符號說明

對流換熱系數(shù) [W/m2·K]

總換熱系數(shù) [W/m2·K]

特征長度 [m]

熱流密度 [W/m2]

空氣溫度 [K，℃]

重力加速度 [m/s2]

表面溫度 [K，℃]

膜溫 [K，℃]

平均熱力學(xué)溫度 [K]

空氣流速 [m/s]

輻射換熱系數(shù) [W/m2·K]

縮略語

E-THM 增強(qiáng)型測溫法

HFM 熱流計法

IR 紅外線

QIRT 定量紅外熱成像法

SHB 簡易熱箱法

THM 測溫法

無量綱數(shù)

Nu 努塞爾數(shù) [–]

Gr 格拉曉夫數(shù) [–]

Re 雷諾數(shù) [–]

Pr 普朗特數(shù) [–]

Ra 瑞利數(shù) [–]

Ri 理查森數(shù) [–]（建筑物理領(lǐng)域常稱阿基米德數(shù)）

希臘字母

熱膨脹系數(shù) [1/K]

發(fā)射率 [–]

導(dǎo)熱系數(shù) [W/m·K]

運動粘度 [m2/s]

斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù) [W/m2·K?]

1 引言

建筑遺產(chǎn)的脫碳是一項復(fù)雜的課題，需要創(chuàng)新的解決方案和深入的專業(yè)知識。據(jù)2022年統(tǒng)計，意大利的建筑存量包含超過1200萬棟住宅建筑，為3200多萬個家庭提供居住空間。其中大部分建筑年代久遠(yuǎn)、能源利用效率低下，均建造于首部建筑節(jié)能法規(guī)頒布之前。1976年頒布的第373號法令首次制定了建筑保溫及供暖系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)準(zhǔn)則，對建筑熱用能耗作出了規(guī)范。

2024年5月，歐盟第2024/1275號指令正式生效，該指令旨在提升建筑能源性能，降低歐盟范圍內(nèi)的溫室氣體排放，力爭到2050年實現(xiàn)建筑存量零排放。指令要求各成員國從2026年1月1日起，新建公共建筑需滿足零排放標(biāo)準(zhǔn)；從2028年1月1日起，所有新建建筑均需達(dá)到零排放要求。此外，各成員國必須制定國家建筑翻新計劃，對各類居住和非居住建筑（公共及私有）進(jìn)行翻新改造，推動既有建筑向零排放建筑轉(zhuǎn)型，打造脫碳、高效的建筑遺產(chǎn)體系。

受建筑材料和施工工藝的特殊性影響，建筑存量的能源翻新改造需要整體規(guī)劃思路，兼顧主動式和被動式技術(shù)解決方案。一方面，業(yè)內(nèi)鼓勵采用以可再生能源為核心的高效供暖與制冷方案；另一方面，也倡導(dǎo)更換性能不佳的建筑配件，并對熱工性能差的墻體進(jìn)行保溫處理。向更可持續(xù)的建筑體系轉(zhuǎn)型已不再是選擇，而是提升居民生活質(zhì)量、降低能源需求、增加住宅價值并減少排放與環(huán)境影響的必然要求。

建筑-設(shè)備系統(tǒng)是一個由多個部件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，各部件間的相互作用和關(guān)聯(lián)決定了系統(tǒng)的整體能源性能。建筑與外界環(huán)境的熱交換特性是空調(diào)系統(tǒng)選型的重要依據(jù)，而這一特性的確定又依賴于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部件的詳細(xì)構(gòu)造參數(shù)。若對被動式建筑構(gòu)件的熱工性能評估存在誤差，不僅會影響建筑能源性能提升改造的效果，還可能導(dǎo)致實施無用且成本高昂的節(jié)能方案。對于老舊建筑，即便能獲取原始設(shè)計數(shù)據(jù)，大氣環(huán)境影響和材料老化也可能改變其熱物理性能，且相關(guān)技術(shù)資料往往已遺失。

因此，實驗檢測成為解決這一問題的有效途徑。無損檢測技術(shù)是建筑能源診斷的核心手段之一，尤其適用于技術(shù)資料缺失的歷史建筑國家，助力打造更高效、可持續(xù)的建筑?？茖W(xué)界已提出多種基于不同測量儀器和傳感器的實驗方法，用于評估建筑墻體的熱工性能，這些方法可有效測算建筑構(gòu)件的熱透射系數(shù)（U值）或熱阻（R值）。

