1、建筑节能检测方法第8章建筑能耗基本参数的测定方法第一节测定建筑物耗热量指标的基本原理第二节温度检测及仪表第三节热流检测及仪表第四节目录Contents流量检测及仪表第五节热量检测及仪表第六节供暖空调系统能效检测技术及应用第七节节能检测是政府推动能源合理利用的一项重要手段。节能检测通过设备测试、能耗检验等技术手段,能够对用能单位的能源利用状况进行定量分析,依据国家有关能源法规和技术标准对用能单位的能源利用状况做出评价。对浪费能源的行为提出处理意见,加强了政府对用能单位合理利用能源的监督。节能检测是一种技术监督手段,节能检测的目的是为了通过实测来评价建筑物的节能效果。大量的节能检测数据更科学地反映
2、主要用能设备的装备水平和用能水平,使节能主管部门更深层次地部署、协调、服务、监督节能工作,以达到逐步缩小我国能源利用率与国际先进水平的差距,降低能耗,保护环境,保证我国经济的可持续发展。1建筑能耗基本参数的测定方法建筑能耗基本参数的测定方法建筑节能是建筑工程的一个分部工程,建筑节能检测也是竣工验收的重要内容,其目的是为了通过实际检测来评价建筑物的节能效果,是否达到国家现行标准和设计要求。由于建筑节能的最终效果是节约建筑物使用过程中消耗的能量,因而评价建筑节能是否达到国家标准的要求,首先要得到建筑物的实际耗能指标。目前,得到建筑物耗能量指标的方法,一般有直接法和间接法两种。建筑能耗基本参数的测定
3、方法8.1.1直接法获得建筑物耗能量指标建筑物耗能量指标是指在供暖期间平均温度条件下,为保持室内计算温度,单位建筑面积在单位时间内消耗的、需由室内供暖供给的热量。如果在热源(冷源)处直接测取供暖耗煤量指标(耗电量指标),然后求出建筑物的耗热量(耗冷量)指标的方法称为热(冷)源法,也称为直接法。直接法主要是用于测定试点建筑和示范小区,评价对象是试点建筑和示范小区。根据检测对象的使用状态,分析评定试点建筑和示范小区的建筑所采用的设计标准,所使用的建筑材料、结构体系、建筑形式等因素对能耗的影响,进而分析建筑物、室外管网、锅炉等耗能目标物的耗能率、能量输送系统的效率、能量转换设备的效率,计算能量转换、
4、能量输送、耗能目标物占供暖(制冷)过程总能耗的比例,分析各个环节的运行效率和节能的潜力。建筑能耗基本参数的测定方法直接法检测的内容比较多,不仅要检测建筑物、能量转换、输送系统的技术参数,还要检测记录当地气候数据,内容繁多复杂,耗费时间较长,一般要贯穿整个供暖季或空调季。由于试点建筑和示范小区带有一种试验性质,它是某种材料或某种结构体系或设计标准等某种特定目的试验的工程项目,担负着推广普及前的一系列试验工作,并根据这些试验工程的测试结果来验证试验目的是否达到,为下一步能否推广普及提出结论性意见及应该采取的修订措施。由此可见,对于试点建筑和示范小区的检测,应以直接法为主进行全面检测,目的是获得一个
5、正确、全面、系统的试验结果,这个试验结果是试验工程项目投资的目的,也是推广普及的依据。建筑能耗基本参数的测定方法8.1.2间接法获得建筑物耗能量指标通过检测建筑物的热工指标和计算获得建筑物的耗热量(耗冷量)指标,然后参阅当地气象资料、锅炉和管道的热效率,计算出所测建筑物的供暖耗煤量(耗电量)指标的方法称为建筑热工法,也称为间接法。间接法获得建筑物耗热量指标,主要包括进行实际测量和根据热工规范要求计算两部分内容;包括以下3个步骤:实测建筑物围护结构传热系数,主要是墙体、屋顶、地下室、顶板;实测建筑物的气密性;根据现行标准规范给出的建筑物耗热量计算公式算出所测建筑物的耗热量指标和耗煤量指标。建筑能
6、耗基本参数的测定方法间接法主要用于测定一般建筑工程,按现行的建筑设计标准和规范进行取值设计,建筑节能现场检测的目的就是为了证实施工过程是否严格按施工图设计方案进行,采用的墙体材 料和保温材料的有关参数是否符合设计取值,施工质量是否符合建筑节能工程施工质量验 收规范(GB 504112007)中的规定。这种检测实际上是工程验收的一部分,所检测对象的结果具有明显的单件性,只是对所测对象有效,不会对其他工程有影响。所以,对这类工程项目的检测方法,要求简捷实用、耗时较短,检测的内容以关键部位为主。目前,在实际工程中多数采用间接法。建筑能耗基本参数的测定方法8.1.3热工性能现场检测方法按照我国现行的建
