建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

 

　　隨著能源和環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻，建筑節(jié)能將是我國(guó)的一項(xiàng)長(zhǎng)期國(guó)策。傳熱系數(shù)是建筑熱工節(jié)能設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。建筑構(gòu)件（如門(mén)、窗等）的傳熱系數(shù)，可在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。而建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是在建造過(guò)程中形成的，其傳熱系數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)才能確定。通過(guò)檢測(cè)建筑的實(shí)際傳熱性能，來(lái)判定建筑保溫隔熱系統(tǒng)的產(chǎn)品、技術(shù)是否符合節(jié)能設(shè)計(jì)要求，以此來(lái)鑒定新系統(tǒng)的產(chǎn)品、技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)等，同時(shí)對(duì)分析建筑物實(shí)際運(yùn)行中的能耗狀況和施工過(guò)程的偏差也起著非常重要的作用。本文對(duì)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法進(jìn)行綜述，注重對(duì)熱流計(jì)法研究總結(jié)。 

 

 

　　目前對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法主要有四種，即熱流計(jì)法、熱箱法、控溫箱——熱流計(jì)法和常功率平面熱源法。 

 

　　2.1熱流計(jì)法。 

 

　�。�1） 熱流計(jì)法原理[1]。

 

　　熱流計(jì)法是利用溫差和熱流量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行傳熱系數(shù)的測(cè)定。通常的做法是用熱流計(jì)、熱電偶在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出被測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度以及內(nèi)、外表面溫度，通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算得出建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的傳熱系數(shù)（如圖1）。計(jì)算公式如下： 

 

　�。�2） 熱流計(jì)法特點(diǎn)。 

 

　　熱流計(jì)法的核心是測(cè)量通過(guò)被測(cè)對(duì)象的熱流，并假定傳熱為一維。否則，熱流有分量，計(jì)算出的被測(cè)物的熱阻偏小，傳熱系數(shù)就偏大。該方法是國(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，但是這種方法用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有嚴(yán)重的局限性。因?yàn)槭褂迷摲椒ǖ那疤釛l件是必須在采暖期才能進(jìn)行測(cè)試，我國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況是有些地區(qū)基本不采暖、采暖地區(qū)的有些工程又在非采暖期竣工等，這樣就限制了它的使用。在計(jì)算時(shí)所用到的內(nèi)外墻表面換熱系數(shù)受環(huán)境（溫度、風(fēng)速、輻射等）的影響顯著。

 

如文獻(xiàn)[2]對(duì)實(shí)驗(yàn)用房進(jìn)行了不同風(fēng)速的情況下，外墻表面換熱系數(shù)A的研究，結(jié)果表明外環(huán)境（風(fēng)速）對(duì)外墻表面換熱系數(shù)的影響很大（如表1）。文獻(xiàn)[3][4]就其它環(huán)境（如雨水和太陽(yáng)輻射等）條件對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響也作了研究和分析，結(jié)果表明也有較大的影響。 

 

　�。�3） 雙面熱流計(jì)法。 

 

　　它是改進(jìn)的熱流計(jì)法，一般的熱流計(jì)法是在墻體內(nèi)表面（環(huán)境相對(duì)較穩(wěn)定）測(cè)定熱流值，而雙面熱流計(jì)法是同時(shí)測(cè)定墻體內(nèi)外兩表面的熱流。由于墻體的傳熱屬于非穩(wěn)定傳熱，在同一時(shí)刻所測(cè)得的溫度值和熱流值實(shí)際上由于溫度波的時(shí)間延遲兩者在時(shí)間上不吻合；另一方面，由于墻體的蓄熱作用，由外表面進(jìn)入墻體內(nèi)部的熱流值，與同一時(shí)刻由墻體內(nèi)部流過(guò)內(nèi)表面的熱流不一致。采用雙面熱流計(jì)法測(cè)量墻體的熱阻就可以消除這兩個(gè)影響[5]。但這必須在環(huán)境較為穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，不然外墻測(cè)得熱流因受環(huán)境的影響太大而失去意義。 

 

　　2.2熱箱法。 

 

　�。�1）熱箱法的基本原理[6]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，并使熱箱內(nèi)的空氣溫度和室內(nèi)的空氣溫度保持一致，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)的加熱量與通過(guò)被測(cè)部位的傳遞熱量達(dá)到平衡時(shí)，通過(guò)測(cè)量熱箱內(nèi)的加熱量得到被測(cè)部位的傳熱量，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)部位的傳熱系數(shù)。 

 

　�。�2）熱箱法作為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)建筑構(gòu)件熱工性能的方法使用由來(lái)已久，發(fā)展較為成熟，并頒布有國(guó)際、國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，但用來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)建筑物熱阻或傳熱系數(shù)的熱箱法還處于研究當(dāng)中。它的特點(diǎn)是不受季節(jié)限制，只要室外平均空氣溫度在25℃以下，相對(duì)濕度在60%以下，熱箱內(nèi)溫度大于室外最高溫度8℃以上就可以測(cè)試。該方法在國(guó)內(nèi)尚屬研究階段，其局限性在于熱橋部位無(wú)法測(cè)試，因設(shè)備較多而不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，且尚未有關(guān)熱箱法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，僅限于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定與研究。 

