CN111413364B - 一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法及系统 - Google Patents

一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法及系统，该方法包括：S1：通过原位校准测出墙体表面发射率；S2：利用人工热源对建筑墙体的一侧表面进行加热，并通过红外热像仪获取墙体加热期间的相对变化温度；S3：获取S2加热区域的热流数据，利用墙体表面发射率得到墙体的实际热流量；S4：通过获得的墙体表面的相对变化温度及实际热流量，计算出建筑墙体内混凝土的蓄热系数值。与现有技术相比，本发明只对加热侧墙体的表面温度和热流量数据进行采集，采集参数少、检测时间短，对于多种结构的较厚墙体都适用，适用范围广，并且有现场施工方便、分析计算简单、对建筑墙体无损害等优点。

Description

一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法及系统
技术领域
本发明涉及热工性能检测领域，尤其是涉及一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法及系统。
背景技术
在世界能源消耗构成中，建筑能耗占比约30％。其中，用于室内空气调节所产生的能耗(供暖和制冷)占建筑总能耗的一半以上。据研究表示，具有良好热性能的建筑墙体可以降低建筑物对能源的消耗，提高建筑物的能源利用效率。因此，短时间内精确简便的对建筑墙体热学性能进行定量无损检测，来获取既有建筑墙体的热工参数，对于建筑能源系统模拟、建筑节能改造、新建筑验收等方面都有着重大的意义。
然而，目前仍缺乏精确成熟的短时间内可对建筑墙体热工性能原位测量的方法。目前用于原位检测建筑墙体热工性能的方法和标准主要有：热流计法(HFM)(GB/T 10295-2008)和热箱法(GB/T 13475-2008)等。这些方法主要基于墙体内稳态数值传热模型，需要数天甚至数周时间进行数据测量，而且，该类检测方法所需仪器设备多，检测流程复杂，对检测环境要求高，在现场条件下，由于气象变化，难以实现建筑墙体的稳态传热。
因此，为克服测试时间长、检测设备复杂、测试条件严格等缺点，基于墙体内瞬态数值传热模型的无损检测成为一个新的发展方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，包括：
S1：通过原位校准测出墙体表面发射率；
S2：利用人工热源对建筑墙体的一侧表面进行加热，并通过红外热像仪获取墙体加热期间的相对变化温度；
S3：获取S2中加热区域的热流数据，利用墙体表面发射率得到墙体的实际热流量；
S4：通过获得的墙体表面的相对变化温度及实际热流量，计算出建筑墙体内混凝土的蓄热系数值。
优选的，所述S1具体包括：
将两个热流计设置在建筑墙体加热一侧的表面上，其中一个热流计的表面覆盖发射率极低的第一材料，另一个热流计的表面覆盖发射率已知的第二材料，通过红外热像仪获取两个热流计的表面辐射能量，计算得到墙体表面发射率。
优选的，所述墙体表面发射率为ε墙体：
Figure BDA0002446331180000021
其中，εb为第二材料的发射率；W墙体为墙体被测区域的辐射能量；W环境为环境反射能量，即所述第一材料区域的辐射能量；Wb为所述第二材料区域的辐射能量。
优选的，所述S2中利用人工热源对建筑墙体的表面加热时需持续定值加热6～10小时。
优选的，所述S2中通过红外热像仪获取墙体加热期间的相对变化温度时，拍摄距离为0.5～1.5米，并且检测期间每间隔设定时间记录一次温度变化平均值。
优选的，所述S3中的热流数据为通过所述两个热流计测得的热流数据。
优选的，所述建筑墙体为单层混凝土结构墙体时，所述蓄热系数通过下式得到：
Figure BDA0002446331180000022
其中，T为相对变化温度，q为墙体的实际热流量，t为时间，b为蓄热系数，π为圆周率常数。
优选的，所述建筑墙体含保温层和混凝土结构墙体时，所述蓄热系数通过下式得到：
Figure BDA0002446331180000023
其中，T为相对变化温度，q为墙体的实际热流量，t为时间，b为蓄热系数，π为圆周率常数，R为保温层热阻。
优选的，所述第一材料为铝箔，所述第二材料为发射率已知的黑胶带。
一种用于建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法的系统，包括：
两个热流计，设置在建筑墙体被测区域的表面上，其中一个热流计的表面覆盖发射率极低的第一材料，另一个热流计的表面覆盖发射率已知的第二材料；
红外热像仪，设置在建筑墙体被测区域的前方；
人工热源，设置在建筑墙体被测区域的前方。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明基于瞬态响应数值传热模型，用非接触式人工热源在建筑墙体内构建瞬态传热场，可实现非接触、快速的二维检测，有效缩短了检测时间，使检测在10小时内完成，对于多种结构的较厚墙体都适用，适用范围广。
2、本发明只需采集建筑墙体加热侧一侧的温度与热流量两个参数，减少仪器设备的使用，简化了现场检测的步骤，使现场施工检测更加方便。
