304既有建筑围护结构传热系数现场检测方法研究

1、既有建筑围护结构传热系数现场检测方法研究西安交通大学 姚建波 王沣浩 王东洋 孟祥兆 王新轲 摘要：鉴于建筑节能现场测试是目前我国建筑热工与暖通空调领域研究的热点、难题，本文介绍了建筑围护结构的几种现场检测方法，对其检测依据、数据处理、影响因素提出分析，以期对这一问题的解决提供帮助。关键词：建筑节节能；传传热系数数；现场场检测1 引言言随着能源源和环境境形势日日益严峻峻，建筑筑节能将将是我国国的一项项长期国国策。传传热系数数是建筑筑热工节节能设计计中的重重要参数数。建筑筑构件（如门、窗等）的传热热系数,可在实实验室条条件下对对其进行行测试。而建筑筑围护结结构是在在建造过过程中形形成的，其传热热

2、系数需需要现场场检测才才能确定定。通过过检测建建筑的实实际传热热性能,来判定定建筑保保温隔热热系统的的产品、技术是是否符合合节能设设计要求求,以此此来鉴定定新系统统的产品品、技术术的优缺缺点等，同时对对分析建建筑物实实际运行行中的能能耗状况况和施工工过程的的偏差也也起着非非常重要要的作用用。因此此本文将将对传热热系数现现场测试试方法进进行研究究总结。2现有围围护结构构传热系系数现场场检测基基本方法法目前对建建筑节能能现场检检测围护护结构的的传热系系数的方方法主要要有四种种，即热热流计法法、热箱箱法、控控温箱-热流计计法和常常功率平平面热源源法，另另外红外外热像仪仪法作为为目前热热故障诊诊断和检

3、检测领域域的先进进手段之之一，也也常用于于围护结结构热工工性能的的检测。2.1 热流计计法（1）热热流计法法原理1热流计法法是利用用温差和和热流量量之间的的对应关关系进行行传热系系数的测测定。通通常的做做法是用用热流计计、热电电偶在现现场检测测出被测测围护结结构的热热流密度度以及内内、外表表面温度度,通过过数据处处理计算算得出建建筑物围围护结构构各部分分的传热热系数（如图11）。计计算公式式如下： （1）式中，kk为传热系系数,W/(m2K)；Rf为内表面面换热, m2K/ W；R为被测墙墙体的热热阻, m2K/ W；Re为外表面面换热阻阻, m2K/ W。图1热流流法示意意图（2）热热流计法

4、法特点热流计法法的核心心是测量量通过被被测对象象的热流流,并假假定传热热为一维维。否则则,热流流有分量量,计算算出的被被测物的的热阻偏偏小,传传热系数数就偏大大。该方方法是国国家检测测标准首首选的方方法,在在国际上上也是公公认的方方法,但但是这种种方法用用在现场场测试有有严重的的局限性性。因为为使用该该方法的的前提条条件是必必须在采采暖期才才能进行行测试,我国的的现实情情况是有有些地区区基本不不采暖、采暖地地区的有有些工程程又在非非采暖期期竣工等等,这样样就限制制了它的的使用。在计算算时所用用到的内内外墙表表面换热热系数受受环境（温度、风速、辐射等等）的影影响显著著。如文文献22对实实验用房房

5、进行了了不同风风速的情情况下，外墙表表面换热热系数AA的研究究，结果果表明外外环境（风速）对外墙墙表面换换热系数数的影响响很大(如表11)。文文献3344就其其它环境境（如雨雨水和太太阳辐射射等）条条件对围围护结构构传热系系数的影影响也作作了研究究和分析析，结果果表明也也有较大大的影响响。表1 几几种不同同风速下下的表面面换热系系数V(m/s)0.20.50.80.72.02.5A(W/KK)14.77516.55617.88720.11821.55022.660（3）双双面热流流计法它是改进进的热流流计法，一般的的热流计计法是在在墙体内内表面（环境相相对较稳稳定）测测定热流流值，而而双面热热