7、筑节能现场检测标准居住建筑节能检测标准(JGJ/T 1322009)中的规定,现场检测的项目主要包括以下内容:年供暖耗热量以及建筑物单位面积供暖耗热量;小区单位面积供暖耗煤量;建筑物室内平均温度;建筑物围护结构的传热系数;建筑物围护结构热桥部位内表面温度;建筑物围护结构热工缺陷;窗口整体气密性能;外围护结构隔热性能;建筑物外窗遮阳设施等。建筑能耗基本参数的测定方法1 建筑物室内外温度检测方法(1)室内平均温度检测方法室内温度是衡量建筑物热舒适度和节能效果的重要指标,是判定建筑物系统供暖(或供冷)质量的决定性指标,也是供暖(或供冷)计量收费的基础性指标。建筑物的平均温度应以户内平均室温的检测为基
8、础,以房间室温计算出户内室温,进而再计算出建筑物的平均室温。户内平均室温的检测时段和持续时间应符合表8-1中的规定。如果该项检测是为了配合其他物理量的检测,则其检测的起止时间和要求应当符合有关规定。建筑能耗基本参数的测定方法建筑物平均室温是通过检测和计算得到的。首先对随机抽样的住户房间直接检测得到房 间的室温,然后计算出该住户的平均室温,再通过计算得到该建筑物的平均室温。表8-1户内平均室温的检测时段和持续时间建筑能耗基本参数的测定方法(2)室外平均温度检测方法室外空气温度的检测,应采用温度巡检仪,并逐时进行采集和记录。采集时间间隔宜短于传感器最小时间常数,数据记录时间间隔不应长于20min。
9、室外空气温度传感器应设置在外表面为白色的百叶箱内,百叶箱应当放置在距离建筑物510m的范围内。当无百叶箱时,室外空气温度传感器应设置防辐射罩,安装位置距外墙外表面应大于0.20m,且宜在建筑物两个不同方向同时设置测点。对于超过十层的建筑宜在屋顶加设1个或2个测点。温度传感器距地面的高度宜在1.52.0m的范围内,且应避免直接照射和室外固有冷热源的影响。在正式开始采集数据之前,温度传感器在现场应有不少于30min的环境适应时间。建筑能耗基本参数的测定方法2 围护结构传热系数检测方法围护结构传热系数是表征围护结构传热量大小的一个物理量,是围护结构保温性能的评价指标,也是隔热性能的指标之一。为改善居
10、住建筑室内热环境质量,提高人民的居住水平,提高供暖、空调能源利用效率,贯彻执行国家可持续发展战略,2001年夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 1342001)颁布实施,并于2010年进行了修订,现行标准为JGJ 1342010。该标准在提出节能50%的同时,对建筑物围护结构的热工性能也进行了相应规定。目前现场检测围护结构(主要指检测外墙、屋顶和架室地板)的传热系数检测方法主要有:热流计法、热箱法、控温箱-热流计法、非稳态法(常功率平面热源法)4种。建筑能耗基本参数的测定方法(1)热流计法热流计法用热流计作为热流(温度)传感器,通过它来测量建筑物围护结构或各种保温材料的传热量及物理性能参
11、数。采用热流计、热电偶在现场检测被测围护结构的热流量和其内、外表面温度,通过数据采集系统处理计算出该围护结构的传热系数。详细规定见建筑物围护结构传热系数及采暖供热量检测方法(GB/T 234832009)和居住建筑节能检测标准(JGJ/T 1322009)。(2)热箱法热箱法是人工制造一个一维传热环境,内侧用热箱模拟供暖建筑室内条件并使热箱内和室内空气温度保持一致,外侧为室外自然条件,维持热箱内温度高于室外温度8以上,当热箱内加热量与通过被测部位的传递热量达平衡时,通过测量热箱的加热量得到被测部位的传热量,经计算得到被测部位的传热系数。详细规定见绝热 稳态传热性质的测定标定和防护热箱法(GB/
12、T 134752008)。建筑能耗基本参数的测定方法(3)控温箱-热流计法控温箱-热流计法综合了热流计法和热箱法两者的特点。用热流计法作为基本的检测方法,同时用热箱来人工制造一个模拟供暖期的热工环境,可以在现场准确地测量建筑围护结构的传热系数,不仅重复性很好,而且检测过程不受季节的影响,是一种值得推广的围护结构传热系数的检测方法。控温箱-热流计法的检测步骤比较简单,首先要选取有代表性的墙体,按要求粘贴温度传感器和热流计,在对应面的相应位置粘贴温度传感器,然后将温度控制仪箱体紧靠在墙体被测位置,使得热流计位于温度控制仪箱体的中心部位,并布置在墙体温度高的一侧。以上工作完成后,开机开始检测,在线或
13、离线监控传热系数动态值,等达到稳定状态后,检测工作结束。建筑能耗基本参数的测定方法(4)常功率平面热源法常功率平面热源法是非稳态法中一种比较常用的方法,适用于建筑材料和其他隔热材料热物理性能的测试。常功率平面热源法现场检测的方法,是在墙体内表面人为地加上一个合适的平面恒定热源,对墙体进行一定时间的加热,通过测定墙体内外表面的温度响应,辨识出墙体的传热系数。建筑能耗基本参数的测定方法3 围护结构传热系数的现场检测围护结构传热系数的现场检测,主要包括外墙、屋顶和地板,其中外墙的检测比较复杂,屋面和地板的检测方法基本相同。(1)墙的检测方法1)察看具体的建筑物,以便选择检测的位置。首先,在选择检测房
