控溫箱-熱流計法在夏熱冬冷地區圍護結構傳熱系數現場檢測中的應用
現場試驗設備：
TR70B傳熱系數檢測儀、1.2mX1.2m熱箱3組、冷箱1組、PT1000鉑電阻12條、熱流計片3支、U盤一個
對目前夏熱冬冷地區建筑圍護結構傳熱系數現場檢測方法及其局限性進行了分析和思考，結合實例敘述了控溫箱-熱流計法的檢測過程，對于夏熱冬冷地區而言，該方法有較好的適應性。
1、概述
夏熱冬冷地區的氣候特點為夏季悶熱、冬季寒冷、環境潮濕、日照率低、靜風率高以及夏天和冬天室內外的溫差較小. 該地區夏天主要依靠通風和空調降低室內溫度，而冬天主要依靠人體溫度或使用暖空調升高室內溫度. JGJ132-2009《居住建筑節能檢驗標準》規定，建筑節能現場檢測所用的熱流計法應在采暖期進行，這給夏熱冬冷地區的現場檢測工作帶來諸多的不便. 夏熱冬冷地區的居住建筑室內基本沒有采暖和供暖設施，即使到了采暖期，室內外的溫差也同樣不具備可供檢測的溫差. 并且使用熱流計法進行居住建筑圍護結構傳熱系數測定時，無法在被測墻體上建立一個理想的一維的穩態傳熱條件.
建筑圍護結構傳熱系數是建筑節能檢測的一個重要參數，各地根據地方氣候特點都在研究適應當地特點的檢測方法。目前圍護結構傳熱系數檢測方法中具備代表性的有熱流計法、熱箱法和控溫箱－熱流計法。筆者經過比較，認為控溫箱－熱流計法在夏熱冬冷地區有較好的適應性。控溫箱－熱流計法利用控溫箱人工控溫、模擬采暖熱環境，采用熱流計法進行數據采集和處理，得到被測墻體的傳熱系數。下面分別對熱流計法、熱箱法、控溫箱－熱流計法的檢測原理及操作方法進行比較。
2、目前傳熱系數檢測方法簡介
2.1 熱流計法
目前國內用于實踐的砌體熱阻/傳熱系數檢測方法以熱流計法為普遍。這種方法是以一維穩態傳熱原理為基本前提的。如圖1( 箭頭所示為熱流方向及分布)熱流計法是在一維穩態傳熱的前提下, 通過檢測熱流計的熱流密度和砌體兩面的溫差, 根據公式: R=△t/q 來計算砌體的熱工性能( 熱阻、傳熱系數) 。但這種方法在實際應用中有很多缺陷。
、熱流計適用于相對均質的材料。而現有建筑砌體材料的多樣性很難滿足這個要求, 特別是空心砌塊、空心磚等空心砌體材料, 空心的尺寸對于熱流計來說遠夠不上均質, 所以, 直接用熱流計法來檢測這樣的砌體, 誤差就會很大, 一般采用加大熱流計粘貼數量、通過測試數據的平均值來減小誤差, 但數據的差別對其科學性和真實性的影響是比較明顯的。
第二, 熱流計在砌體表面粘貼時, 為了使粘貼平整且沒有氣孔, 需用外力擠壓, 而且是經常性的, 經常性的擠壓很可能破壞熱流計的工況, 但熱流計的工況是否正常一般情況下是很難覺察的, 因為熱流計的標定很不容易操作, 所以, 數據的可靠性很難保證。
第三, 檢測時室內外要求有一定的溫差, 自然環境下只有冬季采暖期才基本滿足要求, 但滿足溫差要求的時期并不多, 其他時期如果采用加熱所測環境溫度實現溫差要求, 在方法上有很大的難度。熱流計法規定了在采暖期供熱系統正常運行后進行檢測，檢測持續時間不應小于96 h. 但是，如果按規定至少連續檢測96 h，整個檢測周期偏長，在夏熱冬冷地區沒有供暖系統的情況下就無法進行檢測.具備供暖系統一般情況也無法能很好的控制內外表面溫差達到標準GB/T23483-2009《建筑物圍護結構傳熱系數及采暖供熱量檢測方法》規定的要求（見表1）。而且有些建筑工程在非采暖季竣工，如果要等到冬季采暖后進行檢測，必然給工程的竣工驗收造成影響。此外，由于全年的檢測工作都將集中到冬季，勢必造成工作量集中，也會給檢測工作帶來很大的困難。熱流計法檢測如圖2 所示。
