防护箱式建筑围护结构传热系数现场检测仪的应用研究.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 3 63 防护箱式建筑围护结构传热系数现场检测仪 的应用研究 麦粤帮， 吴培浩， 路建岭 广东省建筑科学研究院， 广东 广州5 1 0 5 0 0 摘要 通过理论分析 ， 研制了一种防护箱式建筑围护结构传热系数现场检测仪， 并对防护箱／ 冷箱温控精度进行 了试验研究， 试验结果表明 防护箱内各点最大温差为 0 ． 4 2 ％， 单点温度最大波动为0 ． 5 7 C； 冷箱内各点最大温差 为0 ． 5 3 ％， 单点温度最大波动为 0 ． 2 9 ℃， 防护箱／ 冷箱内的空气温度稳定性和均匀性较好 ， 温控精度较高。该现场 检测仪在实际应用过程中， 不受环境温度限制， 控温效果好 ， 与现有检测仪比较， 检测结果更加稳定， 传热系数波动 在 0 ． 0 1 W／ m K 之内， 检测结果准确 ， 适用于建筑围护结构传热系数的现场检测。 关键词 防护箱； 冷箱； 围护结构； 传热系数； 现场检测 中图分类号 T U 1 1 1 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 0 2 3 6 3 0 4 Th e a p p l i c a t i o n o f s i t e t e s t i n s t r u me n t wi t h g u a r d b o x f o r h e a t t r a n s f e r c o e ffi c i e n t o f b u i l d i n g e n v e l o p e MAI Yu e b a n g， WU P e i h a o ， L U J i a n l i n g G u a n g d o n g P r o v i n c i a l A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h ， G u a n g z h o u 5 1 0 5 0 0， C h i n a Ab s t r a c t A s i t e t e s t i n s t r u me n t wi t h g u a r d b o x f o r 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 w a s d e v e l o p e d t h r o u g h t h e o r e t i c a l a na l y s i s ． And t h e t e mp e r a t ur e c o nt r o l a c c ur a c y i n t h e g u a r d b o x ／c o l d b o x wa s s t ud i e d ．Th e r e s u l t s s ho we d t h a t Fi r s t l y， t he ma x i mu m t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e a t d i f f e r e n t p o s i t i o n i n t h e g u a r d b o x w a s 0 ． 4 2 ℃ ． t h e ma x i mu m t e mp e r a t u r e fl u c t u a t i o n i n t h e g u a r d b o x w a s 0 ． 5 7 ℃ ． S e c o n d l y， t h e ma x i mu m t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e a t d i f f e r e n t p o s i t i o n i n t h e c o l d b o x w a s 0 ． 5 3 C， t h e ma x i mu m t e mp e r a t u r e fl u c t u a t i o n i n t h e c o l d b o x wa s 0 ． 2 9 o C． T h e s t a b i l i t y a n d u n i f o r mi t y o f a i r t e mp e r a t u r e i n t h e gu a r d b o x ／ c o l d b o x w e r e b e t t e r a n d t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l a c c u r a c y wa s h i g h e r ． T h e s i t e t e s t i n s t ru me n t i s n o t a f f e c t e d b y a mb i e n t t e mp e r a t u r e ， a n d h a s a g o o d e f f e c t for t e mpe r a t ur e c o n t r o l i n t he a c t u a l a p pl i c a t i o n p r o c e s s， a n d ha s mo r e s t a b l e r e s ul t c o mpa r e d wi t h t he e x i s t i ng t e s t i n s t rume n t ．