控温箱-热流计法在夏热冬冷地区围护结构传热系数现场检测中的应用
现场试验设备：
TR70B传热系数检测仪、1.2mX1.2m热箱3组、冷箱1组、PT1000铂电阻12条、热流计片3支、U盘一个
对目前夏热冬冷地区建筑围护结构传热系数现场检测方法及其局限性进行了分析和思考，结合实例叙述了控温箱-热流计法的检测过程，对于夏热冬冷地区而言，该方法有较好的适应性。
1、概述
夏热冬冷地区的气候特点为夏季闷热、冬季寒冷、环境潮湿、日照率低、静风率高以及夏天和冬天室内外的温差较小. 该地区夏天主要依靠通风和空调降低室内温度，而冬天主要依靠人体温度或使用暖空调升高室内温度. JGJ132-2009《居住建筑节能检验标准》规定，建筑节能现场检测所用的热流计法应在采暖期进行，这给夏热冬冷地区的现场检测工作带来诸多的不便. 夏热冬冷地区的居住建筑室内基本没有采暖和供暖设施，即使到了采暖期，室内外的温差也同样不具备可供检测的温差. 并且使用热流计法进行居住建筑围护结构传热系数测定时，无法在被测墙体上建立一个理想的一维的稳态传热条件.
建筑围护结构传热系数是建筑节能检测的一个重要参数，各地根据地方气候特点都在研究适应当地特点的检测方法。目前围护结构传热系数检测方法中具备代表性的有热流计法、热箱法和控温箱－热流计法。笔者经过比较，认为控温箱－热流计法在夏热冬冷地区有较好的适应性。控温箱－热流计法利用控温箱人工控温、模拟采暖热环境，采用热流计法进行数据采集和处理，得到被测墙体的传热系数。下面分别对热流计法、热箱法、控温箱－热流计法的检测原理及操作方法进行比较。
2、目前传热系数检测方法简介
2.1 热流计法
目前国内用于实践的砌体热阻/传热系数检测方法以热流计法为普遍。这种方法是以一维稳态传热原理为基本前提的。如图1( 箭头所示为热流方向及分布)热流计法是在一维稳态传热的前提下, 通过检测热流计的热流密度和砌体两面的温差, 根据公式: R=△t/q 来计算砌体的热工性能( 热阻、传热系数) 。但这种方法在实际应用中有很多缺陷。
、热流计适用于相对均质的材料。而现有建筑砌体材料的多样性很难满足这个要求, 特别是空心砌块、空心砖等空心砌体材料, 空心的尺寸对于热流计来说远够不上均质, 所以, 直接用热流计法来检测这样的砌体, 误差就会很大, 一般采用加大热流计粘贴数量、通过测试数据的平均值来减小误差, 但数据的差别对其科学性和真实性的影响是比较明显的。
第二, 热流计在砌体表面粘贴时, 为了使粘贴平整且没有气孔, 需用外力挤压, 而且是经常性的, 经常性的挤压很可能破坏热流计的工况, 但热流计的工况是否正常一般情况下是很难觉察的, 因为热流计的标定很不容易操作, 所以, 数据的可靠性很难保证。
第三, 检测时室内外要求有一定的温差, 自然环境下只有冬季采暖期才基本满足要求, 但满足温差要求的时期并不多, 其他时期如果采用加热所测环境温度实现温差要求, 在方法上有很大的难度。热流计法规定了在采暖期供热系统正常运行后进行检测，检测持续时间不应小于96 h. 但是，如果按规定至少连续检测96 h，整个检测周期偏长，在夏热冬冷地区没有供暖系统的情况下就无法进行检测.具备供暖系统一般情况也无法能很好的控制内外表面温差达到标准GB/T23483-2009《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》规定的要求（见表1）。而且有些建筑工程在非采暖季竣工，如果要等到冬季采暖后进行检测，必然给工程的竣工验收造成影响。此外，由于全年的检测工作都将集中到冬季，势必造成工作量集中，也会给检测工作带来很大的困难。热流计法检测如图2 所示。
传热系数K/（W/（m2·K）） | 温差Th-Ti/K |
K≥0.8 | ≥12 |
0.4≤K＜0.8 | ≥15 |
K＜0.4 | ≥20 |
表1
2.2 热箱法
