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建筑物墙体传热系数现场检测现有方法的分析第25卷增刊2011年l0月制冷与空调RefrigerationandAirConditioningVo1.25Sup.Oct.2011.164167文章编号:1671.6612(2011)增刊.164.04建筑物墙体传热系数现场检测现有方法的分析王芳盛雪李天一(西南交通大学机械工程学院成都610031)【摘要】通过分析建筑物墙体传热系数现场检测现有方法,并且结合对传热系数检测计算的基本原理研究,得出墙体传热系数现有检测方法所要面对的主要问题,并且对这些问题进行了理论阐述与问题分析,最后从理论的角度分析了几个主要问题的解决方法,并且指出了墙体传热系数现场检测的最佳选择.【关键词】热流计;数值模拟;传热系数;现场检测中图分类号TU111.2文献标识码BTheAnalysisofExistingFieldTestMethodofHeatTransferCoffieientofBuildingEnvelopeWangfangShengxueLiTianyi(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,610031)AbstractThroughtheanalysisofthefielddetectionofthebuildingwallbodyheattransfercoefficient,combiningwiththestudiesofthebasicprincipleoftheexistingapproachofheattransfercoefficienttestingcalculation,getthemainproblemsofexistingdetectionmethodofthebuildingwallbodyheattransfercoefficient.Withtheanalysisandtheoryoftheseproblems,wecangetthesolutionstotheseveralmainproblemsfromtheperspectiveofthetheoryfinally,andpointsoutthebestchooseofthefielddetectionofthebuildingwallbodyheatn_锄sfrcoefficient.【Keywordsheatflowme.r;numericalsimulation;heattransfercoefficient;Siteinspection0引言能源短缺问题使得人们意识到建筑节能的重要性,各种节能措施用来到达建筑节能的目的.众所周知,建筑维护结构在建筑节能中充当了重要的角色,建筑维护结构不仅维持着室内气候环境的稳定,而随着采暖空调系统的应用,建筑维护结构的传热系数对建筑节能有很大的影响.建筑节能的一个重要的方面就是通过分析建筑维护结构的传热特性,提高建筑维护结构的热工性能,继而改善其保温特性n】.传热系数是衡量维护结构隔热性能的重要指标,所以建筑维护结构的传热系数检测准确性对建筑节能与维护结构热工性能的分析有最直接的关系【2.因此传热系数检测的准确性不仅对建筑节能的评价起决定性作用,而且有利于建筑维护结构隔热性能的分析,对提高室内舒适性有很大的作者简介:王芳(1986一),女,在读硕士研究生.收稿日期:2011-08.23作用.所以为了检测建筑维护结构的传热系数,相对准确的检测方法和数据处理方法是现在面临的问题.目前,现场检测建筑维护结构传热系数的方法主要有热流计法,热箱法,常功率平面热源法,红外热像检测法,下面先对以上几种方法做简单介绍.1现有检测方法的介绍1.1热流计法由傅立叶定律:Atg(1),式中:g为通过墙体的热流量,W/m;为墙体的厚度,1TI;为墙体的传热系数,W/(m?K1;f为墙体内外温差,.第25卷增刊王芳,等:建筑物墙体传热系数现场检测现有方法的分析.165可知墙体的传热系数可以通过检测出指定值时间内墙体的热流量与墙体内外的温差由(1)式计算得出.热流计法测墙体的传热系数就是利用热流计检测墙体的热流量,利用温度传感器测出墙体表面的温度,计算出墙体的传热系数.热流计法检测的原理就是:在被检测的室内置有加热器,使得室内温度保持在稳定值,使得室内外温度具有一定的差值,因为具有温度差热量会从室内传向室外,传递的热流量可以由热流计检测得,温度差已知,则可以计算出墙体的传热系数,双面热流计法测试如图1】所示.冷ElI巡r电Ar1B检”zJ脑II-F仪面热表面图1热流计法测试原理示意图1.2热箱法功率温度检测仪图2热箱法测试原理示意图热箱法检测建筑物维护结构的传热系数也是利用(1)式原理,相对于热流计法在于对维护结构热流量的检测基于一维传热的基本假设.