CN100523797C - 建筑墙体传热系数的现场检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑墙体传热系数的现场检测方法,其通过加热装置及其控制设备对被测墙体应用常功率平面热源进行恒定加热,在被测区域内形成一局部稳态均匀热流,使墙体在人工构造的稳定传热状态下进行检测,然后巡回采集墙内外温度、被测区域上自墙内向墙外通过墙体外表面的热流密度和环境气温,并且与预先建立且存储在计算机中的墙体传热系数样本数据库进行比较分析,最后得到被测墙体的传热系数。本发明避免了外界气候和墙体本身蓄放热的影响,具有气候环境适应性强、测试时间短、测量精度和稳定性高、检测成本低和便于现场安装使用的优点,与现有技术相比,本发明对环境气候的适应范围更广,尤其适应于室内外温差较小的南方地区。
Description
技术领域:
本发明涉及建筑的检测,特别是涉及一种建筑墙体传热系数的现场检测方法。
背景技术:
中国作为一个经济飞速发展的大国,对能源的需求与日俱增,尤其是近些年来,经济增长与能源约束之间的矛盾越来越突出,“节能”已经成为我国国民经济发展的当务之急。建筑能耗在我国社会总的能源消费中占有很大的比例,并且呈逐年上升趋势,因此建筑节能是我国节能工作的重点之一。我国每年有大量的新建节能建筑竣工,这些节能建筑一般是按照国家和地方建筑节能设计标准的要求建设的,但这些建筑是否达到了节能标准的要求,则需要进行专门的评定。对建筑节能的评定不能以设计方案为准,而应该进行实际的现场检测。截至目前,国家和地方都已相继颁布了一系列的节能检测标准,如《采暖居住建筑节能检测标准》(JGJ132-2001)、北京市《民用建筑节能现场检测标准(采暖居住建筑部分)》(DBJ/T01-44-2000)和上海市《住宅建筑节能检测评估标准》(DG/TJ08-801-2004)等。对于建筑的节能有许多衡量的指标,而围护墙体的传热系数是其中一个重要的指标。
建筑墙体传热系数K的定义是,当建筑墙体两侧空气温差为1K(绝对温度)时,在单位时间内通过单位面积墙体的传热量。
目前,建筑墙体传热系数现场检测主要采用热流计法和热箱法。
热流计法是目前国内外常用的检测方法,该方法是将热流计安装在被测墙体的内表面,在热流计的周围布置若干铜—康铜热电偶,在对应的墙体外表面也相应布置若干热电偶,通过导线把各热电偶及热流计与温度巡回检测仪连接起来,然后将检测仪测试并储存的结果导入计算机,通过数据处理和计算后即可得到被测墙体的传热系数值。热流计法完全是基于对被测墙体在墙内外自然温差环境条件下所呈现的导热性能的测量,因而测量过程中墙体内外侧气温的变化、墙体自身的蓄热和放热过程都会导致测量结果的不稳定和不准确。为了保证检测结果的正确性,上海市《住宅建筑节能检测评估标准》(DG/TJ08—801—2004)对热流计法的使用提出了具体要求,其中包括:热流计法现场检测要在冬季进行,平均室内、室外空气温差宜大于15℃,室内加热稳定后持续时间应不少于72小时。这就使热流计法只能应用于北方室内外温差较大的地区,同时其本身还有测试时间长、测量精度差、检测成本高的缺点。
热箱法是在室内气温高于室外气温8K(绝对温度)以上的环境条件下,在被测墙体的内表面安装一热箱,箱内设置加热元件并通过电控系统加热使箱内温度和室内空气温度保持一致以模拟建筑室内环境,另一侧为室外自然条件;同时在被测墙体对应的墙内外表面上相应布置若干热电偶,通过导线把各热电偶与检测仪连接起来,然后检测仪定时记录热箱的加热量及热箱内的温度和室外温度,通过数据处理和计算后即可得到被测墙体的传热系数值。由于维持热箱内温度始终高于室外温度,这样被测墙体的热流总是从墙内向墙外传递,当热箱对墙体的加热量与通过墙体向外传递的热量达到平衡时,热箱的加热量就是被测墙体的传热量。