（工程热物理专业论文）基于神经网络法辨识建筑墙体传热系数的研究.pdf

摘要 加快推进建筑节能工作的真正落实对解决e t 益严峻的能源问题具有十分重 要的意义。建筑围护结构传热系数是反映建筑节能的一项重要指标，其现场检 测技术是评估建筑节能的一项关键性技术，是保证节能建筑质量的最后关口， 是严格执行建筑节能标准的有力保障。 本文在本课题组的研究成果上，首先综合分析了已有的现场检测方法的优 缺点，着重分析了热流计法在夏热冬冷地区应用的局限性。对本课题提出的常 功率平面热源法作了进一步的研究：分析了建筑墙体三维传热过程中的规律， 得到了神经网络法求解墙体传热系数的关键输入变量；对神经网络法中如何建 立合适的求解样本也进行了研究，提出了针对不同建筑墙体结构分别建立求解 样本；对实验室搭建的四种不同外保温墙体进行了试验，测试结果重复性较好， 与理论值较为接近，验证了本测试方法的可靠性和可重复性。完善了本课题组 编制的墙体传热数值计算程序，同时自行编写了神经网络法求解墙体传热系数 的一体化程序。对本测试系统进行了误差分析，给出了测试中的误差来源，推 导了各测试变量对测试结果影响的灵敏度系数表达式，分析了灵敏度系数的变 化规律，给出了各测试变量的最佳测试范围。最后应用本测试仪器进行了实际 工程的现场检测，并与热流计法进行了比较，进一步证明了该测试方法具有测 试速度快以及测试结果可靠性高等优点。 关键词；常功率平面热源法，三维传热，神经网络法，误差分析，灵敏度系数， 现场检测 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sg r e a to fs i g n i f i c a n c et oa c c e l e r a t et oc a r r yo u tt h ew o r ko fb u i l d i n g se n e r g y s a v i n gf o rs o l v i n gt h ei n c r e a s i n ge n e r g yc r i s i s t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f b u i l d i n ge n v e l o pi so n eo ft h ek e yi n d e x e sf o rt h ee n e r g ys a v i n gb u i l d i n g s t h e o n - t h e - s p o td e t e c t i o nm e t h o do fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fw a l li sa ni m p o r t a n t t e c h n i q u ei nt h ee v a l u a t i o no fe n e r g ys a v i n gb u i l d i n g s i ti sn o to n l yt h el a s tp a s st o e n s u r et h eq u a l i t yo fe n e r g ys a v i n gb u i l d i n g s ，b u ta l s ot h ep o w e r f u lg u a r a n t e ef o r i m p l e m e n t i n gt h es t a n d a r do fe n e r g ys a v i n gb u i l d i n g s f i r s t l y , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n go n - t h e - s p o td e t e c t i o n m e t h o d sw e r ec o m p a r e di nt h et h e s i s ，e s p e c i a l l yt h el i m i t a t i o no ft h eh e a tf l o w m e t e rm e t h o di nh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e ra r e a ，o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hi no u r g r o u p af u r t h e rr e s e a r c hf o rh e a ts o u r c em e t h o dw i t hc o n s t a n th e a tf l u xw a sa l s o c a r r i e do u t t h ev a r i a t i o nr u l eo fw a l li nt h ep r o c e s so ft h r e e d i m e n s i o nh e a tt r a n s f e r w a sa n a l y z