墙体传热系数及热工缺陷红外热像现场检测技术研究

墙体传热系数及热工缺陷红外热像现场检测技术研究

(摘 要) 分析目前建筑保温墙体热工测试的方法，提出了科学完善的测试方法，即墙体传热系数现场测试和红外线诊断墙体热工缺陷两种方法相结合的现场测试手段，用以评价建筑的节能效果。

(关键词) 传热系数 热工缺陷 红外热像

1 前言

目前，我国的建筑节能工作正有计划地由北向南推进，发布实施了《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，2003年将发布执行《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》。在国家技术政策和节能标准的推动下，近年来墙体保温隔热技术迅速发展，一些相对完善的墙体保温隔热技术体系已经形成。这些技术体系通过计算、设计，较好地为建筑节能工作提供了一定的技术保证和技术发展动力，但在如何评价技术系统在现场应用，成型墙体是否满足节能标准还有待于进一步验证。

建筑结构的形状和构造复杂多样，保温隔热墙体中不可避免的会出现各种热桥，加上某些节点的设计和施工的疏忽，都会造成建筑保温墙体的热工缺陷，从而降低了建筑的节能标准。这些墙体热工缺陷大多数是隐蔽的，仅凭工程资料和现有现场检测方法，不足以判断其部位所在和严重程度，从而影响对建筑热工性能与节能状况的评价。

2 现有墙体传热系数现场检测方法

目前，国内外评价建筑节能是否达标，一般采用两种方法。一种方法是在热源(冷源)处直接测取采暖耗煤量指标(耗电量指标)，然后求出建筑物的耗热量指标(耗冷量指标)，此法称为热(冷)源法。另一种方法是在建筑物处，直接测取建筑物的耗热量指标(耗冷量指标)，然后求出采暖耗煤量指标(耗电量指标)，此法称为建筑热工法。前一方法由于设备效率(如锅炉年平均运行效率、管网输送效率等)难以确定，因而实践中较少采用。目前大多采用建筑热工法现场测量。建筑热工法现场测量中关键的指标是建筑墙体的传热系数。

2.1 传热系数现场测试原理

目前，现场测试墙体传热系数应用普遍的是热流计法，测量的内容包括热流密度，室内、外气温，保温隔热建筑墙体的内、外表面温度以及热流计的两表面温度。所用的仪表主要是热流计和热电偶。热流计可以获得各被测点的热流密度，热电偶可以获得各点的表面温度，由热流和温度计算出被测墙体的热阻和传热系数。

热流计的测点应选在有代表性的部位。如结构复杂，需按不同部位求加权平均值，应在不同部位设置测点。但由于实际的房间中有横竖暖气管道，有门、窗、圈梁等，各部分材料、构造及位置和热环境不同，在实际的测量中，须将外墙划分成若干个热状况相近的区域，分别测量每个区域中央部位的外墙热流值和该区域内的表面特征温度，求出该区域的外墙热流值后再加权平均，求出整个外墙的耗热量。北京中建建筑科学技术研究院研发的热箱法，近年来在一些建筑工程的现场检测中也有一定程度的应用。热箱法测试原理是人工制造一个一维传热环境，被测部位的内侧用热箱测试，热箱和室内模拟采暖条件，另一侧为室外(自然条件)。通过测量热箱的发热量得到被测部位的传热量，计算得到该被测部位的传热系数。热箱法测试选择测点位置，不靠近热桥、裂缝和有空气渗透的部位；测试室内外空气和内外表面温度、热箱内空气温度、热量和热箱开口面积，计算被测部位传热系数。

2．2 传热系数现场测试存在的不足

(1)以测试单元墙体热工性能的测试结果代表整幢建筑的墙体热工性能

现场实测中，由于测试仪器数量、测试周期等因素的影响，测试时往往选择一个单元进行测试。对于该楼其他单元的墙体，如果设计与施工有出入或其他因素造成保温材料受损的话，测试人员是难以知晓的。因此，我国目前节能建筑验收的实际状况是，仅仅依据测试的一个建筑单元的墙体传热系数值，来判断一幢楼，甚至一个小区的建筑墙体是否满足节能要求，这样往往造成以偏概全的错误。

(2)测试时代表性的测点难以确定

在现场测量中，对于已粉刷的建筑墙体、屋顶等，测试人员无法直观判断其热工缺陷部位，大都根据设计图纸确定梁、板、柱等热桥部位，将外墙划分成若干个热状况相近的区域进行测试，如图l所示。如果没有红外热像图，测试人员很难判断主体墙上散布的热工缺陷位置和数量，很难确定代表性测点，即使所谓的代表性测点，往往是理论上的而不一定符合实际建筑工程。现场测试传热系数的测点选择的依据仅凭设计图纸或猜测，不一定符合实际工程。

上述方法难以迅速和全面地确定建筑小区内所有建筑墙体或屋面的传热系数值，建筑热工法现场测量急需具有测温速度快、灵敏度高、形象直观等优点的测试手段予以辅助，以提高现场测试水平。

3 墙体热工缺陷红外热像技术

2002年底由建设部科技促进中心牵头，包括多所高等院校及全国不同气候区的建筑设计、建筑施工及建筑节能技术等方面科研和管理部门共同参加的“保温隔热墙体热工缺陷红外热像检测技术研究”课题组成立，研制开发建筑墙体热工缺陷红外热像检测技术。

