CN112229869A - 一种建筑墙体热阻现场测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种建筑墙体热阻现场测试装置及方法，测试装置包括加热板，温度控制器，以及温度传感器、热流传感器和保温板各两个；第一温度传感器、第一热流传感器、加热板和第一保温板均贴设于被测墙体热侧，第二温度传感器、第二热流传感器和第二保温板均贴设于被测墙体冷侧，第二保温板中部设有作为热流一维通道的通孔，第二温度传感器和第二热流传感器均位于该通孔内。测试方法是通过定量确定墙体冷热两侧一维传热区域大小，并通过测量并记录墙体冷热两侧一维传热区的表面温度以及该一维传热区通过的热流密度，计算得墙体当量热阻。本发明通过设置有利于热流集中通过的一维通道，并采用两阶段加热法，可快速建立稳态传热，有效缩短测试时间。

Description

一种建筑墙体热阻现场测试装置及方法

技术领域

本发明属于建筑墙体热阻测试领域，特别涉及一种现场测试建筑物墙体热阻现场测试装置及方法。

背景技术

我国建筑能耗占全国能耗总量的比例超过20％，且建筑面积总量巨大，建筑节能成为建筑行业的必然趋势。采暖、通风和空调的能耗占建筑能耗的一大部分，其中供冷供暖能耗的20％-50％是由建筑围护结构传热引起。建筑墙体作为主要围护结构构件，热阻是衡量墙体保温性能好坏的重要指标，也是计算墙体散热量的主要依据。

墙体实际性能与设计值可能不一致，尤其是建筑物投入使用较长时间后，由于受潮、材料破坏等各种原因，实际热工性能可能与设计值相去较远，因此建筑墙体热阻的确定不能仅依靠设计图纸、施工资料等，而需要进行现场检测。现场准确测定围护结构热阻将广泛应用于绿色建筑后评估、既有建筑节能改造、模拟软件应用等诸多方面。

目前建筑墙体热阻现场检测方法中，常用的方法有热流计法、热箱法、冷热箱法等。

热流计法所需测试仪器简单，包括热电偶、热流计、数据采集仪等，测试墙体内外表面的温度和通过墙体的热流密度，计算得到墙体的热阻。当墙体两侧有一定温差且为一维传热时检测结果较准确，往往是在冬天供暖房间内外存在较大温差时才能进行测试，或者需要对密闭房间进行长时间加热才可达到稳态传热，因此对测试季节和测试时长(一般为 3-7天)都提出了较高要求。

热箱法是热流计法基础上的改进，利用恒温箱可以将箱内温度控制在恒定值，人为营造墙体两侧表面的温度差，测试墙体内外表面的温度和通过墙体的热流密度，计算得到墙体的热阻。冷热箱法是在墙体一侧表面安装热箱，同时在另一侧表面加设冷箱，条件相对苛刻。

热箱法和冷热箱法测试可以不受季节限制，但由于对墙体进行局部加热，实际墙体导热过程存在向侧向失热的三维效应，不利于一维传热的快速建立，必然会对一维假设下的测试结果造成误差。为了削弱三维传热的影响，箱体设备很大(面积至少为1m×1m)，且墙体现场由于门窗梁柱形成热桥等原因可能没有足够的适宜空间进行大面积加热，导致安装和操作不方便。另外，冷/热箱体积较大也造成检测过程中大量的制冷/加热能耗。

