CN213658628U - 一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，包括双温度热流测试系统、电加热系统、热流一维通道、自动控温系统和数据采集处理存储系统以及数据通讯线。所述双温度热流测试系统的1#温度热流传感器和1#温度热流传感器分别紧密贴合于围护结构内、外表面，且通过数据通讯线与数据采集处理存储系统相连接；所述电加热系统包括电加热板加绝热保护罩，电加热板与1#温度热流传感器紧密贴合，且被设置于围护结构室内侧的绝热保护罩裹覆，电加热板与自动控温系统连接。该建筑围护结构热阻现场快速测试装置，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，减小了围护结构传热三维效应造成的测试误差。

Description

一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置

技术领域

本实用新型涉及测量仪器技术领域，具体为一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置。

背景技术

我国建筑能耗占全国能耗总量的比例超过20％，而供冷供暖能耗的 20％-50％是由建筑围护结构传热引起。由于建筑面积总量巨大，建筑节能已成为建筑行业的必然趋势。

建筑围护结构的热阻是衡量围护结构保温性能的重要指标，也是计量围护结构散热量的主要依据。当建筑物投入使用后，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，因此建筑围护结构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可持续建筑后评估、既有建筑节能改造、模拟软件应用等诸多方面。

目前建筑围护结构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，测试围护结构内外表面的温度和通过围护结构的热流密度，计算得到围护结构的热阻。当围护结构两侧具有一定温差且为一维传热时检测结果较准确，也就是说在冬季供暖建筑内外存在较大温差时才能进行测试，因此对测试季节和测试时长(一般为5-7天)都提出了较高要求。

热箱法是在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，人为营造围护结构两侧表面的温度差，测试围护结构内外表面的温度和通过围护结构的热流密度，计算得到围护结构的热阻。冷热箱法是在围护结构一侧表面安装热箱，同时在另一侧表面加设冷箱。

热箱法和冷热箱法测试可以不受季节限制，但由于对围护结构进行部分加热，实际围护结构导热过程存在侧向热损失的三维效应，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)，且围护结构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，针对上述情况，在现有的测试装置基础上进行技术创新。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，包括双温度热流测试系统、加热系统、热流一维通道、自动控温系统和数据采集处理存储系统和数据通讯线，所述双温度热流测试系统加热系统在被测围护结构一侧表面营造均匀的高温等温面，同时在围护结构另一侧表面对应位置的热流一维通道营造一维传热区，加热系统、热流一维通道、自动控温系统和数据采集处理存储系统通过数据通讯线连接，首先，选取满足要求的被测围护结构加热区域，并对围护结构表面进行预处理，正确完成测试系统的安装与调试；其次，将设备开启，采用两阶段加热法，设定实验所需的温度参数并同时开启数据采集系统；最后，采集和记录全部测量数据，根据存储测量数据判定一维传热区达到近似稳态传热傅里叶导热定律R＝△T/Q成立，其中R为围护结构热阻，△T为围护结构两侧表面对应位置的温度差，Q为一维传热区通过的热流值，根据测试数据和公式计算被测围护结构的热阻。

优选的，所述加热系统包括电加热板加绝热保护罩，加热系统由电加热板、绝热保护罩和自动控温系统组成，电加热板五面裹覆由高效热绝热材料构成的绝热保护罩、表面中心集成有#温度热流传感器，且正方形电加热板边长满足：L≥0.5δ+0.15的要求。

优选的，所述热流一维通道为由热绝热材料构成的空心立方体构成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

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，减小了围护结构传热三维效应造成的测试误差；

与现有的测量装置相比，由于在围护结构未加热侧壁面装设了热流一维通道装置，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，从而快速建立一维传热过程，测试时间得以有效缩短；

本实用新型采用加热系统作为热源，所需加热板最小尺寸与传统热箱法相比显著减小，大大减小了对被测围护结构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；

本实用新型采用两阶段加热法，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，实现大幅度缩短测试时间目标；