3、本发明的人工热源与温度检测均为采用非接触式方法，减少安装在墙体的仪器设备，降低了对墙体的损害，同时方便施工检测，克服对于高层建筑原位检测的不便。
4、本发明考虑了含保温层的建筑墙体检测，提出双层墙体结构的检测方法，增加该发明的适用性。
附图说明
图1为本发明建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测检测系统结构示意图；
图2为单层墙体结构示意图；
图3为双层墙体结构示意图；
图4为实施例中单层结构墙体的温度变化曲线；
图5为实施例中含保温层的双层结构墙体的温度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本申请提出一种快速、方便的建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，采用图1所示的检测系统，系统包括：两个热流计，设置在建筑墙体被测区域的表面上，其中一个热流计的表面覆盖发射率极低的第一材料，具体可采用褶皱的铝箔，另一个热流计的表面覆盖发射率已知的第二材料，具体可采用黑胶带；红外热像仪，设置在建筑墙体被测区域的前方；人工热源，设置在建筑墙体被测区域的前方。
本方法包括以下步骤：
S1：通过原位校准测出墙体表面发射率；
S2：利用人工热源对建筑墙体的一侧表面进行加热，并通过红外热像仪获取墙体加热期间的相对变化温度，得到温度变化曲线；
S3：获取步骤S2加热区域的热流数据，利用墙体表面发射率得到墙体的实际热流量；
S4：通过获得的墙体表面的温度变化曲线及实际热流量，计算出建筑墙体内混凝土的蓄热系数值。
步骤S1中原位校准是利用检测系统的红外热成像仪和两个热流计完成。依据辐射能量平衡关系式，当假设大气穿透率为1时，红外摄像仪所获取的物体表面辐射能量为物体表面自身发射能量与环境反射能量之和：
Figure BDA0002446331180000041
由墙体和第二材料表面的辐射能量，依据辐射能量平衡关系式，可推导出墙体表面发射率ε墙体为：
Figure BDA0002446331180000042
其中，εb为第二材料的发射率；W墙体为通过红外热成像仪获取的墙体被测区域的辐射能量；W环境为环境反射能量，在室温环境下通过红外热成像仪测量覆盖第一材料区域的辐射能量，由于第一材料表面发射率极低，可视为0，因此第一材料区域的辐射能量即为环境反射能量；Wb为通过红外热成像仪获取的第二材料区域的辐射能量。
步骤S2中用非接触式可控热源对建筑墙体一侧加热，具体为使用人工热源对准墙体被测区域持续定值加热10小时并停止。用红外热像仪获取表面温度变化时，每十秒记录一次，一次拍摄6张，求取每一个时间点的相对变化温度平均值。
步骤S3中的热流数据为通过两个热流计测得的热流数据。依据两个热流计和墙体表面能量平衡方程可以得出，墙体实际热流计算公式为：
q墙体＝a墙体G+h墙体(T空气-T墙体)-ε墙体·σ·T墙体 4
其中
Figure BDA0002446331180000051
Figure BDA0002446331180000052
式中q、T、a、ε、h分别为对应下标的热流量、温度、吸收率、发射率和对流换热系数，下标为“铝”表示第一材料铝箔，下标为“黑”表示第二材料黑胶带；σ为玻尔兹曼常数。
相对变化温度与热流量、混凝土蓄热系数的函数关系式，是由一维瞬态数值传热模型推导而来。首先对导热微分方程中的温度和热流进行拉普拉斯变换，得出多层建筑材料的瞬态传热模型表达式：
Figure BDA0002446331180000053
Figure BDA0002446331180000054
Figure BDA0002446331180000055
Figure BDA0002446331180000056
式中θ、Φ、p分别为拉普拉斯变换后的温度、热流、时间；λ、b、α、L分别为材料的导热率、蓄热系数、热扩散率和厚度；i表示墙体的第i层结构。使用半无限大条件对该传热模型进行化简，再把得到的建筑前表面温度解进行逆拉普拉斯变换，可得到建筑墙体被测区域表面相对变化温度与热流的关系式：
建筑墙体为单层混凝土结构墙体时，为：
Figure BDA0002446331180000057
建筑墙体含保温层和混凝土结构墙体时，为：
Figure BDA0002446331180000058
其中，T为相对变化温度，q为墙体的实际热流量，t为时间，b为蓄热系数，π为圆周率常数，R为保温层热阻。
把步骤S1中所得到的相对变化温度曲线带入根据代入相对变化温度与热流的关系式，根据温度变化曲线的斜率，则可得到被测建筑墙体的蓄热系数。
本实施例中，获取图2所示单层结构墙体的表面温度变化曲线，如图4所示。
图4中，对线性部分进行线性拟合，得到拟合曲线的斜率为0.553，把斜率带入的公式(1)，其中墙体实际热流量q为180w/m2，得到蓄热系数为1224J/K·m2·s0.5。
获取图3所示双层结构墙体的表面温度变化曲线，如图5所示。
图5中，同样线性拟合后，把斜率代入公式(2)中，其中墙体实际热流量q为6w/m2，保温层热阻R为2.1m2·K/w，得到蓄热系数为886J/K·m2·s0.5。

