墻體傳熱系數(shù)及熱工缺陷紅外熱像現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)研究

(摘 要) 分析目前建筑保溫墻體熱工測(cè)試的方法，提出了科學(xué)完善的測(cè)試方法，即墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和紅外線(xiàn)診斷墻體熱工缺陷兩種方法相結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段，用以評(píng)價(jià)建筑的節(jié)能效果。

(關(guān)鍵詞) 傳熱系數(shù) 熱工缺陷 紅外熱像

1 前言

目前，我國(guó)的建筑節(jié)能工作正有計(jì)劃地由北向南推進(jìn)，發(fā)布實(shí)施了《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》、《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，2003年將發(fā)布執(zhí)行《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。在國(guó)家技術(shù)政策和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，近年來(lái)墻體保溫隔熱技術(shù)迅速發(fā)展，一些相對(duì)完善的墻體保溫隔熱技術(shù)體系已經(jīng)形成。這些技術(shù)體系通過(guò)計(jì)算、設(shè)計(jì)，較好地為建筑節(jié)能工作提供了一定的技術(shù)保證和技術(shù)發(fā)展動(dòng)力，但在如何評(píng)價(jià)技術(shù)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，成型墻體是否滿(mǎn)足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

建筑結(jié)構(gòu)的形狀和構(gòu)造復(fù)雜多樣，保溫隔熱墻體中不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種熱橋，加上某些節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工的疏忽，都會(huì)造成建筑保溫墻體的熱工缺陷，從而降低了建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。這些墻體熱工缺陷大多數(shù)是隱蔽的，僅憑工程資料和現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，不足以判斷其部位所在和嚴(yán)重程度，從而影響對(duì)建筑熱工性能與節(jié)能狀況的評(píng)價(jià)。

2 現(xiàn)有墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)建筑節(jié)能是否達(dá)標(biāo)，一般采用兩種方法。一種方法是在熱源(冷源)處直接測(cè)取采暖耗煤量指標(biāo)(耗電量指標(biāo))，然后求出建筑物的耗熱量指標(biāo)(耗冷量指標(biāo))，此法稱(chēng)為熱(冷)源法。另一種方法是在建筑物處，直接測(cè)取建筑物的耗熱量指標(biāo)(耗冷量指標(biāo))，然后求出采暖耗煤量指標(biāo)(耗電量指標(biāo))，此法稱(chēng)為建筑熱工法。前一方法由于設(shè)備效率(如鍋爐年平均運(yùn)行效率、管網(wǎng)輸送效率等)難以確定，因而實(shí)踐中較少采用。目前大多采用建筑熱工法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。建筑熱工法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中關(guān)鍵的指標(biāo)是建筑墻體的傳熱系數(shù)。

2.1 傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原理

目前，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試墻體傳熱系數(shù)應(yīng)用普遍的是熱流計(jì)法，測(cè)量的內(nèi)容包括熱流密度，室內(nèi)、外氣溫，保溫隔熱建筑墻體的內(nèi)、外表面溫度以及熱流計(jì)的兩表面溫度。所用的儀表主要是熱流計(jì)和熱電偶。熱流計(jì)可以獲得各被測(cè)點(diǎn)的熱流密度，熱電偶可以獲得各點(diǎn)的表面溫度，由熱流和溫度計(jì)算出被測(cè)墻體的熱阻和傳熱系數(shù)。