At t h e s a me t i me i t c a n g e t a c c u r a t e r e s u l t ， a n d a l s o t h e f l u c t u a t i o n o f h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t i s w i t h i n 0 ． 0 1 W ／ m K ． T h e r e f o r e ， t h e s i t e t e s t i ns t r ume n t a p p l i e s t o s i t e t e s t for t h e he a t t r a ns f e r c o e f f i c i e n t o f b ui l d i ng e n v e l o pe ． Ke y wor ds g u a r d b o x； c o l d bo x； bu i l d i n g e n v e l o pe； he a t t r a ns f e r c o e f f i c i e n t ； fie l d t e s t 0 引 言 随着建筑节能工作推进力度的逐步加大 ， 建筑 节 能 工 程 的 现 场 检 测 验 收 正 引 起 广 泛 重 视 ， G B 5 0 4 1 1 2 0 0 7 建筑节能工程施工质量验收规范 对建筑节能工程 的现场检测提 出了全面的要求 ， 其 中 1 4 ． 1 ． 1 条规定 建筑围护结构施工完成后 ， 应对 围护结构 的外墙 节能构造进行 现场实体检测。 因 此 ， 各地都积极开展 了建筑节能现场检测技术的研 究和探索 ， 费慧慧等介绍 了北方采 暖建筑节能现场 检测的直接法和间接法 ； 田斌 守等研究 了热流计 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 -08 作者 简介 麦粤帮 1 9 8 1一 ， 男 ， 工 程师 ， 主要从 事建筑 节能技 术研 发工作 。 E ma i l ma iy u e b a n g 2 1 c n ． C O B 法在建筑 围护结构传热系数测试 中的应用 ， 指出热 流计法应用于建筑围护结构传热系数的现场检测应 注意的几个问题 ； 吴培浩等人研制了一种冷热箱 热流计法墙体传热系数现场检测仪， 该现场检测仪 的检测结果稳定 ， 传热 系数波 动为 0 ． 0 2 w／ i n ℃ ； 日本人 A y a H a g i s h i m a和 J u n T a n i m o t o对 建筑围护结构外表面的对流换热系数进行了现场测 试 ， 提出了建筑物外表面对流换热系数和风速的关 系式 ； 希腊学者 G L e fl h e r i o t i s和 P Y i a n o u l i s用测 试单元法测试 了建筑材料的热物性 ， 设计 的实验装 置能够动态测试建筑材料的传热系数 、 导热系数 、 热 容和比热 。 本文针对建筑围护结构传热系数现场检测对环 境温度的特殊要求， 介绍了一种防护箱式建筑围护 结构传热系数现场检测仪。 3 6 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 1 现场检测仪及原理 1 ． 1 现场检测仪简介 防护箱式建筑围护结构传热系数现场检测仪如 图 1 所示 ， 主要包括 配电箱 、 控制器 、 防护箱 、 计量 箱 、 冷箱和冷水机组等部件 ， 采用翅片换热器和电加 热使得防护箱 、 计量箱、 冷箱都形成稳定可调的温度 场 ； 利用 P I D控制模块精确控制 电加热器的加热量 ； 采用小型的冷水机组为翅片换热器供冷 ， 并采用 乙 醇或 乙二醇等低冰点物质作为载冷剂； 冷箱和计量 箱内竖向均设有能够使建筑试件表面形成稳定对流 的导流屏 ； 建筑试件表面 、 计量箱和冷箱各有关表面 都贴有温度传感器 ， 计量箱的电加热和风扇 的电路 上都装有功率传感器 ， 计算机或触摸屏对测试过程 进行监测 ， 并进行数据处理和结果显示。 1 2 ＼ 、 ／ I I ＼ ’ 7 l I ／ 回 回 回 j ； ； ； 回厂一] 韭 韭 I R l ／， 国 回 回 ／， 车 卓 回 P I D 控制仪表 囤 温度采集模块回 电动率采集模块H } 爿 翅片换热器 ～ 电 加热 中 风 扇 圈带电 加 热水 箱 0 水泵 暖 制 冷设 备 1 7 , t 算机或触摸屏；2配电箱；3防护箱；4 ． 