門窗傳熱系數(shù)標(biāo)定試驗研究

1、熱流系數(shù)標(biāo)定的研究分析上海建筑門窗檢測站武智峰1引言門窗傳熱系數(shù)是保證門窗保溫性能的指標(biāo)。表示在穩(wěn)定傳熱條件下，外門 窗兩側(cè)空氣溫差為1K,單位時間內(nèi)，通過單位面積的傳熱量。實驗室檢測熱流 系數(shù)一般采用標(biāo)定熱箱法。按照 GB/T8484-2008建筑外門窗保溫性能分級及 檢測方法，在檢測傳熱系數(shù)的試驗裝置中，有一個熱流系數(shù)的概念。熱流系數(shù) 的定義是：在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，標(biāo)定熱箱中箱體或試件框兩表面溫差為1K時的傳熱量。熱流系數(shù)是傳熱系數(shù)檢測的前提和基礎(chǔ)，影響到傳熱系數(shù)K檢測的準(zhǔn)確性。按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，熱流系數(shù)每年定期標(biāo)定一次。如果試驗箱體構(gòu)造、 尺寸發(fā)生變化，必須重新標(biāo)定。現(xiàn)有研究對熱流系數(shù)的關(guān)注

2、并不多，本文根據(jù) 多年的標(biāo)定經(jīng)驗，討論熱流系數(shù)對最終 K值的影響，以及不同標(biāo)定方法對標(biāo)定 結(jié)果的影響。2檢測裝置檢測裝置主要由熱箱、冷箱、試件框、控濕系統(tǒng)和環(huán)境空間五部分組成。 熱箱內(nèi)凈尺寸2100mm< 2400mm進深2000mm熱箱外壁結(jié)構(gòu)由均質(zhì)材料組成， 熱阻不小于3.5w/（m2K）。熱箱內(nèi)表面半球發(fā)射率e應(yīng)大于0.85。冷箱尺寸與試件框外邊緣尺寸相同， 里面容納了制冷與加熱設(shè)備及氣流組織構(gòu)件。冷箱外壁采用不吸濕的保溫材料， 熱阻不小于3.5w/（m2K）,內(nèi)表面采用不吸濕，耐腐蝕的材料。試件框也采用不 吸濕、均質(zhì)的保溫材料，熱阻值 7.0m2.K/Wo關(guān)于環(huán)境空間的要求，檢測

3、裝置放在裝有空調(diào)的實驗室內(nèi)，保證熱箱外壁內(nèi)、外表面面積加權(quán)平均溫度小于1.0K。實驗室空氣波動不大于0.5K。實驗室維護 結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的保溫性能和熱穩(wěn)定性，避免太陽光進入。實驗室墻體及頂棚應(yīng) 經(jīng)行絕熱處理。3檢測程序啟動檢測裝置，設(shè)定冷熱箱和環(huán)境空氣溫度。當(dāng)冷、熱箱和環(huán)境空氣達(dá)到 設(shè)定值后，監(jiān)控各控制點溫度，使冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度維持穩(wěn)定。達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)后，如果逐時測量得到熱箱和冷箱的空氣平均溫度th和tc每小時的絕對值分別不大于0.1 C和0.3 C ；溫差 8 1和 8 2每小時變化的絕對值不大于 0.1K和0.3K,且上述溫度和溫差的變化不是單向變化，則表示傳熱過程已達(dá)到 穩(wěn)定過程。在

4、傳熱過程穩(wěn)定之后，每隔 30min測量一次參數(shù)th、t七、8 1、 8 2、8 3、共測六次。六次取平均值，傳熱系數(shù) K由下式計算：(1)/Q M1 1 M2 2 S KA?(th tc)其中，Q-加熱器加熱功率，（恍M1-熱箱外壁熱流系數(shù)，（W/ M2-熱試 件框熱流系數(shù)，（W/K）; 8 1-熱箱外壁內(nèi)、外表面加權(quán)平均溫度之差，（K）;8 2-試件框熱側(cè)冷側(cè)表面加權(quán)平均溫度之差，呦；S-填充板面積，(m2);9 3-填充板熱側(cè)表面與冷側(cè)表面的平均溫差，(K) ; A-試件面積(吊)；th-熱 箱空氣平局溫度，(C)； tc一冷箱空氣平局溫度，(C)； A一填充板熱導(dǎo)率， W/(m.K)。3

