非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统与流程

1.本发明涉及建筑施工工程领域，特指一种非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统。


背景技术：

2.外墙(建筑围护结构)的传热系数是影响建筑节能的重要指标。目前对外墙传热系数的检测主要局限在试验室，测试原理是使墙体两侧保持恒定的温差，通过温度传感器测量墙体两侧壁面的温差δt，通过热流计测量热流q，从而可以获得墙体传热系数k＝q/δt。
3.然而试验室测量存在不能反映真实工程、需要额外制作试件的缺点，因而我国现在出现了另外一种工程现场测量传热系数的方法，其测量原理与试验室方法相同。具体做法是在工程现场的室内侧墙体表面设置热流计测量热流q，在室内外两侧的墙体表面上分别设置温度传感器以测量墙壁面温差δt，室内开空调以保证室内恒温，测量时要避开气温剧烈变化的天气，记录热流密度和内、外表面温度。由于q和δt会随着室内外气温的变化而变化，因而每一时刻计算出的墙体传热系数k＝q/δt不是定值，需要选择热流比较平稳的一段，取平均值作为最终测量结果。但是实践表明，大多数情况下所测得的热流q波动很大，主要原因在于：热流测量值对气温波动很敏感，想要获得稳定的热流必须满足室内外恒温条件，因而测量结果很大程度取决于天气状况和室内恒温情况，但这两样条件是很难人为控制的，想达到条件必须付出较多的时间和资金。由此看，这种需要恒温条件的工程现场测量传热系数的方法存在明显的局限性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统，解决现有的工程现场测量传热系数的方法需要保证室内外恒温条件才能获得较为准确的测量结果，而室内外恒温条件很难实现人为控制从而使得其存在明显的局限性的问题。
5.实现上述目的的技术方案是：
6.本发明提供了一种非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法，包括如下步骤：
7.调节室内温度让待测墙体的室内外产生温差；
8.采集设定时间内的待测墙体的室内温度、室外温度和室内侧热流密度形成对应的实测室内温度数据、实测室外温度数据和实测室内侧热流密度数据；
9.建立对应待测墙体的一维非稳态热传导方程，利用所采集的实测室内温度数据和实测室外温度数据作为边界条件，求解得出待测墙体所有材料的温度变化；
10.将墙体传热系数设定为设计值；
11.利用求解得出的待测墙体所有材料的温度变化和所述设计值计算待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为计算热流密度数据；以及
12.比较所述计算热流密度数据和所述实测室内侧热流密度数据的大小，若所述计算热流密度数据大于等于所述实测室内侧热流密度数据，则判断得出所述待测墙体的实际传热系数小于等于所述设定值；若所述计算热流密度数据小于所述实测室内侧热流密度数据，则判断得出所述待测墙体的实际传热系数大于所述设定值。
13.本发明的工程现场检测方法，只需要室内外产生温差即可，无需温差恒定，实现了非恒温条件下的墙体传热系数的检测，具体地，在检测时，获取了室内外的温度和室内侧热流密度，基于室内外的温度和设定的墙体传热系数计算得出对应的热流密度，再将计算得到的热流密度数据与采集到的实测室内侧热流密度数据进行比较，若计算热流密度数据大于等于实测室内侧热流密度数据，则表明待测墙体的实际传热系数小于等于设定值，满足设计要求；若计算热流密度数据小于实测室内侧热流密度数据，则表明待测墙体的实际传热系数大于设定值，其不满足设计要求。如此，本发明的现场检测方法无需确保室内外的温度恒定，即使热流密度会因气温波动而产生波动，其也不会影响对墙体的实际传热系数的检测判断，且能够为工程现场提供快速检验墙体是否满足设计保温要求的功能。
14.本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法的进一步改进在于，还包括：
15.对所述设计值按照多个设定倍数分别进行放大以得到对应的放大值；
16.利用求解得出的待测墙体所有材料的温度变化和所述放大值计算得出待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为放大热流密度数据；
17.从所述放大热流密度数据和所述计算热流密度数据中找出与所述实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据，将吻合程度最高的数据对应的墙体传热系数作为检测结果输出。
18.本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法的进一步改进在于，在找出与所述实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据时，依据所述放大热流密度数据、所述计算热流密度数据以及所述实测室内侧热流密度数据在一张图上绘制出对应的曲线，从图中选出与所述实测室内侧热流密度数据对应的曲线的走势与幅值均接近的曲线作为吻合程度最高的数据。