计量箱5 ． 试件；6 ．冷箱； 7小型冷 水机 组 图 1 防护箱式传热 系数现场检测仪构 成示意 Fi g． 1 The i n t e r na l s t r uc t ur e o f s i t e t e s t i ns t r ume n t wi t h g uar d box f o r he a t t r an s f e r c oe ffi c i e nt o f bu i l di ng e nv e l o pe 防护箱式建筑 围护结构传热系数现场检测仪采 用冷水机组作为冷源 ， 实现 了冷源和检测箱体 之间 的分离 ， 保证检测仪每个部件的重量都不大 ， 而且各 部件仅需要进行几根水管或电缆 的连接 ， 且各 重要 部件均安装有车轮 ， 机动性 比较好 ， 便于运输 、 安装 和移动， 适用于墙体等建筑 围护结 构传热系数 的现 场检测 。 1 ． 2 检测原理 当热流通过建筑物 围护结构时， 由于其热阻的 存在 ， 在厚度方向的温度梯度为衰减过程 ， 使该围护 结构内、 外表面具有温差， 利用温差与热流之间的对 应关系进行传热系数的测定。 该现场检测仪利用温度传感器采集计量箱和冷 箱的空气温度 ， 以及计量箱 、 冷箱和建筑试件的各表 面温度 ， 利用功率传感 器采集通过计量箱 的加热电 功率 ， 并将加热电功率看作通过围护结构的热流， 并 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。 1 ． 3理 论分析 该现场检测仪 的计量箱被防护箱围绕 ， 控制计 量箱的环境温度， 使计量箱内不平衡热流量和流过 计量箱壁的热流量减至最小 。测试时保证计量箱内 部与外部的温度均匀一致 ， 当冷侧温度和表面换热 系数均匀一致时， 那么计量箱内、 外空气温度的平衡 意味着在试件表面上温度平衡 ， 即穿过试件的总热 流量等于输入计量箱的热量 。 热量传人试件或从试件 中传出是通过计量箱 内 其他表面的辐射热交换和试件表面的对流换热进行 的。对于第一种传热机理 ， 传热量取决于所有与试 件进行辐射换热表面的平均辐射温度； 第二种传热 机理 ， 传热量取决于邻近的空气温度 。因此 ， 通过试 件的热流受到冷 、 热两个侧面中任何一个侧 面的辐 射和空气温度的影响。 1 ． 3 ． 1 建立热平衡 方程 试件两侧任 侧面的热平衡方程可写成 ] e h T r h T o 1 式中 Q为通过试件表面的总热流量 ， w； A为试件 传热面积， m ； T r 为导流板平均辐射温度 ， K； 为 导流腔 内流动空气温度 ， K； T s 为试墙表面温度 ， K； 占 为辐射率； h 为辐射换热 系数， W／ m -K ； h ．． 为 对流换热系数 ， W／ m K 。 将辐射温度和空气对流温度合并 成环境 温度 T n K ， 则有 一 2 A R 、 由式 1 和 式 2 可 以导 出表 面换 热 阻 R m K ／ W 和环境温度 r， n 为 3 R 4 8 l L l t l L c 1 ． 3 ． 2传热系数计算 若 s 及 h ， 值 已知 ， 并已测得导流板表面温度 和导流腔 内空气温度 ， 则可利用式 3 计算出环 境温度。 1 导流板总辐射率 ， 辐射换热系数 h 可采用 下式计算 7 j 一 1 1 5 o o 1 0 0 2 h 4 o - r 6 式 中 ． 为导流板 表面辐射率 ， 通常取 0 ． 9 7 ； 为试件表 面辐 射率 ， 通 常取 0 ． 9 ； 为斯蒂芬 常 数， 5 ． 7 41 0 w／ m K 。 2 环境温度 计算 麦粤帮， 等 防护箱式建筑围护结构传热系数现场检测仪的应用研究 3 6 5 试件表面对流换热系数 h 可利用 式 1 和式 2 联合消除， 得环境温度 h r T a T r T n 孳 式 7 对试件两侧 的环境温度计算均适 用 ， 对 计量箱侧面 ， Q取正值 ， 对冷箱侧面 ， Q取负值 。 3 传热系数 K计算 围护结构传热系数可由下式计算 8 式 中T n ． 为计量箱侧环境温度 ， K； 7 1 ， 为冷箱侧环 境温度 ， K。 表 1 试验稳定后的参数统计 Ta b l e 1 Pa r a m e t r i c s t a t i s t i c a l o f t h e s t a b i l i z e d t e s t ℃ 如表 1所示 ， 防护箱 内各点 最 大温度 差异 为 0 ． 4 2 ℃ ， 单点温度最大 波动为 0 ． 5 7 ℃ ； 冷 箱 内各点 最大温 度 差 异 为 0 ． 5 3 q C， 单 点 温 度 最 大 波 动 为 0 ． 2 9 ℃ ， 满足 G B ／ T 1 3 4 7 5 --2 0 0 8 绝热稳 态传热性 质的测定标定和防护热箱法 的相关要求， 防护箱／ 冷箱 内的空气温度稳定性 和均匀性较好 ， 温控精度 较高。 