3.1 热像仪的工作原理及优点

任何物体只要其温度高于零度都会因分子的热运动而发射红外线，且发出的红外辐射能量与物体温度的四次方成正比。热像仪可以摄取来自被测物体各部分射向仪器的红外辐射通量的分布。利用红外探测器，按／顷序直接测量物体各部分发射出的红外辐射，综合起来就得到物体发射红外辐射通量的分布图像，这种图像称为热像图。热像仪就是根据这一特性来测量物体的温度场。

热像仪对测量物体表面温度分布，具有比其他测温技术更为显著的*性。红外热像技术是一种非接触式的测量技术，不会破坏被测温度场；直观地显示物体表面的温度场，并以图像形式显示出来；温度分辨率高，可达0．01℃；可采用多种显示方式，例如，对视频信号进行伪彩色处理，便可由不同颜色显示温度的热图像；可进行数据存储和计算机处理；操作简单、携带方便，仪器重量已小于2kg，单手即可方便地操作，不仅对新建建筑的热工缺陷进行准确诊断，还可对旧有建筑的节能改造提供科学依据。

3．2 墙体热工缺陷红外热像检测技术的基本原理

当被测墙体存在不连续性时，由于连续区域和不连续区域的热扩散系数不同，物体表面相应位置

的温度也就不同，即墙体表面局部区域产生温度梯度，从而导致墙体表面红外辐射能发生差异，红外探测器探测到墙体的红外辐射能，经信号处理系统为热像图后由显示器显示出来，通过分析热像图就可以进行测温或推断墙体内部是否存在缺陷。当墙体内部存在缺陷，如空洞，热桥、保温层受潮，外墙面砖或水泥砂浆抹面产生剥离等现象时，这些有缺陷的部位与正常部位相比，会在外表面产生温度差，通过分析红外热像仪所测得的温度分布图像，便可知空洞、热桥、受潮或剥离等缺陷部位的位置及大小。如图3，某内保温墙体的室内热像图，可见内保温墙转角、屋面板与墙体交界、开关盒及其附近等处保温缺陷。

3.3 墙体热工缺陷红外热像检测技术主要研究内容及预期成果

本课题的主要研究内容是根据建筑墙体表面温度场分布的有限信息，判断各种保温隔热建筑墙体的技术状态。包括保温隔热墙体红外辐射能量发射、传输与探测规律，各种环境因素影响规律及对策；保温隔热墙体内部的主要缺陷模式和缺陷的统计规律等；缺陷特征与检测判别，即判别缺陷对墙体综合保温隔热效果的影响程度。

预期研究成果将包括以下几个方面：(1)确定建筑墙体常用内外饰面材料的发射率基础数据。

(2)研究气候等环境因数对红外测试精度的影响，确定红外检测的环境条件。

(3)根据墙体表面温度场各等级温度分布、所占比重大小，确定佳测试布点方案；或评估热流计、热电偶法测试墙体传热系数的测试方案，并确定测试结果的修正系数。

(4)编制集成红外检测技术的墙体热工性能检测分析软件。

3．4 红外热像检测技术存在的不足

由于建筑墙体是多层复合材料，且建筑墙体的表面红外辐射能受周围环境影响较大，所以利用红外热像仪进行定量化测试和分析尚有许多技术问题需要解决。虽然红外检测方便快捷，可以迅速判别保温隔热墙体的热工缺陷及其严重程度，该技术单独应用在工程现场的节能检测中，还不能够定量的评价节能效果，只能定性的诊断热工缺陷，用以辅助传热系数检测，对传统的检测方法进行提升、补充，从而提高检测效率和准确性。

4 传热系数和红外热像技术两种方法相结合的现场测试方法

为了科学准确的评价建筑的热工性能，综合现有检测技术各自的优势，理想的方法是将传热系数现场测试与红外线现场诊断热工缺陷两种方法相结合，可以相互弥补不足，从而使检测结果更加科学准确。

建筑热工测试中，首先用红外热像仪对整个建筑进行扫描，初步诊断整个建筑的热工情况，选择有代表性的外墙作为被测墙体，然后对被测墙体进行扫描，初步检测墙体温度场分布情况和热工缺陷部位和面积，找到不同的等温面并测量各个等温面的面积，在不同的等温区域内找几个代表点，测定热阻和传热系数，再根据各个等温面的面积和热阻值计算出被测外墙的平均传热系数，后再结合整个建筑的热工缺陷总体情况对整个建筑进行热工评价。

2002年由北京振利高新技术公司牵头，在北京望京高校住宅楼的节能测试中，由中建建筑科学技术研究院运用热箱法测试墙体传热系数，华中科技大学运用红外线热像技术进行热工诊断，两种方法共同运用在现场建筑节能测试中，合作完成了该工程的节能检测。

2003年底，国家康居示范工程“新疆华美文轩家园”，以及石河子7号小区两个工程运用了热流计法和红外热像两种方法相结合的现场热工测试手段。首先红外热像仪对整个小区的建筑墙体进行热工诊断，然后依据热像图选择有代表性的外墙和等温面，通过热流计法测试墙体的传热系数，该工程节能测试由中国建筑科学研究院和华中科技大学合作共同完成。

5 结论

随着建筑节能技术的不断发展，我们应该不断发展、提升节能检测技术。在建筑工程节能效果的评价上，应该提倡传热系数和红外线热工缺陷检测技术两种方法结合应用于工程现场节能测试中，这不但能够对建筑工程的热工性能做出科学有效的评价，推进建筑节能检测技术的发展，而且还对建筑工程设计和建筑保温行业的发展起到相当大指导作用。

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