在非采暖地区应用热箱-热流计法检测建筑围护结构热阻的探讨.pdf

钎癯 巍粉 全 国 中 文 核 心 期 刊 在非采暖地区应用热箱一 热流计法 趋测建筇围护结构热阻昀搞i 刁 冯小平， 张鹏飞， 黄伟民， 华渊 江南大学 环 境与土木 工程学 院， 江苏 ， 无锡2 1 4 1 2 2 摘要 采用控温箱一 热流计法 简称热箱法 ， 运用热流计法作为基本的检测方法， 同时用热箱人工模拟采暖期的热工环境， 实 现 建筑物 围护结构传热系数检测， 可避免热流计法 受季节 限制 的问题 。 采用热箱法对某建筑物外墙传热系数在不 同环境条件下进行 检测 ， 分析 了检测数据 的可靠性和实用性以及气候 条件 、 太 阳辐射 、 侧 向热流等 因素对 围护结构传热系数的影响。实测结果表明， 在 非采 暖地 区应用热箱法进行建筑物围护结构传 热系数 的现场检测是可行 的，应用时需要尽量避免环境因素和侧 向热流对检 测结果 的影响。 关键词 热箱法； 建筑围护结构； 热阻； 检测； 非采暖地区 中图分类号 T U 1 1 1 ． 3 9 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 0 0 8 0 0 6 1 0 4 Di s c us s i on o n a ppl yi ng t e m p er at ur e c o nt r o l l e d bo x-h ea t flow me t e r met hod f o r me as ur e men t o f he at t r a n s f e r c o e ffi c i e nt o f bui l di ng e nv e l o pe s i n nonhe a t i ng r e g i on F E N G X i a o p i n g ， Z H A NG P e n e i ， HU AN G We i m i n ， HU A Y u a n S c h o o l o f En v i r o n me n t a l a n d Ci v i l En g i n e e r i n g， J i a n g n a n Un i v e r s it y ， Wu x i 21 41 2 2 ， J i a n g s u， Ch i n a Abs t r ac t Th e t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e d b o x h e a t flo w me t e r me t h o d h o t b o x me t h o d i s t h e u s e o f a r t i fi c i a l t e mp e r a t u r e c o n t r o l b o x t e mp e r a t u r e t o b u i l d a ho t e n v i ro n me n t a n d h e a t flo w me t e r t o d e t e c t the d a t a ， t h r o u g h d a t a p r o c e s s i n g ， t o g e t t h e wa l l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t ．Me a s u r i n g h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f b u i l d i n g e n v e l o p e s wi t h t h i s me t h o d c a n a v o i d t h e p r o b l e m t h a t t h e h e a t fl o w me t e r me t h o d i s r e s t ric t e d b y s e a s o n ．