第一节 建筑节能检测基本参数及仪器
在建筑节能检测中，需要检测的参数和项目很多，更重要的是对温度、流量、导热系数、热流量等热工的基本参数进行检测和控制。
一、温度参数的检测
温度是反映物体冷热程度的物理参数，温度是与建筑节能密切相关的物理量，在2000多年前就开始为检测温度进行了各种努力。从分子物理学的角度，温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度，即物体的冷热程度由分子的平均动能所决定。因此，严格地讲温度是物体分子平均动能大小的标志。
（一）温度参数检测原理和方法
用仪表来测量温度，是以受热程度不同的物体之间的热交换和物体的某些物理性质随着受热程度不同而变化这一性质为基础的。任意两个受热程度不同的物体相接触，必然会发生热交换现象，热量将由受热程度高的物体流向受热程度低的物体，直到两个物体的受热程度完全相同为止，即达到热平衡状态。
温度检测利用感温元件特有的物理、化学和生物等效应，把被测温的变化转换为某一物理或化学量的变化。温度参数检测实际上是利用光学、力学、热学、电学、磁学等不同的原理，检测某一物理或化学变化的量，从而检测被测物体的温度。
温度检测方法很多，根据测温原理不同主要有应用热膨胀原理测温、应用工作物质的压力随温度变化的原理测温、应用热电效应测温、应用热电阻原理测温和应用热辐射原理测温等。根据感温元件和被测物体是否接触，可以分为接触式测温法和非接触式测温法。
1.接触式测温法
接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中，使传感器与物体保持同一温度的测温方法。例如，利用介质受热膨胀的原理制造的水银温度计，压力式温度计和双金属温度计等；利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度，如热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等；利用导体和半导体电阻值随温度变化的原理做成的热电阻温度检测仪表，如电阻温度计等。
接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。
2.非接触式测温法
非接触式仪表测温是通过热辐射效应与温度之间的对应关系原理来测量温度的，这种测温法是以黑体辐射测温理论为依据。测温元件不需与被测物体的表面介质接触，实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。有全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。非接触式仪表测温的范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。
随着科学技术的快速发展，物体测温方法不断更新，如超声波技术、激光技术、射流技术、微波技术等，现已广泛用于测量温度。上述的各种温度检测方法，各有自己的特点、各自的检测仪器和各自的检测范围。温度主要检测方法和测温类别如表3-1所列。
表3-1 温度主要检测方法和测温类别
（二）温度检测系统的组成
建筑节能工程一套完整的温度检测系统，主要由感温元件（一次仪表）、连接导线（传输通道）和显示装置（二次仪表）组成，如图3-1所示。
图3-1 温度检测系统组成示意
例如，在利用动圈式温度仪检测温度时，以热电偶为感温元件，以动圈式仪表为显示装置，它们通过补偿导线连接在一起，则构成一套完整的温度检测仪表。又如，用电子平衡电桥检测温度时，以热电阻为为感温元件，以平衡电桥为温度显示仪表，把它们用符合要求的导线连接在一起，则也构成一套完整的温度检测仪表。
结构简单的温度检测仪表，一般是把感温元件和显示仪表装在一起，如水银温度计、双金属温度计和压力温度计，均属于这类温度检测仪表。
1.温度检测仪表的基本类型
温度检测仪表的类型很多，其分类方法也较多，主要可按接触方式、作用原理、主要功能、检测范围、测温场合和显示方式不同来分类（见图3-2）。
温度检测仪表
图3-2 温度检测仪表的分类方法
2.温度检测仪表的测温原理