5、標(biāo)定3.1 標(biāo)定原理按照GB/T8484-2008標(biāo)準(zhǔn)方法標(biāo)定，單層窗的標(biāo)定方法是：用與試件洞口 面積相同的標(biāo)準(zhǔn)試件安裝在洞口上，安裝方法同試件的安裝。標(biāo)定試驗在與保 溫性能試驗相同的冷、熱箱空氣溫度、風(fēng)速等條件下，改變環(huán)境溫度，進行兩 種不同工況的試驗。當(dāng)傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定之后，每隔30min測量一次有關(guān)參數(shù),共測六次，取各測量參數(shù)的平均值，按照下式 1、2聯(lián)解求得熱流系數(shù)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'-分別為兩次標(biāo)定試驗的熱箱加熱器加熱功率，W,8 1, 8 1 '一兩次標(biāo)定試驗的熱箱外壁內(nèi)

6、外表面加權(quán)平均溫差， K;8 2,9 2a-兩次標(biāo)定試驗的試件框熱側(cè)與冷側(cè)表面面積加權(quán)平均溫差， K;9 3,9 3k-兩次標(biāo)定試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件兩表面之間平均溫差，K; A b標(biāo)準(zhǔn)試件的熱導(dǎo)率，W/(m2.K)。特別的，GB/T8484-2008中規(guī)定，兩次標(biāo)定應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)版兩側(cè)空氣溫差相同 或相近的條件下進行，8 1,8r絕對值不應(yīng)小于4.5K, ( 8 1- 9 U)的絕對值應(yīng)大于9.0K,9 2,8 2公盡可能相同或相近。如果嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，熱箱溫度設(shè)置為20c的話，那么第一次的環(huán)境溫度就要設(shè)置在 15c以下 這樣才能保證81的絕對值不小于4.5K。因為實際上熱箱外壁內(nèi)表面溫度要 比熱箱空氣

7、溫度低一點，而熱箱外壁外表面溫度又要比環(huán)境溫度高一點。同時， 為了滿足(8 1- 9 1a)的絕對值應(yīng)大于9.0K,第二次試驗的環(huán)境溫度設(shè)置 就要更低，大約設(shè)置為10Co需要強調(diào)的是，標(biāo)定熱箱法計量的熱量全部來自 加熱器并且只能來自加熱器。如果環(huán)境溫度高于熱箱溫度的話，那么環(huán)境中的 熱量就會逆行進入熱箱，而這些由環(huán)境傳遞到熱箱的熱量是無法計量的。所以， 任何將環(huán)境溫度設(shè)置高于熱箱溫度的標(biāo)定試驗都是錯誤的。基于以上原因，兩 次標(biāo)定試驗的環(huán)境溫度設(shè)置為15C, 10c是最低的要求。環(huán)境溫度是指冷熱箱所在房間的溫度，這個房間的大小因不同實驗室各不 相同?；镜囊笫菬嵯渫獗谂c周邊壁面之間至少留有 5

8、00mm勺空間。并且房 間必須裝有空調(diào)。以上海地區(qū)為例，冬季最冷時候氣溫可以達(dá)到0c左右，豆季最熱的時候氣溫高達(dá)40Co如果要實現(xiàn)標(biāo)定時的環(huán)境空間溫度，只能將標(biāo)定 的時間選在冬季寒冷的季節(jié)，通過空調(diào)并輔以智能控溫的電加熱器，將環(huán)境空 間溫度穩(wěn)定在較低的水平。在炎熱的夏季，普通的舒適性空調(diào)能制冷的極限是 16C,不能滿足標(biāo)定試驗的要求。3.2 標(biāo)定記錄以下是筆者所在實驗室保溫性能試驗儀器多年的標(biāo)定記錄：2008年以前環(huán)境溫度設(shè)置為15C； 2008年以后，第一種工況環(huán)境溫度設(shè)置為15C,第二種 環(huán)境工況設(shè)置為6C0 2006、2008、2010 2012、2014年，第一種工況熱箱外 壁內(nèi)、外表