熱流計法是應(yīng)用最為廣泛的實驗檢測方法之一，該方法通過熱流傳感器和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算建筑構(gòu)件的U值或R值。但該技術(shù)需借助膠帶或?qū)崮z將傳感器安裝于墻體表面，可能對墻體造成損壞。

簡易熱箱-熱流計法需要設(shè)計并制作小型熱箱，該技術(shù)的傳感器成本較高，且需為待測墻體定制專屬熱箱。

定量紅外熱成像法是一種非接觸式測量方法，需使用紅外熱成像儀，設(shè)備成本同樣居高不下。現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明，該方法需在特定環(huán)境條件下才能獲得可靠的測量結(jié)果。

在各類無損檢測技術(shù)中，測溫法的研究和應(yīng)用相對較少。該方法通過空氣溫度傳感器和表面溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并設(shè)定室內(nèi)對流換熱系數(shù)，以此計算穿過墻體的熱通量，是一種基于牛頓冷卻定律的熱通量間接測量方法。但該方法的表面溫度傳感器仍需通過膠帶安裝于墻體內(nèi)側(cè)表面，仍存在墻體損壞風(fēng)險。

如前所述，熱流計法、簡易熱箱-熱流計法和傳統(tǒng)測溫法均需將傳感器直接安裝于墻體表面，這對既有建筑，尤其是具有歷史或建筑藝術(shù)價值的遺產(chǎn)建筑而言存在較大問題。因此，非接觸式測量方法有望成為建筑構(gòu)件熱特性表征的理想方案，在實現(xiàn)測量目的的同時保護(hù)建筑的藝術(shù)和結(jié)構(gòu)完整性。這一需求推動了新型非接觸式檢測技術(shù)和測量系統(tǒng)的研發(fā)，在此背景下，增強(qiáng)型測溫法展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，該方法旨在構(gòu)建一套基于非接觸式手段的建筑墻體熱特性新型測量系統(tǒng)。

本研究提出的增強(qiáng)型測溫法基于非接觸式傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過間接方法估算熱通量，所采集的數(shù)據(jù)可用于計算合理的換熱系數(shù)，解決了傳統(tǒng)測溫法中換熱系數(shù)取值隨意的問題。目前，科學(xué)界對于測溫法計算熱通量時的換熱系數(shù)合理取值尚未形成統(tǒng)一結(jié)論，已有研究中分別采用了2.5 W/m2·K和7.69 W/m2·K等不同數(shù)值，相關(guān)爭議仍未解決。

針對現(xiàn)有熱流計法、測溫法等技術(shù)需直接安裝傳感器、依賴預(yù)設(shè)換熱系數(shù)，易對墻體（尤其是遺產(chǎn)建筑）造成損壞且測量結(jié)果存在不確定性的問題，本研究提出一種非侵入式的建筑墻體熱特性表征方法。該增強(qiáng)型測溫法結(jié)合非接觸式紅外測溫技術(shù)和空氣參數(shù)測量法計算熱通量，既保護(hù)了建筑結(jié)構(gòu)完整性，又提升了測量結(jié)果的可靠性。本研究是一項資助科研項目的組成部分，該項目旨在開發(fā)一種替代傳統(tǒng)方法的非接觸式測溫法，用于建筑構(gòu)件的熱特性表征。研究通過成熟的傳熱模型處理不同傳感器采集的實驗數(shù)據(jù)，基于牛頓冷卻定律，結(jié)合無量綱參數(shù)法確定合理的對流換熱系數(shù)，進(jìn)而計算熱通量；實驗數(shù)據(jù)由空氣溫度傳感器、紅外測溫儀和熱線風(fēng)速儀采集。本研究為該項目的初步階段，核心工作是建立基于非接觸式間接手段的熱通量計算流程，為后續(xù)研發(fā)無需墻體安裝傳感器的建筑墻體熱特性創(chuàng)新測量系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

本研究的主要貢獻(xiàn)包括：（1）研發(fā)了一種非接觸式建筑熱特性表征方法，提出改進(jìn)的測溫法，結(jié)合紅外測溫技術(shù)和空氣參數(shù)測量法計算熱通量，無需傳感器與墻體表面直接接觸；（2）通過無量綱參數(shù)法解決了換熱系數(shù)取值隨意的問題；（3）該方法適用于歷史建筑和具有建筑藝術(shù)價值的敏感建筑，可在測量過程中保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)完整性。

