墻體傳熱系數及熱工缺陷紅外熱像現場檢測技術研究

(摘 要) 分析目前建筑保溫墻體熱工測試的方法，提出了科學完善的測試方法，即墻體傳熱系數現場測試和紅外線診斷墻體熱工缺陷兩種方法相結合的現場測試手段，用以評價建筑的節能效果。

(關鍵詞) 傳熱系數 熱工缺陷 紅外熱像

1 前言

目前，我國的建筑節能工作正有計劃地由北向南推進，發布實施了《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》、《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》，2003年將發布執行《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》。在國家技術政策和節能標準的推動下，近年來墻體保溫隔熱技術迅速發展，一些相對完善的墻體保溫隔熱技術體系已經形成。這些技術體系通過計算、設計，較好地為建筑節能工作提供了一定的技術保證和技術發展動力，但在如何評價技術系統在現場應用，成型墻體是否滿足節能標準還有待于進一步驗證。

建筑結構的形狀和構造復雜多樣，保溫隔熱墻體中不可避免的會出現各種熱橋，加上某些節點的設計和施工的疏忽，都會造成建筑保溫墻體的熱工缺陷，從而降低了建筑的節能標準。這些墻體熱工缺陷大多數是隱蔽的，僅憑工程資料和現有現場檢測方法，不足以判斷其部位所在和嚴重程度，從而影響對建筑熱工性能與節能狀況的評價。

2 現有墻體傳熱系數現場檢測方法

目前，國內外評價建筑節能是否達標，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(耗電量指標)，然后求出建筑物的耗熱量指標(耗冷量指標)，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(耗冷量指標)，然后求出采暖耗煤量指標(耗電量指標)，此法稱為建筑熱工法。前一方法由于設備效率(如鍋爐年平均運行效率、管網輸送效率等)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場測量。建筑熱工法現場測量中關鍵的指標是建筑墻體的傳熱系數。

2.1 傳熱系數現場測試原理

目前，現場測試墻體傳熱系數應用普遍的是熱流計法，測量的內容包括熱流密度，室內、外氣溫，保溫隔熱建筑墻體的內、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。

熱流計的測點應選在有代表性的部位。如結構復雜，需按不同部位求加權平均值，應在不同部位設置測點。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、構造及位置和熱環境不同，在實際的測量中，須將外墻劃分成若干個熱狀況相近的區域，分別測量每個區域中央部位的外墻熱流值和該區域內的表面特征溫度，求出該區域的外墻熱流值后再加權平均，求出整個外墻的耗熱量。北京中建建筑科學技術研究院研發的熱箱法，近年來在一些建筑工程的現場檢測中也有一定程度的應用。熱箱法測試原理是人工制造一個一維傳熱環境，被測部位的內側用熱箱測試，熱箱和室內模擬采暖條件，另一側為室外(自然條件)。通過測量熱箱的發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。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；測試室內外空氣和內外表面溫度、熱箱內空氣溫度、熱量和熱箱開口面積，計算被測部位傳熱系數。

2．2 傳熱系數現場測試存在的不足

(1)以測試單元墻體熱工性能的測試結果代表整幢建筑的墻體熱工性能

現場實測中，由于測試儀器數量、測試周期等因素的影響，測試時往往選擇一個單元進行測試。對于該樓其他單元的墻體，如果設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，我國目前節能建筑驗收的實際狀況是，僅僅依據測試的一個建筑單元的墻體傳熱系數值，來判斷一幢樓，甚至一個小區的建筑墻體是否滿足節能要求，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

在現場測量中，對于已粉刷的建筑墻體、屋頂等，測試人員無法直觀判斷其熱工缺陷部位，大都根據設計圖紙確定梁、板、柱等熱橋部位，將外墻劃分成若干個熱狀況相近的區域進行測試，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。現場測試傳熱系數的測點選擇的依據僅憑設計圖紙或猜測，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內所有建筑墻體或屋面的傳熱系數值，建筑熱工法現場測量急需具有測溫速度快、靈敏度高、形象直觀等優點的測試手段予以輔助，以提高現場測試水平。

3 墻體熱工缺陷紅外熱像技術

2002年底由建設部科技促進中心牽頭，包括多所高等院校及全國不同氣候區的建筑設計、建筑施工及建筑節能技術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研究”課題組成立，研制開發建筑墻體熱工缺陷紅外熱像檢測技術。

