符號說明

對流換熱系數 [W/m2·K]

總換熱系數 [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，℃]

平均熱力學溫度 [K]

空氣流速 [m/s]

輻射換熱系數 [W/m2·K]

縮略語

E-THM 增強型測溫法

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

Nu 努塞爾數 [–]

Gr 格拉曉夫數 [–]

Re 雷諾數 [–]

Pr 普朗特數 [–]

Ra 瑞利數 [–]

Ri 理查森數 [–]（建筑物理領域常稱阿基米德數）

希臘字母

熱膨脹系數 [1/K]

發射率 [–]

導熱系數 [W/m·K]

運動粘度 [m2/s]

斯蒂芬-玻爾茲曼常數 [W/m2·K?]

1 引言

建筑遺產的脫碳是一項復雜的課題，需要創新的解決方案和深入的專業知識。據2022年統計，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、能源利用效率低下，均建造于首部建筑節能法規頒布之前。1976年頒布的第373號法令首次制定了建筑保溫及供暖系統設計的相關準則，對建筑熱用能耗作出了規范。

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，降低歐盟范圍內的溫室氣體排放，力爭到2050年實現建筑存量零排放。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準；從2028年1月1日起，所有新建建筑均需達到零排放要求。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）進行翻新改造，推動既有建筑向零排放建筑轉型，打造脫碳、高效的建筑遺產體系。

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劃思路，兼顧主動式和被動式技術解決方案。一方面，業內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，也倡導更換性能不佳的建筑配件，并對熱工性能差的墻體進行保溫處理。向更可持續的建筑體系轉型已不再是選擇，而是提升居民生活質量、降低能源需求、增加住宅價值并減少排放與環境影響的必然要求。

建筑-設備系統是一個由多個部件組成的復雜結構，各部件間的相互作用和關聯決定了系統的整體能源性能。建筑與外界環境的熱交換特性是空調系統選型的重要依據，而這一特性的確定又依賴于建筑圍護結構各部件的詳細構造參數。若對被動式建筑構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，還可能導致實施無用且成本高昂的節能方案。對于老舊建筑，即便能獲取原始設計數據，大氣環境影響和材料老化也可能改變其熱物理性能，且相關技術資料往往已遺失。

因此，實驗檢測成為解決這一問題的有效途徑。無損檢測技術是建筑能源診斷的核心手段之一，尤其適用于技術資料缺失的歷史建筑國家，助力打造更高效、可持續的建筑。科學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件的熱透射系數（U值）或熱阻（R值）。

熱流計法是應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據，進而計算建筑構件的U值或R值。但該技術需借助膠帶或導熱膠將傳感器安裝于墻體表面，可能對墻體造成損壞。

簡易熱箱-熱流計法需要設計并制作小型熱箱，該技術的傳感器成本較高，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，設備成本同樣居高不下。現有文獻研究表明，該方法需在特定環境條件下才能獲得可靠的測量結果。

在各類無損檢測技術中，測溫法的研究和應用相對較少。該方法通過空氣溫度傳感器和表面溫度傳感器采集數據，并設定室內對流換熱系數，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側表面，仍存在墻體損壞風險。

如前所述，熱流計法、簡易熱箱-熱流計法和傳統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價值的遺產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件熱特性表征的理想方案，在實現測量目的的同時保護建筑的藝術和結構完整性。這一需求推動了新型非接觸式檢測技術和測量系統的研發，在此背景下，增強型測溫法展現出良好的應用前景，該方法旨在構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。

本研究提出的增強型測溫法基于非接觸式傳感器采集的數據，通過間接方法估算熱通量，所采集的數據可用于計算合理的換熱系數，解決了傳統測溫法中換熱系數取值隨意的問題。目前，科學界對于測溫法計算熱通量時的換熱系數合理取值尚未形成統一結論，已有研究中分別采用了2.5 W/m2·K和7.69 W/m2·K等不同數值，相關爭議仍未解決。