2 研究目的

如前所述，本研究是一項資助科研項目的初步探索，該項目旨在開發(fā)一套用于建筑墻體熱特性表征的新型非接觸式測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)將配備四種傳感器：兩臺空氣溫度傳感器、一臺風(fēng)速儀和一臺非接觸式表面溫度傳感器，所有傳感器均與由原型硬件板和定制軟件搭建的數(shù)據(jù)記錄儀相連。其中，空氣溫度傳感器用于測量室內(nèi)外空氣溫度，非接觸式傳感器用于檢測墻體表面溫度，風(fēng)速儀用于記錄空氣流速。

研發(fā)該新型測量系統(tǒng)是本科研項目的核心目標(biāo)，而前期預(yù)實驗則有助于深入了解潛在問題并制定相應(yīng)的校正策略。現(xiàn)有研究已提出多種用于建筑構(gòu)件熱特性現(xiàn)場實驗表征的方法，均需將傳感器安裝于墻體表面，如熱流計法、簡易熱箱-熱流計法和測溫法。其中，熱流計法的儀器設(shè)備投入約2000歐元，簡易熱箱-熱流計法的實施成本超過4000歐元，而測溫法是成本最低的方法，設(shè)備投入約1300歐元。此外，成熟的定量紅外熱成像法也被視為墻體熱特性表征的潛在替代方案，但該方法需使用昂貴的紅外熱成像儀，設(shè)備成本甚至超過30000歐元。

測溫法作為熱通量的間接測量方法，若換熱系數(shù)取值不準(zhǔn)確，易導(dǎo)致測量誤差，而目前學(xué)術(shù)界對換熱系數(shù)的合理取值尚未達(dá)成共識。這一現(xiàn)象具有必然性，因為換熱系數(shù)受邊界條件的顯著影響，無法在所有工況下采用固定值，即便在看似相似的特定工況中，固定取值也并不適用。為解決這一問題，本研究提出一種替代方法，旨在通過傳感器實時估算輻射換熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)，具體采用無量綱參數(shù)法進(jìn)行計算。同時，該科研項目致力于研發(fā)非接觸式測量手段，以紅外傳感器替代傳統(tǒng)的接觸式表面溫度傳感器。實驗室預(yù)實驗將探究紅外傳感器測得的表面溫度數(shù)據(jù)對測量結(jié)果的影響，深入分析相關(guān)問題并制定潛在校正策略。研究將利用成熟的傳熱模型，研發(fā)目前尚未出現(xiàn)的創(chuàng)新型、低成本測量系統(tǒng)。

3 材料與方法

3.1 保溫箱

本研究制作了定制化保溫箱，用于對木質(zhì)試樣進(jìn)行熱通量測試。木質(zhì)試樣為正方形，邊長30 cm，厚度1.5 cm；保溫箱由5 cm厚的擠塑聚苯乙烯板切割拼接而成，可完全容納試樣，箱體的高、寬均為60 cm，厚度為10 cm。為提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在擠塑聚苯乙烯板外側(cè)各面均粘貼木板進(jìn)行加固。

本研究使用的保溫箱與前期研究中所用的定制保溫箱一致，但對原有的恒溫電熱墊加熱系統(tǒng)進(jìn)行了升級，升級后的加熱系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)定溫度的精確控制，提升了實驗的準(zhǔn)確性。本研究采用創(chuàng)想三維公司為CR-10 S 300型3D打印機(jī)生產(chǎn)的方形加熱板（尺寸31 cm×31 cm）作為加熱元件，該鋁制加熱板的控溫范圍為0℃至130℃，控溫精度為1℃，可通過配套控制單元實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。圖1為保溫箱的三維視圖、尺寸參數(shù)及加熱板控制單元示意圖。

3.2 實驗裝置

為實現(xiàn)熱通量的直接和間接測量，在木質(zhì)試樣上安裝了多種傳感器，所有實驗均在羅馬第三大學(xué)的應(yīng)用物理實驗室完成。首先，使用福祿克Ti480 Pro型紅外熱成像儀對試樣進(jìn)行熱成像檢測，評估其熱均勻性；隨后，在試樣中心位置安裝Hukseflux HFP01型熱流傳感器，用于記錄熱流密度數(shù)據(jù)；在熱流傳感器附近安裝LSI Lastem EST124型接觸式溫度傳感器；在試樣正前方布置TESTO 0628 0152型熱線風(fēng)速儀，采集空氣流速數(shù)據(jù)；使用可設(shè)定發(fā)射率的TESTO 835-T1型紅外測溫儀檢測試樣正面的表面溫度；最后，在遠(yuǎn)離試樣的位置安裝空氣溫度傳感器，以采集未受實驗裝置影響的空氣溫度數(shù)據(jù)。圖2為實驗裝置的俯視示意圖及實驗室實際布置圖。如圖所示，

