热电堆型热流计的制作及应用

热电堆型热流计的制作及应用

1热流计检测法检测热流建筑节能现场检测的主要项目是防护结构的传热系数，热流计检验方法是现场防护结构传热系数的主要检测方法。本文介绍采用布置多点自制热电堆型热流计和多组热电偶进行现场检测,分析测量误差和对制作的热流计进行验证。2发热堆热流的生产和实验2.1热电堆的测量原理热流计测量原理:当有热流通过平板式热流测头时,在测头的热阻层上产生温度梯度。根据傅立叶定律可以得到通过测头热流密度。设热流矢量方向与等温面垂直,则:式中:q为热流密度;dQ为通过等温面上微小面积ds流过的热量;为垂直与等温面方向的温度梯度;λ为材料的导热系数;如果温度为T和T+ΔT的两个等温面平行时:由于采用串联热电偶,热电堆就可以直接测量温差,而温差与热流密度成正比,温差与热电势的大小也成正比。因此,测出的温差热电势就能直接反映热流密度的大小:式中:C—热流计的测头系数W/(m2·mv);E—测头输出电动势(mv)。测头系数C是热阻式热流计的重要性能参数,其数值的大小反映了热流计测头的灵敏度,C值越小越灵敏。一般C值的倒数称为灵敏度。为了提高热流测头的灵敏度,需要加大测头的输出热电势信号,因此就需要将众多的热电偶串联起来形成热电堆,这样两边的温度梯度信号就是串连的所有热电偶信号的逐个叠加,信号可以反映多个信号的平均特性。因此,热电堆具有热电势大,测量精度比单支热电偶高,能够感受较小的信号。作者根据热电偶测温原理,采用铜-康铜作为热电极材料,环氧树脂板作为热流计的基板,把n个同物理性能的热电偶正向串联并绕在基板两侧(图1)。热电堆输出热电势是单个热电偶的n倍。即在相同的检测条件下,热电堆所测量的最小温差就是热电偶的1/n。2.2热流计c测量,c作者利用电镀和焊接两种方法制作了9个不同规格热电堆型测头。采用单试样热流计式导热仪和电位差计联合对其进行标定,导热仪测量输入热流密度,电位差计测量输出热电势。利用公式(3)计算出C。这里列出用于测试的热流计的C1=74.55W/(m2·mv);C4=110.48W/(m2·mv);C5=130.02W/(m2·mv);C6=132.37W/(m2·mv);C7=125.20W/(m2·mv)。3被测建筑围护结构的热流计法热流计检测法是目前国内外现场检测围护结构传热系数的权威方法。国际标准ISO9869《建筑构件热阻和传热系数的现场测量》、美国标准ASTMC1046《建筑围护结构构件热流和温度的现场测量》和ASTMC1155《由现场数据确定建筑围护结构构件热阻》,都对热流计法做了详细规定,我国的现行检测标准中也规定热流计法为检测围护结构传热系数的首选方法。检测基本原理为(图2):在被测部位布置热流计,在热流计周围的内外表面布置热电偶,通过导线把所测试的各部分连接起来,将测试信号直接输入微机,通过计算机数据处理,可打印出热流值及温度读数。当传热过程稳定后,开始计量。为使测试结果准确,测试时应在连续采暖(室内外温差不小于15℃)稳定至少7d的房间中进行。作者采用自制的热电堆型热流计及温度传感器测量通过建筑围护结构的热流值和表面温度,通过计算得出其热阻和传热系数,验证热电堆制作的可行性。首先,利用IR525型红外热像仪对围护结构进行全面扫描,以利于在现场测试中布置测点时避开有热桥、空鼓等温度场不均的区域,然后在温度场比较均匀的区域选取代表性测点粘结多个热流计测头和多组热电偶,进行现场测试。4温度测量和温度传感器(1)热流计:自制热电堆型热流计,使用温度≤200℃。(2)IMP(IsolatedMeasurementPods)数据采集系统为智能型检测仪器,可以测量多路温度值和热电势值,实现巡回或定点显示、存储、打印等功能,并且可以将存储数据上传给计算机进行实时处理。(3)温度传感器:采用铜-康铜热电偶,测量温度范围为-50℃～100℃,分辨率为0.1℃,不确定度≤±0.5℃。(4)红外热像仪IRSnapShot525,TSI风速仪。5检测建筑物屋顶的传热系数5.1墙体传热系数计算本次检测的对象是某学院办公教学楼308房间北外墙。外墙为贴瓷砖墙面,采用240mm厚非承重空心砖,墙内侧刷乳胶漆。根据设计方案,计算其传热系数为1.493W/(m2·K)。热流计测头粘结在墙体内表面。5.2试验的主要内容和目检测主要内容为室内外环境温度、墙体内外表面温度、墙体热流密度,计算出墙体传热系数和验证热流计测头。5.3同一区域多个热流测头同时进行检测热流计测头安装采用表面贴附式,将热流计直接安装在建筑围护结构的内表面上,为了保证热流测头与围护结构表面完全接触,用黄油粘结并用双面胶带固定。