e da n do b t a i n e dt h ek e yi n p u tp a r a m e t e r sw i t ht h ea n nm e t h o dt og a i nt h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fw a l l i na d d i t i o n , h o wt oe s t a b l i s ht h ea p p r o p r i a t es a m p l e i nt h ea n nm e t h o dw a si n v e s t i g a t e d t h es a m p l ed a t ab a s ew o u l db es e tu pf o r d i f f e r e n c es t r u c t u r ew a l l s f u r t h e r m o r e ，f o u rt y p e so fe x t e r i o rh e a t - i n s u l a t i o nw a l l w e r et e s t e d t h ed e t e c t i o nr e s u l t sh a v eag o o dr e p e a t a b i l i t ya n da g r e ew i t ht h e t h e o r e t i c a lv a l u eo fw a l l ，w h i c hp r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i 哆o ft h e o n - t h e s p o td e t e c t i o nm e t h o d t h ep r o g r a mo fn m n e r i c a lc o m p u t a t i o nf o rt h eh e a t t r a n s f e rp r o c e s so fw a l lw a si m p r o v e d m e a n w h i l e ，t h ea u t h o rf i n i s h e dt h ei n t e g r a t i v e p r o g r a mo f t h ea n nm e t h o dw h i c hw a su s e dt os o l v et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f w a l l m o r e o v e r , t h ea n a l y s i so fe l t o rw i t ht h ed e t e c t i o ns y s t e mw a sp e r f o r m e d t h e s o u r c e so fe l t o ri nt h ed e t e c t i o np r o c e s sw e r eg i v e n t h ee x p r e s s i o n so fs e n s i t i v i 哆 c o e f f i c i e n tt os h o we f f e c to fd e t e c t e da r g u m e n t sw i t hd e t e c t e dr e s u l tw a so b t a i n e d t h ev a r i a t i o nr u l eo ft h es e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n tw a sa n a l y z e di ns u c c e s s i o n t h e o p t i m a ld e t e c t i o ne x t e n t so ft h ed e t e c t i o nv a r i a b l e sw e r ea l s og i v e n f i n a l l y , t h e o n - t h e - s p o td e t e c t i o no ft h ep r a c t i c a lp r o j e c tw a sc a r r i e do u ti nt h ea c t u a lp r o j e c t c o m p a r i n gw i t ht h eh e a tf l o wm e t e rm e t h o d ，t h i sm e t h o dh a sa d v a n t a g e so fs h o r t e r a b s t r a c t d e t e c t i o nt i m ea n dh i g h e rr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：h e a ts o u r c em e t h o dw i t hc o n s