基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化研究

姜永福

(江西省煤田地质局一九五地质队，江西 南昌 330000)

随着社会经济的发展，建筑工业得以快速推进。建筑行业的施工模式与建筑材料种类也随之发生变化。目前在建筑施工过程中，建筑外墙的保温性能一直是人们关注的焦点[1]。建筑外墙整体热量四散造成热量损失，使传统的墙体失去保温性能，造成建筑物内温度跨度过大，影响整体使用感。根据现在建筑外墙的结构性能，研发新的外墙保温建筑材料，是改善当前建筑保温效果的有效办法。利用康普顿背散射检测技术对建筑外墙进行康普顿散射线扫描，完成缺陷成像，再根据成像确定缺陷的位置与尺寸，是目前建筑外墙保温性能优化的一种常用办法[2]。建筑外墙挂板是现代应用于外墙保温的一种常用方法，其主要原理是，将保温材料悬挂在墙体外面对墙体起保护作用，减少建筑外墙的热损失，达到传热保温功能。本文以建筑材料为研究对象，采用康普顿背散射检测技术对建筑外墙保温材料进行检测，以达到建筑外墙保温性能的优化[3]。

针对现有建筑外墙保温材料隔热能力一般等问题，尚文勇等人[4]提出基于神经网络遗传学的建筑外墙保温性能优化方法，首先利用现有科技手段对建筑外墙进行热量点采集，分析太阳直射强度以及时间变化对建筑外墙的热量影响，对分析结果进行权重计算，得到非平衡保温性能传热导数，再利用神经网络遗传学优化了保温性能，结果表明，利用此方法能有效的对建筑外墙保温性能优化；程婧媛等人[5]提出基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化方法，首先利用康普顿背散射检测技术对居民建筑外墙进行热量值采集，建立居民建筑外墙的保温性能优化指标体系，根据优化指标构建建筑外墙保温性能优化模型进行仿真试验，确定影响建筑外墙保温性能的评价因素，针对具体影响因素进行改进，保温性能明显增强，仿真试验结果表明，基于康普顿背散射检测技术，可以完成对建筑外墙保温性能优化。但是，以上两种传统方法忽略了建筑外墙采暖负荷的计算，导致出现保温性能不理想、能量消耗高的问题。

为此，研究新的基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化方法。

1 建筑外墙保温性能优化方法设计

1.1 建立建筑外墙保温性能优化过程的目标函数

在建筑外墙保温性能优化过程中，引入反应系数的方式[6]，假设每55 min进行一次扰动量离散处理，那么热量通过建筑外墙传递到室内的过程表示为

(1)

式中：Yκ为传热系数；tz为一切外界因素对建筑外墙的热作用；tr为室内温度，℃；t为离散处理时间，ms。

根据式(1)的计算结果，搭建了HG(n)与传热系数之间的关系，即

(2)

式中：z为换热系数；ε为建筑外墙表面温度，℃。

基于式(2)，分析康普顿背散射强度和窗宽比对建筑外墙传热系数的影响情况，即

(3)

式中：IDN为康普顿背散射强度，J；Aw为建筑的窗宽比；ρd为窗墙比；mc为热桥面积，m2；Uν为开间宽度,m；Kw为传热系数限值；Kw(1-ε)为多维传热函数。

在康普顿背散射检测技术的支撑下[7]，计算建筑外墙传热系数的保温性能限值，即

(4)

式中：K′为建筑外墙传热系数的保温性能限值；Q为建筑外墙表面热量的传递量,J；A为外部环境热量通过建筑外墙的面积,m2；ti为建筑室内温度,℃；te为建筑室外温度,℃；q为与Q对应的热流密度,J/(m2·ms)。

根据式(4)的计算结果，当建筑外墙保温传热系数限值处于最大时，建立了建筑外墙保温性能优化过程的目标函数，表示为

(5)

根据室外热量通过建筑外墙传递到室内的热量，分析了康普顿背散射强度和窗宽比对建筑外墙传热系数的影响情况，通过计算建筑外墙传热系数的保温性能限值，建立了建筑外墙保温性能优化过程的目标函数。

1.2 优化建筑外墙温度控制参数

在对建筑外墙温度控制参数进行优化过程中，需要先分析建筑外墙保温点的能耗[8]，假设建筑外墙保温点与相邻保温点之间存在热能的对接时，就会在后续T时间内发生热能的共享现象，因此令建筑外墙保温点的取值范围在[0,T]区间，从而得到建筑外墙保温点的概率分布函数，即

(6)

式中：a为建筑外墙保温点分布概率的阈值，当a<0时，说明保温点分布情况处于正常状态[9]，此时相邻两个保温点之间的热量共享概率为1-p，那么建筑外墙出现保温点热能消耗的关系式为

(7)

式中：Tx为建筑外墙保温点出现热量消耗的时间间隔周期，ms；t为热量消耗时间间隔内的阈值。

建筑外墙温度控制参数的优化是基于建筑外墙保温性能数据，通过康普顿背散射检测技术获取建筑外墙保温材料能耗决策变量取值的过程[10]。为了确定取值的最佳区域，需要建立一个建筑外墙保温性能极限值的约束条件，即

|Td>Tv;Tc

(8)

式中：Td为建筑外墙通过保温材料的热能,J；Tv为建筑内墙的热能，J；Tc为建筑内墙热能的降低值，J；Tφ为建筑外墙表面热量的降低值，J。

基于式(8)，建立了建筑外墙热传导系数与平均约束之间的转化关系式，即

(9)

式中：IQ为建筑外墙保温性能模型中第i项数值的条件约束。当建筑外墙转换传热温度的限值时，可以将限值转化为目标函数的形式[11]，从而建立建筑外墙温度控制参数的优化函数，表示为

(10)

