一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法，包括箱體系統(tǒng)、計算機及儀表監(jiān)控系統(tǒng)等。箱體系統(tǒng)，用于根據(jù)用戶輸入的測試工況，同時實現(xiàn)墻體的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)傳熱過程測試；計算機及儀表監(jiān)控系統(tǒng)，用于測試工況的設(shè)置，并實現(xiàn)墻體傳熱過程的控制調(diào)節(jié)，實時采集傳熱過程中溫度、熱流、電加熱功率等數(shù)據(jù)，按照預(yù)設(shè)的計算準(zhǔn)則對墻體傳熱過程及熱工性能進(jìn)行智能分析，自動生成傳熱過程分析報表。不僅可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)傳熱過程中墻體傳熱系數(shù)的檢測功能，還可以模擬測試不同城市、不同類型建筑環(huán)境下的墻體動態(tài)傳熱過程，智能分析墻體熱工性能及其熱過程，為不同室內(nèi)環(huán)境調(diào)控需求提供不同的墻體構(gòu)造，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。
【專利說明】
一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于建筑墻體熱工性能的測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是傳熱測試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，中國正處于加快推進(jìn)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)的關(guān)鍵時期，建筑與工 業(yè)、交通成為能源使用的三大主力行業(yè)，也是溫室氣體排放的重要來源。2009年我國建筑能 耗達(dá)到7.17億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全社會總能耗的23.39%，按照發(fā)達(dá)國家常規(guī)的發(fā)展方式，我國 建筑能耗占總能耗的比例可達(dá)到35%。由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能可達(dá)25%左右，國家先后出 臺公共建筑、居住建筑等多部節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，分別就圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、熱阻、熱惰性指 標(biāo)等熱工性能參數(shù)做出了嚴(yán)格規(guī)定。因此，外墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要組成部分，優(yōu)化墻 體熱工性能對建筑節(jié)能的重要性不容小覷。
[0003] 國內(nèi)外早期對于建筑墻體熱工性能的研究僅僅局限在穩(wěn)定條件下，即自然工況或 連續(xù)空調(diào)、采暖運行模式下，且國家、行業(yè)發(fā)布的建筑節(jié)能設(shè)計及檢測驗收標(biāo)準(zhǔn)均采用傳熱 系數(shù)K、熱阻R及熱惰性指標(biāo)D等參數(shù)來衡量和評價墻體的熱工性能。近年來，隨著空調(diào)及采 暖設(shè)備使用率迅速攀升，建筑能耗增加迅猛，間歇空調(diào)、采暖運行模式也隨著建筑節(jié)能的呼 吁、房間使用功能及人員行為模式的不同而隨之產(chǎn)生。此外，在不同的氣候條件下墻體表現(xiàn) 出不同的熱工性能，如夏熱冬冷地區(qū)墻體傳熱特性與嚴(yán)寒寒冷地區(qū)保溫外墻的單向熱傳遞 特性具有顯著的區(qū)別，夏熱冬冷地區(qū)墻體的熱工性能設(shè)計不僅要滿足夏季白天良好的隔熱 性和夜間良好的散熱性，還要兼顧冬季良好的保溫性。因此，對于間歇空調(diào)運行模式下墻體 的熱工性能，不能僅僅通過傳統(tǒng)的熱工性能參數(shù)進(jìn)行衡量和評價。
[0004] 國內(nèi)現(xiàn)有的墻體熱工性能檢測設(shè)備的檢測指標(biāo)主要有傳熱系數(shù)K、熱阻R等，檢測 方法主要有熱流計法、熱箱法、熱箱一熱流計法、常功率平面熱源法及紅外熱像儀法，這些 檢測設(shè)備均是在墻體穩(wěn)態(tài)傳熱條件下進(jìn)行的。例如:現(xiàn)有技術(shù)公開了一種結(jié)構(gòu)簡單、適用性 廣的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測裝置，可提高被測部位的溫度均勻性和穩(wěn)定程度，但檢測 條件局限于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，不能對墻體動態(tài)熱環(huán)境下的熱工性能進(jìn)行檢測。本發(fā)明旨在針 對不同氣候條件和空調(diào)運行模式，提供一種可同時實現(xiàn)建筑墻體動態(tài)及穩(wěn)態(tài)傳熱過程的測 試裝置及方法，智能分析墻體熱工性能及其熱過程，為不同室內(nèi)環(huán)境調(diào)控需求提供不同的 墻體構(gòu)造，為相關(guān)國家、行業(yè)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是解決不同氣候條件和空調(diào)運行模式，提供一種建筑墻體動態(tài)傳熱 過程測試裝置，其特征在于:包括試件框(1)、防護(hù)熱箱(3)、冷箱(5)和控制系統(tǒng)；
