CN101556255A - 一种围护结构热阻现场检测数据分析方法 - Google Patents

Abstract

一种围护结构热阻现场检测数据分析方法，针对目前围护结构热阻现场检测结果处理方法存在的缺点，建立了一种考虑风速影响状况下的围护结构热阻现场检测数据分析方法。该方法所需要设置的参数少，编程计算简单，对非稳态状况下检测数据也能实现很好的处理。现场检测时只需要将温度、热流、风速等参数读入即可方便计算出围护结构的热阻。该方法在围护结构不达到稳态状况下也可实现对测量结果的处理，缩短了测量时间，可以大大降低检测的工作量，提高检测精度。

Description

一种围护结构热阻现场检测数据分析方法

技术领域

本发明属于围护结构热阻现场检测技术，具体涉及一种考虑风速影响的围护结构热阻现场检测数据分析方法。

背景技术

建筑能耗随着建筑总量和居住舒适度的提升急剧攀升，其中围护结构的耗热量占整个建筑使用能耗的73-77％，因此围护结构是影响建筑使用能耗的决定性因素，也是建筑节能研究的重点。各种节能设计标准在设计阶段保证了建筑物的热工性能，但由于工程实际中因使用环境的不同以及施工过程中的偏差等因素的影响，建筑物围护结构的实际热工性能与设计值相比差异很大，因此围护结构热工性能的现场检测与数据分析就显得尤为重要。由于现有的围护结构现场检测数据分析方法忽略了风速的影响，检测结果存在较大的误差。如何处理风速的影响，并获得准确性较高的围护结构现场检测数据分析方法成为现场检测技术的难点之一。

围护结构热工性能的现场检测是根据围护结构的动态热响应采用反问题研究方法来求解的，属于间接测量过程，包括现场测量和数据分析两个环节。现场检测方法中热流计法以其设备简单、便于携带、不受被测围护结构影响等优点被工程实践中广泛运用。对现场检测数据的数据分析方法有平均法和动态分析法两种。平均法是将检测数据通过简单的加和求平均值来进行计算的，该方法处理过程简单、物理意义明确。但平均法仅对室内外温度周期性较强的检测结果处理结果较为准确，对于温度和热流有较大波动的情况却会产生较大误差。平均法无法处理波动情况限制了应用热流计进行检测时仅仅能在温度波动不大且周期性较强的情况下进行，限制了热流计法的使用范围。动态分析法对热流计检测结果进行检测时考虑到了温度波动的影响，但该方法中仅考虑围护结构单侧热流，且方法中存在较多不确定参数，物理意义不明确。

对围护结构进行现场检测时，风速等环境因素影响很大，现有的检测方法忽略了环境因素的影响，使检测结果存在较大误差。平均法处理检测结果无法解决温度波动的问题。动态分析法虽然对温度波动情况下处理结果有一定的改善，但该方法未知参数较多，需要反复的迭代才能获得较为准确的结果。同时这两种方法都忽略了风速因素的影响，使得围护结构现场热阻检测结果存在较大偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的缺点，提供了一种能够缩短检测时间，增加检测结果处理准确性的围护结构热阻现场检测数据分析方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

首先忽略侧向传热的影响，墙体传热为一维非稳态传热过程，其边界条件为内外壁面对流边界条件，从墙体传热控制方程的伽辽金有限元方程出发，并将室内、室外对流边界条件代入即得墙体传热的有限元特征式

$C\stackrel{\·}{T}+\mathrm{KT}+Q=0$

式中：C为热容矩阵

K为热传递矩阵

T结点温度列阵

Q温度载荷列阵

设存在一个矩阵B使下式成立

$C\stackrel{\·}{B}+\mathrm{KB}=Q$

引入矩阵B来代替边界条件引起的温度载荷列阵Q，有限元特征式转化为：

$C\stackrel{\·}{A}+\mathrm{KA}=0$

式中：A含有原有温度列阵和附加矩阵，A＝{T，B}

将墙体考虑为线性系统，即温度是时间的函数，将矩阵A分为两部分，一部分用a来表示，包括内、外两个壁面结点的温度序列和热流附加矩阵；另一部分为墙体内部其它结点的温度序列；假设温度是时间的p+1阶函数，对温度进行p+1阶差分，根据A的分解矩阵将围护结构传热方程转化为p阶微分方程形式：

$M_{0}a+M_1\stackrel{\·}{a}+M_2\stackrel{\·\·}{a}+\·\·\·+M_p\frac{{\∂}^{p}a}{\∂{\mathrm{\τ}}^p}=0$

式中：M矩阵由围护结构几何特性及热物性决定

a矩阵包含内外壁温度结点和热流附加矩阵

将p阶微分方程的近似解写成时间域内的插值形式，并对近似解进行加权残值运算，得到关于围护结构内外壁壁面温度、空气温度、内壁热流、室外风速的数据分析方法：

$q_0=d_1{T}_{i,0}+d_2{T}_{e,0}+d_4{h}_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{1,j}(T_{i,j}-T_{i,0})+$

