CN107976465A - 一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，具体涉及一种在现场只用一只普通温度表和一只红外表面温度表，外加1台电暖器，将建筑围护各种结构(包括各种墙面Qi，各种窗Ci，各种门Mi和各种柱、台)的内、外表面温度，大气温度，室内空气温度和供热值等输入到模型软件中，便可同时检测出所有需要检测的建筑围护结构的实际传热系数和相应的节能计算结果。此发明没有复杂仪器的安装、调试和标定，没有繁杂的后续数据处理过程，测量精度高，成本低，操作简单，是建筑节能部门不可缺少的方法和工具之一。

Description

一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备
技术领域
本发明涉及一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，属于建筑领域现场检测方法和检测设备，具体涉及用2个温度表和1台特定电暖器，用一个专用数据处理软件包，即可在现场实现对建筑围护各种结构实际传热系数的检测，围护各种结构包括4面墙体、顶棚、地面，各种窗、门、柱和台等，均可一次性同时检测出来。
技术背景
建筑节能是重要的节能领域，建筑节能集中在热能的有效利用上。要精确计算建筑消耗的热能是十分复杂和困难的，因其影响因素多而复杂，且又往往是非线性的，并随环境变化而变化。因此，任何一种建筑节能技术和/或节能方案，最后真正的节能效果往往要通过一个重要的参数——“实际传热系数”的大小来验证。“实际传热系数”隐含了很多与设计、施工和环境参数变化的因素，不可能放到实验室来精确地测定和计算，只能在现场通过某种方法与某些仪器的结合来实现。这种在现场检测“实际传热系数”的方法和检测仪器，我国有住建部颁发的技术规程JGJ/T 357-2015，里面有详细的规定；查近十多年来我国也有20多个现场检测建筑外围结构传热系数的专利中请；市场上也有产成品出售。所有这些规程、专利和产品中，几乎都要使用诸如多个温度采集点、多点温度采集系统、恒定加热器、热箱、冷箱等复杂的检测设备和大量的现场安装和调试，以及设备的定期校验和繁琐的后续数据处理等工作，一般的小型节能企业和个人节能爱好者较难实施。而且，上述检测方法和设备，每次只能检测有代表性的几个结构点。
为了克服上述缺点，本发明提出了一种简便、免安装、免调试、高精度和低成本的现场检测方法和简单的配套仪表，能同时检测出几乎所有结构点的实际传热系数，并自动输出许多相关的有用信息。其技术核心是所发明的：综合传热系数Uz、传热系数修正系数Kx和二次迭代验证法。其检测精度可达4位小数，而设备成本只有目前同类产品成本的1/10左右，每个检测点成本只是同类成本的1/10～1/20。
实施的内容
本发明的检测原理是：一般建筑外围都有6个面，每个面上可能有多个门、窗、柱、台等结构，每个面及其结构都有原设计的传热系数或可估计的传热系数。
设各结构的原传热系数为Ui(i＝6～n)，当建筑围护结构内部连续地、恒定的供给热量Qg时，当达到热平衡后，整个建筑向外散发的总热量Qf与供热量Qg应该相等，即：
Qg＝Qf (1式)
(1式)中，等式左边Qg是已知的恒定的供热量，等式右边Qf可用下式表示；
Qf＝∑(Si*(Tni-Twi)*Ui)
即：Qg＝∑(Si*(Tni-Twi)*Ui) (2式)
(2式)中，Si：各结构的散热面积，为预定的已知数；
Tni：各结构的内表面温度，可检测的已知数；
Twi：各结构的外表面温度，绝大部分可检测到，小部分可通过已检测到其他记录推算出来或估计出来；
Ui：各结构原有设计的传热系数，查设计资料或可估算出，为预定的已知数。
在(2式)中，若某个结构进行了节能改造，增加了保温层，则该结构的新的传热系数为：
Ui＝1/(1/Uiy+Hi/λi) (3式)，
(3式)中，Uiy：改造前原传热系数，Hi：新增加保温材料的厚度(米)，λi：新增加保温材料导热系数。
从理论上讲，(2式)应是恒等式，但在实际中是不等式。因在实际中，由于存在各种各样的设计误差、测量误差、施工误差(如门窗缝隙漏风)和环境参数的非线性变化所引起的误差等等，影响因素及其复杂和多变，致使(2式)右边计算出的散热量不等于左边实际消耗的供热量。在(2式)中，除了Ui外，其他所有项又都是已知数或用仪器可检测出来的已知数，所以，致使(2式)变为不等式的主要原因是由Ui引起的。