t a n th e a tf l u x , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k m e t h o d ，s e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t ，o n t h e - s p o td e t e c t i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名；孑小i 淦 研年罗月刀日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：利、镗 川年月觇日 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景及意义 能源是国民经济和社会活动赖以生存和发展的物质基础。然而作为传统的 不可樽生能源煤、稍油、天然气都是有限的。随着多年的歼采，总量在一 步步减少。面对日益减少的能源资源，能源节约对我国国民经济的可持续发展 起蛰誉足轻重戆终震。我灏已经将“建设繁约鼙社会”定为一瑗簇本鏊策，著 予2 0 泌年l l 秀发毒了嚣容蓠个节熊中长麓专项魏翻“1 ，重点援翔了弱2 0 1 0 年节能的目标和发展重点，并提出2 0 2 0 年的节能目标。节能中长期专项规划 将作为我国今后中长期节能工作的指导性文件和节能项目建设的依据。 建筑行业是一个耗能犬户，一方面建筑材料的生产过程需爱消耗大量的能 源，勇一方瑟，为了褒建筑纺懿痰部剖造一令逶会久们生活，童推窝嚣曩各类 季主会溪动懿环境，建筑耪猩使用过程中还将不断缝港耗能源。 随着人民生活水平的提高，建筑能耗必然会持续增长。首先是建筑房屋面 积猩持续增加，随着房地产业的迅猛发展，瑕几年每年每人平均新增房屋面积 1 3 一l 。5 舻。其次是人们对建筑热舒适性的要求越来越高。冬天宠滠由1 2 、 1 6 撬褒到1 8 、甚至2 0 ；夏天瓣室滠耄3 2 降低至2 ，麓楚2 4 。采 疆嚣文丈囱南扩震，空调铡冷范围已麸公焚建筑扩震到民瘸建筑，获南方扩震 到北方。居民家用电器晶种、数量增加。广大农村过去主要使用秸秆、薪柴等 生物质能源烧饭和取暖，现在逐步改用煤、电、燃气等商品能源。由于以上种 种因綮，建筑能耗占全国总能耗的比例，将从现在的2 7 6 快速上升到3 3 以上 嘲 辫籍发这国家瓣建筑怒耗一般砉慧裁耗瓣1 3 左右。夔着我黧骧枣佬程度 的不断提高，第三产业占g d p 比例的加大以及制造业结构的调熬，建筑能耗的 比例将继续提高，最终接近发达国家目前3 3 的水平。建筑节能魑我国的重大战 略举攒，具有十分重要的意义：建筑节能是落实以人为本，全面、协调、可持 续盼科学发展鼹，减轻邵域污染，实现入与巍然和谐发展的重黉举播；是调整 赛缝产鼗结搀窝转交建筑曛缮长方式，转交缎济增长方式，健逡经济缝搦调整 的迫切需要；是按照减爨化、再利用、资源化的原则，促进资源综合利用，建 设节约型社会，发展循环经济的必然要求：魑进一步改善人民生满与工作环境， 第一章引宙 走生态良好的文明发展道路的重要体现；是节约能源，保障国家能源安全的关 键环繁；是探索解决建设行业离投入、离消糕、商污染、低效攀的根本途径； 霆改透鞫提舞簧缝建筑渡、建毒| 鲎，实溪建浚搴照键痰、秘诿、簿簿续发矮戆 重大战硌性工作。上海市建委、上海市发袋期改革委员会、上海帝经委、上海 市城市规划管理局2 0 0 3 馨联合发出 一一一一“ 时捌 h 一一一 - k - 、，r p w i _ 玺：三童螽裔螽二式年前。苗董j 量兰 舭揪 f v、i 一一 f ”j 景寮量景量景量景景景景景量寮量寮 譬譬2 鹤器一“_ 卜2 = 2 = 时刻时刻 图2 2 热流计法测试的各堵墙体的传热系数值 从图中可以看出，尽管测试时间已经足够长，但实时测试的四堵墙体的传 热系数值并没有逐渐趋近于某一个稳定的值，其变化曲线是极不规则的、没有 规律，因此很难得到令人满意的测试结果，很难反映出墙体传热系数的真实数 值。这是因为墙体表面热流计所测量得到的热流密度并非是真实通过被测墙体 的热流。众所周知，墙体是热容较大的物体，在墙体一侧受热后，热流在穿过 墙体过程中一路衰减，更何况墙体外表面的受热情况一直在随时间发生变化， 因此，很难有稳定的热流穿过墙体。故上述测量得到的所谓传热系数是不可能 准确的、真实的。 2 1 2 热流计法测试墙体传热系数的理论分析 为了对应用热流计法测试的局限性作进一步的分析，本章对使用热流计法 检测某一典型墙体的过程在理论上进行了数值模拟。 模拟采用的墙体材料组成见表2 2 。根据式( 2 3 ) 计算得到了墙体传热系数 的理论值杨： 第二章现有墙体传热系数现场检测方法的分析比较 。再1 磊 表2 2 模拟墙体的各层材料物性和综合传热系数 ( 2 3 ) 热容 各层材料名称( 由外到内)厚度( 蛐)导热系数( w ( m 聊比重( k g 劬 i k j ( k g k n 水泥砂浆 2 0 0 8 1 41 6 0 0o 8 3 7 空心黏土砖墙 2 4 00 5 8 1 3 6 70 9 2 1 水泥砂浆 2 00 9 31 8 0 00 8 3 7 综合传热系数 1 6 4 t “w ( m 2 l ( ) ) 根据传热学的理论，如果物体的高度和宽度是其厚度的8 1 0 倍，传热过 程按一维导热处理时，其计算误差不大于1 。