傳熱系數K/（W/（m2·K）） | 溫差Th-Ti/K |
K≥0.8 | ≥12 |
0.4≤K＜0.8 | ≥15 |
K＜0.4 | ≥20 |
表1
2.2 熱箱法
熱箱法作為實驗室檢測建筑構件熱工性能的方法使用由來已久, 發展較為成熟, 并頒布有、國內的標準, 但用來進行現場檢測建筑物熱阻或傳熱系數的熱箱法還處于研究當中。熱箱法也是基于一維穩態傳熱原理,通過測量計量箱為維持一定的設定溫度而需要的加熱功率和砌體兩面的溫差, 通過公式R=(A△t) /Q 來計算砌體的熱工性能( 熱阻和傳熱系數) 。熱箱法檢測裝置由恒溫箱、計量箱、溫度傳感器、數據采集儀等組成。它的主要特點是不受季節限制。熱箱法的被測部位是" 面", 避免了被測圍護結構的局部熱工缺陷導致測試數據的較大誤差, 且其自動化程度較高。但是在現場如何消除誤差是一個不容回避的問題, 因為環境在變, 采用標定熱箱法就不適宜;如果采用防護熱箱法就要把整個被測房間加熱或用一個大防護箱,目前現場檢測中，一般是將現場的一間房子當作恒溫箱, 將其內溫度加熱到和計量箱相同的溫度, 這在操作中有時是很不現實。同時若要達到一維傳熱假定, 所規定的加熱面的高和寬至少為墻體厚度8～10 倍的要求, 僅熱箱加熱面的高與寬就必須達到至少2 m 以上, 這在現場檢測中難以實現, 且在實際使用中存在較大誤差。該方法在國內尚屬研究階段,其局限性在于熱橋部位無法測試, 因設備較多而不利于現場測試, 且尚未有關熱箱法的標準或國內機構的標準, 于實驗室測定與研究。熱箱法檢測如圖3 所示。
2.3 控溫箱- 熱流計法
控溫箱- 熱流計法是將熱流計法和熱箱法相結合, 用熱流計測量通過砌體的熱流密度, 用恒溫箱來保證砌體內外溫差, 根據熱流計法的計算原理來計算砌體的熱工性能, 能夠做到檢測不受檢測環境溫度條件的限制,在任何季節都能開展工作。溫控箱- 熱流計法檢測如圖4 所示。
控溫箱－熱流計法的測試原理和數據計算方法與熱流計法相同，主要區別是測試環境。熱流計法測試時墻體兩端均是自然采暖時的室內外溫度環境；控溫箱－熱流計法測試時用控溫箱控制溫度， 模擬采暖期建筑物的熱工狀況，一端是人工控溫溫度環境，另一端是自然溫度環境。控溫箱是一套自動控溫裝置, 可以根據檢測者的要求設定溫度, 來模擬采暖期建筑物的熱工特征。采用先進的PID 調節方式控制箱內溫度, 實現穩定的控溫。能夠滿足GB/T23483-2009《建筑物圍護結構傳熱系數及采暖供熱量檢測方法》中測試墻體時對內外表面溫差的要求（見表1）。
在這個熱環境中測量通過墻體的熱流量、箱體內的溫度、墻體被測部位的內外表面溫度、室內外環境溫度，也可根據式（1）、（2）計算被測部位的熱阻和傳熱系數。現場檢測示意圖見圖5。
式中:K為圍護結構傳熱系數,W/(m2·℃)；
R為圍護結構熱阻,(m2·℃)/W；
Re為圍護結構外表面對流換熱熱阻,(m2·℃)/W；
Ri為圍護結構內表面對流換熱熱阻,(m2·℃)/W；
Tij為圍護結構內表面溫度的第j次測量值，℃；
Toj為圍護結構外表面溫度的第j次測量值，℃；
qj為熱流密度的第j次測量值，W/ m2。
溫度由溫度傳感器( 通常用銅- 康銅熱電偶或熱電阻) 測量, 熱流由熱流計測量, 熱流計測得的值是熱電勢, 通過測頭系數轉換成熱流密度。溫度值和熱電勢值由與之相連的溫度、熱流自動巡回檢測儀自動記錄, 可以設定巡檢的時間間隔。根據GB/T23483-2009《建筑物圍護結構傳熱系數及采暖供熱量檢測方法》中要求記錄時間間隔不應大于30min。