[0006] 所述試件框（1)為矩形框;所述防護(hù)熱箱(3)和冷箱(5)均是一面敞口的中空長方 體，二者分別扣合在所述試件框（1)的兩側(cè)，形成一個封閉空間；所述矩形框中間為待測試 的墻體試件(2);所述墻體試件(2)將所述封閉空間分割兩個空間;所述防護(hù)熱箱(3)內(nèi)部具 有一個計量熱箱(4)和防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng)（10);所述計量熱箱(4)是一面敞口的中空長 方體，其敞口扣合在墻體試件(2)的表面;所述冷箱(5)內(nèi)部的空間為制冷空間，所述計量熱 箱(4)內(nèi)部的空間為制熱空間，所述計量熱箱(4)與防護(hù)熱箱(3)之間的空間為隔熱空間；
[0007] 所述冷箱(5)帶有冷箱導(dǎo)流屏(6)和冷箱制冷及加熱系統(tǒng)(8);所述冷箱導(dǎo)流屏(6) 平行于墻體試件(2)的表面;所述冷箱導(dǎo)流屏(6)的一端固定于冷箱(5)的內(nèi)壁;所述冷箱制 冷及加熱系統(tǒng)(8)對冷箱(5)內(nèi)的空氣制冷或加熱；
[0008] 所述計量熱箱(4)帶有熱箱導(dǎo)流屏(7)和電熱絲(9);所述熱箱導(dǎo)流屏(7)平行于墻 體試件(2)的表面;所述熱箱導(dǎo)流屏(7)的一端固定于計量熱箱(4)的內(nèi)壁;所述電熱絲(9) 對計量熱箱(4)內(nèi)部的空氣加熱;所述防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng)（10)對計量熱箱(4)和防護(hù)熱 箱(3)之間的空氣制冷或加熱；
[0009] 所述控制系統(tǒng)通過控制冷箱制冷及加熱系統(tǒng)(8)、電熱絲(9)和防護(hù)箱制冷及加熱 系統(tǒng)（10)，對所述制冷空間、制熱空間和隔熱空間的溫度進(jìn)行調(diào)控；
[0010] 墻體試件(2)材料層數(shù)為m層，設(shè)置m+3個溫度測點層，其中，m-1個測點層分別位于 每層墻體材料之間，2個測點層分別位于墻體試件(2)的兩側(cè)表面;2個測點層分別位于計量 熱箱(4)和冷箱(5)內(nèi)部，這兩個測點層靠近墻體試件(2)表面(即兩個箱體內(nèi)貼近墻體表面 的空氣薄層）。
[0011] 進(jìn)一步，所述冷箱制冷及加熱系統(tǒng)（8)通過循環(huán)冷風(fēng)或熱風(fēng)對制冷空間進(jìn)行溫度 調(diào)控；
[0012] 所述防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng)（10)位于防護(hù)熱箱(3)外部，通過循環(huán)冷風(fēng)或熱風(fēng)對 隔熱空間進(jìn)行溫度調(diào)控。
[0013] 進(jìn)一步，所述隔熱空間內(nèi)部布置若干個循環(huán)風(fēng)機(11)。
[0014] 基于上述裝置，本發(fā)明公開的建筑墻體穩(wěn)態(tài)和動態(tài)傳熱過程測試方法：
[0015] -、建筑墻體穩(wěn)態(tài)傳熱過程測試方法包括以下步驟：
[0016] 1)測試前準(zhǔn)備:制作墻體試件(2)，將其固定在試件框(1)中，拼裝好防護(hù)熱箱(3)、 計量熱箱(4)和冷箱(5);
[0017] 2)進(jìn)行"穩(wěn)態(tài)"傳熱測試：用戶設(shè)定冷箱(5)溫度恒定值T。、計量熱箱(4)和防護(hù)熱 箱(3)溫度恒定值Th;
[0018] 3)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸：
[0019] 若進(jìn)行"穩(wěn)態(tài)"傳熱測試，傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，采集計量熱箱⑷的電加熱功 率Qp;
[0020] 4) "穩(wěn)態(tài)"傳熱測試數(shù)據(jù)分析：
[0021] 穩(wěn)態(tài)傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后（即包括Th和T。在內(nèi)的每個測點層不再變化），試件 兩側(cè)冷熱箱內(nèi)形成穩(wěn)定溫度場;根據(jù)輸入計量熱箱的電加熱器功率Qp(即電熱絲（9)的功 率)即為通過試件傳遞的熱量Qi(計量熱箱外壁熱損失Q3和試件不平衡熱流量Q2忽略不計）；
[0022] 穩(wěn)態(tài)傳熱過程的墻體傳熱系數(shù)K計算公式如下：
[0024]式中，Qp為計量熱箱的電加熱功率，F(xiàn)為計量面積(用戶手動輸入），Th為計量熱箱溫 度恒定值，Te冷箱溫度恒定值。
[0025]二、建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試方法包括以下步驟：