針對現有熱流計法、測溫法等技術需直接安裝傳感器、依賴預設換熱系數，易對墻體（尤其是遺產建筑）造成損壞且測量結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。該增強型測溫法結合非接觸式紅外測溫技術和空氣參數測量法計算熱通量，既保護了建筑結構完整性，又提升了測量結果的可靠性。本研究是一項資助科研項目的組成部分，該項目旨在開發一種替代傳統方法的非接觸式測溫法，用于建筑構件的熱特性表征。研究通過成熟的傳熱模型處理不同傳感器采集的實驗數據，基于牛頓冷卻定律，結合無量綱參數法確定合理的對流換熱系數，進而計算熱通量；實驗數據由空氣溫度傳感器、紅外測溫儀和熱線風速儀采集。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，為后續研發無需墻體安裝傳感器的建筑墻體熱特性創新測量系統奠定基礎。

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

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，該項目旨在開發一套用于建筑墻體熱特性表征的新型非接觸式測量系統。該系統將配備四種傳感器：兩臺空氣溫度傳感器、一臺風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據記錄儀相連。其中，空氣溫度傳感器用于測量室內外空氣溫度，非接觸式傳感器用于檢測墻體表面溫度，風速儀用于記錄空氣流速。

研發該新型測量系統是本科研項目的核心目標，而前期預實驗則有助于深入了解潛在問題并制定相應的校正策略。現有研究已提出多種用于建筑構件熱特性現場實驗表征的方法，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，若換熱系數取值不準確，易導致測量誤差，而目前學術界對換熱系數的合理取值尚未達成共識。這一現象具有必然性，因為換熱系數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和對流換熱系數，具體采用無量綱參數法進行計算。同時，該科研項目致力于研發非接觸式測量手段，以紅外傳感器替代傳統的接觸式表面溫度傳感器。實驗室預實驗將探究紅外傳感器測得的表面溫度數據對測量結果的影響，深入分析相關問題并制定潛在校正策略。研究將利用成熟的傳熱模型，研發目前尚未出現的創新型、低成本測量系統。

3 材料與方法

3.1 保溫箱

本研究制作了定制化保溫箱，用于對木質試樣進行熱通量測試。木質試樣為正方形，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。為提升結構穩定性，在擠塑聚苯乙烯板外側各面均粘貼木板進行加固。

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進行了升級，升級后的加熱系統可實現設定溫度的精確控制，提升了實驗的準確性。本研究采用創想三維公司為CR-10 S 300型3D打印機生產的方形加熱板（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溫度調節。圖1為保溫箱的三維視圖、尺寸參數及加熱板控制單元示意圖。

3.2 實驗裝置

為實現熱通量的直接和間接測量，在木質試樣上安裝了多種傳感器，所有實驗均在羅馬第三大學的應用物理實驗室完成。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據；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型熱線風速儀，采集空氣流速數據；使用可設定發射率的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據。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，具體測量區域為熱流傳感器右側的小范圍區域，確保熱流傳感器與紅外測溫儀的測量區域無重疊。

如前所述，紅外熱成像儀不僅用于前期評估加熱系統對木質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試樣表面，將紅外熱成像儀的發射率設定為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，逐步調整發射率參數，直至兩種方法的測量結果一致。通過該方法，確定本研究中木質試樣的發射率為0.84。

3.3 研究方法

實驗前期，先對試樣進行加熱，直至達到熱穩態，以驗證試樣的均勻加熱效果。隨后，調節加熱板的溫度，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據（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據（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據，驗證基于非接觸式手段的增強型測溫法的可行性。

上述兩種間接測量方法的總換熱系數均通過無量綱參數法計算得出。當試樣達到熱穩態后，結合表面溫度、空氣溫度和空氣流速數據進行無量綱參數分析，計算對流換熱系數。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速儀測定實際的對流換熱工況，避免因假設不當導致的誤差。