紅外測溫儀布置于熱流傳感器附近，具體測量區(qū)域為熱流傳感器右側(cè)的小范圍區(qū)域，確保熱流傳感器與紅外測溫儀的測量區(qū)域無重疊。

如前所述，紅外熱成像儀不僅用于前期評估加熱系統(tǒng)對木質(zhì)試樣的均勻加熱效果（通過熱成像圖分析），還通過反射板法實驗測定了試樣的發(fā)射率。反射板的制作方式為：在硬紙板表面粘貼鋁箔，制成簡易漫反射板；將漫反射板放置于木質(zhì)試樣表面，將紅外熱成像儀的發(fā)射率設(shè)定為1，測量漫反射板的溫度，即反射溫度；將反射溫度輸入紅外熱成像儀的配套軟件，對比接觸式傳感器和紅外熱成像儀測得的試樣表面溫度，逐步調(diào)整發(fā)射率參數(shù)，直至兩種方法的測量結(jié)果一致。通過該方法，確定本研究中木質(zhì)試樣的發(fā)射率為0.84。

3.3 研究方法

實驗前期，先對試樣進(jìn)行加熱，直至達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，以驗證試樣的均勻加熱效果。隨后，調(diào)節(jié)加熱板的溫度，模擬建筑實際工況中空氣與墻體表面的溫差環(huán)境。

本研究采用熱流傳感器直接測量熱通量（以下簡稱HFM法），并基于牛頓冷卻定律，采用兩種間接方法測量熱通量：（1）基于接觸式傳感器測得的表面溫度數(shù)據(jù)（以下簡稱E-THM1法）；（2）基于非接觸式紅外傳感器測得的表面溫度數(shù)據(jù)（以下簡稱E-THM2法）。通過對比接觸式傳感器和紅外傳感器的表面溫度測量數(shù)據(jù)，驗證基于非接觸式手段的增強(qiáng)型測溫法的可行性。

上述兩種間接測量方法的總換熱系數(shù)均通過無量綱參數(shù)法計算得出。當(dāng)試樣達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，結(jié)合表面溫度、空氣溫度和空氣流速數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱參數(shù)分析，計算對流換熱系數(shù)。盡管試樣與空氣的溫差較小，看似僅存在自然對流，但本研究仍通過熱線風(fēng)速儀測定實際的對流換熱工況，避免因假設(shè)不當(dāng)導(dǎo)致的誤差。

在對流傳熱問題中，理查森數(shù)Ri可用于判斷對流類型（自然對流、混合對流或強(qiáng)制對流），其計算方式為格拉曉夫數(shù)Gr與雷諾數(shù)Re的平方之比（），其中Gr和Re的計算公式如下：

式中，g為重力加速度，β為熱膨脹系數(shù)，和分別為表面溫度和空氣溫度，L為特征長度，ν為運動粘度，u為空氣流速。

當(dāng)Ri＞10時，為自然對流；當(dāng)Ri＜0.7時，為強(qiáng)制對流；當(dāng)0.7＜Ri＜10時，為混合對流。

雷諾數(shù)Re的計算需要空氣流速數(shù)據(jù)，本研究中風(fēng)速儀布置于距試樣9 cm處。該布置方式符合傳熱學(xué)理論中采用來流速度計算雷諾數(shù)的要求，且基于前期研究結(jié)果，距試樣5 cm至9 cm范圍內(nèi)的空氣流速相對穩(wěn)定，該距離處于邊界層之外，可保證風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性。

對流換熱系數(shù)的計算需先確定努塞爾數(shù)Nu，不同對流工況下Nu的計算方法不同：自然對流工況下，Nu為瑞利數(shù)Ra的函數(shù)，可采用以下成熟公式計算：