3．控溫箱- 熱流計法檢測實例
3.1工程概況
所測工程為北京市某小區，檢測的圍護結構為該工程二樓一朝東墻體，墻體保溫形式采用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，其熱工性能計算見表2。
構造層次/材料 | 導熱系數 W/（m·k) | 厚度 mm | 修正 系數 | 熱阻R （m2·k）/W |
水泥砂漿（含玻纖網布） | 0.930 | 10 | 1.00 | 0.011 |
膠粉聚苯顆粒保溫砂漿 | 0.080 | 35 | 1.15 | 0.38 |
頁巖模數多孔磚 | 0.444 | 200 | 1.00 | 0.450 |
無機礦物輕集料保溫砂漿 | 0.080 | 10 | 1.15 | 0.109 |
水泥砂漿 | 0.930 | 20 | 1.00 | 0.022 |
內外層面空氣換熱阻 | --- | --- | --- | 0.15 |
墻體傳熱阻R：（m2·k）/W | 1.122 |
傳熱系數K：W/（m2·k） | 0.8913 |
備注 | 設計滿足《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005中傳熱系數K≤1.0 W/（m2·k）的要求。 |
表2
3.2儀器設備
根據控溫箱-熱流計法的要求，選用TR70B墻體傳熱系數現場檢測裝置，其主要特點：1.實時采集3個通道多點溫度及熱流值數據；2.全面顯示實時數據；3.動態顯示實驗過程曲線；4.可連續存儲多達300小時實驗數據；5.可人工控制箱內溫度25-60℃；6. 控溫裝置的控溫面積是熱流計傳感面積的10 倍，消除了邊界效應.
在該設備投入使用前，為驗證設備的準確性，用已知導熱系數的保溫板作為標準試件，模擬現場外墻檢測其傳熱系數，保溫板換算傳熱系數為0.51 00W/(m2·℃)，設備第3通道兩次檢測結果為：0.4871 W/(m2·℃).（偏差為-4.49%）和0.4907 W/(m2·℃)（偏差為-3.78%）；2通道1次檢測結果為0.5200 W/(m2·℃)（偏差為+2.00%），偏差均低于5%，表明該設備準確性可以接受。
3.3.檢測要點
3.3.1 選擇檢測部位的原則
現場檢測宜在已充分干燥的墻體或主體結構進行。限于客觀條件，無法對每棟竣工的建筑的所有保溫結構都進行檢測，因此，只能抽取代表性建筑的代表性房間進行檢測。當測試主體部位的傳熱系數時，為了使傳熱過程接近一維傳熱，檢測墻面長度和寬度越大越好，一定程度上檢測房間越大越好。
由于建筑物耗熱量指標是由圍護結構的傳熱系數和傳熱面積決定的，因此，根據熱工計算要求，在建筑節能現場檢測中，必須選擇建筑物的屋頂、外墻、熱橋、樓梯間隔墻和地下室頂板等部位作為檢測部位，無熱橋或地下室頂板的部位除外。但在現場檢測時，還要考慮設備的安裝，選擇適合設備箱體大小的、帶有保溫系統的外墻，且對應的外墻應便于安裝設備外機。
測點位置應盡量選擇在檢測部位的中央，當測量圍護結構主體部位的傳熱系數時，應根據檢測目的采用紅外熱像儀協助確定，測點不應靠近熱橋、裂縫和有空氣滲漏的部位，不應受加熱、制冷裝置和風扇的直接影響，且應避免陽光直射。圍護結構被測區域的外表面應避免雨雪侵襲和陽光直射。
3.3.2 熱流計和溫度傳感器的安裝方法
熱流計應直接安裝在被測圍護結構的內表面；溫度傳感器應在被測圍護結構兩側表面安裝。內表面溫度傳感器應靠近熱流計安裝，外表面溫度傳感器宜在與熱流片相對應的位置安裝。墻體傳熱系數現場檢測裝置的內箱體上配備有3塊熱流計，旁邊有6塊溫度傳感器，安裝時須將外機上的溫度傳感器直接對應于內箱的熱流計上，緊貼墻面，該過程需要測量確定位置。
