一种新型墙体热工检测系统的开发研究

石虬 邹钺 许洁

1东华大学建筑环境与设备工程系

2艾奕康咨询（深圳）有限公司上海分公司

0 引言

随着建筑节能事业蓬勃发展，建筑节能现场检测的重要性日益突出，建筑外墙导热系数更是现场检测的重要组成部分。针对建筑外墙导热系数的检测，国内外常用的检测方法有：热流计法[1]、热箱法[2]，前者对测试环境的要求比较严格，测试只能在采暖期进行，在南方进行建筑外墙检测比较困难；后者比较笨重，不适合户外测试，测试成本高。本文主要目的是研究一种能在南方进行墙体导热系数检测且易于实施的测试方法，并利用现场试验验证此方法的可行性和精确度。

1 新型墙体导热系数测试系统

考虑到热流计和热箱法均有局限性，在南方进行测试比较困难，本文作者通过对热流计法和热箱法的局限性进行分析，提出了新型墙体导热系数测试系统，分为测试部分和数据分析部分。

图1 测试系统流程图

1.1 测试部分

测试流程和现场布置分别如图1和图2所示。

图2 测试装置布置图

此测试方法基于热流计法，利用加热装置控制被测墙体外侧温度，使其远高于墙内侧温度，由此给予热流计一个较稳定的热流。

1.2 数据分析部分

数据处理上利用基于动态分析理论[3]编制的数据处理软件进行数据处理，动态分析法针对了墙体的热惰性，根据经验公式将衰减因子以及延迟系数两个概念加入数据分析中，优点是能在较短时间内计算出墙体导热系数，且精确度较高，测试时间达到3天即可得到较可靠的墙体热阻值。

本系统理论上不受季节地域限制，缩短了测试时间，极大提高了围护结构导热系数现场测试可行性。

2 现场测试研究

为验证此新型系统在墙体导热系数现场测量的可行性和精确度，将此系统与热流计法分别对几种不同结构墙体进行现场测试，测试地点在广州，测试时间为：热流计法在5月份进行测试，新型方法在7月份进行测试。热流计法对一堵280mm厚保温墙进行测试，新型方法分别对一堵225mm厚未保温墙和一堵260mm厚保温墙进行测试，热流计法测试周期选择为96h[3]，新型测试系统测试周期选择为72h[4]。

2.1 热流计法测试

热流计法测试数据如图3。

图3 热流计法测试数据

由图3可以看出：热流计法测试处于自然气象状态下时，墙内外侧温差较小，室外温度波动幅度较大情况下，无法保证外墙壁温度始终高于内墙壁温度，墙体内部分区域的热流可能反向流动，无法保证测试期间墙体热流的单向流通，所测得热流由此不能完全反应出墙体的导热性能，热阻计算时可能由此产生极大误差。

热流计法测试开始1天后，室内环境基本达到稳定，将稳定后的测试数据运用算术平均法进行计算得出：墙体导热系数为 1.271W/(m2·K)，此墙体由标准《外墙外保温建筑构造》[5]和标准《民用建筑热工设计规范》[6]计算出导热系数为 =0.97W/(m2·K)，测试热阻值比理论值偏小，误差为31%，由此可看出，在南方自然气象状态下，室内外温差比较小时，热流计法误差比较大，并不适用于墙体热工测试。

2.2 新型检测系统测试

将新型测试系统分别对一堵225mm厚未保温墙和一堵260mm厚保温墙进行测试，测试在7月进行，数据采集时间为72h。新型检测系统部分测试数据如图4。

图4 新型方法部分测试数据

图3 与图4对比可以很明显地看出新型方法中，经过局部加热控制，墙两侧温度波动幅度相较于不经加热控制的墙两侧温度波动要小很多，且墙两侧温差高达15℃，由此测试受环境温度变化影响小，更利于墙体传热达到基本稳定状态，通过墙体的热流能良好反应出墙体导热性能，减小了热阻计算的误差。

2.2.1 未保温墙数据分析

测试时间为6月26日16时至6月29日16时，墙体一侧处于加热状态，墙体另一侧热流计测得热流为负，加热4h即6月26日20时热流开始为正值，表示墙体开始有热流从墙体加热侧流向墙体另一侧，因此测试有效数据段选取4～72h这段时间，数据分析间隔为6h。动态分析法与算术平均法分别对4h至72h所采集数据进行分析得如图5。

图5 未保温墙数据

图5 中，采用动态分析法计算传热系数值为1.53W/(m2·K)与0.76W/(m2·K)时所选取的数据段分别为：6月 26日 20时至 6月 27日 20时、6月 26日 20时至6月28日20时，此两段数据段最初始热流值均为0，所计算出导热系数不能反映出墙体真实导热系数值，因此将这两段数据排除，并进行动态分析法均值和算术平均法均值计算。得出结果为：动态分析法计算传热系数均值为1.39W/(m2·K)，算数平均法传热系数计算为1.24W/(m2·K)，算数平均法比动态分析法计算值偏小10.7%。

