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1、热流系数标定的研究分析上海建筑门窗检测站 武智峰1 引言门窗传热系数是保证门窗保温性能的指标。表示在稳定传热条件下，外门窗两侧空气温差为 1K，单位时间内，通过单位面积的传热量。实验室检测热流系数一般采用标定热箱法。按照 GB/T8484-2008 建筑外门窗保温性能分级及检测方法 ，在检测传热系数的试验装置中，有一个热流系数的概念。热流系数的定义是：在稳定传热状态下，标定热箱中箱体或试件框两表面温差为 1K 时的传热量。热流系数是传热系数检测的前提和基础，影响到传热系数 K 检测的准确性。按照标准的规定，热流系数每年定期标定一次。如果试验箱体构造、尺寸发生变化，必须重新标定。现有研究对热流系
2、数的关注并不多，本文根据多年的标定经验，讨论热流系数对最终 K 值的影响，以及不同标定方法对标定结果的影响。2 检测装置检测装置主要由热箱、冷箱、试件框、控湿系统和环境空间五部分组成。热箱内净尺寸 2100mm2400mm，进深 2000mm。热箱外壁结构由均质材料组成，热阻不小于 3.5w/(m2.K)。热箱内表面半球发射率 应大于 0.85。冷箱尺寸与试件框外边缘尺寸相同，里面容纳了制冷与加热设备及气流组织构件。冷箱外壁采用不吸湿的保温材料，热阻不小于 3.5w/(m2.K)，内表面采用不吸湿，耐腐蚀的材料。试件框也采用不吸湿、均质的保温材料，热阻值 7.0m2.K/W。关于环境空间的要求
3、，检测装置放在装有空调的实验室内，保证热箱外壁内、外表面面积加权平均温度小于 1.0K。实验室空气波动不大于 0.5K。实验室维护结构应有良好的保温性能和热稳定性，避免太阳光进入。实验室墙体及顶棚应经行绝热处理。3 检测程序启动检测装置，设定冷热箱和环境空气温度。当冷、热箱和环境空气达到设定值后，监控各控制点温度，使冷、热箱和环境空气温度维持稳定。达到稳定状态后，如果逐时测量得到热箱和冷箱的空气平均温度 th和 tc每小时的绝对值分别不大于 0.1和 0.3；温差1 和2 每小时变化的绝对值不大于0.1K 和 0.3K，且上述温度和温差的变化不是单向变化，则表示传热过程已达到稳定过程。在传热过
4、程稳定之后，每隔 30min 测量一次参数 th、t c、1、2、3、Q，共测六次。六次取平均值，传热系数 K 由下式计算：（1）123()hcMSKAt其中，Q加热器加热功率， （W） ；M1-热箱外壁热流系数， （W/K） ；M2-热试件框热流系数， （W/K） ；1-热箱外壁内、外表面加权平均温度之差，(K)；2-试件框热侧冷侧表面加权平均温度之差， （K） ；S-填充板面积， （m 2） ；3-填充板热侧表面与冷侧表面的平均温差，(K)；A-试件面积（m 2） ；t h-热箱空气平局温度， （） ；t c冷箱空气平局温度， （） ；填充板热导率，W/(m.K)。3 标定3.1 标定原理
5、按照 GB/T8484-2008 标准方法标定，单层窗的标定方法是：用与试件洞口面积相同的标准试件安装在洞口上，安装方法同试件的安装。标定试验在与保温性能试验相同的冷、热箱空气温度、风速等条件下，改变环境温度，进行两种不同工况的试验。当传热过程达到稳定之后，每隔 30min 测量一次有关参数，共测六次，取各测量参数的平均值，按照下式 1、2 联解求得热流系数 M1 和M2。（2）123bQMS（3） Q,Q分别为两次标定试验的热箱加热器加热功率，W；1，1 两次标定试验的热箱外壁内外表面加权平均温差，K；2，2 -两次标定试验的试件框热侧与冷侧表面面积加权平均温差，K；3，3 -两次标定试验的