热电阻温度计的原理是利用导体或半导体的电阻随温度变化这一特性测量温度的；热电偶温度计是利用热电效应来测量温度的；膨胀式温度计是利用物体受热膨胀这一原理进行测量温度的；辐射式温度仪主要用可见光和红外线这一原理进行测温的。
无论采用何种测温原理，温度检测仪表均是利用物体在温度变化时，它的某些物理量（如尺寸、压力、电阻、热电势和辐射强度等）也随着变化的特性来测量温度的。或者说，通过感温元件将被测对象的温度转换成其他形式的信号传送给温度显示仪表，然后由温度显示仪表将被测温对象的温度显示或记录下来，这就是温度检测仪表的测温原理。
二、流量参数的检测
流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律。流量、压力和温度并列为三大检测参数，对于一定的流体，只要知道这3个参数就可以计算出其具有的能量，在建筑节能检测中也是必须检测的3个参数。
流量是指单位时间内流过某一截面的流体量，或者在某一段时间内流过某一截面的流体量。前者称为瞬时流量，简称为流量；后者称为累计流量，简称为总量。
在建筑节能检测中，为了准确地掌握锅炉、空调、通风管道等的运行情况，需要检测系统中的流动介质（如液体、气体或蒸汽、固体粉末、热流等）的流量，以便为建筑节能评估、推广和实施提供可靠的依据，由此可见流量参数的检测在建筑节能检测中是非常重要的。
（一）流量的分类
在一般情况下所讲的流量，是指流动的物体在单位时间内通过的数量。流量又可分为体积流量和质量流量。
1.体积流量
体积流量是单位时间里通过过流断面的流体体积，用符号Q表示，其单位为m3/s。如果在某截面上的流速不相等，其体积流量应以积分的方式进行计算；如果在某截面上的流速相等，其体积流量应为流体流速与该截面面积的乘积。
2.质量流量
质量流量是指单位时间内通过某截面流体的质量，用符号Qm表示，其单位为kg/s。如果在某截面上的流速不相等，其质量流量应以积分的方式进行计算；如果在某截面上的流速相等，其质量流量应为流体密度与该截面面积的乘积。
由于流体的体积受流体工作状态的影响很大，所以在用体积流量表示时必须同时给出流体的压力和温度。
（二）流量参数检测原理和方法
建筑节能流量检测实践表明，由于流量检测具有条件的多样性和复杂性，所以流量检测的方法也是多种多样，也是热工参数检测中检测方法最多的一种。据不完全统计，国内外流量参数检测的方法已有上百种，其中有几种是建筑节能检测中常用的。
流量参数检测方法的分类是比较复杂的问题，目前国内还没有统一的分类方法。从检测量的不同，可以分为容积法、流速法和直接检测质量流量法。
1.流量检测的容积法
如果流体是以固定的体积从容器中逐次排放流出，对排放流出的次数计数，就可以求得通过仪器的流体总量；如果检测排放的频率，就可以显示出流量。这种流量检测的方法称为容积法，也称为体积流量法或直接法。
容积法是单位时间内以标准固定的体积，对流动介质连续不断地进行度量，以排放流体固定容积数来计算流量。如刮板式流量计、圆盘式流量计、椭圆齿轮流量计、转动活塞式流量计和腰轮流量计等，都是按照这种原理进行流量检测的。这类检测仪器所显示的是体积流量和总量，必须同时检测流体的密度才能求出质量流量。
容积法的主要特点是流动状态对检测精度影响小，具有较高的精度，适用于检测高黏度、低雷诺数的流体，而不宜用于检测高温高压流体和脏污介质的流量，同时测量流量的上限也比较小。
2.流量检测的流速法
根据一元流动连续方程，当流动截面恒定时，截面上的平均流速与体积流量成正比，按照这个规律和根据各种与流速有关的物理现象，便可以制造流量计。如利用超声波在流体中的传播速度，决定于声速和流速的矢量和，从而可制成超声波流量计。另外，涡轮流量计、节流式流量计、涡旋式流量计、动压测量管和电磁式流量计等均属于这类。它们也是显示体积流量的，如果需要显示质量流量，还需要测量流体的密度。
流速法又称为速度法或间接法，即先测出管道内的平均流速，再乘以管道的截面积求得流体的体积流量。由于流速法是采用平均流速，所以管道条件对检测精度影响很大，如雷诺数、涡流、截面流速分布不对称等，都会造成测量仪表的显示误差。
3.直接检测质量流量法