 

　　2.3控溫箱——熱流計(jì)法。

 

　　控溫箱——熱流計(jì)法的基本原理[7]與熱流計(jì)法相同，它利用控溫箱控制溫度，模擬采暖期建筑物的熱工狀況，用熱流計(jì)法測(cè)定被測(cè)對(duì)象的傳熱系數(shù)�？販叵�——熱流計(jì)法綜合了熱流計(jì)法和熱箱法兩種方法的特點(diǎn)。用熱流計(jì)法作為基本的檢測(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)熱箱的誤差，因?yàn)榇藷嵯鋬H是溫度控制裝置，不計(jì)算輸入熱箱和熱箱向各個(gè)方向傳遞的功率。因此不用龐大的防護(hù)箱在現(xiàn)場(chǎng)消除邊界熱損失，也不用標(biāo)定其邊界熱損失�，F(xiàn)今廣泛應(yīng)用的材料導(dǎo)熱系數(shù)平板測(cè)試法也是這個(gè)原理，從熱量傳遞的物理過(guò)程來(lái)看，材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試過(guò)程和建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測(cè)過(guò)程是相同的。這種方法問(wèn)世時(shí)間較短，還需要嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和實(shí)踐檢驗(yàn)。 

 

　　2.4常功率平面熱源法。

 

　　常功率平面熱源法[8]是非穩(wěn)態(tài)法中一種比較常用的方法，適用于建筑材料和其它隔熱材料熱物理性能的測(cè)試。其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法是在墻體內(nèi)表面人為地加上一個(gè)合適的平面恒定熱源， 對(duì)墻體進(jìn)行一定時(shí)間的加熱，通過(guò)測(cè)定墻體內(nèi)外表面的溫度響應(yīng)來(lái)辨識(shí)出墻體的傳熱系數(shù)。該系統(tǒng)一般用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法仿真求解。此方法是非穩(wěn)態(tài)法檢測(cè)物體熱性能的一種方法，可大大縮短實(shí)際檢測(cè)時(shí)間， 且能減小室外空氣溫度變化給傳熱過(guò)程帶來(lái)的影響。在實(shí)驗(yàn)室，用非穩(wěn)態(tài)法檢測(cè)材料的熱性能較廣泛， 但是用來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)還需做大量的工作才行，包括設(shè)備開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)編程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和訓(xùn)練效果評(píng)定等工作技術(shù)性要求很高，測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性、重復(fù)性都需大量的、可靠的數(shù)據(jù)來(lái)支撐。 

 

 

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理常用的是穩(wěn)態(tài)算法，這種方法把傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)態(tài)傳熱，在兩側(cè)溫差為△t時(shí)，根據(jù)傅立葉定律來(lái)計(jì)算墻體的導(dǎo)熱熱阻。這種方法所要求的條件苛刻，需要穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，所以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中運(yùn)用時(shí)，一般得到不是很精確的結(jié)果。同時(shí)由于墻體的儲(chǔ)熱和側(cè)向傳熱作用始終存在，其計(jì)算誤差較大。因此有人提出了導(dǎo)熱損失和不同保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的修正[9]。另外，在有限元法基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)分析法，在溫度和熱流變化較大的情況下，采用動(dòng)態(tài)分析方法[10]可從對(duì)熱流計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，求得建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)熱性能。目前圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱非穩(wěn)態(tài)的算法主要有反應(yīng)系數(shù)法、Z傳遞函數(shù)法、拉普拉斯變換函數(shù)法，以及國(guó)內(nèi)頻域回歸方法（FDR方法）[11]。針對(duì)非穩(wěn)態(tài)傳熱設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)，并編制了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的程序，辨識(shí)了傳熱系數(shù)。但是這些方法都存在一些困擾和問(wèn)題，如計(jì)算結(jié)果易出現(xiàn)差錯(cuò)、計(jì)算收斂性、計(jì)算結(jié)果難以驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)難度大等。 

 

 

　　建筑節(jié)能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是推行建筑節(jié)能政策、標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容，因?yàn)槲覈?guó)地域廣闊，各地氣候條件和建筑特色各異，且傳熱復(fù)雜，容易受環(huán)境影響，各地都針對(duì)地方特點(diǎn)展開(kāi)了積極而深入地研究，從測(cè)試到數(shù)據(jù)處理均逐步得到改進(jìn)，測(cè)試條件也由穩(wěn)態(tài)向非穩(wěn)態(tài)，由復(fù)雜限制條件到適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的簡(jiǎn)單條件，由忽略環(huán)境影響到研究環(huán)境影響發(fā)展。雖然目前還沒(méi)有一種受到大家廣泛認(rèn)可、簡(jiǎn)便易行、設(shè)備投資小、適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法，但是也取得了一定的成果，這些成果必將對(duì)落實(shí)建筑節(jié)能起到一定的促進(jìn)作用。 

 

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