[0026] 1)測試前準(zhǔn)備:制作墻體試件(2)，將其固定在試件框(1)中，拼裝好防護(hù)熱箱(3)、 計量熱箱(4)和冷箱(5);
[0027] 2) "動態(tài)"傳熱測試或傳熱過程測試：
[0028]用戶設(shè)定冷箱(5)溫度動態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)集$(隔一個Δτ設(shè)一個溫度值，每兩個設(shè)定 值之間逐漸升溫或降溫，這些溫度值的集合構(gòu)成7^)、計量熱箱(4)和防護(hù)熱箱（3)溫度動 態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)集隔一個Α τ設(shè)一個溫度值，每兩個設(shè)定值之間逐漸升溫或降溫，這些溫度 值的集合構(gòu)成)，設(shè)定工況變化時間間隔為Α τ，測試時間為τ，測試過程被平均分成η = τ/ Δ τ個時間段。數(shù)據(jù)集f和G的表達(dá)式如下：
[0031] 式中，:為i △ τ時間點的冷箱空氣溫度平均們?yōu)閕 △ τ時間點的計量熱箱和 防護(hù)熱箱空氣溫度平均值；
[0032] 傳熱測試過程中，設(shè)置若干個溫度或熱流測點層，各溫度或熱流測點層均為9個測 點，每個測點設(shè)置一個溫度傳感器或熱流傳感器;假設(shè)墻體試件(2)材料層數(shù)為m層，設(shè)置m+ 3個溫度測點層，其中m-1個測點層分別位于每層墻體材料之間，2個測點層分別位于墻體試 件(2)的兩側(cè)表面，2個測點層分別位于計量熱箱(4)和冷箱(5)靠近墻體試件(2)表面(即兩 個箱體內(nèi)貼近墻體表面的空氣薄層），所述溫度傳感器用于各溫度測點層的實時計量;Ac代 表冷箱空氣溫度、心代表墻體冷側(cè)表面溫度、{Aj} (j = 2，…，m，m多2)代表墻體各材料接觸層 溫度、Am+1代表墻體熱側(cè)表面溫度、Ah代表計量熱箱空氣溫度；
[0033] 在墻體試件（2)的兩側(cè)表面設(shè)置熱流測點層，所述熱流傳感器用于各熱流測點層 的實時計量;高精度電能表用于計量熱箱(4)電加熱功率Q P的實時計量;BC、BH分別代表墻體 冷側(cè)表面熱流、墻體熱側(cè)表面熱流；
[0034] 3)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸：
[0035]溫度或熱流測點的采集時間間隔為Δτ，即每個測點在測試時間τ內(nèi)采集η = τ/Δτ 個數(shù)據(jù)，溫度測點分布層&丄、、丄+1丄監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別用溫度矩陣1^、1'1、1'」、1? +1、1'11來 表示；熱流測點分布層BC、BH監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別用熱流矩陣以、(^來表示，各矩陣表達(dá)式如 下：

[0043] 各式中，!'。、!'1、1'」、1'111+1、1'[1、0。、(^均是9行11列的矩陣；1:。,1^、1：1,1^、1:」,1^、1：111+1,1^、1：[1,1^、 qc,ki (墻體表面向冷箱空氣傳遞為正）、qH, ki (計量熱箱空氣向墻體表面?zhèn)鬟f為正)分別代表 第k行i列的溫度或熱流值，即第k個測點i △ τ時間點的溫度或熱流值；
[0044] 4)數(shù)據(jù)分析：
[0045] ①動態(tài)傳熱溫度及熱流分布：
[0046] 溫度測點分布層Ac監(jiān)測到的溫度矩陣TC，對其每一列上的9個測點溫度值求算數(shù)平 均得到即i Α τ時間點的冷箱空氣溫度平均值，表達(dá)式如下：
[0048] 冷箱空氣溫度分布數(shù)據(jù)集^表達(dá)式如下：
[0049] - ^(71? ? tf-'i ... j ^Cn\, ~ …，11)
[0050] 類似地，墻體冷側(cè)表面溫度、墻體各材料接觸層溫度、墻體熱側(cè)表面溫度、計量熱 箱空氣溫度、墻體冷側(cè)表面熱流、墻體熱側(cè)表面熱流的分布數(shù)據(jù)集分別為 Qh，表達(dá)式如下：
[0051] A 二{G'，G，"石（1 二 1，2,…，η:)
[0052] 7).二 ，." "，. }，Ci 二 1，2，.".* η; j
[0057]各式中，Cq、i:u、&、【出、Qq、分別為i Δ τ時間點的冷箱空 氣溫度平均值、墻體冷側(cè)表面溫度平均值、墻體各材料接觸層溫度平均值、墻體熱側(cè)表面溫 度平均值、計量熱箱空氣溫度平均值、墻體冷側(cè)表面熱流平均值、墻體熱側(cè)表面熱流平均 值。
[0058]②墻體傳熱量分析。
[0059]墻體動態(tài)傳熱過程中，通過墻體冷側(cè)表面?zhèn)鬟f的熱量為Wc(墻體表面向冷箱空氣 傳遞為正），通過墻體熱側(cè)表面?zhèn)鬟f的熱量為Wh(計量熱箱空氣向墻體表面?zhèn)鬟f為正），表達(dá) 式如下：
[0062]式中，F(xiàn)為計量面積(墻體中心的正方形面積）；Δ τ為熱流采集時間間隔;^為i Δ τ時間點的墻體冷側(cè)表面熱流平均值;市/了為i Α τ時間點的墻體熱側(cè)表面熱流平均值。
[0063]③墻體蓄熱量分析。
[0064] 整個測試過程中，墻體試件蓄熱量Wx就是通過墻體兩側(cè)表面?zhèn)鳠崃康牟钪?，表達(dá) 式如下：