6、流计法法是同时时测定墙墙体内外外两表面面的热流流。由于于墙体的的传热属属于非稳稳定传热热，在同同一时刻刻所测得得的温度度值和热热流值实实际上由由于温度度波的时时间延迟迟两者在在时间上上不吻合合；另一一方面，由于墙墙体的蓄蓄热作用用，由外外表面进进入墙体体内部的的热流值值，与同同一时刻刻由墙体体内部流流过内表表面的热热流不一一致。采采用双面面热流计计法测量量墙体的的热阻就就可以消消除这两两个影响响5。但这这必须在在环境较较为稳定定的情况况下进行行，不然然外墙测测得热流流因受环环境的影影响太大大而失去去意义。2.2 热箱法法（1）热热箱法原原理66热箱法的的基本原原理是用用人工制制造一个个一维传传

7、热环境境,被测测部位的的内侧用用热箱模模拟采暖暖建筑室室内条件件,并使使热箱内内的空气气温度和和室内的的空气温温度保持持一致,另一侧侧为室外外自然条条件,维维持热箱箱内温度度高于室室外温度度 8以上,这样被被测部位位的热流流总是从从室内向向室外传传递；当当热箱内内的加热热量与通通过被测测部位的的传递热热量达到到平衡时时,通过过测量热热箱内的的加热量量得到被被测部位位的传热热量,从从而根据据公式（2）计计算出被被测部位位的传热热系数。因为要要检测通通过被测测对象的的热量，因此要要把传向向别处的的热量进进行剔除除(如图图2)。 （2）式中,KK为传热系系数,W/(m2K)；Q为通过试试件功率率,W

8、；A为热箱开开口面积积,m2；Ti为热箱空空气温度度,；Te为冷箱空空气温度度,。图2热箱箱法示意意图热箱法作作为实验验室检测测建筑构构件热工工性能的的方法使使用由来来已久，发展较较为成熟熟，并颁颁布有国国际、国国内的标标准，但但用来进进行现场场检测建建筑物热热阻或传传热系数数的热箱箱法还处处于研究究当中。它的特特点是不不受季节节限制，只要室室外平均均空气温温度在225以下，相对湿湿度在660%以以下，热热箱内温温度大于于室外最最高温度度8以上就就可以测测试。热热箱法的的被测部部位是“面”,避免免了被测测围护结结构的局局部热工工缺陷导导致测试试数据的的较大误误差，且且其自动动化程度度较高。但是

9、在在现场如如何消除除误差是是一个不不容回避避的问题题。因为为环境在在变，采采用标定定热箱法法就不适适宜；如如果采用用防护热热箱法就就要把整整个被测测房间加加热或用用一个大大的防护护箱，这这样设备备大又多多, 不不适合在在现场作作业。同同时若要要达到一一维传热热假定，所规定定的加热热面的高高和宽至至少为墙墙体厚度度8110倍的的要求,仅热箱箱加热面面的高与与宽就必必须达到到至少22m以上上,这在在现场检检测中难难以实现现,在使使用中存存在较大大误差。该方法法在国内内尚属研研究阶段段，其局局限性在在于热桥桥部位无无法测试试，因设设备较多多而不利利于现场场测试，且尚未未有关热热箱法的的国际标标准或国

10、国内权威威机构的的标准，仅限于于实验室室测定与与研究。2.3 控温箱箱热流计计法77（1）控控温箱热流计计法原理理控温箱-热流计计法的基基本原理理与热流流计法相相同，它它利用控控温箱控控制温度度，模拟拟采暖期期建筑物物的热工工状况，用热流流计法测测定被测测对象的的传热系系数。控控温箱是是一套自自动控制制装置，可以根根据检测测者的要要求设定定温度,来模拟拟采暖期期建筑物物的热工工特征。控温设设备由双双层框构构成,层层间填充充发泡聚聚氨酯或或其它高高热阻的的绝热材材料。具具有致冷冷和加热热功能,根据季季节进行行双向切切换使用用,夏季季高温时时期用致致冷运行行方式,春秋季季用加热热方式运运行。采采用

