CN101078698A - 围护结构整体隔热性能的主动式检测方法 - Google Patents

Abstract

围护结构整体隔热性能的主动式检测方法是一种针对于围护结构整体隔热性能检测的方法和装置，具体的方法为：1.)在室内安装1台可程控的加热源0，与数据采集和处理控制器相连接，并使其能按照给定的功率变化规律进行工作；2.)分别将若干个测量室内温度的室内温度传感器1和测量室外温度的室外温度传感器2与数据采集和处理控制器3相连接，3.)由键盘4选定热源控制规律，输入采样间隔、总采样时间和启动指令，4.)由数据采集和处理控制器3内置的室内温度变化率和热源功率相关系数的计算程序进行计算，所得的相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。

Description

围护结构整体隔热性能的主动式检测方法

技术领域

本发明涉及建筑围护结构隔热性能检测的建筑热工技术领域，尤其是针对于围护结构整体隔热性能检测的方法。

背景技术

在建筑热工领域，对建筑围护整体隔热性能的测试和评价是建筑节能效果检测亟需解决的难题之一。

关于建筑围护结构的隔热性能检测一般是指两个方面的问题，其一是对建筑围护结构中某些构件(如墙体、门、窗)的隔热性能进行检测，其二是对建筑中的围护结构的整体隔热性能进行检测。

建筑围护结构中构件的隔热性能测试可以在实验室进行。根据传热理论，按照标准的实验方法，在稳态的人工环境下可以获得准确的构件隔热性能指标(如热阻)。

对于实际建筑，由于无法提可控的测试环境，实验室中采用的测试方法不能应用于围护结构的整体隔热性能测试。以往经常用于建筑能耗的方法都存在着各自的缺陷。例如热流计法中热流传感器在较小的温差下会有很大的误差，并且还受到贴片位置等不确定因素的干扰；而红外热像法仅能够获得局部围护结构表面瞬间的温度分布，并不能获得实际的能耗指标和隔热性能指标。

另外，由于环境、建设和安装等方面的因素使建筑构件在实际使用中的条件与实验室中有很大的不同，因此根据每个构件的隔热性能推算出来的围护结构的整体隔热性能指标与实际情况往往有很大的差距。

目前还没有公认的成熟方法能够用于实际建筑围护结构整体隔热性能检测的方法和装置或系统。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种在室内有可调功率的热源的情况下，根据室内温度变化率和热源功率时间序列的关联性检测围护结构整体隔热性能的主动式检测方法。

技术方案：用功率变化的热源对室内空气进行加热，用温度传感器和数据采集处理装置获得一段时间内室内温度的动态数据，按照数理统计理论计算出室内温度变化率与变化的热源功率的相关系数，用相关系数的数值来表征围护结构的隔热性能。

本项发明的理论依据是传热学理论和数理统计学理论。根据传热学理论可知，在排除了室内外干扰的条件下，室内的温度变化率时间序列与变化的加热功率之间的相关性仅与围护结构本身的隔热性能有关。理论上存在两种极限的情况。如果围护结构是完全隔热的，即热阻为无限大，则室内温度变化率仅与加热功率有关，根据统计学理论，可计算出二者的相关系数为1；而如果围护结构是完全不隔热的，即热阻为0，则室内温度将完全不受加热功率控制，根据统计学理论，可计算出二者的相关系数为0。因为实际建筑围护结构的隔热性能一定介于两者之间，所以室内温度变化率与变化的热源功率的相关系数值恰好表征了它的整体隔热性能。