式中：αi为建筑外墙与保温材料之间的换热系数；C为建筑外墙温度控制参数优化过程中的惩罚系数；lcr为建筑外墙表面热负荷的实际比值。

利用建筑外墙保温点的概率分布函数，得到建筑外墙出现保温点热能消耗的关系式，基于建筑外墙保温性能极限值的约束条件，建立建筑外墙保温性能极限值的约束条件，结合建筑外墙温度控制参数的优化函数，优化了建筑外墙温度控制参数。

1.3 优化建筑外墙保温性能

在进行建筑外墙保温性能优化中，根据实地调研的结果，得到建筑外墙的特征，采用康普顿背散射检测技术优化分析建筑外墙的传热系数[12]，建立建筑外墙热阻变化与建筑外墙单位面积温度变化量之间的关系，给出建筑外墙保温系数的优化推荐值，通过调整优化推荐值，对建筑外墙保温性能进行优化，具体过程如下：

将经济指标引入到建筑外墙保温性能的优化中，分析建筑外墙表面传热系数与能量消耗之间的关系，选取建筑外墙表面传热系数的最优参数[13]，根据调研结果，得到了建筑外墙特征cp(x)，通过计算建筑外墙的采暖负荷，构建了建筑外墙散热模型，即

(11)

式中：αx为建筑外墙表面的热量损失，J；λ(x)为建筑外墙结构的传热系数，两者之间属于正比关系；∂(x)为热阻系数；∂为建筑外墙表面保温层的厚度，m。

采用康普顿背散射检测技术优化分析建筑外墙的传热系数[14]，对建筑外墙表面热量传递与热量散失造成影响的因素是建筑室内与室外的温度差(qk-qs)和保温材料吸收辐射的效率hk，通过计算太阳光到建筑外墙保温材料的辐射量，得到太阳光辐射对建筑外墙内部环境的影响关系，表示为

hk(qk-qs)+∑λ(x)=QRσψB

(12)

式中：QR为建筑外墙保温材料在单位面积内的能量消耗变化值，J/m2；σ为太阳光到建筑外墙保温材料的辐射量,J；ψB为热阻值,℃/W。

由于热阻值ψB的变化会受到传热系数λ(x)与保温材料面积S的影响，因此建立了能量消耗变化值QR与热阻值ψB之间的关系，即

(13)

根据式(3)的关系可知，建筑外墙保温材料在单位面积内的节能量δ与外墙传热系数λ(x)和采光倾斜角度ωu是没有任何关系的，只有热阻值会影响δ的值。

为分析建筑外墙保温材料的热阻值变化ΔψB对能耗节约量Δδ的影响，需要计算两者之间的比值[15]，用于描述建筑外墙保温材料热阻值变化导致的能耗节约量关系，即

(14)

式中：V为建筑外墙内部的面积,m2；Fj为建筑外墙保温材料由于热阻值变化引起的能量消耗,J。通过以上分析，可以确定建筑外墙保温材料的最佳传热规则，计算出建筑外墙最佳传热系数的优化推荐值，计算公式为

(15)

式中：Ci为环境因素散发的最大热量，J。通过调整λ(x)，优化了建筑外墙保温性能。

综上所述，通过计算建筑外墙的采暖负荷，构建了建筑外墙散热模型，基于太阳光辐射对建筑外墙内部环境的影响关系，建立了能量消耗变化值与热阻值之间的关系，通过计算建筑外墙最佳传热系数的优化推荐值，实现了建筑外墙保温性能的优化。

2 实验对比分析

为验证基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化方法在保温性能和能量消耗方面的性能，构建了如图1所示的仿真环境。

图1 仿真实验环境

在图1的仿真环境中，将文献[4]的建筑外墙保温性能优化方法、文献[5]的建筑外墙保温性能优化方法以及基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化方法分别进行30次仿真操作，测试了三种方法的保温率和能量消耗情况，测试结果如图2和图3所示。

图2 建筑外墙保温率对比

图3 能量消耗测试结果

从图2的结果可以看出，采用文献[5]的建筑外墙保温性能优化方法来优化建筑外墙保温性能时，建筑外墙的保温效果达到了84.5%，并且在第10次实验到第20次实验过程中，建筑外墙的保温效果出现了很明显的下降，第20次试验之后虽然有上升的趋势，但是幅度很小；采用文献[4]的建筑外墙保温性能优化方法来优化建筑外墙保温性能时，建筑外墙的保温效果只有76.8%，随着实验测试次数的增加，实验结果出现了很大幅度的波动；然而采用基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化方法来优化建筑外墙保温性能时，建筑外墙的保温效果高达93.4%，与其他两种建筑外墙保温性能优化方法相比，建筑外墙的保温效果分别提高了8.9%和16.6%，具有一定的优势。

从图3的实验结果可以看出，采用文献[5]的建筑外墙保温性能优化方法来优化建筑外墙保温性能时，需要消耗的能量为51.2 kJ，并且第10次实验到第20次实验之间，能量消耗出现了突增的现象；采用文献[4]的建筑外墙保温性能优化方法来优化建筑外墙保温性能时，能量消耗为58.9 kJ，随着实验测试次数的增加，能量消耗也随着增加；然而采用基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化方法来优化建筑外墙保温性能时，能量消耗仅有35.9kJ，且随着实验次数的增加，能量消耗没有太大变化。总体上看，所提方法具有更好的性能。

3 结 语

本文提出了基于康普顿背散射检测技术的建筑外墙保温性能优化研究，通过建立建筑外墙保温性能优化过程的目标函数，优化了建筑外墙温度控制参数，利用建筑外墙最佳传热系数的优化推荐值，实现了建筑外墙保温性能的优化。结果显示，该优化方法在保温性能和能量消耗方面具有很大优势。