工程建筑物围护结构传热系数现场检测技术

建筑物围护结构传热系数现场检测技术

宏武，邢，王吉霖，德荣，亮，毅然

市建筑科学研究院

为改善居住建筑室热环境质量，提高人民居住水平，提高采暖、空调能源利用效率，贯彻执行国家可持续发展战略，2001年《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》颁布实施[1]。该标准在提出节能50%的同时，对建筑物围护结构的热工性能也进行了相应规定。虽然《节能标准》在设计阶段保证了建筑物围护结构的热工性能达到目标要求，但并不能保证建筑物建造完后也能达到节能要求，因为建筑的施工质量同样非常关键。因此，判定建筑物围护结构热工性能是否达到标准要求，仅靠资料并不能给出结论，需要现场实测。

但我国建筑节能工作起步较晚，至今尚无一套完善、先进、适合我国国情的建筑节能现场检测技术，在某种程度上限制了建筑节能工作的规发展。这使得建筑节能现场检测技术的研究开发就显得尤为迫切和重要。

围护结构传热系数是表征围护结构传热量大小的一个物理量，是围护结构保温性能的评价指标，也是隔热性能的指标之一[2]，因此本文主要针对围护结构传热系数的现场检测技术进行分析与探讨。

1现有围护结构传热系数现场检测方法

1.1热流计法[3]

热流计是建筑能耗测定中常用仪表，该方法采用热流计及温度传感器测量通过构件的热流值和表面温度，通过计算得出其热阻和传热系数。其检测基本原理为：在被测部位布置热流计，在热流计周围的外表面布置热电偶，通过导线把所测试的各部分连接起来，将测试信号直接输入微机，通过计算机数据处理，可打印出热流值及温度读数。当传热过程稳定后，开始计量。为使测试结果准确，测试时应在连续采暖（人为制造室外温差亦可）稳定至少7d的房间中进行。

一般来讲，室外温差愈大（要求必须大于20℃），其测量误差相对愈小，所得结果亦较为精确，其缺点是受季节限制。该方法是目前国外常用的现场测试方法，国际标准和美国ASTM标准都对热流计法作了较为详细的规定。

1.2热箱法[4]

热箱法是测定热箱电加热器所发出的全部通过围护结构的热量及围护结构冷热表面温度。其基本检测原理是用人工制造一个一维传热环境，被测部位的侧用热箱模拟采暖建筑室条件并使热箱和室空气温度保持一致，另一侧为室外自然条件，维持热箱温度高于室外温度8℃以上，这样被测部位的热流总是从室向室外传递，当热箱加热量与通过被测部位的传递热量达平衡时，通过测量热箱的加热量得到被测部位的传热量，经计算得到被测部位的传热系数。

该方法的主要特点：基本不受温度的限制，只要室外平均空气温度在25℃.以下，相对湿度在60%以下，热箱温度大于室外最高温度8℃以上就可以测试。据业技术专家通过交流认为：该方法在国尚属研究阶段，其局限性亦是显而易见的，热桥部位无法测试，况且尚未发现有关热箱法的国际标准或国权威机构的标准。

1.3红外热像仪法[5]

红外热像仪法目前还在研究改进阶段，它通过摄像仪可远距离测定建筑物围护结构的热工缺陷，通过测得的各种热像图表征有热工缺陷和无热工缺陷的各种建筑构造，用于在分析检测结果时作对比参考，因此只能定性分析而不能量化指标。

通过以上几种检测方法的分析比较，笔者认为，热流计法是目前国外较为成熟的检测方法，且已得到普遍应用。因此本文主要讨论热流计法。

2 热流计法测试原理

热流计法主要采用热流计、热电偶在现场检测被测围护结构的热流量和其、外表面温度，通过数据处理计算出该围护结构的传热系数，从而判定建筑物是否达到节能标准要求。

当热流通过建筑物围护结构时，由于其热阻存在，在厚度方向的温度梯度为衰减过程，使该围护结构、外表面具有温差，利用温差与热流量之间的对应关系进行热流量测定。

建筑物围护结构的热流量可通过在该围护结构表面安装平板状热流计测量，由于热流计

热阻一般比被测围护结构的热阻小很多，当被测围护结构背面贴上热流计后，传热工况影响很少，可忽略不计。因而在稳定状态下，流过热流计的热流量亦为被测围护结构的热流量。

根据傅立叶定律，在两侧温差为T ∆时，流过热流计的热流量可通过下式计算：

)//(λδT q ∆= （1）

式中，q 为通过热流计的热流量，W/m 2

。

δ为热流计的厚度，m 。

λ为热流计的导热系数，W/(m ·℃)

T ∆为被测围护结构加装热流计后，热流计两面的温差。

如果用热电偶测量上述温差，根据热电偶在其测量围热电势与温差成正比的关系，可得到通过热流计的热量，为

E C q ∆⋅= （2）

其中，E ∆为热电势（mV ），可通过温度与热流巡回自动检测仪检测。

C 为热流计系数（W/（m 2·mv ）

，其物理意义为，当热流计有单位热电势输出时，通过它的热流量为C ，检测所用的热流计系数C 是热流计生产厂家按国家标准校定好的已知常数。在本文中，63.11=C W/（m 2

·mv ）。

3 围护结构传热系数计算公式与误差分析

围护结构传热系数的定义为：在稳态传热条件下，围护结构两侧空气温度差为1℃时，单位时间通过单位面积传递的热量。单位为W/(m 2

·℃)。

根据定义，当传热处于稳态条件下时，通过围护结构的热流量应该与通过热流计的热流量相等。这样，围护结构的热阻可由下式计算：

q T R /∆= （3）

则围护结构的传热阻为：

e i R R R R ++=' （4）

其中，i R 为表面换热阻，取0.11m 2

·K/W 。

e R 为外表面换热阻，取0.04 m 2·K/W 。

其传热系数则可通过下式计算：

e

i c R R R K ++=

1

（5）

在实际现场测试过程中，为了提高测试结果的准确性，一般会采用多个测点进行检测。而根据国家行业标准《采暖居住建筑节能检验标准》，建筑物围护结构热阻采用算术平均法计算，具体公式为：

∑∑∆=

q

T R （6）

将（6）式代入（5）式，可得到该围护结构的平均传热系数，计算公式如下：

∑∑∑+∆=

q

T q

K c 15.0 （7）

相对应的测量相对误差为：

∑∑∑∑∑∑∑+∆∆+∆=

q

q T q T T q K K

c

)15.0()(δδδ （8） 根据（7）式和（8）式，围护结构传热系数现场实测结果可表示为：

K K K c c δ±= （9）

4 围护结构传热系数现场实测案例分析

为了验证热流计法现场测试围护结构传热系数的准确性，本文对某筑屋面的传热系数进行了现场实测与测量误差分析。

4.1屋面构造概况

该建筑屋面型式为绿化平屋面，具体构造如图1所示，根据设计方案，其传热系数为0.28 W/(m 2

·℃)。

图1 实测屋面的构造示意图