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1、环境室围护结构性能研究作者：Paul Fazio，Member，ASCE，Andreas K. Athienitis，Cedric Marsh，and Jiwu Rao摘要：本文介绍了一个环境调查室的设计和开发建筑围护结构的性能，热，空气和水分传输功能，以及围护结构和室内环境的相互作用。环境室在加拿大尚属首次并且具有其独特的概念。它坐落在一个特制的建筑研究中心实验室（CBS），在蒙特利尔市中心。实验在高7.2m，宽4.1m的外壳内进行。环境室有两个房间代表室内外的动态环境，命名为冷热箱。围护结构建立在夹在冷热箱中间的一个长方形框架上。根据防护热箱法，计量箱也放在热箱里为了测量热电阻上的热流度和
2、温度降。如果没有计量箱，可以用类似标定热箱法的方法去测试。这个设施的第二项主要功能是作为一个大型的全室测试环境室。系统介绍建筑围护结构是室内环境和外部气候的屏障。它的性能体现在建筑的能源消耗，热舒适和空气质量。这个外部的塑料封套就像外部环境和室内空间之间的过滤器。过滤行为很好的说明了影响热质量和外界温度的波动可能是因为一个小房间内的温度波动。虽然建筑围护结构由许多简单的组件构成，但是因为它的许多功能，它仍然是一个非常复杂的系统。如果运作它一旦不小心可能会导致很多问题发生。影响建筑围护结构的主要要求表现为：热流量控制（哈钦1963），控制空气流动，水蒸气的流量控制，酸雨渗透控制，控制光，太阳能和
3、其他的辐射效应，噪声控制，火灾控制，提供强度和刚度，耐用和美学。整合不同方面的建筑围护结构设计将大大提高建筑物的质量（里瓦德等人。1995）。因此，还需要对建筑围护结构整体性能评估的系统。围护结构作为一个系统可能由于某些组件而不被满意，通常在接头处和连接处。例如，建筑围护结构的热阻力可以显著降低由于通过结构部件的热短路。虽然这些组件的传热面积跟绝缘面积比起来比较小，它们作为热桥梁能比别的一维传递的热量多的多。例如，一个阳台是想在热交换器翅片元素楼板行为的延伸，加强室内和室外之间的热量转移。这种强化传热形成冷点凝结，冻结并且可能出现裂缝。在过去的20年里，研究设施的设计通常是用来研究一个或几个方
4、面围护结构的性能在某些情况下，设施非常专业，如测量声学参数和噪声传播。本文的重点是调查建筑围护结构热流体方面，性能，相关方面的热，空气和水分，（蒸汽或雨）通过围护结构，及有关室内环境研究。方法和设施，测试的某些方面建筑围护结构性能进行审查这里。防护热箱法是一个有效的方法用于准确地确定热电导率或电阻墙，屋顶，和一个窗口与对照试验，如图1所示。试验样品的安装在一个开放墙之间的热冷箱，其中每个维持在一个恒定测量温度和稳态传热速率通过测试样品的测量手段的计量箱与加热器紧密连接在试样一侧的热箱。热电阻，然后确定的比例温度差热流量。后卫（热）箱周围的计量室和保持在同一温度减少热量之间的转移。因此，电供热计
5、量室中的流动标本约等于热流通过它。此外，边缘效应，改变热从一维到三维方向是减少到最低限度。图一：防护热箱法测试原理图标定热箱法通常用于大型建筑围护结构组件，它类似于防护热箱法，但它不使用一个封闭的计量室。因此，边缘传热的影响预计将更加明显比案件的防护热箱。在这种情况下，热箱通常称为计量室，与冷箱为人工气候室。确定热流通过标本，仔细校准设施需要这样的热损失从墙壁的计量室和侧翼热绕流计算的标本从测试样品的已知热工性能。这一过程被称为校准。标定热箱法特别适合测试复合建筑元素将桥梁如墙壁与视窗。更现实的室内热工条件（例如，空气流动和房间温度分布）可能是模拟这种方法相比，防护热箱法。许多变化，这种方法也
6、是可能的。一些设施已经在北美建成基于谨慎和标定的热箱概念（米勒1987）。校准热箱在国家标准局（zarr等人。1987）可用于房间的大小（3米4.5米）壁标本下的稳态和动态的气候条件测量热，空气和水分迁移。另一个校准热箱由施工技术实验室，波特兰水泥协会（范埃姆1984）可能被用来测试试样的尺寸2.62米2.62米下的稳态和动态热工条件。在加拿大，一个防护热箱在全国研究理事会可以用来测试标本2.44米2.44米下的动态和稳态热工条件（1993）。在欧洲，PASSYS测试方法已发展为确定建筑围护结构热和太阳能的特点（Djick和林登1994）。PASSYS的测试程序，ASTM方法不同，确定热和太阳