本发明的围护结构整体隔热性能的主动式检测方法是采用室内温度变化率与室内热源功率时间序列的关联性的方法来检测和评价建筑围护结构的隔热性能，具体的方法为：

1.)在室内安装1台可程控的加热源，与数据采集和处理控制器相连接，并使其能按照给定的功率变化规律进行工作；

2.)分别将若干个测量室内温度的室内温度传感器和测量室外温度的室外温度传感器与数据采集和处理控制器相连接，

3.)由键盘选定热源控制规律，输入采样间隔、总采样时间和启动指令，

4.)由数据采集和处理控制器(3)内置的室内温度变化率与热源功率相关系数的计算程序进行计算，求出相关系数 ${\mathrm{\ρ}}_{t^{\′},P}=\mathrm{Cov}(t^{\′},P)/\sqrt{D\left(t^{\′}\right)D\left(P\right)}.$ 其中，D(t′)为温度变化率的方差，D(P)为功率的方差，Cov(t′，P)为D(t′)与D(P)二者的协方差，该相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。

具体方法如下：

假设在某个测试周期内测得的室内温度的时间序列为{t₁，t₂，…，t_n}，热源功率的时间序列为{P₁，P₂，…，P_n}，则可用差分法计算出温度的变化率的时间序列为{t₁′，t₂′，…，}t_i′＝(t_i′-t_i-1′)/Δτ，温度变化率和功率的平均值分别为 $E\left(t^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{\′}/n$ 和 $E\left(P\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i/n,$ 方差分别为 $D\left(t^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[t_i^{\′}-E\left(t^{\′}\right)]}^2/n$ 和 $D\left(P\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[P_i-E\left(P\right)]}^2/n,$ 二者的协方差为 $\mathrm{Cov}(t^{\′},P)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[t_i^{\′}-E\left(t^{\′}\right)][P_i-E\left(P\right)]/n,$ 相关系数 ${\mathrm{\ρ}}_{t^{\′},P}=\mathrm{Cov}(t^{\′},P)/\sqrt{D\left(t^{\′}\right)D\left(P\right)},$ 该相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。

其工作过程为：将加热功率可调的程控热源0置于室内，至少一个温度传感器1置于室外通风阴凉处或百叶箱中，至少一个温度传感2置于被测房间内，将温度传感器与数据采集处理控制器3连接，通过键盘4设定加热功率的幅值、和变化频率、温度传感器的采样时间间隔、总采样时间并发出启动测试指令，数据采集处理控制器3开始按照设定值控制加热电源工作，按照采样间隔记录来自于温度传感器1和温度传感器2上的温度数据，并在显示屏5显示得到的数据。当采样时间超过总采样时间后数据采集处理器停止采样，按照相关系数的算法计算出所测得的室内温度传感器上的温度变化率与加热功率之间的相关系数并在显示器5上显示结果。

本项发明可用于建筑节能效果的检测和评价以及建筑围护结构热动态特性的分析等。

有益效果：根据本项发明提出的建筑围护结构隔热性能的检测方法理论可靠、算法简单，测试结果能直观反映建筑围护结构的整体隔热性能；装置制造成本低廉，所采用硬件均属于市场上常见的器件，极易获得。

根据本项发明提出的方法和装置完全实现了建筑围护结构能耗检测的自动化，在热源、传感器安装和装置参数设定后就无需人工干预。

根据本项发明提出的方法所制造的测试装置具有数据量小、占用资源少、算法简单、计算快捷的优点，极便于制成实现小型化、微型化的便携式仪器。

根据本项发明提出的方法所制造的测试装置，可以在扩充了总线通信功能后实现远程分布式系统，可以用于同时检测多个房间围护结构的隔热性能；在扩充了网络通讯功能后还可以实现网络化分布式检测和监测。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