19.本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法的进一步改进在于，在找出与所述实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据时，计算所述放大热流密度数据和所述热流密度数据与所述实测室内侧热流密度数据的偏差值；
20.选取偏差值最小的数据作为吻合程度最高的数据。
21.本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法的进一步改进在于，通过如下公式计算待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为计算热流密度数据：
[0022][0023]
式中，表示对应k时刻的计算热流密度值，h
n
表示墙体传热系数，表示待测墙体室内壁面的温度变化中对应k时刻的温度值，表示实测室内温度数据中对应k时刻的温度值。
[0024]
本发明还提供了一种非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统，包括：
[0025]
设于室内的空调，用于调节室内温度让待测墙体的室内外产生温差；
[0026]
设于室内的第一温度传感器，用于采集设定时间内的待测墙体的室内温度形成对应的实测室内温度数据；
[0027]
设于室外的第二温度传感器，用于采集设定时间内的待测墙体的室外温度形成对应的实测室外温度数据；
[0028]
设于待测墙体的室内侧墙壁面上的热流计，用于采集设定时间内的待测墙体的室内侧热流密度形成对应实测室内热流密度数据；
[0029]
处理模块，与所述空调、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器以及所述热流计连接，所述处理模块用于建立对应待测墙体的一维非稳态热传导方程，并利用所述第一温度传感器和所述第二温度传感器采集得到的实测室内温度数据和实测室外温度数据作为边界条件，求解得出待测墙体所有材料的温度变化；所述处理模块还基于一设定值作为墙体传热系数，并结合求解得出的待测墙体所有材料的温度变化计算待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化并记为计算热流密度数据；以及
[0030]
检测模块，与所述处理模块和所述热流计连接，所述检测模块用于比较判断所述计算热流密度数据和所述实测室内侧热流密度数据的大小，若所述计算热流密度数据大于等于所述实测室内侧热流密度数据，则判断得出所述待测墙体的实际传热系数小于等于所述设定值；若所述计算热流密度数据小于所述实测室内侧热流密度数据，则判断得出所述待测墙体的实际传热系数大于所述设定值。
[0031]
本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统的进一步改进在于，所述处理模块还用于对所述设计值按照设定倍数分别进行放大以得到对应的放大值，并利用放大值和求解得出的待测墙体所有材料的温度变化计算得出待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为放大热流密度数据；
[0032]
所述检测模块还用于从所述放大热流密度数据和所述计算热流密度数据中找出与所述实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据，将吻合程度最高的数据对应的墙体传热系数作为检测结果输出。
[0033]
本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统的进一步改进在于，所述检测模块还用于依据所述放大热流密度数据、所述计算热流密度数据以及所述实测室内侧热流密度数据在一张图上绘制出对应的曲线，从图中选出与所述实测室内侧热流密度数据对应的曲线的走势与幅值均接近的曲线作为吻合程度最高的数据。
[0034]
本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统的进一步改进在于，所述检测模块还用于计算所述放大热流密度数据和所述热流密度数据与所述实测室内侧热流密度数据的偏差值，选取偏差值最小的数据作为吻合程度最高的数据。
[0035]
本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统的进一步改进在于，所述处理模块通过如下公式计算热流密度数据：
[0036][0037]
式中，表示对应k时刻的计算热流密度值，h
n
表示墙体传热系数，表示待测墙体室内壁面的温度变化中对应k时刻的温度值，表示实测室内温度数据中对应k时刻的温度值。
附图说明
[0038]
