建筑電氣節(jié)能與熱流計(jì)的應(yīng)用

建筑電氣節(jié)能與熱流計(jì)的應(yīng)用

隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)的加劇，國家越來越重視節(jié)能工作。2001年《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和2005年《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》頒布實(shí)施,對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能都進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定。然而,對(duì)節(jié)能建筑的評(píng)價(jià),僅靠設(shè)計(jì)階段的保證和書面的資料并不能得出結(jié)論,于是從建設(shè)前期對(duì)設(shè)計(jì)施工圖紙的審查計(jì)算階段向現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和竣工驗(yàn)收轉(zhuǎn)移已成大勢(shì)所趨。這些都借助對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),從而掌握建筑的實(shí)際節(jié)能效果,因此,合適的檢測(cè)方法和有效的熱流儀器——熱流計(jì)就顯得至為重要了。1熱電堆型熱流計(jì)把兩種不同的導(dǎo)體兩端接合在一起,構(gòu)成閉合環(huán)路,當(dāng)兩接點(diǎn)有溫差時(shí),則在此回路中存在一個(gè)與溫差成單調(diào)關(guān)系的Seebeck電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)。如固定一個(gè)接點(diǎn)溫度不變,則可測(cè)量此回路中的電動(dòng)勢(shì),定出另一接點(diǎn)的溫度,這就是熱電偶測(cè)溫的原理。其優(yōu)點(diǎn)是接點(diǎn)體積非常小,因而熱容也小,所以對(duì)溫度變化反應(yīng)也快,常用來測(cè)量快速的溫度變化或薄膜等小樣品的溫度,也因此,至今仍在測(cè)溫領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是,它的測(cè)溫精度不夠高。為了提高靈敏度和測(cè)量精度,可采用熱電偶串聯(lián)電路,由多支同型號(hào)熱電偶組合而衍生成的新型測(cè)溫元件——熱電堆,如圖1。這是把n支相同型號(hào)的熱電偶依次將正、負(fù)連接的線路。測(cè)量同一點(diǎn)溫度時(shí),線路的總電勢(shì)為:式中:E1、E2、En為單支熱電偶的熱電勢(shì)。若每支熱電偶的絕對(duì)誤差分別為ΔE1、ΔE2……ΔEn,則整個(gè)串聯(lián)線路的絕對(duì)誤差為:如果,則。故串聯(lián)線路的相對(duì)誤差為:即單支熱電偶相對(duì)誤差的。顯然,熱電堆的輸出熱電勢(shì)大,精度比單支熱電偶高,可感受較小的信號(hào)。作者以此為依據(jù)制作了熱電堆型熱流計(jì),它是目前應(yīng)用最廣泛的一種熱流計(jì)。這種熱流計(jì)的測(cè)頭根據(jù)溫度梯度的原理制成,其結(jié)構(gòu)如圖2。當(dāng)有一定的熱流q垂直流過熱流測(cè)頭時(shí),在基板兩側(cè)產(chǎn)生溫差Δt,由傅立葉定律得:溫差Δt使裝在基板內(nèi)的熱電堆產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)E,表示為:式中:e0為熱電堆材料的熱電系數(shù);n為熱電偶數(shù)目。綜合式(5)和式(6),有:C稱為熱流計(jì)系數(shù),實(shí)際應(yīng)用中可以通過選擇不同的材料和設(shè)置不同數(shù)目的熱電偶來控制它的大小。C數(shù)值的大小反映了熱流計(jì)測(cè)頭的靈敏度,C值越小則越靈敏。