CN113418958A - 一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置及方法。该装置为两座尺寸材料与构造方式完全相同的缩微实体建筑，分别在两座建筑外（内）表面贴附公认的节能材料（特定厚度保温材料）和待测评的材料，在相同供暖条件下对比室内热环境参数，以内空气、内表面累计温升比评价室内热环境差异。建筑内部布置代表室内热舒适的室内气温测点及室内壁温测点（及外壁温、环境气温参考测点）；建筑下部布置相同功率的热源均匀加热建筑内部空间，模拟建筑供暖运行模式。本发明通过室内空气均温升、内壁面均温升计算某一供暖时段的累计温升比，从而评价待测材料与公认节能材料的热舒适性能差异，为建筑节能监督部门以及建筑节能标准设计提供依据。
Description
技术领域
本发明属于建筑围护结构节能材料性能对比检测技术领域，具体涉及一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置及方法。
背景技术
冬季较差的热环境会影响人体热舒适，严重时导致相关疾病发病率的上升。且由于极端寒冷天气频繁出现，人们也开始更多地关注建筑围护结构的保温性能。传统的围构节能材料包括聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫等，这些材料一直以来都具有公认的节能效果，然而传统围构节能材料的安全问题却在逐渐凸显。材料易脱落、易燃烧产生有毒气体、易引发大规模火灾等等，这些都对人们的生活品质与生命安全产生了极大的威胁，因此国内外建筑领域逐渐开拓新型多元化材料。
建筑室内热量散失主要通过热传导、热对流、热辐射三种途径。传统的围构节能材料主要是通过提高气相空隙率，降低导热系数从而达到保温效果。科学技术发展日新月异，新型围构节能材料如膨胀玻化微珠材料、硅酸铝保温材料、酚醛泡沫材料、隔热保温涂料等，它们或是通过加入有机材料从而形成导热系数更低的复合保温材料，也有通过引入导热系数极低的空气微孔层来隔绝热能传递的，还有由一些悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒所构成的反射材料。这些新型材料能否有效地降低辐射传热和对流传热，达到厂商宣传的节能效果，时有突破传统认知。
目前在保温材料检测技术领域中，都是通过热箱法、热流计法、控温箱-热流计法在稳定工况下检测计算材料的等效热阻或是传热系数，以该参数反映其保温性能。但实际上，这些检测方法是为传统材料定身量做且只能检测材料本身性质，并不能反映材料应用于建筑后对室内热环境的真实效果，也无法量化对比不同节能材料在实际工程中节能率上的差异。因此，在实际应用中，需要结合实体建筑，考虑供暖运行模式、围护结构蓄放热等多因素影响时，科学评价不同围构节能材料所营造的室内热舒适的对比检测方法。为建筑节能实践提供理论基础与技术支撑。
发明内容
为克服现有研究领域检测技术所存在的不足，本发明的发明人通过多次重复实验的验证以及实验内容方法的不断完善，最终形成了一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置及方法。
本发明的技术方案是，一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置及方法，其特征在于，该装置为两座几何尺寸完全相同，墙、窗、地、顶、门的材料与构造方式也完全相同的缩微实体建筑，一座基准建筑外（内）表面贴附公认的节能材料（特定厚度保温材料），另一座建筑外（内）表面贴附或喷涂待测评的材料，在完全相同的供暖条件下同时对比测试室内热环境参数，以室内空气、内表面累计温升值及差异百分比评价室内热环境的差异性。在两座建筑内部相同位置布置若干代表室内热舒适性的室内气温测点及室内壁温测点（及外壁温、环境气温参考测点），并与数据采集系统相连；在两座建筑下部布置相同功率的热源，单独配置电表，并联后与调压器、稳压器相连，均匀加热建筑内部空间，通过启停加热系统模拟建筑供暖运行模式。
所述两座缩微实体建筑的几何尺寸完全相同，墙、窗、地、顶、门的材料与构造方式也完全相同。建筑可采用钢架结构，墙体可整体混浇筑或用预制水泥板多层叠加，窗户数量可根据需要设置，门由铰链与主体连接以便自由开关，底面开直径50~80mm小孔以便引出热电偶及电源线，下设支座及搁板。
所述建筑的体形系数完全相同且≥3.0；窗墙面积比完全相同且≤0.4。基准建筑外（内）表面贴附公认的节能材料可以是任意厚度的EPS或XPS保温材料，另一座建筑的外（内）表面贴附或喷涂待测评的任意材料。