熱流計(jì)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在有代表性的部位。如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需按不同部位求加權(quán)平均值，應(yīng)在不同部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)。但由于實(shí)際的房間中有橫豎暖氣管道，有門(mén)、窗、圈梁等，各部分材料、構(gòu)造及位置和熱環(huán)境不同，在實(shí)際的測(cè)量中，須將外墻劃分成若干個(gè)熱狀況相近的區(qū)域，分別測(cè)量每個(gè)區(qū)域中央部位的外墻熱流值和該區(qū)域內(nèi)的表面特征溫度，求出該區(qū)域的外墻熱流值后再加權(quán)平均，求出整個(gè)外墻的耗熱量。北京中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的熱箱法，近年來(lái)在一些建筑工程的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中也有一定程度的應(yīng)用。熱箱法測(cè)試原理是人工制造一個(gè)一維傳熱環(huán)境，被測(cè)部位的內(nèi)側(cè)用熱箱測(cè)試，熱箱和室內(nèi)模擬采暖條件，另一側(cè)為室外(自然條件)。通過(guò)測(cè)量熱箱的發(fā)熱量得到被測(cè)部位的傳熱量，計(jì)算得到該被測(cè)部位的傳熱系數(shù)。熱箱法測(cè)試選擇測(cè)點(diǎn)位置，不靠近熱橋、裂縫和有空氣滲透的部位；測(cè)試室內(nèi)外空氣和內(nèi)外表面溫度、熱箱內(nèi)空氣溫度、熱量和熱箱開(kāi)口面積，計(jì)算被測(cè)部位傳熱系數(shù)。

2．2 傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試存在的不足

(1)以測(cè)試單元墻體熱工性能的測(cè)試結(jié)果代表整幢建筑的墻體熱工性能

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，由于測(cè)試儀器數(shù)量、測(cè)試周期等因素的影響，測(cè)試時(shí)往往選擇一個(gè)單元進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于該樓其他單元的墻體，如果設(shè)計(jì)與施工有出入或其他因素造成保溫材料受損的話(huà)，測(cè)試人員是難以知曉的。因此，我國(guó)目前節(jié)能建筑驗(yàn)收的實(shí)際狀況是，僅僅依據(jù)測(cè)試的一個(gè)建筑單元的墻體傳熱系數(shù)值，來(lái)判斷一幢樓，甚至一個(gè)小區(qū)的建筑墻體是否滿(mǎn)足節(jié)能要求，這樣往往造成以偏概全的錯(cuò)誤。

(2)測(cè)試時(shí)代表性的測(cè)點(diǎn)難以確定

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，對(duì)于已粉刷的建筑墻體、屋頂?shù)?，測(cè)試人員無(wú)法直觀判斷其熱工缺陷部位，大都根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定梁、板、柱等熱橋部位，將外墻劃分成若干個(gè)熱狀況相近的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，如圖l所示。如果沒(méi)有紅外熱像圖，測(cè)試人員很難判斷主體墻上散布的熱工缺陷位置和數(shù)量，很難確定代表性測(cè)點(diǎn)，即使所謂的代表性測(cè)點(diǎn)，往往是理論上的而不一定符合實(shí)際建筑工程?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試傳熱系數(shù)的測(cè)點(diǎn)選擇的依據(jù)僅憑設(shè)計(jì)圖紙或猜測(cè)，不一定符合實(shí)際工程。

上述方法難以迅速和全面地確定建筑小區(qū)內(nèi)所有建筑墻體或屋面的傳熱系數(shù)值，建筑熱工法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量急需具有測(cè)溫速度快、靈敏度高、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)的測(cè)試手段予以輔助，以提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水平。

3 墻體熱工缺陷紅外熱像技術(shù)

2002年底由建設(shè)部科技促進(jìn)中心牽頭，包括多所高等院校及全國(guó)不同氣候區(qū)的建筑設(shè)計(jì)、建筑施工及建筑節(jié)能技術(shù)等方面科研和管理部門(mén)共同參加的“保溫隔熱墻體熱工缺陷紅外熱像檢測(cè)技術(shù)研究”課題組成立，研制開(kāi)發(fā)建筑墻體熱工缺陷紅外熱像檢測(cè)技術(shù)。

3.1 熱像儀的工作原理及優(yōu)點(diǎn)

