便携式建筑围护结构传热系数现场检测仪的研制

庄金迅，高 超，张九红

(1.辽宁科技大学 建筑与艺术设计学院，辽宁 鞍山 114051；2.长治清华机械厂，山西 长治 046012；3.沈阳建筑大学 建筑与城市规划学院，沈阳 110168)

便携式建筑围护结构传热系数现场检测仪的研制

庄金迅1，高 超2，张九红3

(1.辽宁科技大学 建筑与艺术设计学院，辽宁 鞍山 114051；2.长治清华机械厂，山西 长治 046012；3.沈阳建筑大学 建筑与城市规划学院，沈阳 110168)

基于围护结构的一位稳态传热理论，推导出围护结构的传热系数与围护结构两侧的空气温度、内表面温度以及内表面换热阻的关系，进而提出采用红外辐射测温技术方便快捷地检测围护结构传热系数的方法。根据利用红外测温技术检测建筑围护结构的传热系数的原理与方法，研制一种不需要通过测量建筑围护结构的热流来检测其传热系数的设备，检测过程无需将连着导线的传感器固定于围护结构表面，因此使设备变得便携且使用方便。

红外辐射； 建筑围护结构； 传热系数； 建筑节能； 检测仪

0 引 言

随着建筑节能工作不断深化，建筑节能意识逐渐普及，建筑节能工作受到了建筑的使用者、设计者、施工者以及相关管理部门等多方重视。虽然能够根据建筑图纸和建筑材料(尤其对于保温或隔热材料)的热工性能参数对建筑围护结构的能耗做出估算，但是这些建筑材料热工参数的测定大多是在实验室条件下完成的，而建筑材料在应用于实际工程时因使用环境不同于实验条件，其热工性能及节能效果会有很大差异[1-2]。因此，建筑围护结构的实际能耗只能以现场检测为准，而围护结构的能耗状况是由其传热系数(即建筑节能设计标准中的K值)决定的，它是反映建筑围护结构保温性能的一个重要参量[3]，也是建筑节能现场验收检测的一个主要技术指标。所以，现场检测建筑围护结构的传热系数非常必要。本文主要探讨利用红外测温技术对建筑围护结构传热系数进行现场检测的原理和方法，以及根据此原理和方法设计一种便携式建筑围护结构传热系数现场检测仪。

1 常用围护结构传热系数现场检测方法

1.1热流计法

热流计法是在一维稳态传热的前提下，通过检测热流计的热流密度和围护结构两侧的温差，计算出被测对象的热阻和传热系数[4]。热流计法是测量围护结构传热系数的权威方法，也是目前国内外常用的现场测试方法。热流计法现场检测应避开气温变化较快的天气和时间段，一般来说室内外温差越大，其检测误差相对越小[5]。

1.2热箱法

热箱法也是根据一维稳态传热的原理[6]，人为创造1个一维稳态传热环境，被测部位内侧用热箱模拟采暖建筑室内条件，热箱温度容易控制，调节箱内温度所需时间短、能耗小，另一侧为室外自然条件，保持箱内温度高于室外温度8 ℃以上，以保证被测部位存在从室内向室外的明显热流，当整个温度场达到稳态时，对热箱的加热量就等于通过被测部位传递的热量，通过测量热箱内的加热量得到被测部位的传热量，从而计算出被测部位的传热系数。

采用热箱法测建筑围护结构的传热系数，稳定的温差只存在于被测部位两侧，被测部位周边的热流可能是多维的，这与计算所需的一维稳态传热可能会存在较大误差。

1.3控温箱-热流计法

控温箱-热流计法的基本原理与热流计法基本相同，不同的是，控温箱-热流计法利用控温箱制造一个人工环境以控制围护结构内表面温度，再用热流计法测定被测对象的传热系数。这种方法在使用时不受季节的限制，同时也不用考虑热箱法的边界传热方向问题[7]。

1.4围护结构传热系数现场检测方法现存的问题

从目前现场检测建筑围护结构传热系数的方法来看，现有的传热系数现场检测方法主要存在如下不足之处：

(1) 设备较大，携带不方便。即使有的设备本身不算大，但是加上温度与热流传感器以及导线，使得设备携带仍然不方便。

(2) 传感器较多，使用不方便。热流计法与控温箱-热流计法，每个测点至少需要3个传感器，每个传感器需要一根导线和设备相连，如果同时测量3个以上的测点，工作量较多，而且有很多根导线和设备相连，容易出错，还有，如果测点位置较高，传感器的固定也很不方便。虽然热箱法可省去一个热流传感器，但是需要加热器和计量加热量，使用更加不便[8]。

(3) 测量结果的准确性受人为因素影响较大。一方面，将传感器固定到被测对象表面时，被测对象的温度场和热流状况已经受到影响，即使经过较长时间的稳定期，由于传感器的存在，这种影响也是不可避免的。另一方面，传感器贴附在被测对象表面的松紧程度影响测量的准确性，贴得松了，所测值与真实值相差较大；贴得紧了，又会影响到传感器本身的精度[9-10]。