热箱法作为实验室检测建筑构件热工性能的方法使用由来已久, 发展较为成熟, 并颁布有、国内的标准, 但用来进行现场检测建筑物热阻或传热系数的热箱法还处于研究当中。热箱法也是基于一维稳态传热原理,通过测量计量箱为维持一定的设定温度而需要的加热功率和砌体两面的温差, 通过公式R=(A△t) /Q 来计算砌体的热工性能( 热阻和传热系数) 。热箱法检测装置由恒温箱、计量箱、温度传感器、数据采集仪等组成。它的主要特点是不受季节限制。热箱法的被测部位是" 面", 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, 且其自动化程度较高。但是在现场如何消除误差是一个不容回避的问题, 因为环境在变, 采用标定热箱法就不适宜;如果采用防护热箱法就要把整个被测房间加热或用一个大防护箱,目前现场检测中，一般是将现场的一间房子当作恒温箱, 将其内温度加热到和计量箱相同的温度, 这在操作中有时是很不现实。同时若要达到一维传热假定, 所规定的加热面的高和宽至少为墙体厚度8～10 倍的要求, 仅热箱加热面的高与宽就必须达到至少2 m 以上, 这在现场检测中难以实现, 且在实际使用中存在较大误差。该方法在国内尚属研究阶段,其局限性在于热桥部位无法测试, 因设备较多而不利于现场测试, 且尚未有关热箱法的标准或国内机构的标准, 于实验室测定与研究。热箱法检测如图3 所示。
2.3 控温箱- 热流计法
控温箱- 热流计法是将热流计法和热箱法相结合, 用热流计测量通过砌体的热流密度, 用恒温箱来保证砌体内外温差, 根据热流计法的计算原理来计算砌体的热工性能, 能够做到检测不受检测环境温度条件的限制,在任何季节都能开展工作。温控箱- 热流计法检测如图4 所示。
控温箱－热流计法的测试原理和数据计算方法与热流计法相同，主要区别是测试环境。热流计法测试时墙体两端均是自然采暖时的室内外温度环境；控温箱－热流计法测试时用控温箱控制温度， 模拟采暖期建筑物的热工状况，一端是人工控温温度环境，另一端是自然温度环境。控温箱是一套自动控温装置, 可以根据检测者的要求设定温度, 来模拟采暖期建筑物的热工特征。采用先进的PID 调节方式控制箱内温度, 实现稳定的控温。能够满足GB/T23483-2009《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》中测试墙体时对内外表面温差的要求（见表1）。
在这个热环境中测量通过墙体的热流量、箱体内的温度、墙体被测部位的内外表面温度、室内外环境温度，也可根据式（1）、（2）计算被测部位的热阻和传热系数。现场检测示意图见图5。
式中:K为围护结构传热系数,W/(m2·℃)；
R为围护结构热阻,(m2·℃)/W；
Re为围护结构外表面对流换热热阻,(m2·℃)/W；
Ri为围护结构内表面对流换热热阻,(m2·℃)/W；
Tij为围护结构内表面温度的第j次测量值，℃；
Toj为围护结构外表面温度的第j次测量值，℃；
qj为热流密度的第j次测量值，W/ m2。
温度由温度传感器( 通常用铜- 康铜热电偶或热电阻) 测量, 热流由热流计测量, 热流计测得的值是热电势, 通过测头系数转换成热流密度。温度值和热电势值由与之相连的温度、热流自动巡回检测仪自动记录, 可以设定巡检的时间间隔。根据GB/T23483-2009《建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法》中要求记录时间间隔不应大于30min。
3．控温箱- 热流计法检测实例
3.1工程概况
所测工程为北京市某小区，检测的围护结构为该工程二楼一朝东墙体，墙体保温形式采用胶粉聚苯颗粒保温砂浆，其热工性能计算见表2。
构造层次/材料 | 导热系数 W/（m·k) | 厚度 mm | 修正 系数 | 热阻R （m2·k）/W |
水泥砂浆（含玻纤网布） | 0.930 | 10 | 1.00 | 0.011 |
胶粉聚苯颗粒保温砂浆 | 0.080 | 35 | 1.15 | 0.38 |
页岩模数多孔砖 | 0.444 | 200 | 1.00 | 0.450 |
无机矿物轻集料保温砂浆 | 0.080 | 10 | 1.15 | 0.109 |
水泥砂浆 | 0.930 | 20 | 1.00 | 0.022 |
内外层面空气换热阻 | --- | --- | --- | 0.15 |
墙体传热阻R：（m2·k）/W | 1.122 |
传热系数K：W/（m2·k） | 0.8913 |
备注 | 设计满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005中传热系数K≤1.0 W/（m2·k）的要求。 |
表2
3.2仪器设备
根据控温箱-热流计法的要求，选用TR70B墙体传热系数现场检测装置，其主要特点：1.实时采集3个通道多点温度及热流值数据；2.全面显示实时数据；3.动态显示实验过程曲线；4.可连续存储多达300小时实验数据；5.可人工控制箱内温度25-60℃；6. 控温装置的控温面积是热流计传感面积的10 倍，消除了边界效应.
