基于频率法的建筑围护结构热工性能现场检测技术

来源:建筑界编辑:黄子俊发布时间:2020-03-24 15:21:03

[摘要] 1 绪论1 1 课题研究背景及意义在建筑能耗中,通过围护结构传

1  绪论 

 

1.1  课题研究背景及意义 

在建筑能耗中,通过围护结构传热带来的能耗占整个建筑使用能耗的 73%~77%[1]。为推进建筑节能技术,对建筑进行正确的节能设计和评估,使建筑真正成为节能型绿色建筑,就必须准确的掌握建筑真实的热工性能。 关于建筑围护结构的热工性能检测主要包括两方面的内容,其一是对建筑围护结构中某些构件(如墙体、门、窗)的热工性能进行测量,其二是对建筑围护结构整体的热工性能进行测量。对于所述的第一个方面,目前可以在实验室中检测的方法已相对成熟,而且已经制定了一系列的国际规范[5-7]和北美标准[8,9]。但对于现场测量围护结构整体的热工性能,目前还没有公认的比较成熟的能准确测量围护结构热工性能的方法和装置或系统。 测试建筑墙体的传热系数方法原理均是基于墙体的一维导热,建立建筑墙体两侧的温差,测试高温侧流向低温侧的热流来换算建筑试件的传热系数[10]。目前我国常用于现场检测建筑物围护结构传热系数的方法有:热流计法、热箱法、控温箱—热流计法和常功率平面热源法[11]。以上方法各有特点,但都有一定的局限性。其中热流计法和常功率平面热源法采用导热系数作为建筑围护结构热工性能评价指标,热流计法的测试仪器简单且对待测墙体要求较低,但不能全面反映建筑节能特性,且检测易受季节的限制,必须在采暖期进行检测,或者人为制造明显的室内外温差,测试条件要求高,测试时间长,不适合于大面积大批量建筑的检测,且热流计的测试误差较高,达到 10%,这些缺陷成为现场测试传热系数一个重要弊端[12,13]。热箱法和控温箱-热流计法采用传热系数作为建筑围护结构热工性能评价指标,同样不能全面反映建筑节能特性,设备较大,搬运和操作不便,测点选择难,由于是在局部地方形成明显温差,无法保证一维传热的测量条件,测试结果与实际存在较大的误差,而且无法测量热桥等部位的热工性能。 虽然节能标准在设计阶段对建筑物围护结构热工性能做了节能要求  [2-4],但

材料、施工、安装的方法和质量对围护结构传热性能的影响也很大,并不能保证建筑在完工后也能达到节能标准的要求。因此,由于缺乏现场实测的数据和评价,建筑和围护结构的节能效果无法真实评价,从而导致建筑暖通空调冷热负荷的计算偏大,在进行设计时,设备选型容量偏大,结果造成建筑能源浪费。

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1.2  建筑能耗检测国内外研究现状

建筑能耗的研究近年来逐渐成为研究热点,已有一定文献公开发表。20 世纪70 年代的石油危机启动了世界性的建筑节能事业,并导致了能耗评估技术的产生和发展。20 世纪 90 年代来,建筑能耗审计评估已成为美国及欧洲国家较为普遍的建筑节能技术手段并成为建筑节能的关键。美国则已经建立建筑能耗统计数据库,并使能耗数据用尽可能简单的方式一目了然[14]。加拿大于 1993 和 1997 年进行了两次家庭用能的抽样调查,并以调查数据为基础,得到了加拿大能耗趋势估算公式。在此基础上,加拿大和美国 DOE 合作开发设备使用和更新数据软件,为住宅建筑能耗模拟提供了科学可靠的方法 [15]。 从查阅国外相关研究文献来看,多数研究集中于建筑能耗的预测模型和建筑节能技术措施。Martin  Ordenes 等研究了建筑围护结构热工性能的特征参数,提出用建筑围护结构的导热系数和热容量两个特征参数来描述建筑围护结构的热工性能,采用这种方法可在较短时间里得到对建筑能耗的评估结果[16]。Luis  Perez-Lombard 等研究了在暖通空调建筑中能源的传递和消耗途径,绘出了能流图,有利于对建筑能耗形成机理的研究[17]。John  E. Seem 提出了有助于建筑能耗预测和监测的改进分级群聚算法 [18]。 Aaron Smith 等研究了 Energy Plus 能耗预测模型的改进方法[19]。Alan K. Meier 等通过实验验证了可以通过短期的测试数据预测建筑能耗水平 [20]。 国内从 20 世纪 90 年代开始进行了一些小范围的建筑能耗调研审计。近年来,在建筑能耗逐年增加的背景下,建筑节能成为热议话题而被引起广泛重视,不少业内人士进行了一些相关的能耗调查和节能潜力研究工作。1989 年开始,以涂逢祥为首的“中国建筑节能经济技术政策研究”组,在我国北方采暖地区和长江沿岸的重庆、宜昌、武汉、南京四城市调查了其各种建筑类型,旨在了解我国城市热环境与能耗状况,完善我国建筑节能政策、计划。并得到了调查城市单位建筑面积能耗数据,为建筑节能法规政策的制定提供了强有力的数据基础,是我国历史上最早的全方位建筑能耗调查[21]。龙惟定等对上海公共建筑能耗现状进行了调查分析,提出用能量效率作为建筑节能的评价指标较之用单位面积平均一次能耗更为合理[22]。武海斌等通过对北京市的 410 户城市居民家用空调器的耗电量的调查研究得出了以建筑面积为自变量的空调用电量的概算指标计算公式,并对未来家用空调器耗电量进行了分析预测[23]。翟超勤等根据其调查结果,在合理简化的基础上,利用 DEST 建筑热环境模拟分析软件给出了全国各省市家用空调器耗电情况的估计[24]。建设部科技发展中心与哈尔滨工业大学合作对哈尔滨市建筑物基本情况、单体建筑能耗、居民住宅的能耗总量、采暖区煤耗量进行调查,并编制建筑能耗统计软件[25]。 