因此，需要针对上述问题对现有技术进行创新。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种建筑墙体热阻现场测试装置及方法。具有构造简单、安装使用方便、测量时间短等特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种建筑墙体热阻现场测试装置，其特征在于，包括加热板，温度控制器，以及温度传感器、热流传感器和保温板各两个；其中，第一温度传感器、第一热流传感器、加热板和第一保温板均贴设于被测墙体热侧，所述第一温度传感器和第一热流传感器紧贴被测墙体热侧墙壁且被所述加热板完全覆盖，所述加热板被所述第一保温板完全覆盖，所述温度控制器与所述加热板电连接；第二温度传感器、第二热流传感器和第二保温板均贴设于被测墙体冷侧，所述第二保温板中部设有作为热流一维通道的通孔，第二温度传感器和第二热流传感器均位于该通孔内且分别与第一温度传感器和第一热流传感器正对设置。本发明还提出利用上述建筑墙体热阻现场测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述建筑墙体热阻现场测试装置安装于满足要求的被测墙体上；开启该建筑墙体热阻现场测试装置，采用两阶段加热法对被测墙体进行加热，第一阶段设定为恒定温度T₁以快速提升墙体内部温度，该阶段持续时间为0.5～8h；第二阶段设定为所需加热温度T₂；两阶段设定温度满足以下公式：

10℃≤T₂-T_c≤27℃

T₁-T₂≥10℃

式中：T_c为被测墙体冷侧的表面温度；

上述加热过程中按照设定频率采集和记录所有测试数据，记录间隔时长不大于1min；

2)根据步骤1)采集的测试数据判断是否达到近似稳态传热，若达到近似稳态传热，即要同时满足：(a)0.5h内，冷侧温度变化绝对值不超过0.5℃；(b)0.5h内，冷侧和热侧的热流密度变化均不超过20％，则执行步骤3)；若未达到近似稳态传热则等待直到达到近似稳态传热，执行步骤3)；其中，被测墙体的测试区域内任一点在任意时刻的温度T(x，τ)通过以下公式计算：

式中，x为被测墙体的测试区域内任一点至热侧测试区域中心的距离；τ为当前加热时刻； a为被测墙体的导温系数；T_h为被测墙体热侧的表面温度；T₀为加热初始时刻被测墙体热侧的表面温度；T′_c为被测墙体冷侧的表面温度的变化率；n为从1开始的连续正整数；t为时间积分变量，t∈[0，τ]；

3)取进入近似稳态后任意10min的采集数据，按照下式计算被测墙体的热阻：

式中，R为被测墙体的热阻；

为τ时刻被测墙体热侧表面的温度测量值；

为τ时刻被测墙体冷侧表面的温度测量值；

为τ时刻被测墙体热侧热流密度测量值；

为τ时刻被测墙体冷侧热流密度测量值。

本发明的特点及有益效果：

1、本发明中一维传热区达到近似稳态传热，可以提高采用傅里叶导热定律计算的结果精度，计算简单，减小了墙体传热三维效应造成的测试误差。

2、与现有的测量装置相比，由于在墙体未加热侧壁面装设了热流一维通道，有利于热流集中从一维通道中通过，降低从热流计四周区域的散失，从而快速建立稳态传热过程，测试时间得以有效缩短。

3、本发明采用两阶段加热法，第一阶段设定加热温度高于第二阶段，有利于快速达到近似稳态传热状态，缩短测试时间。

4、本发明采用加热板作为热源，所需加热板最小尺寸与传统热箱法相比显著减小，大大减小了对被测墙体所需安装面积的要求，装置体积和重量比传统热箱轻便，安装过程操作简单，节约检测人力成本，降低检测过程中的能耗，便于推广利用。

附图说明

图1为本发明的墙体热阻现场测试示意图。

图2为本发明实施例的测试数据曲线示意图。

图3为墙体热阻测试过程中墙体传热侧剖面以及一维传热区大小确定的示意图。

图4为墙体热阻测试时有无热流一维通道装置的墙体内部热流侧剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种建筑墙体热阻现场测试装置及方法的应用实例。

