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建筑物围护结构传热系数现场檢測技術

範宏武,邢大慶,王吉霖,李德榮,曹亮,曹毅然

上海市建築科學研究院

 

爲改善居住建築室內熱環境質量,提高人民居住水平,提高采暖、空調能源利用效率,貫徹執行國家可持續發展戰略,2001年《夏熱冬冷地區居住建築節能設計標准》頒布實施[1]。該標准在提出節能50%的同時,對建築物圍護結構的熱工性能也進行了相應規定。雖然《節能標准》在設計階段保證了建築物圍護結構的熱工性能達到目標要求,但並不能保證建築物建造完後也能達到節能要求,因爲建築的施工質量同樣非常關鍵。因此,判定建築物圍護結構熱工性能是否達到標准要求,僅靠資料並不能給出結論,需要現場實測。

但我国建築節能工作起步较晚,至今尚无一套完善、先进、适合我国国情的建築節能现场檢測技術,在某种程度上限制了建築節能工作的规范发展。这使得建築節能现场檢測技術的研究开发就显得尤为迫切和重要。

圍護結構傳熱系數是表征圍護結構傳熱量大小的一個物理量,是圍護結構保溫性能的評價指標,也是隔熱性能的指標之一[2],因此本文主要针对围护结构传热系数的现场檢測技術进行分析与探讨。

1現有圍護結構傳熱系數現場檢測方法

1.1熱流計法[3]

熱流計是建築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件的熱流值和表面溫度,通過計算得出其熱阻和傳熱系數。其檢測基本原理爲:在被測部位布置熱流計,在熱流計周圍的內外表面布置熱電偶,通過導線把所測試的各部分連接起來,將測試信號直接輸入微機,通過計算機數據處理,可打印出熱流值及溫度讀數。當傳熱過程穩定後,開始計量。爲使測試結果准確,測試時應在連續采暖(人爲制造室內外溫差亦可)穩定至少7d的房間中進行。

一般來講,室內外溫差愈大(要求必須大于20),其測量誤差相對愈小,所得結果亦較爲精確,其缺點是受季節限制。該方法是目前國內外常用的現場測試方法,國際標准和美國ASTM标准都对熱流計法作了较为详细的规定。

1.2熱箱法[4]

熱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,這樣被測部位的熱流總是從室內向室外傳遞,當熱箱內加熱量與通過被測部位的傳遞熱量達平衡時,通過測量熱箱的加熱量得到被測部位的傳熱量,經計算得到被測部位的傳熱系數。

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,熱箱內溫度大于室外最高溫度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,况且尚未发现有关熱箱法的国际标准或国内权威机构的标准。

1.3紅外熱像儀法[5]

紅外熱像儀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圖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,熱流計法是目前国内外较为成熟的检测方法,且已得到普遍应用。因此本文主要讨论熱流計法。

2 熱流計法测试原理

熱流計法主要采用热流计、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。

當熱流通過建築物圍護結構時,由于其熱阻存在,在厚度方向的溫度梯度爲衰減過程,使該圍護結構內、外表面具有溫差,利用溫差與熱流量之間的對應關系進行熱流量測定。

建築物圍護結構的熱流量可通過在該圍護結構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結構的熱阻小很多,當被測圍護結構背面貼上熱流計後,傳熱工況影響很少,可忽略不計。因而在穩定狀態下,流過熱流計的熱流量亦爲被測圍護結構的熱流量。

根據傅立葉定律,在兩側溫差爲 時,流過熱流計的熱流量可通過下式計算:

                                           1

式中, 爲通過熱流計的熱流量,W/m2

爲熱流計的厚度,m

爲熱流計的導熱系數,W/(m·)

爲被測圍護結構加裝熱流計後,熱流計兩面的溫差。

如果用熱電偶測量上述溫差,根據熱電偶在其測量範圍內熱電勢與溫差成正比的關系,可得到通過熱流計的熱量,爲

                                 2

其中, 爲熱電勢(mV),可通過溫度與熱流巡回自動檢測儀檢測。

爲熱流計系數(W/m2·mv),其物理意義爲,當熱流計有單位熱電勢輸出時,通過它的熱流量爲 ,檢測所用的熱流計系數 是熱流計生産廠家按國家標准校定好的已知常數。在本文中,  W/m2·mv)。

3 圍護結構傳熱系數計算公式與誤差分析

圍護結構傳熱系數的定義爲:在穩態傳熱條件下,圍護結構兩側空氣溫度差爲1時,單位時間通過單位面積傳遞的熱量。單位爲W/(m2·)