6、标准试件两表面之间平均温差，K； b标准试件的热导率，W/(m2.K)。特别的，GB/T8484-2008 中规定，两次标定应在标准版两侧空气温差相同或相近的条件下进行，1，1 绝对值不应小于 4.5K， （1-1 ）的绝对值应大于 9.0K，2，2 尽可能相同或相近。如果严格按照规范执行，热箱温度设置为 20的话，那么第一次的环境温度就要设置在 15以下。这样才能保证1 的绝对值不小于 4.5K。因为实际上热箱外壁内表面温度要比热箱空气温度低一点，而热箱外壁外表面温度又要比环境温度高一点。同时，为了满足（1-1 ）的绝对值应大于 9.0K，第二次试验的环境温度设置就要更低，大约设置为 10。
7、需要强调的是，标定热箱法计量的热量全部来自加热器并且只能来自加热器。如果环境温度高于热箱温度的话，那么环境中的热量就会逆行进入热箱，而这些由环境传递到热箱的热量是无法计量的。所以，任何将环境温度设置高于热箱温度的标定试验都是错误的。基于以上原因，两次标定试验的环境温度设置为 15，10是最低的要求。环境温度是指冷热箱所在房间的温度，这个房间的大小因不同实验室各不相同。基本的要求是热箱外壁与周边壁面之间至少留有 500mm 的空间。并且房间必须装有空调。以上海地区为例，冬季最冷时候气温可以达到 0左右，夏季最热的时候气温高达 40。如果要实现标定时的环境空间温度，只能将标定的时间选在冬季寒冷的季
8、节，通过空调并辅以智能控温的电加热器，将环境空间温度稳定在较低的水平。在炎热的夏季，普通的舒适性空调能制冷的极限是16，不能满足标定试验的要求。3.2 标定记录以下是笔者所在实验室保温性能试验仪器多年的标定记录：2008 年以前环境温度设置为 15；2008 年以后，第一种工况环境温度设置为 15，第二种环境工况设置为 6。2006、2008、2010、2012、2014 年，第一种工况热箱外壁内、外表面加权平均温差1 分别是 3.25、4.6、4.53、5.155.51；第一种工况试件框热侧、冷侧表面加权平均温差2 分别为 29.37、29.35、38.86、38.82、40.25；第一种工
9、况标准试件两表面之间平均温差3 分别为 27.73、25.59、35.32、35.29、36.58；第二种工况热箱外壁内、外表面加权平均温差1 分别为 2.87、1.87、13.77、14.93、14.53；第二种工况试件框热侧、冷侧表面加权平均温差2 分别为 37.14、37.22、38.91、38.85、40.22；第二种工况标准试件两表面之间平均温差3 分别为 34.43、32.61、35.55、35.42、36.71；第一种工况热功率 Q 分别为95.56W、107.88W、135.29W、151.17W、157.78W；第二种工况热功率 Q 分别为115.69W、114.81W、18
10、8.71W、228.25W、229.91W；标定得到的结果分别是M1=3.517、5.631、5.727、7.853、7.791；M2=0.941、1.004、1.047、1.085、1.013。上述记录中包含了 2006,2008 年的标定记录，当时执行的标准是 GB/T 8484-2002，按照此标准，上海属于夏热冬冷地区，在进行保温性能试验时，冷箱空气温度可以设定为-9-11。而在进行标定实验时，冷箱空气温度分别设置为-101K 和-201K，在其他检测条件与保温性能试验相近的两种不同工况下，各进行一次，数据采集与处理同 GB/T8484-2008。从历年标定的结果来看，M1 和 M2
11、的值都随着试验仪器使用的期限而变化。见下表：02468102004 2006 2008 2010 2012 2014 2016M1M2可以看出，第一：MI 和 M2 随着时间推移基本上都在逐渐变大。这是因为热箱外壁和试件框虽然都采用不吸湿的保温材料，但随着时间推移，材料老化和潮气入侵，外壁和试件框的保温性能不可避免的出现下降，传热量也相应的增多。第二：M2 的变化幅度要小于 M1,甚至在 2014 年，M2 的值出现下降。可以看出的是，M2 的值逐渐变大是一个趋势，2014 年标定值偏小应该是因为标定误差的关系。热箱外壁包含 5 个面，面积远大于试件框；而且试件框材料的热阻也要大于热箱外壁材料
