024 熱箱-熱流計(jì)法檢測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻在非采暖地區(qū)應(yīng)用探討

1、熱箱法檢測(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)在非采暖地區(qū)應(yīng)用探討*基金項(xiàng)目：江蘇省2006年度建設(shè)系統(tǒng)科技計(jì)劃項(xiàng)目(JS200623);江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2009181) 馮小平 華淵 張鵬飛 黃偉民江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇，無(wú)錫，214122 摘要：控溫箱熱流計(jì)法（簡(jiǎn)稱熱箱法）運(yùn)用熱流計(jì)法作為基本的檢測(cè)方法，同時(shí)用熱箱人工模擬采暖期的熱工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測(cè)，這樣既避免了熱流計(jì)法受季節(jié)限制的問(wèn)題。為檢驗(yàn)熱箱法在非采暖地區(qū)應(yīng)用效果，對(duì)某建筑物外墻傳熱系數(shù)在不同環(huán)境條件下進(jìn)行檢測(cè)，分析了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性以及氣候條件、太陽(yáng)輻射、側(cè)向熱流等因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱

2、系數(shù)的影響。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在非采暖地區(qū)應(yīng)用熱箱法進(jìn)行建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是可行的，應(yīng)用時(shí)需要盡量避免環(huán)境因素和側(cè)向熱流對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，其實(shí)驗(yàn)誤差的修改方法有待進(jìn)一步研究。關(guān)鍵詞： 熱箱法 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu) 熱阻 節(jié)能檢測(cè)Discussion on applying temperature controlled box-heat flow meter method for measurement of heat transfer coefficient of building envelopes in non-heating regionFENG Xiao-Ping zhangpeng

3、fei Huangweimin Huayuan School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi, China, 214122;Abstract: The temperaturecontrolled box-heat flow Meter Method is the use of artificial temperaturecontrol box temperature to build a hot environment and heat flow meter to detect the data

4、, through data processing，to get the wall heat transfer coefficient. It can be used to measure heat transfer coefficient of building envelopes in non-heating seasons. In the paper, heat transfer coefficient of a outer wall are measured under variant climate condition in wuxi, the errors of the data

5、and influence factors including climate condition, solar radiation, lateral heater losses are analyzed. The results shows that it is feasible to use box-heat flow meter method to measure heat transfer coefficient of building envelopes in non-heating regions. Attention should be paid to the influenci

6、ng factors of the measuring results. In addition, error correction will be studied in the future.Keywords: box-heat flow meter method, building envelope, heat transfer coefficient; energy conservation measurement1 引言為改善居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，提高人民居住水平，提高采暖、空調(diào)能源利用效率，貫徹執(zhí)行國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，2001年夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施1。該標(biāo)準(zhǔn)在提

7、出節(jié)能50%的同時(shí)，對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能也進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定。雖然節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)階段保證了建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能達(dá)到目標(biāo)要求，但并不能保證建筑物建造完后也能達(dá)到節(jié)能要求，因?yàn)榻ㄖ氖┕べ|(zhì)量同樣非常關(guān)鍵。因此，判定建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，僅靠資料并不能給出結(jié)論，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。目前建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)主要的檢測(cè)方法熱流計(jì)法、控溫箱熱流計(jì)法(簡(jiǎn)稱熱箱法)、溫度場(chǎng)響應(yīng)法。其中熱流計(jì)法是國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)首選的方法，在國(guó)際上也是公認(rèn)的方法，但是這種方法的缺點(diǎn)是必須在采暖期才能進(jìn)行測(cè)試，這樣就限制了它的使用。為解決熱流計(jì)法受季節(jié)限制問(wèn)題，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出熱箱法，該方法用熱流計(jì)法作為基本的

