传热系数现场检测的数据处理方法的改进和应用

 邹钺 寿先方 高慧挥 黄宇蕊

 东华大学环境科学与工程学院

摘要：本文通过运用新型检测仪进行现场检测实验及ANSYS的热分析，然后运用算术平均法、最小二乘法及动态分析法三种数据处理方法对现场检测数据进行分析。通过大量的实验数据和模拟热分析及运用动态分析法进行数据分析得出来的结论与另外两种数据处理方法相比，平均至少可以节省1d的检测时间。

关键词：围护结构传热系数动态分析法现场检测

0  引言

 目前建筑围护结构传热系数现场检测方法常用的有热流计法和热箱法。热流计法的检测时间宜选在最冷月，受检测区域外表面应避开雨雪侵袭和阳光直射，检测时间长达96 h，但是对于夏热冬暖地区和夏热冬冷地区，符合检测条件的情况基本不存在，北方地区除了冬季以外的季节，检测误差也高达20%以上，所以不适合作为工程检测的依据。热箱法可以人工提供墙体两侧的温差，且可以避免恶劣天气对其现场检测的影响，但是对于现场检测来说，热箱法检测设备体积大，不易携带安装，对现场检测带来不可避免的麻烦。

  本篇文章运用一种新型围护结构传热系数检测仪对建筑围护结构进行现场检测，通过对建筑围护结构现场检测传热系数的数据处理方法的比较，运用改进的动态分析进行数据分析，得出的结论是：运用这种新型的建筑围护结构检测仪，通过合理的数据处理，可以缩短现场检测时间。

1  传热系数K的数据处理方法

 目前，对于围护结构现场检测传热系数K的数据处理方法有算数平均法、最小二乘法和动态分析法，其中算术平均法又有直接计算法和绝对值法。

1.1使用算数平均法确定传热系数

  运用算术平均法确定一个建筑围护结构的传热系数K是一组测试数据的平均热流量除以平均温差。

1.1.1直接计算法

 对于算数平均法传热系数K的确定方法来源于一维瞬态热传导公式：

式中：x表示热传导空间距离；t表示时间；T表示温度；K表示热导率；p表示密度；c表示比热容。

 运用此一维瞬态热传导公式确定传热系数K，意味着此热传递过程只考虑导热，而忽略了辐射和对流。

 通过一系列推导得到运用算数平均法计算建筑围护结构传热系数K的计算公式是：

 运用上式计算建筑围护结构的传热系数K比较简单，意义也比较容易理解，广泛被大家所接受，但是此种计算方法也存在很多缺陷：1）在春秋季节，通常情况下会面临∑q i接近于0，这样很难计算传热系数的值；2）传热系数K会随着温度变化而变化；3）对于热边界层的处理，当温度发生变化时，也会引起错误；4）当围护结构室内外温差发生剧烈变化时，缺乏对热边界层的处理引起错误。

 对于上述问题，需要足够的测量时间，但是对于南方地区，经常会遇到下雨等不确定因素，连续一周以上的稳定天气很难保证。

1.1.2绝对值法

 当平均热流值接近于0时，条件缺乏快速收敛，R．D．Orlandi建议采用绝对值法，即g i和△Ti均取绝对值，则可以避免这个问题的出现，公式如下：

 在极端条件下，上式可以得到比较可靠的传热系数值，但是上式仍旧是算数平均法，仍然会出现跟直接计算法相同的弊端。

1.2使用最小二乘法确定传热系数

 假定检测是稳态模型，根据实验室检测建筑墙体的传热系数K值，其中假定建筑墙体的传热系数K是恒定的。

 本最小二乘法的依据是建筑墙体现场检测的热通量和计算值差的平方和最小的时候得出的传热系数K:

1.3使用动态分析法确定传热系数

  动态分析法是利用热平衡方程对热性能的变化进行分析计算的。在时刻t i测得的N组数据，其中包

  由式(10)求得的建筑墙体传热系数K再进行算数平均。

2传热系数的数据处理方法的比较

2.1数据的典型性

  对于南方地区，经常会遇到下雨等不确定因素，本次选东华大学某实验室外墙的现场测试数据，从2014.5.27的17:43:05到2014年6月1日的17:00:04，测试时间为5天，时间间隔为1 min。数据特点是：上海、夏热冬冷地区、初夏。对于南方地区，数据具有典型性。检测墙体的参数是：多孔砖，用M5.0砂浆砌筑，244 mm，基本结构是由厚200 mm的KP1直孔多孔砖、40 mm的水泥砂浆以及4 mm的瓷砖组成。此次检测的建筑墙体的传热系数设计值为1.66 (m2．K)/W。建筑墙体现场检测的原始数据如图1所示。