9、面加權(quán)平均溫差分別是3.25C、4.6C、4.53C、5.15 C 5.51 C ；第一種工況試件框熱側(cè)、冷側(cè)表面加權(quán)平均溫差4 9 2 分別為29.37 C、 29.35 C、38.86 C、38.82 C、40.25 C ；第一種工況標(biāo)準(zhǔn)試件兩表面之間平均 溫差48 3 分別為 27.73 C、25.59 C、35.32 C、35.29 C、36.58 C ；第二種工 況熱箱外壁內(nèi)、外表面加權(quán)平均溫差48 1 分別為2.87C、1.87C、13.77C、 14.93 C、14.53 C ；第二種工況試件框熱側(cè)、冷側(cè)表面加權(quán)平均溫差4 9 2分別為 37.14 C、37.22 C、38.91

10、 C、38.85 C、40.22 C ;第二種工況標(biāo)準(zhǔn)試件 兩表面之間平均溫差48 3 分別為34.43 C、32.61 C、35.55 C、35.42 C、 36.71 C ；第一種工況熱功率Q分別為 95.56W 107.88W 135.29W 151.17W 157.78w 第二種工況熱功率 Q分別為 115.69W 114.81W 188.71W 228.25W 229.91皿 標(biāo)定得到的結(jié)果分別是 M1=3.517 5.631、5.727、7.853、7.791; M2=0.941、1.004、1.047、1.085、 1.013。上述記錄中包含了 2006,2008年的標(biāo)定記錄，當(dāng)

11、時執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是 GB/T 8484-2002,按照此標(biāo)準(zhǔn)，上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，在進行保溫性能試驗時，冷 箱空氣溫度可以設(shè)定為-9- 11Co而在進行標(biāo)定實驗時，冷箱空氣溫度分別設(shè) 置為-10C ± 1K和-20C ± 1K,在其他檢測條件與保溫性能試驗相近的兩種不同 工況下，各進行一次，數(shù)據(jù)采集與處理同 GB/T8484-200&從歷年標(biāo)定的結(jié)果 來看，M1和M2的值都隨著試驗儀器使用的期限而變化。見下表：可以看出，第一：MI和M2隨著時間推移基本上都在逐漸變大。這是因為 熱箱外壁和試件框雖然都采用不吸濕的保溫材料，但隨著時間推移，材料老化 和潮氣入侵，外壁和試件

12、框的保溫性能不可避免的出現(xiàn)下降，傳熱量也相應(yīng)的 增多。第二：M2的變化幅度要小于M1,甚至在2014年，M2的值出現(xiàn)下降?？?以看出的是，M2的值逐漸變大是一個趨勢，2014年標(biāo)定值偏小應(yīng)該是因為標(biāo)定 誤差的關(guān)系。熱箱外壁包含5個面，面積遠(yuǎn)大于試件框；而且試件框材料的熱阻也要大于熱箱外壁材料的熱阻，如果使用同一種保溫材料的話，這種區(qū)別就反映在厚度上，以筆者所在實驗室為例，熱箱外壁厚度只有15cm,試件框厚度則有50cm試件框的保溫性能比熱箱外壁的保溫性能更加穩(wěn)定。4標(biāo)定結(jié)果對傳熱系數(shù)K值的影響分析在M1和M2標(biāo)定完成后，可以按照公式（1）計算傳熱系數(shù)。分別取尺 寸為1.0m2、1.2m2、1.

