圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置及實(shí)踐

王海波 王立娟*

寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

0 引言

隨著能源問題的日益突出，節(jié)能降耗成為建筑領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]，在新建建筑及既有建筑的節(jié)能改造中均充分體現(xiàn)。節(jié)能降耗的關(guān)鍵就是提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。對(duì)于既有建筑[2]，在建筑節(jié)能改造中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是節(jié)能改造的依據(jù)；對(duì)于新建建筑，竣工驗(yàn)收階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)決定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確檢測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和精確的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)節(jié)能降耗至關(guān)重要[3]。

常見的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測(cè)方法主要有熱流計(jì)法、熱箱法、非穩(wěn)態(tài)法以及紅外熱像儀法等。田向偉[4]等對(duì)這幾種檢測(cè)方法的檢測(cè)依據(jù)和特點(diǎn)等進(jìn)行了分析，指出控溫箱-熱流計(jì)法在提高檢測(cè)準(zhǔn)確度的同時(shí)還可縮短檢測(cè)時(shí)間；GLeftneriotiS等[5]希臘學(xué)者在測(cè)試建筑材料特性時(shí)，通過內(nèi)部增設(shè)小體積的加熱箱來降低外箱的溫度波動(dòng)，從而提高測(cè)試精確度。

東華大學(xué)的高慧揮[6]通過ANSYS數(shù)值模擬和新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻檢測(cè)方法的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，得出現(xiàn)場(chǎng)熱阻檢測(cè)的計(jì)算公式。本文將熱流計(jì)法與熱箱法相結(jié)合，采用控制變量分析法來尋求加熱設(shè)備的最佳尺寸，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)既簡(jiǎn)便又準(zhǔn)確。

1 自制現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)墻體熱阻的裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)所用的儀器主要有熱電偶、熱流計(jì)、溫度和熱流巡回檢測(cè)儀和自制溫差控制設(shè)備。其連接示意原理圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[7]包括設(shè)置在待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的溫差產(chǎn)生裝置（如圖2所示）和用來測(cè)試、接收待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)的溫度和熱流的數(shù)據(jù)采集裝置，它的溫差產(chǎn)生裝置設(shè)置在桶狀的殼體內(nèi)，該殼體與待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成圓柱狀空腔，殼體內(nèi)設(shè)置有用于強(qiáng)制對(duì)流的風(fēng)扇。它的溫差產(chǎn)生裝置包括加熱設(shè)備和制冷設(shè)備。此系統(tǒng)在檢測(cè)時(shí)能夠使熱量進(jìn)行二維傳導(dǎo)，使測(cè)量誤差大大降低。利用該系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，安裝、使用方便，并且測(cè)試時(shí)間不受季節(jié)限制。

圖2 溫差產(chǎn)生裝置示意圖

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該測(cè)試系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：

1）利用圓形對(duì)稱加熱面保證二維傳熱，將熱流計(jì)粘貼于截面中心，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出通過建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流；

2）經(jīng)濟(jì)實(shí)用，自制現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的占地面積與設(shè)備體積相對(duì)較小，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，同時(shí)便于現(xiàn)場(chǎng)加熱或者制冷，耗電量少，節(jié)省檢測(cè)費(fèi)用；

3）溫差產(chǎn)生設(shè)備設(shè)置了制冷和加熱功能，二者互換方便，可以使現(xiàn)場(chǎng)建筑待檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測(cè)量不受季節(jié)、施工條件等因素的限制；

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集記錄儀可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄溫度和熱流密度的數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟

綜合各個(gè)相關(guān)檢測(cè)規(guī)范規(guī)定，確定測(cè)試過程如下：

1）將測(cè)試設(shè)備的殼體安裝到待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，殼體與待測(cè)維護(hù)結(jié)構(gòu)形成圓柱狀空腔，將溫度傳感器和熱流傳感器各兩組分別安裝到待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)表面上對(duì)應(yīng)于所述空腔的圓心位置；