2 防护箱／ 冷箱温控精度试验与分析 3 现场检测仪实际工程应用与分析 为检验防护箱／ 冷箱 内空气温度 的稳定性和均 匀性 ， 试验按 G B ／ T 1 3 4 7 5 --2 0 0 8 绝热稳态传 热性 质的测定、 标定和防护热箱法 中关于冷／ 热箱的要 求进行。 2 ． 1 试验工况介绍 将现场检测仪的防护箱和冷箱分别安装在试件 两侧 ， 连接好相关试验设备 ， 并以试件 中央 5 0 0 mm 5 0 0 m m的部分为试验对象 ， 在冷箱 、 防护箱 内按 4 5度斜线分别平均分布 3根 K型热电偶 ， 并通过计 算机采集程序和安捷伦数据采集仪进行数据采集 。 2 ． 2试 验结 果及分 析 将冷箱的温控器设定在 2 5 q C， 防护箱的温控器 设定在 5 0 ℃， 监测图线如图 2所示。 图2 防护箱／ 冷箱均匀性、 稳定-陛监测 Fi g． 2 M o ni t or i ng t he s t a bi l i t y and un i f o r mi t y of a i r t e m pe r at ur e i n t he g uar d bo x／c ol d bo x 由图 2可知 ， 试验进行 1 0小 时之后 ， 防护箱 和 冷箱内的空气温度趋 于稳定 ， 防护箱 内的空气温度 基本维持在 5 0 C， 冷箱 内的空气温 度基本 维持在 2 4 E， 且各测点之间的温度偏差较小 ， 因此 ， 防护箱 和冷箱 内的温度稳定且分布均匀。 试验稳定后的 1 0个小时内的参数统计见表 1 。 3 ． 1 现有检测仪的实际应用情况 文献 [ 4 ] 介绍了一种冷热箱一 热流计法墙体传 热系数现场检测仪 ， 如图 3所示 ， 本文所述防护箱式 建筑围护结构传热系数现场检测仪正是在冷热箱一 热流计法墙体传热系数现场检测仪的基础上进行改 进的。从结构上来讲两者主要区别是 冷热箱一 热流 计法墙体传热系数现场检测仪的主要测试单元为热 流计和热电偶 ， 而防护箱式建筑 围护结构传热系数 现场检测仪 的主要测试单元为计量箱。 ／l ＼ ＼ 謇 一 5 6 l ／ 三 | 、 } ‘ ／ l ； I I ， 叶 、 、、 、 ， 回 P I D 控制仪表t4 4 , 1 翅片换热器 ～电加热 风扇 1 ．热流温度巡检仪2配电箱；3热箱；4墙体5热流计； 6 ．冷 箱 ；7小型冷 水机 组 ；8 ． 热 电偶 图 3 冷热箱一 热流计法墙体 传热系数现场 检测仪构成示意 Fi g ． 3 Th e i nt e r nal s t r uc t ur e o f s i t e t e s t i n s t r um e n t wi t h c o l d h o t b o x ． h e a t flo w m e t e r f o r h e a t t r a ns f e r C Oe ffi c i e nt o f wa l l 根据文献 [ 4 ] ， 利用冷热箱一 热流计法墙体传热 系数现场检测仪对某一墙体进行检测 ， 实际测试结 果为 墙体传 热系数平均值为 2 ． 7 0 w／ m o C ， 波动为 0 ． 0 2 W／ m o C 。 3 ． 2 本文现场检测仪的检测结果及分析 利用防护箱式建筑围护结构传热系数现场检测 仪对某一墙体进行检测， 待检测过程稳定后， 取其中 6个小 时内的检测数据进行分析 ， 检测数据分析 比 较见图 4和图 5 。 3 6 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 1 9 0 6 0 0 20 0 6 0 0 2l 0 6 0 0 2 2 06 0 0 2 3 0 6 00 检测时间 图4 检测过程温度／ 功率一 时间曲线 F i g ． 4 Th e c u r v e o f t e m p e r a t u r e／ p o we r - t i me i n d e t e c t i o n p r o c e s s 一 试件传热系数W／ m 2 K1 i I I I I I I I I I I J l 7 0 6 0 0 1 8 0 6 0 0 1 9 0 6 0 0 2 0 0 6 0 0 2 l 0 6 0 0 2 2 0 6 0 0 2 3 0 6 0 0 检测时间 图 5 试件传热 系数一 时间曲线 F i g ． 5 T h e c u r v e o f h e a t t r a n s f e r c o e ffi c i e n t - t i me o f s p e c i me n i n d e t e c t i o n p r o c e s s 由图 4可知 ， 检测过程各参数 随时间波动 较小 ， 检测过程稳定。计量箱和冷箱空气温度均维 持在设定值 ， 温控准确 ， 两者平均 温差 为 3 0 ． 0 0 ％ ， 温差最大波动 0 ． 0 2 ℃ ， 检测过程稳定 ， 保证 了试件 的稳定传热 ， 提高了测试精度 ； 试件冷热表面的平均 温度分别为 0 ． 