強(qiáng)制對流工況下，Nu為雷諾數(shù)Re和普朗特數(shù)Pr的函數(shù)，當(dāng)且時，采用以下公式計算：

混合對流的努塞爾數(shù)通常采用以下關(guān)聯(lián)式計算：

努塞爾數(shù)Nu的計算公式為：

本研究中，特征長度L取試樣的豎直尺寸（0.3 m）。此外，Gr、Re和Nu的計算均依賴于空氣的特定熱物理性質(zhì)，為保證計算準(zhǔn)確性，本研究根據(jù)膜溫確定空氣的熱物理參數(shù)，膜溫為空氣溫度與表面溫度的平均值。本研究中膜溫的計算范圍為10℃至40℃（建筑物理應(yīng)用中的典型溫度區(qū)間），基于滑鐵盧大學(xué)的流體性質(zhì)計算器獲取該溫度范圍內(nèi)的空氣熱物理數(shù)據(jù)，通過線性回歸法擬合得到空氣導(dǎo)熱系數(shù)λ、運動粘度ν、熱膨脹系數(shù)β和普朗特數(shù)Pr隨膜溫變化的計算公式（見圖3）。需說明的是，空氣的熱物理性質(zhì)與溫度呈非線性關(guān)系，但在建筑物理的實際溫度區(qū)間內(nèi)，線性回歸法的擬合結(jié)果與流體性質(zhì)計算器的計算結(jié)果高度吻合，決定系數(shù)接近1。該近似方法可實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)采集時間步長下空氣熱物理參數(shù)的精準(zhǔn)計算。

當(dāng)兩個物體的溫差遠(yuǎn)小于其平均溫度時，可對輻射傳熱的非線性關(guān)系進(jìn)行線性化處理，輻射換熱系數(shù)的計算公式如下：

式中，ε為試樣的發(fā)射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，為試樣表面與周圍環(huán)境表面的平均溫度。

總換熱系數(shù)為對流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)之和，基于牛頓冷卻定律，間接測量熱通量的計算公式如下：

式中，和分別為試樣自由表面的溫度和空氣溫度；下標(biāo)E-THM1和E-THM2分別表示基于接觸式傳感器和紅外測溫儀表面溫度數(shù)據(jù)的增強(qiáng)型測溫法；HFM法則用于對比間接方法與熱流傳感器直接測量的熱通量結(jié)果。

除紅外測溫儀外，所有傳感器在各次實驗中的布置位置均保持一致，本研究分為兩個實驗階段：

階段1：加熱前，先在試樣上安裝熱流傳感器和接觸式表面溫度傳感器。將加熱板溫度設(shè)定為28℃，分別進(jìn)行兩組實驗：（1）不使用紅外測溫儀；（2）將紅外測溫儀分別布置于距試樣90 cm、60 cm、30 cm和5 cm處，確定紅外測溫儀的最佳布置距離。該距離的選擇綜合考慮了所用紅外測溫儀的距離系數(shù)（D:S=50:1），該參數(shù)保證了儀器在較遠(yuǎn)測量距離下，仍可實現(xiàn)小范圍區(qū)域的精準(zhǔn)測量，測量區(qū)域可通過儀器的四束導(dǎo)向激光確定。所有實驗中，紅外測溫儀的測量區(qū)域均靠近熱流傳感器，且無重疊。該紅外測溫儀可與計算機(jī)連接，實現(xiàn)溫度的連續(xù)測量。所有測量儀器的數(shù)據(jù)采集時間步長均設(shè)定為10 s。

階段2：加熱前，安裝并布置所有測量儀器，進(jìn)行兩組實驗：（1）將加熱板溫度設(shè)定為28℃，不使用紅外測溫儀進(jìn)行測量；（2）根據(jù)階段1的實驗結(jié)果，將紅外測溫儀布置于最佳測量距離，逐步將加熱板溫度提升至28℃、30℃、32℃和34℃，分別進(jìn)行測量。所有測量儀器的數(shù)據(jù)采集時間步長均設(shè)定為10 s。

本研究的技術(shù)路線如圖4所示。

本研究基于霍爾曼復(fù)雜數(shù)據(jù)還原法進(jìn)行不確定度分析。設(shè)測量結(jié)果A為獨立變量的函數(shù)，若已知各直接測量量的不確定度，可通過對各獨立變量施加微小擾動進(jìn)行分析：

當(dāng)擾動值足夠小時，偏導(dǎo)數(shù)可近似表示為：

測量結(jié)果A的合成不確定度計算公式為：

式中，為各獨立變量的測量不確定度。本研究中不確定度的包含因子取2，對應(yīng)的置信水平約為95%

4 結(jié)果與分析

實驗前期對試樣進(jìn)行加熱至熱穩(wěn)態(tài)，采用紅外熱成像儀評估試樣自由正面的熱均勻性。圖5為測得的熱成像圖，通過后處理軟件添加測點標(biāo)記以突出溫度變化，結(jié)果顯示，試樣表面各測點的溫度變化不超過0.2℃，良好的熱均勻性保證了熱通量的一維傳遞。