2熱流測(cè)頭的標(biāo)定由于一個(gè)熱流計(jì)的測(cè)頭有幾百圈,使得各個(gè)熱電偶輸出系數(shù)千差萬別,受材料材質(zhì)和加工工藝等影響而不可能完全一致,且隨著工作溫度的變化也有所改變。要得到熱流測(cè)頭系數(shù)的準(zhǔn)確值,以便于工程中的應(yīng)用,就必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。這也是熱流測(cè)頭標(biāo)定的目的所在。需要指出的是,熱流測(cè)頭的標(biāo)定涉及到輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等眾多因素,因此,標(biāo)定并非易事。因?yàn)闊崃魇怯奢椛?、?duì)流和熱傳導(dǎo)的綜合因素形成的,每種形式的傳熱都會(huì)以不同方式影響測(cè)頭的測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)選在沒有燈光的地下實(shí)驗(yàn)室,并且采取相關(guān)措施盡量減少空氣對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,因此,可以忽略輻射和對(duì)流因素而只考慮傳導(dǎo)因素。2.1熱流計(jì)的組成結(jié)構(gòu)為了確定熱流測(cè)頭的系數(shù)C,必須產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的具有確定方向的一維熱流q,這需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱流發(fā)生裝置。本次實(shí)驗(yàn)采用北京某公司研制的JW-Ⅲ型熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀。該儀器為單試件雙熱流計(jì)對(duì)稱布置,見圖3。主體部分由熱板、冷板及標(biāo)準(zhǔn)熱流計(jì)等部分組成。熱板由300mm×300mm×6mm加熱器和金屬均熱板組成,最高溫度為60℃,采用電加熱,智能控溫;冷板采用300mm×300mm×6mm鋁板制作,用恒溫水冷卻,最低溫度為5℃,冷源由壓縮機(jī)、水泵、加熱控溫系統(tǒng)等組成。用于測(cè)量熱流密度的熱流計(jì),分別放置在冷、熱板表面上,尺寸為300mm×300mm?？紤]到隨著溫度的上升以及對(duì)于導(dǎo)熱性較好的材料,要達(dá)到均勻的、低的接觸熱阻通常變得越來越困難,因此,儀器本身在試樣和冷熱板之間敷設(shè)了一層絕緣層。2.2測(cè)頭系數(shù)的確定被標(biāo)試件放置在表面溫度保持穩(wěn)定的熱板和冷板之間,必須保證與熱板和冷板的良好接觸,否則溫度場(chǎng)會(huì)受擾動(dòng)。在穩(wěn)態(tài)條件下,測(cè)量熱、冷板兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)熱流計(jì)輸出的熱電勢(shì)E1、E2和待標(biāo)熱流測(cè)頭兩側(cè)表面溫度T1、T2,由電位差計(jì)測(cè)出被測(cè)試件的輸出電勢(shì)E。取冷、熱兩側(cè)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱流計(jì)所測(cè)出的熱流密度的平均值作為通過中間被標(biāo)定的熱流測(cè)頭的熱流密度q,從而可由下式確定任一平均溫度下的測(cè)頭系數(shù):式中:C1、C2分別為熱、冷板兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)熱流測(cè)頭的系數(shù);C為被標(biāo)定熱流測(cè)頭的系數(shù);E為被標(biāo)測(cè)頭的輸出熱電勢(shì),mV。