热箱法虽然以记录热箱的加热量来替代对被测墙体传热量的直接测量,减少了测量结果随环境变化而产生的波动,而且受季节限制较少,秋、冬和春季均可测试,但其本质还是基于模拟建筑室内外自然环境,即在室内和室外的自然温差条件下对被测墙体的传热性能进行测量。因此,该方法同样对室内外温差有一定要求,并且要求测试时间在72小时以上,同时该方法使用的热箱箱体庞大(1m×1.2m)、安装困难,现场较难找到合适的测试场地,所以热箱法依然存在着测试时间长、设备庞大且场地适应性差、检测成本高的缺点。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种通过常功率平面热源对被测墙体进行局部恒定加热,使墙体在人为制造的外部测试环境条件下处于较稳定的热量传递状态,然后再进行测量的建筑墙体传热系数的现场检测方法,其具有气候环境适应性强、测试时间短、测量数据稳定和检测成本低的优点。
为了达到上述目的,本发明采取了如下技术方案:
一种建筑墙体传热系数的现场检测方法,应用热电偶、热流计、电测温元件、墙体加热装置及其控制设备在现场对墙体进行加热和检测,并且通过数据采集电路和计算机采集并处理数据而得到该墙体的传热系数,其特征在于:该方法包括下列步骤:
(1)建立建筑墙体传热系数的样本数据库:以多种已知传热系数的样品墙体为对象,在墙体两侧空气温度差不大于5℃的条件下,多次重复下列步骤(2)至(5)所述具体方法,对墙体施加一局部稳态均匀热流,测出墙体两侧的空气温度、墙表温度和被测区域上自墙内向墙外通过墙体外表面的热流密度,与相应的已知传热系数构成多组样本数据,在计算机中建立建筑墙体传热系数的样本数据库;
(2)布置检测系统:首先将热流计贴置在现场墙体外表面被测区域的中心,并连接至数据采集电路,然后将若干热电偶均匀地贴置在热流计周围的被测区域中构成墙外热电偶,将若干热电偶均匀地贴置在与热流计相对应的墙体内表面的被测区域中构成墙内热电偶,并且将全部墙内、墙外热电偶与数据采集电路相连接,随后把两块平行的主、辅加热板夹置一绝热板且一起贴置于墙体内表面被测区域上,从而形成墙体加热装置,在两加热板靠绝热板的一侧各夹置入一监测热电偶,上述加热板和监测热电偶均连接至控制设备,再后用加热装置外壳将加热板、绝热板、墙内热电偶和监测热电偶全部封罩于墙体内表面的被测区域上,同时将电测温元件布置在墙内和墙外空气环境中,并将其连接至数据采集电路,最后将数据采集电路连接至控制设备和计算机上;
(3)对墙体施加局部稳态均匀热流:通过控制设备对主、辅加热板供电加热,设定靠近墙体的主加热板的温度上限值且对其输入一恒定的加热功率,在加热过程中,通过控制设备控制加热电源以保证主加热板温度不超过所设上限值以及主、辅加热板的温度始终保持一致;
(4)数据采集:待步骤(3)所述的加热状态稳定后,数据采集电路以相等的时间间隔读取墙外热电偶测量的墙外表面温度、墙内热电偶测量的墙内表面温度、热流计测量的被测区域上自墙内向墙外通过墙体外表面的热流密度、墙外电测温元件测量的墙外空气温度、墙内电测温元件测量的墙内空气温度、控制设备显示的主、辅加热板的电流、电压值,并将这些数据输入计算机;
(5)数据处理和计算获得墙体传热系数值:计算机对所输入的所有测量数据进行处理和计算,与其内部储存的建筑墙体传热系数的样本数据库进行比较,得出被测墙体的传热系数值并向外输出。
在本发明所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法的步骤(4)中,所述电测温元件为热电偶或热电阻,其所测量的墙内、外空气温度值通过数据采集电路输入计算机;或者所述电测温元件替换为温度计,其所测量的墙内、外空气温度值通过人工直接输入计算机;本发明中所述主加热板的输出功率可人为调节,且其与辅加热板的输出功率均不超过150w;所述加热装置外壳的内层为保温材料;所述绝热板用隔热材料制成。