11、先进进的PIID调节节方式控控制箱内内温度,实现精精确稳定定的控温温。在这这个热环环境中测测量通过过墙体的的热流量量、箱体体内的温温度、墙墙体被测测部位的的内外表表面温度度、室内内外环境境温度,根据热热流计法法计算公公式（11）计算算被测部部位的热热阻和传传热系数数。温度度由温度度传感器器测量，热流由由热流计计测量。温度之之和热电电势值由由与之相相连的温温度热流流自动巡巡回检测测仪自动动记录，可以设定定巡检时时间间隔隔(如图图3所示示)。图3 控控温箱热流计计法示意意图2）控温温箱热流计计法特点点控温箱热流计计法综合合了热流流计法和和热箱法法两种方方法的特特点。用用热流计计法作为为基本的的检测

12、方方法,同同时用热热箱来人人工制造造一个模模拟采暖暖期的热热工环境境,这样样既避免免了热流流计法受受季节限限制的问问题,又又不用校校准热箱箱的误差差,因为为此热箱箱仅是温温度控制制装置,不计算算输入热热箱和热热箱向各各个方向向传递的的功率。因此不不用庞大大的防护护箱在现现场消除除边界热热损失,也不用用标定其其边界热热损失。现今广广泛应用用的材料料导热系系数平板板测试法法也是这这个原理理,从热热量传递递的物理理过程来来看,材材料导热热系数的的测试过过程和建建筑物围围护结构构传热系系数检测测过程是是相同的的。这种种方法问问世时间间较短,还需要要严密的的理论推推导和实实践检验验。2.4 常功率率平面

13、热热源法8（1）常常功率平平面热源源法原理理常功率平平面热源源法是非非稳态法法中一种种比较常常用的方方法,适适用于建建筑材料料和其它它隔热材材料热物物理性能能的测试试。其现现场检测测的方法法是在墙墙体内表表面人为为地加上上一个合合适的平平面恒定定热源, 对墙墙体进行行一定时时间的加加热,通通过测定定墙体内内外表面面的温度度响应来来辨识出出墙体的的传热系系数（如如图4）。该系系统一般般用人工工神经网网络方法法仿真求求解。图4常功功率平面面热源法法示意图图（2）常常功率平平面热源源法特点点此方法是是非稳态态法检测测物体热热性能的的一种方方法,可可大大缩缩短实际际检测时时间, 且能减减小室外外空气温

14、温度变化化给传热热过程带带来的影影响。在在实验室室，用非非稳态法法检测材材料的热热性能较较广泛, 但是是用来进进行现场场检测还还需做大大量的工工作才行行,包括括设备开开发、系系统编程程、神经经网络训训练和训训练效果果评定等等工作技技术性要要求很高高,测试试结果的的稳定性性、重复复性都需需大量的的、可靠靠的数据据来支撑撑。2.5墙墙体热工工缺陷红红外热像像检测技技术99当被测墙墙体存在在不连续续性时,由于连连续区域域和不连连续区域域的热扩扩散系数数不同,物体表表面相应应位置的的温度也也就不同同,即墙墙体表面面局部区区域产生生温度梯梯度,从从而导致致墙体表表面红外外辐射能能发生差差异,红红外探测测