I n t h e p a p e r ， h e a t t r a n s f e r c o e f fic i e n t s o f a n o u t e r wa l l we r e me a s u r e d u n d e r v a ria n t c l i ma t e c o n d i t i o n s ， a n d t h e r e l i a b i l i t y a nd p r a c t i c a bi l i t y o f t h e me a s u r e d d a t a， a s we l l a s t h e i n flu e n c e s o f c l i n mt e c o n d i t i o n， s o l a r r a d i a t i o n， l a t e r a l h e a t flo w a n d o t h e r f a c t o r s o n t h e h e a t t r a n s f e r c o e f fi c i e n t of b u i l di n g e n v e l o p e s a r e a n aly z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t i t i s f e a s i b l e t o u s e h o t b o x me t h o d t o me a s u r e h e a t t r a n s f e r c o e f fi c i e n t o f b uil d i n g e n v e l o p e s i n n o n h e a t i n g r e g i o n s ．Du r i n g a p p l i c a t i o n， a t t e n t i o n s h o u l d b e p a i d t o t h e i n fl u e n c e o f e n v i r o n me n t c o n d i t i o n a n d l a t e r al h e at fl o w o n t he me a s u r i n g r e s u l t s ． Ke y wo r ds h o t b o x me t h o d b ui l d i n g e n v e l o p e h e a t r e s i s t a n c e i n s p e c t i o n； n o n -h e a t i n g r e g i o n 0 前言 为改善居住建筑室内热环境， 提高人民居住水平， 提高采 暖、 空调能源利用效率， 贯彻执行国家可持续发展战略， 2 0 0 1 年J G J 1 3 4 2 0 0 l 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 颁 基金项 目 江苏省 2 0 0 8年度建 设系统科技计划项 目C I S 2 0 0 8 J H 0 2 江苏省高等学校人学生实践创新训练计划项 目 2 0 0 9 1 8 1 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 2 作者简介 冯小平， 男， 1 9 6 5年 生， 安徽宣城人 ， 博士 ， 副教授。 地址 江 苏省 无锡 市蠡湖 大道 1 8 0 0号 ， 电话 0 5 1 0 8 0 2 3 9 0 5 6 ， E ma i l f x p _9 9 1 2 6 。． C O m 布实施， 该标准在提出节能5 0 ％的同时， 对建筑物围护结构 的热工性能也进行了相应规定。虽然J G J l 3 4 2 0 0 l 在设计 阶段保证了建筑物围护结构的热工性能达到目标要求， 但并 不能保证建筑物建成后也能达到节能要求，因为建筑的施工 质量同样非常关键。 因此， 判定建筑物围护结构热工性能是否 达到标准要求， 仅靠资料并不能给出结论， 需要现场实测。 目前建筑围护结构的传热系数主要的检测方法有热流计 法l】 1 、 控温箱一 热流计法 以下简称热箱法 [2 1 温度场响应法嘲 。 其中热流计法是国家检测标准首选的方法，在国际上也是公 认的方法，但是这种方法的缺点是必须在采暖期才能进行测 试， 这就限制了它的使用。为解决热流计法受季节限制问题， 相关研究机构开发出了热箱法，该方法用热流计法作为基本 N E W BUI L DI NG MAT ER I AL S 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯小平， 等 在非采暖地区应用热箱一 热流计法检测建筑围护结构热阻的探讨 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， 又无需校 准热箱法的误差。