本发明实施例的一种建筑墙体热阻现场测试装置，其整体结构参见图1，包括加热板3、两个温度传感器(1和7)、两个热流传感器(2和8)和两个保温板(4和9)。其中，第一温度传感器1和第二温度传感器7，以及第一热流传感器2和第二热流传感器8均分别紧贴被测墙体10热侧和冷侧的墙壁且正对设置；加热板3贴设于被测墙体10热侧并完全覆盖第一温度传感器1和第一热流传感器2；第一保温板4贴设于被测墙体10热侧并完全覆盖加热板3；加热板3通过电线5与温度控制器6连接，由该温度控制器6控制加热板3的温度；由加热板3、第一温度传感器1、第一热流传感器2和第一保温板4构成加热装置，通过该加热装置能在被测墙体热侧表面营造均匀高温等温面。进一步地，第一温度传感器1和第一热流传感器2应与加热板3彼此接触，加热板3与第一保温板4宜彼此接触。第二保温板9 贴设于被测墙体10冷侧，且第二温度传感器7、第二热流传感器8位于第二保温板9中部设置的通孔91内且不与通孔91侧壁相接触，该通孔91作为热流一维通道营造一维传热区。本测试装置可保证被测墙体内部的温度场和热流场不随时间变化。

本实施例中各组成部件的具体实现方式分别描述如下：

如图1所示，针对现有现场测试热箱体积较大、安装不便的缺点，本发明采用加热板 3作为热源，加热板3为由导热性良好且轻便的金属材料(如铝、铜、银及相关合金材料)制作成的平整金属板，加热板3的形状具有对称特性(如正方形、圆形)，且加热板3的边界可以完全覆盖一个圆形区域的边界，该圆形区域大小满足：L≥0.5δ+0.15，L为圆形区域的直径(m)；δ为被测墙体10的厚度(m)。

第一温度传感器1和第一热流传感器2集成在加热板3的表面中心，在不影响加热装置内部温度场均匀性和被测墙体10表面均匀受热的前提下，通过第一温度传感器1和第一热流传感器2可以准确测得加热板3中心点的温度和热流密度。加热板3通过导线5与温度控制器6连接，可以自动维持加热板3的表面温度恒定，温度控制器6的控制精度为±0.1℃。在加热板3的背面覆盖足量保温材料形成第一保温板4，用于减小加热板3的热量从其背面散失，进而降低加热能耗。优选的，加热板3贴设在第一保温板4内侧。第一保温板4的尺寸满足：

L₁≥L+0.05，δ₁≥0.30

式中：L₁为第一保温板4的边长(m)；δ₁为第一保温板4的厚度(m)。

针对现有现场测试三维导热导致误差较大的缺点，本发明采用第二保温板9减小被测墙体10的侧向失热。第二保温板9的尺寸满足：

L₂≥L

式中：L₂为第二保温板9的边长(m)；δ₂为第二保温板9的厚度(m)。

第二保温板9内通孔91的尺寸不小于第二温度传感器7、第二热流传感器8的尺寸。

测试时，第二保温板9粘贴固定于被测墙体10的冷侧表面，第二保温板9的通孔91位置对准第二温度传感器7和第二热流传感器8所在位置，使第二保温板9覆盖第二温度传感器7和第二热流传感器8四周且与加热板3面积大小对应的区域，热流集中从一维通道通过，有利于一维传热区的快速建立。

各温度热流传感器，其温度测量精度为±0.2℃，热流测量精度为±5％，且各温度、热流传感器的长度不大于100mm，以保证各温度、热流传感器处于一维传热区内，从而保证温度和热流测量值的精准。

本发明实施例的一种利用上述装置对建筑墙体热阻进行现场测试的方法，是通过定量确定被测墙体冷热两侧一维传热区域大小，并通过测量并记录被测墙体冷热两侧一维传热区的表面温度以及该一维传热区通过的热流，计算得出被测墙体的当量热阻。

在测试前可先进行如下准备工作：

测试时段选择：宜在多云或阴天进行，避开气温剧烈变化的天气，避开雨雪天。

加热区域选择：尽量选取全天没有太阳直射的区域；为避免热桥，不在门窗、金属结构、梁柱的附近选取加热区域，不靠近有裂纹和有空气渗透的结构缺陷部位，不受加热、制冷装置如暖气片、空调、风扇等气流的直接影响；可在测试前使用热成像仪对被测墙体进行扫描，排除不适宜测试的区域。