2）啟動(dòng)溫差產(chǎn)生裝置，制冷設(shè)備和制熱設(shè)備開始工作，同時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)將溫差產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的熱量或冷量均勻傳送到待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)；

3）安裝在待測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表面上的溫度傳感器和熱流傳感器將測(cè)試到的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到數(shù)據(jù)處理記錄模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)記錄處理模塊儲(chǔ)存記錄，再計(jì)算得到結(jié)果。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖，分別在內(nèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面設(shè)置8只熱電偶，采集內(nèi)外表面的溫度，通過兩側(cè)熱流傳感器采集通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度，根據(jù)下式得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)傳熱系數(shù)：

式中：λ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，R=δ/λ，m2·K/W；δ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，m；K 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)傳熱系數(shù)；Ri為內(nèi)表面對(duì)流換熱熱阻，m2·K/W，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-2015）附錄二附表2.2的規(guī)定采用，取0.11 m2·K/W；Re為外表面對(duì)流換熱熱阻，m2·K/W，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-2015）附錄二附表2.2的規(guī)定采用，取0.04 m2·K/W。

用經(jīng)過標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)室用墻體傳熱系數(shù)測(cè)量設(shè)備與本文自制檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)值進(jìn)行比較，得到本文所研究系統(tǒng)的測(cè)量修正系數(shù)

最后用自制系統(tǒng)測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)值與設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)值K進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果評(píng)價(jià)節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法的可行性及室外溫度波動(dòng)的影響大小。

2 標(biāo)準(zhǔn)墻體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)墻體的選擇

為排除外部不確定干擾因素對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本實(shí)驗(yàn)選用了兩堵標(biāo)準(zhǔn)墻體（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)砌筑）作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)墻體的結(jié)構(gòu)組成和理論計(jì)算值如表1和表2所示。表格中的修正系數(shù)為考慮如墻體蓄濕等因素的影響而在設(shè)計(jì)中采用的一個(gè)安全系數(shù)，由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員選擇確定。

表1 標(biāo)準(zhǔn)墻體一的結(jié)構(gòu)組成及各參數(shù)的理論計(jì)算值

依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)和公式RW=Ri+∑R+Re可計(jì)算出墻體的傳熱熱阻為0.94(m2·K)/W，其傳熱系數(shù)即為1.06 W/(m2·K)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)墻體二的結(jié)構(gòu)組成及各參數(shù)的理論計(jì)算值

依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)和公式RW=Ri+∑R+Re可計(jì)算出墻體的傳熱熱阻為1.69(m2·K)/W，其傳熱系數(shù)即為0.59 W/(m2·K)。

試驗(yàn)采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制的JW建筑墻體保溫性能檢測(cè)設(shè)備（編號(hào)：A00429）（圖3），試驗(yàn)依據(jù)為《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定、標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》（GB/T13475-2008）。表3為兩種墻體的測(cè)試結(jié)果。

圖3 熱箱法測(cè)試建筑墻體傳熱系數(shù)系統(tǒng)

表3 兩種墻體的測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到兩種標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)與其理論計(jì)算結(jié)果（設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)值）進(jìn)行比較，并計(jì)算偏差，其對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 墻體傳熱系數(shù)理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，標(biāo)準(zhǔn)墻體的實(shí)驗(yàn)值與修正后的理論計(jì)算值比較接近，偏差在15%以內(nèi)。此結(jié)論可以用來證明現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試傳熱系數(shù)的可行性。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在得到標(biāo)準(zhǔn)墻體的實(shí)際測(cè)試值后，將采用自制現(xiàn)場(chǎng)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)去測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)墻體，自制系統(tǒng)的加熱箱體半徑分為0.4 m、0.6 m、0.8 m和1.0 mm四種，每種標(biāo)準(zhǔn)墻體分別測(cè)試3次，具體數(shù)據(jù)如表5和表6所示。

表5 標(biāo)準(zhǔn)墻體一的對(duì)比試驗(yàn)