15、器探测测到墙体体的红外外辐射能能,经信信号处理理为热像像图后由由显示器器显示出出来,通通过分析析热像图图就可以以进行测测温或推推断墙体体内部是是否存在在缺陷。当墙体体内部存存在缺陷陷,如空空洞、热热桥、保保温层受受潮,外外墙面砖砖或水泥泥砂浆抹抹面产生生剥离等等现象时时,这些些有缺陷陷的部位位与正常常部位相相比,会会在外表表面产生生温度差差,通过过分析红红外热像像仪所测测得的温温度分布布图像,便可知知空洞、热桥、受潮或或剥离等等缺陷部部位的位位置及大大小。尽管红外外热像仪仪能够快快速准确确地测量量物体表表面的温温度,但但是由于于它所能能测得的的仅仅是是墙体表表面的温温度,无无法测得得热流值值,

16、因此此在墙体体传热系系数现场场测试时时可以结结合红外外热像法法获取表表面温度度的即时时数据并并进行分分析,但但红外热热像仪法法无法单单独用来来检测墙墙体的传传热系数数,在实实际检测测中需要要与其它它测试方方法配合合使用。红外热热像仪用用于建筑筑节能研研究和检检测在我我国尚处处于起步步阶段,它将会会极大地地推进建建筑节能能现场检检测技术术的提高高,具有有广阔的的应用前前景。3现场测测试的数数据处理理现场测试试数据处处理常用用的是稳稳态算法法，这种种方法把把传热过过程简化化为一维维稳态传传热，在在两侧温温差为t时，根据傅傅立叶定定律来计计算墙体体的导热热热阻。这种方方法所要要求的条条件苛刻刻，需要

17、要稳定的的时间较较长，所所以在现现场测试试中运用用时，一一般得到到不是很很精确的的结果。同时由由于墙体体的储热热和侧向向传热作作用始终终存在，其计算算误差较较大。因因此有人人提出了了导热损损失和不不同保温温围护结结构的传传热系数数的修正正100。另另外，在在有限元元法基础础上提出出了动态态分析法法，在温温度和热热流变化化较大的的情况下下,采用用动态分分析方法法111可从从对热流流计测量量数据的的分析，求得建建筑物围围护结构构的稳态态热性能能。目前前围护结结构传热热非稳态态的算法法主要有有反应系系数法、Z传递递函数法法、拉普普拉斯变变换函数数法，以以及国内内频域回回归方法法（FDDR方法法）11

18、2。针对非非稳态传传热设计计了测试试系统，并编制制了非稳稳态导热热的程序序，辨识识了传热热系数。但是这这些方法法都存在在一些困困扰和问问题，如如计算结结果易出出现差错错、计算算收敛性性、计算算结果难难以验证证、实现现难度大大等。4 结论论建筑节能能现场检检测技术术是推行行建筑节节能政策策、标准准的重要要内容,因为我我国地域域广阔,各地气气候条件件和建筑筑特色各各异,且且传热复复杂，容容易受环环境影响响，各地地都针对对地方特特点展开开了积极极而深入入地研究究，从测测试到数数据处理理均逐步步得到改改进，测测试条件件也由稳稳态向非非稳态，由复杂杂限制条条件到适适合现场场测试的的简单条条件，由由忽略环

19、环境影响响到研究究环境影影响发展展。虽然然目前还还没有一一种受到到大家广广泛认可可、简便便易行、设备投投资小、适合现现场检测测的方法法,但是是也取得得了一定定的成果果,这些些成果必必将对落落实建筑筑节能起起到一定定的促进进作用。参考文献献1孙孙增桂，郑宜涛涛.热流流计法在在建筑节节能检测测中的应应用.建建设科技技.20003.62JJayaamahha SSEG, Wijjeyssundderaa NEE annd CChouu SKK, MMeassureemennt oof tthe heaat ttrannsfeer ccoeffficciennt fforwwalll, BBuilldinng aand Envviroonmeent.19996,331(55):3399-4077.3JJayaamahha SS E G, Wijjeyssundderaa N E aand Choou SS K, Efffecct oof rrainn onn thhe hheatt gaain thrrouggh bbuilldinng wwallls iin ttroppicaal cclimmatees. Buiildiing andd Ennvirronmmentt.19997, 322(5):4665-4477.4CChoww WKK annd CChan