在所述建筑内部相同位置中均布置室内气温测点及室内壁温测点，气温测点布置在上、中上、中、中下、下部，由支架定位；内壁温测点紧贴在各内表面中心，并均与同一个数据采集系统相连。在所述建筑外部的室外环境中布置两个气温测点，用于测量建筑外空气温度。
在所述建筑中的温度传感器可采用热电偶或热电阻，温度记录仪可同时记录若干温度信号数据，采集时间间隔可根据需要设定。
在所述建筑中安装的供暖热源系统由热源、电表、调压器及稳压器构成；热源由碳纤维加热丝绕制，尺寸略小于底部，略微垫高置于建筑底部以均匀加热内部空间；两座建筑采用相同功率的热源，单独配置电表测量耗电量及功率，并联后与调压器、稳压器及电源相连。
本发明还提供了一种检测建筑节能材料的室内热舒适的方法，其包括以下步骤：
a.同时测试两座几何尺寸完全相同、墙窗地顶门的材料与构造方式完全相同的缩微实体建筑，一座基准建筑外（内）表面贴附公认的节能材料（特定厚度保温材料），另一座建筑外（内）表面贴附或喷涂待测评的材料，进行对比监测分析；
b.保持相同的测点布置、数据记录及采集系统及供暖热源系统。设备安装完成后，打开前门冷却建筑，待各室内测点温度与建筑外空气测点温度相差±0.3℃时，关门并完全密封，保持实验室内门窗关闭。开启供暖热源系统，通过调压器使得供暖热源系统维持建筑内外温差在当地冬季供暖的温差水平；
c.在经过一定的供暖时段后，记录各测点温度数据、供暖时间以及所对应耗电量，通过计算分析，以待测材料建筑的累计均温升与公认节能材料基准建筑的累计均温升之比作为评价不同围构节能材料的建筑室内热舒适性差异性。该值等于从供暖开始时刻起至某个时段的所有测试间隔测点室内空气（或内壁）均温升之和，以此代表在评价的供暖时段不同围构节能材料的建筑室内热舒适性的标准。当该值小于1时，说明公认节能材料所营造的室内热舒适性要优于待测材料；当该值大于1时，说明待测材料所营造的室内热舒适性优于公认节能材料。
进一步的优选技术方案是：（1）每次对比工况结束后，打开门窗可通过鼓风机或风扇更快速充分冷却，当两建筑系统都冷却至建筑外环境温度后，再开始下一组实验。（2）可利用定时启停器来模拟间歇加热工况，可利用控温器来模拟恒温加热工况，使得测试建筑与基准建筑的供暖运行模式更符合生活及工程实际。（3）可通过拆卸安装不同数量的预制水泥板，来测试在不同的围护结构厚度下，不同围构节能材料对室内热环境的耦合影响。
附图说明
下面将所需要对比的重要参数附图并做一个简单的介绍，从而更加清楚地描述测试建筑与基准建筑对比实验的技术方案。
图1 是本发明一实施例中提供的实验装置的建筑系统立体图。
图2 是本发明一实施例中提供的测试建筑与基准建筑室内空气均温、室内外的空气均温差的变化对比。
图3 是本发明一实施例中提供的测试建筑与基准建筑内壁均温、内壁外空气均温差随时间变化对比。
图4是本发明一实施例中提供的测试建筑与基准建筑的重要参数对比。
图5是本发明一实施例中提供的完整供暖期内，测试建筑与基准建筑室内空气累计均温升比曲线、内壁累计均温升比曲线、综合考虑空气温度与内壁面温度的综合累计均温升比曲线。
图6 是本发明一实施例中提供的间歇供暖2h内，测试建筑与基准建筑室内空气累计均温升比曲线、内壁累计均温升比曲线、综合考虑空气温度与内壁面温度的综合累计均温升比曲线。
图7是本发明一实施例中提供的间歇供暖4h内，测试建筑与基准建筑室内空气累计均温升比曲线、内壁累计均温升比曲线、综合考虑空气温度与内壁面温度的综合累计均温升比曲线。
图8是本发明一实施例中提供的间歇供暖12h内，测试建筑与基准建筑室内空气累计均温升比曲线、内壁累计均温升比曲线、综合考虑空气温度与内壁面温度的综合累计均温升比曲线。
具体实施方式
本发明的具体实施方式说明如下，如图1所示的建筑系统立体图，一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置及方法，其特征在于，包括两座缩微实体建筑，公认的节能材料和测评材料，代表室内热舒适的若干室内气温测点及室内壁温测点，数据记录及采集系统及供暖热源系统。所述两座缩微实体建筑的几何尺寸完全相同，墙、窗、地、顶、门的材料与构造方式也完全相同。建筑采用钢架结构，钢架结构由50*50角钢焊接而成，建筑内空尺寸为600*600*1200mm。墙体用预制水泥板多层叠加，外墙由1~8张12mm可拆卸水泥板组成，可完成不同厚度围护结构下的对比工况。建筑的体形系数完全相同且≥3.0；窗墙面积比完全相同且≤0.4。基准建筑外（内）表面贴附公认的节能材料38mm传统保温聚苯板，另一座建筑的外（内）表面贴附或喷涂待测评的材料。