因此用热流计法测试时墙体的传 热过程可以近似看作一维导热过程，并根据传热学数值计算方法编制了一维非 稳态传热程序。在程序中使用了插值语句，对如图2 1 所描述的每一时刻墙体内 外侧逐时空气温度值作了线性插值，以反映墙体内外侧空气温度变化对墙体传 热过程的影响。在程序中设置每隔3 小时保存一次墙体各层节点处的温度值， 将若干时间后模拟得到的沿墙体轴向各层的温度分布情况绘制成图，如图2 3 所 示。 图2 3 热流计法测试时沿墙体轴向各时刻的温度分布图 第二章现有墙体传熟系数现场检测方法的分析比较 p 恻 赠 时刻t 图2 4 模拟单面热流计测试法所得墙体内外表面温度的逐时值 0 1 2 2 43 64 8 7 28 49 6 时间t ( 小时) 图2 - 5 模拟单面热流计测试法所得墙体传热系数逐时值 从上图可以看出，单面热流计法在没有给室内加热的情况下，单纯依靠室 内外温差来加热墙体使其蓄热达到稳态几乎不可能。而且内外壁面温度一直受 室内外环境温度影响，因而很难得到墙体准确的传热系数值。 华南理工大学的王珍吾等提出了采用双面热流计法旧测试墙体的传热系数， 其方法是：在墙体内表面和外表面对应位置各贴一个热流计，同时在热流计的 周围布置热电偶，以通过墙体内、外表面的热流平均值作为每一时刻的热流。 采用式( 2 - 3 ) 计算墙体传热系数砭： 4 3 2 l 口晶3且一)i籁峨瘊职 第二章现有墙体传熟系数现场检测方法的分析比较 k 2 。至鼍三乏阿1 ( 2 3 ) 鼋：一时刻通过墙体外表面的热流值， w m 2 吼，与式( 2 - 1 ) 定义同 由于墙体的传热过程和单面热流计法一样，所以沿墙体轴向各层的温度分 布情况模拟仍如图2 3 所示。 图2 6 所示为采用程序模拟计算得出的每一时刻用双面热流计法测试得到 的墙体传热系数逐时值。 o12,243 64 86 07 28 49 6 时间t ( 小时) 圈2 6 模拟双面热流计测试法所得墙体传热系数逐时值 从图2 5 、2 6 可以看到，无论是采用单面热流计法还是双面热流计法，在 室内没有加热的情况下，单纯依靠环境温差来测试墙体传热系数值，其测试结 果变化规律不明显，这是因为墙体内、外侧气象参数一直在变化，墙体自身的 蓄热和放热过程也一直在进行，这是一个复杂的非稳态传热过程。在这样的条 件下用热流计法进行一维稳态计算分析，测试时间再长也得不到正确的结果。 2 1 3 热流计法优缺点分析 1 、热流计法的优点 通过测试可以看到，热流计法具有以下优点： 1 ) 测试设备少，便于输运和安装。 5 4 3 2 l 一口zm一v)i籍l笙壤颦 第二章现有墙体传热系数现场检测方法的分析比较 测试方法简便，只需要热电偶和热流计，温度巡回检测仪等设备，现场 操作方便。 3 1 智能化程度较高，测试过程中的数据由温度巡回检测仪自动采集存储， 可以连续采集8 天的数据。因此，数据记录较为全面，便于后面的数据处理。 2 、热流计法的缺点 热流计法的缺点有： 1 ) 测试时间受季节限制，这样对于春、夏、秋季竣工的建筑不能进行及时的检 测； 2 ) 对南方地区来说，室内外空气保持较大的测试温差难以达到，这给该地区的 墙体现场检测工作带来了较大的困难； 3 ) 测试周期较长，一般要持续一周，不适合于大面积大批量节能建筑的检测。 钔检测数据跳跃性大，不稳定，结果较难确定。 2 2 热箱法 标定热箱和防护热箱法是国际上测量建筑构件传热系数( 或热阻) 的方法。 该方法技术研究始于2 0 世纪7 0 8 0 年代，有关的标准测试方法相继颁布。国 内开展试验室建筑结构传热性能测量方法研究也较早，1 9 9 3 年制定了建筑构 件稳态热传递性质的测定一标定和防护热箱法的国家标准。 2 2 1 热箱法原理 现场检测使用的热箱法是基于一维传热理论。当围护结构被测部位具有基 本平行的两表面，且其长度和宽度远远大于其厚度，则该测试部位可视为无限 大平板，其传热过程为一维传热。热箱是人工制造的一个一维传热环境，被测 部位的内侧用热箱模拟采暖建筑室内条件，另一侧为室外自然条件( 或冷箱) 。 维持热箱内温度高于室外温度8 k 以上，这样被测部位的热流总是从室内向室外 传递。当热箱内加热量与通过被测部位的传递热量达到平衡时，热箱的加热量 就是被测部位的传热量，定时记录热箱的发热量及热箱内的温度和室外温度， 经计算即可得到被测部位的传热系数值。 北京中建建筑科学技术研究院从2 0 世纪9 0 年代初开始从事建筑节能检测 方面的研究，2 0 0 1 年其自行研究开发的“r x - i i 型传热系数检测仪”通过了北京 市科委组织的科研鉴定。2 0 0 4 年“r x - i i b 型传热系数检测仪”通过了北京市建 第二章现有墙体传热系数现场检测方法的分析比较 委组织的专家验收。