热流计法在外墙传热系数现场检测中的应用

■彭 翔，黄嘉樑，何兴升

■1.广州市建筑材料工业研究所有限公司，广东 广州 510663;2.广东省材料与构件防火检测技术企业重点实验室，广东 广州 510663

根据发达国家经验，随着城市发展，建筑将超越工业、交通等其它行业，最终居于社会能源消耗的首位，建筑能耗将占到社会总能耗的33%或以上。建筑能耗有两种定义方法:广义建筑能耗是指从建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全过程能耗。狭义的建筑能耗，即建筑的使用能耗，就是建筑物建成以后，在使用过程中，人们日常用能，如采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器等的能耗，它是建筑能耗中的主导部分。

建筑节能是指在满足人们生活工作质量前提下，在建筑物建造和使用的整个过程中合理用能，提高能源利用效率，从而达到节约能源资源的目的。2014 年全国房屋竣工面积达到42.31 亿平方米，减小建筑能耗对节能减排战略目标影响巨大，全国各级政府对建筑节能都高度重视。

1 外墙传热系数常用检测方法

1.1 防护热箱法检测原理

防护热箱法基于一维稳态传热原理，将按照设计在实验室砌筑的墙体置于两个不同温度箱体之间，其中计量热箱模拟室内或夏季室外空气温度、风速、辐射条件，冷箱模拟室外或夏季室内空调房间空气温度、风速。经过若干小时的运行，整个装置达到稳定状态，形成稳定的温度场、速度场，测量试件两侧的空气温度、表面流速、表面防护箱温度以及输入计量热箱的电加热器功率，就可以计算通过试件传递的热流量，从而计算出试件的传热系数和热阻。

计量热箱外面套装防护热箱，在计量箱周围建立适当的空气温度和表面换热系数场，减少试验环境温度变化对试验结果的影响，还能减少通过计量箱壁的热流量和试件不平衡热流量。在检测时计量热箱的温度与防护热箱的温度完全一致，使趋向于0;同时使用四点锁紧机构，将计量热箱通过不超过20mm 宽的鼻锥紧贴在试件表面，使趋向于0。

图1 防护热箱法检测原理图

1.2 热流计法检测原理

热流计的原理是通过热流计的热流密度与热电势成正比，在对热流计系数进行标定后，便可用温度热流自动测试仪检测热流计的输出热电势从而测得热流密度。热流计法是利用温差和热流之间的对应关系对墙体的热阻进行测试，用热流计和热电偶检测被测墙体的热流密度以及内、外表面温度，然后计算传热系数。

被测墙体的热阻用公式(1)计算:

式中:R—墙体的热阻，m2·K/W;Δt—墙体内、外表面温差，K;q—通过墙体的热流密度，W/m2。

测得墙体的热阻后，墙体的传热系数用公式(2)计算:

式中:K—墙体的传热系数，W/(m2·K);R—墙体的热阻，m2·K/W;Ri—内表面换热阻，m2·K/W;Re—外表面换热阻，m2·K/W。

1.3 常功率平面热源法检测原理

常功率平面热源法是一种比较常用的非稳态检测方法，其现场检测的方法是在墙体内表面人为地加上一个合适的平面恒定热源，对墙体进行一定时间的加热，通过测定墙体内外表面的温度响应辨识出墙体的传热系数，原理如图2 所示。绝热盖板和墙体之间的加热部分由5 层材料组成，加热板C1、C2和金属板E1、E2对称的各布置两块，控制绝热层两侧温度相等，以保证加热板C1发出的热量都流向墙体，E1板起对墙体表面均匀加热的作用。墙体内表面测温热电偶A 和墙体外表面热电偶D 记录逐时温度值。

图2 常功率平面热源法检测示意图

该系统用人工神经网络方法仿真求解。该系统设计的墙体传热过程是非稳态的三维传热过程，这一过程受到墙体内侧平面热源的作用和室内外空气温度变化的影响，有针对性地编制非稳态导热墙体的传热程序。将得到的温度场数据和对应的边界条件、初始条件共同构成样本集对网络进行训练。将测试时间中的室内平均温度、室外平均温度、热流密度、墙体内外表面温度作为输入样本，将墙体传热系数作为输出样本进行训练。网络经过一定时间的训练达到稳定状态，将各温度值和热流密度值输入，由网络即可映射出墙体的传热系数。

2 采用辅助冷热箱的热流计法检测原理

我国JGJ/T132-2009《居住建筑节能检测标准》7.1.6 条款中规定“检测时间宜选在最冷月，且应避开气温剧烈变化的天气。对设置采暖系统的地区，冬季检测应在采暖系统正常运行后进行;对未设置采暖系统的地区，应在人为适当地提高室内温度后进行检测。在其它季节，可采取人工加热或制冷的方式建立室内外温差。围护结构高温侧表面温度应高于低温侧10℃以上，且在检测过程中的任何时刻均不得等于或低于低温侧表面温度。当传热系数小于1W/(m2·K)时，高温侧表面温度宜高于低温侧10/K℃以上。检测持续时间不应少于96h。检测期间，室内温度应保持稳定，受检区域外表面宜避免雨雪侵袭和阳光直射。”

广州地处夏热冬暖地区，冬季不采暖，夏季天气变化多端，在自然条件下难以形成稳定的室内外温差，在外墙传热系数现场检测中要想连续采集96 个小时较稳定的数据比较困难，难以满足建筑节能现场检测的市场需求。

现有检测方法在不同的侧面有所突破，但是应用于现场检测时都有不足之处。通过对现有检测方法、现场条件、检测效果等方面分析，吸取防护热箱法和常功率平面加热法的优点，我们提出了在墙体传热系数热流计法现场检测中，在墙体内外侧对应安装辅助冷、热箱进行检测的方法，检测示意图如图3 所示。

冷、热辅助箱主要由箱体、半导体制冷器、温控装置、直流电源和温度探头等构成，冷、热箱分别采用半导体制冷器进行制冷或加热，通过温控装置进行自动调温，热流和温度传感器用矾士林和铝箔胶带贴合在墙体表面上。辅助箱不但可以人工制造稳定的一维传热，同时避免了风雨天气在外墙外侧的侵袭导致的影响。

图3 采用辅助冷、热箱的热流计法检测示意图

3 采用辅助冷热箱的热流计法检测实例

在一栋建成使用了五年多的办公建筑，我们选择了一处外墙墙体进行热流计法检测其传热系数。该墙传热系数设计值见表1。我们选择了三组温度进行检测，三组温度分别为45/25℃、40/20℃、35/15℃，检测结果见表2。

表1 外墙热工性能表

表2 采用辅助冷、热箱的热流计法检测外墙传热系数结果

通过计算，三组检测结果与设计值相差都不超过5%，表明采用辅助冷、热箱的热流计法检测的建筑外墙传热系数是可行的，且有良好的环境适应性，能大力提高检测效率。检测发现所测墙体的传热系数因设置的温度高低不同而略有差异，因此我们认为墙体的传热系数在一定程度上受温度的升高而略为增加。

4 结束语

我国拥有庞大的建筑，建筑能耗已经越来越成为社会经济发展的巨大负担，因此建筑节能全面实施势在必行。只要广大的技术人员集思广益、不断摸索，努力研究出有一定的理论支持、可实施性强的方法，必定能更好的推进建筑节能。

［1］GB/T 13475-2008，绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法［S］.

［2］JGJ/T 132-2009，居住建筑节能检测标准［S］.

［3］徐占发主编.建筑节能技术实用手册［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［4］田斌守.建筑围护结构传热系数现场检测方法研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2006.