在所述建筑左、右、后三面居中位开孔，安装400*250mm双层玻璃窗，共计6个。在所述建筑正立面做木门，木门为5mm多层板外加全包30mm挤塑板，门由铰链与主体连接以便自由开关。在所述建筑底板左上角开直径50~80mm小孔以便引出热电偶及电源线，孔径为25mm，下设支座及搁板。在所述建筑内部相同位置中均布置室内气温测点及室内壁温测点，气温测点布置在上、中上、中、中下、下部，由支架定位；内壁温测点紧贴在各内表面中心，并均与同一个数据采集系统相连。在所述建筑外部的室外环境中布置两个气温测点，用于测量建筑外空气温度。在所述建筑中的温度传感器可采用T型热电偶，温度记录仪可同时记录48条温度信号数据，采集时间间隔根据需要设定为每分钟一次。在所述建筑中安装的供暖热源系统由热源、电表、调压器及稳压器构成；热源由碳纤维加热丝绕制，尺寸略小于底部，略微垫高置于建筑底部以均匀加热内部空间；两座建筑采用功率约为230W的热源，单独配置电表测量耗电量及功率，并联后与调压器、稳压器及电源相连。
实验装置主要测量仪器、设备数量及其精度如表1所示。
表1 实验装置主要测量仪器、设备数量及其精度
| 仪器设备 | 热电偶 | 电表 | 温度数据记录器 | 稳压器 | 调压器 |
| 数量 | 36 | 2 | 1 | 1 | 1 |
| 精度 | ±0.1℃ | ±1％ | ±1％ | ±0.5％ | ±0.5％ |
按照上述所示的室内装置，要求附件没有其他外界干扰因素，将整个装置放置于正常环境温度的室内进行实验。测试建筑作为待测围构节能材料的载体，基准建筑作为建筑外墙38mm传统保温聚苯板的载体。保持相同的测点布置、数据记录及采集系统及供暖热源系统。设备安装完成后，打开前门冷却建筑，待各室内测点温度与建筑外空气测点温度相差±0.3℃时，关门并完全密封，保持实验室内门窗关闭。开启供暖热源系统，通过调压器使得供暖热源系统维持建筑内外温差在当地冬季供暖的温差水平。
在足够的加热时间后，两座建筑内空气温度以及内外壁面温度逐渐趋于稳定，断
开供暖热源系统，记录电表示数以及加热时间，绘制温度变化曲线。分别取两座建筑室内温
度测点支架上五个空气测点数据的平均值作为基准建筑内空气温度均温
，测试建筑
内空气温度均温 
，再取建筑外环境两个空气测点的平均值作为室外空气均温 
。分别取两座建筑六个壁面的内外中心测点数据作为基准建筑内壁均温 
，基
准建筑外壁均温 
，测试建筑内壁均温 
，测试建筑外壁均温 
。
建筑内空气温度与内壁面温度是直接影响人体热舒适的环境指标，同时也是表征围构节能材料对建筑保温性能优劣影响程度的评判依据，因此通过下列公式分别计算比较两座建筑在完整供暖时段内，室内空气温度、内壁面温度的累计均温升比：
式中， 
表示在营造室内空气温度以及壁面温度的舒适性上，供暖期某一时刻，
待测节能材料与公认节能材料相比较后的优劣程度。
由公式（3）可综合比较需要测试的待测节能材料与38mm传统保温聚苯板的保温性
能，当 
小于1时，说明公认节能材料所营造的室内热舒适性要优于待测材料；当该 
大于1
时，说明待测材料所营造的室内热舒适性优于公认节能材料节能效果。除此之外，如果存在 
等于1的时间点，则表示供暖期该时刻下，公认节能材料所营造的室内热舒适性与待测材
料相差极小，所测试的围构节能材料能够达到与38mm传统保温聚苯板相似的室内热舒适营
造效果。
接下来就以本发明一实施例中提供的测试数据为基础，描述分别外加一层有争议的“XTL”待测材料和38mm传统保温聚苯板的建筑室内热舒适性差异的对比情况。“XTL”待测材料作为待测围构节能材料，38mm传统保温聚苯板作为公认节能材料。实验开展时间为2020年9月16日~ 2020年9月19日。图2~7为实验结果。
由图2可见，两座建筑的内空气均温以及室内外均温差在经过短暂的急剧上升后，各参数逐渐趋于稳定，基准建筑内空均温高于测试建筑内空均温。其次，基准建筑与测试建筑内空均温以不同速度趋于稳态，这间接反映了总传热系数的高低，同时也反映了整体围护结构蓄热能力的不同。
由图3可见，基准建筑的内壁均温高于测试建筑内壁均温，同时基准建筑内壁外空均温差较小，因此总体可以看出基准建筑整体围护结构的传热系数较小。
由图4 可见，基准建筑与测试建筑耗电量的差异仅为0.7％，相差不大。因此可以看出，两种材料是在同样的外部环境以及供暖条件下所进行的测试，从而减小其他因素的影响，使得围构节能材料的种类成为两者对比的唯一变量。
由图5可见，在长时间供暖工况下，根据公式（3）所计算得到的 
，整体趋势逐渐降
低，并且存在 
的时间点，这说明，在供暖前一段时间，“XTL”待测材料所营造的建筑室
