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[应用] 美国住宅结构中泄漏检测的应用

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发表于 2016-1-11 20:52:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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      美国住宅结构中泄漏检测的应用
1.jpg
在即将迎来美国无损检测学会(ASNT)成立75周年之际,是时候仔细思考一下美国中西部独户住房结构在这些年来的变化了。在1941年,住房面积比现在要小得多。所以房屋通常使用石棉隔热的煤炉管道系统供暖,或是使用石棉包裹的锅炉和暖气片管道系统进行供暖。用于粉刷墙壁的是含铅油漆,而用于铺地板的通常是含有石棉的瓷砖外墙往往是采用非隔热轻型木构架,或是以石灰为涂料,两到三块砖的实心内部结构。故在20世纪30年代,我们可以看到这种平台式框架体系和煤气炉的广泛使用。而房屋通风的主要渠道是打开门窗。到了20世纪60年代,房屋开始安装空调和隔热的外墙。

1978年是一个有代表性的年度,因为在这一年原油从每桶13美元上升到每桶34美元,而汽油从每加仑0.35美元上升至1.00美元。石油价格的不断上涨造成能源成本的螺旋式上升。值得注意的是这一情况恰恰是在空调普及后随即发生的。

随着空调的普及和能源价格的上涨,人们只能采用全年关闭门窗的方式来保持房间舒适的温度和湿度。其实众所周知,供暖、通风和空调三者是联系在一起的一门应用科学(HVAC),并不只是意味着安装一个壁炉或空调那么简单。房屋必须要保持合适的通风,这也就意味着其需要冷空气或热空气的正常循环,并通过有效的方式,来交换新鲜空气以保证室内空气的健康质量。

当今典型的住房,都是由一些看似独立的部分组成的一个复杂的系统,但是若要建立一个完善的住房体系,这些独立的部分都是这个系统中所必须的部分。最常见的组成部分是:
● 建筑外壳
● 供热热源
● 冷源
● 空气分配/循环系统

当今理想住房的功能甚至能达到航天飞机的水准。居住空间由一个压力边界和热边界外隔开,内部的空气得到控制,从而保持房屋的通风。

对于家庭住户来说,热边界层的影响是最明显的,但同时其本身的意义也是最不被理解的。热边界层就是居住空间的外部壳体(墙壁、天花板和地板)。热边界层将居住空间同外部不受控制的空间分离开来。它的主要功能就是保持热量从一端至另一端的流动。这样,一个隔热层就环绕了整个居住空间。但通常来说,隔热层并不能作为一个热屏障,因为空气仍然能够通过大多数的隔热层(图1)。
2.jpg
       图1.空气通过玻璃纤维后留下的灰尘

“压力边界”指的是房子外壳控制内部、外部空气流动的能力。需要注意的是热边界中的热流转换为压力边界中气流的过程。当然如果住房(或航天飞机)的门窗是开放的,那么隔热层的多少就显得不那么重要了。

无论是在夏季还是冬季,都没有人会刻意打开其门窗;但是,在整个住房结构中,存在无数个小孔或缝隙,而这都会导致不受控制的气流进入。美国能源署认为不受控制的空气渗透是造成大多数房屋能量损失的首要原因(DOE,2010)。通常我们使用泄漏检测(LT)来对这些孔洞进行识别和测量,而其中鼓风门气密性测试法则起着非常重要的作用。

我们将校准后的风扇和压力计安装在门的外部。将所有其他的门窗关闭后,对风扇进行通电,从而在内部和外部创建出一个50 Pa的压力差。这种压力差等同于32km/h (20mph)的外部风力对住房结构产生的压力。这是行业对某一住房空气泄漏的衡量标准。

空气渗入是在1立方英尺每分钟50Pa的环境下进行测试的(CFM50)。空气泄漏测量用于计算在每小时50Pa情况下的空气转换。因此将CFM50的数值乘以60得到1立方英尺每小时的空气渗入数值,然后除以住房的内部体积得到每小时换气的数值(单位为ACH50)。

