圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測方法分析及應(yīng)用探討

陳師栩

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 前言

隨著國家對有關(guān)建筑工程質(zhì)量驗(yàn)收要求的提高，并且關(guān)于建筑節(jié)能及綠色建筑法律法規(guī)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對于建筑材料的熱工數(shù)據(jù)檢測也成為國家及地方驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的必檢項(xiàng)目，建筑材料如何能在滿足安全強(qiáng)度的大前提之下做到節(jié)能減排也成為各大材料生產(chǎn)廠家及施工單位的重點(diǎn)考慮要素。

建筑物要達(dá)到綠色節(jié)能減排，其中建筑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)有很大占比。構(gòu)成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的砌筑材料是否能通過熱工節(jié)能檢測是該項(xiàng)目的重中之重，滿足了該要求，室外的氣候變化通過該建筑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室內(nèi)環(huán)境的舒適性產(chǎn)生產(chǎn)生影響。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的熱工意義

對于建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到節(jié)能保溫的要求，可以從其構(gòu)筑材料及圍護(hù)主體的熱工參數(shù)進(jìn)行檢測分析，熱工參數(shù)主要為：導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、熱阻、傳熱阻導(dǎo)溫系數(shù)、傳熱系數(shù)。

傳熱系數(shù)是在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的空氣溫差為1K(1℃)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位平方米圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積所能傳遞的熱量，單位為W/（m2·K）,傳熱系數(shù)包含了圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的砌筑構(gòu)造和結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣層在內(nèi)的熱能量傳導(dǎo)性能。傳熱系數(shù)與傳熱阻為倒數(shù)關(guān)系，而傳熱阻與其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑材料導(dǎo)熱系數(shù)及相關(guān)厚度有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)及比熱容有關(guān)，所以綜合其計(jì)算方式可以知道建筑物中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是判斷其保溫效果的最終參數(shù)之一。

傳熱系數(shù)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中熱工性能的表現(xiàn)，許多實(shí)驗(yàn)也表明了圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的降低可以明顯減少建筑能耗，通過達(dá)到良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)可以讓建筑物在夏天及冬天減少空調(diào)能量的損失，降低其總體耗電量。研究表明現(xiàn)代建筑空調(diào)耗電量的占比越來越大，如何有效利用及減少排放是當(dāng)代綠色建筑重要的評價(jià)之一。作為建筑表面積占比最大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)如何能通過其構(gòu)造、材料等多方面降低其傳熱系數(shù)從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保，是建筑學(xué)中一項(xiàng)重要的研究課題之一。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測方法

2.1 對比試樣的樣品構(gòu)造說明

為求更直觀地體現(xiàn)三種不同傳熱系數(shù)檢測方式（計(jì)算法、砌筑法、現(xiàn)場法）的數(shù)據(jù)差異，通過對同一結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻體（圖1、表1）分別進(jìn)行三種不同方法的檢測，從而得到不同檢測方法下的傳熱系數(shù)數(shù)值。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體構(gòu)造砌筑說明

圖1 蒸壓加氣混凝土保溫墻體

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算法

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算法是通過防護(hù)熱板法測試得出砌筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)或者通過《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》查表得出砌筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻之后，代入其計(jì)算公式推算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。

基本計(jì)算方法如下：

⑴計(jì)算出單一均質(zhì)材料層的熱阻：R=δ/λ

R——材料層的熱阻（m2·K/W）；

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]；

δ——材料層的厚度（m）。

⑵計(jì)算多層均質(zhì)材料層組成的熱阻：

⑶計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻：R0=Ri+R+Re

為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算法的重復(fù)性與準(zhǔn)確性，由三組不同實(shí)驗(yàn)人員對同一塊蒸壓加氣混凝土砌塊樣品進(jìn)行三組導(dǎo)熱系數(shù)檢測，結(jié)合《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范附錄提供的抹灰砂漿導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)墻體的傳熱系數(shù)。

蒸壓加氣混凝土砌塊樣品導(dǎo)熱系數(shù)檢測儀器：游標(biāo)卡尺；鋼直尺；電子天平；導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。

防護(hù)熱板法裝置測定導(dǎo)熱系數(shù)原理為：在穩(wěn)態(tài)條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內(nèi)，建立類似于兩個(gè)平行的溫度平面為界存在的一維均勻熱流密度，從而得出材料導(dǎo)熱系數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（溫度25℃、濕度50%），三組試驗(yàn)人員分別將同一組蒸壓加氣混凝土砌塊樣品通過烘箱將樣品烘至干態(tài)后，分別用鋼直尺、游標(biāo)卡尺、電子天平計(jì)算出樣品密度，最后將樣品裝入同一臺導(dǎo)熱系數(shù)測定儀并在全電腦控制模式下測定樣品導(dǎo)熱系數(shù)，三組導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2 導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