内热舒适始终比38mm聚苯板有利，而在某一时间节点后，相较于“XTL”待测材料，38mm聚苯
板的保温性能优越性逐渐体现。
由图6可见，在表征间歇供暖的前2h内，根据公式（3）所计算得到的 
，整体趋势逐
渐降低，最终趋近于1，最高值为2.49。而在供暖期开始的前30分钟内， 
始终大于1，这意味
着“XTL”待测材料所营造的建筑室内热舒适始终比38mm聚苯板有利，而随着供暖时间的延
长，两者所营造的建筑室内热舒适的差异越来越小。
由图7可见，在表征间歇供暖的前4h内，两者所营造的建筑室内热舒适的差异呈逐渐减小的趋势。
由图8可见，在供暖期12h内，根据公式（3）所计算得到的 
，在供暖时长约11.6h
时， 
，接着 
逐渐趋近于0.9左右。这意味着，在供暖时长11.6h之前，“XTL”待测材料所
营造的建筑室内热舒适始终比38mm聚苯板有利。而在供暖时刻为11.6h时，“XTL”待测材料
与38mm聚苯板所营造的室内热舒适性差异最小。在11.6h之后，相较于“XTL”待测材料，38mm
聚苯板的保温性能优越性逐渐体现。
Claims (10)
1.一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，其特征在于：包括两座缩微实体建筑，公认的节能材料和测评材料，代表室内热舒适性的若干室内气温测点及室内壁温测点，数据记录及采集系统及供暖热源系统。
2.根据权利要求1所述的一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，其特征在于：所述两座缩微实体建筑的几何尺寸完全相同，墙、窗、地、顶、门的材料与构造方式也完全相同，建筑可采用钢架结构，墙体可整体混浇筑或用预制水泥板多层叠加；体形系数完全相同且≥3.0，窗墙面积比完全相同且≤0.4。
3.根据权利要求1所述的一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，其特征在于：窗户数量可根据需要设置，门由铰链与主体连接以便自由开关，底面开直径50~80mm小孔以便引出热电偶及电源线；下设支座及搁板。
4.根据权利要求1所述的一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，其特征在于：所述基准建筑外（内）表面贴附公认的节能材料可以是任意厚度的EPS或XPS保温材料，另一座建筑的外（内）表面贴附或喷涂待测评的任意材料。
5.根据权利要求1所述的一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，其特征在于：所述室内气温测点及室内壁温测点布置在两座建筑内部的相同位置，气温测点布置在上、中上、中、中下、下部，由支架定位；内壁温测点紧贴在各内表面几何中心，并均与同一个数据采集系统相连；温度传感器可采用热电偶或热电阻，温度记录仪可同时记录若干温度信号数据，采集时间间隔可根据需要设定。
6.根据权利要求1所述的一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，其特征在于：所述供暖热源系统由热源、电表、调压器及稳压器构成；热源由碳纤维加热丝绕制，尺寸略小于底部，略微垫高置于建筑底部以均匀加热内部空间；两座建筑采用相同功率的热源，单独配置电表测量耗电量及功率，并联后与调压器、稳压器及电源相连。
7.根据权利要求1所述的一种检测建筑节能材料的室内热舒适的对比装置，建筑室内热舒适性差异的评价方法的特征在于：以待测材料建筑的累计均温升与公认节能材料基准建筑的累计均温升之比作为评价不同围构节能材料的建筑室内热舒适性差异性。
8.根据权利要求7所述的累计均温升，其特征在于：该值等于从供暖开始时刻起至某个时段的所有测试间隔测点室内空气（或内壁）均温升之和；以此代表在评价的供暖时段不同围构节能材料的建筑室内热舒适性的标准。
9.根据权利要求7所述的累计均温升比，其特征在于：其值大小表示待测材料与公认节能材料相比后的室内热舒适性优劣程度；当该值小于1时，说明公认节能材料所营造的室内热舒适性要优于待测材料；当该值大于1时，说明公认节能材料所营造的室内热舒适性劣于待测材料。
10.根据权利要求7所述的累计均温升比，其特征在于：评价的供暖时段可以任意选取；当供暖时段小于12小时，对应于间歇供暖工况的对比评价；当供暖时段大于72小时，则对应于连续供暖工况评价。
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