莊金迅,高 超,張九紅
(1.遼寧科技大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;2.長治清華機械廠,山西 長治 046012;3.沈陽建筑大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,沈陽 110168)
便攜式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀的研制
莊金迅1,高 超2,張九紅3
(1.遼寧科技大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;2.長治清華機械廠,山西 長治 046012;3.沈陽建筑大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,沈陽 110168)
基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一位穩(wěn)態(tài)傳熱理論,推導(dǎo)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的空氣溫度、內(nèi)表面溫度以及內(nèi)表面換熱阻的關(guān)系,進(jìn)而提出采用紅外輻射測溫技術(shù)方便快捷地檢測圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的方法。根據(jù)利用紅外測溫技術(shù)檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的原理與方法,研制一種不需要通過測量建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流來檢測其傳熱系數(shù)的設(shè)備,檢測過程無需將連著導(dǎo)線的傳感器固定于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面,因此使設(shè)備變得便攜且使用方便。
紅外輻射; 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu); 傳熱系數(shù); 建筑節(jié)能; 檢測儀
隨著建筑節(jié)能工作不斷深化,建筑節(jié)能意識逐漸普及,建筑節(jié)能工作受到了建筑的使用者、設(shè)計者、施工者以及相關(guān)管理部門等多方重視。雖然能夠根據(jù)建筑圖紙和建筑材料(尤其對于保溫或隔熱材料)的熱工性能參數(shù)對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗做出估算,但是這些建筑材料熱工參數(shù)的測定大多是在實驗室條件下完成的,而建筑材料在應(yīng)用于實際工程時因使用環(huán)境不同于實驗條件,其熱工性能及節(jié)能效果會有很大差異[1-2]。因此,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實際能耗只能以現(xiàn)場檢測為準(zhǔn),而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗狀況是由其傳熱系數(shù)(即建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的K值)決定的,它是反映建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的一個重要參量[3],也是建筑節(jié)能現(xiàn)場驗收檢測的一個主要技術(shù)指標(biāo)。所以,現(xiàn)場檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)非常必要。本文主要探討利用紅外測溫技術(shù)對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢測的原理和方法,以及根據(jù)此原理和方法設(shè)計一種便攜式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀。
1.1熱流計法
熱流計法是在一維穩(wěn)態(tài)傳熱的前提下,通過檢測熱流計的熱流密度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的溫差,計算出被測對象的熱阻和傳熱系數(shù)[4]。熱流計法是測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的權(quán)威方法,也是目前國內(nèi)外常用的現(xiàn)場測試方法。熱流計法現(xiàn)場檢測應(yīng)避開氣溫變化較快的天氣和時間段,一般來說室內(nèi)外溫差越大,其檢測誤差相對越小[5]。
1.2熱箱法
熱箱法也是根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)傳熱的原理[6],人為創(chuàng)造1個一維穩(wěn)態(tài)傳熱環(huán)境,被測部位內(nèi)側(cè)用熱箱模擬采暖建筑室內(nèi)條件,熱箱溫度容易控制,調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度所需時間短、能耗小,另一側(cè)為室外自然條件,保持箱內(nèi)溫度高于室外溫度8 ℃以上,以保證被測部位存在從室內(nèi)向室外的明顯熱流,當(dāng)整個溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,對熱箱的加熱量就等于通過被測部位傳遞的熱量,通過測量熱箱內(nèi)的加熱量得到被測部位的傳熱量,從而計算出被測部位的傳熱系數(shù)。
采用熱箱法測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),穩(wěn)定的溫差只存在于被測部位兩側(cè),被測部位周邊的熱流可能是多維的,這與計算所需的一維穩(wěn)態(tài)傳熱可能會存在較大誤差。
1.3控溫箱-熱流計法
控溫箱-熱流計法的基本原理與熱流計法基本相同,不同的是,控溫箱-熱流計法利用控溫箱制造一個人工環(huán)境以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度,再用熱流計法測定被測對象的傳熱系數(shù)。這種方法在使用時不受季節(jié)的限制,同時也不用考慮熱箱法的邊界傳熱方向問題[7]。
1.4圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法現(xiàn)存的問題
