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 鄒鉞 壽先方 高慧揮 黃宇蕊

 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：本文通過運(yùn)用新型檢測儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測實(shí)驗(yàn)及ANSYS的熱分析，然后運(yùn)用算術(shù)平均法、最小二乘法及動(dòng)態(tài)分析法三種數(shù)據(jù)處理方法對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬熱分析及運(yùn)用動(dòng)態(tài)分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出來的結(jié)論與另外兩種數(shù)據(jù)處理方法相比，平均至少可以節(jié)省1d的檢測時(shí)間。

關(guān)鍵詞：圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)動(dòng)態(tài)分析法現(xiàn)場檢測

0  引言

 目前建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測方法常用的有熱流計(jì)法和熱箱法。熱流計(jì)法的檢測時(shí)間宜選在最冷月，受檢測區(qū)域外表面應(yīng)避開雨雪侵襲和陽光直射，檢測時(shí)間長達(dá)96 h，但是對于夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)，符合檢測條件的情況基本不存在，北方地區(qū)除了冬季以外的季節(jié)，檢測誤差也高達(dá)20%以上，所以不適合作為工程檢測的依據(jù)。熱箱法可以人工提供墻體兩側(cè)的溫差，且可以避免惡劣天氣對其現(xiàn)場檢測的影響，但是對于現(xiàn)場檢測來說，熱箱法檢測設(shè)備體積大，不易攜帶安裝，對現(xiàn)場檢測帶來不可避免的麻煩。

  本篇文章運(yùn)用一種新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)檢測儀對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，通過對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測傳熱系數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法的比較，運(yùn)用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)分析進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出的結(jié)論是：運(yùn)用這種新型的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢測儀，通過合理的數(shù)據(jù)處理，可以縮短現(xiàn)場檢測時(shí)間。

1  傳熱系數(shù)K的數(shù)據(jù)處理方法

 目前，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測傳熱系數(shù)K的數(shù)據(jù)處理方法有算數(shù)平均法、最小二乘法和動(dòng)態(tài)分析法，其中算術(shù)平均法又有直接計(jì)算法和絕對值法。

1.1使用算數(shù)平均法確定傳熱系數(shù)

  運(yùn)用算術(shù)平均法確定一個(gè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K是一組測試數(shù)據(jù)的平均熱流量除以平均溫差。

1.1.1直接計(jì)算法

 對于算數(shù)平均法傳熱系數(shù)K的確定方法來源于一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)公式：

式中：x表示熱傳導(dǎo)空間距離；t表示時(shí)間；T表示溫度；K表示熱導(dǎo)率；p表示密度；c表示比熱容。

 運(yùn)用此一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)公式確定傳熱系數(shù)K，意味著此熱傳遞過程只考慮導(dǎo)熱，而忽略了輻射和對流。

 通過一系列推導(dǎo)得到運(yùn)用算數(shù)平均法計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式是：

 運(yùn)用上式計(jì)算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K比較簡單，意義也比較容易理解，廣泛被大家所接受，但是此種計(jì)算方法也存在很多缺陷：1）在春秋季節(jié)，通常情況下會(huì)面臨∑q i接近于0，這樣很難計(jì)算傳熱系數(shù)的值；2）傳熱系數(shù)K會(huì)隨著溫度變化而變化；3）對于熱邊界層的處理，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)引起錯(cuò)誤；4）當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)外溫差發(fā)生劇烈變化時(shí)，缺乏對熱邊界層的處理引起錯(cuò)誤。

 對于上述問題，需要足夠的測量時(shí)間，但是對于南方地區(qū)，經(jīng)常會(huì)遇到下雨等不確定因素，連續(xù)一周以上的穩(wěn)定天氣很難保證。

1.1.2絕對值法

 當(dāng)平均熱流值接近于0時(shí)，條件缺乏快速收斂，R．D．Orlandi建議采用絕對值法，即g i和△Ti均取絕對值，則可以避免這個(gè)問題的出現(xiàn)，公式如下：

 在極端條件下，上式可以得到比較可靠的傳熱系數(shù)值，但是上式仍舊是算數(shù)平均法，仍然會(huì)出現(xiàn)跟直接計(jì)算法相同的弊端。

1.2使用最小二乘法確定傳熱系數(shù)

 假定檢測是穩(wěn)態(tài)模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測建筑墻體的傳熱系數(shù)K值，其中假定建筑墻體的傳熱系數(shù)K是恒定的。

 本最小二乘法的依據(jù)是建筑墻體現(xiàn)場檢測的熱通量和計(jì)算值差的平方和最小的時(shí)候得出的傳熱系數(shù)K:

1.3使用動(dòng)態(tài)分析法確定傳熱系數(shù)