例如,某一住房通过鼓风门气密性测试法测得空气渗入值为3500CFM50。房子面积为232.3平方米(2500平方英尺),到天花板的高度为2.4米(8英尺),从而其体积为566.3立方米(20000立方英尺)。

3500 CFM50 *6/20000ft3 = 10.5 ACH50

这意味着,当冷空气以32km/h(20 mph)的风速行进时,住房中所有的空气每小时都要强行更换10次,也就是每6分钟一次,那么煤炉就要不断加热,从而使外部进入住房的冷空气得到升温。而这个例子实际上就是我自己的住房,其建于1981年。

使用轻型木构架建造的房屋测得的结果一般为15到20ACH50。现今典型的节能住房测得的数值为3.5ACH50或更少,而超高效节能住房所测量的结果甚至不到1ACH50,同时其配置了更复杂的HVAC设备,如空气全热交换器,在进行新旧空气交换时,该设备能保持住房内部能源的不流失。

最后要提到的是,房子需要通风设备。你也许会质疑“但这不就导致了住房的空气泄漏吗?” 这是一个普遍的误解。通风与不受控制的空气泄漏是有很大区别的。首先将污浊空气排出,让新鲜空气流入,只是通风的一个方面。更为重要的是,通风能驱逐厨房、浴室和洗衣房等区域中潮湿和恶臭的空气。

那么我们该如何有效利用鼓风门测试的结果?其主要有两种用途。鼓风门测试的结果能够有效帮助你为住房制定煤炉和空调的规格标准。HVAC承包商通常是由空调承包商协会认证的。该认证需要对住房进行建模,然后根据英国热量单位(BTU)对供热制冷进行测量和计算。建模需要测量露出的外墙和隔离层面积、门窗面积、热额定值以及空气渗透率。结合住房位置天气数据的这些数据总和,最终用于计算火炉和空调供热制冷的BTU技术标准。

一栋住房即使气密性隔离性良好,仍会存在那些不舒适的区域。空气分配系统,也称为管道系统,是第二种用途。其中我们要注意两方面内容。第一是保证暖风或冷风被输送到指定的房间。第二是测量输送的空气量,确保每个房间收到其自身所需的空气量。住房中的管道系统如果设计不当,会造成过多的空气损失,也会造成空气在穿过狭窄空间和阁楼管道时显著的热损失。

在检查房屋燃烧器具时,如燃气或燃油炉、燃气热水器,燃气厨房设备和燃木壁炉时,LT采用形式略有不同。

我最近检测了一栋具有百年历史的老房子中的所有燃气用具,发现每一个设备都存在燃气泄漏。自然通风的热水器排气孔被多年积累的杂物完全堵塞。堵塞会导致热水器中的气流逆流,而这意味着所有的废气都会进入房屋内部。但这栋房子测得数值为15ACH50,表示其换气频繁过度泄漏,这反而抵消了逆流废气所带来的危害。

另一栋新的房屋测得数值为3ACH50,表示其气密性非常好。但房主对厨房进行了改造,安装了一个零售的煤气灶和抽油烟机。这栋房子也有一个燃木壁炉。当我们执行LT测试后发现,启动抽油烟机时会导致壁炉气流逆流。这使得居住者存在一氧化碳中毒的风险。这是一个看似孤立的各个组件相互关联的典型例子。作为无损检测的专业人士,我们将无损检测视为是一种将高新材料应用于生活工作中的实践。因此同样的,我鼓励大家去思考无损检测能够且应该在我们个人住宅中所发挥的作用。

参考文献:
DOE, “Energy 101: Home Energy Assessments,” U.S. Department of Energy video, 3:30, 14 October 2010, energy.gov/public-services/homes/home-weatherization/home-energy-audits.

来源:节选自《The NDT Technician》第14卷第3期,版权归原作者所有,如有侵权请联系我们及时处理

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