两种计算方法在不同测试时间下计算出墙体导热系数与实际导热系数之间的误差由于刚开始墙体正处于加热状态，未达到稳定状态，选择所有数据来计算导热系数时，算数平均法数据偏小，而动态分析法数据相对稳定。这也是采用算数平均法时需要长时间测量，待墙体传热稳定之后选取测量数据的原因。而采用动态分析法可以在短时间内，得到一个墙体误差相对较小的墙体热阻。

测试值与理论值对比：此225mm厚度未保温墙理论导热系数为1.357W/(m2·K)，动态分析法计算值与理论值偏差为2%，导热系数比理论值偏大，算术平均法计算值与理论值偏差为8.6%，导热系数比理论值偏小。

此计算结果表明动态分析法应用于短时间现场测试中时计算出热阻值能较好反应出墙体真实热阻。

2.2.2 保温墙数据分析

测试时间为6月29日18时至7月2日18时，有效数据时间段的选取原则同上，6月30日0时热流计读数开始由负值变为0，因此选取6～72h这段时间为有效数据时间段。分别用动态分析法与算数平均法对6～72h所采集数据进行分析得如图6。

图6中，采用动态分析法计算导热系数值为1.5W/(m2·K)与0.99W/(m22·K)时所选取的数据段分别为：6月30日0时至7月1日0时、6月 30日 0时至7月2日0时，此两段数据段最初始热流值均为0，所计算出导热系数明显不能反映出墙体真实导热系数值，因此将这两段数据排除，并进行动态分析法均值和算术平均法均值计算。得出结果为：动态分析法计算传热系数为1.35W/(m2·K)，算数平均法传热系数计算为1.27W/(m2·K)，算数平均法比动态分析法计算值偏小6.2%。

图6 保温墙数据

测试值与理论值对比：由标准《外墙外保温建筑构造》[5]和标准《民用建筑热工设计规范》[6]计算出此墙体导热系数为1.05W/(m2·K)。动态分析法计算值比理论值偏大28%，算术平均法计算值比理论值偏大20.9%，两种计算方法由于与理论值偏差过大需要寻找误差产生原因。

此误差产生原因：由于此保温墙砌成时间仅20天，未达到墙体砌成后需风干30天以上的规定。在测试过程和测试结束后，加热面密封胶带和热流计侧均有大量水珠凝结，以上现象均表明此保温墙含水量过大。一般材料在相对湿度小于40%的情况下，热导率不受环境湿度影响。常用的高效保温材料如苯板、挤塑板，当湿度较大时，热导率提高。对于吸水率较大的泡沫混凝土和吸湿性较大的脲醛树脂泡沫，受湿度影响较大，当相对湿度将近100%时，热导率分别提高73%和71%[7]。本次测试墙体主体部位均采用混凝土砌块，导热系数受湿度影响较大，导致墙体实际热阻减小，实际导热系数增大，因此测试结果均与理论值偏差很大，且计算出导热系数均远远大于理论值。

采取措施：等此墙体暴露于空气中风干一定时间后，需对墙体再次进行导热系数测试。

3 结语

建筑围护结构热阻大小并不能仅依据理论值来判断，施工质量不同对围护结构热阻影响非常大，因此现场检测仍有必要。

现行建筑围护结构热阻检测方法各有局限性，极大阻碍了现场检测的进行。通过对现行检测方法研究和实验，提出以上新型热阻检测方法，并进行现场实验证实了其可行性和准确性，为围护结构热阻现场检测提供了新思路。

在南方进行建筑外墙导热系数检测本方法全季节适用，解决了在南方进行墙体导热系数现场测试难的问题。

现场测试时不仅需要考虑到周围的环境因素，同时还要考虑到墙体本身的物理特性是否符合现场测试要求，墙体含湿量对墙体传热系数影响尤其巨大。

建筑围护结构热阻检测需要大量的科学理论和实验做基础，本方法仅针对几种类型的墙体进行实验，并不能充分反映出此方法的适用性和准确性，仍需对大量不同墙体进行实验来进一步完善和发展。

[1]孙增桂.热流计法在建筑节能检测中的应用[J].建设科技,2003,(6):78-79

[2]高寿云.建筑墙体热工性能测试技术研究[J].节能,2009,(2):23-26

[3]ISO.Thermal Insulation-Building Elements-In-situ Measurement of Thermal Resistance and Thermal Transmittance(ISO 9869)[S].1994

[4]C Roulet,J Gass,I Markus.In-situ U-value measurement:reliable results in shorter time by dynamic interpretation of measured data[J].ASHRAE Trans.,1987,108(2):1371-1379

[5]中国人民共和国建设部.外墙外保温建筑构造(GJBT-912)[S].北京:中国建筑标准设计研究院,2006

[6]中国建筑科学研究院.民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)(JGJ26-95)[S].北京:中国标准出版社,1995

[7]夏赟.温湿度对墙体热工性能的影响[J].低温建筑技术,2009,(1):95-97