其检测原理如图2 7 所示： 图2 7 您i i b 型传热系数检测仪检测原理图 1 围护结构1 ；2 - 热箱；3 室内加热器：4 - 室内加热控制器；5 - 冷箱水浴；6 - 热箱b ；7 - 围 护结构2 ；时争箱；9 啦制仪 t 1 a 箱室外空气温度；b a 箱外墙表面温度；b a 箱箱内 空气温度；t , - a 箱室内墙表温度；b 室内空气温度；t 6 - b 箱箱内空气温度；t r b 箱室内墙 表温度；t 8 - b 箱室外空气温度；t g - b 箱室外墙表温度； 围护( 墙体) 结构传热系数x 【w ( n 1 2 k ) 】通过下列公式计算： k 一k 开( 2 4 ) 墨- 见仍一t ) 】 式中q 单位测试时间的传热量，w ； a 熟箱开口面积，m 2 ； 蚝单位测试时间内的传热系数值，【w ( m 2 k ) 】； 王室内( 热箱) 空气温度，； 室外空气温度，； 意连续测试次数。 2 2 2 优缺点分析 1 、热箱法的优点 ( 2 - 5 ) 第二章现有墙体传热系数现场检测方法的分析比较 该方法的优点可以归纳如下： 1 ) 检测不受采暖期限制。热箱法检测围护结构传热系数，在一年中的大部 分时间都可检测，只要将室内、外平均温差控制在1 0 以上，热箱内温度大予 室外最高温度8 c 以上就可以测试。如果不能满足前者要求，则可使用分段测试 数据，但误差稍大( 5 左右) 2 ) 检测时对现场的环境要求不高。检测时仅要求有封闭的房间及该房间中 有足够大的墙体；在检测周期中提供连续的电源；检测过程中可以有人员进入 检测现场检查检测仪器的工作状态，对检测数据不会造成明显的影响 3 ) 检测周期短。正常检测需要三天；如果稳定时间短，二天即可，比热流 计法的检测时间缩短三至四天。 4 ) 热箱的温控系统采用先进的p i d 温控调节系统，热箱内温度控制精度达 o 5 ，为准确计算电功率打下基础。 5 ) 线路设计采用一体化结构，并加装了看门狗软件，提高抗干扰能力。 6 ) 仪器采用检测、控制、计算为一体的液晶显示，预留了r s 2 3 2 通讯接口， 便于和上位机联接进行数据传输。 7 ) 所有采集的数据最后都可转化为e x c e l 格式，方便检测人员借助微机对 被测数据进行分析。 8 ) 该设备可同时测试2 个面，因有冷箱( 夏天可将箱内温度降低至环境温 度以下1 0 多度) ，所以不受季节限制，一年四季均可测试。 2 、热箱法的缺点 1 ) 热箱体积庞大，笨重，不便于搬运。 2 ) 热箱与围护结构表面之间的密封性不容易保证，这样会带来较大的测试误差。 3 ) 在室外安装一个冷箱，操作起来困难，特别是测试建筑物的高层墙体时，因 此很难达到全面检测。 4 ) 测试应在室外空气平均温度在2 5 1 2 以下，相对湿度在6 0 以下进行，这在夏 热冬冷地区很难达到这一要求。 5 ) 试验前应该对墙体进行蓄热，且应连续测试7 2 h 以上，测试周期仍然较长。 2 3 红外热像法 第二章现有墙体传热系数现场检测方法的分析比较 2 3 1 基本原理 红外热像仪是集先进的光电子技术、红外探测器技术和红外图像处理技术 于一身的高科技产品，是目前热工故障诊断和检测领域较为先进有效的手段之 一。一部红外热像仪由如下部件构成：光学会聚系统、扫描系统、探测器、视 频信号处理器、显示器。其工作原理为：目标物体的辐射图像经光学系统会聚 和滤光，聚焦在焦平面上。焦平面内安装一个探测元件。光学会聚系统与探测 器之间有一套光学机械扫描装置，它由两个扫描反射镜组成，一个用做垂直扫 描，另一个用做水平扫描。从目标入射到探测器上的红外辐射，随着扫描镜的 转动而移动，按次序扫过物体空间的整个视场。在扫描过程中，入射的红外线 使探测器产生响应。一般来说，探测器的响应是与红外辐射的能量成正比的电 压信号，扫描过程使二维的物体辐射图形转换成一维的模拟电压信号序列。该 信号经过放大、处理后，由视频监视系统实现热像显示和温度测量。 在建筑墙体传热系数检测中，红外成像技术能够很好地提供墙体表面温度 的分布数据，可用于计算墙体两侧的温差。同时，还可以判断墙体内部热桥的 位置以及对传热的影响。 2 3 2 优缺点分析 1 、红外热像法的优点 它可以实现大面积、非接触、快速扫描式检查，通过摄像仪可远距离测定 建筑物围护结构的热工缺陷，通过测得的各种热像图可表征有热工缺陷和无热 工缺陷的各种建筑构造。该方法还有操作方便，数据处理方便，显示直观形象， 检测全面等优点。详细研究成果见报告红外热像在建筑节能检测中的应用研 究。 2 、红外热像法的局限性 由于建筑墙体是由多层复合材料组成，且建筑墙体的表面红外辐射能受周 围环境影响较大，因此利用红外热像仪进行定量化测试和分析尚有许多技术问 题需要解决。此外，尽管红外热像仪能够快速准确地测量物体表面的温度，但 是由于它所能测得的仅仅是墙体表面的温度，无法测得热流值，因此在墙体传 热系数现场测试时可以结合红外热像法获取表面温度的即时数据并进行分析， 但红外热像法无法单独用来检测墙体的传热系数，在实际检测中需要与其它测 第二章现有墙体传热系数现场检测方法的分析比较 试方法配合使用。 2 4 对现有检测方法的综合分析 墙体是一个大热容量、大时滞的系统，通过上述分析可知，现有的现场检 测方法有各自的应用弊端，不能满足现阶段围护结构现场检测不受季节限制， 快速，大面积检测的要求。