那么，真实的Ui是多少呢？这正是本发明所要解决的关键技术问题！
为了使(2式)变为真正的恒等式，本发明提出一个新的重要的参数——传热系数修正系数Kx：有了Kx，(2式)就变为：
Qg＝Kx*(∑(Si*(Tni-Twi)*Ui) (4式)
(4式)就是一个真正的恒等式了！
那么，Kx是多大呢？Kx是一个变量，它包含了各种各样的设计误差、测量误差、施工误差和环境参数的非线性变化引起的误差等等。从(4式)移项变化可得：
Kx＝Qg/(∑(Si*(Tni-Twi)*Ui) (5式)
在(5式)中，等式右边所有各项都是已知的，即Kx通过各结构两面实测的温差Tni-Twi、实际散热面积Si、预估的Ui和实际供热量Qg计算出来。
Kx表明预估的总传热量Qf与实际的总传热量Qg的比率，如何将这些比率分配到各个结构的实际传热系数Uxi上呢？有多种分配方式，本发明采用的比较合理的分配方式是按各结构的预估的Ui、实测的温差Tni-Twi和散热面积Si先计算出Qi，再计算出Qi在总散热Qf中的比例Kxi，即可求出各结构的实际传热系数Uxi，即：
Kxi＝Qi/Qf
Kxi＝Si*(Tni-Twi)*Ui/(∑(Si*(Tni-Twi)*Ui)) (6式)
Kxi是一个已知比率数，按此比率将实际总的耗热Qg分配到各个结构中，即：
Qxi＝Kxi*Qg (7式)
有了按比率分配的实际的传热量Qxi，再根据实际的传热面积Si和实测的温差Tni-Twi，可反算出各结构的实际传热系数Uxi了，即
Uxi＝Qxi/(Si*(Tni-Twi))
Uxi＝Qg*Si*(Tni-Twi)*Ui/(∑(Si*(Tni-Twi)*Ui)) (8式)
上述仅是推导外围各个结构实际传热系数的详细过程，看似复杂，但在计算机中，只要输入实测的记录数据和预先收集的基础数据，会自动输出最后结果。
需要说明的是，预先估计的各结构的传热系数的大小，虽然会影响各结构之间分配的修正系数Kxi的比率，但不会影响总的散热量与总的耗热量相等的关系，这就是本发明的高精确检测的关键点所在。
为了反映整个建筑外围各种结构综合的传热特性，本发明提出了第二个重要的参数——综合传热系数Uz，即：
Qg＝Uz*∑Si*(Tw-Tn) (9式)
在(9式)中，Qg是已知的实际消耗的小时总热量，Uz是新的反映综合传热特性的参数，∑Si是所有对外散热的面积之和，Tw是周围大气的温度，Tn是内部空气的温度。
Uz也是一个变量，它包含了各种各样的误差以及误差之间的及其复杂的关系。
Uz＝Qg/(∑Si*(Tw-Tn)) (10式)
为了验证检测结果的正确性和记录数据的合理性，本发明还提出迭代验证法，即将用各个结构估计的第一次Ui初值，与实际的散热面积Si和实测的两面温度差计算出的第一次Uxi，作为新的估计值Ui的迭代值再计算一次，如果算出的Uxi＝Ui，说明检测结果正确和记录数据合理，否则找出原因再重算。
有了综合传热系数Uz和传热系数修正系数Kx以及迭代验证法以后，就可以高精度地、准确地和自动地检测出围护结构所有各部分的实际传热系数了！根据已检测和计算结果，还可以输出许多附加的信息，如换算出建筑居窒四周无邻居时要保持18度室温所耗热能；换算出在城市集中供暖条件下需要的供热量；指明保温改造的方向和节能改造的经济效果等。
本发明所用的检测设备是：一只温度计和一只表面温度计，外加1台或2台微型电暖器，加上一个专用模型软件，即可实现建筑围护各结构的实际传热系数的检测，其精度可达4位小数。
本发明要达到的目标是：除了大型的有经济实力的研究单位和节能公司可以节省投资和降低检测费用外，一般小型的节能公司和技术人员，用少量的资金和有限的人力资源投入，就可在现场实现高精度、同一建筑多个结构实际传热系数的检测。
本发明的具体实施步骤是：(1)预先收集被测对象的基础数据，包括被测对象的检测点名称、每点代表的面积、每点估计的原设计的传热系数、每点若有保温改造还需要收集新加保温材料的厚度和导热系数；(2)将基础数据输入到“LQ-LM数学模型”中；(3)视被测对象的大小放1台或2台已上市的“LQ-B便携式微型暖空调”(市电功率分2挡，每挡900W)；(4)关闭所有的门窗；(5)通电加热1～2天使被测对象达到热平衡；(6)热平衡后每隔4～8小时在建筑围护的各结构的内、外表面特征中心点，用CEM DT-810红外表面温度计记录特征中心点内、外表面的温度，同时用CEM DT-83普通电子式温度计记录大气温度和室内空气的温度；(6)将所有记录数据去除不合理的记录后求算术平均数并输入到专用“LQ-LM数学模型”中进行第一次计算，若有必要将第一次计算的各结构的“实际传热系数”作为第二次迭代计算的“原设计传热系数”再输入“LQ-LM数学模型”中；(7)输出最后各结构的实际传热系数的结果和其他信息。