從目前現(xiàn)場檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的方法來看,現(xiàn)有的傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法主要存在如下不足之處:
(1) 設(shè)備較大,攜帶不方便。即使有的設(shè)備本身不算大,但是加上溫度與熱流傳感器以及導(dǎo)線,使得設(shè)備攜帶仍然不方便。
(2) 傳感器較多,使用不方便。熱流計法與控溫箱-熱流計法,每個測點至少需要3個傳感器,每個傳感器需要一根導(dǎo)線和設(shè)備相連,如果同時測量3個以上的測點,工作量較多,而且有很多根導(dǎo)線和設(shè)備相連,容易出錯,還有,如果測點位置較高,傳感器的固定也很不方便。雖然熱箱法可省去一個熱流傳感器,但是需要加熱器和計量加熱量,使用更加不便[8]。
(3) 測量結(jié)果的準(zhǔn)確性受人為因素影響較大。一方面,將傳感器固定到被測對象表面時,被測對象的溫度場和熱流狀況已經(jīng)受到影響,即使經(jīng)過較長時間的穩(wěn)定期,由于傳感器的存在,這種影響也是不可避免的。另一方面,傳感器貼附在被測對象表面的松緊程度影響測量的準(zhǔn)確性,貼得松了,所測值與真實值相差較大;貼得緊了,又會影響到傳感器本身的精度[9-10]。
所以,現(xiàn)有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法,對于建筑節(jié)能方面的學(xué)術(shù)研究而言,存在各自的特點和可取之處,但是對于建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測的工程應(yīng)用來說,確實有諸多不便之處。
紅外輻射式測溫技術(shù)能夠準(zhǔn)確快速地測量物體表面溫度,而且測溫時無需與被測物體直接接觸,所以它在測量物體表面溫度時不會引起物體溫度的改變[11-12],適合對一些距離遠(yuǎn)、運動的或者有危險性的物體進(jìn)行表面溫度的測量。它具有安全、快速、可靠、方便等優(yōu)勢,已在電力、石油、化工、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,已經(jīng)成為產(chǎn)品檢測、故障診斷和預(yù)防疾病流行的重要手段。
利用非接觸式紅外測溫技術(shù)可以方便快速可靠地測量建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度,利用該表面溫度,再通過輸入該側(cè)的表面換熱阻,以及被測對象兩側(cè)的空氣溫度,即可利用程序計算出被測對象的總熱阻和傳熱系數(shù)。以北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)采暖期建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測為例,在采暖期,建筑室內(nèi)外存在較大溫差,室內(nèi)外存在熱量傳遞,在一維穩(wěn)態(tài)傳熱條件下(采暖期圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱通常按一維穩(wěn)態(tài)傳熱考慮),圍護(hù)結(jié)構(gòu)中存在穩(wěn)定的熱流,根據(jù)傳熱學(xué)理論,圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱流強度的公式為[13-14]:
(1)
經(jīng)變換可得:
(2)
則圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為:
(3)
式中:q為一維穩(wěn)態(tài)傳熱時,被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱流強度,W/m2;ti為室內(nèi)空氣溫度,℃;te為室外空氣溫度,℃;θi為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度,℃;Ri為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻,m2·K/W;R0為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻,m2·K/W;K為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。
將式(3)在電腦中編成計算程序,計算所需的室內(nèi)外空氣溫度ti和te是容易測得的,而且在短時間內(nèi)可以認(rèn)為是不變的;內(nèi)表面換熱阻Ri是一個選用值,在建筑節(jié)能計算中一般取0.11 m2·K/W(冬季)和0.13 m2·K/W(夏季);圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度θi,對不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)或同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同點可能是不同的,可以利用非接觸式紅外測溫技術(shù)方便、快捷、準(zhǔn)確地獲得該溫度值,然后通過式(3)便能得出該維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值。檢測時需要將測得的ti、te和選用值Ri輸入計算程序,再用紅外測溫技術(shù)測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度θi,只要再將θi輸入程序,就可獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置的K值。ti、te和Ri一次輸入后,每一個θi就對應(yīng)一個K值,這樣檢建筑測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)方便快捷。
當(dāng)要測量不同房間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上各點的θi、R0和K值時,需要重新輸入相應(yīng)房間的ti、te、Ri值即可進(jìn)行測量;測量同一房間的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上各點的θi、R0和K值時,如果測量過程持續(xù)時間較長,ti、te會發(fā)生變化,也需要重新輸入當(dāng)時的ti、te、Ri。