研究一种快速检测墙体传热系数的方法不仅仅是节 省人力物力的需要，更是克服墙体内外侧气象条件波动对传热过程影响的一种 需要。尤其在我国南方地区，由于其特殊的气候条件，夏季单纯依靠室内外温 差来对建筑墙体进行现场测试，或者是采用与冬季相似的方法，室内空气温度 控制通过空调制冷的方式来实现。但由于夏季室外环境温度变化剧烈，太阳辐 射的影响很大，这样室内外温差变化较大，墙体蓄热很难达到稳定，因此检测 效果都不是很好。因此，研究一种测量精度高、对现场检测条件要求不高和测 试时问短的检测方法是非常必要的，对我国建筑节能工作的真正落实也有十分 重要的作用。 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 3 1 导热反问题 反问题是各种正问题的逆过程，是一门与诸多技术领域相关的交叉学科。 导热反问题即为反问题的一个分支，导热反问题的研究是指通过研究对象内部 ( 或边界) 一点或多点的温度值( 或其随时间的变化) 来反推边界条件、初始 条件、热物性参数、内热源强度、物体的几何条件等未知项嘲。 由于导热反问题的非适应性、非线性等特点，使得导热反问题的求解比较 困难，已有的求解方法，诸如：单时间步法、共轭梯度法、正则化方法、序列 化方法等均存在一些缺陷。比如正则化方法在理论上虽然比较完善，但具体应 用时稳定泛函及其赋范空间的选取、正则参数的确定都是较为困难的；而且， 各种方法的精度也不太高，同时，它们的适用范围也都较窄，这些都大大限制 了导热反问题的工程应用，因此，引入新算法已成为求解导热反问题的必由之 路。 在导热反问题的研究方面河北工业大学做了许多工作，认为人工神经网络 和遗传算法比较适合求解导热反问题，本文通过研究分析，采用人工神经网络 理论来求解墙体传热系数。 3 2 神经网络简介 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是一个由简单处理单元 连接而成的规模宏大的并行分布式处理器，是对人脑神经网络的一种简化，抽 象和模拟，目的是构造出与大脑智能相近的网络模型，用于工程和其他领域。 神经网络天然具有存储经验知识和使之可用的特性。它在两个方面与人脑相似： 一是神经网络获取的知识是从外界环境中学习得来的；二是互连神经元的 连接强度，即突触权值用于存储获取的知识。神经网络具有以下特点”1 ： 1 词 线性： 2 1 输入输出映射： 3 1 自组织及适应性： 4 ) 容错性： 5 ) 分布式存储与计算相结合 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 6 ) 联想能力 7 ) v l s i 实现 人工神经网络的优越性，主要表现在三个方面： 第一，具有自学习功能。 第二，具有联想存储功能。 第三，具有高速寻找优化解的能力。 3 3 基于系统辨识的人工神经网络 系统辨识的思想来源于现代控制理论的发展与应用，它是根据对一个已经 存在的对象或系统的观察、测量或模拟所得到的大量的输入输出数据，推断出 被研究对象的数学模型，得到的数学模型称为经验模型嘲。 本研究中，借助系统辨识方法，在建筑墙体传热系数的研究中，可以不需 要详细了解建筑墙体的内部结构和具体的热物理规律，可以避开理论建模过程 中复杂的数学求解过程，通过三维稳态导热程序的模拟试验，获得多组特征量 的输入、输出实验数据，经过一定的辨识算法，得到相应的墙体传热系数估计啪1 。 3 4b p 0 3 a c k - p r o p a g a t i o n ) l 网络简介 目前提出的神经网络模型大致可以分为三类，即；前馈网络( f e e d f o r w a r d n e u r a l n e t w o r k s ) 、反馈网络( f e e d b a c k n e u r a l n e t w o r k s ) 和自组织网络 ( s e l f - o r g a n i z i n gn e u r a ln e t w o r k s ) ，这三种网络在系统辨识领域都有广泛的应用。 目前应用最为广泛的神经网络学习算法是b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 网络，它就属于 这种前馈神经网络。 b p 算法已成为目前应用最为广泛的神经网络学习算法，据统计有近9 0 的 神经网络应用是基于b p 算法的侧。它也是前向网络的核心部分，体现了人工神 经网络的精华。本研究采用的就是b p 网络。 b p 网络主要应用于： 1 ) 函数逼近用输入矢量和相应的输出矢量训练一个网络逼近一个函数。 2 ) 模式识别用一个特定的输出矢量将它与输入矢量联系起来。 3 1 分类将输入矢量分类。 4 1 数据压缩减少输出矢量维数以便于传输或存储。 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 3 4 1 神经元模型 神经网络的基本单元称为神经元，它是对生物神经元的简化与模拟。神经 元的特性在某种程度上决定了神经网络的总体特性。大量简单神经元的相互连 结即构成了神经网络。