墙体壁面打磨：若选择的加热区域壁面过于粗糙，直接安装本测试装置会在壁面和加热板面间形成过厚的空气层，造成不可忽略的测试误差。需要简单打磨壁面，常用方法为使用砂纸进行打磨与清洁，但不可对墙体表面材质或厚度造成明显改变。并涂抹适量导热硅脂或凡士林。

待上述准备操作完成后，按照以下步骤对建筑墙体热阻进行现场测试：

1)完成测试准备工作后，参见图1，在墙体一侧表面(热侧)选择的加热区域安装加热装置，具体地：将附有第一温度传感器1、第二热流传感器2的加热板3紧密贴合墙面安装在被测墙体10一侧，在被测墙体10另一侧(冷侧)正对热源中心处紧贴壁面安装第二温度传感器7和第二热流传感器8。将第二保温板9紧贴冷侧壁面固定，第二保温板9 内的通孔91对准第二温度传感器7和第二热流传感器8，使保温材料覆盖测点四周加热板 3面积大小的区域。正确安装测试装置后，接通电源，开启加热装置，采用两阶段加热法，第一阶段设定为恒定高温以提升待测墙体10内部温度，持续时间一般不少于0.5h、不超过8h；第二阶段设定为所需加热温度。并且两阶段设定温度满足以下公式：

10℃≤T₂-T_c≤27℃

T₁-T₂≥10℃

式中：T_c为被测墙体10冷侧的表面温度(℃)；T₁和T₂分别为第一阶段和第二阶段的加热温度(℃)，即由温度控制器6控制加热板3在相应阶段终止时的温度。式中，10℃和27℃是通过经理论公式推得，当小于10℃时，计算结果误差明显增大，当大于27℃后，对计算结果误差减小的贡献很小。

上述加热过程中按照设定频率采集和记录所有测试数据，记录间隔时长不大于1min。

2)根据步骤1)采集的测试数据判断是否达到近似稳态传热，若达到近似稳态传热，即要同时满足：(a)0.5h内，冷侧温度变化绝对值不超过0.5℃；(b)0.5h内，冷侧、热侧的热流密度变化不超过20％，参见公式(1)～(3)，则执行步骤3)；若未达到近似稳态传热则等待直到达到近似稳态传热，执行步骤3)。其中，被测墙体10的测试区域内任一点在任意时刻的温度T(x，τ)通过以下公式计算：

式中，x为被测墙体10的测试区域内任一点至热侧测试区域中心的距离(m)；τ为当前加热时刻(s)；a为被测墙体10的导温系数(m²/s)；T_h为被测墙体10热侧的表面温度(℃)；T₀为加热初始时刻被测墙体10热侧的表面温度(℃)；T_c为被测墙体10冷侧的表面温度(℃)；T′_c为被测墙体10冷侧的表面温度的变化率(℃/s)；n为从1开始的连续正整数；t为时间积分变量，t∈[0，τ]。

公式(1)～(3)分别为：

式中，

为τ时刻被测墙体冷侧的表面温度(℃)；

为τ-Δτ时刻被测墙体冷侧的表面温度(℃)；

为τ时刻被测墙体热侧的热流密度(W/m²)；

为τ-Δτ时刻被测墙体热侧的热流密度(W/m²)；

为τ时刻被测墙体冷侧的热流密度(W/m²)；

为τ-Δτ时刻被测墙体冷侧的热流密度(W/m²)。

整个测试过程的数据示意图如图2所示，其中(a)为温度，(b)为热流密度。图中：T_h为被测墙体热侧的表面温度(℃)；T_c—为被测墙体冷侧的表面温度(℃)；q_h为被测墙体热侧的热流密度(W/m²)；q_c为被测墙体冷侧的热流密度(W/m²)；τ₁—第一阶段用时 (s)；τ₂—近似稳态用时(s)；τ₃—测试总时长(s)。