7、能的特点。在开幕前表面，测试组件被放置在一个试验室的测试单元组成。试验室的后墙连接到服务室，其中包含设备和数据采集及控制系统。细胞也包含空气浸润测量示踪气体，遮阳屏，冷箱，内部计量箱（类似防护热箱）。热传导，蓄热，太阳能热增益，和渗透的主要特点外围护结构影响房间的温度和能量损失，应认真考虑在确定的影响，围护结构对室内气候和能源成本。因为热，空气，和水蒸汽透过强烈的相互关联的过程，设备需要在这些现象可能同时进行研究的气候条件控制的一侧和另一侧的室内模拟条件。例如，当水分渗透裂纹的围护结构和显着的温度降低，冰fonns造成较大裂缝由于其扩张。此外，三维热流的影响周围的窗户和地板之间，俗称将桥梁，只
8、可准确测量与大样本大小往往不止一个故事高。有效的将容量建筑围护区不仅取决于总热量的能力和个人的个别层墙壁也对位置和分布将质量。因此，复杂的热交换的机制之间的垂直和水平的包络成分研究受到全尺寸试验室模拟气候条件。尽管一些设施的设计和建造的研究和一些参数来衡量建筑围护结构热工性能，没有设施设计研究所有主要的热流体方面的围护结构性能的同时（包括其与室内环境）控制下的模拟室外和室内条件。它的目标是最近设计和建造环境室的建筑研究中心（CBS），可用于实验研究的围护结构作为系统控制热，空气和水分，流动，以及系统控制室内环境。CBS环境室CBS环境室的结果是一个长期的过程，涉及几个应用研究基金的各种来源，发
9、展一个适当的实验室，和一个多学科设计。这是首次在加拿大是独一无二的国际概念。它坐落在一个特制的实验室在蒙特利尔市中心。实验室拥有落地高度约10米，lo-t架空滚动起重机。实验室空间周围的加热室和空调，如图2所示。环境室由单独的商会代表室内和室外条件，命名为冷热箱，如图3所示。之间的冷热箱，一个矩形框夹，其中围护结构可以固定或建立稳态或动态热试验。计量箱位于热箱一侧的测试标本测量热流量和温度降为热电阻测量的基础上的防护热箱法（ASTM1990b）。无计量室的设备，可用于测试类似标定热箱（ASTM1990a）（图4）。实验可以执行的信封组件最大尺寸，高7.2米，宽4.1米，厚度为60厘米。这些设备
10、的第二个主要功能使得它独特的灵活性和概念，是其设计的使用作为一个环境室，如图5所示。在这种模式下的测试充分试验室可以构造或放置在动产热箱测试架的空。此外，人们会暴露在它的各种模拟室内或室外条件，生产力和舒适性研究。图2：CBS公司环境室的照片图3：CBS公司环境室的防护热箱试验模式示意图图4：CBS公司环境室标定热箱试验模式示意图图5：CBS公司环境室环境（气候）测试模式示意图技术说明几何尺寸在图3，技术规格见表1。充分的技术细节提供其他地方（法西奥等人1994）。该小组的冷热箱，由面板15cm厚的发泡聚氨酯保温层之间和1mm的铝片的外面和1毫米的不锈钢对内（热电阻6.2雷达）。该小组的计量箱
11、结构类似，但与7.5厘米之间的绝缘层压1mm厚铝片。冷箱、热箱上支持不同的钢结构。冷箱固定。热箱是四个空气垫，可以很容易地推在空气垫加压。框架是由支撑钢结构梁和能被取消的架空搅动起重机。计量箱可以上升或下降沿垂直支持，以便它可以被用来研究不同部分相同的壁标本。主要的冷却和加热设备如下：1、冷箱由一个5-t的冷却装置（螺杆压缩机）和12000立方英尺每分钟的循环风机构成，周围围绕着蒸发器线圈，其中也包含着电动温度加热线圈。通过屋顶冷却塔来控制。2、热箱组成于一个20-kw电管道加热器（与可控硅控制），600-cfm空气循环风扇连接到管道加热器，一个IT空调单元，和加湿系统。新鲜空气的供应/返回阻
12、尼器也包括允许供应新鲜空气从实验室。3、计量箱组成于3千瓦电热水器或一个较小的250钨加热器控制器，和再循环变速风扇。风扇的空气吹向上和向下垂直挡板的后面沿试样。数据采集与控制系统有256个温度测量通道，32个电流输入通道，64个电压输入通道，四/输出通道控制，16个数字输入/输出通道，八个固态继电器，和八计数器/定时器通道。测量参数包括：温度，湿度，热通量，空气流动速度，应变。单独的可编程控制器是用来控制温度（与消除传感器）和湿度的冷热箱和计量室。他们是连接到一个中央计算机，他们可以得到连续变量设定值。热箱壁传热由于实验室空间加热和空调，和热箱存放在室温中墙测试，预计的传热热箱外部信封是比较