本实用新型还考虑了移动式电源装置，当有需要时，既可以在不打扰建筑物的正常使用情况下，解决在工程项目施工未进行竣工验收时的工程项目检测。

附图说明

图1为本实用新型加热系统结构示意图；

图2为本实用新型加热系统剖面结构示意图；

图3为本实用新型冷侧安装热流一维通道后的剖面结构示意图；

图4为本实用新型墙体/屋面热阻测试时的现场剖面结构示意图；

图5为本实用新型测试数据曲线结构示意图；

图6为本实用新型围护结构热阻测试过程中围护结构传热剖面以及一维传热区确定结构示意图；

图7为本实用新型围护结构热阻测试时，有、无热流一维通道的围护结构内部热流侧剖结构示意图。

图中：1、双温度热流测试系统；2、电加热系统；3、热流一维通道；4、自动控温系统；5、数据采集处理存储系统；6、数据通讯线；11、温度热流传感器；12、温度热流测试仪；21、电加热板；22、绝热保护罩。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，包括双温度热流测试系统1、加热系统2、热流一维通道3、自动控温系统4和数据采集处理存储系统5和数据通讯线6，双温度热流测试系统1加热系统在被测围护结构一侧表面营造均匀的高温等温面，同时在围护结构另一侧表面对应位置的热流一维通道营造一维传热区，加热系统2、热流一维通道3、自动控温系统4和数据采集处理存储系统5通过数据通讯线6 连接，加热系统2包括电加热板21加绝热保护罩22，加热系统2由电加热板 21、绝热保护罩22和自动控温系统4组成，电加热板21五面裹覆由高效热绝热材料构成的绝热保护罩22、表面中心集成有1#温度热流传感器11，且正方形电加热板21边长满足：L≥0.5δ+0.15的要求，热流一维通道3为由热绝热材料构成的空心立方体构成。

1加热系统

如图1所示，本实用新型采用加热板作为热源，加热系统2由导热性良好且轻便的平整铝板和高性能保温材料制作，正方形加热板边长满足：

L≥0.5δ+0.15

式中：L—加热板边长m；δ—被测围护结构厚度m。

边长100mm的温度热流传感器11集成在加热系统2表面中心，在不影响加热系统内部温度场均匀性和围护结构表面均匀受热的前提下，可以准确测得加热板中心点的温度、热流。温度控制器5通过数据通讯线4与加热器连接，可以自动维持加热板21的表面温度恒定，控制精度为±0.1℃。在加热板背面覆盖足量保温材料22，减小加热板热量从背面散失，进而降低加热能耗。

2热流一维通道装置

参见图2和图3，针对现有现场测试三维导热导致误差较大的缺点，本实用新型采用热流一维通道装置减小围护结构的侧向失热。热流一维通道装置的尺寸满足：

L’≥L

式中：L'—热流一维通道装置边长m；δ'—热流一维通道装置厚度m。

测试时如图4所示，该保温材料热流一维通道6粘贴固定于围护结构冷侧表面，空心位置对准测点7，使保温材料覆盖热流片四周一定面积区域，热流集中从该一维通道通过，有利于一维传热区的快速建立。

3测试准备

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围护结构进行扫描，排除不适宜测试的区域。

为避免造成测试误差，选择围护结构加热区的壁面进行处理，以确保测试装置与壁面之间不能形成过厚的空气层。如，涂抹适量导热硅脂等。

4测试过程

完成测试准备工作后，参见图4，在围护结构一侧表面热侧选择的加热区域安装加热系统，将附有温度热流传感器的加热板紧密贴合围护结构内表面安装在被测围护结构一侧，在围护结构另一侧冷侧正对热源中心处紧贴围护结构外表面安装温度热流传感器12。温度测量精度为±0.2℃，热流测量精度为±5％，传感器长度不大于100mm。将一维通道装置6紧贴冷侧围护结构外表面固定，空心通道对准传感器，使保温材料覆盖测点四周一定面积的区域。正确安装测试装置后，接通电源，开启加热系统，采用两阶段加热法，第一阶段设定为恒定高温以快速提升围护结构内部温度，持续时间一般不少于 0.5h；第二阶段设定为所需加热温度。两阶段设定温度满足：