3)传热过程进入近似稳态后，再持续测定一段时间(本实施例为0.5h)，完成全部测试过程。可以根据傅里叶定律计算热阻，被测墙体冷热侧温差为同一时刻冷侧和热侧温度的差值，同一时刻冷热两侧的热流密度取算术平均值作为通过被测墙体的平均热流密度，可以满足现场检测的要求。为减小不同数据取值时段带来的随机误差，取进入近似稳态后任意10min的数据计算。即：

式中：R为被测墙体的热阻(m²·K/W)；

为τ时刻被测墙体热侧表面的温度测量值(℃)；

为τ时刻被测墙体冷侧表面的温度测量值(℃)；

为τ时刻被测墙体热侧热流密度测量值(W/m²)；

为τ时刻被测墙体冷侧热流密度测量值(W/m²)。

考虑到三维导热，本发明的测试中可将被测墙体冷侧分为如图3所示三个区域，即一维传热区I、非一维传热区II、不受影响区III。图3中受热区域指被测墙体内部受到加热装置传热影响的区域，其内部的点画线为等热流线，任一点的热流方向为过该点等热流线的法线方向。垂直于水平方向横轴的实线段表示该厚度处的一维传热区。

在一维传热区I，被测墙体传热的侧向失热比例较低，内部等温线分布基本平行于墙面，认为满足一维传热假设，该区域是布置温度传感器和热流传感器测点的最佳位置区域。冷侧温度、热流密度的最大值均出现在中心点，以中心点热流密度值的95％作为一维传热区边界的判定条件。以横坐标x₀为例，热流密度最大值q_xm出现在中心点y＝0即被测墙体热侧的测试区域中心处，则以0.95q_xm的等热流线与直线x＝x₀的两交点为一维传热区端点。随着传热过程的进行，一维传热区大小d(x)随x坐标增大而逐渐减小，在冷侧壁面减小为d。温度不作为一维传热区的边界判断条件，是由于对于不同工况，温度偏差的绝对值作为边界判据将不具备通用性。

在非一维传热区II，存在较大比例的侧向散热(图3中热流矢量的y轴分量)，该区域被测墙体冷侧表面的温度、热流密度值均低于一维传热区，不满足一维传热假设，实际测试中若在该区域安装温度传感器和热流传感器会对结果造成较大误差。

在不受影响区III，被测墙体不受加热装置的影响，温度、热流密度均处于不加热时自然状态下的情形。

测试计算被测试件热阻时，被测墙体冷侧的热流密度值应选取一维传热区，即热流一维通道中通过的热流密度值。

如图4所示，被测墙体热阻测试时，其冷侧有无热流一维通道装置会造成墙体内部热流分布情况不同(图中虚线所示为未设置热流一维通道装置时墙体内部的热流分布情况，图中实现所示为设置热流一维通道装置时墙体内部的热流分布情况)。冷侧没有热流一维通道时，有较大比例的热流侧向散失，导致测试需要营造的一维传热区不容易形成，为保证结果精度需要较大的加热面积；冷侧安装热流一维通道装置时，一维通道以外的传热路径热阻显著大于中间一维通道以内，故较大比例的热流集中从该一维通道通过，有利于快速形成傅里叶定律成立的一维传热区，测试结果精度较高，所需加热面积减小，装置简便。

综上所述，本发明采用两阶段加热的加热板-热流计法，克服了热流计法测量时间长、受环境条件影响较大的缺点，以及冷热箱法设备体积大、安装不便的缺点，具有现场测试快速、测试数据准确、装置简便的特点。本测试装置在墙体两侧构建传热温差，加热装置在被测墙体一侧表面营造均匀等温面，另一侧表面的热流一维通道装置营造一维传热区。经过一段时间，一维传热区内，墙体两侧表面温度保持不变，内部的温度场和热流场不随时间变化，即可认为该区域内傅里叶导热定律成立。测试仪器通过测量墙体一维传热区冷热两侧的表面温度以及通过该一维传热区的热流密度，计算出墙体当量热阻。