任何物體只要其溫度高于零度都會(huì)因分子的熱運(yùn)動(dòng)而發(fā)射紅外線(xiàn)，且發(fā)出的紅外輻射能量與物體溫度的四次方成正比。熱像儀可以攝取來(lái)自被測(cè)物體各部分射向儀器的紅外輻射通量的分布。利用紅外探測(cè)器，按／頃序直接測(cè)量物體各部分發(fā)射出的紅外輻射，綜合起來(lái)就得到物體發(fā)射紅外輻射通量的分布圖像，這種圖像稱(chēng)為熱像圖。熱像儀就是根據(jù)這一特性來(lái)測(cè)量物體的溫度場(chǎng)。

熱像儀對(duì)測(cè)量物體表面溫度分布，具有比其他測(cè)溫技術(shù)更為顯著的*性。紅外熱像技術(shù)是一種非接觸式的測(cè)量技術(shù)，不會(huì)破壞被測(cè)溫度場(chǎng)；直觀地顯示物體表面的溫度場(chǎng)，并以圖像形式顯示出來(lái)；溫度分辨率高，可達(dá)0．01℃；可采用多種顯示方式，例如，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行偽彩色處理，便可由不同顏色顯示溫度的熱圖像；可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理；操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，儀器重量已小于2kg，單手即可方便地操作，不僅對(duì)新建建筑的熱工缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，還可對(duì)舊有建筑的節(jié)能改造提供科學(xué)依據(jù)。

3．2 墻體熱工缺陷紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的基本原理

當(dāng)被測(cè)墻體存在不連續(xù)性時(shí)，由于連續(xù)區(qū)域和不連續(xù)區(qū)域的熱擴(kuò)散系數(shù)不同，物體表面相應(yīng)位置

的溫度也就不同，即墻體表面局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致墻體表面紅外輻射能發(fā)生差異，紅外探測(cè)器探測(cè)到墻體的紅外輻射能，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)為熱像圖后由顯示器顯示出來(lái)，通過(guò)分析熱像圖就可以進(jìn)行測(cè)溫或推斷墻體內(nèi)部是否存在缺陷。當(dāng)墻體內(nèi)部存在缺陷，如空洞，熱橋、保溫層受潮，外墻面磚或水泥砂漿抹面產(chǎn)生剝離等現(xiàn)象時(shí)，這些有缺陷的部位與正常部位相比，會(huì)在外表面產(chǎn)生溫度差，通過(guò)分析紅外熱像儀所測(cè)得的溫度分布圖像，便可知空洞、熱橋、受潮或剝離等缺陷部位的位置及大小。如圖3，某內(nèi)保溫墻體的室內(nèi)熱像圖，可見(jiàn)內(nèi)保溫墻轉(zhuǎn)角、屋面板與墻體交界、開(kāi)關(guān)盒及其附近等處保溫缺陷。

3.3 墻體熱工缺陷紅外熱像檢測(cè)技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容及預(yù)期成果

本課題的主要研究?jī)?nèi)容是根據(jù)建筑墻體表面溫度場(chǎng)分布的有限信息，判斷各種保溫隔熱建筑墻體的技術(shù)狀態(tài)。包括保溫隔熱墻體紅外輻射能量發(fā)射、傳輸與探測(cè)規(guī)律，各種環(huán)境因素影響規(guī)律及對(duì)策；保溫隔熱墻體內(nèi)部的主要缺陷模式和缺陷的統(tǒng)計(jì)規(guī)律等；缺陷特征與檢測(cè)判別，即判別缺陷對(duì)墻體綜合保溫隔熱效果的影響程度。

預(yù)期研究成果將包括以下幾個(gè)方面：(1)確定建筑墻體常用內(nèi)外飾面材料的發(fā)射率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)研究氣候等環(huán)境因數(shù)對(duì)紅外測(cè)試精度的影響，確定紅外檢測(cè)的環(huán)境條件。

(3)根據(jù)墻體表面溫度場(chǎng)各等級(jí)溫度分布、所占比重大小，確定佳測(cè)試布點(diǎn)方案；或評(píng)估熱流計(jì)、熱電偶法測(cè)試墻體傳熱系數(shù)的測(cè)試方案，并確定測(cè)試結(jié)果的修正系數(shù)。