3.1 熱像儀的工作原理及優點

任何物體只要其溫度高于零度都會因分子的熱運動而發射紅外線，且發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射出的紅外輻射，綜合起來就得到物體發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更為顯著的*性。紅外熱像技術是一種非接觸式的測量技術，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0．01℃；可采用多種顯示方式，例如，對視頻信號進行偽彩色處理，便可由不同顏色顯示溫度的熱圖像；可進行數據存儲和計算機處理；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行準確診斷，還可對舊有建筑的節能改造提供科學依據。

3．2 墻體熱工缺陷紅外熱像檢測技術的基本原理

當被測墻體存在不連續性時，由于連續區域和不連續區域的熱擴散系數不同，物體表面相應位置

的溫度也就不同，即墻體表面局部區域產生溫度梯度，從而導致墻體表面紅外輻射能發生差異，紅外探測器探測到墻體的紅外輻射能，經信號處理系統為熱像圖后由顯示器顯示出來，通過分析熱像圖就可以進行測溫或推斷墻體內部是否存在缺陷。當墻體內部存在缺陷，如空洞，熱橋、保溫層受潮，外墻面磚或水泥砂漿抹面產生剝離等現象時，這些有缺陷的部位與正常部位相比，會在外表面產生溫度差，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，某內保溫墻體的室內熱像圖，可見內保溫墻轉角、屋面板與墻體交界、開關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主要研究內容及預期成果

本課題的主要研究內容是根據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狀態。包括保溫隔熱墻體紅外輻射能量發射、傳輸與探測規律，各種環境因素影響規律及對策；保溫隔熱墻體內部的主要缺陷模式和缺陷的統計規律等；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。

預期研究成果將包括以下幾個方面：(1)確定建筑墻體常用內外飾面材料的發射率基礎數據。

(2)研究氣候等環境因數對紅外測試精度的影響，確定紅外檢測的環境條件。

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

(4)編制集成紅外檢測技術的墻體熱工性能檢測分析軟件。

3．4 紅外熱像檢測技術存在的不足

由于建筑墻體是多層復合材料，且建筑墻體的表面紅外輻射能受周圍環境影響較大，所以利用紅外熱像儀進行定量化測試和分析尚有許多技術問題需要解決。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重程度，該技術單獨應用在工程現場的節能檢測中，還不能夠定量的評價節能效果，只能定性的診斷熱工缺陷，用以輔助傳熱系數檢測，對傳統的檢測方法進行提升、補充，從而提高檢測效率和準確性。

4 傳熱系數和紅外熱像技術兩種方法相結合的現場測試方法

為了科學準確的評價建筑的熱工性能，綜合現有檢測技術各自的優勢，理想的方法是將傳熱系數現場測試與紅外線現場診斷熱工缺陷兩種方法相結合，可以相互彌補不足，從而使檢測結果更加科學準確。

建筑熱工測試中，首先用紅外熱像儀對整個建筑進行掃描，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，在不同的等溫區域內找幾個代表點，測定熱阻和傳熱系數，再根據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，后再結合整個建筑的熱工缺陷總體情況對整個建筑進行熱工評價。

2002年由北京振利高新技術公司牽頭，在北京望京高校住宅樓的節能測試中，由中建建筑科學技術研究院運用熱箱法測試墻體傳熱系數，華中科技大學運用紅外線熱像技術進行熱工診斷，兩種方法共同運用在現場建筑節能測試中，合作完成了該工程的節能檢測。

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號小區兩個工程運用了熱流計法和紅外熱像兩種方法相結合的現場熱工測試手段。首先紅外熱像儀對整個小區的建筑墻體進行熱工診斷，然后依據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，該工程節能測試由中國建筑科學研究院和華中科技大學合作共同完成。

5 結論

隨著建筑節能技術的不斷發展，我們應該不斷發展、提升節能檢測技術。在建筑工程節能效果的評價上，應該提倡傳熱系數和紅外線熱工缺陷檢測技術兩種方法結合應用于工程現場節能測試中，這不但能夠對建筑工程的熱工性能做出科學有效的評價，推進建筑節能檢測技術的發展，而且還對建筑工程設計和建筑保溫行業的發展起到相當大指導作用。

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