8、檢測(cè)方法，同時(shí)用熱箱來(lái)人工制造一個(gè)模擬采暖期的熱工環(huán)境，這樣既避免了熱流計(jì)法受季節(jié)限制的問(wèn)題，又不用校準(zhǔn)熱箱法的誤差。為檢驗(yàn)熱箱法在非采暖地區(qū)應(yīng)用效果，對(duì)無(wú)錫市某建筑物外墻傳熱系數(shù)在不同環(huán)境條件下進(jìn)行檢測(cè)，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)的適用性和氣候環(huán)境、太陽(yáng)輻射等因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響2。2 測(cè)試原理熱箱法是測(cè)定熱箱內(nèi)電加熱器所發(fā)出的全部通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱表面溫度。其基本檢測(cè)原理是用人工制造一個(gè)一維傳熱環(huán)境，被測(cè)部位的內(nèi)側(cè)用熱箱模擬采暖建筑室內(nèi)條件，另一側(cè)為室外自然條件，維持熱箱內(nèi)溫度高于室外溫度8以上，這樣被測(cè)部位的熱流總是從室內(nèi)向室外傳遞，當(dāng)熱箱內(nèi)加熱量與通過(guò)被測(cè)部位的傳遞熱量達(dá)平衡時(shí)

9、，通過(guò)測(cè)量熱箱的加熱量得到被測(cè)部位的傳熱量，經(jīng)計(jì)算得到被測(cè)部位的傳熱系數(shù)。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的定義，當(dāng)傳熱處于穩(wěn)態(tài)條件下時(shí)，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量應(yīng)該與通過(guò)熱流計(jì)的熱流量相等。這樣，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻可由下式計(jì)算： （1）則圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻為： （2）其傳熱系數(shù)則可通過(guò)下式計(jì)算： （3）其中，為被測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)加裝熱流計(jì)后，熱流計(jì)兩面的溫差為通過(guò)熱流計(jì)的熱流量，W/m2為內(nèi)表面換熱阻，取0.11m2K/W。為外表面換熱阻，取0.04 m2K/W。3 測(cè)試系統(tǒng)該測(cè)試裝置由熱箱、溫度控制系統(tǒng)和溫度、熱流檢測(cè)儀（BES-A）等組成。測(cè)試裝置通過(guò)控制熱箱內(nèi)溫度，人為造成試件兩側(cè)溫差。在相對(duì)穩(wěn)定條件下，進(jìn)行有關(guān)

10、參數(shù)的測(cè)量，從而提高總體測(cè)試精度。3.1熱箱裝置熱箱采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁設(shè)高效保溫層。熱箱內(nèi)設(shè)有加熱元件及空氣 循環(huán)裝置。熱箱內(nèi)溫度采用PID調(diào)節(jié)，恒溫控制。熱箱內(nèi)尺寸12001000 (mmmm)。箱內(nèi)溫度控制范圍2050；溫度控制精度0.2；溫度波動(dòng)范圍0.2。3.2 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)由溫度傳感器、熱流傳感器、BES-A圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀及數(shù)據(jù)通訊處理軟件組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)熱箱內(nèi)外空氣溫度、試件表面溫度和熱流密度等參數(shù)的高精度測(cè)量。直接顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和試件熱阻及傳熱系數(shù)。（1）溫度測(cè)量檢測(cè)時(shí)需要測(cè)量室內(nèi)外環(huán)境溫度、被測(cè)墻體內(nèi)外表面溫度、控溫箱內(nèi)環(huán)境溫度、控溫箱加熱器控制點(diǎn)溫度。溫度由溫

11、度傳感器測(cè)量，本該測(cè)試裝置有8路通道用于溫度的測(cè)量，量程范圍為-40100；準(zhǔn)確度0.2。（2）熱流密度測(cè)量熱流由熱流計(jì)測(cè)量。熱流計(jì)是一組熱電偶組成的熱電堆，直接測(cè)得的值是熱電勢(shì)，通過(guò)測(cè)頭系數(shù)轉(zhuǎn)換成熱流密度。本該測(cè)試裝置有2路通道，量程范圍為020mV；測(cè)量準(zhǔn)確度：0.02 mV；傳感器采用板式熱流計(jì)。（3） 數(shù)據(jù)采集和處理檢測(cè)儀配有專(zhuān)用數(shù)據(jù)通訊處理軟件。聯(lián)機(jī)狀態(tài)下具有實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及曲線等。根據(jù)所測(cè)的溫度、熱流密度等數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻及傳熱系數(shù)。4 檢測(cè)實(shí)例本實(shí)驗(yàn)所選取的墻體為某實(shí)驗(yàn)樓一東向外墻，墻上無(wú)窗，所測(cè)墻體的結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外依次為20mm混合砂漿、200mm粘土空心