4.1 階段1：不同紅外測溫儀布置距離的實驗結(jié)果

將加熱板溫度設(shè)定為28℃，模擬建筑實際工況中空氣與墻體表面的溫差環(huán)境，通過控制單元的調(diào)節(jié)旋鈕實現(xiàn)溫度設(shè)定。實驗前期，先僅使用熱流傳感器和接觸式表面溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，不使用紅外測溫儀；隨后將紅外測溫儀分別布置于距試樣90
cm、60
cm、30
cm和5
cm處進(jìn)行實驗。表1為階段1的實驗工況參數(shù)。

圖6a為接觸式傳感器和紅外傳感器測得的表面溫度（綠色和紅色曲線）、空氣溫度（藍(lán)色曲線）及兩種傳感器測得的表面溫差（黃色虛線）。結(jié)果顯示，整個實驗過程中空氣溫度略有上升，從24.90℃升至24.98℃；溫度峰值的出現(xiàn)是由于實驗人員在各數(shù)據(jù)采集階段結(jié)束后調(diào)整紅外測溫儀位置所致。

試樣經(jīng)初始加熱后，接觸式傳感器測得的表面溫度變化極小，從無紅外測溫儀時的平均26.70℃，降至紅外測溫儀距試樣5 cm時的平均26.80℃。對比圖6a中的綠色和紅色曲線可知，紅外測溫儀測得的試樣表面溫度均偏低，與接觸式傳感器的平均溫差分別為：90 cm處0.44℃、60 cm處0.49℃、30 cm處0.45℃、5 cm處0.25℃。

圖6b為基于實驗數(shù)據(jù)，通過無量綱參數(shù)法計算得到的對流、輻射和總換熱系數(shù)。整個實驗過程中，理查森數(shù)Ri均小于10，平均值為2.8，表明實驗工況為混合對流?；诮佑|式表面溫度傳感器的數(shù)據(jù)，計算得到的對流換熱系數(shù)幾乎保持恒定，范圍為2.78
W/m2·K至2.79
W/m2·K；基于紅外測溫儀的數(shù)據(jù)，對流換熱系數(shù)的范圍略有擴(kuò)大，為2.69
W/m2·K至2.75
W/m2·K。

輻射換熱系數(shù)的計算結(jié)果同樣保持穩(wěn)定，基于紅外測溫儀數(shù)據(jù)的計算結(jié)果為5.11 W/m2·K至5.12 W/m2·K，基于接觸式傳感器數(shù)據(jù)的平均計算結(jié)果為5.13 W/m2·K。總換熱系數(shù)的計算結(jié)果顯示：E-THM2法的平均值為7.80 W/m2·K至7.87 W/m2·K，E-THM1法的平均值為7.95 W/m2·K至7.96 W/m2·K（見表1）。需說明的是，若以熱流傳感器測得的熱通量與試樣–空氣溫差（圖6a中(接觸式)-）的比值計算總換熱系數(shù)，結(jié)果更低，范圍為7.44 W/m2·K至7.46 W/m2·K。該差異的產(chǎn)生原因是：熱流計法的測量結(jié)果受各儀器間相互作用的影響，導(dǎo)致熱通量測量值偏低，與E-THM1法的計算結(jié)果存在偏差；而總換熱系數(shù)的波動則源于加熱板為維持恒溫進(jìn)行的周期性加熱。

圖7為直接測量法和兩種間接測量法的熱通量結(jié)果。熱流計法的測量結(jié)果顯示，隨著紅外測溫儀與試樣距離的縮短，測得的熱通量逐漸降低，這是由于紅外測溫儀的工作溫度高于實驗室環(huán)境溫度，與熱流傳感器之間產(chǎn)生輻射熱交換，對測量結(jié)果造成影響。當(dāng)紅外測溫儀距試樣5
cm時，熱通量的測量值降低約7%。

對比無紅外測溫儀時熱流計法的初始測量結(jié)果，當(dāng)紅外測溫儀距試樣90 cm時，熱通量測量值降低約2%。為保證不同測量方法間對比的可靠性，基于減少儀器間相互干擾的原則，確定90
cm為紅外測溫儀的最佳布置距離。