可以理解，在不背离本发明的实质特征的前提下，本发明的技术方案可以进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种建筑墙体热阻现场测试装置，其特征在于，包括加热板，温度控制器，以及温度传感器、热流传感器和保温板各两个；其中，第一温度传感器、第一热流传感器、加热板和第一保温板均贴设于被测墙体热侧，所述第一温度传感器和第一热流传感器紧贴被测墙体热侧墙壁且被所述加热板完全覆盖，所述加热板被所述第一保温板完全覆盖，所述温度控制器与所述加热板电连接；第二温度传感器、第二热流传感器和第二保温板均贴设于被测墙体冷侧，所述第二保温板中部设有作为热流一维通道的通孔，第二温度传感器和第二热流传感器均位于该通孔内且分别与第一温度传感器和第一热流传感器正对设置。

2.根据权利要求1所述的建筑墙体热阻现场测试装置，其特征在于，所述加热板的形状具有对称性，且该加热板的边界能完全覆盖一个圆形区域的边界，该圆形区域的直径L满足：L≥0.5δ+0.15，δ为被测墙体的厚度；所述第一保温板的边长L₁和厚度δ₁满足：L₁≥L+0.05，δ₁≥0.30；所述第二保温板的边长L₂和厚度δ₂满足：

L₂≥L

3.根据权利要求1所述的建筑墙体热阻现场测试装置，其特征在于，所述第一温度传感器和第一热流传感器集成在加热板的表面中心且彼此接触，所述加热板与第一保温板彼此接触；所述第二温度传感器和第二热流传感器与第二保温板内通孔的侧壁不接触。

4.一种利用权利要求1～3中任意一项所述的建筑墙体热阻现场测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所述建筑墙体热阻现场测试装置安装于满足要求的被测墙体上；开启该建筑墙体热阻现场测试装置，采用两阶段加热法对被测墙体进行加热，第一阶段设定为恒定温度T₁以快速提升墙体内部温度，该阶段持续时间为0.5～8h；第二阶段设定为所需加热温度T₂。两阶段设定温度满足以下公式：

10℃≤T₂-T_c≤27℃

T₁-T₂≥10℃

式中：T_c为被测墙体冷侧的表面温度；

上述加热过程中按照设定频率采集和记录所有测试数据，记录间隔时长不大于1min；

2)根据步骤1)采集的测试数据判断是否达到近似稳态传热，若达到近似稳态传热，即要同时满足：(a)0.5h内，冷侧温度变化绝对值不超过0.5℃；(b)0.5h内，冷侧和热侧的热流密度变化均不超过20％，则执行步骤3)；若未达到近似稳态传热则等待直到达到近似稳态传热，执行步骤3)；其中，被测墙体的测试区域内任一点在任意时刻的温度T(x，τ)通过以下公式计算：

式中，x为被测墙体的测试区域内任一点至热侧测试区域中心的距离；τ为当前加热时刻；a为被测墙体的导温系数；T_h为被测墙体热侧的表面温度；T₀为加热初始时刻被测墙体热侧的表面温度；T′_c为被测墙体冷侧的表面温度的变化率；n为从1开始的连续正整数；t为时间积分变量，t∈[0，τ]；

3)取进入近似稳态后任意10min的采集数据，按照下式计算被测墙体的热阻：

式中，R为被测墙体的热阻；

为τ时刻被测墙体热侧表面的温度测量值；

为τ时刻被测墙体冷侧表面的温度测量值；

为τ时刻被测墙体热侧热流密度测量值；

为τ时刻被测墙体冷侧热流密度测量值。

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