基于康普頓背散射檢測技術的建筑外墻保溫性能優化研究

姜永福

(江西省煤田地質局一九五地質隊，江西 南昌 330000)

隨著社會經濟的發展，建筑工業得以快速推進。建筑行業的施工模式與建筑材料種類也隨之發生變化。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注的焦點[1]。建筑外墻整體熱量四散造成熱量損失，使傳統的墻體失去保溫性能，造成建筑物內溫度跨度過大，影響整體使用感。根據現在建筑外墻的結構性能，研發新的外墻保溫建筑材料，是改善當前建筑保溫效果的有效辦法。利用康普頓背散射檢測技術對建筑外墻進行康普頓散射線掃描，完成缺陷成像，再根據成像確定缺陷的位置與尺寸，是目前建筑外墻保溫性能優化的一種常用辦法[2]。建筑外墻掛板是現代應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墻體起保護作用，減少建筑外墻的熱損失，達到傳熱保溫功能。本文以建筑材料為研究對象，采用康普頓背散射檢測技術對建筑外墻保溫材料進行檢測，以達到建筑外墻保溫性能的優化[3]。

針對現有建筑外墻保溫材料隔熱能力一般等問題，尚文勇等人[4]提出基于神經網絡遺傳學的建筑外墻保溫性能優化方法，首先利用現有科技手段對建筑外墻進行熱量點采集，分析太陽直射強度以及時間變化對建筑外墻的熱量影響，對分析結果進行權重計算，得到非平衡保溫性能傳熱導數，再利用神經網絡遺傳學優化了保溫性能，結果表明，利用此方法能有效的對建筑外墻保溫性能優化；程婧媛等人[5]提出基于康普頓背散射檢測技術的建筑外墻保溫性能優化方法，首先利用康普頓背散射檢測技術對居民建筑外墻進行熱量值采集，建立居民建筑外墻的保溫性能優化指標體系，根據優化指標構建建筑外墻保溫性能優化模型進行仿真試驗，確定影響建筑外墻保溫性能的評價因素，針對具體影響因素進行改進，保溫性能明顯增強，仿真試驗結果表明，基于康普頓背散射檢測技術，可以完成對建筑外墻保溫性能優化。但是，以上兩種傳統方法忽略了建筑外墻采暖負荷的計算，導致出現保溫性能不理想、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的建筑外墻保溫性能優化方法。

1 建筑外墻保溫性能優化方法設計

1.1 建立建筑外墻保溫性能優化過程的目標函數

在建筑外墻保溫性能優化過程中，引入反應系數的方式[6]，假設每55 min進行一次擾動量離散處理，那么熱量通過建筑外墻傳遞到室內的過程表示為

(1)

式中：Yκ為傳熱系數；tz為一切外界因素對建筑外墻的熱作用；tr為室內溫度，℃；t為離散處理時間，ms。

根據式(1)的計算結果，搭建了HG(n)與傳熱系數之間的關系，即

(2)

式中：z為換熱系數；ε為建筑外墻表面溫度，℃。

基于式(2)，分析康普頓背散射強度和窗寬比對建筑外墻傳熱系數的影響情況，即

(3)

式中：IDN為康普頓背散射強度，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為傳熱系數限值；Kw(1-ε)為多維傳熱函數。

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

(4)

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

根據式(4)的計算結果，當建筑外墻保溫傳熱系數限值處于最大時，建立了建筑外墻保溫性能優化過程的目標函數，表示為

(5)

根據室外熱量通過建筑外墻傳遞到室內的熱量，分析了康普頓背散射強度和窗寬比對建筑外墻傳熱系數的影響情況，通過計算建筑外墻傳熱系數的保溫性能限值，建立了建筑外墻保溫性能優化過程的目標函數。

1.2 優化建筑外墻溫度控制參數

在對建筑外墻溫度控制參數進行優化過程中，需要先分析建筑外墻保溫點的能耗[8]，假設建筑外墻保溫點與相鄰保溫點之間存在熱能的對接時，就會在后續T時間內發生熱能的共享現象，因此令建筑外墻保溫點的取值范圍在[0,T]區間，從而得到建筑外墻保溫點的概率分布函數，即

(6)