2,2各方法的处理结果对比

2.2.1运用算术平均法进行数据处理

  运用算数平均法，对于轻型构件(热容<20 k J/(m2．K》，宜采用晚上数据进行分析，连续监测三个晚上，且测试结果之间的差别小于5%，实验结束；对于重型构件(热容大于20 kJ/(m2.K》，测试时间应为24 h的整数倍，当结果与前24 h之间的差别小于5%时，实验结束。本次选取的测试墙体为重型构件。

 用算术平均法的直接计算法，结果如图2所示。计算结果显示，在加热至72 h之后K才逐渐接近1.66(m2. K)/W，按照标准IS09869规定，测试时间在96 h以上才满足要求。

  用算数平均法的绝对值法，结果如图3所示。计算结果显示，也是在加热至72 h之后K才逐渐接近1.66(m2.K)/W，之后计算的误差在5%以内。

2.2.2运用最小二乘法进行数据处理

 运用最小二乘法，结果如图4所示。计算结果显示，加热至60 h之后K才逐渐接近1.66 (m2．K)/W，依据标准，测试时间在84 h以上才满足要求。

 由上述几种方法分析，得到接近设计值的传热系数值至少需要84h，即3.5 d以上，对于南方地区，尤其是春夏秋季，天气变幻不定，连续保证4d以上热流计不受环境影响是不可能的，所以热流计法在南方是不适用的。

2.3改进的动态分析法进行数据分析的过程

  动态分析法充分考虑到墙体热惰性对测试数据影响，允许温度和热流随着周围环境变化，当出现大的波动，也可以获得建筑物的稳态属性，所以动态分析法对于南方地区、各个季节的现场检测数据的处理适应性强，可信度高。

 相对于算数平均法，动态分析法对测试构件的热容量进行了修正，所以其测试周期更短。

 由式(10)知，丁对K值的影响不大，仅对P和Q有影响，故丁选一个即可。不同时刻下的Ⅳ组数据将式(10)写成一个线性方程组，但为了完成j项求和，必须附加p组数据，最后形成一个超定的线性方程组，该方程组采用数理统计软件Eviews进行最小二乘拟合求解，得到各个时刻的K值。

 通过改变T值，选取合适的方程个数，经过大量的计算，得出最佳估计值的方法。通过最小二乘拟合的方式得到估计值K，再通过原动态分析法的公式得到热流值的估计值q'，运用估计值与测量值计算总方差，使总方差达到最小以得到最佳估计值，其第一个系数即为现场所检测的墙体的传热系数K值，再经过后期的算数平均可以快速地得到传热系数K值。

 运用新型检测仪进行现场检测，需要对围护结构进行加热，使用ANSYS软件及现场检测原始数据分析，对于中重型测试元件，元件至少24 h之后才可能达到准稳态的情况，为了更快更准地得到K值，去掉开始实验的前24 h的数据，可以更快地得到接近设计值的值。

2.4改进的动态分析法进行数据分析的结果

 数据从实验开始，运用动态分析法得到的结果如图5所示。

 计算结果显示在加热至45 h之后，K值逐渐接近1.66 (m2．K)/W，若依据算术平均法的标准，70 h即可满足要求。

若去掉前24 h的测试数据，结果如图6所示。

 计算结果显示在加热至40 h之后，K值逐渐趋于平缓，尽管计算值在1.70 (m2.K)/W左右波动，但是对于现场检测传热系数K值来说，误差在5%以内都是可以接受的。若依据算术平均法的标准，测试时间在64h即可满足要求。

 与之前的算数平均法及最小二乘法比较，至少节省1d的时间，对于天气无法估计的现场检测来说，这是一个很大的进步。

3  结论

  通过运用新型检测仪进行现场检测实验，及ANSYS的热分析，运用算术平均法、最小二乘法及动态分析法对现场检测数据进行分析，相对于前两种方法，动态分析法更复杂，但是对于中重型元件的性能检测，以及检测元件周围环境发生波动的情况下，可以缩减检测时间，通过本文所选数据进行分析，动态分析法较前两种方法，检测时间缩短了1d。对于天气变化莫测的南方，运用动态分析法进行数据分析，提高了测试成功的几率。