图1为本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统的测量条件的示意图。
[0039]
图2为一工程实例的墙体的结构示意图。
[0040]
图3为在一工程实例中实测的热流密度测量结果图。
[0041]
图4为在一工程实例中实测的室内外温度的测量结果图。
[0042]
图5为本发明的检测系统及方法计算得出的两种计算热流密度曲线与实测热流密度曲线的对比图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0044]
参阅图1，本发明提供了一种非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统，解决传统墙体传热系数现场测量方法必须依赖稳定气温环境的瓶颈问题，本发明的检测方法不受天气影响，随时测试，无需等待，节约工期；也不必提供严苛的室内恒温环境，节省测试成本，测量结果能够反映工程实际，更具有代表性。下面结合附图对本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统进行说明。
[0045]
参阅图1，显示了图1为本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法及系统的测量条件的示意图。下面结合图1，对本发明非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统进行说明。
[0046]
如图1所示，本发明的非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测系统包括设于室内的空调21、设于室内的第一温度传感器22、设于室外的第二温度传感器23、设于待测墙体10的室内侧墙壁面上的热流计24、处理模块以及检测模块，其中的处理模块与空调21、第一温度传感器22、第二温度传感器23以及热流计24连接，检查模块与处理模块和热流计24连接。空调21用于调节室内温度让待测墙体10的室内外产生温差，较佳地，处理模块可通过控制指令控制空调21的运行，空调21可进行制冷，也可进行制热，只要能够让室内外形成温差即可，无需确保温差恒定，也无需确保室内的温度保持恒定。第一温度传感器22设于热流计24的附近，该第一温度传感器22用于采集设定时间内的待测墙体10的室内温度形成对应的实测室内温度数据；第二温度传感器23也靠近热流计24设置，该第二温度传感器23用于采集设定时间内的待测墙体10的室外侧的温度形成对应的实测室外温度数据。热流计24用于采集设定时间内的待测墙体的室内侧热流密度形成对应的实测室内热流密度数据。
[0047]
处理模块用于建立对应待测墙体10的一维非稳态热传导方程，并利用第一温度传感器22和第二温度传感器23采集得到的实测室内温度数据和实测室外温度数据作为边界条件，求解得出待测墙体10所有材料的温度变化，也即该待测墙体10内所有材料各个时刻的温度场。进一步地，处理模块还基于一设定值作为墙体传热系数，并结合求解得出的待测墙体所有材料的温度变化计算待测墙体10室内侧墙体表面处的热流密度变化并记为计算热流密度数据；较佳地，设定值即为待测墙体的设计传热系数，该设计传热系数根据墙体设计构造的参数确定，工程现场检测墙体的传热系数的目的是为了判断墙体的实际传热系数是否达到了设计传热系数的要求。
[0048]
检测模块用于比较判断计算热流密度数据和实测室内侧热流密度数据的大小，若
计算热流密度数据大于等于实测室内侧热流密度数据，则判断得出待测墙体的实际传热系数小于等于设定值，也即该墙体的传热系数满足设计预期要求，若计算热流密度数据小于实测室内侧热流密度数据，则判断得出待测墙体的实际传热系数大于设定值，则判断得出待测墙体的实际传热系数大于设定值，也即墙体的传热系数不满足设计预期要求。
[0049]
而在工程现场对墙体传热系数进行检测就是要判断实际施工的墙体的保温性能是否符合设计要求，也即其传热系数是否满足设计要求，故，本发明的检测系统利用设定的传热系数与实测的室内外温度，计算得出室内侧墙体表面处的热流密度，而后比对计算的热流密度与实测的热流密度的大小，由于比对的非某一时刻的热流密度值，而是一段时间内的热流密度数据，从而使得本发明的检测系统能够允许热流密度存在一定的波动，实现了在非恒温条件下检测墙体传热系数，且能够快速准确的判断得出墙体是否满足设计预期要求。
[0050]
在本发明的一种具体实施方式中，处理模块还用于对设计值按照设定倍数分别进行放大以得到对应的放大值，并利用放大值和求解得出的待测墙体所有材料的温度变化计算得出待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为放大热流密度数据；较佳地，放大倍数为1.2、1.5、2或3。
[0051]
检测模块还用于从放大热流密度数据和计算热流密度数据中找出与实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据，将吻合程度最高的数据对应的墙体传热系数作为检测结果输出。