通過《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》查表得出密封空氣內(nèi)、外間層表面換熱阻數(shù)值：0.16（m2·K/W）, 水泥抹灰砂漿導(dǎo)熱系數(shù)：0.93W/（m·K），乳膠漆導(dǎo)熱系數(shù)忽略不計(jì)，蒸壓加氣混凝土砌塊、泡沫混凝土砌塊墻體因灰縫影響，導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)a=1.25。將三組導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)分別代入圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的基本計(jì)算公式后，最終得出三組不同的墻體傳熱系數(shù)，如表3。

表3 圍護(hù)墻體傳熱系數(shù)結(jié)果（計(jì)算法）

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)砌筑法

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)砌筑法是把要測定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)按照實(shí)際施工現(xiàn)場砌筑的要求及造法，砌筑在1.2m×1.2m 的試樣框架內(nèi)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)樣品砌筑完成后繼續(xù)在等條件下養(yǎng)護(hù)28 天后裝入穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)內(nèi)，按《絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行傳熱系數(shù)檢測。

穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)檢測原理為：模擬四季圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳熱，將構(gòu)件置于兩個(gè)不同溫度場的箱體之間，熱箱模擬室內(nèi)或夏天季節(jié)情況，冷箱模擬室外或室內(nèi)空調(diào)環(huán)境。儀器達(dá)到熱傳導(dǎo)穩(wěn)定狀態(tài)后對圍護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣品的冷、熱面進(jìn)行熱流數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出傳熱系數(shù)值，儀器構(gòu)造如圖3、圖4。

圖3

圖4

同樣為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)砌筑法的重復(fù)性與準(zhǔn)確性，由三組不同實(shí)驗(yàn)人員對該蒸壓加氣混凝土砌塊墻體樣品進(jìn)行三組傳熱系數(shù)檢測，為保證每組數(shù)據(jù)的對比性，該蒸壓加氣混凝土砌塊墻體樣品在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（溫度25℃、濕度50%）養(yǎng)護(hù)28 天，每組人員試驗(yàn)間隔24 小時(shí)，保證穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)每組測試的穩(wěn)定運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)熱傳遞性質(zhì)測定系統(tǒng)中熱室溫度設(shè)置為35℃，冷室溫度設(shè)置為-10℃，熱傳導(dǎo)狀態(tài)穩(wěn)定后對冷、熱面熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行6 次采集，每次采集持續(xù)時(shí)間為30分鐘。表4 為三組試驗(yàn)人員得出的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)。

表4 圍護(hù)墻體傳熱系數(shù)結(jié)果（砌筑法）

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場法

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場法是根據(jù)《建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及采暖供熱量檢測方法》、《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，將圍護(hù)熱傳遞性能現(xiàn)場檢測儀運(yùn)送到檢測現(xiàn)場，根據(jù)被檢測的建筑物圖紙選取確定的檢測區(qū)域后，在檢測部位的室內(nèi)外安裝好檢測儀的熱流計(jì)和溫度傳感器，并把檢測熱箱充分貼合安裝在被測表面，設(shè)置好各傳感器數(shù)據(jù)后，檢測儀將在規(guī)定的測試時(shí)間內(nèi)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件對被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析從而得出傳熱系數(shù)。

圍護(hù)熱傳遞性能現(xiàn)場檢測儀的檢測原理是人為制造一個(gè)一維的熱傳遞條件環(huán)境，通過室內(nèi)面的熱箱可以模擬建筑物室內(nèi)環(huán)境，通過微電腦控制軟件中的算法可以實(shí)時(shí)控制熱箱內(nèi)和被測面的溫度，使之保持一致的穩(wěn)定狀態(tài)，另一側(cè)面為室外自然環(huán)境狀態(tài)，在一定的檢測周期內(nèi)取穩(wěn)定的24 小時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算得出被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。原理圖如圖5。

圖5

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場法在檢測現(xiàn)場環(huán)境上與計(jì)算法、砌筑法不同，并不能如圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算法一樣在試驗(yàn)室環(huán)境下（溫度25℃、濕度50%）進(jìn)行，也不能像圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)砌筑法那樣人為建立一個(gè)密封的冷、熱檢測環(huán)境。三組實(shí)驗(yàn)人員按照實(shí)際檢測的氣候情況對測試墻體樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，熱箱溫度設(shè)置為50℃，測試運(yùn)行周期為96 個(gè)小時(shí)，取穩(wěn)定后的24 小時(shí)傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)。為保證儀器的穩(wěn)定運(yùn)行以及試驗(yàn)墻體樣品熱流的消散，每組實(shí)驗(yàn)間隔為24 小時(shí)。三組現(xiàn)場法熱流密度具體差別見圖6。