以上的图中有：置于室内的功率可调节的加热器0，室外温度传感器1、室内温度传感器2、数据采集和处理控制器3、键盘4、显示屏5、打印机6、墙体7。

具体实施方式

本发明的围护结构整体隔热性能的主动式检测方法是采用室内温度变化率与室内热源功率时间序列的关联性的方法来检测和评价建筑围护结构的隔热性能，具体的方法为：

1.)在室内安装1台可程控的加热源0，与数据采集和处理控制器相连接，并使其能按照给定的功率变化规律进行工作；

2.)分别将若干个测量室内温度的室内温度传感器1和测量室外温度的室外温度传感器2与数据采集和处理控制器3相连接，

3.)由键盘4选定热源控制规律，输入采样间隔、总采样时间和启动指令，

4.)由数据采集和处理控制器(3)内置的室内温度变化率与热源功率相关系数的计算程序进行计算，求出相关系数 ${\mathrm{\ρ}}_{t^{\′},P}=\mathrm{Cov}(t^{\′},P)/\sqrt{D\left(t^{\′}\right)D\left(P\right)},$ 其中，D(t′)为温度变化率的方差，D(P)为功率的方差，Cov(t′，P)为D(t′)与D(P)二者的协方差，该相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。

具体方法如下：

假设在某个测试周期内测得的室内温度的时间序列为{t₁，t₂，…，t_n}，热源功率的时间序列为{P₁，P₂，…，P_n}，则可用差分法计算出温度的变化率的时间序列为{t₁′，t₂′，…，t_n′}，t_i′＝(t_i′-t_i-1′)/Δτ，温度变化率和功率的平均值分别为 $E\left(t^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{\′}/n$ 和 $E\left(P\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i/n,$ 方差分别为 $D\left(t^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[t_i^{\′}-E\left(t^{\′}\right)]}^2/n$ 和 $D\left(P\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[P_i-E\left(P\right)]}^2/n,$ 二者的协方差为 $\mathrm{Cov}(t^{\′},P)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[t_i^{\′}-E\left(t^{\′}\right)][P_i-E\left(P\right)]/n,$ 相关系数 ${\mathrm{\ρ}}_{t^{\′},P}=\mathrm{Cov}(t^{\′},P)/\sqrt{D\left(t^{\′}\right)D\left(P\right)},$ 该相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。

典型的实施方案之一如图1所示。用变频器(如北京大恒的DG-55K)驱动的电加热器0(可用电暖风机)加热室内空气，用数字式半导体感温芯片1，2(如Dallas公司的DS18B20)作为温度传感器分别安装在室外和室内，采用基于单片计算机3(如Intel公司的8051系列，Microchip公司的PIC16F877)构成的数据采集与处理控制系统控制变频器驱动的电加热器0的输出频率来调节功率，与数字式半导体感温芯片1，2通信，通过键盘4设定加热功率的幅值、和变化频率、采样间隔和总采样时间和发出指令，连续监测室内外温度数据，测试周期结束时在单片机3内计算出相关系数，通过液晶显示器5(如12864汉字液晶模块)显示出来亦可通过微型打印机6打印出来。本方案特别适用于制造检测建筑围护结构隔热性能的便携式设备。

典型的实施方案之二如图1所示。用可控硅调压器(如杭州西子固态继电器公司的STY-380D120F)驱动的电加热器0(可用电阻式加热器)加热室内空气，用数字式半导体感温芯片1，2(如Dallas公司的DS18B20)作为温度传感器分别安装在室外和室内，采用基于数字信号处理器3(DSP，如Microchip公司的dsPIC30F6014)构成的数据采集与处理控制系统控制可控硅调压器驱动的电加热器0的输出功率，与数字式半导体感温芯片1，2通信，通过键盘4设定加热功率的幅值、和变化频率、采样间隔和总采样时间和发出指令，连续监测室内外温度数据，测试周期结束时在DSP 3内计算出相关系数，通过液晶显示器5(如12864汉字液晶模块)显示出来亦可通过微型打印机6打印出来。本方案特别适用于制造检测建筑围护结构隔热性能的便携式设备。

