193现场检测围护结构热阻的动态分析法.doc

现场检测围护结构热阻的动态分析法 西安交通大学 王东洋 王沣浩 姚建波 孟祥兆 王新轲 摘要：本文分析了现有围护结构热阻检测方法，探讨了热流计法在既有建筑围护结构现场测量中存在的问题，提出了一种新的动态分析法并对进行了实验验证。研究结果表明热流计法测量与动态分析法处理数据相结合可提高检测精度，缩短检测时间。论文提出的测量及数据处理方法对围护结构热阻非稳态检测提供了一种新的思路。 关键词：动态分析法；热流计法；围护结构；热阻 1前言 随着建筑能耗占全社会能耗的不断增长，建筑节能已成为我国的一项长期国策。对围护结构热工性能的了解是开展建筑节能工作和研究的重要基础。研究表明围护结构的理论热工性能和实际热工性能仍有一定的差距，相同的材料不同企业的产品差距也很大，仅仅靠理论值不能正确的反映围护结构在实际使用中的性能[1]，因此需要现场检测来判定其实际使用性能。为准确估算建筑物负荷、同时为热舒适性以及节能设计提供依据，需对围护结构的热阻进行现场精确检测。现有的测试方法主要有热流计法、热箱法、非稳态法等。 热流计法是测量围护结构热阻的权威方法，已被大家广泛接受。热流计法主要测量墙体内外表面的温差和通过墙体的热流来计算墙体的传热系数。热流计法在国内外运用都较为成熟且有相应的检测标准[2,3]。热流计法也是我国国家标准中规定的首选方法，国内也有不少学者对此进行了相关的研究[4,5,6]。热流计是根据热电效应和温度梯度的原理制成，当热流计两表面有一定的温差时，这个温差就使热流计内的热电堆产生一定的电动势，通过转换即可获得通过热流计的热流。热流计法要求通过热流计的热流同通过被测对象的热流一致，这就要求通过热流计的热流为一维导热，不考虑向四周的扩散。热流计一般为平板型，如果热流计不能紧贴围护结构表面就会给测量带来误差。热流计法最大缺点是要在采暖期进行检测，现场检测时适用条件严格，限制了它的使用。动态分析法处理测量结果是扩大了热流计法适用范围，是进行围护结构现场检测的有效方法。 热箱法是基于一维稳态传热的原理，人工制造的一维传热环境来保持试件两侧的温差，当传递热量达到平衡时，测量空气温度、试件和箱体内壁表面温度及输入到计量箱的功率即可计算出被测部位的传热系数，有关学者采用数值解与热箱法相结合研究了空心砖墙的热工性能[7]。热箱法不受季节限制，但是该方法设备大，运输安装不便，给现场测量带来一定的难度。 非稳态法中一种常用的方法就是常功率平面热源法，其原理是在墙体内表面人为地加上一个平面恒定热源对墙体进行加热，通过测量墙体内外表面的温度响应辨识出墙体的传热系数。该方法能大大缩短检测时间，但进行现场测量时还要进行大量的工作，技术性要求很高，测试结果的稳定性、重复性都要有大量的可靠数据来支撑。 除了上述检测方法外，测量结果的处理对围护结构热阻检测也至关重要。目前，多采用平均法对围护结构热阻检测结果进行处理，平均法处理只需要用热流加和除以温差即可得到围护结构的热阻，处理过程简单。但该方法要求避开气温变化较大的天气且测试时间不少于96h, 测量时围护结构要趋于稳态或者准稳态，这些要求限制了其在现场检测中的应用[2]。为克服平均法的这些缺陷，可采用动态分析法在温度和热流变化较大的情况下，利用热平衡方程对热流计测量数据进行分析，求得围护结构的稳态热性能。有关学者采用热箱法验证了动态分析法，但是热箱法设备较多，安装搬运工作量大，不适合围护结构现场测量[8,9，10]。因此本文选用较为成熟且简单的热流计法对动态分析法进行了实验验证。 2 动态分析法原理 当围护结构处于非稳态状况时，现场测量所得到的温度和热流变化较大，此时采用平均法会产生很大的误差，可采用动态分析法对数据进行处理，通过热平衡方程求得围护结构稳态热物性。通常在围护结构现场测量时很难保证围护结构两侧的环境稳定性，尤其是室外环境的不可控制性使得围护结构几乎不会存在稳态的情况，动态分析法对实验条件要求较为宽松，测试时间短，不需要围护结构达到稳态或准稳态，并可较好的满足工程需要的精度。国际标准[3]中给出了动态分析法的数学模型： （1） 式中：为时刻壁面热流；为围护结构热阻；为时刻内、外壁面温度；为辅助参数；、分别为的时间差分；、、、共为个未知变量；为时间常数的指数函数；为时间间隔。 将实验测得的热流和温度按照方程（1）的形式写出个方程，求解线性方程可确定包含热阻以及个未知参数的值。但是求解方程组需要事先确定时间常数，然后不断改进寻求最佳时间常数，因而增加了计算量。此外方程的个数以及辅助变量的选择都会影响计算结果的准确性，同时参数、、、的设置仅仅是为了寻求热阻缺少物理意义增加了模型的复杂性。本文在国际标准[3]的基础上提出了一个改进的数学模型，可以从离散的动态热响应中求得围护结构的热阻，与原有的模型相比减少计算量