無紅外測溫儀時，E-THM1法與熱流計法的熱通量測量偏差約為5%，驗證了基于無量綱參數(shù)法的增強(qiáng)型測溫法的有效性；當(dāng)紅外測溫儀距試樣90 cm時，兩種方法的偏差約為8%。

熱通量的持續(xù)降低導(dǎo)致E-THM1法與熱流計法的偏差逐漸增大，從60 cm處的約9%增至5 cm處的約14%。

當(dāng)紅外測溫儀距試樣90 cm時，E-THM2法與熱流計法的偏差高達(dá)-13%；隨著測量距離的縮短，偏差發(fā)生變化：60 cm處為-21%、30 cm處為-23%、5 cm處為-6%。但5 cm處的偏差結(jié)果是基于受紅外測溫儀影響而偏低的熱流計法測量值，參考價值有限。若以無紅外測溫儀時熱流計法的平均熱通量13.57
W/m2為基準(zhǔn)，90
cm處E-THM2法的測量偏差約為-15%。

實驗室工況下的實驗結(jié)果匯總于表2，結(jié)果表明，非接觸式傳感器的溫度測量值存在波動是導(dǎo)致測量偏差的主要原因。此外，不同實驗工況下的空氣流速也可能對測量結(jié)果產(chǎn)生重要影響，這一點在實際建筑工程應(yīng)用中需進(jìn)一步研究。

實驗結(jié)果顯示，當(dāng)紅外測溫儀的布置距離為90 cm至30 cm時，TESTO 835-T1型紅外傳感器測得的表面溫度變化趨勢相對穩(wěn)定，與接觸式傳感器的平均溫差為0.41℃；為避免局部熱效應(yīng)的影響，該紅外傳感器與待測表面的距離不應(yīng)小于30
cm?；谏鲜鰧嶒灲Y(jié)果，后續(xù)可通過原型硬件板和定制軟件搭建新型測量系統(tǒng)，利用軟件對紅外測溫儀的測量值進(jìn)行校正，以消除與接觸式傳感器的測量偏差。

4.2 階段2：不同加熱板溫度的實驗結(jié)果

本階段實驗中，先將加熱板溫度設(shè)定為28℃，在不使用紅外測溫儀的情況下采集實驗數(shù)據(jù)；隨后根據(jù)階段1的結(jié)果，將紅外測溫儀布置于距試樣90 cm處，逐步將加熱板溫度提升至28℃、30℃、32℃和34℃，分別進(jìn)行實驗。表3為階段2的實驗工況參數(shù)。

圖8a為接觸式傳感器和紅外傳感器測得的表面溫度（綠色和紅色曲線）、空氣溫度（藍(lán)色曲線）、表面–空氣溫差（黑色虛線）及兩種傳感器的表面溫差（黃色虛線）。紅外測溫儀開啟后，初期測得的溫度偏高，為儀器的穩(wěn)定階段。排除該初始瞬態(tài)階段后，接觸式傳感器與紅外傳感器的測溫偏差范圍為0.11℃至0.45℃：加熱板溫度為28℃時，平均溫差為0.45℃；溫度升至30℃、32℃和34℃時，平均溫差分別降至0.40℃、0.24℃和0.11℃。該現(xiàn)象的原因可能是試樣溫度升高時，輻射熱通量增大，提升了紅外測溫儀的測量準(zhǔn)確性。對比兩種傳感器的表面溫度測量結(jié)果可知，紅外測溫儀的測量值始終低于接觸式傳感器；實驗室的空氣溫度范圍為25.08℃至25.24℃。

圖8b為基于實驗數(shù)據(jù)計算得到的對流、輻射和總換熱系數(shù)，其中綠色虛線和點劃線分別為基于接觸式表面溫度傳感器數(shù)據(jù)計算的對流和輻射換熱系數(shù)，紅色虛線和點劃線分別為基于紅外測溫儀數(shù)據(jù)計算的對流和輻射換熱系數(shù)，黑色虛線為以熱流傳感器測得的熱通量與試樣–空氣溫差（圖8a中(接觸式)-）的比值計算的總換熱系數(shù)?？倱Q熱系數(shù)的波動源于加熱板為維持恒溫進(jìn)行的周期性加熱，導(dǎo)致熱通量測量值出現(xiàn)小幅波動，且隨著加熱板溫度的升高，該波動逐漸減小。

本階段實驗中，理查森數(shù)Ri的計算結(jié)果均小于10，表明仍為混合對流工況，且隨加熱板溫度的變化，Ri的平均值為2.6至3.8。因此，本研究采用公式（7）計算努塞爾數(shù)Nu，進(jìn)而求解對流換熱系數(shù)。

