标定热箱法在墙材传热系数测试中的应用

［摘  要］ 墙体热工性能检测是建筑节能工程验收的重要内容，本文利用标定热箱法检测墙体的传热系数，得到被测墙体的传热系数并得出采用这种方法检测时的注意事项。

［关键词］ 砌体传热系数；标定热箱法；一维稳态传热

1.1.1.1      1 前言

对于我国这样一个能源相对紧缺、环境日益恶化的国家而言，推进节能建筑是具有前瞻性的。目前我国除部分地区实施第二步节能设计标准、即节能率达到50%外，北京、天津、哈尔滨、河南、兰州等地都实施第三步节能设计标准，即节能率达到65%，第三步节能标准的全面推广只是时间的问题。可见第三步节能设计标准对外墙的传热系数提出了更高的要求，而墙体作为建筑围护结构的主要部分，墙体节能材料的研究与开发受到越来越多的关注。对于目前一些常用的轻质保温砌块的整体保温性能的检测方法也就变的尤为重要了。

1.1.1.2      2 标定热箱法测试原理及装置

目前有三种方法测定墙体的保温性能，即保护热箱法、标定热箱法及热流计法。以上三种方法各有特点与利弊，保护热箱法的缺点在于箱体过大，其保护圈的宽度不能小于构件的厚度，否则侧向传热损失将导致较大误差；标定热箱法的缺点在于标定比较复杂，特定的标定热箱在特定的环境条件下有特定的标定系数，所以检测应在同样的条件下进行，否则也会造成较大误差；热流计法除了热流计本身存在误差外，还与粘贴表面的粗糙及粘结剂有密切关系，热流计粘贴不牢，与被贴表面接触不密实以及热流计自身存在较大的温度梯度都会导致很大的误差。本文主要介绍标定热箱法在实验室测定墙体保温性能的应用。

2.1标定热箱法测试原理

标定热箱法是直接测定通过试件的热量，但这部分热量必须经过修正，其中一部分是通过试件四周的侧向传热量，另一部分则是通过热箱（计量箱）箱壁的传热量。对于特定的标定热箱及控温条件，这二部分热量是可以标定的，故称之谓标定热箱法。

如图1所示，将标定热箱法的装置置于一个温度受到控制的空间内，该空间的温度可与计量箱内部的温度不同。采用高比热阻的箱壁使得流过箱壁的热流量Q₃尽量小。输入的总功率Q_p应根据箱壁热流量Q₃和侧面迂回热损Q₄进行修正。Q₃ 和Q₄应该用已知比热阻的试件进行标定，标定试件的厚度、比热阻范围应同被测试件的范围相同，其温度范围亦应与被测试件试验的温度范围相同。用公式（1）计算被测试件的热阻、传热阻和传热系数。

    （1）

式中 Q_p为输入的总功率，W；

Q₁为通过试件的功率，W；

Q₂为试件内不平衡热流，W；

Q₃为箱壁热流量，W；

Q₄为侧面迂回热损，W；

A为热箱开口面积，m²；

T_si 为试件热侧表面温度，K；

T_se为试件冷侧表面温度，K；

T_ni为试件热侧环境温度，K；

T_ne为试件冷侧环境温度，K。

图1  实验室标定热箱法原理示意图

2.2检测装置

  检测装置由三部分组成：热箱、冷箱及试件架，如图1所示。

    热箱（计量箱）：热箱内安装电加热器、风机、防辐射的匀热铝板及测控控温传感器。箱壁由内外层五合板中填 10cm聚苯乙烯保温材料构成 在稳定传热状态下，通过试件的热量就等于输入加热器及风机的电功率。通过箱壁及试件四周的侧向热量应经标定测试而估算并扣除。