$\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2,j}(T_{e,j}-T_{e,0})+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{3,j}(q_j-q_0)+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{4,j}[h_j(T_{\∞,j}-T_{e,j})-h_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})]$ 式1

$+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{1,j}(T_{i,j}-T_{i,0})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{2,j}(T_{e,j}-T_{e,0})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{3,j}(q_j-q_0)$

$-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{4,j}[h_j(T_{\∞,j}-T_{e,j})-h_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})]$

式中：T为温度

q为热流

d、β、ψ为未知参数

h为表面换热系数，h_j＝10.4+4.48v_j(v_j为j时刻外壁面风速)

下标i表示内壁面；e表示外壁面；∞为外壁空气；0，j均表示时刻；

稳态风速为零，内外壁温相同时，热流为0，式1可转化为：

$0=d_1{T}_{i,0}+d_2{T}_{e,0}\⇒d_1=-d_2$

稳态风速为零，内外壁温不同时，内外壁热流相同，式1可转化为：

q₀＝d₁T_i，0+d₂T_e，0+d₄q₀

通过两种情况下的分析得出围护结构的热阻为： $R=\frac{1-d_4}{d_2}$

在该模型中共有8n+2个未知量，因此根据测量数据写出大于8n+2个方程组成方程组，根据最小二乘法求解方程组得到热阻R。

本发明将有限元法和传热方程结合起来，通过对近似函数的加权余量，并经过处理得出围护结构物性与围护结构表面温度、热流、风速因素的数据分析方法，将检测结果代入该方法中，即可得到围护结构的热阻，有效地解决了检测数据处理方法的缺陷。

附图说明

图1是本发明检测结点与选择时间段的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明将风速因素考虑在围护结构热阻现场检测数据分析方法中，在现有检测设备精度的基础上提高了检测结果的准确性。该模型不仅考虑到墙体的蓄热带来的温度和热流的延迟，而且将室外热流转化为温度函数的形式考虑到数据分析方法中，对温度波动有了很好的解决，对室外存在风速的情况也能进行检测，扩大了检测条件，提高了检测精度。

参见图1，具体的建模过程是：

首先忽略侧向传热的影响，墙体传热为一维非稳态传热过程，其边界条件为内外壁面对流边界条件，从墙体传热控制方程的伽辽金有限元方程出发，并将室内、室外对流边界条件代入即得墙体传热的有限元特征式

$C\stackrel{\·}{T}+\mathrm{KT}+Q=0$

式中：C为热容矩阵

K为热传递矩阵

T结点温度列阵

Q温度载荷列阵

设存在一个矩阵B使下式成立

$C\stackrel{\·}{B}+\mathrm{KB}=Q$

引入矩阵B来代替边界条件引起的温度载荷列阵Q，有限元特征式转化为：

$C\stackrel{\·}{A}+\mathrm{KA}=0$

式中：A含有原有温度列阵和附加矩阵，A＝{T，B}

将墙体考虑为线性系统，即温度是时间的函数，将矩阵T分为两部分，一部分用a来表示，包括内、外两个壁面结点的温度序列和热流附加矩阵；另一部分为墙体内部其它结点的温度序列；假设温度是时间的p+1阶函数，对温度进行p+1阶差分，根据T的分解矩阵将围护结构传热方程转化为p阶微分方程形式：

$M_{0}a+M_1\stackrel{\·}{a}+M_2\stackrel{\·\·}{a}+\·\·\·+M_p\frac{{\∂}^{p}a}{\∂{\mathrm{\τ}}^p}=0$

式中：M矩阵由围护结构几何特性及热物性决定

a矩阵包含内外壁温度结点和热流附加矩阵

将p阶微分方程的近似解写成时间域内的插值形式，并对近似解进行加权残值运算，化简可得到关于围护结构内外壁壁面温度、空气温度、内壁热流、室外风速的数据分析方法：

$q_0=d_1{T}_{i,0}+d_2{T}_{e,0}+d_4{h}_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{1,j}(T_{i,j}-T_{i,0})+$

$\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2,j}(T_{e,j}-T_{e,0})+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{3,j}(q_j-q_0)+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{4,j}[h_j(T_{\∞,j}-T_{e,j})-h_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})]$

$+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{1,j}(T_{i,j}-T_{i,0})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{2,j}(T_{e,j}-T_{e,0})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{3,j}(q_j-q_0)$

$-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{4,j}[h_j(T_{\∞,j}-T_{e,j})-h_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})]$

式中：T为温度

q为热流

d、β、ψ为未知参数

h为表面换热系数，h_j＝10.4+4.48v_j(v_j为j时刻外壁面风速)