14、间时,既要符合随机抽样检测的原则(主要包括不同朝向外墙、楼梯间等有代表性的测点),又要充分考虑室外粘贴传感器的安全性。其次,对照图样进一步确认测点的具体位置,不使其处在梁、板、柱节点、裂缝、空气渗透等位置。建筑能耗基本参数的测定方法2)粘贴传感器。用适宜的黄油将热流计平整地粘贴在墙面上,并用胶带加以固定,热流计四周用双面胶带或黄油粘贴热电偶,并在墙的对应面用同样的方法粘贴热电偶。3)将各路热流计和热电偶进行编号,并按顺序号连接到巡检仪。热电偶从第2路开始依次接入,显示温度信号,单位为;热流计从第57路开始依次接入,显示热电势阻,单位为mV。建筑能耗基本参数的测定方法4)安装温控仪。根据季节气候
15、的特点,视不同的气温确定温控仪的安装方式和运行模式。如果室外温度高于25,应将温控仪安装在热流计的相对面,并要紧靠墙面,用泡沫绝热带密封周边,将运行模式开关置于制冷档,根据具体环境设定控制温度为-10-5。如果室外温度低于25,应将温控仪安装在热流计的同侧,并将热流计罩住,将运行模式开关置于加热档,根据具体环境设定控制温度为3240。5)开机进行检测。依次开启温控仪、巡检仪,并开始记录各控制参数,巡检仪显示各路温度和热流数值,并每隔30min自动存储一次当前各路信号的参数,在线或离线跟踪监测温度和热流值的变化,达到稳定状态时停止检测。建筑能耗基本参数的测定方法(2)屋顶的检测方法屋顶传热系数的
16、检测方法与外墙的检测方法基本相同。用热流计检测屋顶传热系数时,如果受到现场条件的限制(如采用页岩颗粒防水卷材的屋顶不光滑),若不进行处理就不能精确测得外表面温度。有的用石膏、快硬水泥等材料先抹出一块光滑的表面,再粘贴温度传感器测量温度,这样不可避免地会带来附加热阻,并且由其引起的误差无法精确消除。另外,还有一种较为可行的做法是在内外表面温度不易测定时,可以利用百叶箱测得内外环境温度,以及通过热流计的热流,便可计算传热阻和传热系数。(3)地板的检测方法可以参照屋顶进行。2测定建筑物耗热量指标的基本原理测定建筑物耗热量指标的基本原理建筑物耗热量由围护结构耗热量QHT、空气渗透耗热量QINF以及建筑
17、物内部得热量QIH组成。因此,建筑物耗热量指标QH可表示为(8 1)()(82)0.278()(83)(84)npwpHTINFIHHnwHTnwINFwpwnwIHmfLttQQQQAttQkA ttQV cttQQQQ式中k围护结构传热系数W/(m2);A围护结构面积(m2);Vw渗入室内的冷空气量(m3/h);cp空气比定压热容,cp=1kJ/(kg);Qm人体散热(W);Qf炊事得热(W);QL照明和家电得热(W);其他符号意义同前。测定建筑物耗热量指标的基本原理建筑物耗煤量指标QC,可由下式确定:1224(85)HCcQ ZQq式中QH建筑物耗热量(W/m2);Z供暖期天数,北京地区
18、为126d;qc煤的热值(kJ/kg),标准煤取29.3103kJ/kg;1室外管网输送效率;2锅炉效率。当管道及锅炉房未采取节能措施时,或仅对一栋住宅进行评价时,建筑物耗煤量指标为51.34(86)HccQ ZQq3温度检测及仪表温度检测及仪表8.3.1温度参数的检测原理和方法用仪表来测量温度,是以受热程度不同的物体之间的热交换和物体的某些物理性质随着受热程度不同而变化这一性质为基础的。任意两个受热程度不同的物体相接触,必然会发生热交换现象,热量将由受热程度高的物体流向受热程度低的物体,直到两个物体的受热程度完全相同为止,即达到热平衡状态。温度检测及仪表温度检测利用感温元件特有的物理、化学和
19、生物等效应,把被测物体温度的变化转换为某一物理或化学量的变化。温度参数检测实际上是利用光学、力学、热学、电学、磁学等不同的原理,检测某一物理或化学变化的量,从而检测被测物体的温度。温度检测方法很多,根据测温原理不同主要有:应用热膨胀原理测温、应用工作物质的压力随温度变化的原理测温、应用热电效应测温、应用热电阻原理测温和应用热辐射原理测温等。根据感温元件和被测物体是否接触,可以分为接触式测温法和非接触式测温法。温度检测及仪表1 接触式测温法接触式测温法是将传感器置于与物体相同的热平衡状态中,使传感器与物体保持同一温度的测温方法。例如,利用介质受热膨胀的原理制造的水银温度计,压力式温度计和双金属温