[0065] ffx=ffH-ffc
[0066] ④溫度波衰減倍數(shù)及延遲時間。
[0067] 溫度波在墻體的傳播過程中，會受到墻體材料對溫度波的阻尼作用，因此隨著傳 熱過程的進(jìn)行，溫度波的波峰存在衰減和延遲現(xiàn)象。
[0068]衰減倍數(shù)v計算公式：
[0070] 式中，為計量熱箱空氣溫度平均值的最大時刻值，（^) 為墻體 冷側(cè)表面溫度平均值的最大時刻值。
[0071] 延遲時間ξ為計量熱箱空氣溫度平均值的最大時刻和墻體冷側(cè)表面溫度平均值的 最大時刻的差值。
[0072] 本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的：
[0073] 1、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，監(jiān)控體系清晰且有效，適用性強。用戶 可根據(jù)需求自主輸入動態(tài)或穩(wěn)態(tài)測試工況，溫控智能儀表監(jiān)測系統(tǒng)將根據(jù)測試工況信息， 對試件兩側(cè)冷熱箱空氣溫度進(jìn)行智能調(diào)控，并將監(jiān)測到的測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C客戶端進(jìn) 行智能分析計算，省去了人工分析計算帶來的巨大工作量。
[0074] 2、實時監(jiān)測及顯示。在測試過程中，本發(fā)明的溫控智能儀表監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫 度、熱流、電加熱功率等參數(shù)的實時計量監(jiān)測，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時顯示在自帶的顯示屏 上，方便用戶清楚直觀地了解測試狀況，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。
[0075] 3、實現(xiàn)動態(tài)傳熱測試。本發(fā)明可針對不同氣候條件和空調(diào)運行模式，同時實現(xiàn)建 筑墻體動態(tài)及穩(wěn)態(tài)傳熱過程的測試，并智能分析墻體熱工性能及其熱過程。
[0076] 本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于建筑墻體的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)傳熱過程測試，智能分析墻體熱過程 及熱特性，為不同室內(nèi)環(huán)境調(diào)控需求提供不同的墻體構(gòu)造，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依 據(jù)。
【附圖說明】
[0077] 圖1為本發(fā)明"一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法"的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0078] 圖2為本發(fā)明"一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法"的溫度或熱流測點布 置圖（Z-Z剖面）。
【具體實施方式】
[0079] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅 限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣 用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0080] 實施例1:
[0081 ]本實施例公開一種建筑墻體穩(wěn)態(tài)傳熱過程的測試方法，具體測試過程如下：
[0082] (1)測試前準(zhǔn)備。現(xiàn)場制作墻體試件(2)，利用卡緊裝置（12)將其固定在冷熱箱之 間以進(jìn)行墻體傳熱測試。用戶在計算機客戶端（15)中輸入冷箱(5)溫度恒定值T。、計量熱箱 (4)和防護(hù)熱箱(3)溫度恒定值Th(且Th-T。彡20°C)，作為穩(wěn)態(tài)傳熱測試工況。
[0083] (2)傳熱過程測試。用戶輸入測試工況后，將工況數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線（16)導(dǎo)入到 溫控智能儀表監(jiān)測系統(tǒng)（13)，由其來控制墻體試件(2)兩側(cè)冷熱箱內(nèi)的環(huán)境狀況。穩(wěn)態(tài)傳熱 測試過程中，高精度電能表用于計量熱箱(4)電加熱功率QP的實時計量。
[0084] (3)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸。當(dāng)傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，溫控智能儀表監(jiān)控系統(tǒng)（13)將監(jiān) 測到的計量熱箱(4)的電加熱功率Q P通過數(shù)據(jù)傳輸線（16)傳輸?shù)接嬎銠C客戶端(15)。