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2  频率特性法的理论基础 

 

2.1  围护结构传热过程分析

GB/ T  50353-2005:围护结构是指围合建筑空间四周的墙体、门、窗等构成建筑空间, 抵御环境不利影响的构件(也包括某些配件)。根据在建筑物中的位置,围护结构分为外围护结构和内围护结构。外围护结构指同室外空气直接接触的围护结构,包括外墙、屋顶、侧窗、外门等,用以抵御风雨、温度变化、太阳辐射等,应具有保温、隔热、隔声、防水、防潮、耐火、耐久等性能。内围护结构是指不同室外空气直接接触的围护结构,如隔墙、楼板和内门窗等,起分隔室内空间作用,应具有隔声、隔视线以及某些特殊要求的性能。热量传递过程是由导热、热对流、热辐射三种基本热传递方式组合形成的,由于建筑室内外存在温差,建筑内部通过围护结构以这三种基本的热量传递方式与建筑外部进行热量交换,建筑内部的热湿环境、热舒适性的优劣和能量耗用的多少,都与建筑围护结构的热工性能密切相关。 导热又称热传导,是指温度不同的物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象,导热是物质的固有属性,单纯的导热一般只发生在密实的固体中[51]。从导热的定义分析,导热的条件需要直接接触,且物体内部各部分之间不发生宏观位移,它是依靠围观粒子(分子、原子或电子等)的无规则运动,它是物体的固有属性,只要存在温差,在固体、液体、气体内均会发生导热现象。对于建筑而言,热传导现象在建筑围护结构中主要发生在墙体、窗户和屋顶等的内部。  

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2.2  相似准则 

热扩散率表征物体被加热或冷却时,物体内各部分温度趋向均匀一致的能力。物体内部温度变化率的大小,取决于边界条件影响向内传播的速率。热扩散系数是一个物性参数,表明了物质导热能力与其贮存热能能力的对比关系,因而反映了物质导热的动态特征。 ?c 是单位体积的物体温度升高 1℃所吸收的热量(单位体积物体的热容量)。例如将一根铁棒一端置于火炉中,另一端很快会感觉烫手,这是由于铁棒的热扩散率 a 较大的缘故。而在冬天将手置于温度相同的铁板或木板上时,铁板感觉更冰凉一些,则是由于铁板热扩散系数a 比木板大的缘故。 对于非稳态导热, a 的数值大(λ大或 ?c 小),意味着在热量传递过程中,沿途用于使物体温度升高的热量少,而剩余有更多的热量向物体内部传递,致使物体内各点的温度能较快的升高。可以看出, a 值的大小,说明物体在加热冷却时的各部分温度变化的快慢。 对于瞬态非稳态导热, a 越大,意味着过度过程所需时间越短,即加热或冷却过程所需时间越短。对于周期性非稳态导热, a 越大则意味着温度波衰减及时间延迟程度越小,传播速度越快。