以上的檢測計算過程是以測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度來檢測傳熱系數(shù)的,在采暖期,測量建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度是在相對舒適的環(huán)境下進(jìn)行的,而且不受建筑高度的限制,所以一般是通過測量內(nèi)表面溫度θi來獲得傳熱系數(shù)K值。當(dāng)然也可以通過測量北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)采暖期建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度,計算出該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K值,只要將計算公式和對應(yīng)的表面換熱阻作相應(yīng)的變化即可。
即:根據(jù)傳熱學(xué)理論,圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱流強度的公式為:
(4)
由式(4)經(jīng)變換可得:
(5)
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)用下式計算:
(6)
式中:q為一維穩(wěn)態(tài)傳熱時,被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱流強度,W/m2;ti為室內(nèi)空氣溫度,℃;te為室外空氣溫度,℃;θe為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度,℃;Re為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱阻,m2·K/W;R0為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻,m2·K/W;K為被測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。
根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》推薦,建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱阻Re冬季取值為0.04 m2·K/W,夏季取值為0.05 m2·K/W。
以上所述的研究內(nèi)容是以北方嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)采暖期建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測為例的,如果要現(xiàn)場檢測夏季空調(diào)房間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)(當(dāng)室內(nèi)外溫度場持續(xù)穩(wěn)定時,可認(rèn)為是一維穩(wěn)態(tài)傳熱),則只需要改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻Ri或者外表面換熱阻Re的值,相應(yīng)的計算公式保持不變,而室內(nèi)外空氣溫度ti、te仍然按實際測量值輸入即可。
根據(jù)利用紅外測溫技術(shù)檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的原理與方法,設(shè)計一種便攜式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀。非接觸式紅外測溫技術(shù)從原理到產(chǎn)品都已經(jīng)很成熟[15],不再贅述,這里主要介紹本設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成和使用模式,如圖1所示。
圖1 檢測儀的結(jié)構(gòu)圖
3.1檢測儀的結(jié)構(gòu)
檢測儀由輸入、輸出、功能選擇和計算等功能模塊構(gòu)成。輸入部分包括紅外測溫模塊和輸入鍵盤,紅外測溫模塊是用來測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度的,該溫度值直接由顯示器顯示出來,同時根據(jù)需要,輸入計算模塊1或計算模塊2,以計算出傳熱系數(shù)。當(dāng)需要測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)時,輸入鍵盤用來輸入室內(nèi)外空氣溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面換熱阻,這幾個數(shù)也是檢測圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的必要參數(shù)。測量功能選擇模塊用來選擇測量模式的。計算模塊分為模塊1和模塊2,對應(yīng)于通過測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度和外表面溫度來檢測其傳熱系數(shù)的,由于計算所需的其他參數(shù)已經(jīng)由鍵盤輸入,所以每輸入一個表面溫度就可計算出一個傳熱系數(shù)K值。輸出部分即顯示器,顯示被測對象的表面溫度,根據(jù)使用模式,可同時顯示被測對象的K值。
3.2檢測儀的使用模式
本檢測儀有3種使用模式:
模式1(T模式)。該模式為單純的非接觸式紅外測溫模式,與現(xiàn)有的非接觸式紅外測溫儀沒有區(qū)別,僅僅顯示被測物體表面溫度。
模式2(θi模式)。該模式為測量建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度θi來得到被測點的傳熱系數(shù)K值的模式,選擇該模式時,設(shè)備啟動計算模塊1,該計算模塊是根據(jù)式(3)編制的計算程序,通過人工輸入ti、te、Ri,結(jié)合設(shè)備自身獲取的θi,即可計算出K值,顯示器同時顯示被測點表面溫度θi和對應(yīng)部分的K值。
模式3(θe模式)。該模式為測量建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度θe來得到被測點的傳熱系數(shù)K值的模式,選擇該模式時,設(shè)備啟動計算模塊2,該計算模塊是根據(jù)式(6)編制的計算程序,通過人工輸入ti、te、Re,結(jié)合設(shè)備自身獲取的θe,即可計算出K值,顯示器同時顯示被測點表面溫度θe和對應(yīng)部分的K值。