一个典型的具有r 维输入的神经元模型可以用下图3 1 来加以描述。 兰 图3 1 神经元模型示意图 由图3 1 可见，一个典型的神经元模型主要由以下五部分组成。 1 ) 输入 图中p l 、p 2 、肌代表神经元的r 个输入。 2 ) 网络权值和阈值 w 1 1 、w 1 2 、w 1 r 代表网络权值，表示输入与神经元之间的连接强度； b 为神经元阈值，可以看作是一个输入恒为1 的网络权值。 3 ) 求和单元。 求和单元完成对输入信号的加权求和，即 玎- 艺只+ 6 ( 3 1 ) 这是神经元对输入信号处理的第一个过程。 4 1 传递函数。 ，表示神经元的传递函数或激发函数，它用于对求和单元的计算结果进行函 数运算，得到神经元的输出，这是神经元对输入信号处理的第二个过程。典型 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 的神经元传递函数有：阈值函数，线性函数，对数s i g m o i d 函数，正切s i g 】r n o i d 函数等等。 5 1 输出。 输出信号经神经元加权求和及传递函数作用后，得到最终的输出为： a1 ，( 审+ 6 ) ( 3 2 ) 3 4 2b p 算法描述 b p 网络是一种具有三层或三层以上的单向传播的多层前向网络，包括输入 层、中间层( 隐层) 和输出层。上下层之间实现全连接，而每层神经元之间无连接。 当一对学习样本提供给网络后，神经元的激活值从输入层经中间层向输出层层 层传播，在输出层的各个神经元获得网络的输出响应。接下来，按照减少目标 与实际误差的方向，从输出层经过各中间层逐层修正各连接权值，最后回到输 入层。随着误差逆传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断 上升，这就是“误差逆传播算法”的思想”。 下面以三层网络为例，描述b p 网络学习规则： 网络输入向量p k - = ( a t a 2 4 n ) ； 网络输出向量t k = o ，l ，3 2 砌； 中间层单元输入向量s k = ( s 1 ，s 2 s 0 ； 输出向量巩= 1 ，6 2 b 0 ； 输出层单元输入向量l k = ( 1 ，如d ； 输出向量c , - - ( c 1 c 2 o ；参数k = l 、2 肼 输入层至中间层的连接权w i j i = l 、2 栉；，= 1 、2 矽 中间层至输出层的连接权昧j = l 、2 p ；t = l 、2 p 中间层各单元的输出阈值岛j = l 、2 p ； 输出层各单元的输出阈值ht = l 、2 p ； ( 1 ) 初始化。给每个连接权值确，咏，阈值岛与1 赋予区间( 11 ) 内的随机值。 ( 2 ) 随机选取一组样本和目标样本p k = 如- 。、a 2 k 口o k ) ，瓦= ( s t 。、秽啪提供 给网络。 ( 3 ) 用输入样本e k - - - - ( a t 。、a 2 k 4 一，连接权值和阈值岛计算中间层各单元 的输入岛然后用s j 通过函数传递计算中间层各单元的输出岛。 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 旷善岍一o j 芦、2 一p ( 3 - - 3 ) 6-f(s，)(3-4) ( 4 ) 由上面计算得来的中间层输出岛，连接权珞和阈值h 计算输出层各单元 的输出l ，然后利用传递函数计算输出层各单元的响应c t 。 上，一蓦，一q 一， r = ，2 霉 c i - f q t 、 ( 5 ) 利用网络目标输出r k = o , 1 、y 2 k q k ) 与实际输出 一般化误差d t k ： ( 3 5 ) ( 3 6 ) c t 计算输出层各单元的 d t ( ) ，一q ) c s 0 一c ) t = l 、2 口( 3 7 ) ( 6 ) 利用连接权，输出层一般化误差站和中间层的输出6 i 计算出中间层各 单元的一般化误差矿 e ，- 【d ，p ，o - b ，) ( 3 8 ) 利用d , k 和中间层各单元的输出6 j 来修正连接权嵋。和阈值m ( 4 - 1 ) 一，f ( ) + a 。d 。b j t - - 1 、2 g( 3 9 ) ，( + 1 ) - ，( ) + 口d 。 j = l 、2 珂；o a l ( 3 1 0 ) ( 8 ) 利用中间层各单元的一般化误差矿，输入层各单元的输入p k = 0 l 口2 口0 来修正连接权矾和阈值岛 ( + 1 ) 一( 奶+ 卢巳口，i = 1 、2 露0 - 1 1 ) 巳( + 1 ) - 0 j ( ) + e ， j = l 、2 p ；0 f l n i ， 镯 e n i = 0 2 ) n 。- 矗+ 所+ 口其中，小为输出神经元数目；n 为输入神经元数目。口为 f 11 0 】之间的常数。 3 ) n 1 - l 0 9 2 n 其中开为输入单元数目。 另外一种选择隐单元数目的方法，就是先让隐单元的数目可变，或者放入 足够多的隐单元，通过学习将那些不起作用的隐单元剔除，直到不可收缩为止。 