20、度计等;利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度,如热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等;利用导体和半导体电阻值随温度变化的原理做成的热电阻温度检测仪表,如电阻温度计等。接触式测温仪表比较简单、可靠,测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换,需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。温度检测及仪表2 非接触式测温法非接触式仪表测温是通过热辐射效应与温度之间的对应关系来测量温度,这种测温法是以黑体辐射测温理论为依据的。测温元件不需要与被测物体的表面介质接触,实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关
21、系来检测温度。它有全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。非接触式仪表测温的范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度快;但受物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。随着科学技术的快速发展,物体测温方法不断更新,如超声波技术、激光技术、射流技术、微波技术等,现已广泛用于测量温度。上述的各种温度检测方法,各有特点,各有自己的检测仪器和检测范围。温度的主要检测方法和测温类别见表8-2。温度检测及仪表表8-2温度的主要检测方法和测温类别温度检测及仪表8.3.2温度测量仪表温度测量仪表主要由感温元件(一次仪表)、
22、连接导线(传输通道)和显示装置(二次仪表)组成,如图8-1所示。图8-1温度测量仪表的组成例如,在利用动圈式温度仪检测温度时,以热电偶为感温元件,以动圈式仪表为显示装置,它们通过补偿导线连接在一起,构成一套完整的温度检测仪表。又如,用电子平衡电桥检测温度时,以热电阻为感温元件,以平衡电桥为温度显示仪表,把它们用符合要求的导线连接在一起,构成一套完整的温度检测仪表。结构简单的温度检测仪表,一般是把感温元件和显示仪表装在一起,如水银温度计、双金属温度计和压力温度计,均属于这类温度检测仪表。温度检测及仪表温度检测仪表的类型很多,其分类方法也较多,主要可按接触方式、作用原理、主要功能、检测范围、测温场
23、合和显示方式不同来分类。常见的温度检测仪表如下:1 膨胀式温度计膨胀式温度计是利用物质热胀冷缩的原理制成的测量温度的一种仪表,它是利用热胀冷缩性质与温度的固有关系为基础来测量温度的,基于这种原理制成的仪表称为膨胀式温度计。根据其工作性质和选用的物质不同,可以制成液体、固体、气体三种膨胀式温度计。温度检测及仪表膨胀式温度计的温度测量范围一般为-200500。这类温度计具有结构简单、制造容易、使用方便、价格便宜、精度较高等优点,但也存在着不便于远距离测温(压力式温度计除外)、结构脆弱、易于损坏等缺点。在实际测温中,常见的膨胀式温度计主要有玻璃管液体温度计、压力式温度计、双金属温度计等。膨胀式温度计
24、属于接触式温度计,这类温度计虽然造价比较低,但大多数信号不能进行远距离传送,也不能与其他信号相连作为信息进一步处理。温度检测及仪表2 热电式温度计目前,在温度检测中常采用热电式温度计。热电式温度计又称为热电式温度传感器,这类温度计是利用当温度变化时,材料的电特性发生变化的性质来检测温度的。在实际检测中主要有热电阻温度计和热电偶温度计两大类。(1)热电阻温度计热电阻温度计的工作原理是利用电阻与温度呈一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的。当温度发生变化时,电阻也随着温度变化而变化,将变化的电阻值作为信号输入显示仪表及调节器,从而实现对被测介质温度的检测或调节。热电阻温度计具有体积较小、热惯性小
25、、结构简单、化学稳定性好、力学性能强、准确度高、使用方便等优点,它与显示仪表或调节器配合,可以实现远距离显示、记录和控制。但是,这种温度计复现性和互换性较差,非线性比较严重,检测温度范围窄,目前一般仅能达到-50300。温度检测及仪表(2)热电偶温度计两种不同成分的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶温度计就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫作工作端(也称为测量端),另一端叫作冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热