用自制現(xiàn)場(chǎng)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)去測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)墻體，研究同一標(biāo)準(zhǔn)墻體在不同尺寸的加熱裝置測(cè)試下的傳熱系數(shù)，從而分析墻體傳熱系數(shù)與加熱裝置半徑的關(guān)系，選擇最佳尺寸的加熱設(shè)備，減小墻體傳熱系數(shù)的測(cè)試誤差。通過分析表5和表6中數(shù)據(jù)得出標(biāo)準(zhǔn)墻體一和標(biāo)準(zhǔn)墻體二的傳熱系數(shù)隨加熱面半徑變化情況，如圖4所示。

表6 標(biāo)準(zhǔn)墻體二的對(duì)比試驗(yàn)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)墻體一和標(biāo)準(zhǔn)墻體二的傳熱系數(shù)與加熱面半徑關(guān)系

由圖4可知，用自制現(xiàn)場(chǎng)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的兩堵標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)K隨加熱設(shè)備的加熱面半徑R的增大而趨于恒定，即傳熱逐漸接近無限大平板導(dǎo)熱，二維傳熱對(duì)傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響逐漸減小，在現(xiàn)有假設(shè)條件下，計(jì)算誤差也逐漸減小。由本次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果分析可知，加熱設(shè)備的加熱面半徑達(dá)到0.8 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值已經(jīng)趨于恒定。因此，在選用熱流計(jì)法與熱箱法相結(jié)合來現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的加熱設(shè)備的加熱面半徑宜按0.8 m來設(shè)計(jì)。

2.3 修正系數(shù)的確定

前面通過標(biāo)定后的熱箱法在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)墻體的傳熱系數(shù)Ks，以該測(cè)試值為標(biāo)準(zhǔn)來修正自制現(xiàn)場(chǎng)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量值K，則自制系統(tǒng)的測(cè)量修正系數(shù)

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)墻體一來說，修正系數(shù)C1=1.21/1.29=0.94；

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)墻體二而言，修正系數(shù)C2=0.63/0.67=0.94。

因此，自制的現(xiàn)場(chǎng)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果的修正值為0.94。該修正系數(shù)的得出，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)提供了依據(jù)。

3 檢測(cè)方法的實(shí)踐應(yīng)用

2015年10月，用自制現(xiàn)場(chǎng)傳熱系數(shù)檢測(cè)設(shè)備對(duì)某住宅項(xiàng)目的外墻進(jìn)行建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其外墻的設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)為0.62 W/(m2·K)，墻體的主要熱工性能參數(shù)如表7所示，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置如圖5所示。

圖5 墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置圖

表7 外墻主要熱工性能參數(shù)

依據(jù)表7中的數(shù)據(jù)和公式RW=Ri+∑R+Re可計(jì)算出墻體的傳熱熱阻為1.60(m2·K)/W，其傳熱系數(shù)即為0.62 W/(m2·K)。

經(jīng)過連續(xù)6天的測(cè)量，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出最終傳熱系數(shù)為0.609 W/(m2·K)，如表8所示。

表8 測(cè)試斷面檢測(cè)數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果

根據(jù)《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》[8]可知測(cè)試的可靠程度為3σy，其中σy為傳熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差，經(jīng)計(jì)算得到誤差范圍為0.062 W/(m2·K)，由表8中的數(shù)據(jù)可知，傳熱系數(shù)的最終計(jì)算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

修正后的傳熱系數(shù)計(jì)算值與理論設(shè)計(jì)值相比較，絕對(duì)誤差⊿K1=0.011，相對(duì)誤差γ=1.8%。兩者誤差均在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

在用自制現(xiàn)場(chǎng)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)墻體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過將加熱設(shè)備的加熱面半徑設(shè)計(jì)成不同的尺寸，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)墻體進(jìn)行測(cè)試，來尋求對(duì)墻體傳熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果影響最小的加熱設(shè)備。該對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在加熱面半徑大于等于0.8 m時(shí)，墻體傳熱系數(shù)趨于恒定。為了使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方便，測(cè)試設(shè)備便于攜帶，加熱設(shè)備的加熱面半徑宜選用0.8 m。且通過實(shí)踐應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)用于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的可行性。