圖6 三組現(xiàn)場法熱流密度

三組圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場法的數(shù)據(jù)如表5。

表5 圍護(hù)墻體傳熱系數(shù)結(jié)果（現(xiàn)場法）

2.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)三種檢測方法數(shù)據(jù)差異分析

由計(jì)算法、砌筑法、現(xiàn)場法三種不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測方法得出的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，計(jì)算法是三種方法中差異最小的一種傳熱系數(shù)檢測方法。三組不同實(shí)驗(yàn)人員得出的墻體傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算法數(shù)據(jù)最大值0.874W/（m2·K）與最小值0.866W/（m2·K）偏差在1%內(nèi)，砌筑法數(shù)據(jù)最大值1.064W/（m2·K）與最小值1.029W/（m2·K）偏差為3.4%，現(xiàn)場法數(shù)據(jù)最大值1.331W/（m2·K）與最小值1.212W/（m2·K）偏差為9.8%。并且，三種方法得出的數(shù)據(jù)存在較大的差異，特別是計(jì)算法與現(xiàn)場法兩種方法的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)相對比。計(jì)算法的平均傳熱系數(shù)為0.870W/（m2·K），而現(xiàn)場法的平均傳熱系數(shù)為1.269W/（m2·K），兩種方法偏差高達(dá)45%。

3 應(yīng)用建議

在具備試驗(yàn)資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)人員在符合標(biāo)準(zhǔn)檢測的操作下，同一砌筑結(jié)構(gòu)的墻體樣品在基本相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)（現(xiàn)場法除外）得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)差異大，必然導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)測試的判定有一定的混亂性，造成在實(shí)際的科研、工程檢測中不能明確地應(yīng)用傳熱系數(shù)檢測方法。

針對上述問題，筆者根據(jù)三種傳熱系數(shù)檢測方法的差異，以及多年從事建材熱工檢測的經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議：

第一，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算法因其便利的計(jì)算方式、較少的重復(fù)性偏差以及較短的檢測周期，可以運(yùn)用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)初期的設(shè)計(jì)階段和熱工節(jié)能的建模設(shè)定。計(jì)算法只需要對砌筑節(jié)能材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行導(dǎo)熱檢測，而其他輔材則可通過《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》查表得到并代入圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算公式，計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)。計(jì)算法是屬于在絕對理想的環(huán)境情況下進(jìn)行，屏蔽了一切影響試驗(yàn)的因數(shù)，所以計(jì)算法只應(yīng)該用在設(shè)計(jì)、熱工建模的階段。

第二，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)砌筑法是對構(gòu)造整體不分割的檢測模式，被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)樣品都是根據(jù)施工構(gòu)造表的流程規(guī)定砌筑而來，所以砌筑法可用在實(shí)際施工中砌筑材料的選型、選材階段。對于不同廠家、不同型號、不同批次的砌筑材料可以有著不同熱工差異，而不同的砌筑方式、不同砌筑施工人員的工藝水平等因素也直接影響著圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)。在這些因素的影響下，傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)不能像計(jì)算法單靠查表與絕對理想情況下的計(jì)算公式可以得出。因此砌筑法用在砌筑材料選型、選材階段是最優(yōu)的推薦方法。

第三，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場法對于工程施工中傳熱系數(shù)檢測有著不可替代的意義。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場法是對現(xiàn)場施工、現(xiàn)場環(huán)境、現(xiàn)場砌筑材料、現(xiàn)場砌筑工藝的數(shù)據(jù)檢測，雖然說現(xiàn)場法在目前檢測中可能會因?yàn)楝F(xiàn)場定點(diǎn)、氣候變化、溫濕度的差異、操作人員的水平等因素還存在著一系列檢測的限制，計(jì)算法與砌筑法在這種情況下反而能較為準(zhǔn)確地得到設(shè)計(jì)、建模等相關(guān)熱工參數(shù)，但是隨著現(xiàn)場傳熱系數(shù)測試設(shè)備的改造升級，以及檢測方法的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)的偏差與重復(fù)性問題將有所改善?，F(xiàn)場法如果能配合節(jié)能抽芯檢測，可能會提高實(shí)際施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

通過對計(jì)算法、砌筑法、現(xiàn)場法三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的檢測數(shù)據(jù)、檢測周期、操作過程等方面的分析，暫時(shí)還不能一概而論地確定哪一種方法才是傳熱系數(shù)最好的檢測手段。未來應(yīng)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的檢測方法及手段上作進(jìn)一步研究，尋求一種能結(jié)合或改進(jìn)計(jì)算法、砌筑法、現(xiàn)場法的檢測方法。