所以，现有建筑围护结构传热系数现场检测方法，对于建筑节能方面的学术研究而言，存在各自的特点和可取之处，但是对于建筑节能现场检测的工程应用来说，确实有诸多不便之处。

2 利用红外测温技术检测建筑围护结构的传热系数

红外辐射式测温技术能够准确快速地测量物体表面温度，而且测温时无需与被测物体直接接触，所以它在测量物体表面温度时不会引起物体温度的改变[11-12]，适合对一些距离远、运动的或者有危险性的物体进行表面温度的测量。它具有安全、快速、可靠、方便等优势，已在电力、石油、化工、建筑、医疗等领域得到广泛应用，已经成为产品检测、故障诊断和预防疾病流行的重要手段。

利用非接触式红外测温技术可以方便快速可靠地测量建筑外围护结构的表面温度，利用该表面温度，再通过输入该侧的表面换热阻，以及被测对象两侧的空气温度，即可利用程序计算出被测对象的总热阻和传热系数。以北方严寒和寒冷地区采暖期建筑围护结构传热系数现场检测为例，在采暖期，建筑室内外存在较大温差，室内外存在热量传递，在一维稳态传热条件下(采暖期围护结构传热通常按一维稳态传热考虑)，围护结构中存在稳定的热流，根据传热学理论，围护结构中的热流强度的公式为[13-14]：

(1)

经变换可得：

(2)

则围护结构的传热系数为：

(3)

式中：q为一维稳态传热时，被测围护结构中热流强度，W/m2；ti为室内空气温度，℃；te为室外空气温度，℃；θi为被测围护结构内表面温度,℃；Ri为被测围护结构内表面换热阻，m2·K/W；R0为被测围护结构总热阻，m2·K/W；K为被测围护结构的传热系数，W/(m2·K)。

将式(3)在电脑中编成计算程序，计算所需的室内外空气温度ti和te是容易测得的，而且在短时间内可以认为是不变的；内表面换热阻Ri是一个选用值，在建筑节能计算中一般取0.11 m2·K/W(冬季)和0.13 m2·K/W(夏季)；围护结构内表面温度θi，对不同围护结构或同一围护结构的不同点可能是不同的，可以利用非接触式红外测温技术方便、快捷、准确地获得该温度值，然后通过式(3)便能得出该维护结构的传热系数K值。检测时需要将测得的ti、te和选用值Ri输入计算程序，再用红外测温技术测量围护结构内表面温度θi，只要再将θi输入程序，就可获得围护结构对应位置的K值。ti、te和Ri一次输入后，每一个θi就对应一个K值，这样检建筑测围护结构的传热系数方便快捷。

当要测量不同房间外围护结构上各点的θi、R0和K值时，需要重新输入相应房间的ti、te、Ri值即可进行测量；测量同一房间的外围护结构上各点的θi、R0和K值时，如果测量过程持续时间较长，ti、te会发生变化，也需要重新输入当时的ti、te、Ri。

以上的检测计算过程是以测量围护结构内表面温度来检测传热系数的，在采暖期，测量建筑外围护结构的内表面温度是在相对舒适的环境下进行的，而且不受建筑高度的限制，所以一般是通过测量内表面温度θi来获得传热系数K值。当然也可以通过测量北方严寒和寒冷地区采暖期建筑围护结构外表面温度，计算出该围护结构的传热系数K值，只要将计算公式和对应的表面换热阻作相应的变化即可。

即：根据传热学理论，围护结构中的热流强度的公式为：

(4)

由式(4)经变换可得：

(5)

围护结构的传热系数用下式计算：

(6)

式中：q为一维稳态传热时，被测围护结构中热流强度，W/m2；ti为室内空气温度，℃；te为室外空气温度，℃；θe为被测围护结构外表面温度，℃；Re为被测围护结构外表面换热阻，m2·K/W；R0为被测围护结构总热阻，m2·K/W；K为被测围护结构的传热系数，W/(m2·K)。

根据《民用建筑热工设计规范》推荐，建筑外围护结构外表面换热阻Re冬季取值为0.04 m2·K/W，夏季取值为0.05 m2·K/W。

以上所述的研究内容是以北方严寒和寒冷地区采暖期建筑外围护结构传热系数现场检测为例的，如果要现场检测夏季空调房间外围护结构的传热系数(当室内外温度场持续稳定时，可认为是一维稳态传热)，则只需要改变围护结构内表面换热阻Ri或者外表面换热阻Re的值，相应的计算公式保持不变，而室内外空气温度ti、te仍然按实际测量值输入即可。

3 便携式建筑围护结构传热系数现场检测仪设计

根据利用红外测温技术检测建筑围护结构的传热系数的原理与方法，设计一种便携式建筑围护结构传热系数现场检测仪。非接触式红外测温技术从原理到产品都已经很成熟[15]，不再赘述，这里主要介绍本设计的结构组成和使用模式，如图1所示。