26、电势。热电偶温度计具有性能稳定、结构简单、使用方便、动态响应快、经济耐用、测温范围广、精度较高和容易维护等特点,这些优点都是膨胀式温度计所无法比拟的。一般情况下,热电偶温度计被用来测量-2001600的温度范围,某些特殊热电偶温度计可以测量高达2800的高温或低至4K的低温。在建筑节能温度检测中,热电偶是用得最多的感温元件。温度检测及仪表3 辐射式温度计辐射式温度计是利用物体的辐射能随其温度的变化而变化的原理制成的一类测温仪表,这类辐射式测温仪表在测量物体温度时有3个突出特点:它只需把温度计对准被测物体,而不必与被测物体相接触;可以测量运动物体的温度,并且不破坏被测对象的温度场;由于感温元件所
27、接收的是辐射能,感温元件的温度就不必达到被测温度。所以从理论上讲,热辐射实际就是一种电磁波,实际上是依据物体辐射的能量来检测温度的,辐射式温度计的测温范围一般为4003200。以黑体辐射测温理论为依据的辐射式测温仪表的种类很多,依据其测温方法不同,可分为亮温法、色温法和全辐射温度法。以亮温法测温的有光学高温计、光电温度计和红外温度计;以色温法测温的有比色高温计;以全辐射测温的主要有全辐射温度计(如WFT-202型辐射感温器)。温度检测及仪表(1)光学高温计光学高温计是依据亮温法进行测温的一种非接触式测温仪表,是目前高温检测中应用较广的一种测温仪表,主要用于金属的冶炼、铸造、锻造、轧钢、热处理以
28、及玻璃、陶瓷耐火材料等工业生产过程的高温检测。由于用光学高温计可以不与被测物体接触,而是通过被检测物体与温度有关的物理参数来求得被测温度的,所以这种测温方法被称为非接触测温法。光学高温计在建筑节能检测中应用很少。温度检测及仪表(2)光电温度计光电温度计是为解决亮度自动平衡、快速测温、消除视差等而研制的一种辐射式测温仪表,它是随着科学技术的不断进步,光电元件的出现,在光学高温计的理论基础上发展起来的一种新型辐射式测温仪表。光电温度计采用光电器件代替人的肉眼,进行亮度平衡,感受辐射源的亮度和温度的变化,从而达到自动平衡、连续检测的目的。温度检测及仪表目前应用的光电器件有光敏电阻和光电池两种。光敏电
29、阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大,一般用于光的测量、光的控制和光电转换,主要用于100700以上的高温检测。光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件,光电池的种类很多,常用有硒光电池、硅光电池和硫化银光电池等。光电池主要用于仪表、自动化遥测和遥控方面。光电温度计也是一种亮度法测温仪表。由于它用光电元件代替人的肉眼作为敏感元件,从而避免了人眼判断的主观误差,不仅可以实现自动检测,而且不受人眼光谱敏感范围的限制,可以扩展测温的范围,如果与滤光片配合,可以优选测温波段。温度检测及仪表(3)红外测温仪红外测温仪的测温原
30、理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号,红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应,根据转变成电信号的大小,可以确定物体的温度。常用的红外测温仪是一种非接触式的测温仪表,采用平衡比较法测量物体辐射能量以确定温度值,主要适用于工业生产流程中快速测量静止或运动中的物体表面温度。红外测温仪作为辐射式测温的一个组成部分,其特点是所用的敏感元件是红外元件,或者是对可见光都敏感的元件。这样,红外测温仪就可以将测温下限延伸到-50以下的低温,同时还可以避免气体介质的吸收对检测准确度的影响。此外,运用红外技术的热像仪,可以探测整个温度场的温度分布情况,是目前建筑节能工程检测中热工缺陷检测的重要手段。温度
31、检测及仪表(4)比色温度计比色温度计也称为双色温度计,这种温度计是通过测量两个波长的单色辐射亮度之比值来确定物体温度的仪表,属于非接触式温度传感器。根据黑体辐射基本定律的维恩公式,温度为T的黑体,当黑体的两个波长1和2的辐射亮度之比等于实际物体的相应亮度比时,黑体的温度就称为实际物体的比色温度。对于绝对黑体和灰体,比色温度即为真实温度。对于不满足绝对黑体和灰体辐射条件的实际物体还应采用修正方法来求出真实温度。比色温度计可分为单通道式比色温度计和双通道式比色温度计两种。由于比色温度计能避开选择性吸收的影响,可用于连续自动检测钢液、铁液、炉渣和表面没有覆盖物的高温物体的温度。温度检测及仪表(5)辐