在该设备投入使用前，为验证设备的准确性，用已知导热系数的保温板作为标准试件，模拟现场外墙检测其传热系数，保温板换算传热系数为0.51 00W/(m2·℃)，设备第3通道两次检测结果为：0.4871 W/(m2·℃).（偏差为-4.49%）和0.4907 W/(m2·℃)（偏差为-3.78%）；2通道1次检测结果为0.5200 W/(m2·℃)（偏差为+2.00%），偏差均低于5%，表明该设备准确性可以接受。
3.3.检测要点
3.3.1 选择检测部位的原则
现场检测宜在已充分干燥的墙体或主体结构进行。限于客观条件，无法对每栋竣工的建筑的所有保温结构都进行检测，因此，只能抽取代表性建筑的代表性房间进行检测。当测试主体部位的传热系数时，为了使传热过程接近一维传热，检测墙面长度和宽度越大越好，一定程度上检测房间越大越好。
由于建筑物耗热量指标是由围护结构的传热系数和传热面积决定的，因此，根据热工计算要求，在建筑节能现场检测中，必须选择建筑物的屋顶、外墙、热桥、楼梯间隔墙和地下室顶板等部位作为检测部位，无热桥或地下室顶板的部位除外。但在现场检测时，还要考虑设备的安装，选择适合设备箱体大小的、带有保温系统的外墙，且对应的外墙应便于安装设备外机。
测点位置应尽量选择在检测部位的中央，当测量围护结构主体部位的传热系数时，应根据检测目的采用红外热像仪协助确定，测点不应靠近热桥、裂缝和有空气渗漏的部位，不应受加热、制冷装置和风扇的直接影响，且应避免阳光直射。围护结构被测区域的外表面应避免雨雪侵袭和阳光直射。
3.3.2 热流计和温度传感器的安装方法
热流计应直接安装在被测围护结构的内表面；温度传感器应在被测围护结构两侧表面安装。内表面温度传感器应靠近热流计安装，外表面温度传感器宜在与热流片相对应的位置安装。墙体传热系数现场检测装置的内箱体上配备有3块热流计，旁边有6块温度传感器，安装时须将外机上的温度传感器直接对应于内箱的热流计上，紧贴墙面，该过程需要测量确定位置。
3.3.3 测量时间的控制
检测时待墙体蓄热稳定后方可进行正式测试，检测时间应≥96 h。采用累积式测法，每15 min 自动记录数据1 次。对于轻型围护结构：单位面积比热容< 20kJ/(kg·K)，宜使用夜间采集数据(日落后1 h 至日出)计算围护结构的热阻。当经过连续4 个夜间测量之后，相邻2 次测量的计算结果相差≤5%时即可结束测量。对于重型围护结构：单位面积比热容≥20kJ/(kg·K)，应使用全天采集数据(24 h 的整数倍)计算围护结构的热阻，且只有在下列条件得到满足时方可结束测量：
(1)末次热租R 计算值与24 h 之前的R 计算值相差≤5%；
(2)检测期间内第1 个INT(2 ×DT/ 3)天数内与后一个同样长的天数内的R 计算值相差≤5%(注：DT 为检测持续天数，INT 表示取整数部分)。
3.4 检测数据与结果分析
检测周期为七天，时间是2010年4月27日12：21至2010年5月4 日17：33 ，共记录1097条数据。达到稳定状态时为2010年4月30日17：38至2010年5月4 日17：33，共记录602条数据，结果分析其偏差见表3。
检测时间 | 记录数据个数 | 主体部位热阻值(m2·℃)/·W | 计算值偏差（%） |
2010年4月30日17：38至2010年5月2 日12：26 （周期前2/3天数的整数天） | 259 | 1.1296 | 1.34 |
2010年5月2日17：39至2010年5月4 日17：33 （周期后2/3天数的整数天） | 311 | 1.1450 |
2010年4月30日17：38至2010年5月4 日17：33 （末次值） | 602 | 1.0492 | 1.77 |
2010年4月30日17：38至2010年5月1日17：33 （前24h值） | 155 | 1.0681 |
表3
通过以上表格数据可以看出检测数据能很好的将计算值控制在≤5%。检测数据符合规范要求，根据2.3节式（1）：
为 7266.7K ， 
为 6926.2 W/ m2 ，R= 1.0492 (m2·K)/W，
根据2.3节式（2）： 
，K=0.8339 W/（m2·K）≤设计值0.8913 W/（m2·K），符合设计要求。
5 结语
5.1 综合墙体热工传热系数三种检测方法比较：热流计法基本适应于北方地区的现场传热系数检测，热箱法适应于实验室的墙体检测，而控温箱-热流计法可用于夏热冬冷地区的现场传热系数检测。控温箱- 热流计法综合了热流计法和热箱法两种方法的特点。用热流计法作为基本的检测方法, 同时用热箱来人工制造一个模拟采暖期的热工环境, 这样既避免了热流计法受季节限制的问题, 又不用校准热箱的误差, 热箱仅是温度控制装置, 不计算输入热箱和热箱向各个方向传递的功率。因此不用庞大的防护箱在现场消除边界热损失, 也不用标定其边界热损失。
5.2 针对目前的一些检测方法受环境温度和季节的限制问题，本文认为保证检测部位内外温差15 ℃以上的条件下测试是可行的，使用控温箱-热流计法检测时不受季节气候的影响，在夏热冬冷地区有较好的适应性和可操作性，使得这种方法能满足节能工程的质量控制和节能工程竣工验收.
5.3 由于本方法采用人为控制温差的方法，能够显著提高检测效率，使检测周期缩短，通过近来的实践应用表明，控温箱-热流计法切实可行，检测数据准确可靠，完够满足夏热冬冷地区建筑节能现场检测的要求。