式中：a為建筑外墻保溫點分布概率的閾值，當a<0時，說明保溫點分布情況處于正常狀態[9]，此時相鄰兩個保溫點之間的熱量共享概率為1-p，那么建筑外墻出現保溫點熱能消耗的關系式為

(7)

式中：Tx為建筑外墻保溫點出現熱量消耗的時間間隔周期，ms；t為熱量消耗時間間隔內的閾值。

建筑外墻溫度控制參數的優化是基于建筑外墻保溫性能數據，通過康普頓背散射檢測技術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域，需要建立一個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為建筑內墻的熱能，J；Tc為建筑內墻熱能的降低值，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系數與平均約束之間的轉化關系式，即

(9)

式中：IQ為建筑外墻保溫性能模型中第i項數值的條件約束。當建筑外墻轉換傳熱溫度的限值時，可以將限值轉化為目標函數的形式[11]，從而建立建筑外墻溫度控制參數的優化函數，表示為

(10)

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

利用建筑外墻保溫點的概率分布函數，得到建筑外墻出現保溫點熱能消耗的關系式，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，結合建筑外墻溫度控制參數的優化函數，優化了建筑外墻溫度控制參數。

1.3 優化建筑外墻保溫性能

在進行建筑外墻保溫性能優化中，根據實地調研的結果，得到建筑外墻的特征，采用康普頓背散射檢測技術優化分析建筑外墻的傳熱系數[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系，給出建筑外墻保溫系數的優化推薦值，通過調整優化推薦值，對建筑外墻保溫性能進行優化，具體過程如下：

將經濟指標引入到建筑外墻保溫性能的優化中，分析建筑外墻表面傳熱系數與能量消耗之間的關系，選取建筑外墻表面傳熱系數的最優參數[13]，根據調研結果，得到了建筑外墻特征cp(x)，通過計算建筑外墻的采暖負荷，構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)為建筑外墻結構的傳熱系數，兩者之間屬于正比關系；?(x)為熱阻系數；?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優化分析建筑外墻的傳熱系數[14]，對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，得到太陽光輻射對建筑外墻內部環境的影響關系，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的變化會受到傳熱系數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之間的關系，即

(13)

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

為分析建筑外墻保溫材料的熱阻值變化ΔψB對能耗節約量Δδ的影響，需要計算兩者之間的比值[15]，用于描述建筑外墻保溫材料熱阻值變化導致的能耗節約量關系，即

(14)

式中：V為建筑外墻內部的面積,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則，計算出建筑外墻最佳傳熱系數的優化推薦值，計算公式為

(15)

式中：Ci為環境因素散發的最大熱量，J。通過調整λ(x)，優化了建筑外墻保溫性能。

綜上所述，通過計算建筑外墻的采暖負荷，構建了建筑外墻散熱模型，基于太陽光輻射對建筑外墻內部環境的影響關系，建立了能量消耗變化值與熱阻值之間的關系，通過計算建筑外墻最佳傳熱系數的優化推薦值，實現了建筑外墻保溫性能的優化。

2 實驗對比分析

為驗證基于康普頓背散射檢測技術的建筑外墻保溫性能優化方法在保溫性能和能量消耗方面的性能，構建了如圖1所示的仿真環境。

圖1 仿真實驗環境

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

圖2 建筑外墻保溫率對比

圖3 能量消耗測試結果

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

從圖3的實驗結果可以看出，采用文獻[5]的建筑外墻保溫性能優化方法來優化建筑外墻保溫性能時，需要消耗的能量為51.2 kJ，并且第10次實驗到第20次實驗之間，能量消耗出現了突增的現象；采用文獻[4]的建筑外墻保溫性能優化方法來優化建筑外墻保溫性能時，能量消耗為58.9 kJ，隨著實驗測試次數的增加，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的建筑外墻保溫性能優化方法來優化建筑外墻保溫性能時，能量消耗僅有35.9kJ，且隨著實驗次數的增加，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 語

本文提出了基于康普頓背散射檢測技術的建筑外墻保溫性能優化研究，通過建立建筑外墻保溫性能優化過程的目標函數，優化了建筑外墻溫度控制參數，利用建筑外墻最佳傳熱系數的優化推薦值，實現了建筑外墻保溫性能的優化。結果顯示，該優化方法在保溫性能和能量消耗方面具有很大優勢。