CN105717160A - 一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置 - Google Patents

一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置 Download PDF

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郑梓豪
王磊
王桂林
许明
马晨晨
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Abstract

本发明属于掩土建筑及种植屋面屋顶覆盖层保温隔热性能研究技术领域，具体涉及一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，包括上部屋顶覆盖层试验箱、下部绝热试验箱和温度检测仪，上部屋顶覆盖层试验箱内从下到上设绝热层、耐根防刺穿防水层、土工布过滤层、土层和植被层，下部绝热试验箱设通孔，下部绝热试验箱设密闭空间试验盒，密闭空间试验盒上设钢丝网，钢丝网设悬挂件，下部绝热试验箱除去密闭空间试验盒的剩余空间为填充隔热层，温度检测仪设两组导线和温度传感器，导线和温度传感器电连接。其目的是：解决现有掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验直接将土铺在地面上进行带来实验数据存在误差、无法研究掩土建筑室内空间温度场的变化的问题。

Description

一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置
技术领域
本发明属于掩土建筑及种植屋面屋顶覆盖层保温隔热性能研究技术领域，具体涉及一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置。
背景技术
掩土建筑呈现三面或四面覆土的结构形式，能够起到很好的保温和隔热效果。为了深入研究掩土建筑屋顶绝热性能，很多人都开展了相关的模拟试验。但在目前的模拟试验中，大多数试验是直接将土铺在地面上进行，在研究掩土建筑屋顶覆盖层的保温隔热性能时没有隔绝四周的温度，使得试验数据存在误差，试验也无法研究掩土建筑室内空间温度场的变化，研究内容有限。
发明内容
本发明的目的是：旨在提供一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，用以解决现有掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验直接将土铺在地面上进行带来实验数据存在误差、无法研究掩土建筑室内空间温度场的变化的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，包括上部屋顶覆盖层试验箱、下部绝热试验箱和温度检测仪，所述的上部屋顶覆盖层试验箱为无盖箱体结构，所述上部屋顶覆盖层试验箱的一侧箱板纵向开设有长条形通缝，所述的上部屋顶覆盖层试验箱内设有刻度条，所述的上部屋顶覆盖层试验箱内从下到上依次铺设有绝热层、耐根防刺穿防水层、土工布过滤层、土层和植被层，所述下部绝热试验箱的长和宽尺寸和上部屋顶覆盖层试验箱的长和宽尺寸相等，所述下部绝热试验箱的一侧面开设有通孔，所述下部绝热试验箱的上部内设有密闭空间试验盒，所述的密闭空间试验盒上设有钢丝网，所述的钢丝网设有悬挂件，所述的下部绝热试验箱除去密闭空间试验盒的剩余空间构成填充隔热层，所述的温度检测仪设有两组导线和温度传感器，所述的导线和温度传感器电连接，所述的第一组导线贯穿长条形通缝，所述的第一组温度传感器位于上部屋顶覆盖层试验箱内，所述的第二组导线贯穿通孔，所述的第二组温度传感器悬挂在悬挂件上并位于密闭空间试验盒内。
采用上述技术方案的发明，可以将掩土建筑屋顶覆盖层放入上部屋顶覆盖层试验箱内，同时将两组导线和温度传感器分别放在设定的位置，然后，启动温度检测仪，温度检测仪开始工作，将处于设定位置的温度传感器检测到的温度显示出来。这样的设计，将四周的温度进行了有效隔离，可以模拟掩土建筑的实际情况，确保实验数据的准确性，同时，可以研究掩土建筑室内空间温度场的变化。
进一步，所述的上部屋顶覆盖层试验箱和下部绝热试验箱均为木箱结构，所述上部屋顶覆盖层试验箱的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：500mm，所述下部绝热试验箱的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：400mm。
这样的设计，构造简单、造价低廉、制作方便。
进一步，所述的长条形通缝设于上部屋顶覆盖层试验箱的一侧箱板的正中间位置，所述长条形通缝的宽度尺寸为10mm。
这样的设计，可以检测上部屋顶覆盖层试验箱内掩土建筑屋顶覆盖层正中间位置的温度，确保实验数据的准确性。
进一步，所述的土工布过滤层采用单层或多层无纺土工布，所述的土工布过滤层厚度为100～300g/m2。
这样的设计，过滤效果较佳。
进一步，所述的土层包括覆盖土层及种植土层。
这样的设计，可以确保模拟试验更接近掩土建筑的实际情况，从而确保实验数据的准确性。
进一步，所述的覆盖土层为干燥粉质砂土，粒径小于1mm，所述的种植土层为基质粘性土。
这样的设计，可以确保模拟试验更接近掩土建筑的实际情况，从而确保实验数据的准确性。
