體表面上粘貼雙面熱流計(jì)，這樣會(huì)改變墻體原有的性質(zhì)，給墻體增加一定的熱阻。而當(dāng)雙面熱流計(jì)接收到傳過墻體熱阻的熱流時(shí)，在被檢測(cè)墻體與雙面熱流計(jì)之間的接觸面并不是絕對(duì)光滑的，導(dǎo)致宏觀接觸面大于實(shí)際接觸面，接觸面之間的間隙會(huì)形成接觸熱阻。因此，利用雙面熱流計(jì)測(cè)出的實(shí)際熱阻是墻體、接觸以及雙面熱流計(jì)的熱阻，要大于墻體的實(shí)際熱阻，從而造成檢測(cè)出現(xiàn)誤差。為了避免出現(xiàn)這種問題，在安裝雙面熱流計(jì)的時(shí)候，需要做到如下三點(diǎn)：一是利用內(nèi)嵌法進(jìn)行固定，且要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面盡可能的齊平；二是如果雙面熱流計(jì)采取外粘貼的話，為了減少對(duì)邊界產(chǎn)生的影響，需要將石膏在雙面熱流計(jì)的周圍抹成緩坡；三是為了提高測(cè)量的精度，在粘貼雙面熱流計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能地避免雙面熱流計(jì)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)空隙，確保二者之間的緊密接觸。

3.2 雙面熱流計(jì)法對(duì)環(huán)境的要求

在利用雙面熱流計(jì)法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定時(shí)，對(duì)于測(cè)定環(huán)境有一定的要求。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱會(huì)受到環(huán)境的影響，因此在使用雙面熱流計(jì)法進(jìn)行測(cè)定時(shí)，需要滿足以下環(huán)境要求：一是為了避免受到太陽(yáng)輻射的影響，在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候需要選擇背對(duì)陽(yáng)光的墻體，例如北向的墻體；二是為了避免受到風(fēng)速變化產(chǎn)生的影響，在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候需要選擇晴朗沒有風(fēng)的天氣；三是在利用雙面熱流計(jì)法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定的時(shí)候，最好將室內(nèi)外溫差控制在15℃～20℃之間。

4 結(jié)語(yǔ)

從上述分析中可以看出，雙面熱流計(jì)法在建筑節(jié)能改造圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)定中起到了重要的作用，且測(cè)定結(jié)果較為準(zhǔn)確。但是在檢測(cè)過程中，雙面熱流計(jì)法容易受到周圍環(huán)境的影響，因此在采用雙面熱流計(jì)法測(cè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)過程中要盡量選擇背對(duì)陽(yáng)光的墻體，并且適宜在晴朗無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行?？偠灾?，在現(xiàn)有建筑的節(jié)能改造中，雙面熱流計(jì)法是一種簡(jiǎn)單可靠的測(cè)定方法，值得被廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：王南（1973-），男，江蘇南京人，銀川市建設(shè)工程綜合檢測(cè)站助理工程師，研究方向：外墻保溫材料的物理性能及燃燒性能的檢測(cè)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）