直接检测质量流量法又称为质量流量法，它的物理基础是使流体流动得到某种加速度的力学效应与质量流量的关系，如动量和动量矩等都与流体质量有关。这种原理制成的流量计是通用流量计，可以直接提供与dQm/dt有关的信息，即显示的读数是dQm/dt的函数，与流体的成分和参数无关。如动量矩式质量流量计、双涡轮质量流量计、惯性力式质量流量计等。
（1）动量矩式质量流量计是根据牛顿第二定律的原理制作的压力测量仪，用流体动量矩的变化反映质量流量的，从力学角度来说，质量是物体惯性的量度。
（2）双涡轮质量流量计原理是：该力矩差由连接弹簧所平衡，并使两涡轮间形成扭角，因两涡轮叶后螺旋倾角不同而造成力矩差，扭角的大小与质量流量成比例，测量因扭角造成的信号时间差，就可得到质量流量。
（3）惯性力式质量流量计利用被则流体流经以等速转动的可动测量管件时，得到一个附加加速度，从而可动管件管壁受到流体给的与加速度反方向的惯性力，此惯性力与质量流量成比例， 由测量惯性力或惯性力矩可测得质量流量。
质量流量检测法，又可分为直接法和间接法两大类。直接法是利用检测元件，使输出信号直接反映质量流量；间接法是利用两个检测元件，分别测出两个相应的参数，通过运算间接获取流体的质量。
（三）流量检测仪表的类型
在建筑节能检测中，由于流量的检测情况非常复杂，所以用于流量检测仪表的结构和原理多种多样，国内外的产品型号、规格也很多，严格地将其分类是很困难的。根据目前建筑节能检测中的应用情况来看，无论是一般检测还是特殊检测，无论是大流量检测还是小流量检测，大部分是利用节流原理进行流量检测的差压式流量计。
从总体上来看，流量计一般可分为速度式流量计、容积式流量计和质量式流量计三大类。
（1）速度式流量计在工程中常见的有孔板流量计、转子流量计、靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计、激光流量计和涡轮流量计等。
（2）容积式流量计在工程中常见的有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、转动活塞式流量计、刮板式流量计、伺服式流量计、圆盘式流量计和旋涡式流量计等。
（3）质量式流量计在工程中常见的有热式质量流量计、差压式质量流量计、动量式质量流量计，以及各种不同组合的间接式质量流量计。
在建筑节能工程检测中常见各种形式的流量计如图3-3所示。
图3-3 建筑节能工程检测中常见各种形式的流量计
三、热流量参数的检测
热流量是指一定面积的物体两侧存在温差时，单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量。通过物体的热流量与两侧温度差成正比，与物体的厚度或反比，并与材料的导热性能有关。单位面积的热流量为热流通量，稳态导热通过物体的热流通量不随时间改变，其内部不存在热量蓄积；不稳态导热通过物体的热流通量与内部温度分布，随着时间而发生变化。
在建筑节能和科学研究以及日常生活中，存在着大量的热量传递问题有待于解决。为了实现建筑节能和控制的要求，则需要掌握各种设备的热量变化情况，如直接测量热流量的变化和分布等，热流计的应用则可满足这种要求。
根据传热的3种基本方式——导热、对流和辐射，相应的热流也存在3种基本方式，即导热热流、对流热流和辐射热流。由于对流传热的情况比较复杂，直接用热流计测量对流热流有很大的难度，而对流热流和辐射热流的测量相对比较简单，所以目前研究和应用的热流计以导热热流计和辐射热流计为主。
热流计也称热通量计、热流仪，其全称是热流密度计，是热能转移过程的量化检测仪器，是用于测量热传递过程中热迁移量的大小、评价热传递性能的重要工具，是测量在不同物质间热量传递大小和方向的仪器。
热流计能够直接测量热流量，主要适用于现场测试建筑物围护结构保温的热力管道和冷冻管道、工业窑炉等设备壁面以及生物体或人体的散热量，对于建筑节能工作有着重要意义。
（一）热流的分类及测试方法
在建筑节能工程中，热流一般可分为传导型热流和辐射式热流。由于它们的热能转移方式不同，所以各自的测量原理和测试方式也不同。
1.传导型热流
传导型热流测量原理是：依据传热的基本定律，主要针对导热热流的测量，利用在等温面上测定待测物体经过等温边界传导的逃逸热流，并对通过等温面的热流进行时间积分的方法来测定热量。