[0085] (4)數(shù)據(jù)分析。計算機客戶端（15)根據(jù)預(yù)設(shè)的計算準(zhǔn)則對墻體傳熱系數(shù)進(jìn)行計算， 并自動生成穩(wěn)態(tài)傳熱過程分析報表。穩(wěn)態(tài)傳熱過程的墻體傳熱系數(shù)K計算公式如下：
[0087]式中，Qp為計量熱箱的電加熱功率，F(xiàn)為計量面積(用戶手動輸入），Th為計量熱箱溫 度恒定值，T。冷箱溫度恒定值。
[0088] 實施例2:
[0089] 本實施例公開一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程的測試方法，具體測試過程如下：
[0090] (1)測試前準(zhǔn)備。現(xiàn)場制作墻體試件(2)，利用卡緊裝置（12)將其固定在冷熱箱之 間以進(jìn)行墻體傳熱測試。用戶在計算機客戶端（15)中輸入冷箱（5)溫度動態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)集 f^、計量熱箱(4)和防護(hù)熱箱(3)溫度動態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)集$，設(shè)定工況變化時間間隔為Δτ，測 試時間為τ，因此測試過程被平均分成η = V △ τ個時間段。數(shù)據(jù)集f和的表達(dá)式如下： [0091 ] 7〔: -. |^廠]:，￡.Ci 亡Cii.}，（i - 1:， 2.， 1.1 j Γ1)
[0092] Tη - ，?/^2， ，.（ i = 1 .，2.η).
[0093] 式中，巧為1 △ τ時間點的冷箱空氣溫度平均值;$為1 △ τ時間點的計量熱箱和 防護(hù)熱箱空氣溫度平均值。
[0094] (2)傳熱過程測試。用戶輸入測試工況后，將工況數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線（16)導(dǎo)入到 溫控智能儀表監(jiān)測系統(tǒng)（13)，由其來控制墻體試件(2)兩側(cè)冷熱箱內(nèi)的環(huán)境狀況。動態(tài)傳熱 測試過程中，溫度傳感器用于各溫度測點的實時計量;熱流傳感器用于各熱流測點的實時 計量。假設(shè)墻體材料層數(shù)為m層，如圖1所示，溫度測點分布層編號&上乂^ +1丄（」= 2,…，m，m多2)分別代表冷箱空氣溫度、墻體冷側(cè)表面溫度、墻體各材料接觸層溫度、墻體熱 側(cè)表面溫度、計量熱箱空氣溫度;熱流測點分布層編號、Bh分別代表墻體冷側(cè)表面熱流、墻 體熱側(cè)表面熱流。各溫度或熱流分布層均為9個測點，測點布置圖均如圖2所示(Z-Z剖面）。
[0095] (3)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸。溫度或熱流測點的采集時間間隔為△ τ，因此每個測點在測試 時間τ內(nèi)采集η = τ/Δτ個數(shù)據(jù)。溫控智能儀表監(jiān)控系統(tǒng)（13)將監(jiān)測到的溫度、熱流數(shù)據(jù)實時 顯示在顯示屏（14)上，并通過數(shù)據(jù)傳輸線（16)傳輸?shù)接嬎銠C客戶端（15)。溫度測點分布層 八^^~丄^士監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別用溫度矩陣^^^七來表示舊流測點分布層說、 Βη監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別用熱流矩陣QC、Qh來表示，各矩陣表達(dá)式如下：

[0103] 各式中，1'。、1'1、1'」、1']11+1、1'[1、0。、(^均是9行11列的矩陣；1:。,1^、1：1,1^、1:」,1^、1：111+1,1^、1：[1,1^、 qc,ki (墻體表面向冷箱空氣傳遞為正）、qH, ki (計量熱箱空氣向墻體表面?zhèn)鬟f為正)分別代表 第k行i列的溫度或熱流值，即第k個測點i △ τ時間點的溫度或熱流值。
[0104] (4)數(shù)據(jù)分析。計算機客戶端（15)根據(jù)預(yù)設(shè)的計算準(zhǔn)則對動態(tài)傳熱溫度及熱流分 布、墻體傳熱量分析、墻體蓄熱量分析、溫度波衰減倍數(shù)及延遲時間進(jìn)行智能分析計算，并 自動生成動態(tài)傳熱過程分析報表。
[0105] ①動態(tài)傳熱溫度及熱流分布：
[0106] 根據(jù)溫度及熱流測點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，可得墻體動態(tài)傳熱過程中溫度及熱流的分布 情況。例如:溫度測點分布層Ac監(jiān)測到的溫度矩陣T C，對其每一列上的9個測點溫度值求算數(shù) 平均得到即i Α τ時間點的冷箱空氣溫度平均值，表達(dá)式如下：
[0108] 因此，冷箱空氣溫度分布數(shù)據(jù)集表達(dá)式如下：
[0109] T.c _ J ^C2 , ^Ci r ^ ^ _ 1'.， 2， Π J
[0110] 同理，墻體冷側(cè)表面溫度、墻體各材料接觸層溫度、墻體熱側(cè)表面溫度、計量熱箱 空氣溫度、墻體冷側(cè)表面熱流、墻體熱側(cè)表面熱流的分布數(shù)據(jù)集分別為 $、Tjn+1、Qc、Qli，表達(dá)式如下：
[0111] Τ*ι - {亡'丄'丄.，亡12， 亡u ..·..，亡l'/t"}.，（孟 一 1， 2.…?1.)
