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)計標(biāo)準(zhǔn)》頒布實施^[1]。該標(biāo)準(zhǔn)在提出節(jié)能50%的同時，對建筑物圍護(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，因為建筑的施工質(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)場實測。

但我國建筑節(jié)能工作起步較晚，至今尚無一套完善、先進(jìn)、適合我國國情的建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測技術(shù)，在某種程度上限制了建筑節(jié)能工作的規(guī)范發(fā)展。這使得建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測技術(shù)的研究開發(fā)就顯得尤為迫切和重要。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是表征圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量大小的一個物理量，是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的評價指標(biāo)，也是隔熱性能的指標(biāo)之一^[2]，因此本文主要針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的現(xiàn)場檢測技術(shù)進(jìn)行分析與探討。

1現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法

1.1熱流計法^[3]

熱流計是建筑能耗測定中常用儀表，該方法采用熱流計及溫度傳感器測量通過構(gòu)件的熱流值和表面溫度，通過計算得出其熱阻和傳熱系數(shù)。其檢測基本原理為：在被測部位布置熱流計，在熱流計周圍的內(nèi)外表面布置熱電偶，通過導(dǎo)線把所測試的各部分連接起來，將測試信號直接輸入微機，通過計算機數(shù)據(jù)處理，可打印出熱流值及溫度讀數(shù)。當(dāng)傳熱過程穩(wěn)定后，開始計量。為使測試結(jié)果準(zhǔn)確，測試時應(yīng)在連續(xù)采暖（人為制造室內(nèi)外溫差亦可）穩(wěn)定至少7d的房間中進(jìn)行。

一般來講，室內(nèi)外溫差愈大（要求必須大于20℃），其測量誤差相對愈小，所得結(jié)果亦較為精確，其缺點是受季節(jié)限制。該方法是目前國內(nèi)外常用的現(xiàn)場測試方法，國際標(biāo)準(zhǔn)和美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)都對熱流計法作了較為詳細(xì)的規(guī)定。

1.2熱箱法^[4]

熱箱法是測定熱箱內(nèi)電加熱器所發(fā)出的全部通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱表面溫度。其基本檢測原理是用人工制造一個一維傳熱環(huán)境，被測部位的內(nèi)側(cè)用熱箱模擬采暖建筑室內(nèi)條件并使熱箱內(nèi)和室內(nèi)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)加熱量與通過被測部位的傳遞熱量達(dá)平衡時，通過測量熱箱的加熱量得到被測部位的傳熱量，經(jīng)計算得到被測部位的傳熱系數(shù)。

該方法的主要特點：基本不受溫度的限制，只要室外平均空氣溫度在25℃.以下，相對濕度在60%以下，熱箱內(nèi)溫度大于室外最高溫度8℃以上就可以測試。據(jù)業(yè)內(nèi)技術(shù)專家通過交流認(rèn)為：該方法在國內(nèi)尚屬研究階段，其局限性亦是顯而易見的，熱橋部位無法測試，況且尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)熱箱法的國際標(biāo)準(zhǔn)或國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3紅外熱像儀法^[5]

紅外熱像儀法目前還在研究改進(jìn)階段，它通過攝像儀可遠(yuǎn)距離測定建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工缺陷，通過測得的各種熱像圖表征有熱工缺陷和無熱工缺陷的各種建筑構(gòu)造，用于在分析檢測結(jié)果時作對比參考，因此只能定性分析而不能量化指標(biāo)。

通過以上幾種檢測方法的分析比較，筆者認(rèn)為，熱流計法是目前國內(nèi)外較為成熟的檢測方法，且已得到普遍應(yīng)用。因此本文主要討論熱流計法。

2 熱流計法測試原理

熱流計法主要采用熱流計、熱電偶在現(xiàn)場檢測被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量和其內(nèi)、外表面溫度，通過數(shù)據(jù)處理計算出該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，從而判定建筑物是否達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)熱流通過建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，由于其熱阻存在，在厚度方向的溫度梯度為衰減過程，使該圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面具有溫差，利用溫差與熱流量之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行熱流量測定。

建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量可通過在該圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面安裝平板狀熱流計測量，由于熱流計熱阻一般比被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻小很多，當(dāng)被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)背面貼上熱流計后，傳熱工況影響很少，可忽略不計。因而在穩(wěn)定狀態(tài)下，流過熱流計的熱流量亦為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量。

根據(jù)傅立葉定律，在兩側(cè)溫差為時，流過熱流計的熱流量可通過下式計算：

                                           （1）

式中，為通過熱流計的熱流量，W/m²。

為熱流計的厚度，m。

為熱流計的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)加裝熱流計后，熱流計兩面的溫差。

如果用熱電偶測量上述溫差，根據(jù)熱電偶在其測量范圍內(nèi)熱電勢與溫差成正比的關(guān)系，可得到通過熱流計的熱量，為

                                 （2）

其中，為熱電勢（mV），可通過溫度與熱流巡回自動檢測儀檢測。

為熱流計系數(shù)（W/（m²·mv），其物理意義為，當(dāng)熱流計有單位熱電勢輸出時，通過它的熱流量為，檢測所用的熱流計系數(shù)是熱流計生產(chǎn)廠家按國家標(biāo)準(zhǔn)校定好的已知常數(shù)。在本文中， W/（m²·mv）。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計算公式與誤差分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的定義為：在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫度差為1℃時，單位時間通過單位面積傳遞的熱量。單位為W/(m²·℃)。