    冷箱（气候箱）：冷箱内装冷凝器、风机、加热器、防辐射的匀热铝板及测温控温传感器。箱壁构造与热箱箱壁相同。

    试件架：试件架用来安放试件并使试件四周为高效保温材料所包围，其厚度和热阻值与热箱箱壁相同。试件架的设计和构造保证了侧向热损失减少到最低限度。

1.1.1.3     3标定热箱法的应用及分析

3.1标定热箱法的检测方法

对于非均质的外墙体材料，如粘土空心砖、混凝土空心砌块等，其热物理性能用传热系数或传热阻来表征。非均质的墙材的传热系数的测试在实验室中主要采用标定热箱法。

标定热箱法测试传热系数是基于一维稳态传热原理，模拟实际条件下围护结构构件的传热。热箱模拟室内空气温度、风速和辐射条件，冷箱模拟室外空气温度和风速条件，构件放置于冷箱和热箱之间。热量传递通过试件与箱体各表面的热辐射和试件表面与周围空气的对流换热进行。传热达到稳定状态后，根据热平衡有如下公式：

K=(Q-M1·Δθ1-M2·Δθ2) /(A·Δt)                      （2）

式中K———试件传热系数，W /(m²·K)；

Q———电暖气加热功率，W；

M₁———由标定测试确定的热箱外壁热流系数，W /K，本试验台M₁=0. 41W /K；

M₂———由标定测试确定的试件框热流系数，W /K，本试验台M₂=5. 56W /K；

Δθ₁———热箱外壁内、外表面面积加权平均温度之差，K；

Δθ₂———试件框热侧冷侧表面面积加权平均温度之差，K；

A———试件面积，m²；按试件外边缘尺寸计算；

Δt———热箱空气平均温度与冷箱空气平均温度之差，K。

图2砌筑试件后的试件架

3.2测试实例

测试以玻化微珠保温砖为例，玻化微珠保温砖的标准尺寸为390×240×190mm。如图2所示，玻化微珠保温砖的砌筑方式为上下错缝砌筑，错缝距离100mm，并采用膨胀玻化微珠轻质砂浆砌筑，灰缝宽度10mm。

测试采用BRCD-1515建筑墙体保温性能检测装置（沈阳合兴产），测试墙体试件面积为2.25m²；环境参数为：冷室温度-10℃±0.1℃、热室温度25℃±0.3℃、环境空间温度25℃±0.5℃。进行试件测试，采用自动控制，设置稳定状态维持时间为7小时，有效数据记录时间为7小时。测试期间观查试验运行情况，适当调整试验冷室与环境空间冷热供给量，使环境参数达到设置值。稳定之后每隔15分钟测量相关参数，稳态后测试结果如表1所示，利用（2）式进行计算，该墙体的平均传热系数为0.91W /(m²·K)。

表1　玻化微珠保温砖墙体试件测试数据

测试前还应注意以下几点，以保证测试结果的准确与合理：

（1）为防止试件中传热受到所含水分影响导致传热系数的变化，试件在测试前要自然晾干；

（2）为防止试件与试件框之间存在缝隙，导致热箱与冷箱之间流通产生热量交换，使测量结果不准确，测试前将试件与试件框进行良好密封。

3.3测试时间对结果的影响

对于稳态法试验，达到稳态所要求的时间取决于试件的热阻和热容量、表面系数。试件中存在的传质或湿气的重分布、设备的自动控制的类型和性能等因素。由于这些因素的变化，所以不可能给出一个单一的稳态评判标准。

图3为某墙体材料砌筑的墙体传热系数测试结果随时间的变化关系，随着试验时间的延长，所测的墙体传热数据逐渐稳定。在测试初期，尽管所测的温度已经达到设定的数值，但功率Q仍在变化，所以并不能认定为达到稳态状态，根据《建筑构件稳态传递性质的测定标定和防护热箱法》(GB/T13475—2008)中关于所测的试件的稳态判定要求的描述，测试结果应满足：来自两个至少3h的测量周期中的Q_p和T的测量值及传热系数的计算值，其偏差小于1%，并且结果不是单方向变化。而当测试高热阻试件时，这个要求可能不充分，应该延长试验时间。

