门窗传热系数标定试验研究

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2100mm×2400mm，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ε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，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△θ1和△θ2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。在传热过程稳定之后，每隔30min测量一次参数th、tc、△θ1、△θ2、△θ3、Q，共测六次。六次取平均值，传热系数K由下式计算：12312()hcQMMSKAtt（1）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）；△θ1-热箱外壁内、外表面加权平均温度之差，(K)；△θ2-试件框热侧冷侧表面加权平均温度之差，（K）；S-填充板面积，（m2）；△θ3-填充板热侧表面与冷侧表面的平均温差，(K)；A-试件面积（m2）；th--热箱空气平局温度，（℃）；tc—冷箱空气平局温度，（℃）；Λ—填充板热导率，W/(m.K)。3标定3.1标定原理按照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。12312bbQMMS（2）''''12312bbQMMS（3）Q,Q’—分别为两次标定试验的热箱加热器加热功率，W；△θ1，△θ1‘—两次标定试验的热箱外壁内外表面加权平均温差，K；△θ2，△θ2‘-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；△θ3，△θ3’-两次标定试验的标准试件两表面之间平均温差，K；Λb—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，△θ1，△θ1‘绝对值不应小于4.5K，（△θ1-△θ1‘）的绝对值应大于9.0K，△θ2，△θ2‘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△θ1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（△θ1-△θ1‘）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℃。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△θ1分别是3.25℃、4.6℃、4.53℃、5.15℃5.51℃；第一种工况试件框热侧、冷侧表面加权平均温差△θ2分别为29.37℃、29.35℃、38.86℃、38.82℃、40.25℃；第一种工况标准试件两表面之间平均温差△θ3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△θ1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△θ2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△θ3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、188.71W、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/T8484-2002，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-10℃±1K和-20℃±1K，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的值都随着试验仪器使用的期限而变化。见下表：02468102004200620082010201220142016M1M2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、1.2m2、1.5m2、1.8m2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=1.0131.0m21.571.491.441.391.461.2m21.941.881.841.791.851.5m22.472.412.382.352.391.8m22.772.732.712.682.71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1.0m21.470.06520.04440.01991.2m21.860.05430.02920.01311.5m22.400.04350.01810.00811.8m21.720.03620.01330.0060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*△θ1；第三，通过试件框的热量M2*△θ2；第四，通过标准填充板的热量S*△θ3*Λ。通过大量的试验资料得出，△θ1的值一般介于0K-1K之间，△θ2的值一般在38K，△θ3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△θ1要比M2所乘的温差△θ2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△θ2=0,△θ3=0,(1)式可以化简如下：110QM（3）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△θ1=0,(1)式可以化简如下：232bbQMS（4）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表：第一种工况Q△θ1△θ3M140.65.0008.125第二种工况Q△θ2△θ3M2113.238.5435.281.108新创标定方法的优缺点优点：对标定的大环境要求没有那么严苛，任何季节任何时间段都可以进行标定。缺点：第一种工况下对环境温度和热箱温度的稳定性要求较高，即需要保证热箱外壁对环境空间没有热量交换；第二种工况下对热箱温度和冷箱温度的稳定性要求较高，即需要保证热箱和冷箱之间没有热量交换。结论：热流系数的标定工作对于门窗传热系数的检测具有重要