32、射式高温计辐射式高温计是一种非接触式简易辐射测温仪表,它根据物体的热辐射效应原理来测量物体表面温度,因此凡是按照物体全辐射的热作用来检测其温度的仪器都称之为辐射式高温计。辐射式高温计由辐射感温器和显示仪表组成。热辐射温度是以物体的辐射强度与温度形成一定的函数关系为基础的,辐射式高温计就是依据物体发射出的全辐射能来检测温度的仪表。由于这种测温计仅接受到能透过中间介质和透镜的某些波段,实际上这种辐射式高温计检测的并不是发热体所有波长的能量,因而辐射式高温计是一种“部分”辐射式高温计,习惯上称为辐射温度计。辐射式高温计适合于冶金、机械、石油、化工等部门,用来检测各种熔炉、高温窑、盐浴炉、油炉和煤气炉
33、的温度,也可用于其他不适宜装置热电偶但符合辐射温度计使用条件的地方。温度检测及仪表4 超声波测温仪表科学研究和测温实践表明,用超声波测温是一种利用非接触式测温方法进行检测的新技术。超声波测温与传统的测温方法相比,可以达到更快速、更精确、测温范围更宽的要求,以满足工业生产、科学研究中温度精确测量和在线控制的需要,特别是在高温和恶劣的测温环境中更能显示出它的优越性。温度检测及仪表超声波测温计的测温原理是通过直接测量声波在气体介质中的声速来检测温度的。只要检测出声速,就可以算出被测气体的温度。检测声速的方法很多,有脉冲时间传播法、回鸣法、相位比较法、共振法等。超声波气体温度计采用共振法,它通过检测相
34、对设置的两块板之间的空气柱的共振频率来求出声速,从而计算出温度。共振跟踪式超声波气温计能自动跟踪共振频率,从而克服了因温度变化引起声速变化而产生的检测误差,因此这种气温计特别适用于遥测和遥控。超声波按其测温方法不同可分为两大类:一类是声波直接通过被测介质,即以介质本身作为敏感元件(如超声气温计等),这类超声波测温仪表具有响应快、不干扰温度场的特点;另一类是使声波通过与介质呈热平衡状态的敏感元件(如石英温度计、细线温度计等)。温度检测及仪表5 光导纤维测温仪表近年来,传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员备受青睐。光纤具有以下优异性
35、能:抗电磁干扰和原子辐射的性能,径细、质软、质量小的力学性能;绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等;它能够在人达不到的地方(如高温区、对人有害的地区、核辐射区),起到人的耳目作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制器的光相互作用后,导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。温度检测及仪表光纤传感器可以应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等
36、物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活,尤其是可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。光纤传感技术在温度检测中的应用也取得了很大成果,利用不同原理研制成功的光纤传感器的种类很多,如晶体光纤温度传感器、半导体吸收光纤温度传感器、双折射光纤温度传感器、光路遮断式光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、辐射式光纤温度传感器等。温度检测及仪表由辐射式光纤温度传感器构成的辐射式光纤温度计,是属于一种非接触式光纤温度计,它依据光纤接收被测物体辐射能来确定被测物体的温度,是基于全辐射体的原理来工作的。20世
37、纪70年代,美国Vanzette公司首先生产了带光导纤维探头的辐射温度计,即在检测头前面加装了一段光导纤维,并在其前端装一小视角透镜。这样,被测物体的辐射能经透镜到光导纤维内,在光导纤维里面经过多次反射传至检测器。温度检测及仪表20世纪80年代,清华大学、浙江大学及西安电子科技大学等高校也开展了光纤高温传感器方面的研究。清华大学周炳琨等于1989年1月申请了光纤黑体腔温度传感器专利。863计划项目之一,浙江大学物理系沈永行等所研制的蓝宝石黑体腔光纤传感器,采用高发射率的陶瓷高温烧结制成的微型光纤感温腔,具有良好的长期稳定性和较高的测试精度;其静态测温范围为5001800,测温精度优于0.2%,