[0112] Tj _ {ty.itjj... > ?ρ?' i - 1 ★ 2..' ... j n； j
[0113] ^i+l - {^(m+l)l, ^(m+l)2?…（（τη+1)? …，亡(m+l)nj' (i 二 1，. 2.，….，η)
[0114] 7片二{?..奶，fm，. ：《.，亡戶"j·，(i ; 1.，. 2..， ，n)'
[0115] Qc I^ci，々C2，< Qci * Qcn 1 * C? - 1 ? 2? h)
[0116] (? = |^71，gW2，...?/Η? qHrJ，（ i = 1，2，:, n)
[0117] 各式中，g、t(m+i;u、冗、^分別為iAT時間點的冷箱空 氣溫度平均值、墻體冷側(cè)表面溫度平均值、墻體各材料接觸層溫度平均值、墻體熱側(cè)表面溫 度平均值、計量熱箱空氣溫度平均值、墻體冷側(cè)表面熱流平均值、墻體熱側(cè)表面熱流平均 值。
[0118] ②墻體傳熱量分析：
[0119] 墻體動態(tài)傳熱過程中，通過墻體冷側(cè)表面?zhèn)鬟f的熱量為Wc(墻體表面向冷箱空氣 傳遞為正），通過墻體熱側(cè)表面?zhèn)鬟f的熱量為Wh(計量熱箱空氣向墻體表面?zhèn)鬟f為正），表達(dá) 式如下：
[0122]式中，F(xiàn)為計量面積（用戶手動輸入）；Δτ為熱流采集時間間隔；^為?Δτ時間點 的墻體冷側(cè)表面熱流平均值;^為i △ τ時間點的墻體熱側(cè)表面熱流平均值。
[0123]③墻體蓄熱量分析：
[0124] 整個測試過程中，墻體試件蓄熱量Wx就是通過墻體兩側(cè)表面?zhèn)鳠崃康牟钪担磉_(dá) 式如下：
[0125] ffx=ffH-ffc
[0126] ④溫度波衰減倍數(shù)及延遲時間：
[0127] 溫度波在墻體的傳播過程中，會受到墻體材料對溫度波的阻尼作用，因此隨著傳 熱過程的進(jìn)行，溫度波的波峰存在衰減和延遲現(xiàn)象。
[0128] 衰減倍數(shù)v計算公式：
[0130] 式中，（^) 計量熱箱空氣溫度平均值的最大時刻值，為墻體 冷側(cè)表面溫度平均值的最大時刻值。
[0131] 延遲時間ξ為計量熱箱空氣溫度平均值的最大時刻和墻體冷側(cè)表面溫度平均值的 最大時刻的差值。
【主權(quán)項】
1. 一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置，其特征在于:包括試件框（I)、防護(hù)熱箱(3)、 冷箱(5)和控制系統(tǒng)； 所述試件框(1)為矩形框;所述防護(hù)熱箱(3)和冷箱(5)均是一面敞口的中空長方體，二 者分別扣合在所述試件框(1)的兩側(cè)，形成一個封閉空間;所述矩形框中間為待測試的墻體 試件(2);所述墻體試件(2)將所述封閉空間分割兩個空間;所述防護(hù)熱箱(3)內(nèi)部具有一個 計量熱箱(4)和防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng)（IO);所述計量熱箱(4)是一面敞口的中空長方體， 其敞口扣合在墻體試件(2)的表面;所述冷箱(5)內(nèi)部的空間為制冷空間，所述計量熱箱(4) 內(nèi)部的空間為制熱空間，所述計量熱箱(4)與防護(hù)熱箱(3)之間的空間為隔熱空間； 所述冷箱(5)帶有冷箱導(dǎo)流屏(6)和冷箱制冷及加熱系統(tǒng)(8);所述冷箱導(dǎo)流屏(6)平行 于墻體試件(2)的表面;所述冷箱導(dǎo)流屏(6)的一端固定于冷箱(5)的內(nèi)壁;所述冷箱制冷及 加熱系統(tǒng)(8)對冷箱(5)內(nèi)的空氣制冷或加熱； 所述計量熱箱(4)帶有熱箱導(dǎo)流屏(7)和電熱絲(9);所述熱箱導(dǎo)流屏(7)平行于墻體試 件(2)的表面;所述熱箱導(dǎo)流屏(7)的一端固定于計量熱箱(4)的內(nèi)壁;所述電熱絲(9)對計 量熱箱(4)內(nèi)部的空氣加熱；所述防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng)（IO)對計量熱箱(4)和防護(hù)熱箱 (3) 之間的空氣制冷或加熱； 