典型的实施方案之三如图1所示。用变频器(如北京大恒的DG-55K)驱动的电加热器0(可用电暖风机)加热室内空气，用热敏电阻1，2作为温度传感器分别安装在室内和室外，采用基于单片计算机3(Microchip公司的PIC16F877，内置A/D转换功能)构成的数据采集与处理控制系统控制变频器驱动的电加热器0的输出频率来调节功率，采集热敏电阻1，2上的电压信号并转换成温度数据，通过键盘4设定加热功率的幅值、和变化频率、采样间隔和总采样时间和发出指令，连续监测室内外温度数据，测试周期结束时在单片机3内计算出相关系数，通过液晶显示器5(如12864汉字液晶模块)显示出来亦可通过微型打印机6打印出来。本方案特别适用于制造检测建筑围护结构隔热性能的廉价便携式设备。

典型的实施方案之四如图1所示。用可控硅调压器(如杭州西子固态继电器公司的STY-380D120F)驱动的电加热器0(可用电阻式加热器)加热室内空气，用热敏电阻1，2作为温度传感器分别安装在室内和室外，采用基于数字信号处理器3(DSP，如Microchip公司的dsPIC30F6014)构成的数据采集与处理控制系统控制可控硅调压器驱动的电加热器0的输出功率，采集热敏电阻1，2上的电压信号并转换成温度数据，通过键盘4设定加热功率的幅值、和变化频率、采样间隔和总采样时间和发出指令，连续监测室内外温度数据，测试周期结束时在DSP 3内计算出相关系数，通过液晶显示器5(如12864汉字液晶模块)显示出来亦可通过微型打印机6打印出来。本方案特别适用于制造检测建筑围护结构隔热性能的廉价便携式设备。

Claims (2)

1.一种围护结构整体隔热性能的主动式检测方法，其特征在于采用室内温度变化率与室内可调热源功率时间序列关联性的方法来检测和评价建筑围护结构的隔热性能，具体的方法为：

1.)在室内安装1台可程控的加热源(0)，与数据采集和处理控制器相连接，并使其能按照给定的功率变化规律进行工作；

2.)分别将若干个测量室内温度的室内温度传感器(1)和测量室外温度的室外温度传感器(2)与数据采集和处理控制器(3)相连接，

3.)由键盘(4)向数据采集和处理控制器(3)输入选定热源控制规律，输入采样间隔、总采样时间和启动指令，

4.)由数据采集和处理控制器(3)内置的室内温度变化率与热源功率相关系数的计算程序进行计算，求出相关系数 ${\mathrm{\ρ}}_{t^{\′},P}=\mathrm{Cov}(t^{\′},P)/\sqrt{D\left(t^{\′}\right)D\left(P\right)},$ 其中，D(t′)为温度变化率的方差，D(P)为功率的方差，Cov(t′，P)为D(t′)与D(P)二者的协方差，该相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。

2.根据权利要求1所述的围护结构整体隔热性能的主动式检测方法，其特征在于相关系数的确定方法如下：

假设在某个测试周期内测得的室内温度的时间序列为{t₁，t₂，…，t_n}，热源功率的时间序列为{P₁，P₂，…，P_n}，则用差分法计算出温度的变化率的时间序列为{t₁′，t₂′，…，t_n′}，t_i′＝(t_i′-t_i-1′)/Δτ，温度变化率和功率的平均值分别为 $E\left(t^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{\′}/n$ 和 $E\left(P\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i/n,$ 方差分别为 $D\left(t^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[t_i^{\′}-E\left(t^{\′}\right)]}^2/n$ 和 $D\left(P\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[P_i-E\left(P\right)]}^2/n,$ D(t′)与D(P)二者的协方差为 $\mathrm{Cov}(t^{\′},P)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[t_i^{\′}-E\left(t^{\′}\right)][P_i-E\left(P\right)]/n,$ 相关系数 ${\mathrm{\ρ}}_{t^{\′},P}=\mathrm{Cov}(t^{\′},P)/\sqrt{D\left(t^{\′}\right)D\left(P\right)},$ 该相关系数介于0与1之间，其数值就表征了围护结构整体的隔热性能。