12、磚、20mm混合砂漿，面磚，經(jīng)計(jì)算外墻傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算值為1.66 W/m2，單位面積比熱容大于353KJ/(m2K)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）實(shí)驗(yàn)裝置安裝：安裝實(shí)驗(yàn)儀器，將內(nèi)墻溫度測(cè)點(diǎn)、熱流計(jì)和外墻溫度測(cè)點(diǎn)分別固定在內(nèi)外側(cè)墻體表面，把內(nèi)外空氣溫度測(cè)點(diǎn)分別懸掛在室內(nèi)外空氣中。將室外空氣測(cè)點(diǎn)和墻體表面溫度測(cè)點(diǎn)用紙板遮住，使得其不被太陽(yáng)照射且不被雨淋。然后用熱箱將熱流計(jì)和內(nèi)墻溫度測(cè)點(diǎn)罩住，并用泡沫膠把熱箱四周封好。圖熱箱法圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀安裝示意圖（2） 檢測(cè)參數(shù)設(shè)定。待儀器安裝好后，把各個(gè)測(cè)點(diǎn)按順序接到BES-A圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀上，接通電源，啟動(dòng)熱箱加熱并設(shè)定自動(dòng)溫度控制值為

13、50，調(diào)試BES-A圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)，確定安裝及接線正確，對(duì)檢測(cè)儀參數(shù)設(shè)置，設(shè)定日期時(shí)間，以及數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔，設(shè)為20分鐘記錄一次。（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察。檢測(cè)期間每隔一定時(shí)間對(duì)儀器的運(yùn)行情況和檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，保證檢測(cè)實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行，遇到意外情況及時(shí)處理。5. 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻實(shí)測(cè)值的確定 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集測(cè)試時(shí)間從2008.3.24下午16點(diǎn)開(kāi)始至2008.3.28上午12點(diǎn)結(jié)束，共有274組檢測(cè)數(shù)據(jù)，內(nèi)外墻體表面測(cè)點(diǎn)溫度和室內(nèi)外空氣溫度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示，全部實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)和傳熱阻隨時(shí)間變化如圖3所示。圖2 墻體表面溫度變化圖圖3 實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)及傳熱阻變化圖5.1 熱阻計(jì)算根據(jù)文

14、獻(xiàn)1，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻可以采用算術(shù)平均法計(jì)算，具體公式如式（4）所示。 （4）5.2 結(jié)束試驗(yàn)的判斷根據(jù)文獻(xiàn)1，對(duì)于重型圍護(hù)結(jié)構(gòu)（單位面積比熱容大于20KJ/（m2K），應(yīng)使用全天的數(shù)據(jù)（24小時(shí)的整數(shù)倍）計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，且在下列條件得到滿足時(shí)方可結(jié)束測(cè)量。（1）末次熱阻R計(jì)算值與24h之前的R計(jì)算值相差不大于5%；（2）檢測(cè)期間內(nèi)第一個(gè)INT（2DT/3）天內(nèi)與最后一天同樣長(zhǎng)的天數(shù)內(nèi)的R計(jì)算值相差不大于5%；本次試驗(yàn)外墻單位面積比熱容為353KJ/(m2K)，屬于重型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，測(cè)試期間的全天平均熱阻的計(jì)算如表1所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，最后一天的R值的24h之前的R值相差4.6%；檢測(cè)期

15、間內(nèi)第一個(gè)2天和最后2天的R計(jì)算值相差3.72%，均小于5%，滿足結(jié)束檢測(cè)的條件。將三天實(shí)測(cè)熱阻數(shù)據(jù)的平均值0.5058 m2K/W作為外墻熱阻實(shí)測(cè)值。根據(jù)公式（3）計(jì)算出的試驗(yàn)外墻的傳熱系數(shù)為1.5249 W/m2K，與設(shè)計(jì)計(jì)算值相差8%。 表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻計(jì)算及誤差分析時(shí)間熱端與冷端平均溫差平均熱流量平均熱阻誤差，(K)，W/(m2)m2K/W第1天3.25 6:00-3.26 6:0023.626 48.3390.4887第2天3.26 6:00-3.27 6:0022.23744.2940.50202.65%第3天3.27 6:00-3.28 6:0022.50142.7360.52

