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

(摘 要) 分析目前建筑保溫墻體熱工測試的方法，提出了科學(xué)完善的測試方法，即墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場測試和紅外線診斷墻體熱工缺陷兩種方法相結(jié)合的現(xiàn)場測試手段，用以評價建筑的節(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，我國的建筑節(jié)能工作正有計劃地由北向南推進(jìn)，發(fā)布實施了《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(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)計標(biāo)準(zhǔn)》。在國家技術(shù)政策和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的推動下，近年來墻體保溫隔熱技術(shù)迅速發(fā)展，一些相對完善的墻體保溫隔熱技術(shù)體系已經(jīng)形成。這些技術(shù)體系通過計算、設(shè)計，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)展動力，但在如何評價技術(shù)系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用，成型墻體是否滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還有待于進(jìn)一步驗證。

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出現(xiàn)各種熱橋，加上某些節(jié)點的設(shè)計和施工的疏忽，都會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)場檢測方法，不足以判斷其部位所在和嚴(yán)重程度，從而影響對建筑熱工性能與節(jié)能狀況的評價。

2 現(xiàn)有墻體傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法

目前，國內(nèi)外評價建筑節(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))，此法稱為熱(冷)源法。另一種方法是在建筑物處，直接測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))，此法稱為建筑熱工法。前一方法由于設(shè)備效率(如鍋爐年平均運行效率、管網(wǎng)輸送效率等)難以確定，因而實踐中較少采用。目前大多采用建筑熱工法現(xiàn)場測量。建筑熱工法現(xiàn)場測量中關(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)場測試原理

目前，現(xiàn)場測試墻體傳熱系數(shù)應(yīng)用普遍的是熱流計法，測量的內(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的兩表面溫度。所用的儀表主要是熱流計和熱電偶。熱流計可以獲得各被測點的熱流密度，熱電偶可以獲得各點的表面溫度，由熱流和溫度計算出被測墻體的熱阻和傳熱系數(shù)。

熱流計的測點應(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)置測點。但由于實際的房間中有橫豎暖氣管道，有門、窗、圈梁等，各部分材料、構(gòu)造及位置和熱環(huán)境不同，在實際的測量中，須將外墻劃分成若干個熱狀況相近的區(qū)域，分別測量每個區(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，近年來在一些建筑工程的現(xiàn)場檢測中也有一定程度的應(yīng)用。熱箱法測試原理是人工制造一個一維傳熱環(huán)境，被測部位的內(nèi)側(cè)用熱箱測試，熱箱和室內(nèi)模擬采暖條件，另一側(cè)為室外(自然條件)。通過測量熱箱的發(fā)熱量得到被測部位的傳熱量，計算得到該被測部位的傳熱系數(shù)。熱箱法測試選擇測點位置，不靠近熱橋、裂縫和有空氣滲透的部位；測試室內(nèi)外空氣和內(nèi)外表面溫度、熱箱內(nèi)空氣溫度、熱量和熱箱開口面積，計算被測部位傳熱系數(shù)。

2．2 傳熱系數(shù)現(xiàn)場測試存在的不足

(1)以測試單元墻體熱工性能的測試結(jié)果代表整幢建筑的墻體熱工性能

現(xiàn)場實測中，由于測試儀器數(shù)量、測試周期等因素的影響，測試時往往選擇一個單元進(jìn)行測試。對于該樓其他單元的墻體，如果設(shè)計與施工有出入或其他因素造成保溫材料受損的話，測試人員是難以知曉的。因此，我國目前節(jié)能建筑驗收的實際狀況是，僅僅依據(jù)測試的一個建筑單元的墻體傳熱系數(shù)值，來判斷一幢樓，甚至一個小區(qū)的建筑墻體是否滿足節(jié)能要求，這樣往往造成以偏概全的錯誤。

(2)測試時代表性的測點難以確定

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

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)場測量急需具有測溫速度快、靈敏度高、形象直觀等優(yōu)點的測試手段予以輔助，以提高現(xiàn)場測試水平。

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不同氣候區(qū)的建筑設(shè)計、建筑施工及建筑節(jié)能技術(shù)等方面科研和管理部門共同參加的“保溫隔熱墻體熱工缺陷紅外熱像檢測技術(shù)研究”課題組成立，研制開發(fā)建筑墻體熱工缺陷紅外熱像檢測技術(shù)。