进一步，所述的植被层为景天科佛甲草。
这样的设计，可以确保模拟试验更接近掩土建筑的实际情况，从而确保实验数据的准确性。
进一步，所述密闭空间试验盒的长宽高尺寸均为200mm，所述的填充隔热层内设有隔板，所述的密闭空间试验盒贴设在隔板上。
这样的设计，隔热效果较佳，可以确保实验数据的准确性。
进一步，所述的钢丝网为铁丝绕成的4*4方格网，所述的钢丝网长和宽尺寸均为200mm。
这样的设计，可以根据实际需求将温度传感器置于不同的地方，用以研究不同位置的温度情况。
进一步，所述上部屋顶覆盖层试验箱的两个对称侧面设有位置相对结构相同的两个提手。
这样的设计，方便将上部屋顶覆盖层试验箱取下和放上，实验操作非常方便。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例的结构示意图；
图2为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例中上部屋顶覆盖层试验箱的结构示意图；
图3为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例中下部绝热试验箱的结构示意图；
图4为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例中钢丝网连接温度传感器的结构示意图；
图5为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例的实验状态示意图；
图6为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例的实验数据趋势图；
图7为本发明一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置的实施例的恒温实验数据趋势图。
主要元件符号说明如下：
1.上部屋顶覆盖层试验箱，11.刻度条，12.长条形通缝，13.提手，2.下部绝热试验箱，21.通孔，22.密闭空间试验盒，23.钢丝网，24.填充隔热层，25.悬挂件，3.温度检测仪，31.导线，32.温度传感器
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，包括上部屋顶覆盖层试验箱1、下部绝热试验箱2和温度检测仪3，上部屋顶覆盖层试验箱1和下部绝热试验箱2均为木箱结构，上部屋顶覆盖层试验箱1的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：500mm，下部绝热试验箱2的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：400mm，上部屋顶覆盖层试验箱1为无盖箱体结构，上部屋顶覆盖层试验箱1的一侧箱板正中间位置纵向开设有长条形通缝12，长条形通缝12的宽度尺寸为10mm,上部屋顶覆盖层试验箱1内设有刻度条11，上部屋顶覆盖层试验箱1的两个对称侧面设有位置相对结构相同的两个提手13,上部屋顶覆盖层试验箱1内从下到上依次铺设有绝热层、耐根防刺穿防水层、土工布过滤层、土层和植被层，土工布过滤层采用单层或多层无纺土工布，土工布过滤层厚度为100～300g/m2,土层包括覆盖土层及种植土层,覆盖土层为干燥粉质砂土，粒径小于1mm,种植土层为基质粘性土,植被层为景天科佛甲草，下部绝热试验箱2的一侧面开设有通孔21，下部绝热试验箱2的上部内设有密闭空间试验盒22，密闭空间试验盒22的长宽高尺寸均为200mm，填充隔热层24内设有隔板，密闭空间试验盒22贴设在隔板上,密闭空间试验盒22上设有钢丝网23，钢丝网23为铁丝绕成的4*4方格网，钢丝网23长和宽尺寸均为200mm,钢丝网23设有悬挂件25，下部绝热试验箱2除去密闭空间试验盒22的剩余空间构成填充隔热层24，温度检测仪3设有两组导线31和温度传感器32，导线31和温度传感器32电连接，第一组导线31贯穿长条形通缝12，第一组温度传感器32位于上部屋顶覆盖层试验箱1内，第二组导线31贯穿通孔21，第二组温度传感器32悬挂在悬挂件25上并位于密闭空间试验盒22内。
本实施例中，可以将掩土建筑屋顶覆盖层放入上部屋顶覆盖层试验箱1内，同时将两组导线31和温度传感器32分别放在设定的位置，然后，启动温度检测仪3，温度检测仪3开始工作，将处于设定位置的温度传感器32检测到的温度显示出来。
需要指出的是，上部屋顶覆盖层试验箱1和下部绝热试验箱2均为木箱结构，上部屋顶覆盖层试验箱1的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：500mm，下部绝热试验箱2的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：400mm，主要考虑的是，构造简单、造价低廉、制作方便。实际上，也可以根据实际情况设计上部屋顶覆盖层试验箱1和下部绝热试验箱2的长：宽：高尺寸。
另外，上部屋顶覆盖层试验箱1的一侧箱板正中间位置纵向开设有长条形通缝12，可以检测上部屋顶覆盖层试验箱1内掩土建筑屋顶覆盖层正中间位置的温度，确保实验数
据的准确性。实际上，也可以根据实际情况具体设定长条形通缝12的位置。
同时，土工布过滤层采用单层或多层无纺土工布，土工布过滤层厚度为100～300g/m2，过滤效果较佳。实际上，也可以根据实际情况选用其他的。
