建筑物围护结构传热系数现场检测技术

范宏武 邢大庆 王吉霖，李德荣 曹亮 曹毅然

摘要：围护结构传热系数是表征围护结构传热量大小的一个物理量，是围护结构保温性能的评价指标，也是隔热性能的指标之一[2]，因此本文主要针对围护结构传热系数的现场检测技术进行分析与探讨。

关键词：围护结构 传热系数 现场检测

为改善居住建筑室内热环境质量，提高人民居住水平，提高采暖、空调能源利用效率，贯彻执行国家可持续发展战略，2001年《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》颁布实施^[1]。该标准在提出节能50%的同时，对建筑物围护结构的热工性能也进行了相应规定。虽然《节能标准》在设计阶段保证了建筑物围护结构的热工性能达到目标要求，但并不能保证建筑物建造完后也能达到节能要求，因为建筑的施工质量同样非常关键。因此，判定建筑物围护结构热工性能是否达到标准要求，仅靠资料并不能给出结论，需要现场实测。

但我国建筑节能工作起步较晚，至今尚无一套完善、先进、适合我国国情的建筑节能现场检测技术，在某种程度上限制了建筑节能工作的规范发展。这使得建筑节能现场检测技术的研究开发就显得尤为迫切和重要。

围护结构传热系数是表征围护结构传热量大小的一个物理量，是围护结构保温性能的评价指标，也是隔热性能的指标之一^[2]，因此本文主要针对围护结构传热系数的现场检测技术进行分析与探讨。

1 现有围护结构传热系数现场检测方法

1.1 热流计法^[3]

热流计是建筑能耗测定中常用仪表，该方法采用热流计及温度传感器测量通过构件的热流值和表面温度，通过计算得出其热阻和传热系数。其检测基本原理为：在被测部位布置热流计，在热流计周围的内外表面布置热电偶，通过导线把所测试的各部分连接起来，将测试信号直接输入微机，通过计算机数据处理，可打印出热流值及温度读数。当传热过程稳定后，开始计量。为使测试结果准确，测试时应在连续采暖（人为制造室内外温差亦可）稳定至少7d的房间中进行。

一般来讲，室内外温差愈大（要求必须大于20℃），其测量误差相对愈小，所得结果亦较为精确，其缺点是受季节限制。该方法是目前国内外常用的现场测试方法，国际标准和美国ASTM标准都对热流计法作了较为详细的规定。

1.2 热箱法^[4]

热箱法是测定热箱内电加热器所发出的全部通过围护结构的热量及围护结构冷热表面温度。其基本检测原理是用人工制造一个一维传热环境，被测部位的内侧用热箱模拟采暖建筑室内条件并使热箱内和室内空气温度保持一致，另一侧为室外自然条件，维持热箱内温度高于室外温度8℃以上，这样被测部位的热流总是从室内向室外传递，当热箱内加热量与通过被测部位的传递热量达平衡时，通过测量热箱的加热量得到被测部位的传热量，经计算得到被测部位的传热系数。

该方法的主要特点：基本不受温度的限制，只要室外平均空气温度在25℃.以下，相对湿度在60%以下，热箱内温度大于室外最高温度8℃以上就可以测试。据业内技术专家通过交流认为：该方法在国内尚属研究阶段，其局限性亦是显而易见的，热桥部位无法测试，况且尚未发现有关热箱法的国际标准或国内权威机构的标准。

1.3 红外热像仪法^[5]

红外热像仪法目前还在研究改进阶段，它通过摄像仪可远距离测定建筑物围护结构的热工缺陷，通过测得的各种热像图表征有热工缺陷和无热工缺陷的各种建筑构造，用于在分析检测结果时作对比参考，因此只能定性分析而不能量化指标。

通过以上几种检测方法的分析比较，笔者认为，热流计法是目前国内外较为成熟的检测方法，且已得到普遍应用。因此本文主要讨论热流计法。

2 热流计法测试原理

热流计法主要采用热流计、热电偶在现场检测被测围护结构的热流量和其内、外表面温度，通过数据处理计算出该围护结构的传热系数，从而判定建筑物是否达到节能标准要求。

当热流通过建筑物围护结构时，由于其热阻存在，在厚度方向的温度梯度为衰减过程，使该围护结构内、外表面具有温差，利用温差与热流量之间的对应关系进行热流量测定。

建筑物围护结构的热流量可通过在该围护结构表面安装平板状热流计测量，由于热流计热阻一般比被测围护结构的热阻小很多，当被测围护结构背面贴上热流计后，传热工况影响很少，可忽略不计。因而在稳定状态下，流过热流计的热流量亦为被测围护结构的热流量。

根据傅立叶定律，在两侧温差为时，流过热流计的热流量可通过下式计算：

（1）

式中，为通过热流计的热流量，W/m²。

为热流计的厚度，m。

为热流计的导热系数，W/(m·℃)

为被测围护结构加装热流计后，热流计两面的温差。

如果用热电偶测量上述温差，根据热电偶在其测量范围内热电势与温差成正比的关系，可得到通过热流计的热量，为

（2）

其中，为热电势（mV），可通过温度与热流巡回自动检测仪检测。

为热流计系数（W/（m²·mv），其物理意义为，当热流计有单位热电势输出时，通过它的热流量为，检测所用的热流计系数是热流计生产厂家按国家标准校定好的已知常数。在本文中，