下标i表示内壁面；e表示外壁面；∞为外壁空气；0，j均表示时刻；

稳态风速为零，内外壁温相同时，热流为0，式1可转化为：

$0=d_1{T}_{i,0}+d_2{T}_{e,0}\⇒d_1=-d_2$

稳态风速为零，内外壁温不同时，内外壁热流相同，式1可转化为：

q₀＝d₁T_i，0+d₂T_e，0+d₄q₀

通过两种情况下的分析得出围护结构的热阻为： $R=\frac{1-d_4}{d_2}$

在该模型中共有8n+2个未知量，因此只要根据测量数据写出大于8n+2个方程组成方程组，根据最小二乘法求解方程组就可以得到R及其它未知量。

如图1，假如有N个测量时刻，时间结点a中参数包含内外壁温度、内壁热流、外壁热流。选择从-n到n的2n+1时间段，只要n的选择满足8n+2≤N-2n，既10n≤N-2，不断改变a₀时间的位置即可得到不同时刻围护结构传热方程组，采用最小二乘法求解方程组就可得出围护结果的热阻。

采用上述数据分析方法，同时将室内热流、室外风速等因素考虑在内，修正了室外风速对检测结果带来的计算偏差，同时不存在平均法处理受温度非周期性变化的限制。与国际标准中的动态分析方法相比，本发明中的数据分析方法中不需要预先设置其它参量，不需要反复迭代来寻求围护结构热阻，只需要将测量结果写入数据分析方法即可得出围护结构的热阻，易于被工程人员接受。另外该数据分析方法考虑蓄热因素，因此围护结构不达到稳态或准稳态即可进行测试，缩短了测试时间，并可实现较高的准确性。

Claims (1)

1、一种围护结构热阻现场检测数据分析方法，其特征在于：

首先忽略侧向传热的影响，墙体传热为一维非稳态传热过程，其边界条件为内外壁面对流边界条件，从墙体传热控制方程的伽辽金有限元方程出发，并将室内、室外对流边界条件代入即得墙体传热的有限元特征式

$C\stackrel{\·}{T}+\mathrm{KT}+Q=0$

式中：C为热容矩阵

K为热传递矩阵

T结点温度列阵

Q温度载荷列阵

设存在一个矩阵B使下式成立

$C\stackrel{\·}{B}+\mathrm{KB}=Q$

引入矩阵B来代替边界条件引起的温度载荷列阵Q，有限元特征式转化为：

$C\stackrel{\·}{A}+\mathrm{KA}=0$

式中：A含有原有温度列阵和附加矩阵，A＝{T，B}

将墙体考虑为线性系统，即温度是时间的函数，将矩阵A分为两部分，一部分用a来表示，包括内、外两个壁面结点的温度序列和热流附加矩阵；另一部分为墙体内部其它结点的温度序列；假设温度是时间的p+1阶函数，对温度进行p+1阶差分，根据A的分解矩阵将围护结构传热方程转化为p阶微分方程形式：

$M_{0}a+M_1\stackrel{\·}{a}+M_2\stackrel{\·\·}{a}+...+M_p\frac{{\∂}^{p}a}{\∂{\mathrm{\τ}}^p}=0$

式中：M矩阵由围护结构几何特性及热物性决定

a矩阵包含内外壁温度结点和热流附加矩阵

将p阶微分方程的近似解写成时间域内的插值形式，并对近似解进行加权残值运算，得到关于围护结构内外壁壁面温度、空气温度、内壁热流、室外风速的数据分析方法：

$q_0=d_1{T}_{i,0}+d_2{T}_{e,0}+d_4{h}_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{1,j}(T_{i,j}-T_{i,0})+$

$\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{2,j}(T_{e,j}-T_{e,0})+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{3,j}(q_j-q_0)+\underset{j=-n}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_{4,j}[h_j(T_{\∞,j}-T_{e,j})-h_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})]$ 式1

$+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{1,j}(T_{i,j}-T_{i,0})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{2,j}(T_{e,j}-T_{e,0})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{3,j}(q_j-q_0)$

$-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ψ}}_{4,j}[h_j(T_{\∞,j}-T_{e,j})-h_0(T_{\∞,0}-T_{e,0})]$

式中：T为温度

q为热流

d、β、ψ为未知参数

h为表面换热系数，h_j＝10.4+4.48v_j(v_j为j时刻外壁面风速)

下标i表示内壁面；e表示外壁面；∞为外壁空气；0，j均表示时刻；

稳态风速为零，内外壁温相同时，热流为0，式1可转化为：

$0=d_1{T}_{i,0}+d_2{T}_{e,0}\⇒d_1=-d_2$

稳态风速为零，内外壁温不同时，内外壁热流相同，式1可转化为：

q₀＝d₁T_i，0+d₂T_e，0+d₄q₀

通过两种情况下的分析得出围护结构的热阻为： $R=\frac{1-d_4}{d_2}$

在该模型中共有8n+2个未知量，因此根据测量数据写出大于8n+2个方程组成方程组，根据最小二乘法求解方程组得到热阻R。

Images