为检验热箱法在非采暖地区应用效果， 对 无锡市某建筑物外墙传热系数在不同环境条件下进行检测， 分析检测数据的适用性和气候环境、 太阳辐射等因素对围护 结构传热系数的影响l l j 。 1 测试原理 热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的温度。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， 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，这样被测部位的热流总是从室内 向室外传递， 当热箱内加热量与通过被测部位的传递热量达 到平衡时，通过测量热箱的加热量得到被测部位的传热量， 经计算得到被测部位的传热系数 。 根据围护结构传热系数的定义， 当传热处于稳态条件时， 通过围护结构的热流量应该与通过热流计的热流量相等。 这 样， 围护结构的热阻R可由下式计算 R Ao ／ q 1 则围护结构的传热阻 为 R R i 根 2 其传热系数 可通过式 3 计算 K c 丽 1 3 式中 △ 一被测围护结构加装热流计后， 热流计两面的温差， K 口 一通过热流计的热流量， W／ m ； 厂内表面换热阻， 取0 ． 1 1 m 2 o K ／ W； R 一 外表面换热阻， 取0 ． 0 4 m 2 o K ／ W。 2 测试系统 该测试装置由热箱、 温度控制系统和温度、 热流检测仪 B E S A 等组成。 测试装置通过控制热箱内 温度， 人为造成试 件两侧温差。 在相对稳定条件下， 进行有关参数的测量， 从而 提高总体测试精度。 2 ． 1 热箱装置 热箱采用铝合金框架结构， 内壁设高效保温层， 热箱内 尺寸1 2 0 0 m m l O 0 0 m m 。 热箱内设有加热元件及空气循环装 置， 温度采用P I D调节， 恒温控制。 箱内温度控制在2 0 ～ 5 0 ℃， 误差不大于0 ． 2 ℃。 2 ． 2 测量系统 6 2 新型建筑材料 2 0 1 0 ． 8 测量系统由温度传感器、 热流传感器、 B E S A围护结构 传热系数现场检测仪及数据通讯处理软件组成。实现对热箱 内外空气温度、 试件表面温度和热流密度等参数的高精度测 量， 直接显示测量数据和试件热阻及传热系数。 1 温度测量 检测时需要测量室g J l, 环境温度、 被测墙体内外表面温 度、 控温箱内 环境温度、 控温箱加热器控制点温度。温度由 温 度传感器测量， 本测试装置有8 路通道用于温度的测量， 量程 为一 4 0 ～ 1 0 0 ℃， 误差不大于0 ． 2 ℃。 2 热流密度测量 热流由热流计测量。 热流计是 1 组热电偶组成的热电堆， 直接测得的值是热电势， 通过测头系数转换成热流密度。 本测 试装置有2 路通道， 量程为一 2 0 2 0 m V ； 误差不大于0 ． 2 ℃； 热 流传感器采用板式热流计。 3 数据采集和处理 检测仪配有专用数据通讯处理软件。联机状态下具有实 时显示当前数据、 历史数据及曲线等。根据所测的温度、 热流 密度等数据自 动计算出围护结构的热阻及传热系数。 3 检测实例 本实验所选取的墙体为某实验楼一东向外墙， 无窗， 所测 墙体的结构从内向外依次为2 0 m m混合砂浆、 2 0 0 m m K P 1 多 孔砖、 2 O m m混合砂浆、 面砖。 经计算， 外墙传热系数设计计算 值为 1 ． 6 6 W／ m z K ， 单位面积比热容大于3 5 3 k J ／ m 2 K 。 具 体实验步骤如下 1 实验装置安装 安装实验仪器， 将内墙温度测点、 热流 计和外墙温度测点分别固定在内外侧墙体表面，把内外空气 温度测点分别悬挂在室内外空气中。将室外空气测点和墙体 表面温度测点用纸板遮住， 使其不被太阳照射且不被雨淋。 然 后用热箱将热流计和内墙温度测点罩住， 并用泡沫胶把热箱 四周封好。传热系数现场检测仪安装示意见图1 。 图 1 热箱法 围护结构传 热系数现场检测仪安装示意 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯小平， 等 在非采暖地 区应用热箱一 热流计法检测建筑围护结构热 阻的探讨 2 检测参数设定。待仪器安装好后， 把各个测点按顺序 接到B E S A围护结构传热系数现场检测仪上，接通电源， 启 动热箱加热并设定自 动温度控制值为5 0 c c ，调试B E S A围 护结构传热系数现场检测仪的数据， 确定安装及接线正确， 对 检测仪参数进行设置、 设定日期时间以及数据记录时间间隔， 设为2 0 m i n 记录 1 次。 