13、小的传热量的测试样本。然而，它是必要的，以确定量热交换之间的热箱和实验室，使正确的能量平衡的标本可能是。为了实现这一目标，至少有五个热通量传感器具有足够的敏感性，将放在每个热箱表面和五热通量传感器将放在标本。红外热像研究室将采用红外摄像机与温度分布测量的能力，并用红外温度计。该热成像研究也将协助我们在量化侧翼传热的试样架。由于不锈钢墙，低发射率，在一些试验室的环境模式，他们可能是覆盖着一个临时的塑料片，发射率约0.9（最相似的建筑表面）。空气流室在图3所示，一个圆形叶片指南出口的空气从风机盘管的冷箱上壁平行试样。测量的速度在该地区所涵盖的计量箱被认为是相当一致的。各种流动改性设备等可调叶片和扩
14、散被用来创建其他流型和速度分布。空气混合的球迷也将被添加在热箱提供空气温度均匀时，它需要一定的模拟室内条件。在情况下，分层室正在研究，球迷将无法使用。墙壁测试该设施的目的不是要严格遵守任何给定的标准。它是设计成一个多功能研究设施研究的许多方面的围护结构性能描述。防护热箱法测试（见图3）预计将提供更准确的估计热电阻比试验标定热箱模式，这将是首选模式这种类型的测量以及确定动态热特性如壁传递函数。大量深入建筑热行为可以通过学习获得的幅度和相位角频率域壁传递函数（拉里萨等人1990）。标定热箱模式（见图4）将主要用于研究与建筑的耐久性，包括以下：热桥等两国之间的地板，冻融作用，水分渗透和裂缝的形成，冷
15、凝效果。在这种情况下，重要的是适用于动态温度变化模拟周期日天气条件。雨水渗透测试壁组件可与另外的适当喷水系统的冷箱。渗透测试的基础上的标准（标准1994）壁组件也将进行浸润是一个重大的热损失机制，建筑物。在压力差一个测试样本可用于在一个控制的空气流动通过一个连接到风机入口热箱中，并控制流出速度通过阻尼器在冷箱。测试程序将开发研究的综合效应的气候变量和量化影响的系统连接的建筑围护结构。一个主要目标是发展一个评估模型性能的围护系统。环境室（气候）测试动态热试验暴露充分试验室的瞬态和周期性气候条件模拟将进行。有三个主要目标是在这些测试：（1）确定房间的时间常数，传递函数，有效区热容量用于建筑节能与室
16、内环境分析和计算机辅助设计；（2）发展节能控制策略，保持良好的热舒适；和（3）测试的屋顶安装在测试房间为控制室内和室外条件。太阳模拟器也将被安装在天花板上的热箱，太阳能对建筑物的影响也可以加以研究。在这种模式下，一个测试室，可放置在热箱，如图5所示。试验室将包含自己的加热/冷却系统。明智和潜热存储在如混凝土建筑材料或相变材料如硬脂酸丁酯浸渍墙提供了一个有前途的手段来减少峰值加热和冷却负荷，他们也可能是调查。环境研究，可以执行，包括调查的影响，不同温度条件下（静态或动态）的热舒适性和生产力ofpeopie模拟室内或室外条件。这包括建设生产力研究极端户外环境，以及室内条件。有限的室内空气质量的研究
17、也可以容纳，如排放的挥发性有机物的建筑材料。动态热环境室的计算机模型将发展为主要经营模式：测试模式和测试模式。他们将三维有限差分的瞬态模型，准确地代表所有角落和边缘热流动商会本身和周围的框架，以及辐射和对流换热。这些详细的模型，这将是由比较测量温度和热通量，将采用设计精确的实验和充分利用实验结果。调试和标定试验调试试验是第一个完成测试的结构和热的完整的设施和设备性能稳态和动态热条件。该设施是测试没有任何测试试样在气候室模式；一个典型温度曲线如图6所示，在这期间不同温度从-28到20在2天。温度也保持不变在-40度2天和40度2天。加压测试是在200帕，结构完整的室进行了验证。空气渗漏试验室作为
18、一个整体也进行了60剂。理想情况下，在防护热箱试验，温度在计量箱，热箱中应该是平等的，所以，所有提供的热量的计量箱通过测试样本。然而，这是不可能的，因为热滞后效应和未成年人的控制设定点测试渡过；因此必须确定少量不良传热之间的计量箱，热箱作为一个功能的平均温度差之间的内部和外部表面的计量箱。因此，一个测试已进行校准的设施防护热箱的运作模式，根据标准（用1990年）。校准测试样本包括聚氨酯泡沫塑料板附贴在木支撑架由26。木头钉4英尺中心。在测试前，几件聚氨酯从同一批次的测试标本进行了测试在热流量计（高科技r-matic）根据标准c-si8。他们的平均热阻被发现1.62/w。下面的能量平衡的计量箱适用于校准测试：Qt =Qs + QmQt=加热总功率 Qs=热流通过样本 Qm=通过计量箱的热量Qs =As(Ths - Tcs)/RAs=标本计量领域 Ths=平均热面温度的标准（计量区） Tcs=平均表面温度冷标本（计量区）同样，量子力学中的QmQm =Am(DTm)/RmAm=计量箱表面面积 Dtm=计量箱内表面平均温度 Rm=计量箱壁。在我们的例子中，这个值的估计如Qm = 6.3DTm最初确定的校准测试方程是：Qm =10DTm