12、的热阻，如果使用同一种保温材料的话，这种区别就反映在厚度上，以笔者所在实验室为例，热箱外壁厚度只有 15cm,试件框厚度则有 50cm。试件框的保温性能比热箱外壁的保温性能更加稳定。4 标定结果对传热系数 K 值的影响分析在 M1 和 M2 标定完成后，可以按照公式（1）计算传热系数。分别取尺寸为 1.0m2、1.2m 2 、1.5m 2、1.8m 2 的铝合金窗为例。日期面积2006年M1=3.517M2=0.9412008年M1=5.631M2=1.0042010 年M1=5.727M2=1.0472012年M1=7.853M2=1.0852014年M1=7.971M2=1.0131.0
13、m2 1.57 1.49 1.44 1.39 1.461.2 m2 1.94 1.88 1.84 1.79 1.851.5 m2 2.47 2.41 2.38 2.35 2.391.8 m2 2.77 2.73 2.71 2.68 2.71上表中传热系数的计算所需其他数据采用 2014 年试验数据，06，08,10,12年的计算仅仅改变 M1 和 M2 的值。下表是统计数据：均值W/(m2.K)实际标准偏差 相对标准偏差 A 类不确定度1.0 m2 1.47 0.0652 0.0444 0.01991.2 m2 1.86 0.0543 0.0292 0.01311.5 m2 2.40 0.04
14、35 0.0181 0.00811.8 m2 1.72 0.0362 0.0133 0.0060可见，试件面积越大，标定结果对试件测试的结果影响就越小。试件越小，对试验中的不稳定因数就越敏感。当试件面积一定的时候，影响最终 K 值的主要有以下几个个因素。第一，加热器加热功率 Q；第二，通过热箱外壁的热量M1*1；第三，通过试件框的热量 M2*2；第四，通过标准填充板的热量 S*3*。通过大量的试验资料得出，1 的值一般介于 0K-1K 之间，2 的值一般在 38K，3 的值一般在 35K。加热功率 Q 是一个决定性的因素，M1 所占权重要比 M2 小很多，因为 M1 所乘的温差1 要比 M2
15、所乘的温差2 小很多。从上表的数据可以看出，M1 从 2006 年的 3.517 到 2014 年的7.971，变化很大，但对最终 K 值的影响却不大，因为在此期间 M2 的变化很小。5 新创方法标定用与试件洞口面积相同的标准试件安装在洞口上，安装方法同标定方法1。改变标定的温度设置。首先，设置热箱温度为保温性能试验时的热箱温度，冷箱温度等于热箱温度，环境温度低于热箱温度。开启设备，当传热过程稳定后，每隔 30min 测量一次有关参数，共测六次，取各测量参数的平均值。因为热箱温度等于冷箱温度，冷热箱之间的热量传递值为零，故试件框热侧表面与冷侧表面的温差为零。所以上式（1）中的2=0, 3=0, (1)式可以化简如下：（3）10QM上式中各个参数只有 M1 是未知的，其余参数都可以通过一次实验就得到，通过方程求解得到 M1。第二步，同样设置热箱温度为保温性能试验时的温度，设置环境温度等于热箱温度，设置冷箱温度为保温性能试验时的温度。开启设备，当传热过程稳定后，每隔 30min 测量一次有关参数，共测六次，取各测量参数的平均值。因为热箱温度等于环境温度，所以热箱内壁表面温度等于热箱外壁表面温度，上式（1）中的1=0,(1)式可以化简如下：（4）23bQMS同样的，上式中只有 M2 是未知数，可通过方程求解得到。运用该标定方法，笔者所在试验仪器的标定数据如下
