基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化研究

姜永福

(江西省煤田地質(zhì)局一九五地質(zhì)隊(duì)，江西 南昌 330000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑工業(yè)得以快速推進(jìn)。建筑行業(yè)的施工模式與建筑材料種類也隨之發(fā)生變化。目前在建筑施工過程中，建筑外墻的保溫性能一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。建筑外墻整體熱量四散造成熱量損失，使傳統(tǒng)的墻體失去保溫性能，造成建筑物內(nèi)溫度跨度過大，影響整體使用感。根據(jù)現(xiàn)在建筑外墻的結(jié)構(gòu)性能，研發(fā)新的外墻保溫建筑材料，是改善當(dāng)前建筑保溫效果的有效辦法。利用康普頓背散射檢測技術(shù)對(duì)建筑外墻進(jìn)行康普頓散射線掃描，完成缺陷成像，再根據(jù)成像確定缺陷的位置與尺寸，是目前建筑外墻保溫性能優(yōu)化的一種常用辦法[2]。建筑外墻掛板是現(xiàn)代應(yīng)用于外墻保溫的一種常用方法，其主要原理是，將保溫材料懸掛在墻體外面對(duì)墻體起保護(hù)作用，減少建筑外墻的熱損失，達(dá)到傳熱保溫功能。本文以建筑材料為研究對(duì)象，采用康普頓背散射檢測技術(shù)對(duì)建筑外墻保溫材料進(jìn)行檢測，以達(dá)到建筑外墻保溫性能的優(yōu)化[3]。

針對(duì)現(xiàn)有建筑外墻保溫材料隔熱能力一般等問題，尚文勇等人[4]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳學(xué)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法，首先利用現(xiàn)有科技手段對(duì)建筑外墻進(jìn)行熱量點(diǎn)采集，分析太陽直射強(qiáng)度以及時(shí)間變化對(duì)建筑外墻的熱量影響，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得到非平衡保溫性能傳熱導(dǎo)數(shù)，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳學(xué)優(yōu)化了保溫性能，結(jié)果表明，利用此方法能有效的對(duì)建筑外墻保溫性能優(yōu)化；程婧媛等人[5]提出基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法，首先利用康普頓背散射檢測技術(shù)對(duì)居民建筑外墻進(jìn)行熱量值采集，建立居民建筑外墻的保溫性能優(yōu)化指標(biāo)體系，根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)構(gòu)建建筑外墻保溫性能優(yōu)化模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定影響建筑外墻保溫性能的評(píng)價(jià)因素，針對(duì)具體影響因素進(jìn)行改進(jìn)，保溫性能明顯增強(qiáng)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，基于康普頓背散射檢測技術(shù)，可以完成對(duì)建筑外墻保溫性能優(yōu)化。但是，以上兩種傳統(tǒng)方法忽略了建筑外墻采暖負(fù)荷的計(jì)算，導(dǎo)致出現(xiàn)保溫性能不理想、能量消耗高的問題。

為此，研究新的基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法。

1 建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1 建立建筑外墻保溫性能優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)

在建筑外墻保溫性能優(yōu)化過程中，引入反應(yīng)系數(shù)的方式[6]，假設(shè)每55 min進(jìn)行一次擾動(dòng)量離散處理，那么熱量通過建筑外墻傳遞到室內(nèi)的過程表示為

(1)

式中：Yκ為傳熱系數(shù)；tz為一切外界因素對(duì)建筑外墻的熱作用；tr為室內(nèi)溫度，℃；t為離散處理時(shí)間，ms。

根據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果，搭建了HG(n)與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，即

(2)

式中：z為換熱系數(shù)；ε為建筑外墻表面溫度，℃。

基于式(2)，分析康普頓背散射強(qiáng)度和窗寬比對(duì)建筑外墻傳熱系數(shù)的影響情況，即

(3)

式中：IDN為康普頓背散射強(qiáng)度，J；Aw為建筑的窗寬比；ρd為窗墻比；mc為熱橋面積，m2；Uν為開間寬度,m；Kw為傳熱系數(shù)限值；Kw(1-ε)為多維傳熱函數(shù)。

在康普頓背散射檢測技術(shù)的支撐下[7]，計(jì)算建筑外墻傳熱系數(shù)的保溫性能限值，即

(4)

式中：K′為建筑外墻傳熱系數(shù)的保溫性能限值；Q為建筑外墻表面熱量的傳遞量,J；A為外部環(huán)境熱量通過建筑外墻的面積,m2；ti為建筑室內(nèi)溫度,℃；te為建筑室外溫度,℃；q為與Q對(duì)應(yīng)的熱流密度,J/(m2·ms)。

根據(jù)式(4)的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)建筑外墻保溫傳熱系數(shù)限值處于最大時(shí)，建立了建筑外墻保溫性能優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)，表示為

(5)