根據(jù)定義，當(dāng)傳熱處于穩(wěn)態(tài)條件下時，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量應(yīng)該與通過熱流計的熱流量相等。這樣，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻可由下式計算：

                                 （3）

則圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻為：

                            （4）

其中，為內(nèi)表面換熱阻，取0.11m²·K/W。

為外表面換熱阻，取0.04 m²·K/W。

其傳熱系數(shù)則可通過下式計算：

                             （5）

在實際現(xiàn)場測試過程中，為了提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般會采用多個測點進(jìn)行檢測。而根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標(biāo)準(zhǔn)》，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻采用算術(shù)平均法計算，具體公式為：

                                  （6）

將（6）式代入（5）式，可得到該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，計算公式如下：

                       （7）

相對應(yīng)的測量相對誤差為：

              （8）

根據(jù)（7）式和（8）式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場實測結(jié)果可表示為：

                               （9）

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場實測案例分析

為了驗證熱流計法現(xiàn)場測試圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確性，本文對某一建筑屋面的傳熱系數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實測與測量誤差分析。

4.1屋面構(gòu)造概況

該建筑屋面型式為綠化平屋面，具體構(gòu)造如圖1所示，根據(jù)設(shè)計方案，其傳熱系數(shù)為0.28 W/(m²·℃)。

圖1 實測屋面的構(gòu)造示意圖

4.2現(xiàn)場實測方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)采用熱流計法進(jìn)行現(xiàn)場實測時，建議在冬季進(jìn)行。但為了分析其他時間測量傳熱系數(shù)的可能性與準(zhǔn)確性，我們在春季對該屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實測。為了提高測試結(jié)果的測試精度，選用受太陽輻射影響較小的北屋面進(jìn)行傳熱系數(shù)現(xiàn)場實測布點。其中：屋頂外表面溫度傳感器布置在裸露的覆土層上，并避開陽光直接照射，測點數(shù)量為3點；屋頂內(nèi)表面溫度傳感器布置在室內(nèi)相對應(yīng)位置，測點數(shù)量為3點；熱流計布置在室內(nèi)溫度傳感器中間，數(shù)量為2只。溫度傳感器采用銅—康銅熱電偶傳感器，熱流和溫度采用自動化數(shù)據(jù)記錄儀表與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，采用熱流計測量時建議室內(nèi)外溫差大于20℃。為了制造人為溫差，在實測過程中采用電熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱達(dá)到基本穩(wěn)定后，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計量與測試。測試期間，熱流和溫度的記錄間隔為30分鐘。

4.3結(jié)果分析與討論

該屋頂傳熱系數(shù)現(xiàn)場實測工作開始于2005年4月7日，從測試過程來看，4月17日到4月18日已基本實現(xiàn)一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程，因此可根據(jù)這兩天的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)熱工性能分析。

在本測試過程中，為了計算屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，主要對屋頂外表面溫度、屋頂內(nèi)表面溫度和屋頂熱流量進(jìn)行了現(xiàn)場實測，具體實測結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)屋頂外表面溫度、內(nèi)表面溫度和熱流量已知時，該屋頂瞬時的傳熱阻和傳熱系數(shù)則可通過方程（4）和方程（5）計算得到，其具體結(jié)果如圖3所示。

圖2 相關(guān)參數(shù)現(xiàn)場實測結(jié)果

圖3屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)實測值

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，通過計算可得出該屋頂傳熱系數(shù)，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，當(dāng)采用所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，該屋頂平均傳熱系數(shù)為0.351 W/(m²·℃)，與設(shè)計傳熱系數(shù)相比偏差達(dá)25.4%；而若只采用晚上的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計算時，其平均傳熱系數(shù)為0.330 W/(m²·℃)，偏差可縮小到17.9%。這說明，太陽輻射對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場實測結(jié)果影響較大，因此為減小這種誤差，現(xiàn)場實測時盡量考慮采用日落后至日出前的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳熱系數(shù)計算。

從測試時間與結(jié)果來看，為了提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在傳熱過程基本達(dá)到熱穩(wěn)定條件后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理。

表1 實測傳熱系數(shù)結(jié)果及誤差分析

5結(jié)論

為了促進(jìn)建筑節(jié)能工作的開展，本文對采用熱流計法現(xiàn)場實測圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究與誤差分析。研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)人為可實現(xiàn)較大溫差的一維傳熱過程時，采用熱流計法可得到較準(zhǔn)確的傳熱系數(shù)測試結(jié)果，且可不受季節(jié)限制；

（2）測試結(jié)果處理時，應(yīng)在傳熱過程基本達(dá)到熱穩(wěn)定條件后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理；

（3）建議采用日落后至日出前的數(shù)據(jù)來提高測量精度。

通過研究還發(fā)現(xiàn)，雖然熱流計法可對圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行較準(zhǔn)確的現(xiàn)場實測，但要實現(xiàn)一維傳熱過程所需時間較長，這使節(jié)能建筑現(xiàn)場實測工作受到了限制。因此，為了推動建筑節(jié)能的開展，我們正在積極研究開發(fā)更新、更快和更準(zhǔn)確的建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（JGJ134-2001）. 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

[2] 民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范（GB50176-93）. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).