与现有的热流计法和热箱法相比较,本发明的墙体加热装置为一常功率平面热源,通过其控制设备的供电和加热控制,在被测区域内构建成一通过墙体的局部稳态均匀热流,从而使墙体在人工构造的稳定传热的状态下接受测试,这与现有技术均在自然环境条件下进行测试的方式有本质上的不同。因此所述建筑墙体传热系数的现场检测方法避免和消除了自然环境气温变化和墙体本身蓄热、放热过程对测量结果的影响,也无须耗费较长的时间来达到环境及墙体热传导状态稳定和测量数据稳定,因而缩短了测试时间、提高了检测结果的稳定性和精度,同时也降低了检测成本;此外,本发明无须热箱等体积硕大的检测设备,因而其还具有装置轻便、利于现场安装使用的优点;另外,虽然本发明对检测时的环境气候条件也有一定要求,即墙内外气温相差不得超过5℃,但是这相对于现有技术中墙内外气温须大于某一定值的要求来说,达到要求要容易得多。因为在自然条件下,保持墙内外的空气流通,就容易保证墙内外气温相差不超过5℃的情况。因此本发明对气候环境条件的适应性大大增强,可适应范围更广的不同气候的地区,尤其适用于室内外温差较小的我国南方地区。
附图说明:
图1是本发明的工作流程图。
图2是本发明的检测系统在墙体上的布置图。
具体实施方式:
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
首先请参阅图1本发明的工作流程图。实施本发明所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法的第一步是,在进入现场对建筑墙体进行实地测试之前,首先要按下述过程建立建筑墙体传热系数的样本数据库D。首先取多种已知传热系数的样品墙体作为测试对象,在墙体两侧空气温度差不大于5℃的条件下,多次重复本发明第二步至第五步所述的具体方法步骤(见下文所述),逐个对测试对象墙体施加一局部稳态均匀热流,测量并记录墙体两侧的空气温度、墙表温度和被测区域上自墙内向墙外通过墙体外表面的热流密度,并将这些测量数据与相应墙体的已知传热系数构成多组样本数据组,从而建立起已知建筑墙体传热系数的样本数据库D并输入计算机。
实施本发明的第二步是布置检测系统,请结合参阅图2。进入检测现场后,先要在对象墙体01上选择合适的部位作为被测区域;被测区域的尺寸大小应根据被测墙体01的构筑材料、厚度、导热能力等具体条件以及现场当时的气候环境温度条件来确定。被测区域选定后,首先将一热流计1贴置在墙体01外表面被测区域的中心,再将若干铜—康铜热电偶均匀地贴置在热流计1周围被测区域的墙面上以构成墙外热电偶2。在与热流计1相对应的被测墙体01内表面的被测区域中,亦均匀地贴置若干铜—康铜热电偶以构成墙内热电偶3。然后在墙内热电偶3的上层,与墙体01相平行地贴置一主加热板6,在该主加热板6的上层再依次贴置一隔热材料制成的绝热板7和辅加热板8,也就是说,绝热板7夹置在两块平行的主、辅加热板6和8之间,并且一起贴置于墙体01内表面被测区域上,从而形成墙体加热装置;所述主、辅加热板6和8均为平板状电热元件,其面积不大,与所选定的被测区域尺寸相当,它们的输出功率均不超过150W,该主加热板6的输出功率可人为调节;接着在主加热板6与绝热板7之间和辅加热板8与绝热板7之间各夹置入一监测热电偶4和5,该两监测热电偶4、5仍可采用铜—康铜热电偶。随后将热流计1、全部墙外热电偶2和墙内热电偶3与数据采集电路相连接,将主加热板6、辅加热板8和两监测热电偶4、5均连接至加热装置的控制设备。再后用加热装置的外壳将两加热板6和8、绝热板7、墙内热电偶3以及两监测热电偶4和5全部封罩起来,该外壳的内层由保温材料制成。