本发明的经济技术效果：所有设备的成本在1000元人民币左右；(1)1人收集并录入基础数据约需2小时；(2)1人每隔4～8小时定时手工记录数据1次最多20分钟，最多连续记录3天，最多累计记录时间为6小时；(3)记录数据录入计算机并输出结果约需1小时。最后累计最多8个小时左右，便可获得被测对象所需结构的全部实际传热系数和大量附加信息。
本发明实施过程中个别特殊问题处理如下：其一，有些部位的外表温度直接测量不到(如没有地下室的一楼地面的“外表温度”)，可通过已检测到的记录推算出来，有些外表温度连推算也推算不出来，只好用估计值多次试算了。其二，实际检测中，一天不同时段对同一对象的测量结果有差别，有时差别还很大，连续几天相同时段的测量结果也不一样。经多次计算结果证明，通过多天相同时段的记录平均值计算的Kx后再平均Kx，与不分时段用全部记录的平均值计算的Kx，其误差均很小，所以在数据处理时，可以用几天所有记录的平均值直接计算Kx比较简便，但必须剔除不正常的检测记录。
附图说明
图1：被测对象示意图。其中：Qi表示墙面，i＝1～6；Ci表示窗户，i＝0～n；Mi表示门，i＝0～m。
图2检测仪器设备图。其中，61-数学模型(U盘中)；62-温度计；63-红外表面温度计；64-“LQ-B便携式微型暖空调”；65-电源插头；66-便携式电功率表；67-电热器插座。
具体实施方式
实施方案1
实施方案1的实施地点：山东省龙口市东海度假区某小区53-1-202卧室。
实施方案1中检测对象基本参数：该室是在5层砖混结构的第3层，全小区110栋楼均未供暖，居室6面均无住户。居室东西宽3.25米、南北深3.25米、室内高2.59米，顶棚和地面积10.56平米，空间27立方米；南阳台未封闭，有2.33米宽，2.27米高，5.3平米阳台门，分为3扇2推拉，双玻璃中空铝合金推拉门；北面有1.71米宽，2.28米高，3.9平米与门厅之间隔门，分为2扇双玻璃中空铝合金推拉门。
实施方案1中所用检测设备：参见图2，64-“LQ-B便携式微型暖空调”1台(加热功率2*900W，重2.5KG，包括66-便携式电功率表1块)；63-CEM DT-810手枪式红外表面温度计1块；62-CEM DT-83手枪式电子式温度计1块；61-“LQ-LM双参数传热系数现场检测数学模型”软件1套。
实施方案1中温度检测点分布：室内空气、室外空气、室内6面表面、阳台门内外表面、阳台窗内外表面、北门内外表面、南墙外表面、北墙外表面、西墙1楼2楼3楼外表面，专用电表读数等共27个数据。
实施方案1测试时间：2016.1.22 15：00-1.25 15：00共72小时，记录6组数据。
实施方案1基础数据：如下表：
在实施方案1的初始基础数据中，东、南和西墙的传热系数设为1.00w/m2.k，北墙设为1.50，顶棚和地面设为2.00w/m2.k，所有门和窗设为3.00w/m2.k。
实施方案1中，检测原始记录数据：如下表：
实施方案1中，检测结果：如下表：
为了证实实际的检测结果，将上述实测的各结构的传热系数作为设计估计值，迭代计算，其迭代结果如下表：
从上表可看出，迭代前算出真实的各结构的传热系数是正确的。
实施方案2
在实施方案1的基础上，不改变被测对象任何尺寸，仅仅在室内六面上(包括门窗)贴上30mm厚，导热系数为0.024的专用保温泡沫材料。
实施方案2测试时间：2016.2.13.13：30-2.15.9：30共44小时，8组记录。
实施方案2的基础数据(保温后)，见下表：
实施方案2的记录数据(保温后)，见下表：
实施方案2：检测的实际传热系数(保温后)见下表：
实施方案2：节能指导1(按传热系数大小排序)(保温后)，见下表：
显然，节能改造应从南门、北门和南窗开始，因实际传热系数最大。
实施方案2：节能指导2(按传热量大小排序)(保温后)，见下表：
显然，节能改造也应从顶面、西大面墙和地面开始，因实际散热量最大
实施方案2的其他派生信息(保温后)，见下表：
实施方案1(保温前)和实施方案2(保温后)的比较，见下表：