也可以在开始时放入比较少的隐神经元，学习到一定次数后，如果不成功，则 再增加隐单元的数目，直到达到比较合理的隐单元数目为止。本课题用的就是 这种方法。 3 6 3 2 传递函数与训练函数的设计 传递函数是b p 网络的重要组成部分，传递函数又称为激活函数，必须是连 续可微的。b p 网络主要采用线性和s 型对数或正切传递函数。对于本课题的研 究对象，隐层传递函数，选用 t a n s i g ”，对于输出层传递函数，选用 p u r e l i n ”。 训练函数选用 t r a i n l m ”，用此函数一般收敛速度最快。 3 6 3 3 初始值的选取 由于系统是非线性的，初始值对于学习能否达到局部最小和是否能够收敛 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 的结果关系很大。一个重要条件就是：初始值在输入累加的使每个神经元的状 态值接近零，权值一般取随机数，要比较小。输入样本也同样希望进行归一化 处理，使那些比较大的输入仍落在传递函数梯度大的地方。 3 6 3 4 训练网络 通过以上设计的网络以及制作好的样本，接下来就是训练工作，最后把 训练好的网络保存，为以后的现场测试做好准备。 3 6 4 墙体传热系数辨识一体化程序的编制 神经网络法求解墙体传热系数的一体化程序主要包括三个部分：“模拟一训 练辨识”。基本思路就是通过模拟来建立神经网络法所需要的样本库，然后将 得到的样本库进行训练得到稳定的映射网络，最后将现场测试结果导入到该映 射网络得到测试的墙体传热系数值。 图3 1 1 神经网络法求解思路 图3 1 2 程序模拟界面图 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 r 铂h 练一 一+ “1 i 隐层神经元个数 t 一一，| l 。 最大训练步数 昱示问隅步数 1 l | i 练误差 图3 1 3 程序训练与辨识界面图 3 7 神经网络法求解墙体传热系数中各输入参数的敏感性分析 3 7 1敏感性系数推导过程 瓤 x 2 蘧莲 图3 1 4b p 网络结构 y l y 2 y i 下面根据b p 算法来推导敏感性系数表达式： 权值命名规则：嵋表示前第f 个输入对第栉层第，个神经元的权值。 设输入单元的个数为m ，隐层单元的个数为弗 第一层的传递函数为f ( x ) ，第二层的传递函数为g o ) 输入层隐层 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 诱导局部域： 第一层的输出值： ) ，：一，卅) y ：t f t v ) 隐层输出层：( 只考虑一个输出时的情况，多个输出依此类推) 诱导局部域：第二层输出值： 嵋- 咖；+ 砰 y ：g ) 现在给第一个输入变量而一个扰动，则： 输入层隐层 纠) 7 - 嵋x j + 日+ 瞳觇 叫) - ，( 似) ，) i ，纠+ 吒瓴) 一w ：，x ，+ 醒州i - 觇 j 叫 辨 i 以) 。心石，+ 噬+ 喝蝇 隐层俞出层 局部诱导域： 研) 。吒( ) ， 砰 则每- ( ) ，；) 一y ； ( y ：) - ，( o ：) | ) - ，o ：+ 乞a x 。) ； ( y ：) - ，“r ：) ，) - f ( v ：+ 以。x 。) 输出值： ( ) ，：) 一g ( ( p ；) a g 镬? ；1 1 一g j 、 - g ( 善w 主，+ m 1 j h ) + 砰) 一g ( 荟以，o ：) + 砰) 。占( 善嵋，( 善； + 日+ _ ，；，t h ) + 砰) 一g ( 荟嵋，( 善一，葺+ 日) + 砰) 将e 式展开成一阶泰勒级数形式： 日 醚 畦 + + + 晰峨；：嘞 。v箭。x箭 。z _ - l _ 日 畦 t 第三章神经网络法在求解墙体传热系数中的应用 一g ( 耋以，u 以) + 善w 知缸t + 。 ：) 2 ) ) + 砰) 一g ( 蠢吒，) + 砰) - g ( 耋旌，奶) + 群+ 蠢嫒，考峨。矗飘+ 耋，。；) 2 ) ) 一g ( 嘉嫒，砖) + 砰) 一g 孵+ 砉以，考w ；一蝇+ 耋w 妒2 ；) 2 ) ) 一g ( 哟 一霉研) + 毒噻喝苦域+ 耋喝。；渤+ 口孵) 一g 簖) 一毒喜，却而 f ；w ，1 一舰+ 毒薹屿口 ；) 2 ) ) + 。研) 约去高阶无穷小量 刘毒- 簧- 毒赛吒盖w 硭1 卺。嚣蠢：i ，茜w ，伊1 薏一毒套魂，嚣1 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) - 3 d 3 j 2测试中的误差来源 1 1 温度测量的误差： 该测试系统对温度以及热流进行巡网检测，温度信号宥1 8 路，热流信 毒套2 籍。其中第一鼹应餍蠡准p t l o o 镶热电阻，该铂熬龟隧用于测量热邀 偶冷壤湿度( 帮室漱) ，并 筝失另井1 9 终熟电羁溺量戆冷瀑季 馁，箕分辨率： o 1 ( 指示显示) ，o o y c ( 内部电路) 由于热电偶粘贴猩被测墙体表面，改变了墙体表面的温度场分布以及表 两对流换热系数的火小，使测得的温度岛真实温度出现偏麓。因而在现场 测