16、654.65%3天平均值22.78845.1230.5058前2天3.25 6:00-3.27 6:0022.88946.2690.49470后2天3.26 6:00-3.28 6:0022.33943.4780.513803.72%6.影響因素分析6.1 太陽(yáng)輻射對(duì)墻體傳熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響。由于該墻外周周?chē)鸁o(wú)遮擋，測(cè)試時(shí)天氣為晴天，受太陽(yáng)輻射影響大。圖1 可以看出，由于太陽(yáng)輻射的影響和室外空氣溫度變化的影響，外墻表面的溫度變化較大，對(duì)傳熱系數(shù)的結(jié)果造成直接的影響。因而，對(duì)傳熱系數(shù)測(cè)試應(yīng)采取適當(dāng)?shù)恼趽醮胧詼p少或消除太陽(yáng)輻射的直接影響，在選擇外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)避免日光直射或狹縫處（風(fēng)速大）外墻

17、面，如果條件允許盡量選擇北外墻進(jìn)行檢測(cè)。6.2 氣候條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響該外墻熱阻試驗(yàn)曾在2006年9月（測(cè)試期間室內(nèi)外溫度平均溫度24.4和24.5）和2007年5月（測(cè)試期間室內(nèi)外溫度平均溫度25.5和26.9）時(shí)間段對(duì)該外墻熱阻進(jìn)行過(guò)測(cè)試，其外墻的傳熱系數(shù)分別為1.71 W/m2K和1.62 W/m2K，與設(shè)計(jì)計(jì)算值相差3%和2.4%。從結(jié)果可以看出，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算值誤差較小。說(shuō)明熱箱法檢測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)受氣候條件的影響較小，可以在不同季節(jié)實(shí)施檢測(cè)工作。6.3 熱箱內(nèi)空氣溫度和室內(nèi)空氣溫度差別對(duì)K值的影響。一維傳熱理論，是建立在熱箱內(nèi)和室內(nèi)空氣的溫度一致，相互之間無(wú)熱量交換基礎(chǔ)上

18、的，因此，熱箱扣住部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰未扣住部分表面溫度也一致，相互之間無(wú)熱量交換。而檢測(cè)實(shí)踐中，熱箱內(nèi)和室內(nèi)空氣溫度總是有一定差別的。當(dāng)熱箱內(nèi)空氣溫度大于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，熱箱將向室內(nèi)傳熱，且熱箱扣住部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)將向相鄰未扣住部分傳熱，此時(shí)所測(cè)K 值相對(duì)增大，反之，所測(cè)K 值相對(duì)減小3。7 檢測(cè)過(guò)程應(yīng)注意的問(wèn)題（1）溫度傳感器要緊緊地貼在被測(cè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外表面上(中心和四周)，且都要做好防輻射處理。（2）熱箱控制溫度的設(shè)置。設(shè)置熱箱控制溫度時(shí)，應(yīng)注意天氣預(yù)報(bào)，一般情況下，設(shè)置熱箱控制溫度應(yīng)大于當(dāng)天(或未來(lái)幾天內(nèi))室外最高溫度12以上；這樣即可保證既使室外溫度有一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，也不會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)外空氣溫差達(dá)不到要求而致使數(shù)據(jù)無(wú)效。（3）測(cè)試結(jié)果處理時(shí)，應(yīng)選擇傳熱過(guò)程基本達(dá)到熱穩(wěn)定條件后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在試驗(yàn)過(guò)程中，需對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷能否結(jié)束試驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1 采暖居住建筑節(jié)能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)JGJ1322001.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).2 民用建筑節(jié)能工程現(xiàn)場(chǎng)熱工性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).DGJ32/J23-