根據(jù)室外熱量通過建筑外墻傳遞到室內(nèi)的熱量，分析了康普頓背散射強(qiáng)度和窗寬比對(duì)建筑外墻傳熱系數(shù)的影響情況，通過計(jì)算建筑外墻傳熱系數(shù)的保溫性能限值，建立了建筑外墻保溫性能優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)。

1.2 優(yōu)化建筑外墻溫度控制參數(shù)

在對(duì)建筑外墻溫度控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化過程中，需要先分析建筑外墻保溫點(diǎn)的能耗[8]，假設(shè)建筑外墻保溫點(diǎn)與相鄰保溫點(diǎn)之間存在熱能的對(duì)接時(shí)，就會(huì)在后續(xù)T時(shí)間內(nèi)發(fā)生熱能的共享現(xiàn)象，因此令建筑外墻保溫點(diǎn)的取值范圍在[0,T]區(qū)間，從而得到建筑外墻保溫點(diǎn)的概率分布函數(shù)，即

(6)

式中：a為建筑外墻保溫點(diǎn)分布概率的閾值，當(dāng)a<0時(shí)，說明保溫點(diǎn)分布情況處于正常狀態(tài)[9]，此時(shí)相鄰兩個(gè)保溫點(diǎn)之間的熱量共享概率為1-p，那么建筑外墻出現(xiàn)保溫點(diǎn)熱能消耗的關(guān)系式為

(7)

式中：Tx為建筑外墻保溫點(diǎn)出現(xiàn)熱量消耗的時(shí)間間隔周期，ms；t為熱量消耗時(shí)間間隔內(nèi)的閾值。

建筑外墻溫度控制參數(shù)的優(yōu)化是基于建筑外墻保溫性能數(shù)據(jù)，通過康普頓背散射檢測技術(shù)獲取建筑外墻保溫材料能耗決策變量取值的過程[10]。為了確定取值的最佳區(qū)域，需要建立一個(gè)建筑外墻保溫性能極限值的約束條件，即

|Td>Tv;Tc

(8)

式中：Td為建筑外墻通過保溫材料的熱能,J；Tv為建筑內(nèi)墻的熱能，J；Tc為建筑內(nèi)墻熱能的降低值，J；Tφ為建筑外墻表面熱量的降低值，J。

基于式(8)，建立了建筑外墻熱傳導(dǎo)系數(shù)與平均約束之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系式，即

(9)

式中：IQ為建筑外墻保溫性能模型中第i項(xiàng)數(shù)值的條件約束。當(dāng)建筑外墻轉(zhuǎn)換傳熱溫度的限值時(shí)，可以將限值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù)的形式[11]，從而建立建筑外墻溫度控制參數(shù)的優(yōu)化函數(shù)，表示為

(10)

式中：αi為建筑外墻與保溫材料之間的換熱系數(shù)；C為建筑外墻溫度控制參數(shù)優(yōu)化過程中的懲罰系數(shù)；lcr為建筑外墻表面熱負(fù)荷的實(shí)際比值。

利用建筑外墻保溫點(diǎn)的概率分布函數(shù)，得到建筑外墻出現(xiàn)保溫點(diǎn)熱能消耗的關(guān)系式，基于建筑外墻保溫性能極限值的約束條件，建立建筑外墻保溫性能極限值的約束條件，結(jié)合建筑外墻溫度控制參數(shù)的優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化了建筑外墻溫度控制參數(shù)。

1.3 優(yōu)化建筑外墻保溫性能

在進(jìn)行建筑外墻保溫性能優(yōu)化中，根據(jù)實(shí)地調(diào)研的結(jié)果，得到建筑外墻的特征，采用康普頓背散射檢測技術(shù)優(yōu)化分析建筑外墻的傳熱系數(shù)[12]，建立建筑外墻熱阻變化與建筑外墻單位面積溫度變化量之間的關(guān)系，給出建筑外墻保溫系數(shù)的優(yōu)化推薦值，通過調(diào)整優(yōu)化推薦值，對(duì)建筑外墻保溫性能進(jìn)行優(yōu)化，具體過程如下：

將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)引入到建筑外墻保溫性能的優(yōu)化中，分析建筑外墻表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與能量消耗之間的關(guān)系，選取建筑外墻表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的最優(yōu)參數(shù)[13]，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，得到了建筑外墻特征cp(x)，通過計(jì)算建筑外墻的采暖負(fù)荷，構(gòu)建了建筑外墻散熱模型，即

(11)

式中：αx為建筑外墻表面的熱量損失，J；λ(x)為建筑外墻結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，兩者之間屬于正比關(guān)系；?(x)為熱阻系數(shù)；?為建筑外墻表面保溫層的厚度，m。

采用康普頓背散射檢測技術(shù)優(yōu)化分析建筑外墻的傳熱系數(shù)[14]，對(duì)建筑外墻表面熱量傳遞與熱量散失造成影響的因素是建筑室內(nèi)與室外的溫度差(qk-qs)和保溫材料吸收輻射的效率hk，通過計(jì)算太陽光到建筑外墻保溫材料的輻射量，得到太陽光輻射對(duì)建筑外墻內(nèi)部環(huán)境的影響關(guān)系，表示為

hk(qk-qs)+∑λ(x)=QRσψB

(12)