图1 检测仪的结构图

3.1检测仪的结构

检测仪由输入、输出、功能选择和计算等功能模块构成。输入部分包括红外测温模块和输入键盘，红外测温模块是用来测量围护结构表面温度的，该温度值直接由显示器显示出来，同时根据需要，输入计算模块1或计算模块2，以计算出传热系数。当需要测量围护结构的传热系数时，输入键盘用来输入室内外空气温度和围护结构的表面换热阻，这几个数也是检测围护结构传热系数的必要参数。测量功能选择模块用来选择测量模式的。计算模块分为模块1和模块2，对应于通过测量围护结构的内表面温度和外表面温度来检测其传热系数的，由于计算所需的其他参数已经由键盘输入，所以每输入一个表面温度就可计算出一个传热系数K值。输出部分即显示器，显示被测对象的表面温度，根据使用模式，可同时显示被测对象的K值。

3.2检测仪的使用模式

本检测仪有3种使用模式：

模式1(T模式)。该模式为单纯的非接触式红外测温模式，与现有的非接触式红外测温仪没有区别，仅仅显示被测物体表面温度。

模式2(θi模式)。该模式为测量建筑外围护结构内表面温度θi来得到被测点的传热系数K值的模式，选择该模式时，设备启动计算模块1，该计算模块是根据式(3)编制的计算程序，通过人工输入ti、te、Ri，结合设备自身获取的θi，即可计算出K值，显示器同时显示被测点表面温度θi和对应部分的K值。

模式3(θe模式)。该模式为测量建筑外围护结构外表面温度θe来得到被测点的传热系数K值的模式，选择该模式时，设备启动计算模块2，该计算模块是根据式(6)编制的计算程序，通过人工输入ti、te、Re，结合设备自身获取的θe，即可计算出K值，显示器同时显示被测点表面温度θe和对应部分的K值。

3.3检测仪的优点

(1) 设备小巧，携带方便。本设备和非接触式温度测量仪或者红外热像仪同等大小，所以携带非常方便。

(2) 测量过程简单快捷。测量过程不需要将温度传感器固定在围护结构表面，而且不需要测量热流强度，所以不需要热流传感器，避免了接线的繁琐与混乱，整个测量过程只需要在温度场稳定后(一维传热状态下)，就像用非接触式温度测量仪测量建筑围护结构表面温度一样简单快捷。

(3) 测量结果准确。由于不使用热流传感器，而且温度传感器也不需要贴附于围护结构表面，所以对被测对象的温度场和热流都不构成干扰，这有利于减小测量误差，提高测量结果的准确性。

4 结 语

建筑节能验收是保障建筑热环境质量和节能效果的重要手段，而围护结构传热系数检测是建筑节能验收的重要内容之一，携带方便、测量快捷、高效准确的检测设备不但能够保证检测过程取得全面的技术经济效果，而且对于促进建筑节能设计水平的提高和建筑节能质量的保证具有重要意义。通过理论分析和实际测量对比，证明利用红外测温技术检测建筑围护结构传热系数的方法是可行的，其结果是可靠的，据此设计的检测仪是一种价格低廉、操作简单、携带方便、测量准确的传热系数检测设备，非常适合建筑节能验收等工程检测之用。

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·名人名言·

一切推理都必须从观察与实验得来。

——伽利略

ResearchandDevelopmentofPortableIn-situDetectorofHeatTransferCoefficientofBuildingEnvelope

ZHUANGJinxun1,GAOChao2,ZHANGJiuhong3

(1.School of Architecture and Art Design, University of Science amp; Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning, China； 2.Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012, Shanxi, China; 3.School of Architecture and Urban Planning, Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168, China)

The commonly-used in-situ test method of heat transfer coefficient of building envelope and its existing problems are introduced briefly in the paper.Through theoretical derivation based on the one-dimensional steady-state heat transfer, the mathematical relation between heat transfer coefficient of building envelope and its one side surface temperature is given in the paper.A method for conveniently and rapidly detecting heat transfer coefficient of building envelope with infrared radiation temperature measuring technology is proposed.Lastly, according to the principle and method of detecting heat transfer coefficient of building envelope with infrared radiation temperature, a kind of in-suit detector of heat transfer coefficient of portable building envelope is designed.It is hoped that this design will provide economic, high-efficient, and rapid detecting means for in-suit detection of heat transfer coefficient of building envelope.

infrared radiation; building envelope; heat transfer coefficient; building energy efficiency; detector

TU 111.2

A

1006-7167(2017)10-0080-04

2017-01-20

国家自然科学基金项目(51278311)；辽宁科技大学实验教学改革及实验室建设项目(SYJG201745)

庄金迅(1972-)，男，江苏沭阳人，副教授，现主要从事建筑物理环境研究。Tel.:13804911739；E-mail:zhjx0524@126.com

张九红(1968-)，女，辽宁锦州人，教授，现主要从事建筑物理环境研究。Tel.:13002422035;E-mail：hongmamm@sina.com