圖9為直接測量法和兩種間接測量法的熱通量結(jié)果。加熱板溫度為28℃的初始加熱階段，E-THM1法與熱流計法的測量結(jié)果吻合度較高，偏差約為5%；隨著加熱板溫度的升高，E-THM1法的熱通量計算值高于熱流計法的測量值，且偏差保持相對穩(wěn)定，范圍為4%至6%。

加熱板溫度為28℃和30℃時，E-THM2法的熱通量計算值低于熱流計法和E-THM1法：與熱流計法的平均偏差分別約為-23%和-12%；與E-THM1法的平均偏差分別約為-27%和-16%。隨著加熱板溫度升至32℃和34℃，上述偏差顯著減小。這一現(xiàn)象與兩種傳感器的測溫偏差變化一致：隨著加熱板溫度的升高，紅外測溫儀與接觸式傳感器的測溫偏差逐漸降低。加熱板溫度為32℃和34℃時，E-THM2法與熱流計法的測量結(jié)果高度吻合，平均偏差分別約為-1%和4%；與E-THM1法的平均偏差分別約為-7%和-2%。

本階段實驗的總換熱系數(shù)和熱通量結(jié)果匯總于表4。

5 結(jié)論

本研究提出了一種基于非接觸式手段的建筑墻體熱通量評估方法，并利用實驗室實驗裝置進(jìn)行了驗證。研究結(jié)果表明，增強(qiáng)型測溫法（E-THM）可通過牛頓冷卻定律，結(jié)合無量綱參數(shù)法確定合理的對流換熱系數(shù)，實現(xiàn)建筑墻體熱通量的有效計算。

測量結(jié)果的準(zhǔn)確性受紅外測溫儀表面溫度測量精度的顯著影響。

**不同紅外測溫儀布置距離的實驗（階段1）**結(jié)果表明，本研究使用的紅外傳感器測得的試樣表面溫度均偏低，與接觸式傳感器的平均溫差分別為：90 cm處0.30℃、60 cm處0.49℃、30 cm處0.45℃、5 cm處0.25℃。紅外測溫儀與試樣距離過近時，儀器外殼的熱量積聚導(dǎo)致測溫值偏高，同時對熱流計法的熱通量測量結(jié)果產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測量值降低。

E-THM1法與熱流計法的熱通量偏差范圍為5%至14%；若排除紅外測溫儀的干擾，偏差可降至5%至7%，進(jìn)一步驗證了無量綱參數(shù)法的有效性。

E-THM2法與熱流計法的偏差更大，范圍為-13%至-6%；若以無紅外測溫儀時熱流計法的測量值為基準(zhǔn)，偏差范圍擴(kuò)大至-23%至-12%。該偏差主要源于紅外傳感器測得的試樣–空氣溫差偏低，而非換熱系數(shù)的計算誤差。

**不同加熱板溫度的實驗（階段2）**結(jié)果表明，E-THM1法與熱流計法的熱通量偏差保持在4%至6%，且穩(wěn)定性良好。

E-THM2法與熱流計法的對比結(jié)果顯示，當(dāng)試樣–空氣溫差較大時（加熱板溫度為32℃和34℃），測量結(jié)果的吻合度較高，偏差范圍為-1%至4%。該工況下，紅外測溫儀的表面溫度測量值仍偏低，與接觸式傳感器的偏差范圍為：28℃時0.45℃，34℃時0.11℃。

當(dāng)紅外測溫儀的布置距離為30 cm至90 cm時，需對其測溫值進(jìn)行約0.4℃的校正，方可使熱通量計算結(jié)果與E-THM1法和熱流計法的測量結(jié)果保持一致。

需說明的是，本研究的結(jié)論均基于特定的實驗裝置和工況，盡管已盡量減小表面?zhèn)鞲衅鲗囟葓龅挠绊懀撚绊懭詿o法完全排除。本研究對相關(guān)影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，而該方法的有效性仍需在更多工況下進(jìn)一步驗證，包括無表面?zhèn)鞲衅鞯墓r、實際建筑現(xiàn)場應(yīng)用以及采用其他努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式的情況。后續(xù)可基于前期實驗結(jié)果，通過軟件對紅外傳感器的測量值進(jìn)行校正，以消除與接觸式傳感器的測溫偏差，該校正方法的有效性仍需在未來的研究中驗證。