上述主、辅加热板6和8、绝热板7、墙内热电偶3以及两监测热电偶4和5也可事先安置在加热装置的外壳内,然后整体地安装到被测墙体01内表面的被测区域上。此后将两铜—康铜热电偶或者热电阻分别布置在墙内和墙外空气环境中以构成墙内电测温元件和墙外电测温元件,并将之连接至数据采集电路上,该墙内、墙外电测温元件也可以替换成一般显示式的温度计。最后将数据采集电路连接至墙体加热装置的控制设备和存储有样本数据库D的计算机上,于是整个用于现场检测墙体01传热系数的检测系统即为布置完毕。
本发明的第三步是对墙体01施加一局部稳态均匀热流。完成检测系统布置工作后,在墙内、外气温相差不大于5℃的条件下,即可开始对墙体01进行传热系数的检测工作。首先通过控制设备对两加热板6和8接通电源进行加热,随后在控制设备中人工设定主加热板6的温度上限值Tm(见图1),并且手动调节主加热板6的供电电压到一适当的值并固定下来,以此对主加热板6输入一恒定的加热功率。在加热过程中,一旦监测热电偶4所测出的主加热板6的温度Ta超过其温度上限值Tm时,控制设备就会报警并立即切断主加热板6的电源,从而保证主加热板6的温度Ta始终不超过温度上限值Tm。同时在辅加热板8加热过程中,当监测热电偶5所测出的辅加热板8的温度Tb低于主加热板6的温度Ta时,该加热过程持续;一旦辅加热板8的温度Tb升至与主加热板6的温度Ta相等时,则控制设备就立即切断辅加热板8的电源以停止加热。换言之,在加热过程中控制设备的控制作用使辅加热板8的温度Tb始终与主加热板6的温度Ta保持一致。由于主加热板6是以一恒定的功率加热,其上层的绝热板7和外围的保温外壳又保证了其所产生的所有热量基本上都传输给了墙体01,即使有少部分热量流失,该流失的热量也被辅加热板8的加热所补充,而且由于两加热板6和8的温度Ta与Tb始终保持一致,所以辅加热板8所补充的热量与主加热板6流失的热量相等而达到平衡,因此加热装置实际上是在墙体01的被测区域上构造了一常功率的平面热源,通过一定时间在控制设备控制下的恒定加热而达到稳定后,在墙体01的被测区域内就人为地形成了一垂直通过墙体01的局部稳态均匀热流。
本发明的第四步是数据采集步骤。待上述第三步所述的加热经过一段时间使墙体01被测区域中的传热状态达到稳定后,检测系统的数据采集电路以相等的时间间隔,即按一定的时间频率,自动巡回读取热流计1所测量的自墙内向墙外通过墙体01外表面的热流密度Q、墙外热电偶2所测量的墙外表面温度T1、墙内热电偶3所测量的墙内表面温度T2、墙外电测温元件所测量的墙外空气温度T3、墙内电测温元件所测量的墙内空气温度T4和控制设备所显示的主、辅加热板6和8的电流I、电压U的数值,并将这些数据输入计算机。若所述墙内、墙外测温元件为一般显示式的温度计时,其所测量的墙内、外空气温度值T4和T3则由人工直接输入计算机。
本发明实施的第五步是数据处理和计算并获得墙体传热系数K。计算机对所输入的所有测量数据Q、T1、T2、T3、T4和U、I进行处理和计算,构成一组数据组,再将之与其内部储存的建筑墙体传热系数的样本数据库D进行比较和分析,得出被测墙体01的传热系数K,最后通过计算机的外设向外输出该K值。至此,应用本发明在现场对建筑墙体01进行传热系数的检测工作即为完毕。
下面以两实施例来说明本发明具体的应用过程。
实施例一:
1、布置系统:被测墙体01由20mm厚的混合砂浆抹面、240mm厚的空心粘土砖墙、20mm厚的水泥砂浆、50mm厚的聚苯板保温层和10mm厚的混合砂浆抹面构成,被测区域确定为400mm×400mm,主加热板6和辅加热板8长度和宽度均为400mm、厚度30mm、输出功率32W,绝热板7厚度100mm、材质为环氧树脂,墙外热电偶2布置有9处,墙内热电偶3布置有7处,墙内、墙外电测温元件采用热电阻,加热装置外壳内层采用保温棉材料,所有热电偶均采用铜—康铜热电偶,计算机内存储有样本数据库D。
