基于防护热箱法的围护结构传热系数检测系统校准试验研究.pdf

新型建筑材料圆园23援09收稿日期：2023-08-02作者简介：刘月莉，女，1949 年生，研究员，E-mail：。0引言近年来，随着建筑业的不断发展，建筑能耗的总量不断攀升，建筑建造与运行阶段能耗约占全社会总能耗的 33%1，随着人民生活水平提高，建筑领域的能耗占比仍将进一步上升2。围护结构热工性能的优劣对建筑能耗影响较大，其中传热系数是衡量围护结构节能水平的一项重要指标，传热系数越大，表明围护结构的节能水平越低，能耗损失越大。反之，则围护结构的节能水平越高，能耗损失越小。如何准确检测围护结构的传热系数 K 对实现建筑节能具有极其重要的意义。目前国内检测围护结构传热系数通常采用标定热箱法、防护热箱法、热流计法和红外热成像仪法等，按照检测场所不同又分为现场检测和实验室检测，实验室检测主要采用防护热箱法和标定热箱法3。防护热箱法检测透光围护结构传热系数具有测试精度高、重复性好等特点，然而，在实际检测中也存在一定误差和不确定性。因此，开展透光围护结构传热系数校准试验研究，对于提高透光围护结构传热系数的准确度和可靠性具有重要意义。1试验原理及系统构成1.1试验原理摘要：防护热箱法具有精确度高、重复性好等特点，适用于建筑透光围护结构传热系数的实验室测试。但在实际测试时仍存在误差，因此开展防护热箱法的校准试验研究具有重要意义。系统介绍了防护热箱法的检测原理、试验系统构成，详细说明了校准试验方法及测试流程，并给出了不同厚度标准试件的热量校准曲线。在实际测试中，可通过校准热量进行热计量箱投入热量的修正，进而准确计算得到试件的传热系数。关键词：透光围护结构；防护热箱法；校准试验；传热系数中图分类号：TU111.2文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）09-0102-04Discussion on calibration test of heat transfer coefficient detection system of enclosure structurebased on protective hot box methodLIU Yueli1，YUAN Tao1，NIU Pu2，WANG Ying1，GU Yaping3，SHI Shuihua4，ZHANG Zhongwei4（1.China Academy of Building Research，Beijing 100013，China；2.Zhejiang Building Science Design and Research Institute Co.Ltd.，Hangzhou 310000，China；3.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；4.Zhejiang Baoye Construction Industry Research Institute Co.Ltd.，Shaoxing 312030，China）Abstract：The protective hot box method has the characteristics of high accuracy and good repeatability，and is suitable forlaboratory testing of heat transfer coefficient of building light transmission envelope.However，there are still certain errors in theactual test，so it is of great significance to carry out the calibration test study of the protective hot box method.This papersystematically introduces the detection principle and test system composition of the protective hot box method，describes thecalibration test method and test process in detail，and finally gives the thermal