13、5m2、1.8m2的鋁合金窗為例。、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上表中傳熱系數(shù)的計算所需其他數(shù)據(jù)采用 2014年試驗數(shù)據(jù)，06, 08,10,12年的計算僅僅改變M1和M2的值。下表是統(tǒng)計數(shù)據(jù)：均值2

14、W/(m2.K)實際標(biāo)準(zhǔn)偏差相對標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)類不確定 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可見，試件面積越大，標(biāo)定結(jié)果對試件測試的結(jié)果影響就越小。試件越小， 對試驗中的不穩(wěn)定因數(shù)就越敏感。當(dāng)試件面積一定的時候，影響最終 K值的主 要有以下幾個個因素。第一，加熱器加熱功率 Q;第二，通過熱箱外壁的熱量M1*A 9 1;第三,通過試件框的熱量 M2*4 9 2;第四，通過標(biāo)準(zhǔn)填充板的熱 量S*z 8 3*A。通過

15、大量的試驗資料得出， 9 1 的值一般介于0K-1K之間， 82的值一般在38K, 9 3的值一般在35（加熱功率Q是一個決定性的因 素，M1所占權(quán)重要比M2、很多，因為M1所乘的溫差 8 1要比M2所乘的溫差 82小很多。從上表的數(shù)據(jù)可以看出，M1從2006年的3.517到2014年的 7.971 ,變化很大，但對最終K值的影響卻不大，因為在此期間 M2的變化很小。5新創(chuàng)方法標(biāo)定用與試件洞口面積相同的標(biāo)準(zhǔn)試件安裝在洞口上，安裝方法同標(biāo)定方法 1。改變標(biāo)定的溫度設(shè)置。首先，設(shè)置熱箱溫度為保溫性能試驗時的熱箱溫度， 冷箱溫度等于熱箱溫度，環(huán)境溫度低于熱箱溫度。開啟設(shè)備，當(dāng)傳熱過程穩(wěn)定 后，每隔3

16、0min測量一次有關(guān)參數(shù)，共測六次，取各測量參數(shù)的平均值。因為 熱箱溫度等于冷箱溫度，冷熱箱之間的熱量傳遞值為零，故試件框熱側(cè)表面與冷側(cè)表面的溫差為零。所以上式(心 中的 9 2=0, 9 3=0, (1)式可以化簡 如下：Q M1? i 0上式中各個參數(shù)只有M1是未知的，其余參數(shù)都可以通過一次實驗就得到, 通過方程求解得到Mio第二步，同樣設(shè)置熱箱溫度為保溫性能試驗時的溫度，設(shè)置環(huán)境溫度等于 熱箱溫度，設(shè)置冷箱溫度為保溫性能試驗時的溫度。開啟設(shè)備，當(dāng)傳熱過程穩(wěn) 定后，每隔30min測量一次有關(guān)參數(shù)，共測六次，取各測量參數(shù)的平均值。因 為熱箱溫度等于環(huán)境溫度，所以熱箱內(nèi)壁表面溫度等于熱箱外壁表

17、面溫度，上 式(小)中的 9 1=0,(1)式可以化簡如下：Q M2? 2 Sb? b? 3(4)同樣的，上式中只有 M2是未知數(shù)，可通過方程求解得到。運用該標(biāo)定方法，筆者所在試驗儀器的標(biāo)定數(shù)據(jù)如下表：A種工況Q 9 1 9 3M140.65.0008.125第二種工況Q 9 2 9 3M2113.238.5435.281.108新創(chuàng)標(biāo)定方法的優(yōu)缺點優(yōu)點：對標(biāo)定的大環(huán)境要求沒有那么嚴(yán)苛，任何季節(jié)任何時間段都可以進 行標(biāo)定。缺點：第一種工況下對環(huán)境溫度和熱箱溫度的穩(wěn)定性要求較高，即需要保 證熱箱外壁對環(huán)境空間沒有熱量交換；第二種工況下對熱箱溫度和冷箱溫度的 穩(wěn)定性要求較高，即需要保證熱箱和冷箱之間沒有熱量交換。結(jié)論：熱流系數(shù)的標(biāo)定工作對于門窗傳熱系數(shù)