热箱法人为的创造一个一维传热的环境,被测部位内侧用热箱模拟采暖季节室内温度,并使热箱内的空气温度与室内温度保持一致,热箱的另侧,也就是室外保持自然条件,一般要维持室内外温差在八度以上,为了保证热量持续由室内传向室外【3j.当热箱的加热量与被测部位的传热量相等时,此时,热箱的加热量就是需要测量的传热量.测出室内外温差就可以得到建筑维护结构的传热系数.图2为热箱法测试原理示意图.1.3常功率平面热源法热流计法与热箱法对建筑物维护结构传热系数的检测原理都是基于”一维传热”的假设,所以难于维持或者创造一个稳态一维传热.常功率平面热源法是非稳态法检测的一种,其现场检测的原理是将墙体的传热按三维非稳态传热对待,方法是在墙体内表面人为地加上一个合适的平面恒定热源,对墙体进行一定时间的加热,通过测定墙体内外表面的温度响应辨识出墙体的传热系数【4j.由于此方法采用了人为加热,因此不仅可以缩短实际检测时间,而且能减小室外空气温度变化给传热过程带来的影响钔.1.4红外热像检测法红外热像检测的原理:由于传热墙体内存在一定的温度分布,理想状态下,即墙体材料均匀,而且处于稳态传热,墙体的温度分布图是连续的,当墙体出现缺陷,如空洞,热桥,保温层受潮时,墙体内的温度分布就会出现不连续状态,一般墙体都是处于实际状态,即墙体内的温度分布处于不连续状态,红外热像检测就是利用这一原理L5J.任何物体都会发射红外线,热像仪就是获取墙体各个点发出的红外辐射能,进而的到整个墙体的红外辐射通量分布,有因为红外辐射能与物体绝对温度的四次方成正比,因此通过分析整个墙体的红外辐射通量分布,就可以得到整个墙体的温度分布,由此可以得到墙体的温度场.2现场检测现有问题分析从热流计法与热箱法可以看出,建筑物维护结构传热系数检测的基本原理由傅立叶定理表达的很清楚,只要检测出墙体的热流量与相对的室内外温度,就可以得到该墙体的传热系数.问题在于,傅立叶定律的应用条件是墙体的传热必须是一维稳态,实验检测可以通过各种措施使得墙体传热达到一维稳态或是很接近一维稳态,而现场检测在这方面还有很多问题需要解决.下面是我对现场检测建筑物维护结构传热系数现有主要问题的总结:制冷与空调(1)由于太阳辐射或其他因素,室外气温的变化导致墙体的温度随时间变化,使得在保证室内温度稳定的情况下,无法保证室内外温差的稳定,所以(1)式中的艮难稳定为常值.(2)墙体是三维的,热量从高温传递到低温,并不是单一的走直线路线,而是向各个方向传递,所以热流量的检测就会出现误差.(3)实际工程中的墙体并不能保证是均匀材质,其非均匀性与墙体本身的结构会导致墙体内部出现缺陷,如空洞,热桥,都会影响热量传递的连续性,影响检测的准确度.3现场检测问题解决以上几种问题存在于现有墙体传热系数现场检测的各种方法,它们并不是哪种方法特有的问题不管是用哪种方法都得处理好上述问题.热流计法现场检测墙体的传热系数是现在官方认可的检测方法,使用性很强,是(1)式原理最简单的应用,而且热流计法操作简单,使用的仪器容易携带,检测周期短,因此我觉得应该从热流计法入手,解决上述几个重要的问题,不断的改进热流计法,提高其检测的准确度.首先,处理太阳辐射的问题很简单,可以用遮阳,选择在晚上或者是在阴天检测.对于保证室外温度恒定的问题有点难度,我觉得可以在一天内温度变化的规律上深入思考,分析近几年这个季节温度的曰变化,找到温度变化的规律,得到温度变化最小的几个时问段,最好这几个时间段内温度值可以是对称的,这样现场检测肯定有一定的误差,只是各个时间段检测的数据有一定的抵消性,检测的准确性得到提高,最终检测到墙体的传热系数误差就可以控制在可以接受的精确度范围内.为了提高检测的准确度,我建议在现场检测前一周先测试室外温度的日变化,并与往年的同一时期的温度日变化一起分析,得到精确的室外温度稳定区.对于热流量检测的三维非稳态性,我觉得可以利用软件模拟,实验验证相结合来得到解决.墙体内热流量的三维非稳态性是与检测墙体的长度有关的,即当检测墙体到达一定的长度,其传热就可以当做是一维稳态来处理,此时检测的误差很小,可以忽略.因此可以利用软件模拟与室内实验相结合得到该长度的准确值,并且不同长度墙体该值可以经过分析相似性原理,得到一个一维稳态修正系数,且能够验证一维稳态修正系数在修正传热系数时的误差要在可接受范围内,即误差要小于5%,该想法的正确性要经过多次验证,得出可以行得通的方法.同样经过多次模拟与实验可以得到不同材料墙体的一维稳态修正系数,这样在以后的墙体传热系数的现场检测中就可以直接将各种墙体的传热当做是一维稳态传热,利用(1)式的原理,精确的测出墙体的热流量与室内外温差,再将一维稳态修正系数考虑进去,计算出墙体的传热系数.