calibration curve under different standard specimenthicknesses.In the actual test，the heat input into the heat chamber can be corrected by calibrating the heat，and the heat transfercoefficient of the specimen can be accurately calculated.Key words：light-transmitting enclosure，protective hot box method，calibration test，heat transfer coefficient基于防护热箱法的围护结构传热系数检测系统校准试验研究刘月莉1，袁涛1，牛璞2，王营1，古亚萍3，施水华4，张忠伟4（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013；2.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州310000;3.河南理工大学，河南 焦作454003；4.浙江宝业建设产业研究院有限公司，浙江 绍兴312030）中国科技核心期刊102晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂防护热箱法是一种基于稳态传热原理的试验方法，通过人工制造一个一维传热环境，将待测试件安装在检测系统的热计量箱与冷箱之间，并对试件周围缝隙进行密封处理，试件两侧分别模拟建筑物冬季室内、外的空气温度和气流速度（即热计量箱内模拟室内采暖条件，冷箱模拟室外冬季自然条件）4。在稳定传热状态下测量温度、投入热量等参数，通过计算得到被测试件的传热系数 K。热计量箱被防护箱围绕，通过控制防护热箱内的环境温度，使试件内不平衡热流量和流过热计量箱壁的热流量减至最小。在校准试验时，通过在装置内安装一个均质的标准板，在计算机控制系统上设定热计量箱内、防护箱内和冷箱内温度。传热稳定后，热计量箱内、外空气温度平衡，试件表面上温度平衡，通过试件的传热量、试件内的不平衡热流量与通过热计量箱的热量将等于输入热计量箱的热量。然而，在试验过程中，即使是均质绝热材料试件，靠近热计量箱边界的局部表面换热系数也是不均匀的，标准板的非均匀性将增加局部表面换热系数和试件表面温度的不均匀，因此，有必要对试件内部不平衡热流量和通过热计量箱壁的热流量进行修正。本文通过校准试验得出校准曲线进而对检测系统的热量损失进行修正。1.2检测系统采用防护热箱法的透光围护结构传热系数检测系统，依据日本工业标准 JIS A14201999 进行搭建，主要由冷箱、试件框、防护箱、热计量箱等组成5。透光围护结构传热系数检测系统示意见图 1。图 1透光围护结构传热系数检测系统示意冷箱在试件另一侧形成一个较热计量箱内温度低的环境，以便在试件冷、热侧形成恒定的传热温差。它是由箱内制冷装置、导流屏、电加热器、冷风气流通道、温湿度传感器组成；试件框的功能主要是用来安装待测试件；防护箱保证热计量箱壁面不受实验室环境的影响，提高测量精度；热计量箱在试件的热侧模拟并维持箱内热环境，由箱体 5 个壁面、导流屏、电加热器、循环风机、热风气流通道、表面温度传感器、空气温度传感器、鼻锥、夹具组成，热计量箱采用移动结构，其整体设计结构确保热计量箱与试件框洞口密封；温度控制系统主要依靠稳压电源，箱内温度采用 PID 调节，具有稳定性好的特点。2校准方法当透光围护结构传热系数检测系统校准试验处于稳定状态时，热计量箱内供给热量（QH+QF）与通过标准板试件的传热量 Qs、流经热计量箱壁面的热量 Q3、非鼻锥结构的边缘热损失 Q追和试件内不平衡热量 Q2的代数和相等。其中，Qs通过测量标准板冷热两侧表面温度、导热系数和厚度计算得出；热计量箱壁与试件框接触部位为非鼻锥结构（见图 2），其边缘热损失 Q追会对校准热量产生影响。传热系数检测系统校准试验原理见图 2。图 2传热系数检测系统校准原理当采用防护热箱法进行传热系数检测系统校准试验时，Q2、Q3和 Q追均会对测试结果产生影响，因此需要评估校准热量 QL（包含 Q2、Q3以及 Q追）6的大小。校准热量 QL为检测系统内供给热量（QH+QF）与通过标准板向冷箱的传热量 QS之差，QL、QS分别按式（1）、式（2）计算。