3.3檢測儀的優(yōu)點
(1) 設(shè)備小巧,攜帶方便。本設(shè)備和非接觸式溫度測量儀或者紅外熱像儀同等大小,所以攜帶非常方便。
(2) 測量過程簡單快捷。測量過程不需要將溫度傳感器固定在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面,而且不需要測量熱流強度,所以不需要熱流傳感器,避免了接線的繁瑣與混亂,整個測量過程只需要在溫度場穩(wěn)定后(一維傳熱狀態(tài)下),就像用非接觸式溫度測量儀測量建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度一樣簡單快捷。
(3) 測量結(jié)果準(zhǔn)確。由于不使用熱流傳感器,而且溫度傳感器也不需要貼附于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面,所以對被測對象的溫度場和熱流都不構(gòu)成干擾,這有利于減小測量誤差,提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
建筑節(jié)能驗收是保障建筑熱環(huán)境質(zhì)量和節(jié)能效果的重要手段,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測是建筑節(jié)能驗收的重要內(nèi)容之一,攜帶方便、測量快捷、高效準(zhǔn)確的檢測設(shè)備不但能夠保證檢測過程取得全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,而且對于促進(jìn)建筑節(jié)能設(shè)計水平的提高和建筑節(jié)能質(zhì)量的保證具有重要意義。通過理論分析和實際測量對比,證明利用紅外測溫技術(shù)檢測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的方法是可行的,其結(jié)果是可靠的,據(jù)此設(shè)計的檢測儀是一種價格低廉、操作簡單、攜帶方便、測量準(zhǔn)確的傳熱系數(shù)檢測設(shè)備,非常適合建筑節(jié)能驗收等工程檢測之用。
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·名人名言·
一切推理都必須從觀察與實驗得來。
——伽利略
ResearchandDevelopmentofPortableIn-situDetectorofHeatTransferCoefficientofBuildingEnvelope
ZHUANGJinxun1,GAOChao2,ZHANGJiuhong3
(1.School of Architecture and Art Design, University of Science amp; Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning, China; 2.Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012, Shanxi, China; 3.School of Architecture and Urban Planning, Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168, China)
The commonly-used in-situ test method of heat transfer coefficient of building envelope and its existing problems are introduced briefly in the paper.Through theoretical derivation based on the one-dimensional steady-state heat transfer, the mathematical relation between heat transfer coefficient of building envelope and its one side surface temperature is given in the paper.A method for conveniently and rapidly detecting heat transfer coefficient of building envelope with infrared radiation temperature measuring technology is proposed.Lastly, according to the principle and method of detecting heat transfer coefficient of building envelope with infrared radiation temperature, a kind of in-suit detector of heat transfer coefficient of portable building envelope is designed.It is hoped that this design will provide economic, high-efficient, and rapid detecting means for in-suit detection of heat transfer coefficient of building envelope.
infrared radiation; building envelope; heat transfer coefficient; building energy efficiency; detector
TU 111.2
A
1006-7167(2017)10-0080-04
2017-01-20
國家自然科學(xué)基金項目(51278311);遼寧科技大學(xué)實驗教學(xué)改革及實驗室建設(shè)項目(SYJG201745)
莊金迅(1972-),男,江蘇沭陽人,副教授,現(xiàn)主要從事建筑物理環(huán)境研究。Tel.:13804911739;E-mail:zhjx0524@126.com
張九紅(1968-),女,遼寧錦州人,教授,現(xiàn)主要從事建筑物理環(huán)境研究。Tel.:13002422035;E-mail:hongmamm@sina.com