在對流傳熱問題中，理查森數Ri可用于判斷對流類型（自然對流、混合對流或強制對流），其計算方式為格拉曉夫數Gr與雷諾數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，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Ri＞10時，為自然對流；當Ri＜0.7時，為強制對流；當0.7＜Ri＜10時，為混合對流。

雷諾數Re的計算需要空氣流速數據，本研究中風速儀布置于距試樣9 cm處。該布置方式符合傳熱學理論中采用來流速度計算雷諾數的要求，且基于前期研究結果，距試樣5 cm至9 cm范圍內的空氣流速相對穩定，該距離處于邊界層之外，可保證風速測量的準確性。

對流換熱系數的計算需先確定努塞爾數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Ra的函數，可采用以下成熟公式計算：

強制對流工況下，Nu為雷諾數Re和普朗特數Pr的函數，當且時，采用以下公式計算：

混合對流的努塞爾數通常采用以下關聯式計算：

努塞爾數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，為保證計算準確性，本研究根據膜溫確定空氣的熱物理參數，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℃（建筑物理應用中的典型溫度區間），基于滑鐵盧大學的流體性質計算器獲取該溫度范圍內的空氣熱物理數據，通過線性回歸法擬合得到空氣導熱系數λ、運動粘度ν、熱膨脹系數β和普朗特數Pr隨膜溫變化的計算公式（見圖3）。需說明的是，空氣的熱物理性質與溫度呈非線性關系，但在建筑物理的實際溫度區間內，線性回歸法的擬合結果與流體性質計算器的計算結果高度吻合，決定系數接近1。該近似方法可實現每個數據采集時間步長下空氣熱物理參數的精準計算。

當兩個物體的溫差遠小于其平均溫度時，可對輻射傳熱的非線性關系進行線性化處理，輻射換熱系數的計算公式如下：

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

總換熱系數為對流換熱系數與輻射換熱系數之和，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據的增強型測溫法；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。將加熱板溫度設定為28℃，分別進行兩組實驗：（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（D:S=50:1），該參數保證了儀器在較遠測量距離下，仍可實現小范圍區域的精準測量，測量區域可通過儀器的四束導向激光確定。所有實驗中，紅外測溫儀的測量區域均靠近熱流傳感器，且無重疊。該紅外測溫儀可與計算機連接，實現溫度的連續測量。所有測量儀器的數據采集時間步長均設定為10 s。

階段2：加熱前，安裝并布置所有測量儀器，進行兩組實驗：（1）將加熱板溫度設定為28℃，不使用紅外測溫儀進行測量；（2）根據階段1的實驗結果，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℃，分別進行測量。所有測量儀器的數據采集時間步長均設定為10 s。

本研究的技術路線如圖4所示。

本研究基于霍爾曼復雜數據還原法進行不確定度分析。設測量結果A為獨立變量的函數，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行分析：

當擾動值足夠小時，偏導數可近似表示為：

測量結果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，對應的置信水平約為95%

4 結果與分析

實驗前期對試樣進行加熱至熱穩態，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記以突出溫度變化，結果顯示，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果

將加熱板溫度設定為28℃，模擬建筑實際工況中空氣與墻體表面的溫差環境，通過控制單元的調節旋鈕實現溫度設定。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據，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處進行實驗。表1為階段1的實驗工況參數。

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（藍色曲線）及兩種傳感器測得的表面溫差（黃色虛線）。結果顯示，整個實驗過程中空氣溫度略有上升，從24.90℃升至24.98℃；溫度峰值的出現是由于實驗人員在各數據采集階段結束后調整紅外測溫儀位置所致。

試樣經初始加熱后，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為基于實驗數據，通過無量綱參數法計算得到的對流、輻射和總換熱系數。整個實驗過程中，理查森數Ri均小于10，平均值為2.8，表明實驗工況為混合對流。基于接觸式表面溫度傳感器的數據，計算得到的對流換熱系數幾乎保持恒定，范圍為2.78
W/m2·K至2.79
W/m2·K；基于紅外測溫儀的數據，對流換熱系數的范圍略有擴大，為2.69
W/m2·K至2.75
W/m2·K。