(4)編制集成紅外檢測(cè)技術(shù)的墻體熱工性能檢測(cè)分析軟件。

3．4 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)存在的不足

由于建筑墻體是多層復(fù)合材料，且建筑墻體的表面紅外輻射能受周?chē)h(huán)境影響較大，所以利用紅外熱像儀進(jìn)行定量化測(cè)試和分析尚有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。雖然紅外檢測(cè)方便快捷，可以迅速判別保溫隔熱墻體的熱工缺陷及其嚴(yán)重程度，該技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用在工程現(xiàn)場(chǎng)的節(jié)能檢測(cè)中，還不能夠定量的評(píng)價(jià)節(jié)能效果，只能定性的診斷熱工缺陷，用以輔助傳熱系數(shù)檢測(cè)，對(duì)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法進(jìn)行提升、補(bǔ)充，從而提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。

4 傳熱系數(shù)和紅外熱像技術(shù)兩種方法相結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

為了科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)建筑的熱工性能，綜合現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，理想的方法是將傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與紅外線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)診斷熱工缺陷兩種方法相結(jié)合，可以相互彌補(bǔ)不足，從而使檢測(cè)結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。

建筑熱工測(cè)試中，首先用紅外熱像儀對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行掃描，初步診斷整個(gè)建筑的熱工情況，選擇有代表性的外墻作為被測(cè)墻體，然后對(duì)被測(cè)墻體進(jìn)行掃描，初步檢測(cè)墻體溫度場(chǎng)分布情況和熱工缺陷部位和面積，找到不同的等溫面并測(cè)量各個(gè)等溫面的面積，在不同的等溫區(qū)域內(nèi)找?guī)讉€(gè)代表點(diǎn)，測(cè)定熱阻和傳熱系數(shù)，再根據(jù)各個(gè)等溫面的面積和熱阻值計(jì)算出被測(cè)外墻的平均傳熱系數(shù)，后再結(jié)合整個(gè)建筑的熱工缺陷總體情況對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行熱工評(píng)價(jià)。

2002年由北京振利高新技術(shù)公司牽頭，在北京望京高校住宅樓的節(jié)能測(cè)試中，由中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院運(yùn)用熱箱法測(cè)試墻體傳熱系數(shù)，華中科技大學(xué)運(yùn)用紅外線(xiàn)熱像技術(shù)進(jìn)行熱工診斷，兩種方法共同運(yùn)用在現(xiàn)場(chǎng)建筑節(jié)能測(cè)試中，合作完成了該工程的節(jié)能檢測(cè)。

2003年底，國(guó)家康居示范工程“新疆華美文軒家園”，以及石河子7號(hào)小區(qū)兩個(gè)工程運(yùn)用了熱流計(jì)法和紅外熱像兩種方法相結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)熱工測(cè)試手段。首先紅外熱像儀對(duì)整個(gè)小區(qū)的建筑墻體進(jìn)行熱工診斷，然后依據(jù)熱像圖選擇有代表性的外墻和等溫面，通過(guò)熱流計(jì)法測(cè)試墻體的傳熱系數(shù)，該工程節(jié)能測(cè)試由中國(guó)建筑科學(xué)研究院和華中科技大學(xué)合作共同完成。

5 結(jié)論

隨著建筑節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，我們應(yīng)該不斷發(fā)展、提升節(jié)能檢測(cè)技術(shù)。在建筑工程節(jié)能效果的評(píng)價(jià)上，應(yīng)該提倡傳熱系數(shù)和紅外線(xiàn)熱工缺陷檢測(cè)技術(shù)兩種方法結(jié)合應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能測(cè)試中，這不但能夠?qū)ㄖこ痰臒峁ば阅茏龀隹茖W(xué)有效的評(píng)價(jià)，推進(jìn)建筑節(jié)能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，而且還對(duì)建筑工程設(shè)計(jì)和建筑保溫行業(yè)的發(fā)展起到相當(dāng)大指導(dǎo)作用。

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