[0052]
本发明的检测系统能够提供墙体传热系数的测量值，通过对设定的墙体传热系数进行放大，再相应地计算出热流密度变化，从而可以绘制出热流密度曲线，而后对比计算得出的所有热流密度曲线与实测的热流密度曲线的吻合程度，选取吻合程度最高的热流密度曲线，该吻合程度最高的热流密度曲线与实测的热流密度曲线最接近，就表明其对应的墙体传热系数与墙体的实际传热系数最接近。
[0053]
在本发明的一种具体实施方式中，如图1所示，在待测墙体10的室外侧放置遮阳板25，以防止阳光照射对热流测量产生影响。在无法放置遮阳板时，则在待测墙体10的室外侧的墙壁面上放置日照传感器，记录日照强度，后续计算时加入日照强度这一参数。
[0054]
在本发明的一种具体实施方式中，本发明建立的一维非稳态热传导方程的理论基础是经典的无热源热传导方程，该无热源热传导方程如下：
[0055][0056]
其中，t表示温度，x表示位置坐标(单位是m)，τ表示时间(单位是s)，α(x,τ)表示导温系数(单位是m2/s)，对于由多层材料组合而成的墙体，认为导温系数与时间无关，即其中λ(x)为位置x处材料的导热系数(w/(m
·
k)，c
p
(x)为位置x处材料的比热容(j/(kg
·
k))，ρ(x)为位置x处材料的密度(kg/m3)。该方程即为本发明的一维非稳态热传导方程。
[0057]
在求解一维非稳态热传导方程时，本发明采用最简隐格式的差分计算方法，该计算方法是无条件稳定的，时间差分步长可以取较大的值，因而计算步数少，计算耗时短，计
算结果较为可靠。
[0058]
首先，建立差分格式：
[0059]
假设将每种材料分为若干小段，材料交界面上也设置节点，总共有n个节点，节点1代表墙最外表面，节点n代表墙最内表面，设各节点的温度为其中j代表节点变化，k代表时间步。则基本差分格式为：
[0060][0061]
即：
[0062][0063]
其中，
[0064][0065][0066]
上述公式中，α
j,l
表示节点j左侧的材料导温系数，α
j,r
表示节点j右侧的材料导温系数，δτ表示时间的差分步长，δx
j,l
表示节点j左侧的位置坐标差分步长，δx
j,r
表示节点j右侧的位置坐标差分步长；当j＝1或n时，δx
j,l
＝δx
j,r
，α
j,l
＝α
j,r
。
[0067]
然后，建立边界条件：
[0068]
计算墙体内表面温度时，按照下式建立第三类边界条件：
[0069][0070][0071]
其中，h1表示室外侧对流换热系数(m2·
k)，h
n
表示室内侧对流换热系数(m2·
k)，c
p1
表示墙体在室外侧的材料的比热容(j/(kg
·
k)，c
pn
表示墙体在室内侧的材料的比热容(j/(kg
·
k)，ρ1表示墙体在室外侧的材料的密度(kg/m3)，ρ
n
表示墙体在室内侧的材料的密度(kg/m3)，ρ
s
表示外表面太阳辐射吸收系数，l
k 1
表示第k 1时刻的表面法向太阳总辐射强度(w/m2)，包括直射和散射，当采用遮阳板时可不考虑太阳辐射影响，计算时将该值取0，当无遮阳板时，取日照传感器的测量值，表示第k 1时刻的室外空气温度(℃)，该值通过室外侧的温度传感器测得，表示第k 1时刻的室内空气温度(℃)，该值通过室内温度传感器测得。λ
1,r
表示节点1右侧材料的导热系数，即墙体最外侧材料(室外侧)的导热系数，δx
1,r
表示节点1右侧的位置坐标差分步长，即墙体最外层网格的长度，λ
n,l
表示节点n左侧材料的导热系数，即墙体最内层材料(室内侧)的导热系数，δx
n,l
表示节点n左侧的位置坐标差分步长，即墙体最内层网格的长度。
[0072]
上述的边界条件可改写成以下格式：
[0073][0074][0075]
其中，
[0076][0077][0078]
最后，基于建立的差分格式和边界条件建立线性方程组，处理模块中存储有该线性方程组，进而通过将接收到的各个参数输入到线性方程组中即可获得墙体各层材料的温度变化情况。
[0079][0080]
在已知第k时刻温度场的情况下，可以通过求解上述方程组得到第k 1时刻的温度场。由于初始时刻的温度场已知，就可以计算得到后面所有时刻的温度场，也即得到了墙体所有材料的温度变化。
[0081]
进一步地，处理模块通过如下公式计算热流密度数据：
[0082][0083]
式中，表示对应k时刻的计算热流密度值，h
n
表示墙体传热系数，表示待测墙体室内壁面的温度变化中对应k时刻的温度值，表示实测室内温度数据中对应k时刻的温度值，来自第一温度传感器的测量值。由于墙体所有材料的温度变化已在上面步骤中获得，故可以直接提取出室内壁面的温度变化。
[0084]
在本发明的一种具体实施方式中，检测模块还用于依据放大热流密度数据、计算热流密度数据以及实测室内侧热流密度数据在一张图上绘制出对应的曲线，从图中选出与实测室内侧热流密度数据对应的曲线的走势与幅值均接近的曲线作为吻合程度最高的数据。
[0085]
将各热流密度数据绘制在一张图上，从能够直接比对出与实测热流曲线最接近的那一条热流曲线，实现简单方便。