QL=QH+QF-QS（1）Qs=兹1-兹2Rs伊AS（2）式中：QH电加热器加热量，W；QF循环风机散热量，W；兹1热计量箱内侧表面温度，益；兹2热计量箱环境侧表面温度，益；RS标准板的热阻，（m2 K）/W；As标准板的传热面积，m2。将已知导热系数及厚度的校准板安装在试件框上，当试件传热处于稳定状态时，通过测量热计量箱内投入的热量QH和 QF，以及标准板内、外表面温度 兹1和 兹2，根据标准板的导热系数及其冷、热侧表面温差求出通过标准板的传热量 QS，按式（1）计算校准热量 QL与热计量箱内外空气温度的关系。校准方法是采用同一块标准试件进行 3 种不同工况下的试验，通过改变防护箱内的温度，根据式（1）、式（2）计算得到刘月莉，等：基于防护热箱法的围护结构传热系数检测系统校准试验研究103新型建筑材料圆园23援09校准热量 QL，并分析热计量箱内、外的表面温差与校准热量的关系，从而拟合得出校准曲线。3校准试验3.1标准板选用与安装校准试验采用聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS）作为标准板，标准板尺寸（长伊宽）为 2000 mm伊2000 mm，厚度分别为 50、100、150 mm。采用导热系数测试仪测试标准板的导热系数，确保校准试验测量数据准确可靠。将标准板安装在试件框洞口，使标准板的热侧表面与试件框洞口热侧表面齐平，采用聚氨酯发泡胶密封标准板与试件框之间的缝隙，接缝处使用胶带粘贴，避免漏气。3.2温度测点设置校准试验共设置 60 个温度测点。热计量箱壁内、外表面分别布置 12 个测点；热计量箱内空气温度测点 9 个，布置在导流屏与试件框之间，分为上、中、下 3 层，每层设置 3 个测点，用于检验热计量箱内空气在垂直方向上的分布情况，测点位置距离试件框热侧表面水平距离 250 mm；冷箱内布置 9 个空气温度测点，其测点位置与热计量箱内空气温度测点位置相对应；试件冷、热侧表面分别均匀布置 9 个温度测点。温度传感器采用 T 型铜原铜镍热电偶，其测量精度为依0.5益。为保证检测数据的准确性，表面温度传感器使用胶带纸固定牢靠，避免脱落；空气温度传感器采用铝箔进行屏蔽。标准板表面温度测点布置见图 3。图 3标准板表面温度测点布置3.3试验条件通过改变防护箱内空气温度，进行 3 组标准板的校准试验，冷箱、热计量箱内空气温度分别为-20、20 益；风速分别为3.0、0.3 m/s；防护箱内空气温度分别为 15、20、25 益。试件安装及周边密封完好后，启动检测系统，待试验工况稳定后，进行数据采集。3 组标准板校准试验完成后，对数据进行处理，分析检测系统校准热量与热计量箱壁面温差的关系。4结果分析4.1校准试验结果检测系统启动后，冷箱、热计量箱和防护箱内的空气温度逐渐达到设定值，温度偏差在允许的范围内非单向波动，此时检测系统传热达到稳定状态。取 6 次测量参数平均值，整理得到如表 1 所示。50 mm 厚标准版在不同防护箱内空气温度的试验数据100 mm 厚标准版在不同防护箱内空气温度的试验数据150 mm 厚标准版在不同防护箱内空气温度的试验数据15 益20 益15 益20 益15 益20 益25 益电加热功率/W131.06114.0695.6677.2059.7041.3257.8038.3022.30风扇功率/W2.242.242.242.242.242.242.242.242.24热计量箱内空气温度/益21.3021.0020.8020.8720.7020.6420.8020.6120.50冷箱内空气温度/益-20.20-20.10-20.00-19.41-20.10-19.34-19.30-19.32-19.40标准板热侧、冷侧表面温差/K36.1736.0235.8538.0838.2237.8638.6738.5038.60热计量箱内、外壁面温差/K5.080.53-4.255.040.62-3.964.880.20-4.10标准板传热量/W105.41104.97104.4853.3153.5153.0036.0935.9336.03热计量箱壁校准热量/W27.8911.33-6.5826.138.43-9.4423.954.61-11.49项 目25 益25 益表 1校准试验数据汇总将3 组测试数据代入式（1）、式（2）中，得到厚度分别为50、100、150 mm EPS 标准板的校准热量值 QL。