为了保证检测的准确性,采用同一区域多个热流测头同时进行检测,然后求加权平均值。在统一区域取3～4个代表性的检测点布置热流计测头,与IMP数据采集系统连接。热流测头表面与热流方向垂直,保证测头表面是等温面,温度传感器用双面胶带“井”型固定。6测试相对误差公式墙体热阻由测量所得,采用算术平均法进行热阻计算,其计算公式为:式中:R—围护结构热阻(m2·K/W);围护结构传热系数计算公式为:式中:K—围护结构的传热系数[W/(m2·K)];Re—围护结构内表面对流换热热阻(m2·K/W)。按照GB50196-93《民用建筑热工设计规范》的规定,取值为Ri=0.1149m2·K/W,Re=0.0429m2·K/W。试验相对误差按下式计算:式中:η—传热系数测试相对误差(%);式中:δ—传热系数测试标准误差;Ki—传热系数第i次计算值[W/(m2·K)]。7辅助热源测试本次检测从2月15日～20日,为了使室内外空气温差达到建筑节能检测的要求,于2月16日06:00在室内增加辅助热源(电暖气加热)。检测期间,室内空气温度尽量保持稳定,热流和温度均接到IMP数据采集系统,分别输出电压和温度,每10min记录一次热流密度、墙体内外表面温度和室内外空气温度。待检测完,利用软件origin7.5处理数据。7.1室外空气温度分布选取2月16日20时～2月19日20时的数据见图3。从图3可以看出,室内空气温度曲线比较平缓,室外空气温度变化跟天气环境有关。白天,受太阳辐射影响较大,室外空气温度波动大;晚上,室外空气温度变化比较缓慢。7.2墙体温度分布选择检测第三天的数据进行试验对比见图4。4、5、7号热流计测头的热阻分别为R4=0.0205m2·K/W、R5=0.0228m2·K/W、R7=0.0222m2·K/W,R4/R5=0.8997。由图4可以看出,墙体内表面温度保持比较均匀,墙体外表面温度在13:00达到最大。4、5、7号测头测量的热流密度均能与按一维导热计算出的热流密度趋势一致。但测得热流计密度均小于理论计算值,这是由于采用辅壁式热流测法,热流计改变了原有墙体的温度场,造成热流畸变。4号测得热流密度总是大于5、7号,可知4号测头对墙体热流场影响较小,测量误差较小。因此,在用于建筑节能应用中的热流计制作过程中,为了提高测量精度,选择热阻较小基板是一种方法。7.3号热流计测头测量的误差建筑围护结构传热系数测试计算值与理论值的比较见表1。由表1可知,在制作的测头中,4号热流计测头测量结果离理论计算最接近,误差为16.18%。5、7号测头误差均在30%左右。与文献误差为24.4%、文献误差为25.4%,因此制作的热流测头还有待进一步研究和提高。8测头误差的影响热流计现场测量围护结构的传热系数,一般情况下结果和理论计算的结果相差10%左右,本次测试中测量误差为16.1%～33.3%。原因分析如下:(1)制作的测头精度低。热电偶及热电堆选材和工艺不好,制作不规范和使用不当等,都会引起附加电势,增加测量误差。(2)由于热电偶串联制成的热电堆冷、热感应点并不是两侧一一对应,所测的热电势(即温差)存在非一维的误差。串联热电偶的对数太少,影响热流计的测头系数。(3)单试样式热流计型导热仪带来的标定误差,该仪器系统误差小于5%。(4)热流计的安装改变围护结构原有的温度场,必然引起围护结构内部和热流计周边的温度场畸变误差。(5)热流计的热阻对热流测量有非常大的影响。一般认为热阻越大,对测结果误差越大。目前,以酚醛树脂板热流计测头测量,由其热阻变化而引起的测量相对误差约为2.16%。(6)采用理论计算值代替实际传热系数值,也存在误差。(7)由于检测建筑围护结构采用多孔砖,多孔砖内绝热空气有一定影响。(8)数据采集系统本身存在着误差。(9)墙体的传热过程是一个非稳态过程,其内部存在着蓄热和放热。(10)测量过程中,室外温度变化和太阳辐射使得原有的“一维传热假设”难以实现。需要加大室内温度,以抵消室外温度波动。为减小太阳辐射影响,现场检测时宜选择背阳的墙体,建议选择子夜时分至日出前的数据,有利于提高测试精度。此外,除上面误差外,门的开启次数、室内灯光、墙体与传感器的反射率不同等因素也会对测量产生一定影响。改进措施:就热流计而言,可采取适当减少热流计本身热阻,选用较薄、导热系数较大的材料作为基板,可有效减少测量误差;同时增加串联热电偶的个数,增加温度感应点,在同样的条件下输出更大的热电势,提高测量精度。9测量方法的选取通过采用自制热流计对建筑围护结构传热系数现场测试数据进行研究与分析。自制的热电型热流计的测量误差还较大。通过增加热电偶的对数,减小基板热