專利名稱：一種圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法
技術領域：
本發明屬于圍護結構熱阻現場檢測技術，具體涉及一種考慮風速影響 的圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法。
背景技術：
建筑能耗隨著建筑總量和居住舒適度的提升急劇攀升，其中圍護結構
的耗熱量占整個建筑使用能耗的73-77%，因此圍護結構是影響建筑使用能 耗的決定性因素，也是建筑節能研究的重點。各種節能設計標準在設計階 段保證了建筑物的熱工性能，但由于工程實際中因使用環境的不同以及施 工過程中的偏差等因素的影響，建筑物圍護結構的實際熱工性能與設計值 相比差異很大，因此圍護結構熱工性能的現場檢測與數據分析就顯得尤為 重要。由于現有的圍護結構現場檢測數據分析方法忽略了風速的影響，檢 測結果存在較大的誤差。如何處理風速的影響，并獲得準確性較高的圍護 結構現場檢測數據分析方法成為現場檢測技術的難點之一。
圍護結構熱工性能的現場檢測是根據圍護結構的動態熱響應采用反問 題研究方法來求解的，屬于間接測量過程，包括現場測量和數據分析兩個 環節。現場檢測方法中熱流計法以其設備簡單、便于攜帶、不受被測圍護 結構影響等優點被工程實踐中廣泛運用。對現場檢測數據的數據分析方法 有平均法和動態分析法兩種。平均法是將檢測數據通過簡單的加和求平均 值來進行計算的，該方法處理過程簡單、物理意義明確。但平均法僅對室 內外溫度周期性較強的檢測結果處理結果較為準確，對于t顯度和熱流有較大波動的情況卻會產生較大誤差。平均法無法處理波動情況限制了應用熱 流計進行檢測時僅僅能在溫度波動不大且周期性較強的情況下進行，限制 了熱流計法的使用范圍。動態分析法對熱流計檢測結果進行檢測時考慮到 了溫度波動的影響，但該方法中僅考慮圍護結構單側熱流，且方法中存在 較多不確定參數，物理意義不明確。
對圍護結構進行現場檢測時，風速等環境因素影響很大，現有的檢測 方法忽略了環境因素的影響，使檢測結果存在較大誤差。平均法處理檢測 結果無法解決溫度波動的問題。動態分析法雖然對溫度波動情況下處理結 果有一定的改善，但該方法未知參數較多，需要反復的迭代才能獲得較為 準確的結果。同時這兩種方法都忽略了風速因素的影響，使得圍護結構現 場熱阻檢測結果存在較大偏差。
發明內容
本發明的目的在于克服上述技術的缺點，提供了一種能夠縮短檢測時 間，增加檢測結果處理準確性的圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法。 為達到上述目的，本發明采用的技術方案是
首先忽略側向傳熱的影響，墻體傳熱為一維非穩態傳熱過程，其邊界 條件為內外壁面對流邊界條件，從墻體傳熱控制方程的伽遼金有限元方程 出發，并將室內、室外對流邊界條件代入即得墻體傳熱的有限元特征式
Ct+KT+Q=0
式中C為熱容矩陣
K為熱傳遞矩陣 T結點溫度列陣 Q溫度載荷列陣設存在一個矩陣B使下式成立 CB+KB=Q
引入矩陣B來代替邊界條件引起的溫度載荷列陣Q，有限元特征式轉
化為-
CA+KA=0
式中A含有原有溫度列陣和附加矩陣，A={T，B}
將墻體考慮為線性系統，即溫度是時間的函數，將矩陣A分為兩部分， 一部分用a來表示，包括內、外兩個壁面結點的溫度序列和熱流附加矩陣； 另一部分為墻體內部其它結點的溫度序列;假設溫度是時間的p+l階函數， 對溫度進行P+l階差分，根據A的分解矩陣將圍護結構傳熱方程轉化為p 階微分方程形式
式中M矩陣由圍護結構幾何特性及熱物性決定
a矩陣包含內外壁溫度結點和熱流附加矩陣
將P階微分方程的近似解寫成時間域內的插值形式，并對近似解進行 加權殘值運算，得到關于圍護結構內外壁壁面溫度、空氣溫度、內壁熱流、 室外風速的數據分析方法-
<formula>formula see original document page 6</formula>式中7為溫度 。為熱流
A》、w為未知參數
力為表面換熱系數，<formula>formula see original document page 7</formula> (k/為j'時刻外壁面風速)