所述控制系統(tǒng)通過控制冷箱制冷及加熱系統(tǒng)(8)、電熱絲(9)和防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng) (10)，對所述制冷空間、制熱空間和隔熱空間的溫度進(jìn)行調(diào)控； 墻體試件(2)材料層數(shù)為m層，設(shè)置m+3個溫度測點層，其中，m-1個測點層分別位于每層 墻體材料之間；2個測點層分別位于墻體試件(2)的兩側(cè)表面;2個測點層分別位于計量熱箱 (4) 和冷箱(5)內(nèi)部，這兩個測點層靠近墻體(2)表面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法，其特征在于:所 述冷箱制冷及加熱系統(tǒng)(8)通過循環(huán)冷風(fēng)或熱風(fēng)對制冷空間進(jìn)行溫度調(diào)控； 所述防護(hù)箱制冷及加熱系統(tǒng)（10)位于防護(hù)熱箱（3)外部，通過循環(huán)冷風(fēng)或熱風(fēng)對隔熱 空間進(jìn)行溫度調(diào)控。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試裝置及方法，其特征在于:所 述隔熱空間內(nèi)部布置若干個循環(huán)風(fēng)機(11)。4. 一種基于1~3任意一項權(quán)利要求所述裝置的建筑墻體穩(wěn)態(tài)傳熱過程測試方法，其特 征在于，包括以下步驟： 1) 測試前準(zhǔn)備：制作墻體試件(2)，將其固定在試件框(1)中，拼裝好防護(hù)熱箱(3)、計量 熱箱(4)和冷箱(5); 2) 進(jìn)行"穩(wěn)態(tài)"傳熱測試：用戶設(shè)定冷箱(5)溫度恒定值T。、計量熱箱(4)和防護(hù)熱箱(3) 溫度恒定值Th; 3) 數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸： 若進(jìn)行"穩(wěn)態(tài)"傳熱測試，傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，采集計量熱箱(4)的電加熱功率Qp ; 4) "穩(wěn)態(tài)"傳熱測試數(shù)據(jù)分析： 穩(wěn)態(tài)傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后（即包括Th和T。在內(nèi)的每個測點層不再變化），試件兩側(cè) 冷熱箱內(nèi)形成穩(wěn)定溫度場;根據(jù)輸入計量熱箱的電加熱器功率Qp，即為通過試件傳遞的熱 量Qi; 穩(wěn)態(tài)傳熱過程的墻體傳熱系數(shù)K計算公式如下：式中，Qp為計量熱箱的電加熱功率，F(xiàn)為計量面積(用戶手動輸入），Th為計量熱箱溫度十旦 定值，T。冷箱溫度恒定值。5. -種基于1~3任意一項權(quán)利要求所述裝置的建筑墻體動態(tài)傳熱過程測試方法，其特 征在于，包括以下步驟： 1) 測試前準(zhǔn)備：制作墻體試件(2)，將其固定在試件框(1)中，拼裝好防護(hù)熱箱(3)、計量 熱箱(4)和冷箱(5); 2) "動態(tài)"傳熱測試或傳熱過程測試： 用戶設(shè)定冷箱(5)溫度動態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)集&(隔一個Δτ設(shè)一個溫度值，每兩個設(shè)定值之 間逐漸升溫或降溫，這些溫度值的集合構(gòu)成7^)、計量熱箱(4)和防護(hù)熱箱（3)溫度動態(tài)設(shè) 定數(shù)據(jù)集g (隔一個A τ設(shè)一個溫度值，每兩個設(shè)定值之間逐漸升溫或降溫，這些溫度值的 集合構(gòu)成$)，設(shè)定工況變化時間間隔為A τ，測試時間為τ，測試過程被平均分成η = V △ τ 個時間段。