3.1 熱像儀的工作原理及優(yōu)點

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

熱像儀對測量物體表面溫度分布，具有比其他測溫技術(shù)更為顯著的*性。紅外熱像技術(shù)是一種非接觸式的測量技術(shù)，不會破壞被測溫度場；直觀地顯示物體表面的溫度場，并以圖像形式顯示出來；溫度分辨率高，可達(dá)0．01℃；可采用多種顯示方式，例如，對視頻信號進(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)存儲和計算機處理；操作簡單、攜帶方便，儀器重量已小于2kg，單手即可方便地操作，不僅對新建建筑的熱工缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，還可對舊有建筑的節(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技術(shù)的基本原理

當(dāng)被測墻體存在不連續(xù)性時，由于連續(xù)區(qū)域和不連續(xù)區(qū)域的熱擴散系數(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，紅外探測器探測到墻體的紅外輻射能，經(jīng)信號處理系統(tǒng)為熱像圖后由顯示器顯示出來，通過分析熱像圖就可以進(jìn)行測溫或推斷墻體內(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，這些有缺陷的部位與正常部位相比，會在外表面產(chǎn)生溫度差，通過分析紅外熱像儀所測得的溫度分布圖像，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，可見內(nèi)保溫墻轉(zhuǎn)角、屋面板與墻體交界、開關(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技術(shù)主要研究內(nèi)容及預(yù)期成果

本課題的主要研究內(nèi)容是根據(jù)建筑墻體表面溫度場分布的有限信息，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、傳輸與探測規(guī)律，各種環(huán)境因素影響規(guī)律及對策；保溫隔熱墻體內(nèi)部的主要缺陷模式和缺陷的統(tǒng)計規(guī)律等；缺陷特征與檢測判別，即判別缺陷對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)對紅外測試精度的影響，確定紅外檢測的環(huán)境條件。

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

(4)編制集成紅外檢測技術(shù)的墻體熱工性能檢測分析軟件。

3．4 紅外熱像檢測技術(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圍環(huán)境影響較大，所以利用紅外熱像儀進(jìn)行定量化測試和分析尚有許多技術(shù)問題需要解決。雖然紅外檢測方便快捷，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)單獨應(yīng)用在工程現(xiàn)場的節(jié)能檢測中，還不能夠定量的評價節(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，對傳統(tǒng)的檢測方法進(jìn)行提升、補充，從而提高檢測效率和準(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)場測試方法

為了科學(xué)準(zhǔn)確的評價建筑的熱工性能，綜合現(xiàn)有檢測技術(shù)各自的優(yōu)勢，理想的方法是將傳熱系數(shù)現(xiàn)場測試與紅外線現(xiàn)場診斷熱工缺陷兩種方法相結(jié)合，可以相互彌補不足，從而使檢測結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。

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

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)能測試中，由中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院運用熱箱法測試墻體傳熱系數(shù)，華中科技大學(xué)運用紅外線熱像技術(shù)進(jìn)行熱工診斷，兩種方法共同運用在現(xiàn)場建筑節(jié)能測試中，合作完成了該工程的節(jié)能檢測。

2003年底，國家康居示范工程“新疆華美文軒家園”，以及石河子7號小區(qū)兩個工程運用了熱流計法和紅外熱像兩種方法相結(jié)合的現(xiàn)場熱工測試手段。首先紅外熱像儀對整個小區(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，通過熱流計法測試墻體的傳熱系數(shù)，該工程節(jié)能測試由中國建筑科學(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)能檢測技術(shù)。在建筑工程節(jié)能效果的評價上，應(yīng)該提倡傳熱系數(shù)和紅外線熱工缺陷檢測技術(shù)兩種方法結(jié)合應(yīng)用于工程現(xiàn)場節(jié)能測試中，這不但能夠?qū)ㄖこ痰臒峁ば阅茏龀隹茖W(xué)有效的評價，推進(jìn)建筑節(jié)能檢測技術(shù)的發(fā)展，而且還對建筑工程設(shè)計和建筑保溫行業(yè)的發(fā)展起到相當(dāng)大指導(dǎo)作用。

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