此外，土层包括覆盖土层及种植土层,覆盖土层为干燥粉质砂土，粒径小于1mm,种植土层为基质粘性土,植被层为景天科佛甲草，可以确保模拟试验更接近掩土建筑的实际情况，从而确保实验数据的准确性。实际上，也可以根据实际情况具体考虑。
除此之外，密闭空间试验盒22的长宽高尺寸均为200mm，填充隔热层24内设有隔板，密闭空间试验盒22贴设在隔板上，这样，隔热效果较佳，可以确保实验数据的准确性。钢丝网23为铁丝绕成的4*4方格网，钢丝网23长和宽尺寸均为200mm，这样，可以根据实际需求将温度传感器32置于不同的地方，用以研究不同位置的温度情况。上部屋顶覆盖层试验箱1的两个对称侧面设有位置相对结构相同的两个提手13，这样，方便将上部屋顶覆盖层试验箱1取下和放上，实验操作非常方便。
试验中的土是从重庆地区采集的典型的红粘土，保持有一定的湿度和密实度，土的传热系数取0.052W/(m·k)，在测点1～8处布置共计八个温度传感器32，测点1和测点2测量下部绝热试验箱2的温度，用以模拟覆土建筑室内环境温度，选取了底部与侧面两个测点分别测试底部和侧面的绝热性能；测点3～测点7测量土层的温度，分析土的传热模式；测点8测量四周传来的热量，用以分析试验误差。
进行试验时，将本试验装置放置于步入式高低温交互湿热试验箱中，可以人为控制环境温度。试验时从室温29.2℃经过2h线性升温至50.0℃，再恒温3h，每隔10min从温度巡检仪3上读取一次温度。试验数据如下：
时间(min 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1 29.7 29.6 29.6 29.5 29.5 29.4 29.4 29.3 29.3 29.3 29.4
2 29.7 29.7 29.7 29.6 29.5 29.5 29.4 29.4 29.3 29.3 29.2
3 29.7 29.6 29.6 29.5 29.5 29.4 29.4 29.4 29.4 29.4 29.5
4 29.7 29.7 29.7 29.6 29.5 29.5 29.5 29.4 29.4 29.4 29.5
5 29.4 29.4 29.3 29.3 29.3 29.3 29.3 29.3 29.3 29.4 29.5
6 29.7 29.7 29.6 29.6 29.6 29.6 29.6 29.7 29.8 29.9 30
7 29.1 29.3 30.2 31.7 32.8 34.3 35.4 36.9 38.4 39.8 41.2
8 29.1 29.1 29.1 29.2 29.5 29.9 30.3 30.8 31.3 31.8 32.4
仪器温度 29.2 30.6 32.2 34 35.8 37.9 39.3 41.1 42.8 44.6 46.3
时间(min 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
1 29.4 29.4 29.4 29.4 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5
2 29.2 29.1 29.1 29.1 29.1 29.1 29.1 29.1 29.1 29.1
3 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.6 29.6 29.7
4 29.5 29.6 29.7 29.9 30 30.2 30.5 30.8 30.9 31.2
5 29.6 29.7 29.9 30.1 30.3 30.6 30.8 31.2 31.4 31.7
6 30.3 30.5 30.7 31 31.4 31.7 31.9 32.4 32.5 32.8
7 42.8 44.1 44.9 45.1 45.3 45.5 45.7 45.8 45.9 46
8 33.1 33.7 34.4 34.9 35.4 35.8 36.1 36.5 36.7 374 -->
仪器温度 48.3 49.9 50 50 50 50 50 50 50 50
时间(min 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300
1 29.6 29.7 29.8 30 30.1 30.2 30.4 30.6 30.8 31
2 29.2 29.2 29.2 29.3 29.4 29.4 29.5 29.6 29.6 29.7
3 29.8 29.9 30.1 30.3 30.4 30.4 30.6 30.8 31.1 31.3
4 31.5 31.7 32 32.3 32.6 32.9 33.1 33.4 33.6 33.8
5 32 32.2 32.5 32.8 33.1 33.4 33.6 33.9 34.2 34.4
6 33 33.2 33.4 33.7 33.9 34.1 34.2 34.4 34.5 34.7
7 46.1 46.1 46.2 46.3 46.4 46.5 46.6 46.6 46.6 46.8
8 37.2 37.5 37.7 37.9 38.1 38.3 38.4 38.6 38.8 39
仪器温度 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
如图6所示，为了排除侧向传热对试验造成的影响，在本试验装置侧部布置了两个测点，分别是测点2和测点8。为了排除底部热量传递的影响，设置了测点1。