下標i表示內壁面；e表示外壁面；~為外壁空氣；0， y均表示時刻; 穩態風速為零，內外壁溫相同時，熱流為0，式l可轉化為
<formula>formula see original document page 7</formula>
穩態風速為零，內外壁溫不同時，內外壁熱流相同，式l可轉化為 《。=《0+議,0+^。
通過兩種情況下的分析得出圍護結構的熱阻為<formula>formula see original document page 7</formula>在該模型中共有8n+2個未知量，因此根據測量數據寫出大于8n+2個 方程組成方程組，根據最小二乘法求解方程組得到熱阻R。
本發明將有限元法和傳熱方程結合起來，通過對近似函數的加權余量， 并經過處理得出圍護結構物性與圍護結構表面溫度、熱流、風速因素的數 據分析方法，將檢測結果代入該方法中，即可得到圍護結構的熱阻，有效 地解決了檢測數據處理方法的缺陷。
圖1是本發明檢測結點與選擇時間段的關系示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
本發明將風速因素考慮在圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法中，在 現有檢測設備精度的基礎上提高了檢測結果的準確性。該模型不僅考慮到墻體的蓄熱帶來的溫度和熱流的延遲，而且將室外熱流轉化為溫度函數的 形式考慮到數據分析方法中，對溫度波動有了很好的解決，對室外存在風 速的情況也能進行檢測，擴大了檢領l膝件，提高了檢測精度。 參見圖1，具體的建模過程是
首先忽略側向傳熱的影響，墻體傳熱為一維非穩態傳熱過程，其邊界 條件為內外壁面對流邊界條件，從墻體傳熱控制方程的伽遼金有限元方程 出發，并將室內、室外對流邊界條件代入即得墻體傳熱的有限元特征式 Cf+KT+Q=0
式中C為熱容矩陣
K為熱傳遞矩陣
T結點溫度列陣
Q溫度載荷列陣 設存在一個矩陣B使下式成立
CB+KB=Q
引入矩陣B來代替邊界條件引起的溫度載荷列陣Q，有限元特征式轉
化為
CA+KA=0
式中A含有原有溫度列陣和附加矩陣，A={T，B}
將墻體考慮為線性系統，即溫度是時間的函數，將矩陣T分為兩部分， 一部分用a來表示，包括內、外兩個壁面結點的溫度序列和熱流附加矩陣； 另一部分為墻體內部其它結點的溫度序列;假設溫度是時間的P+l階函數， 對溫度進行P+l階差分，根據T的分解矩陣將圍護結構傳熱方程轉化為p階微分方程形式-
式中M矩陣由圍護結構幾何特性及熱物性決定
a矩陣包含內外壁溫度結點和熱流附加矩陣
將P階微分方程的近似解寫成時間域內的插值形式，并對近似解進行 加權殘值運算，化簡可得到關于圍護結構內外壁壁面溫度、空氣溫度、內 壁熱流、室外風速的數據分析方法
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中r為溫度 <7為熱流
A刃、^為未知參數
力為表面換熱系數，力尸10.4+4.48fo (K/為J時刻外壁面風速)
下標J'表示內壁面；e表示外壁面；^為外壁空氣；0， 乂均表示時刻； 穩態風速為零，內外壁溫相同時，熱流為0，式l可轉化為<formula>formula see original document page 9</formula>穩態風速為零，內外壁溫不同時，內外壁熱流相同，式l可轉化為
<formula>formula see original document page 9</formula>
通過兩種情況下的分析得出圍護結構的熱阻為i = ^在該模型中共有8n+2個未知量，因此只要根據測量數據寫出大于8n+2 個方程組成方程組，根據最小二乘法求解方程組就可以得到R及其它未知
如圖l，假如有N個測量時刻，時間結點a中參數包含內外壁溫度、內 壁熱流、外壁熱流。選擇從-n到n的2n+l時間段，只要n的選擇滿足 8w + 2SiV-2 ，既10w2iV-2 ，不斷改變a。時間的位置即可得到不同時刻 圍護結構傳熱方程組，采用最小二乘法求解方程組就可得出圍護結果的熱 阻。