這種方法標(biāo)定的準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)熱流計(jì)系數(shù)的準(zhǔn)確度,此外還要受到設(shè)備中熱板和冷板的溫度控制精度的影響以及邊緣熱損失的影響,標(biāo)定誤差可達(dá)到5%左右。3熱流測(cè)頭的溫度控制作者研制的熱電堆型熱流計(jì)選擇酚醛樹脂層壓板作為熱阻層,其使用溫度可達(dá)250℃,導(dǎo)熱系數(shù)0.037W/(m·K),選用尺寸為110mm×16mm×1mm,熱電偶對(duì)數(shù)為n=125,熱電堆采用銅-康銅熱電偶組成。室內(nèi)空氣溫度16.63℃。為了減少邊緣和間隙熱損,并使得熱量能夠均勻通過熱流測(cè)頭,在熱冷板中心部位形成穩(wěn)定的一維熱流。取300mm×300mm×1.2mm的酚醛樹脂板一塊(與熱流測(cè)頭基板材料相同)作為熱保護(hù)板。在其中間部分挖出比待標(biāo)熱流測(cè)頭尺寸稍大的矩形洞,用透明膠帶將熱流測(cè)頭粘接于內(nèi),周圍用塑料泡沫填充成一整體試樣,并保證其兩側(cè)與完整的酚醛樹脂板在一個(gè)平面上,見圖4。將該試樣放置在導(dǎo)熱儀中,從熱電堆兩級(jí)引線接到UJ36a型直流電位差計(jì)上,然后根據(jù)要求調(diào)節(jié)絲杠,使冷板對(duì)它加壓。以熱流測(cè)頭與兩側(cè)緊密接觸并且不變形為限。另外,為了減少空氣的擾動(dòng),主體外部加裝了保溫套和有機(jī)玻璃罩。設(shè)置熱板初始控制溫度為30℃,調(diào)節(jié)冷板控制溫度,使之與熱板的溫差在10~40K之間。檢查輸出結(jié)果,當(dāng)熱板溫度接近設(shè)定溫度時(shí),采用人工調(diào)節(jié)最佳電壓值,使得熱板的控制溫度在±0.2℃內(nèi)變化。觀察熱流計(jì)兩側(cè)的平均溫度和輸出熱電勢(shì),等熱流計(jì)輸出的熱電勢(shì)趨于穩(wěn)定后,每隔15min測(cè)量一次熱流計(jì)和熱阻層兩側(cè)的溫差、熱流計(jì)的輸出熱電勢(shì),直到用4次讀數(shù)計(jì)算出測(cè)頭系數(shù)的差別不超過±1%,并且不是單調(diào)地朝一個(gè)方向改變時(shí),實(shí)驗(yàn)可結(jié)束。4結(jié)果與分析4.1熱流量不穩(wěn)定圖5為標(biāo)定的時(shí)間曲線。分析可知,標(biāo)定初始階段因?yàn)槔渌幱诩訜崞谑沟脽崃饔?jì)的表面溫度較低,表面與環(huán)境的溫差較大,所以通過熱流計(jì)的熱流量也較大且不穩(wěn)定,隨著表面溫度的升高,熱流值逐漸降低,并趨近于某一固定值。另外,此試驗(yàn)從開始到熱流達(dá)到基本穩(wěn)定,需要近3h,這是由于冷板溫度是靠恒溫循環(huán)水保證的,而恒溫水的加熱器功率有限,板的熱容量很大,因此,試驗(yàn)的時(shí)間較長,尤其首次運(yùn)行。若直接更換試樣重新試驗(yàn),穩(wěn)定時(shí)間將大大減少。因此可考慮先將冷的蒸餾水加熱到一定溫度,再注入恒溫冷卻裝置。4.2擬合度的測(cè)定由于熱阻層材料的物性隨溫度而變化,所以熱流計(jì)的測(cè)頭系數(shù)和溫度的關(guān)系更能表明熱流計(jì)的特性,因而在不同溫度下進(jìn)行標(biāo)定,將所得結(jié)果整理成溫差-熱電勢(shì)關(guān)系曲線。標(biāo)定的結(jié)果通?？梢詳M合為一個(gè)線性的函數(shù):式中:y是輸出的熱電勢(shì),mV;x為熱流測(cè)頭兩側(cè)的溫差,℃;a和b分別是函數(shù)的截距和斜率?？捎么_定系數(shù)R的平方根來表征擬合的好壞。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù),以Δt為橫坐標(biāo),輸出熱電勢(shì)為縱坐標(biāo),繪制曲線如圖6。運(yùn)用一次式進(jìn)行直線擬合,得到,于是線性方程為,相關(guān)系數(shù)(置信度99%最小相關(guān)系數(shù)),證明變量x與y有較好的線性相關(guān)。將所測(cè)得數(shù)據(jù)代入上述方程,驗(yàn)證結(jié)果表明,最大相對(duì)誤差4.9%,數(shù)據(jù)有基本滿意的線性擬合度。