[0086]
在本发明的一种具体实施方式中，检测模块还用于计算放大热流密度数据和热流密度数据与实测室内侧热流密度数据的偏差值，选取偏差值最小的数据作为吻合程度最高的数据。
[0087]
偏差值计算公式如下：
[0088][0089]
其中，q表示实测热流曲线，q
d
表示计算热流曲线，e
j
最小值对应的计算热流曲线即为与实测热流曲线吻合度最高的曲线。
[0090]
下面以一工程案例进行说明。
[0091]
如图2所示，该工程外墙采用了alc板加i型stp的外保温系统，从外至内依次包括外墙涂料层1、饰面基层2、抹面砂浆 耐碱涂覆网布层3、i型stp真空绝热板4、粘结砂浆层5、水泥砂浆找平层6、alc板7、界面处理剂层8、混合砂浆打底层9、混合砂浆找平层10以及内墙涂料层11，各材料层的设计参数如下表所示：
[0092][0093][0094]
表1墙体各材料层的设计参数表
[0095]
如图3和图4所示，显示了实测的热流测量结果和室内外温度测量结果。
[0096]
本发明的检测系统先计算设计传热系数下的室内侧墙体表面的计算热流密度数据q
d0
，然后将各层材料的导热系数整体乘以一放大系数1.5，重新计算得到室内侧墙体表面的计算热流密度q
d1
。
[0097]
将热流测量结果q，计算热流密度q
d0
和q
d1
绘制在同一张图上，其中的横坐标为时间，纵坐标为热流密度。如图5所示，最下面一条曲线为热流测量结果对应的曲线，计算热流密度q
d0
对应的曲线略高于该热流测量结果曲线，而计算热流密度q
d1
远大于热流测量结果
曲线，由此可见计算热流密度q
d0
与热流测量结果曲线吻合度最高，墙体的实际传热系数不高于设计值0.2w/(m2·
k)，满足设计预期。
[0098]
本发明还提了一种非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法，下面对该检测方法进行说明。
[0099]
本发明的非恒温条件下墙体传热系数的工程现场检测方法，包括如下步骤：
[0100]
调节室内温度让待测墙体的室内外产生温差；
[0101]
采集设定时间内的待测墙体的室内温度、室外温度和室内侧热流密度形成对应的实测室内温度数据、实测室外温度数据和实测室内侧热流密度数据；
[0102]
建立对应待测墙体的一维非稳态热传导方程，利用所采集的实测室内温度数据和实测室外温度数据作为边界条件，求解得出待测墙体所有材料的温度变化；
[0103]
将墙体传热系数设定为设计值；
[0104]
利用求解得出的待测墙体所有材料的温度变化和设计值计算待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为计算热流密度数据；以及
[0105]
比较计算热流密度数据和实测室内侧热流密度数据的大小，若计算热流密度数据大于等于实测室内侧热流密度数据，则判断得出待测墙体的实际传热系数小于等于设定值；若计算热流密度数据小于实测室内侧热流密度数据，则判断得出待测墙体的实际传热系数大于设定值。
[0106]
在本发明的一种具体实施方式中，还包括：
[0107]
对设计值按照多个设定倍数分别进行放大以得到对应的放大值；
[0108]
利用求解得出的待测墙体所有材料的温度变化和放大值计算得出待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为放大热流密度数据；
[0109]
从放大热流密度数据和计算热流密度数据中找出与实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据，将吻合程度最高的数据对应的墙体传热系数作为检测结果输出。
[0110]
在本发明的一种具体实施方式中，在找出与实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据时，依据放大热流密度数据、计算热流密度数据以及实测室内侧热流密度数据在一张图上绘制出对应的曲线，从图中选出与实测室内侧热流密度数据对应的曲线的走势与幅值均接近的曲线作为吻合程度最高的数据。
[0111]
在本发明的一种具体实施方式中，在找出与实测室内侧热流密度数据吻合程度最高的数据时，计算放大热流密度数据和热流密度数据与实测室内侧热流密度数据的偏差值；
[0112]
选取偏差值最小的数据作为吻合程度最高的数据。
[0113]
在本发明的一种具体实施方式中，通过如下公式计算待测墙体室内侧墙体表面处的热流密度变化，记为计算热流密度数据：
[0114][0115]
式中，表示对应k时刻的计算热流密度值，h
n
表示墙体传热系数，表示待测墙体室内壁面的温度变化中对应k时刻的温度值，表示实测室内温度数据中对应k时刻的温度值。
[0116]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上
述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。