10℃≤T₂-T_c≤27℃

10℃≤T₁-T₂

式中：Tc—围护结构冷侧表面温度℃

T1—第一阶段加热温度℃

T2—第二阶段加热温度℃

同时开启数据采集存储系统，采集和记录所有测试数据，记录间隔时长不大于1min。

5结果处理

整个测试过程的数据示意图见图5。

图中：T_h—围护结构热侧表面温度℃

T_c—围护结构冷侧表面温度℃

q_h—热侧热流W/m2

q_c—冷侧热流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

测试过程中，加热中心轴上任一点在任意时刻的温度可表示为：

式中：x—距加热板距离m

t—开始加热后的时间s

a—围护结构导温系数m2/s

Th—围护结构热侧表面温度℃

T0—加热初始时刻围护结构热侧表面温度℃

根据测试数据判定达到近似稳态传热，以冷侧温度、两侧热流作为近似稳态传热判据，需要同时满足：

1、0.5h内，冷侧温度变化绝对值不超过0.5℃；2、0.5h内，冷侧、热侧热流变化相对值不超过20％。

式中：

—τ时刻围护结构冷侧表面温度℃

—τ-△τ时刻围护结构冷侧表面温度℃

—τ时刻围护结构热侧热流密度W/m2

—τ-△τ时刻围护结构热侧热流密度W/m2

—τ时刻围护结构冷侧热流密度W/m2

—τ-△τ时刻围护结构冷侧热流密度W/m2

传热过程进入近似稳态后，再持续测定0.5h，完成全部测试过程。可以使用傅里叶定律计算热阻，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取算术平均值作为通过构件的平均热流，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—建筑围护结构的热阻m2·K/W

—τ时刻围护结构热侧表面的温度测量值℃

—τ时刻围护结构冷侧表面的温度测量值℃

—τ时刻围护结构热侧热流密度测量值W/m2

—τ时刻围护结构冷侧热流密度测量值W/m2

考虑到三维导热，本实用新型的测试中可将冷侧分为如图6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6中受热区域指围护结构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x轴的实线段表示该厚度处的一维传热区。

在一维传热区I，围护结构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，该区域是布置温度热流计测点的最佳位置区域。冷侧温度、热流的最大值均出现在中心点，以中心点热流值的 95％作为一维传热区边界的判断条件。以横坐标x0为例，热流最大值qxm出现在中心点y＝0处，则以0.95qxm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5中热流矢量的y轴分量，该区域冷侧表面的温度、热流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热流计会对结果造成较大误差。

在不受影响区III，围护结构不受加热装置的影响，温度、热流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，冷侧热流值应选取一维传热区，即热流一维通道中通过的热流值。

如图7所示，围护结构热阻测试时，冷侧有无热流一维通道装置会造成围护结构内部热流分布情况不同。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。

可以理解，在不背离本实用新型的实质特征的前提下，本实用新型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实用新型的精神和范围。

本实用新型采用双热流计法-两阶段加热的加热系统+移动电源系统进行围护结构热阻值快速测量。该实用新型克服了热流计法测量时间长、受测试环境条件影响大以及冷热箱法设备体积庞大、安装不便的缺点，具有现场测试快速、数据准确和装置简便的特点。其主要测试部件包括：加热系统、热流一维通道、温度热流测试仪器、自动控温系统和数据采集处理存储系统以及移动电源装置系统。

本实用新型通过测试装置在围护结构两侧人为构建传热温差，加热系统在被测围护结构一侧表面营造均匀等温面，另一侧表面的热流一维通道营造一维传热区，测试开始0.5h或更长一段时间后，一维传热区内，围护结构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，在该区域内傅里叶导热定律成立，为近似稳态传热必要时接入移动充电系统，温度热流测试仪器通过测量围护结构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，计算得到围护结构热阻。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，包括双温度热流测试系统(1)、加热系统(2)、热流一维通道(3)、自动控温系统(4)和数据采集处理存储系统(5)和数据通讯线(6)，其特征在于：所述双温度热流测试系统(1)加热系统在被测围护结构一侧表面营造均匀的高温等温面，同时在围护结构另一侧表面对应位置的热流一维通道营造一维传热区，加热系统(2)、热流一维通道(3)、自动控温系统(4)和数据采集处理存储系统(5)通过数据通讯线(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，其特征在于：所述加热系统(2)包括电加热板(21)加绝热保护罩(22)，加热系统(2)由电加热板(21)、绝热保护罩(22)和自动控温系统(4)组成，电加热板(21)五面裹覆由高效热绝热材料构成的绝热保护罩(22)、表面中心集成有1#温度热流传感器(11)，且正方形电加热板(21)边长满足：L≥0.5δ+0.15的要求。

3.根据权利要求1所述的一种建筑围护结构热阻现场快速测试装置，其特征在于：所述热流一维通道(3)为由热绝热材料构成的空心立方体构成。

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