3 实验数据观察。检测期间每隔一定时间对仪器的运 行情况和检测数据进行观察， 保证检测实验正常进行， 遇到意 外情况及时处理。 4 围护结构热阻实测值的确定 实验数据采集测试时间从 2 0 0 8 0 3 2 4 T 1 6 0 0 开始至 2 0 0 8 0 3 2 8 T 1 2 0 0结束， 共有2 7 4组检测数据， 内外墙体表 面测点温度和室内外空气温度随时间变化曲线如图2 所示， 全部实测传热系数和传热阻随时间变化如图3 所示。 888888888888gggggg8ggg8g 高昌苫兽 呙g芎兽 呙gg兽 昌昌g蓦 时间 O．7 0． 6 专 0 ． 5 0． 4 O． 3 0． 2 -4 - -0 ．1 O 图 2 墙体表面温度变化 卜传 热阻 卜内墙测点温 度 2 - 夕 墙测点温 度 3室 内空气温 度 4室外空气温度 置 罨 罨 墨 警 簪 警 量 警 置 善 事 置 拳 罨 昌gg兽 高gg答 昌g苫兽 8苦兽 时间 图 3 实测传 热系数及传热 阻变化 4 ． 1 热阻计算 根据文献[ 4 】 ， 建筑物围护结构热阻可以采用算术平均法 计算， 具体公式如式 4 所示。 ∑ 0 j- 0 6 尺 j 生 4 ∑叮 】 式中 。 l_一被测围护结构内表面平均温度逐时值， K ； 广一被测围护结构外表面平均温度逐时值， K ； q __一通过热流计的逐时热流量， W／ m 。 4 ． 2 结束试验 的判断 根据J G J 1 3 2 _ _ 2 0 0 1 采暖居住建筑节能检验标准 ， 对于 重型围护结构『 单位面积比热容大于2 0 k J ／ m 2 “ K 】 ， 应使用全 天的数据 2 4 h的整数倍 计算围护结构热阻， 且在下列条件 得到满足时方可结束测量。 1 末次热阻尺计算值与2 4 h 之前的尺计算值相差不大 于 5 ％； 2 检测期间内第 1 个I N T 2 x D T ／ 3 天内与最后一天同 样长的天数内的尺计算值相差不大于5 ％； 本次试验外墙单位面积比热容为3 5 3 k J ／ m 2 K ， 属于重 型围护结构，测试时间为3 月2 5日6 0 0 2 8日的6 0 0 共3 整天， 此阶段测量温度较稳定， 测试期间全天平均热阻的计算 及误差分析如表 1 所示。 表 1 围护 结构热 阻计算及误差分析 从表 1 可以看出，第 3 d的 值与第 2 d的 值相差 4 ． 6 5 ％；检测期间内前2 d 和后2 d的 计算值相差 3 ． 7 2 ％， 均小于5 ％， 满足结束检测的条件。将3 d 实测热阻数据的平 均值0 ． 5 0 5 8 m 2 K ／ W作为外墙热阻实测值。 根据公式 3 计算 出的试验外墙的传热系数为 1 ．5 2 4 9 w ／ m K ， 与设计计算值 相差 8 ％。 5 影响因素分析 5 ． 1 太阳辐射对墙体传热系数测试结果的影响 由于该墙外围无遮挡， 测试时天气为晴天， 受太阳辐射影 响大。 从图2 可以看出， 由于太阳辐射的影响和室外空气温度 变化的影响， 外墙表面的温度变化较大， 对传热系数的结果造 成直接的影响。因而，对传热系数测试应采取适当的遮挡措 施， 以减少或消除太阳辐射的直接影响， 在选择外围护结构时 应避免日光直射或狭缝处 风速大 外墙面， 如果条件允许尽 量选择北面外墙进行测试。 5 ． 2 气候条件对测试结果的影响 该外墙热阻试验曾在2 0 0 6 年9月 测试期问室内外空气 平均温度分别为2 4 ．4 、 2 4 ． 5 ℃ 和2 0 0 7 年 5 月 测试期间室内 NE W BUI L DI NG M AT ER I AI S 63 印 蛎 蚰 ∞ 加 加 5 O ＼ 赵赠 一 x． 一 J ／ 幕 6 5 4 3 2 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯小平， 等 在非采暧地区应用热箱一 热流计法检测建筑围护结构热阻的探讨 外空气平均温度分别为2 5 ． 5 、 2 6 ． 9 ℃ 时间段进行过测试， 其 外墙的传热系数分别为1 ． 7 1 、 1 ． 6 2 w／ m z K ， 与设计计算值相 差 3 ． 0 ％和 2 -4 ％。 从结果可以看出， 测试结果与设计计算值误差较小。说 明采用热箱法检测围护结构的传热系数受气候条件的影响较 小， 可以在不同季节进行测试工作。 