式中：QR為建筑外墻保溫材料在單位面積內(nèi)的能量消耗變化值，J/m2；σ為太陽光到建筑外墻保溫材料的輻射量,J；ψB為熱阻值,℃/W。

由于熱阻值ψB的變化會(huì)受到傳熱系數(shù)λ(x)與保溫材料面積S的影響，因此建立了能量消耗變化值QR與熱阻值ψB之間的關(guān)系，即

(13)

根據(jù)式(3)的關(guān)系可知，建筑外墻保溫材料在單位面積內(nèi)的節(jié)能量δ與外墻傳熱系數(shù)λ(x)和采光傾斜角度ωu是沒有任何關(guān)系的，只有熱阻值會(huì)影響δ的值。

為分析建筑外墻保溫材料的熱阻值變化ΔψB對(duì)能耗節(jié)約量Δδ的影響，需要計(jì)算兩者之間的比值[15]，用于描述建筑外墻保溫材料熱阻值變化導(dǎo)致的能耗節(jié)約量關(guān)系，即

(14)

式中：V為建筑外墻內(nèi)部的面積,m2；Fj為建筑外墻保溫材料由于熱阻值變化引起的能量消耗,J。通過以上分析，可以確定建筑外墻保溫材料的最佳傳熱規(guī)則，計(jì)算出建筑外墻最佳傳熱系數(shù)的優(yōu)化推薦值，計(jì)算公式為

(15)

式中：Ci為環(huán)境因素散發(fā)的最大熱量，J。通過調(diào)整λ(x)，優(yōu)化了建筑外墻保溫性能。

綜上所述，通過計(jì)算建筑外墻的采暖負(fù)荷，構(gòu)建了建筑外墻散熱模型，基于太陽光輻射對(duì)建筑外墻內(nèi)部環(huán)境的影響關(guān)系，建立了能量消耗變化值與熱阻值之間的關(guān)系，通過計(jì)算建筑外墻最佳傳熱系數(shù)的優(yōu)化推薦值，實(shí)現(xiàn)了建筑外墻保溫性能的優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為驗(yàn)證基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法在保溫性能和能量消耗方面的性能，構(gòu)建了如圖1所示的仿真環(huán)境。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在圖1的仿真環(huán)境中，將文獻(xiàn)[4]的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法、文獻(xiàn)[5]的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法以及基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法分別進(jìn)行30次仿真操作，測試了三種方法的保溫率和能量消耗情況，測試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 建筑外墻保溫率對(duì)比

圖3 能量消耗測試結(jié)果

從圖2的結(jié)果可以看出，采用文獻(xiàn)[5]的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法來優(yōu)化建筑外墻保溫性能時(shí)，建筑外墻的保溫效果達(dá)到了84.5%，并且在第10次實(shí)驗(yàn)到第20次實(shí)驗(yàn)過程中，建筑外墻的保溫效果出現(xiàn)了很明顯的下降，第20次試驗(yàn)之后雖然有上升的趨勢，但是幅度很??；采用文獻(xiàn)[4]的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法來優(yōu)化建筑外墻保溫性能時(shí)，建筑外墻的保溫效果只有76.8%，隨著實(shí)驗(yàn)測試次數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了很大幅度的波動(dòng)；然而采用基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法來優(yōu)化建筑外墻保溫性能時(shí)，建筑外墻的保溫效果高達(dá)93.4%，與其他兩種建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法相比，建筑外墻的保溫效果分別提高了8.9%和16.6%，具有一定的優(yōu)勢。

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用文獻(xiàn)[5]的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法來優(yōu)化建筑外墻保溫性能時(shí)，需要消耗的能量為51.2 kJ，并且第10次實(shí)驗(yàn)到第20次實(shí)驗(yàn)之間，能量消耗出現(xiàn)了突增的現(xiàn)象；采用文獻(xiàn)[4]的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法來優(yōu)化建筑外墻保溫性能時(shí)，能量消耗為58.9 kJ，隨著實(shí)驗(yàn)測試次數(shù)的增加，能量消耗也隨著增加；然而采用基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化方法來優(yōu)化建筑外墻保溫性能時(shí)，能量消耗僅有35.9kJ，且隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，能量消耗沒有太大變化。總體上看，所提方法具有更好的性能。

3 結(jié) 語

本文提出了基于康普頓背散射檢測技術(shù)的建筑外墻保溫性能優(yōu)化研究，通過建立建筑外墻保溫性能優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了建筑外墻溫度控制參數(shù)，利用建筑外墻最佳傳熱系數(shù)的優(yōu)化推薦值，實(shí)現(xiàn)了建筑外墻保溫性能的優(yōu)化。結(jié)果顯示，該優(yōu)化方法在保溫性能和能量消耗方面具有很大優(yōu)勢。