从上表比较可看出，用30mm PE发泡材料室内保温后，供热量减少一半，从1800瓦减到900瓦，但室温增加75％，从9.8度增到17.2度，综合传热系数降低57％，可见节能效果相当明显。
不分时段数据处理结果分析，见下表：
从上表可看出，尽管检测时由于环境参数变化影响较大，中午强阳光和夜间外温差较大。如同一小区的47-2-201已封阳台，中午出现阳台温度高于室内温度的现象，出现南阳台不是向外散热，而是向室内传热，这不符合检测的基本规定(规定室内温度高于室外温度)。数据处理时，要剔除这些非规定范围内数据后，尽管各时段的环境数据有差别，但分时段计算后的Kx值再求平均，与不分段完全用记录平均值计算的Kx，误差仅为1％。所以，为了简化数据处理，可直接用所有记录的平均值进行计算。

Claims (9)

1.一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于在被测对象的现场，利用3种普通仪器设备定时收集各种结构的数据，结合预先收集的各种结构的基础数据，利用所发明的“双参数检测原理”及计算机软件以检测出建筑围护各种结构的实际传热系数，并用“迭代验证法”验证检测结果的正确性，指出最大传热系数点和最大的散热结构件，同时提供相应的其他信息，记录平均值的处理方法和某些个别结构外表面温度检测不到的处理方法。
2.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的3种普通仪器设备分别是：1种普通电子式温度计CEM DT-83，用于记录大气温度和室内空气的温度，1种普通红外表面温度计CEM DT-810，用于记录各结构特征中心点内、外表面的温度，1台或2台“LQ-B便携式微型暖空调”，用于连续地、恒定地提供检测用热量。
3.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的预先收集的各种结构的基础数据包括：被测对象检测点名称，每点所代表的散热面积，每点原设计的传热系数，如果没有设计的传热系数将估计一个传热系数，某点若有保温改造则收集改造用的保温材料的厚度和保温材料的导热系数。
4.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的“双参数检测原理”中的双参数分别是“综合传热系数Uz”和“传热系数修正系数Kx”，Uz＝Qg/(∑Si*(Tw-Tn))，Kx＝Qg/(∑(Si*(Tni-Twi)*Ui)(其中Qg：检测时恒定供给的热量，∑Si：各结构对外散热面积的总合计，Tw：建筑外大气温度，Tn：围护内空气温度，Tni：某结构的内表温度，Twi：某结构的外表温度，Ui：某结构原传热系数)，各结构的实际传热系数Uxi＝Qg*Si*(Tni-Twi)*Ui/(∑(Si*(Tni-Twi)*Ui))。
5.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的“迭代验证法”是将第一次用原设计或估计的各结构的传热系数算出的第一次实际传热系数，代替第二次的原设计的传热系数再计算一次，如果第二次计算的实际传热系数等于第二次的设计传热系数，说明第一次计算的实际传热系数检测是正确。
6.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于指出最大传热系数结构点和最大的散热结构件，为节能提供参考意见，其处理过程是将计算结果按各结构的实测传热系数和实测小时传热量分别排序。
7.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的其他信息包括：建筑结构实测经济效果；被测对象在四周无邻居时实测与计算结果；被测对象在四周无邻居时要保证室温18度时需求；被测对象换算成集中供暖保18度室温的居民楼计算；经济数据汇总表。
8.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的记录平均值的处理方法是：剔除不合理的记录后，用所有记录不分时段的平均值进行计算。
9.根据权利要求1一种建筑围护各种结构传热系数检测方法及检测设备，其特征在于所述的某些个别结构外表面温度检测不到的处理方法是利用已检测的记录进行推算，如果最后推算不出来，只好用估算值试算几次，并与已检测值进行比较调整。
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