门窗传热系数标定试验研究

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。现有研究对热流系数的关注

2、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/（m2K）。热箱内表面半球发射率e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/（m2K）,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/Wo关于环境空间的要求，检测

3、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 C和0.3 C ；温差 8 1和 8 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

4、传热过程稳定之后，每隔 30min测量一次参数th、t七、8 1、 8 2、8 3、共测六次。六次取平均值，传热系数 K由下式计算：(1)/Q M1 1 M2 2 S KA?(th tc)其中，Q-加热器加热功率，（恍M1-热箱外壁热流系数，（W/ M2-热试 件框热流系数，（W/K）; 8 1-热箱外壁内、外表面加权平均温度之差，（K）;8 2-试件框热侧冷侧表面加权平均温度之差，呦；S-填充板面积，(m2);9 3-填充板热侧表面与冷侧表面的平均温差，(K) ; A-试件面积(吊)；th-热 箱空气平局温度，(C)； tc一冷箱空气平局温度，(C)； A一填充板热导率， W/(m.K)。3

5、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。Q M1? i M 2?2 Sb? b?3(2)Q M1?1 M 2?2 Sb? b?3(3)Q,Q'-分别为两次标定试验的热箱加热器加热功率，W,8 1, 8 1 '一两次标定试验的热箱外壁内

6、外表面加权平均温差， K;8 2,9 2a-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;9 3,9 3k-两次标定试验的标准试件两表面之间平均温差，K; A 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，8 1,8r绝对值不应小于4.5K, ( 8 1- 9 U)的绝对值应大于9.0K,9 2,8 2公尽可能相同或相近。如果严格按照规范执行，热箱温度设置为20c的话，那么第一次的环境温度就要设置在 15c以下 这样才能保证81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

7、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(8 1- 9 1a)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10Co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15C, 10c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 5

8、00mm勺空间。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0c左右，豆季最热的时候气温高达40Co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 16C,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15C； 2008年以后，第一种工况环境温度设置为15C,第二种 环境工况设置为6C0 2006、2008、2010 2012、2014年，第一种工况热箱外 壁内、外表

9、面加权平均温差分别是3.25C、4.6C、4.53C、5.15 C 5.51 C ；第一种工况试件框热侧、冷侧表面加权平均温差4 9 2 分别为29.37 C、 29.35 C、38.86 C、38.82 C、40.25 C ；第一种工况标准试件两表面之间平均 温差48 3 分别为 27.73 C、25.59 C、35.32 C、35.29 C、36.58 C ；第二种工 况热箱外壁内、外表面加权平均温差48 1 分别为2.87C、1.87C、13.77C、 14.93 C、14.53 C ；第二种工况试件框热侧、冷侧表面加权平均温差4 9 2分别为 37.14 C、37.22 C、38.91

10、 C、38.85 C、40.22 C ;第二种工况标准试件 两表面之间平均温差48 3 分别为34.43 C、32.61 C、35.55 C、35.42 C、 36.71 C ；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 229.91皿 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

11、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- 11Co而在进行标定实验时，冷箱空气温度分别设 置为-10C ± 1K和-20C ± 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/T8484-200&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：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

12、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.

13、5m2、1.8m2的铝合金窗为例。、日期2006年M1=3.517M2=0.9412008年M1=5.631M2=1.0042010 年 M1=5.727 M2=1.0472012年M1=7.853M2=1.0852014年M1=7.971M2=1.0131.0 m21.571.491.441.391.461.2 m21.941.881.841.791.851.5 m22.472.412.382.352.391.8 m22.772.732.712.682.71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2

14、W/(m2.K)实际标准偏差相对标准偏差A类不确定 度1.0 m21.470.06520.04440.01991.2 m21.860.05430.02920.01311.5 m22.400.04350.01810.00811.8 m21.720.03620.01330.0060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*A 9 1;第三,通过试件框的热量 M2*4 9 2;第四，通过标准填充板的热 量S*z 8 3*A。通过

15、大量的试验资料得出， 9 1 的值一般介于0K-1K之间， 82的值一般在38K, 9 3的值一般在35（加热功率Q是一个决定性的因 素，M1所占权重要比M2、很多，因为M1所乘的温差 8 1要比M2所乘的温差 82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3

16、0min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(心 中的 9 2=0, 9 3=0, (1)式可以化简 如下：Q M1? i 0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Mio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

17、面温度，上 式(小)中的 9 1=0,(1)式可以化简如下：Q M2? 2 Sb? b? 3(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：A种工况Q 9 1 9 3M140.65.0008.125第二种工况Q 9 2 9 3M2113.238.5435.281.108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