2 6 c 和 2 4 ． 0 8 ℃ ， 冷热表面平均温差 达到 2 3 ． 8 2 ℃ ， 大温差保证 了测试精度 ， 另外， 冷热 表面温差最大波动 0 ． 0 4 c 【 ， 可见测试过程试件传 热非 常 稳定 ； 计 量 箱 内外 表 面平 均 温 度 分别 为 3 0 ． 6 5 ℃和 3 0 ． 0 0 ℃ ， 内外表 面最大 温差 0 ． 6 6 ℃ ， 相对试件冷热表面温差 ， 这一温差值可忽略不计 ， 则 通过计量箱壁面损 失的热量可不计 3 ． O ％ ， 认 为加热电功率全部转化为通过墙体 的热流量 ； 计量 箱输入功率平均值为 4 4 ． 5 2 W， 功率波动 0 ． 3 W， 检 测过程稳定 。 图 5为检测过程试件传热系数随时间的变化曲 线， 可见， 检测过程传热系数随时间波动较小， 试件 传热系数平均值为 1 ． 4 4 W／ m K ， 波 动为 0 ． 0 1 W／ m K ， 与冷热箱一 热流计法墙体传热 系数现场检测仪相 比较， 防护箱式建筑围护结构传 热系数现场检测仪检测过程稳定 ， 检测结果波动较 小， 检测数据更加准确可靠。 总之， 防护箱式建筑围护结构传热系数现场检 测仪在实际应用过程中， 不受环境温度限制， 抗干扰 能力强 ， 检测过程温控准确 ， 与现有检测仪相 比较， 检测结果更加稳定 ， 具有较高的精度， 检测结果准确 可靠 ， 适用于墙体等建筑围护结构传热系数的现场 检测 。 4 结 论 通过对防护箱式建筑围护结构传热系数现场检 测仪的实际工程应用分析 ， 得到以下几点结论。 1 防护箱式建筑 围护结构传热系数现场检测 仪各主要部件拆装灵活， 且各主要部件均安装有车 轮 ， 机动性较好 ， 便于运输 、 安装和移动 ， 适用于墙体 等建筑围护结构传热系数的现场检测。 2 防护箱控制计量箱的环境温度 ， 使计量箱 内 不平衡热流量和流过计量箱壁的热流量减至最小 ， 降低 了计量箱热量损失引起的检测误差。 3 通过防护箱／ 冷箱 温控精度试 验可知 ， 防护 箱内各点最大温差为 0 ． 4 2 c C， 单点温度最大波动为 0 ． 5 7 ℃； 冷箱 内各点最大 温差 为 0 ． 5 3 ℃， 单点温度 最大波动为 0 ． 2 9 C， 防护箱／ 冷箱 内的空气 温度稳 定性和均匀性较好 ， 温控效果较佳 。 4 防护箱式建筑 围护结构传热系数现场检测 仪在实际应用过程中， 不受环境温度限制， 抗干扰能 力强 ， 检测过程温控准确 ， 与现有的检测仪比较 ， 检 测 结 果 更 加 稳 定 ，传 热 系 数 波 动 在 0 ． 0 1 W／ m K 之间， 检测结果准确可靠。 参 考 文 献 [ 1 ] G B 5 041 l 2 0 0 7建筑节能工程施工质量验收规 范[ s ] ． [ 2 ] 费慧慧 ， 段恺． 建筑节能现场检验方法及其影响因素 [ J ] ． 施 工技术 ， 2 0 0 0， 2 9 7 3 1 - 3 3 ． [ 3 ] 田斌守 ， 杨永恒 ， 孟渊 ， 等． 应 用热 流计现场检测建筑物传热 系数[ J ] ． 新型建筑材料 ， 2 0 0 4 8 5 9 - 6 1 ． [ 4 ] 吴培浩 ， 麦 粤帮， 路建 岭 ， 等． 冷热箱一 热流计 法墙体 传热系数 现场检测仪 的应用研究[ J ] 建筑科学 ， 2 0 1 1 ， 2 7 6 3 0 3 3 ． [ 5 ] H a g i s h i ma A， T a n i mo t o J ． F i e l d me a s u r e me n t s f o r e s t i m a t i n g t h e c 0 n v e c t i v e h e a t t r a n s f c r c o e ffic i e n t a t b u i l d i n g s u r f a c e s f J ] ． B u i l d i n g a n d E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 3 ， 3 8 6 8 7 3 8 8 1 ． [ 6 ] L e f t h e r i o t i s G， Y i a n o u l i s P ． T h e r ma l p r o p e r t i e s o f b u i l d i n g m a t e r i als e v a l u a t e d b y a d y n a mi c s i m u l a t i o n o f at e s t c e l l [ J ] ． S o l a r E n e r g y ， 2 0 0 0， 6 4 4 2 9 5 - 3 0 4 ． [ 7] G B ／ T 1 3 4 7 5 --2 0 0 8绝热稳态传热性质 的测定 、 标定 和防护热 箱法 [ S ] ． O 7 4 8 5 2 l ● l O O 一 邑＼ 事糕峨崧