分析测点8，试验中测点8温度一直在上升，证明侧向环境温度向测点8传递，但是与之最近的测点5和测点6的温度却上升很慢，说明侧向传递的温度受到了阻隔，对土内部温度影响较小，同时，保证了温度竖向传递的合理性。且对比测点7、测点8的温度变化，在实验结束时两侧点温差达7.8℃，说明测点8一侧的木板也起到了相应的隔热作用，减小了侧向温度的影响。
分析测点1、测点2和测点3，测点1和测点2的温度十分接近，证明了内部空间温度分布均匀，也说明了两点温度受到周围热量影响很小，且测点1、测点2与测点3的温度也很接近，说明热量主要是由上部屋顶覆盖层试验箱1传递来的，由此证明填充隔热层24的隔热效果十分明显。
综上所述，本试验装置基本可以排除底部与侧向传热带来的影响，传热模型是属于平面一维传热，可以很好地模拟实际工程中掩土建筑的屋顶。
如图7所示，提取恒温阶段的温度变化进行土内温度传递分析，测点4～测点6的传热速率较为均匀，此处提取测点4～测点6传热速率的平均值，v＝0.2526℃/min，而测点3由于土层较深，后期才开始升温，证明了掩土建筑屋顶覆盖层良好的保温隔热性能。
对于试验结果，可以采用Ansys热传导分析模块，对覆盖层各厚度的温度情况进行分析。本试验主要研究对象为屋顶覆盖层保温性能，由于载体为掩土建筑，周围土层较厚，保温隔热能力强，因此在热传导过程中，主要为上部外界的高温和低温通过覆土层及保温层传递至室内，因此我们可以将此实验归属于稳态热分析，由于温度只沿覆盖层厚度方向变化，所以选择单轴热对流单元和单轴热传导单元进行求解。
最后理论求解理论结果为0.2745℃/min，试验误差为8.7％，误差在可接受的范围内，说明本装置中土的传热模拟较好。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：包括上部屋顶覆盖层试验箱(1)、下部绝热试验箱(2)和温度检测仪(3)，所述的上部屋顶覆盖层试验箱(1)为无盖箱体结构，所述上部屋顶覆盖层试验箱(1)的一侧箱板纵向开设有长条形通缝(12)，所述的上部屋顶覆盖层试验箱(1)内设有刻度条(11)，所述的上部屋顶覆盖层试验箱(1)内从下到上依次铺设有绝热层、耐根防刺穿防水层、土工布过滤层、土层和植被层，所述下部绝热试验箱(2)的长和宽尺寸和上部屋顶覆盖层试验箱(1)的长和宽尺寸相等，所述下部绝热试验箱(2)的一侧面开设有通孔(21)，所述下部绝热试验箱(2)的上部内设有密闭空间试验盒(22)，所述的密闭空间试验盒(22)上设有钢丝网(23)，所述的钢丝网(23)设有悬挂件(25)，所述的下部绝热试验箱(2)除去密闭空间试验盒(22)的剩余空间构成填充隔热层(24)，所述的温度检测仪(3)设有两组导线(31)和温度传感器(32)，所述的导线(31)和温度传感器(32)电连接，所述的第一组导线(31)贯穿长条形通缝(12)，所述的第一组温度传感器(32)位于上部屋顶覆盖层试验箱(1)内，所述的第二组导线(31)贯穿通孔(21)，所述的第二组温度传感器(32)悬挂在悬挂件(25)上并位于密闭空间试验盒(22)内。
2.根据权利要求1所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的上部屋顶覆盖层试验箱(1)和下部绝热试验箱(2)均为木箱结构，所述上部屋顶覆盖层试验箱(1)的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：500mm，所述下部绝热试验箱(2)的长：宽：高尺寸为600mm：600mm：400mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的长条形通缝(12)设于上部屋顶覆盖层试验箱(1)的一侧箱板的正中间位置，所述长条形通缝(12)的宽度尺寸为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的土工布过滤层采用单层或多层无纺土工布，所述的土工布过滤层厚度为100～300g/m2。
5.根据权利要求1所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的土层包括覆盖土层及种植土层。
6.根据权利要求5所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的覆盖土层为干燥粉质砂土，粒径小于1mm，所述的种植土层为基质粘性土。
7.根据权利要求1所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的植被层为景天科佛甲草。
8.根据权利要求2所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述密闭空间试验盒(22)的长宽高尺寸均为200mm，所述的填充隔热层(24)内设有隔板，所述的密闭空间试验盒(22)贴设在隔板上。
9.根据权利要求1所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述的钢丝网(23)为铁丝绕成的4*4方格网，所述的钢丝网(23)长和宽尺寸均为200mm。
10.根据权利要求1所述的一种掩土建筑屋顶绝热性能模拟试验装置，其特征在于：所述上部屋顶覆盖层试验箱(1)的两个对称侧面设有位置相对结构相同的两个提手(13)。
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