4.2校准结果分析将校准热量作为因变量，热计量箱内外壁面温差作为自变量，进行线性拟合，利用拟合后的函数关系式对通过标准板传入冷箱的热量进行修正，进而提高检测精度。线性拟合得到的关系式见式（3）。QL=at+b（3）式中：a校准曲线斜率，常数；t热计量箱内、外壁面温差，K；b校准曲线截距，常数。厚度为 50、100、150 mm EPS 标准板校准曲线见图 4。刘月莉，等：基于防护热箱法的围护结构传热系数检测系统校准试验研究104晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 4热计量箱校准曲线由图 4 可知，当校准试验采用 50、100、150 mm EPS 板时，热计量箱内、外表面平均温差与计量箱校准热量之间的关系式分别为 y=3.6947x+9.2053、y=3.9521x+6.1325、y=3.9487x+4.3994，线性相关性系数 R2分别为 0.9999、0.9999、0.9992。3个标准板测试得出的数据，拟合后的函数关系式相关性较好，可作为修正函数使用。5传热系数检测校准结果应用5.1试件框与试件侧向热损失 Q追.sp的评估当采用防护热箱法进行透光围护结构传热系数检测时，流经试件与填充板的侧向热损失 Q追.sp也会对测试结果产生影响，因此需要对 Q追.sp进行评估。Q追.sp的评估参照 EN ISO 12567-12010 门窗热性能 用热箱法测定热传导系数 第 1 部分：成套门窗 中的相关规定。被测试件与试件框的边缘传热相关构成见图 5。图 5标准板冷侧与试件框边缘传热示意根据式（4），计算被测试件与填充板的边缘热损失量 Q追.sp。Q追.sp=L伊追伊（t1-t2）（4）式中：L试件与填充板的边缘接触长度，m；追线传热系数，W/（m K）；t1热计量箱内空气温度，益；t2冷箱内空气温度，益。5.2试件传热系数的计算当进行透光围护结构传热系数检测时，根据填充板的厚度，利用校准试验得到的函数关系得到的校准热量 QL.棕，修正通过透光围护结构的传热量 Qsp，进而计算试件的传热系数Ksp。传热系数检测时试件校准热量修正值见表 2。表 2传热系数检测时试件校准热量修正值QL.棕如表 2 所示，得到式（5）、式（6）。Qsp=QH.sp+QF.sp-Q追.sp-QL.棕（5）Ksp=Qsp/Asp伊（t1-t2）（6）式中：t1热计量箱内空气温度，益；t2冷箱内空气温度，益；Asp透光围护结构的传热面积，m2。6结论（1）根据实际测试拟合出的 3 个标准板的校准曲线可知，当标准板厚度增加时，标准板与试件框之间的边缘热损失量逐渐减少。（2）根据防护热箱法检测原理可知，当热计量箱壁内、外表面温差为 0 时，通过热计量箱壁面的换热量忽略不计。但从实测得到的校准曲线可以看出，热计量箱非鼻锥构造和试件内的不平衡热量损失，使得曲线截距值不为 0，故校准曲线不经过原点。（3）透光围护结构试件传热系数检测时，应根据不同厚度填充板的校准热量及侧向边缘热损失进行试件传热量的修正，计算得出试件的传热系数值。参考文献：1清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2021M.北京：中国建筑工业出版社，2021.2司小雷.我国的建筑能耗现状及解决对策J.建筑节能，2008（2）：71-75.3蒋德勇.稳态防护热箱法检测墙体材料传热系数相关问题探讨J.砖瓦，2015（6）：55-57.4ASTM C13632011，用高温实验室法测定建筑材料和包装组件热性能的标准试验方法S.5JIS A14201999，定常状態熱輸送特性測定校正熱箱法S.6BurattiC，BelloniE，LunghiL，etal.Thermalconductivitymeasurements by means of a new small hot-box apparatus：manufacturing，calibration and preliminary experimental tests ondifferentmaterials J.International Journal of Thermophysics，2016，37（5）：47.蒉项 目50 mmEPS100 mmEPS150 mmEPS热计量箱内、外壁面温差/K0.530.620.20热计量箱壁面的校准热量/W11.338.434.61刘月莉，等：基于防护热箱法的围护结构传热系数检测系统校准试验研究105