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3  ANNSYS 软件简介及数值模拟应用 .......... 24 

3.1  数值模拟软件简介及求解应用过程 ...... 24 

3.1.1  数值模拟软件简介 ....... 24 

3.1.2  模拟软件在研究本课题中的应用 ....... 27 

3.1.3  建立控制方程 ....... 28 

3.1.4  确定边界条件 ....... 28 

3.1.5   计算区域与控制方程离散化 ...... 28 

3.2  模型验证 .......... 28 

3.3  本课题模拟应用 ...... 35 

3.4  本章小结 .......... 38 

4  试验系统设计 ........... 39 

4.1  试验研究方案设计 .......... 39 

4.2  试验测试实例 .......... 39

4.3  本章小结 .......... 54 

5  结果分析 ........... 55 

5.1  暖通空调工程负荷计算软件的简介和应用 .......... 55 

5.2  数值模拟结果分析 .......... 57

5.3  试验一试验过程控制和结果分析 .......... 71

5.4  试验二试验结果分析 ...... 75 

5.5  本章小结 .......... 93 

 

5  结果分析 

 

本文分别用理论公式、ANSYS 模拟软件和暖通工程设计软件计算以及实测试验四种方式对单一均值材料的频率特性作对比分析研究。也用频率特性法对围护结构的热工性能进行了现场检测。现将不同的实验及计算结果进行分析。 

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5.1  暖通空调工程负荷计算软件的简介和应用

要保证建筑真正成为节能型绿色环保建筑,就必须对建筑的规划设计、施工等过程严格把关。在建筑设计过程,需要对建筑的空调负荷进行计算之后,再准确的选择制冷或供暖设备。空调冷负荷的计算是暖通空调设备选型的基础,其准确性对整个建筑的节能、运行效果都影响很大,准确、有效、合理的空调冷负荷计算方法对于暖通空调行业至关重要。我国的空调冷负荷计算方法经过了几十年的发展,取得了长足的进步,但仍然存在一些问题。现阶段,我国空调冷负荷计算主要存在以下问题: (1)不同空调冷负荷计算软件的计算结果差异较大,不能有效指导工程实践; (2)在实际工程中,空调系统设备选型普遍偏大,这与空调冷负荷计算的准确程度存在一定的必然联系; (3)实际工程中使用的空调冷负荷计算软件较多,对于各种方法的差异和准确性的研究鲜有开展。对于如何选择空调冷负荷计算软件缺乏明确的指导; (4)工程师在实际应用中对于空调冷负荷计算的理解存在一定的误区。这使得空调冷负荷计算结果的准确性受到较大的影响; (5)我国空调负荷计算方法的理论研究自 20 世纪 80 年代后发展缓慢,国际上该领域的研究成果日新月异。 

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结论

 

准确地掌握建筑和建筑围护结构的热工性能,是正确进行建筑节能设计和评估的前提,本文通过分析对现有检测方法的不足,提出一种动态的建筑围护结构热工性能现场检测方法——频率特性法,用于检测和评价围护结构中某些构件(如外墙、内墙、窗)的热工性能和建筑围护结构整体的热工性能。在对单一均值材料和多层材料构成的墙体的研究时,通过采用理论计算、数值模拟、现场试验、工程软件四种方法相结合方法对本课题进行研究,初步得出以下结论: 

(1)  在建立与参考文献相同的墙体导热模型进行验证时,得到的数值计算结果与理论值相差不大,证明了物理模型和加载的 UDF 程序可以准确的对墙体的传热过程进行准确的数值模拟计算。在对模拟后的数据进行分析时,应当取传热达到稳定或达到周期稳定后的数据进行分析,避免分析所得结果存在误差。 

(2)不同的材料在频率特性图中对应不同的频率特性曲线,频率特性是材料的固有特性,频率特性法则可以将频率特性作为材料的特征参数,通过制作标准的频率特性标准和制定定性的评判标准,采用实测结果直接与标准值作比较的方法,用于现场检测围护结构热工性能是否达到标准。 

(3)材料的频率特性不受温度波形状的影响,即温度波的形状对频率特性的影响可以忽略不计。这为室外温度波不是标准正弦波,仍可以绘制标准的频率特性图评价现场检测的围护结构热工性能提供理论基础支撑。 

(4)对于单一均值的材料,幅频特性曲线是一条指数函数的曲线,相频特性曲线是一条多项式的函数的曲线,它们各项系数与材料本身的性质有关。

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参考文献(略)


基于,频率,法,的,建筑,围护

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