查資料知冷、熱板側(cè)的熱流計(jì)輸出系數(shù)分別為12.500W/(m2·mV)和9.628W/(m2·mV),與相關(guān)數(shù)據(jù)一同代入公式(7),可得到不同平均溫度下的測(cè)頭系數(shù),取平均值可得到該測(cè)頭的系數(shù)為39.74W/(m2·mV)。4.3熱流密度與輸出熱電勢(shì)的關(guān)系為了檢查熱流測(cè)頭的輸出熱電勢(shì)與熱流密度之間的關(guān)系,必須至少標(biāo)定兩個(gè)熱阻不同的試件,在平均溫度相同情況下進(jìn)行標(biāo)定。為此,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),由下面公式計(jì)算得到自制的兩個(gè)熱流測(cè)頭的熱阻分別為R1=0.0187m2·K/W和R2=0.0202m2·K/W,繪制其熱流密度與輸出熱電勢(shì)的關(guān)系曲線(圖7和圖8)。從上圖可以看出,在傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),兩塊熱流測(cè)頭的輸出熱電勢(shì)和熱流密度基本保持線性關(guān)系,說明熱流測(cè)頭系數(shù)基本不隨熱流密度而變化,同時(shí)也說明該熱流測(cè)頭的系數(shù)在室溫條件下與熱流計(jì)表面溫度無關(guān)。5熱損失的控制第一,標(biāo)定裝置導(dǎo)熱儀本身帶來的誤差是不可避免的(小于3%)。第二,熱流穩(wěn)態(tài)時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得是由電腦每隔15min鐘打印一次而來的,所以不能保證達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻就是數(shù)據(jù)中剛好顯現(xiàn)的,這樣的數(shù)據(jù)前后時(shí)間誤差在30分鐘的。另外,冷熱板溫度的波動(dòng)所引起的熱流場(chǎng)的不均勻性是正負(fù)對(duì)稱的,通過調(diào)整儀器或者事先預(yù)熱恒溫水可以忽略誤差。第三,導(dǎo)熱儀保護(hù)熱板裝置在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的熱損失很難控制。由結(jié)構(gòu)所引起的誤差主要分為間隙誤差、不平衡誤差和邊緣損失誤差三類。間隙誤差是由于中心熱板和保護(hù)圈之間的間隙處沒有加熱器,熱板上一部分熱量由間隙處散失而引起的。作者采取填充塑料泡沫的方法試圖減小空隙面積,雖然不可避免,但這樣的誤差估計(jì)是偏于安全的。邊緣損失誤差是由于保護(hù)圈以及被標(biāo)測(cè)頭和絕緣板側(cè)表面與周圍環(huán)境之間的熱交換引起的。在被標(biāo)測(cè)頭邊緣外的對(duì)流處于比較強(qiáng)烈的狀態(tài)時(shí),邊緣損失誤差較大,實(shí)驗(yàn)加裝了保溫套和有機(jī)玻璃罩最大限度地減小了對(duì)流的影響。通過比較導(dǎo)熱儀中兩個(gè)熱流計(jì)的讀數(shù)估計(jì)出邊緣熱損失的誤差,邊緣熱損失的誤差在0.5%范圍內(nèi)。不平衡誤差是由于中心熱板和保護(hù)圈之間溫度的不平衡引起的。在現(xiàn)有控制條件下,二者之間的溫度梯度不是特別明顯,因此這部分誤差也可以小于0.5%。除上述原理誤差之外,裝置夾緊力和接觸變形,電位差計(jì)本身誤差和人為讀數(shù)誤差等因素也對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了影響,采取一定的措施是完全可以控制的。6熱流計(jì)的標(biāo)定1)熱電堆型熱流計(jì)具有輸出熱電勢(shì)大,靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前建筑節(jié)能檢測(cè)中應(yīng)用最普遍的熱流計(jì)。2)介紹了一種智能型雙熱流計(jì)式平板導(dǎo)熱儀,并采