輻射換熱系數的計算結果同樣保持穩定，基于紅外測溫儀數據的計算結果為5.11 W/m2·K至5.12 W/m2·K，基于接觸式傳感器數據的平均計算結果為5.13 W/m2·K。總換熱系數的計算結果顯示：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，結果更低，范圍為7.44 W/m2·K至7.46 W/m2·K。該差異的產生原因是：熱流計法的測量結果受各儀器間相互作用的影響，導致熱通量測量值偏低，與E-THM1法的計算結果存在偏差；而總換熱系數的波動則源于加熱板為維持恒溫進行的周期性加熱。

圖7為直接測量法和兩種間接測量法的熱通量結果。熱流計法的測量結果顯示，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境溫度，與熱流傳感器之間產生輻射熱交換，對測量結果造成影響。當紅外測溫儀距試樣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果，當紅外測溫儀距試樣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法的增強型測溫法的有效性；當紅外測溫儀距試樣90 cm時，兩種方法的偏差約為8%。

熱通量的持續降低導致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%。

當紅外測溫儀距試樣90 cm時，E-THM2法與熱流計法的偏差高達-13%；隨著測量距離的縮短，偏差發生變化：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，90
cm處E-THM2法的測量偏差約為-15%。

實驗室工況下的實驗結果匯總于表2，結果表明，非接觸式傳感器的溫度測量值存在波動是導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果產生重要影響，這一點在實際建筑工程應用中需進一步研究。

實驗結果顯示，當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定，與接觸式傳感器的平均溫差為0.41℃；為避免局部熱效應的影響，該紅外傳感器與待測表面的距離不應小于30
cm。基于上述實驗結果，后續可通過原型硬件板和定制軟件搭建新型測量系統，利用軟件對紅外測溫儀的測量值進行校正，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果

本階段實驗中，先將加熱板溫度設定為28℃，在不使用紅外測溫儀的情況下采集實驗數據；隨后根據階段1的結果，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℃，分別進行實驗。表3為階段2的實驗工況參數。

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，為儀器的穩定階段。排除該初始瞬態階段后，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確性。對比兩種傳感器的表面溫度測量結果可知，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為基于實驗數據計算得到的對流、輻射和總換熱系數，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據計算的對流和輻射換熱系數，紅色虛線和點劃線分別為基于紅外測溫儀數據計算的對流和輻射換熱系數，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。總換熱系數的波動源于加熱板為維持恒溫進行的周期性加熱，導致熱通量測量值出現小幅波動，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Ri的計算結果均小于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Nu，進而求解對流換熱系數。

圖9為直接測量法和兩種間接測量法的熱通量結果。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和熱通量結果匯總于表4。

5 結論

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行了驗證。研究結果表明，增強型測溫法（E-THM）可通過牛頓冷卻定律，結合無量綱參數法確定合理的對流換熱系數，實現建筑墻體熱通量的有效計算。

測量結果的準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致測溫值偏高，同時對熱流計法的熱通量測量結果產生干擾，導致測量值降低。

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%，進一步驗證了無量綱參數法的有效性。

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，偏差范圍擴大至-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，而非換熱系數的計算誤差。

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

E-THM2法與熱流計法的對比結果顯示，當試樣-空氣溫差較大時（加熱板溫度為32℃和34℃），測量結果的吻合度較高，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℃。

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

需說明的是，本研究的結論均基于特定的實驗裝置和工況，盡管已盡量減小表面傳感器對溫度場的影響，但該影響仍無法完全排除。本研究對相關影響進行了詳細分析，而該方法的有效性仍需在更多工況下進一步驗證，包括無表面傳感器的工況、實際建筑現場應用以及采用其他努塞爾數關聯式的情況。后續可基于前期實驗結果，通過軟件對紅外傳感器的測量值進行校正，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。