38、已开始少量应用,并正在进一步推广之中。但总的来说,国内的工作多集中在静态高温测试中,动态测试研究较少。经过测温实践证明,光导纤维测温仪表是一种具有广阔发展前景的测温工具,不仅不受电磁的干扰,电气绝缘性良好,而且对被测物体不产生影响,有利于提高测量的精度,易于实现远距离测控。温度检测及仪表6 激光载波测温仪表激光是指由受激发射的光放大产生的辐射,激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。激光载波测温是利用激光作为载波,用温度信息调制激光,然后把含有温度信息的激光通过空间传播到接收部分,经信号处理达到检测温度的目的。激光载波测温系统由发射装置和接收装置两部分组成,如图8
39、-2所示。图8-2激光载波测温系统的组成温度检测及仪表图8-2的左边为发射装置,它由感温元件、频率调制、强脉冲发生器和激光器4个单元组成,它的主要作用是用温度信号调制激光,使激光器的输出频率与温度相对应。感温元件为具有负电阻温度系统的热敏电阻,其电阻值随着温度的升高而减小。热敏电阻与频率调制单元共同组成温控变频振荡器,其输出频率随着温度的变化而变化。此频率信号送入强脉冲发生器,控制半导体激光器发出激光脉冲。该激光脉冲通过发射透镜发射给接收部分。温度检测及仪表图8-2的右边为接收装置,它由光电变换、放大整形、解调器和显示装置等部分组成,主要实现信号的光电转换、解调和显示。激光脉冲由发射透镜经过空
40、间发射给接收透镜,一般最大发射距离可达到100m。由接收透镜把含有被测温度信息的激光脉冲聚焦后传送给光电元件,由光电元件把光脉冲信号转换成电脉冲信号,此信号经过脉冲放大器放大、整形器整形后到解调器解调。解调过程实际上就是把温度信息从调制波中取出来,再经过放大后送给显示单元显示出被测温度值。利用激光来检测温度的最大优点是:激光检测技术属于非接触式测量技术,与接触式测量温度的方法相比,具有限制更少、效率更高、安全方便、不损伤测量表面、不易受被测对象表面状态影响等优点。温度检测及仪表7 温度采集记录器单点温度采集记录器是近年来出现的一种自记式温度计,它采用先进的芯片技术,集合了温度传感、记录、传输功
41、能,不需要专门的电源和显示设备,能够适应不同的环境。SCQ-01a就是一种性能优良的典型的单点温度采集记录器。SCQ系列数据采集器是采用单片微机为核心的智能化仪表,它具有结构简单,测量精度高,抗干扰性强,使用方便等特点。它属于节能建筑达标专用现场检査仪表,并配有数据通信及能耗评价软件。它适用于建筑节能领域的数据采集、计量及节能评价。SCQ-01a温度采集记录器的主要性能指标见表8-3。温度检测及仪表表8-3SCQ-01a温度采集记录器的主要性能指标另外,我国研制的BES-01温度采集记录器是基于单片机技术研制开发的新一代超低功耗测试仪表,由电池进行供电,具有测温范围宽、精度高、存储量大、连续测
42、量时间长、运行费用低、配套软件功能完善等特点。该温度采集记录器采用一体化结构,体积小,质量轻,不需现场接线,不受距离限制,使用极为方便。它适用于节能建筑现场测试中的室内外温度采集、环境监测、科研测试等场合。热流检测及仪表热流检测及仪表8.4.1热流量参数的检测热流量是指一定面积的物体两侧存在温差时,单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量。通过物体的热流量与两侧温度差成正比,与物体的厚度成反比,并与材料的导热性能有关。单位面积的热流量为热流通量,稳态导热通过物体的热流通量不随时间改变,其内部不存在热量蓄积;不稳态导热通过物体的热流通量与内部温度分布随着时间而发生变化。在建筑节能和
43、科学研究以及日常生活中,存在着大量的热量传递问题有待于解决。为了实现建筑节能和控制的要求,则需要掌握各种设备的热量变化情况,如直接测量热流量的变化和分布等,热流计的应用则可满足这种要求。热流检测及仪表根据传热的三种基本方式导热、对流和辐射,相应的热流也存在三种基本方式:导热热流、对流热流和辐射热流。由于对流传热的情况比较复杂,直接用热流计测量对流热流有很大的难度,而导热热流和辐射热流的测量相对比较简单,所以目前研究和应用的热流计,以导热热流计和辐射热流计为主。热流计也称热通量计、热流仪,其全称是热流密度计,是热能转移过程的量化检测仪器,是用于测量热传递过程中热迁移量的大小、评价热传递性能的重要
44、工具,是测量在不同物质间热量传递大小和方向的仪器。热流检测及仪表热流计能够直接测量热流量,主要适用于现场测试建筑物围护结构保温的热力管道和冷冻管道、工业窑炉等设备壁面以及生物体或人体的散热量,对于建筑节能工作有着重要意义。在建筑节能工程中,热流一般可分为传导型热流和辐射式热流。由于它们的热能转移方式不同,所以各自的测量原理和测试方式也不同。(1)传导型热流传导型热流测量原理是:依据传热的基本定律,主要针对导热热流的测量,利用在等温面上测定待测物体经过等温边界传导的逃逸热流,并对通过等温面的热流进行时间积分的方法来测定热量。热流检测及仪表根据传导型热流测量原理,辅壁式热流计、温差式热流计、探针式