2、加热:设定主加热板6的温度上限值Tm=90℃,调定主加热板6的电压U=40V,因而其电流I=0.8A,加热稳定时间48小时。
3、数据采集:数据采集频率为0.5次/分钟,部分测量数据如下表所示:
次序 | T<sub>1</sub> | T<sub>2</sub> | T<sub>3</sub> | T<sub>4</sub> | Q | U | I |
123440 | 17.517.717.717.617.6 | 64.464.564.564.564.6 | 13.313.213.213.313.4 | 14.214.214.114.314.3 | 10.510.810.610.510.7 | 4040404040 | 0.80.80.80.80.8 |
数据采集时间为4小时。
4、数据处理:经与样本数据库D相比较分析,得被测墙体01的传热系数K=0.75W/(m2.K)。
实施例二:
1、布置系统:被测墙体01由20mm厚的混合砂浆抹面、240mm厚的空心粘土砖墙、20mm厚的水泥砂浆、15mm厚的聚氨酯板保温层和10mm厚的混合砂浆抹面构成,被测区域确定为400mm×400mm,主加热板6和辅加热板8长度和宽度均为400mm、厚度30mm、输出功率45W,绝热板7厚度100mm、材质为环氧树脂,墙外热电偶2布置有9处,墙内热电偶3布置有7处,墙内、墙外侧温元件采用温度计,加热装置外壳内层采用塑料发泡材料,所有热电偶均采用铜—康铜热电偶,计算机内存储有样本数据库D。
2、加热:设定主加热板6的温度上限值Tm=90℃,调定主加热板6的电压U=47.4V,因而其电流I=0.95A,加热稳定时间40小时。
3、数据采集:数据采集频率为0.5次/分钟,部分测量数据如下表:
次序 | T<sub>1</sub> | T<sub>2</sub> | T<sub>3</sub> | T<sub>4</sub> | Q | U | I |
12345 | 18.418.318.218.218.3 | 70.370.370.270.170.1 | 9.19.29.19.19.2 | 10.310.310.210.210.3 | 18.618.818.718.718.6 | 47.447.447.447.447.4 | 0.950.950.950.950.95 |
数据采集时间为4小时。
4、数据处理:经与样本数据库D相比较分析,得被测墙体01的传热系数K=0.82W/(m2·K)。
综上所述,本发明所解决的是一个导热反问题,即通过测量墙体01两侧的温差(T2—T1)及自墙内向墙外通过墙体01外表面的热流密度(Q)来求得墙体01的导热系数(K)。
现有技术是基于在自然温差的环境条件下对墙体的传热性能进行测量,因而其测试结果不可避免地受到环境气温变化和墙体本身蓄、放热过程的影响,从而导致测试时间长、测量精度和稳定性差、检测成本高和对地区气候环境适应性差的缺陷。为了克服上述现有技术的缺陷,本发明所述建筑墙体传热系数的现场检测方法构造一常功率平面热源对墙体01进行恒定加热,在被测区域内形成一垂直通过墙体01的局部稳态均匀热流,从而在人为制造的稳定的热量传导状态下对墙体01进行检测,最后得出该墙体01的传热系数K。本发明避免了外界气温变化和墙体01本身蓄、放热的影响;缩短了测试时间,一般48小时即可稳定加热状态,72小时可完成检测;同时稳定了测量数据、提高了测试精度、降低了检测成本;此外体积轻便的检测装置也大大提高了设备对检测现场的适应性,便于安装和使用。所述建筑墙体传热系数的现场检测方法比现有技术对各类气候环境条件的适应性更强,因而扩大了本发明在我国各地区的地理应用范围,尤其适用于室内外温差较小的南方地区。