  動(dòng)態(tài)分析法是利用熱平衡方程對熱性能的變化進(jìn)行分析計(jì)算的。在時(shí)刻t i測得的N組數(shù)據(jù)，其中包

  由式(10)求得的建筑墻體傳熱系數(shù)K再進(jìn)行算數(shù)平均。

2傳熱系數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法的比較

2.1數(shù)據(jù)的典型性

  對于南方地區(qū)，經(jīng)常會(huì)遇到下雨等不確定因素，本次選東華大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室外墻的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，從2014.5.27的17:43:05到2014年6月1日的17:00:04，測試時(shí)間為5天，時(shí)間間隔為1 min。數(shù)據(jù)特點(diǎn)是：上海、夏熱冬冷地區(qū)、初夏。對于南方地區(qū)，數(shù)據(jù)具有典型性。檢測墻體的參數(shù)是：多孔磚，用M5.0砂漿砌筑，244 mm，基本結(jié)構(gòu)是由厚200 mm的KP1直孔多孔磚、40 mm的水泥砂漿以及4 mm的瓷磚組成。此次檢測的建筑墻體的傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)值為1.66 (m2．K)/W。建筑墻體現(xiàn)場檢測的原始數(shù)據(jù)如圖1所示。

2,2各方法的處理結(jié)果對比

2.2.1運(yùn)用算術(shù)平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

  運(yùn)用算數(shù)平均法，對于輕型構(gòu)件(熱容<20 k J/(m2．K》，宜采用晚上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，連續(xù)監(jiān)測三個(gè)晚上，且測試結(jié)果之間的差別小于5%，實(shí)驗(yàn)結(jié)束；對于重型構(gòu)件(熱容大于20 kJ/(m2.K》，測試時(shí)間應(yīng)為24 h的整數(shù)倍，當(dāng)結(jié)果與前24 h之間的差別小于5%時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。本次選取的測試墻體為重型構(gòu)件。

 用算術(shù)平均法的直接計(jì)算法，結(jié)果如圖2所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在加熱至72 h之后K才逐漸接近1.66(m2. K)/W，按照標(biāo)準(zhǔn)IS09869規(guī)定，測試時(shí)間在96 h以上才滿足要求。

  用算數(shù)平均法的絕對值法，結(jié)果如圖3所示。計(jì)算結(jié)果顯示，也是在加熱至72 h之后K才逐漸接近1.66(m2.K)/W，之后計(jì)算的誤差在5%以內(nèi)。

2.2.2運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

 運(yùn)用最小二乘法，結(jié)果如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示，加熱至60 h之后K才逐漸接近1.66 (m2．K)/W，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，測試時(shí)間在84 h以上才滿足要求。

 由上述幾種方法分析，得到接近設(shè)計(jì)值的傳熱系數(shù)值至少需要84h，即3.5 d以上，對于南方地區(qū)，尤其是春夏秋季，天氣變幻不定，連續(xù)保證4d以上熱流計(jì)不受環(huán)境影響是不可能的，所以熱流計(jì)法在南方是不適用的。

2.3改進(jìn)的動(dòng)態(tài)分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過程

  動(dòng)態(tài)分析法充分考慮到墻體熱惰性對測試數(shù)據(jù)影響，允許溫度和熱流隨著周圍環(huán)境變化，當(dāng)出現(xiàn)大的波動(dòng)，也可以獲得建筑物的穩(wěn)態(tài)屬性，所以動(dòng)態(tài)分析法對于南方地區(qū)、各個(gè)季節(jié)的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的處理適應(yīng)性強(qiáng)，可信度高。

 相對于算數(shù)平均法，動(dòng)態(tài)分析法對測試構(gòu)件的熱容量進(jìn)行了修正，所以其測試周期更短。

 由式(10)知，丁對K值的影響不大，僅對P和Q有影響，故丁選一個(gè)即可。不同時(shí)刻下的Ⅳ組數(shù)據(jù)將式(10)寫成一個(gè)線性方程組，但為了完成j項(xiàng)求和，必須附加p組數(shù)據(jù)，最后形成一個(gè)超定的線性方程組，該方程組采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件Eviews進(jìn)行最小二乘擬合求解，得到各個(gè)時(shí)刻的K值。

 計(jì)算結(jié)果顯示在加熱至45 h之后，K值逐漸接近1.66 (m2．K)/W，若依據(jù)算術(shù)平均法的標(biāo)準(zhǔn)，70 h即可滿足要求。

若去掉前24 h的測試數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。

 計(jì)算結(jié)果顯示在加熱至40 h之后，K值逐漸趨于平緩，盡管計(jì)算值在1.70 (m2.K)/W左右波動(dòng)，但是對于現(xiàn)場檢測傳熱系數(shù)K值來說，誤差在5%以內(nèi)都是可以接受的。若依據(jù)算術(shù)平均法的標(biāo)準(zhǔn)，測試時(shí)間在64h即可滿足要求。

 與之前的算數(shù)平均法及最小二乘法比較，至少節(jié)省1d的時(shí)間，對于天氣無法估計(jì)的現(xiàn)場檢測來說，這是一個(gè)很大的進(jìn)步。

3  結(jié)論

  通過運(yùn)用新型檢測儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測實(shí)驗(yàn)，及ANSYS的熱分析，運(yùn)用算術(shù)平均法、最小二乘法及動(dòng)態(tài)分析法對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相對于前兩種方法，動(dòng)態(tài)分析法更復(fù)雜，但是對于中重型元件的性能檢測，以及檢測元件周圍環(huán)境發(fā)生波動(dòng)的情況下，可以縮減檢測時(shí)間，通過本文所選數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)分析法較前兩種方法，檢測時(shí)間縮短了1d。對于天氣變化莫測的南方，運(yùn)用動(dòng)態(tài)分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提高了測試成功的幾率。