根据传导型热流测量原理，辅壁式热流计、温差式热流计、探针式热流计等，都是按照这种原理研制和测量的，其主要特点是不需要热保护装置就能直接测定出逃逸热流。
根据传导型热流测量原理，其测量方法可分为稳态测量法和动态测量法。
（1）稳态测量法 稳态测量法是指根据稳态条件下的傅立叶定律，对于一定厚度的无限大平板，当有恒定的热流垂直流过时，在平板的两侧就会存在一定的温差。如果已知平板材料的热导率和平板的厚度，只要测得平板两侧表面的温差，就可通过式（3-1）计算得到流过平板的热流密度。
q=λΔt/δ （3-1）
式中 q——热流密度，W/m2；
λ——平板的热导率，W/（m·K）；
Δt——平板两侧表面的温差，K；
δ——平板的厚度，m。
稳态测量法的主要优点是测量原理简单、使用比较方便，是热流密度测量中最常采用的方法之一。
（2）动态测量法 动态测量法是指根据总计热容法（忽略敏感元件内部的温差），通过测量敏感元件背部热电偶的温度随时间的变化曲线，从而求出敏感元件前端面处的局部热流密度。
动态测量法的主要优点是测量设备结构简单、反应比较灵敏、测量时间较短，是一种值得推广的热流密度测量方法。
2.辐射式热流
热辐射是物体由于具有温度而辐射的一种电磁波现象，其波长范围一般为0.1～100μm。辐射式热流的测量方法按其测试原理不同，可以分为稳态辐射热流法和瞬态辐射热流法。
（1）稳态辐射热流法 稳态辐射热流的测试原理，一般是由稳态热平衡方程导出的。图3-4是最简单的稳态辐射热流法测试原理模型示意图。从图中可以看出，稳态辐射热流法的热流计，其探头部分至少由以下三部分组成，即辐射热流接受面（面积为A）、低温块或恒温块（温度为T0）和连接接受面与低温块的传导体（热阻为Rc）。
当有热流密度为q的辐射热流投射于接受面1时，它吸收的热量将通过传导体2，传递给低温块或恒温块3，当达到稳态热平衡时，接受面1的温度为T1，其热平衡方程为：
q=KΔT （3-2）
式中 K——仪器的常数，K=1/ARc；
ΔT——待测量，一般由温差热电偶对检出，ΔT=T1-T0。
图3-4 稳态辐射热流法测试原理模型示意
1—接受面；2—传导体；3—低温块或恒温块
（2）瞬态辐射热流法 瞬态辐射热流测试根据原理不同，又可分为集总热容法和薄膜法两种方法。
①集总热容法。使用一面涂黑的银盘或铜片作为感受体，感受体与支座绝热，支座腔（恒温腔）由水冷腔或大热容铜套制成。对于受热的银盘或铜片可写出热平衡方程式：
αIA=mCp（dT/dτ） h+h×2AΔT （3-3）
式中 A——银盘或铜片的面积，m2；
m——银盘或铜片的质量，kg；
Cp ——银盘或铜片的比热容，J/（kg·K）；
（dT/dτ）h ——银盘或铜片的升温速率，K/s；
h——银盘或铜片对外界的换热系数，W/（m2·K）；
ΔT——银盘或铜片对环境的温差，K；
I——太阳辐射强度，W/m2；
α——银盘或铜片表面的吸收率。
②薄膜法。采用薄膜法的主要目的是尽量减小感受件的热容，使之获取的热量只和感受件与周围接触体的温差有关。基于这种原理而制成的薄膜辐射热流计的薄膜探头非常薄，并且用对温度敏感的电阻薄膜沉积在绝缘物体上制成，通常是采用石英或玻璃材料。
热辐射透过玻璃传到薄膜表面时，表面被辐射热加热并向周围传热，薄膜的温度随着透射辐射和传递热量的变化而变化，其电阻也会因此而发生变化。由于这种变化的响应非常快，且受热量与温度之间非线性变化关系，一般需要用计算机进行计算。
工程检测实践证明，瞬态辐射热流计具有更良好的动态响应特性和测试精度，测试系统可带多测头工作，并有热流积分功能。
（二）热流测试仪表的类型
由于热流分为传导型热流和辐射式热流，所以根据其传热方式的不同，热流测试仪表分为传导型热流计和辐射式热流计。
1.传导型热流计
传导型热流计也称为接触式热流计，一般用于测量传导热流密度，在一定条件下也可以认为是测量对流和辐射的热流总和。传导型热流计根据测试原理和方法不同，又可分为辅壁式热流计、温差式热流计、探针式热流计等。
2.辐射式热流计
辐射式热流计一般用于接受辐射式热流密度，有时也有部分对流热流。按照测量原理分，有稳态辐射热流计和瞬态热流计。
热流检测仪表的分类如图3-5所示。
图3-5 热流检测仪表的分类