根據定義,當傳熱處于穩態條件下時,通過圍護結構的熱流量應該與通過熱流計的熱流量相等。這樣,圍護結構的熱阻可由下式計算:

                                 3

則圍護結構的傳熱阻爲:

                            4

其中, 爲內表面換熱阻,取0.11m2·K/W

爲外表面換熱阻,取0.04 m2·K/W

其傳熱系數則可通過下式計算:

                             5

在實際現場測試過程中,爲了提高測試結果的准確性,一般會采用多個測點進行檢測。而根據國家行業標准《采暖居住建築節能檢驗標准》,建築物圍護結構熱阻采用算術平均法計算,具體公式爲:

                                  6

將(6)式代入(5)式,可得到該圍護結構的平均傳熱系數,計算公式如下:

                       7

相對應的測量相對誤差爲:

              8

根據(7)式和(8)式,圍護結構傳熱系數現場實測結果可表示爲:

                               9

4 圍護結構傳熱系數現場實測案例分析

为了验证熱流計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屋面構造概況

該建築屋面型式爲綠化平屋面,具體構造如圖1所示,根據設計方案,其傳熱系數爲0.28 W/(m2·)

1 实测屋面的构造示意圖

4.2現場實測方法

根据标准要求,当采用熱流計法进行现场实测时,建议在冬季进行。但为了分析其他時間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點;屋頂內表面溫度傳感器布置在室內相對應位置,測點數量爲3點;熱流計布置在室內溫度傳感器中間,數量爲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據記錄儀表與計算機進行數據分析處理。

根據相關文獻,采用熱流計測量時建議室內外溫差大于20。爲了制造人爲溫差,在實測過程中采用電熱器進行加熱,當加熱達到基本穩定後,進行相關參數的計量與測試。測試期間,熱流和溫度的記錄間隔爲30分鍾。

4.3結果分析與討論

該屋頂傳熱系數現場實測工作開始于200547,從測試過程來看,417418已基本實現一維穩態傳熱過程,因此可根據這兩天的數據進行相關熱工性能分析。

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,具体实测结果如圖2所示。

當屋頂外表面溫度、內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則可通過方程(4)和方程(5)计算得到,其具体结果如圖3所示。

2 相關參數現場實測結果

3屋面傳熱系數實測值

根據實測數據,通過計算可得出該屋頂傳熱系數,結果如表1所示。從表中可以看出,當采用所有數據進行分析時,該屋頂平均傳熱系數爲0.351 W/(m2·),與設計傳熱系數相比偏差達25.4%;而若只采用晚上的測試數據進行計算時,其平均傳熱系數爲0.330 W/(m2·),偏差可縮小到17.9%。這說明,太陽輻射對于圍護結構傳熱系數現場實測結果影響較大,因此爲減小這種誤差,現場實測時盡量考慮采用日落後至日出前的數據進行傳熱系數計算。

從測試時間與結果來看,爲了提高測試結果的准確性,應在傳熱過程基本達到熱穩定條件後,再進行數據的采集與處理。

1 實測傳熱系數結果及誤差分析

時間

W/(m2·)

W/(m2·)

W/(m2·)

全部

0.351

0.063

0.288 0.414

0.254

白天

0.370

0.068

0.302 0.438

0.320

晚上

0.330

0.058

0.272 0.388

0.179

5結論

为了促进建築節能工作的开展,本文对采用熱流計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,采用熱流計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)測試結果處理時,應在傳熱過程基本達到熱穩定條件後,再進行數據采集與處理;

3)建議采用日落後至日出前的數據來提高測量精度。

通过研究还发现,虽然熱流計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時間较长,这使节能建筑现场实测工作受到了限制。因此,为了推动建築節能的开展,我们正在积极研究开发更新、更快和更准确的建築節能现场检测方法。

 

參考文獻

[1] 夏熱冬冷地區居住建築節能設計標准(JGJ134-2001. 中華人民共和國行業標准.

[2] 民用建築熱工設計規範(GB50176-93. 中華人民共和國國家標准.

[3] 王文忠,王寶海. 上海住宅建築節能技術與管理. 同濟大學出版社. 2004.

[4] 孫增桂,鄭宜濤. 熱流計法在建築節能检测中的应用. 建設科技,2003.6.

[5] 朱傳晟. 建築節能现场檢測技術初探. 建築節能. 2002年第6.

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