5 - 3 热箱内空气温度和室内空气温度差别对 K值 的影 响 一 维传热理论， 是建立在热箱内和室内空气的温度一致， 相互之间无热量交换基础上的， 因此， 热箱扣住部分围护结构 和相邻未扣住部分表面温度也一致，相互之间无热量交换。 而检测实践中， 热箱内和室内空气温度总是有一定差别。当 热箱内空气温度大于室内空气温度时， 热箱将向室内 传热， 且 热箱扣住部分围护结构将向相邻未扣住部分传热， 此时所测 值相对增大， 反之， 所测 值相对减小l 1 l 。 6 检测过程应注意的问题 1 温度传感器要紧紧地贴在被测结构的内、 外表面上 中心和四周 ， 且都要做好防辐射处理。 2 设置热箱控制温度时， 应注意天气预报， 一般情况下， 设置热箱控制温度应高于当天 或未来几天内 室外最高温度 l 2 ℃以上；这样就可保证即使室外温度有一定范围内的波 动， 也不会导致室内外空气温差达不到要求而致使数据无效。 3 测试结果处理时， 应选择传热过程基本达到热稳定条 件后的数据进行处理。在试验过程中，需对检测数据进行分 析， 以 判断能否结束试验。 参考文献 川田斌 守， 杨永恒 ， 盂 渊， 等． 应 用热流计现场 检测建筑 物传热系数 新型建筑材料， 2 0 0 4 8 5 9 6 1 ． [ 2 ] 田斌 守． 控温箱一 热流计法现 场检测围护结构传热 系数研 究【J J ． 建 筑节能， 2 0 0 8 1 2 5 1 5 3 ． 【 3 ] 田斌守． 建筑节能现场检测方法【 J 】 ．工程质量 ， 2 0 0 6 1 2 5 2 5 6 ． [ 4 ] DG J 3 2 ／ J 2 3 --2 0 0 6 ， 民用 建筑节 能工程现 场热工 性能检测标 准 [ S 】 上 接 第 4 7页 3 以规范的中等刚度为标准， 拼装板的屋盖刚度在加荷 中始终高于中等刚度； 普通钢筋混凝土圆孔板在荷载小于4 1 0 4 N时略高于中等刚度， 荷载在 4 6 x l N时接近中等刚 度， 荷载大于6 X 1 0 4 N时则开始小于中等刚度， 而且刚度衰减 得较快； 高圈梁在荷载低于 l 0 5 N时略大于中等刚度， 荷载大 于1 0 s N后开始逐渐地小于中等刚度。 4 是屋盖综合剪切刚度， 通过 一 ，曲线图的分析 过程与m F曲 线图的分析大体上相同。 5 3 种屋盖模型 值的范围为 1 1 3 6 ～ 6 9 5 2 x l O 4 N ， 具 有不同的刚度。 6 3 种屋盖结构空间工作的好坏、 屋盖刚度大小的比较 情况在不同荷载阶段是不同的。其中拼装板屋盖结构始终较 好，而其它屋盖结构，在荷载小于4 x l lY N时相互的差别不 大，从荷载4 x 1 0 4 N开始高圈梁加气混凝土板屋盖结构比普 通钢筋混凝土圆孔板屋盖结构稍好一些。 4 结语 通过有限元分析软件A N S Y S 对加气混凝土板及普通钢 6 4 新型建筑材料 2 0 1 0 ．8 筋混凝土圆孔板屋盖在横向水平力作用下的位移及变形进行 了数值模拟计算，从而得到屋面板的分配系数m，最后通过 比较， 并根据J G J ／ T 1 7 2 0 0 8 蒸压加气混凝土建筑应用技术 规程 得出对配筋屋面板刚度性能更有意义的结论。 参考文献 [ 1 ] 罗福午． 单层工业厂房结构 设计[ M1 ． 北京 清华大学 出版社， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 孙 训方， 胡增强． 材料 力学『 M】 ． 北京 高 等教育 出版社 ， 2 0 1 0 5 1 5 4． [ 3 ] J G J 3 2 0 o 2 ， 高层建筑混凝土结构技术规程【 s 】 ． 【 4 ] 甘 肃省建筑科学研 究所 ． 加气混凝 土板与普通 混凝土 圆孔板横 向水平刚度 的研究【 R 1 ． 1 9 8 4 ． [ 5 ] N i l s s o n ， A h u r H． N o n l i n e a r a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b y t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d [ J I ． A C I J o u rna l ， 1 9 6 8 ， 6 5 ． 【 6 】 懂 哲仁． 钢筋混凝 土结构非线性有 限元 原理与应用【 M】 ． 北京 中 国水利水电出版社 ， 2 0 0 2 ． A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m