图3墙体传热系数测试随时间的变化关系     图4墙体传热测试与养护时间的关系

3.4养护时间对结果的影响

在测试过程中试件的含湿量对结果的影响是不容忽视的。在测试过程中当周边温度降低，低于砌体材料内孔混合气体露点时，水汽凝结为水，加之水在材料内特殊出现的毛细作用，使材料内的传热方式由单一的导热，转变为兼含导热和比导热强烈得多的热对流传热方式——对流换热。这样使材料的导热系数不但远高于空气的导热系数（K = 0 . 015 W /(m²·K) ），也比纯水的导热系数（K = 0 . 35 W /(m²·K)）大得多。例如，普通干砖的K = 0 . 35 W /(m²·K)，而潮湿砖的K = 1 . 0 W /(m²·K) 。所以在测试时我们要求试件能达到气干的状态，以减小湿迁移对结果的影响。

含湿量对湿迁移有着明显的影响。 根据扩散、毛细吸附和蒸发—凝结三种过程机理，我们一般认为：蒸发—凝结，在不同含湿情况下都存在；扩散机理则主要发生在低、中含湿量区；而毛细吸附主要发生在中、高含湿量区。具体地说，在给定温度下，可以认为：（1）在低含湿量下，主要迁移方式是蒸汽的扩散；由于在很低的含湿量下，气孔有较大的通流面积，蒸汽的扩散受壁面吸湿的牵制较少，主要取决于含湿量的多少，使材料的总当量导热系数表现为随着含湿量的增加而迅速增大。（2）含湿量增加到一定程度以后，气孔允许蒸汽扩散的通流面积减小，气孔壁面又尚未处于湿饱和状态，因而壁面的吸湿效应变得显著起来，使材料的总当量导热系数随含湿量增长的速度变慢；与此同时，随着含湿量的增加，液相的毛细回流增强，这种湿迁移和蒸汽扩散的湿迁移方向相反，使材料的总当量导热系数随含湿量的增大变得更慢。（3）在高含湿量时，例如接近第一饱和状态，亦即微小连通孔隙饱和、特大孔隙壁面湿润时，毛细回流已增强到使总的湿迁移热效应减弱到可被忽略不计，从而使材料的总当量导热系数随含湿量增大的速率逼近于真导热系数随含湿量增大的速率。

墙体的传热系数测试与其本身的含水量有密切的关系（见图4），对于同一个墙体材料，将其放置在通风的环境中进行自然养护，养护时间越长其含湿量越低，测得的传热数据也越逼近于真实的传热系数。考虑测试的准确性和检测的效率，可将养护时间定为10d左右。

1.1.1.4     4结论

标定热箱法实验装置用于建筑围护结构砌体材料的热工性能测试，理论上成熟，测试技术可行。与平板热箱法、热流计法等现场测试仪器相比，尽管实验装置存在制作复杂，投入成本较高，且操作技术难度较大，又不能对实物进行检测等缺点。但由于其较好地模拟了室外气象条件，不受客观测试环境影响，因而测试精度能较好地得到保证。为目前建筑围护结构砌体材料的热工性能的测试，提供了一种良好的测试手段。就标定热箱法测试墙材传热系数总结了以下几点：

1、  标定热箱法能够准确、真实的测出建筑围护结构砌体材料的传热系数。

2、  样品制作时要将试件与试件框进行良好密封，防止试件与试件框之间存在缝隙，影响检测结果。

3、  检测设备的温度控制精度一定要达到规范要求的稳定状态。

4、  样品测试时对于高热阻的试件，为了能达到稳态的要求（来自两个至少3h的测量周期中的Q_p和T的测量值及传热系数的计算值，其偏差小于1%，并且结果不是单方向变化），应该延长试验时间。

5、  试件的含湿量对结果的测试的影响是不容忽视的。所以在测试前我们要求试件能达到气干的状态，以减小其对结果的影响。

1.1.1.5     参考文献

[1]张镛,田斌守,. 用冷箱控温检测墙体传热系数的探索[J]. 墙材革新与建筑节能,2006,(7).

[2]中华人民共和国国家标准.《建筑构件稳态传递性质的测定标定和防护热箱法》GB/T 13475-2008[S]. 2008

[3]聂玉强,邝小磊,. 防护热箱法实验装置测试技术与不确定度评定[J]. 新型建筑材料,2006,(8).

[4]王补宣,王仁. 含湿建筑材料的导热系数[J]. 工程热物理学报,1983,(2).