Claims (9)

1.一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，包括：
S1：通过原位校准测出墙体表面发射率；
S2：利用人工热源对建筑墙体的一侧表面进行加热，并通过红外热像仪获取墙体加热期间的相对变化温度；
S3：获取S2中加热区域的热流数据，利用墙体表面发射率得到墙体的实际热流量；
S4：通过获得的墙体表面的相对变化温度及实际热流量，计算出建筑墙体内混凝土的蓄热系数值；
所述建筑墙体为单层混凝土结构墙体时，所述蓄热系数通过下式得到：
Figure FDA0003749696190000011
其中，T为相对变化温度，q为墙体的实际热流量，t为时间，b为蓄热系数，π为圆周率常数。
2.根据权利要求1所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述S1具体包括：
将两个热流计设置在建筑墙体加热一侧的表面上，其中一个热流计的表面覆盖发射率极低的第一材料，另一个热流计的表面覆盖发射率已知的第二材料，通过红外热像仪获取两个热流计的表面辐射能量，计算得到墙体表面发射率。
3.根据权利要求2所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述墙体表面发射率为ε墙体：
Figure FDA0003749696190000012
其中，εb为第二材料的发射率；W墙体为墙体被测区域的辐射能量；W环境为环境反射能量，即所述第一材料区域的辐射能量；Wb为所述第二材料区域的辐射能量。
4.根据权利要求1所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述S2中利用人工热源对建筑墙体的表面加热时需持续定值加热6～10小时。
5.根据权利要求4所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述S2中通过红外热像仪获取墙体加热期间的相对变化温度时，拍摄距离为0.5～1.5米，并且检测期间每间隔设定时间记录一次温度变化平均值。
6.根据权利要求2所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述S3中的热流数据为通过所述两个热流计测得的热流数据。
7.根据权利要求1所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述建筑墙体含保温层和混凝土结构墙体时，所述蓄热系数通过下式得到：
Figure FDA0003749696190000021
其中，T为相对变化温度，q为墙体的实际热流量，t为时间，b为蓄热系数，π为圆周率常数，R为保温层热阻。
8.根据权利要求2所述的一种建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法，其特征在于，所述第一材料为铝箔，所述第二材料为发射率已知的黑胶带。
9.一种用于权利要求1～8任一所述的建筑墙体内混凝土蓄热系数原位无损检测方法的系统，其特征在于，包括：
两个热流计，设置在建筑墙体被测区域的表面上，其中一个热流计的表面覆盖发射率极低的第一材料，另一个热流计的表面覆盖发射率已知的第二材料；
红外热像仪，设置在建筑墙体被测区域的前方；
人工热源，设置在建筑墙体被测区域的前方。
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