3.3.3 測量時間的控制
檢測時待墻體蓄熱穩定后方可進行正式測試，檢測時間應≥96 h。采用累積式測法，每15 min 自動記錄數據1 次。對于輕型圍護結構：單位面積比熱容< 20kJ/(kg·K)，宜使用夜間采集數據(日落后1 h 至日出)計算圍護結構的熱阻。當經過連續4 個夜間測量之后，相鄰2 次測量的計算結果相差≤5%時即可結束測量。對于重型圍護結構：單位面積比熱容≥20kJ/(kg·K)，應使用全天采集數據(24 h 的整數倍)計算圍護結構的熱阻，且只有在下列條件得到滿足時方可結束測量：
(1)末次熱租R 計算值與24 h 之前的R 計算值相差≤5%；
(2)檢測期間內第1 個INT(2 ×DT/ 3)天數內與后一個同樣長的天數內的R 計算值相差≤5%(注：DT 為檢測持續天數，INT 表示取整數部分)。
3.4 檢測數據與結果分析
檢測周期為七天，時間是2010年4月27日12：21至2010年5月4 日17：33 ，共記錄1097條數據。達到穩定狀態時為2010年4月30日17：38至2010年5月4 日17：33，共記錄602條數據，結果分析其偏差見表3。
檢測時間 | 記錄數據個數 | 主體部位熱阻值(m2·℃)/·W | 計算值偏差（%） |
2010年4月30日17：38至2010年5月2 日12：26 （周期前2/3天數的整數天） | 259 | 1.1296 | 1.34 |
2010年5月2日17：39至2010年5月4 日17：33 （周期后2/3天數的整數天） | 311 | 1.1450 |
2010年4月30日17：38至2010年5月4 日17：33 （末次值） | 602 | 1.0492 | 1.77 |
2010年4月30日17：38至2010年5月1日17：33 （前24h值） | 155 | 1.0681 |
表3
通過以上表格數據可以看出檢測數據能很好的將計算值控制在≤5%。檢測數據符合規范要求，根據2.3節式（1）：
為 7266.7K ， 
為 6926.2 W/ m2 ，R= 1.0492 (m2·K)/W，
根據2.3節式（2）： 
，K=0.8339 W/（m2·K）≤設計值0.8913 W/（m2·K），符合設計要求。
5 結語
5.1 綜合墻體熱工傳熱系數三種檢測方法比較：熱流計法基本適應于北方地區的現場傳熱系數檢測，熱箱法適應于實驗室的墻體檢測，而控溫箱-熱流計法可用于夏熱冬冷地區的現場傳熱系數檢測。控溫箱- 熱流計法綜合了熱流計法和熱箱法兩種方法的特點。用熱流計法作為基本的檢測方法, 同時用熱箱來人工制造一個模擬采暖期的熱工環境, 這樣既避免了熱流計法受季節限制的問題, 又不用校準熱箱的誤差, 熱箱僅是溫度控制裝置, 不計算輸入熱箱和熱箱向各個方向傳遞的功率。因此不用龐大的防護箱在現場消除邊界熱損失, 也不用標定其邊界熱損失。
5.2 針對目前的一些檢測方法受環境溫度和季節的限制問題，本文認為保證檢測部位內外溫差15 ℃以上的條件下測試是可行的，使用控溫箱-熱流計法檢測時不受季節氣候的影響，在夏熱冬冷地區有較好的適應性和可操作性，使得這種方法能滿足節能工程的質量控制和節能工程竣工驗收.
5.3 由于本方法采用人為控制溫差的方法，能夠顯著提高檢測效率，使檢測周期縮短，通過近來的實踐應用表明，控溫箱-熱流計法切實可行，檢測數據準確可靠，完夠滿足夏熱冬冷地區建筑節能現場檢測的要求。