墙体本身的结构会导致墙体内部出现缺陷,如空洞,热桥,对墙体传热系数检测的影响也是很大的.对于这个问题,我有两个解决办法.第一种,就是利用红外线检测仪检测墙体的内部缺陷,粘贴热流计测量仪时避开这些点,因为此时墙体的传热已由上述两点解决了传热的三维非稳态性的弊端,可以直接将墙体的传热看成是一维稳态传热,因此,这要避开空洞与热桥,就可以得到一维稳态连续的墙体传热,测得比较准确的热流量.第二种方法,将整个检测墙体当做一个整体看待,检测时控制整个墙体的传热量,这样不仅可以忽略墙体内部缺陷而造成的检测误差,而且可以解决三维非稳态的问题,但其缺点也是显而易见的,检测是热流量的控制不易操作,而且无法保证热量的传递方向,向非检测方向传递的热量无法避免,对检测准确性影响很大.其实,采用上述两种方法的哪一种,在检测试验设计时就应该决定,应该综合分析建筑的结构与现场条件来决定哪种方法更可靠,更准确,更易操作.4方法选择热流计法与热箱法是现在墙体现场检测常用的两种方法,以下是这两种方法的优缺点.热流计法是一种比较法,借助于热流计测定通过试件的热量,热流计法的本质要求是通过热流计的热流是通过被测对象的热流,并且这热流平行于温度梯度方向,即通过热流计的热流为一维传导,不考虑向四周的扩散【6I.优点是操作简单,使用仪器简单便携.缺点是点的热工缺陷影响大,这个可以用红外线检测仪解决.一个重要的缺点是热源无法控制,因此热流计法仅可在采暖供热系统正常运行后,且宜选在在最冷月才能进行测试.第25卷增刊王芳,等:建筑物墙体传热系数现场检测现有方法的分析热箱法是人工制造一个一维传热环境,被测墙体的内侧用热箱控制采暖建筑室内条件,室内与热箱内同时加热控制,外侧为室外自然条件或用冷箱,这样被测部位的热流总是从室内向室外传递,形成了一维传热,计量热箱的发热量,当热箱内加热量与通过被测部位传递的热量达到平衡时,热箱的加热量就是被测部位的传热量,经运算得到被测部位的传热系数.优点解决了热流计法无法控制热源的问题,热箱法只要室外平均空气温度在25以下,相对湿度在60%以下保持上面要求的温差就可以测试【6】,而且稳定热源是以面的形式存在的,所以检测热流量是避免了被测围护结构的局部热工缺陷导致测试数据的较大误差,只是热箱法目前应用还不成熟,相关的国际或国内的标准还没有制定,所以应用的法律保障还不够硬,所以应用更多还是热流计法.综合上述两种热流计法的优缺点,我觉得应该选择热流计法,并且应用热箱法来辅助解决热流计的缺点,应用热箱辅助热流计的方法来检测墙体的传热系数.具体做法如下图3L8J所示.图3简易热箱-热流计法在选定墙体室内侧安置一个温控箱,在控温箱内维持稳定的温度,温度与墙体的另一侧的温度所形成的温差必须满足热流计法测定传热系数的值,此时控温箱只是起到了提供稳定热源的作用,所以室内的温度没有必要跟热箱的温度保持一致,因为检测的主要原理与步骤还是以热流计法设计的,只要检测墙体两边的温度,两面布置热流计测定热流量就行.当然,由于热箱的尺寸是有限的,维护结构的横向传热是必然的,这就使得墙体的传热偏离了一维导热的理想模型,墙体传热系数的检测就会出现一定的误差,所以就需要利用我前面提到的软件模拟得出修正系数,对侧向散热引起的误差进行修正,实现墙体现场检测的基本准确度.选择热箱辅助热流计法来检测墙体的传热系数,克服了单用热流计法检测时的时间限制,检测不必非得等到冬季采暖期,而且可以应用于南方地区.国际或国内的标准也适用于此方法,便于该方法的广泛应用.5结论建筑物维护结构的传热系数是建筑节能的一个很重要的标志,因此墙体传热系数的现场检测准确性有很重要的意义.因此墙体传热系数的现场检测方法有必要不断提高,最终达到简单经济,且准确度高,能够满足误差要求.参考文献:川l董娴,王起伟.建筑围护结构节能分析J.制冷与空调,2010,24(5):9496.【2】穆小丽.建筑维护结构K值现场检测方法研究D】.成都:西南交通大学,2010.3】赵忠良.现场热箱法测试维护结构适用条件的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.4】黄峥,朱彤,赵鸿.非稳态法检测建筑围护结构传热系数【J.建筑节能,2005,(5):4547.5】杨红,刘加品,黄振利,等.墙体传热系数现场检测及热工缺陷红外热像检测J】.绿色建筑与建筑物理,2003,2(120):186189.【6】万清,董华.建筑物围护结构热阻现场检测方法O1.青岛:青岛理工大学,2011.【7】祁少明,董海荣.双面热流计法测定围护结构传热系数在建筑节能改造中的应用J.河北建筑工程学院,2009,27(3):卜4.8潘雷,郑宜涛.辅助热箱一热流计法在建筑物围护结构热阻现场检测中的应用【J.墙材革新与建筑节能,2011,(2):5254.