W/（m²·mv）。

3 围护结构传热系数计算公式与误差分析

围护结构传热系数的定义为：在稳态传热条件下，围护结构两侧空气温度差为1℃时，单位时间通过单位面积传递的热量。单位为W/(m²·℃)。

根据定义，当传热处于稳态条件下时，通过围护结构的热流量应该与通过热流计的热流量相等。这样，围护结构的热阻可由下式计算：

（3）

则围护结构的传热阻为：

（4）

其中，为内表面换热阻，取0.11m²·K/W。

为外表面换热阻，取0.04 m²·K/W。

其传热系数则可通过下式计算：

（5）

在实际现场测试过程中，为了提高测试结果的准确性，一般会采用多个测点进行检测。而根据国家行业标准《采暖居住建筑节能检验标准》，建筑物围护结构热阻采用算术平均法计算，具体公式为：

（6）

将（6）式代入（5）式，可得到该围护结构的平均传热系数，计算公式如下：

（7）

相对应的测量相对误差为：

（8）

根据（7）式和（8）式，围护结构传热系数现场实测结果可表示为：

（9）

4 围护结构传热系数现场实测案例分析

为了验证热流计法现场测试围护结构传热系数的准确性，本文对某一建筑屋面的传热系数进行了现场实测与测量误差分析。

4.1 屋面构造概况

该建筑屋面型式为绿化平屋面，具体构造如图1所示，根据设计方案，其传热系数为0.28 W/(m²·℃)。

图1 实测屋面的构造示意图

4.2 现场实测方法

根据标准要求，当采用热流计法进行现场实测时，建议在冬季进行。但为了分析其他时间测量传热系数的可能性与准确性，我们在春季对该屋顶的传热系数进行了现场实测。为了提高测试结果的测试精度，选用受太阳辐射影响较小的北屋面进行传热系数现场实测布点。其中：屋顶外表面温度传感器布置在裸露的覆土层上，并避开阳光直接照射，测点数量为3点；屋顶内表面温度传感器布置在室内相对应位置，测点数量为3点；热流计布置在室内温度传感器中间，数量为2只。温度传感器采用铜—康铜热电偶传感器，热流和温度采用自动化数据记录仪表与计算机进行数据分析处理。

根据相关文献，采用热流计测量时建议室内外温差大于20℃。为了制造人为温差，在实测过程中采用电热器进行加热，当加热达到基本稳定后，进行相关参数的计量与测试。测试期间，热流和温度的记录间隔为30分钟。

4.3 结果分析与讨论

该屋顶传热系数现场实测工作开始于2005年4月7日，从测试过程来看，4月17日到4月18日已基本实现一维稳态传热过程，因此可根据这两天的数据进行相关热工性能分析。

在本测试过程中，为了计算屋顶的传热系数，主要对屋顶外表面温度、屋顶内表面温度和屋顶热流量进行了现场实测，具体实测结果如图2所示。

当屋顶外表面温度、内表面温度和热流量已知时，该屋顶瞬时的传热阻和传热系数则可通过方程（4）和方程（5）计算得到，其具体结果如图3所示。

图2 相关参数现场实测结果

图3 屋面传热系数实测值

根据实测数据，通过计算可得出该屋顶传热系数，结果如表1所示。从表中可以看出，当采用所有数据进行分析时，该屋顶平均传热系数为0.351 W/(m²·℃)，与设计传热系数相比偏差达25.4%；而若只采用晚上的测试数据进行计算时，其平均传热系数为0.330 W/(m²·℃)，偏差可缩小到17.9%。这说明，太阳辐射对于围护结构传热系数现场实测结果影响较大，因此为减小这种误差，现场实测时尽量考虑采用日落后至日出前的数据进行传热系数计算。

从测试时间与结果来看，为了提高测试结果的准确性，应在传热过程基本达到热稳定条件后，再进行数据的采集与处理。

表1 实测传热系数结果及误差分析

5 结论

为了促进建筑节能工作的开展，本文对采用热流计法现场实测围护结构传热系数的准确性进行了研究与误差分析。研究结果表明：

（1）当人为可实现较大温差的一维传热过程时，采用热流计法可得到较准确的传热系数测试结果，且可不受季节限制；

（2）测试结果处理时，应在传热过程基本达到热稳定条件后，再进行数据采集与处理；

（3）建议采用日落后至日出前的数据来提高测量精度。

通过研究还发现，虽然热流计法可对围护结构传热系数进行较准确的现场实测，但要实现一维传热过程所需时间较长，这使节能建筑现场实测工作受到了限制。因此，为了推动建筑节能的开展，我们正在积极研究开发更新、更快和更准确的建筑节能现场检测方法。

参考文献

[1] 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2001）. 中华人民共和国行业标准.

[2] 民用建筑热工设计规范（GB50176-93）. 中华人民共和国国家标准.

[3] 王文忠，王宝海. 上海住宅建筑节能技术与管理. 同济大学出版社. 2004年.

[4] 孙增桂，郑宜涛. 热流计法在建筑节能检测中的应用. 建设科技，2003.6.

[5] 朱传晟. 建筑节能现场检测技术初探. 建筑节能. 2002年第6期.