數(shù)據(jù)集和巧的表達(dá)式如下：式中，G為i A τ時間點的冷箱空氣溫度平均值;'為i Δ τ時間點的計量熱箱和防護(hù)熱 箱空氣溫度平均值； 傳熱測試過程中，設(shè)置若干個溫度或熱流測點層，各溫度或熱流測點層均為9個測點， 每個測點設(shè)置一個溫度傳感器或熱流傳感器;假設(shè)墻體試件(2)材料層數(shù)為m層，設(shè)置m+3個 溫度測點層，其中m-Ι個測點層分別位于每層墻體材料之間，2個測點層分別位于墻體試件 (2)的兩側(cè)表面，2個測點層分別位于計量熱箱(4)和冷箱(5)靠近墻體試件(2)表面，所述溫 度傳感器用于各溫度測點層的實時計量;A c代表冷箱空氣溫度、A1代表墻體冷側(cè)表面溫度、 {Aj} (j = 2，…，m，m多2)代表墻體各材料接觸層溫度、Am+1代表墻體熱側(cè)表面溫度、Ah代表計 量熱箱空氣溫度； 在墻體試件(2)的兩側(cè)表面設(shè)置熱流測點層，所述熱流傳感器用于各熱流測點層的實 時計量;高精度電能表用于計量熱箱(4)電加熱功率Qp的實時計量;Bc、Bh分別代表墻體冷側(cè) 表面熱流、墻體熱側(cè)表面熱流； 3) 數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸： 溫度或熱流測點的采集時間間隔為A τ，即每個測點在測試時間τ內(nèi)采集η = V △ τ個數(shù) 據(jù)，溫度測點分布層Ac、Ai、Aj、Am+i、Ah監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別用溫度矩陣Tc、Τι、Tj、Tm+i、Th來表不； 熱流測點分布層BC、BH監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分別用熱流矩陣QC、QH來表示，各矩陣表達(dá)式如下：各式中，1'。、!'1、1'」、1']11+1、1'[1、0。、(^均是9行11列的矩陣；1:〇、1：1,1^、1:」,1^、1：111+1,1^、1：[1,1^、9。,1^ (墻體表面向冷箱空氣傳遞為正）、qH,kl(計量熱箱空氣向墻體表面?zhèn)鬟f為正)分別代表第k 行i列的溫度或熱流值，即第k個測點i △ τ時間點的溫度或熱流值； 4)數(shù)據(jù)分析： ①動態(tài)傳熱溫度及熱流分布： 溫度測點分布層Ac監(jiān)測到的溫度矩陣TC，對其每一列上的9個測點溫度值求算數(shù)平均得 到即i A τ時間點的冷箱空氣溫度平均值，表達(dá)式如下：冷箱空氣溫度分布數(shù)據(jù)集$表達(dá)式如下：類似地，墻體冷側(cè)表面溫度、墻體各材料接觸層溫度、墻體熱側(cè)表面溫度、 計量熱箱空氣溫度、墻體冷側(cè)表面熱流、墻體熱側(cè)表面熱流的分布數(shù)據(jù)集分別為各式分別為i A τ時間點的冷箱空氣溫 度平均值、墻體冷側(cè)表面溫度平均值、墻體各材料接觸層溫度平均值、墻體熱側(cè)表面溫度平 均值、計量熱箱空氣溫度平均值、墻體冷側(cè)表面熱流平均值、墻體熱側(cè)表面熱流平均值。 ② 墻體傳熱量分析。 墻體動態(tài)傳熱過程中，通過墻體冷側(cè)表面?zhèn)鬟f的熱量為Wc(墻體表面向冷箱空氣傳遞為 正），通過墻體熱側(cè)表面?zhèn)鬟f的熱量為WH(計量熱箱空氣向墻體表面?zhèn)鬟f為正），表達(dá)式如 下：式中，F(xiàn)為計量面積；△ τ為熱流采集時間間隔；^為i △ τ時間點的墻體冷側(cè)表面熱流 平均值;^為i △ τ時間點的墻體熱側(cè)表面熱流平均值。 ③ 墻體蓄熱量分析。 整個測試過程中，墻體試件蓄熱量Wx就是通過墻體兩側(cè)表面?zhèn)鳠崃康牟钪?，表達(dá)式如 下： Wx=Wh-Wc ④ 溫度波衰減倍數(shù)及延遲時間。 溫度波在墻體的傳播過程中，會受到墻體材料對溫度波的阻尼作用，因此隨著傳熱過 程的進(jìn)行，溫度波的波峰存在衰減和延遲現(xiàn)象。 衰減倍數(shù)V計算公式：式中，I計量熱箱空氣溫度平均值的最大時刻值，為墻體冷側(cè) 表面溫度平均值的最大時刻值。
【文檔編號】G01N25/20GK106018470SQ201610338009
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】丁勇, 李百戰(zhàn), 高亞鋒, 史麗莎, 續(xù)璐, 沈舒?zhèn)? 謝源源
【申請人】重慶大學(xué)