45、热流计等,都是按照这种原理研制和测量的,其主要特点是:不需要热保护装置就能直接测定出逃逸热流。(2)辐射式热流热辐射是物体由于具有温度而辐射的一种电磁波现象,其波长范围一般为0.1l00m。辐射式热流的测量方法按其测试原理不同,可以分为稳态辐射热流法和瞬态辐射热流法。工程检测实践证明,瞬态辐射热流计具有更良好的动态响应特性和测试精度,测试系统可带多测头工作,并有热流积分功能。热流检测及仪表8.4.2常用热流检测仪表热流检测仪表是建筑节能检测中不可缺少的测量工具,国内外对热流检测仪表的研制均做出了不懈努力。目前,正在深入研究和使用的热流计,主要以传导热流计和辐射热流计为主。常见的热流计有辅壁式热
46、流计、温差式热流计、探针式热流计、辐射式热流计等。1 辅壁式热流计辅壁式热流计也称为热阻式热流计,是一种典型的传导性热流计,在各种节能技术中被广泛使用。目前,它主要用于工业设备、建筑节能检测和管道热量损失的监测与控制。图8-3辅壁式热流计的探头示意热流检测及仪表辅壁式热流计的传感器为由某种材料制成的薄基板,其基本形式是一种薄片状的探头,如图8-3所示。有很多热电偶串联而成的热电堆,布置在薄片的上下表面内,并用电镀法制成,其表层有橡胶制成的保护层,如图8-3所示。在进行测量时,将热流计薄片贴于待测的壁面上,当传热达到稳定后,待测面的散热热流将穿过热流计的探头,热流计的热电堆测出热流计探头上下两面
47、产生的温差。这个温差使装在基板内的热电堆产生一定的热电势E。由于热电势与温差存在着一定的函数关系,通过公式则可计算出流过平板的热流密度q。热流检测及仪表2 温差式热流计温差式热流计也是一种传导性热流计,其测试的基本原理是:利用测定某等温面的瞬时温度梯度,确定穿过等温面的热流密度。在实际测量时,温度梯度是通过连接试样容器和恒温接受体导热层的两个等温面之间的温差来确定的。图8-4简易的温差式热流计图8-4所示是一种简易的温差式热流计,这种热流计具有足够的长径比和良好的对称性,量热器的水温保持恒定,那么在半径为r处的圆柱面将是等温面,则温度梯度可近似地通过半径为r的两个小间距等温面的关系求得。热流检
48、测及仪表由于温差式热流计依据瞬时测量原理,试样容器及导热层对热流测量值产生一定影响。在测量过程中,热接受体一直维持恒温,如果试样和试样容器满足集总热容的假定,导热层的热容足够小,可以忽略不计。3 探针式热流计热流测量实践表明,在热流的实际测量过程中,辅壁式热流计在很多特殊场合很难发挥其作用。为了进行热流量的检测,研制出很多专用的热流计。如对于高热通量的射流传热热流的检测,可采用探针式热流计。热流检测及仪表图8-5所示是一种典型的稳态法热流探针结构。在稳态法测量中,采用水冷量热探针确定探针表面处输入的热流密度。测量装置由外圈环形水冷壁及中心水冷圆柱探针两部分组成,两者之间采取绝热绝缘,在进行测量
49、时,当冷却水温度升到稳定状态后,根据热量平衡得到探针轴线处的平均热流密度。如果将探针放置在热流的不同径向位置处,就可以得到热流密度的径向分布情况。图8-5典型的稳态法热流探针结构热流检测及仪表稳态法测量方法的优点是:试验数据的处理比较简单,引起测量结果误差的因素比较少。稳态法测量方法的缺点是:要求射流必须在相当长的时间内稳定运行;探针和量热器的结构比较复杂,常常会造成许多问题。图8-6薄壁型热流探针结构图8-6所示是一种测量电弧等离子体射流的传热热流的薄壁型热流探针结构,它通过测量探针敏感元件背部热电偶的温度随着时间变化曲线,从而求出敏感元件前端面处的局部热流密度,使探针在垂直射流轴线的方向上
50、做横向扫描,就可得到射流的局部热流密度径向分布。热流检测及仪表图8-7所示是另一种动态热流探针,它在探针中心处安放一个小圆柱,小圆柱周围绝热,而后表面用水冷却,在小圆柱内部靠近前表面的位置安装一个内置热电偶。在热流探针暴露于射流的初始阶段,可认为感温圆柱的后表面温度恒等于冷却水温度,根据内置热电偶的指示温度,利用一维非稳态导热方程数值解反推出圆柱前端的输入热流。图8-7内置热电偶型热流探针热流检测及仪表动态探针式热流计测量方法具有如下特点:探针的结构简单,反应非常灵敏;测量时间短,效率比较高;对高能流密度场合的测量可采用一次性探针;外部数据采集需要连接计算机,并且需要计算后才能求得结果;误差分