采用上述數據分析方法，同時將室內熱流、室外風速等因素考慮在內， 修正了室外風速對檢測結果帶來的計算偏差，同時不存在平均法處理受溫 度非周期性變化的限制。與國際標準中的動態分析方法相比，本發明中的 數據分析方法中不需要預先設置其它參量，不需要反復迭代來尋求圍護結 構熱阻，只需要將測量結果寫入數據分析方法即可得出圍護結構的熱阻， 易于被工程人員接受。另外該數據分析方法考慮蓄熱因素，因此圍護結構 不達到穩態或準穩態即可進行測試，縮短了測試時間，并可實現較高的準 確性。
權利要求
1、一種圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法，其特征在于首先忽略側向傳熱的影響，墻體傳熱為一維非穩態傳熱過程，其邊界條件為內外壁面對流邊界條件，從墻體傳熱控制方程的伽遼金有限元方程出發，并將室內、室外對流邊界條件代入即得墻體傳熱的有限元特征式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mover> <mi>T</mi> <mo>·</mo></mover><mo>+</mo><mi>KT</mi><mo>+</mo><mi>Q</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow>]]></math></maths>式中C為熱容矩陣K為熱傳遞矩陣T結點溫度列陣Q溫度載荷列陣設存在一個矩陣B使下式成立<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mover> <mi>B</mi> <mo>·</mo></mover><mo>+</mo><mi>KB</mi><mo>=</mo><mi>Q</mi> </mrow>]]></math></maths>引入矩陣B來代替邊界條件引起的溫度載荷列陣Q，有限元特征式轉化為<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mover> <mi>A</mi> <mo>·</mo></mover><mo>+</mo><mi>KA</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow>]]></math></maths>式中A含有原有溫度列陣和附加矩陣，A＝{T，B}將墻體考慮為線性系統，即溫度是時間的函數，將矩陣A分為兩部分，一部分用a來表示，包括內、外兩個壁面結點的溫度序列和熱流附加矩陣；另一部分為墻體內部其它結點的溫度序列；假設溫度是時間的p+1階函數，對溫度進行p+1階差分，根據A的分解矩陣將圍護結構傳熱方程轉化為p階微分方程形式<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>M</mi> <mn>0</mn></msub><mi>a</mi><mo>+</mo><msub> 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img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>在該模型中共有8n+2個未知量，因此根據測量數據寫出大于8n+2個方程組成方程組，根據最小二乘法求解方程組得到熱阻R。
全文摘要
一種圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法，針對目前圍護結構熱阻現場檢測結果處理方法存在的缺點，建立了一種考慮風速影響狀況下的圍護結構熱阻現場檢測數據分析方法。該方法所需要設置的參數少，編程計算簡單，對非穩態狀況下檢測數據也能實現很好的處理。現場檢測時只需要將溫度、熱流、風速等參數讀入即可方便計算出圍護結構的熱阻。該方法在圍護結構不達到穩態狀況下也可實現對測量結果的處理，縮短了測量時間，可以大大降低檢測的工作量，提高檢測精度。
文檔編號G01N25/20GK101556255SQ20091002240
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月7日 優先權日2009年5月7日
發明者王東洋, 王灃浩 申請人:西安交通大學