Claims (6)
1、一种建筑墙体传热系数的现场检测方法,应用热电偶、热流计、电测温元件、墙体加热装置及其控制设备在现场对墙体进行加热和检测,并且通过数据采集电路和计算机采集并处理数据而得到该墙体的传热系数,其特征在于:该方法包括下列步骤:
(1)建立建筑墙体传热系数的样本数据库:以多种已知传热系数的样品墙体为对象,在墙体两侧空气温度差不大于5℃的条件下,多次重复下列步骤(2)至(5)所述具体方法,对墙体施加一局部稳态均匀热流,测出墙体两侧的空气温度、墙表温度和被测区域上自墙内向墙外通过墙体外表面的热流密度,与相应的已知传热系数构成多组样本数据,在计算机中建立建筑墙体传热系数的样本数据库;
(2)布置检测系统:首先将热流计贴置在现场墙体外表面被测区域的中心,并连接至数据采集电路,然后将若干热电偶均匀地贴置在热流计周围的被测区域中构成墙外热电偶,将若干热电偶均匀地贴置在与热流计相对应的墙体内表面的被测区域中构成墙内热电偶,并且将全部墙内、墙外热电偶与数据采集电路相连接,随后把两块平行的主、辅加热板夹置一绝热板且一起贴置于墙体内表面被测区域上,从而形成墙体加热装置,在两加热板靠绝热板的一侧各夹置入一监测热电偶,上述加热板和监测热电偶均连接至控制设备,再后用墙体加热装置外壳将加热板、绝热板、墙内热电偶和监测热电偶全部封罩于墙体内表面的被测区域上,同时将电测温元件布置在墙内和墙外空气环境中,并将其连接至数据采集电路,最后将数据采集电路连接至控制设备和计算机上;
(3)对墙体施加局部稳态均匀热流:通过控制设备对主、辅加热板供电加热,设定靠近墙体的主加热板的温度上限值且对其输入一恒定的加热功率,在加热过程中,通过控制设备控制加热电源以保证主加热板温度不超过所设上限值以及主、辅加热板的温度始终保持一致;
(4)数据采集:待步骤(3)所述的加热状态稳定后,数据采集电路以相等的时间间隔读取墙外热电偶测量的墙外表面温度、墙内热电偶测量的墙内表面温度、热流计测量的自墙内向墙外通过墙体外表面的热流密度、墙外电测温元件测量的墙外空气温度、墙内电测温元件测量的墙内空气温度、控制设备显示的主加热板的电流和电压值以及辅加热板的电流和电压值,并将这些数据输入计算机;
(5)数据处理和计算获得墙体传热系数值:计算机对所输入的所有测量数据进行处理和计算,与其内部储存的建筑墙体传热系数的样本数据库进行比较,得出被测墙体的传热系数值并向外输出。
2、根据权利要求1所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中,电测温元件为热电偶或热电阻,其所测量的墙内、外空气温度值通过数据采集电路输入计算机。
3、根据权利要求1所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中,电测温元件替换为温度计,其所测量的墙内、外空气温度值通过人工直接输入计算机。
4、根据权利要求1所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法,其特征在于:所述绝热板用隔热材料制成。
5、根据权利要求1所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法,其特征在于:所述主加热板的输出功率可人为调节,且其与辅加热板的输出功率均不超过150w。
6、根据权利要求1所述的建筑墙体传热系数的现场检测方法,其特征在于:所述墙体加热装置外壳的内层为保温材料。
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