模擬環境傳熱性能試驗室的研制

袁志堅，林信賢，劉旭，毛海蓮

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510300）

前言

傳熱性能是衡量各種間隔室內室外環境的各種部件或整體構件的關鍵性指標，作為人工環境及自然環境節能的一部分，隨著節能減排在全球各地的重視程度越來越高，各地對部件和整體構件的環境傳熱性能要求也是逐年提高。部分整體構件，如門、窗等的傳熱性能分級已經成為了歐美地區的市場的準入要求，也成為了產生價格差的重要性能指標。為有效地測定部件或整體構件的傳熱性能，國外已經有檢測公司及部分生產企業開始建造試驗設備來研究部件或整體構件的傳熱性能。環境傳熱性能試驗室是能夠檢測整體構件或部件傳熱性能試驗的關鍵設備，其綜合了環境控制技術、自動控制技術、檢測分析技術和計算機技術，是一種新型的高科技試驗裝備。

本文介紹了能同時滿足歐標、美標和國標檢測需要的環境傳熱性能試驗室的主要技術特點。

1 試驗室原理及技術指標

模擬環境傳熱性能試驗室是由隔成熱側和冷側兩個測試間組成的試驗室，配空調控制機組分別模擬構件的室內和室外所處環境。室內側有一緊扣中隔墻和被測件的計量箱，作為熱流計使用。

室內側和室外側都有空氣處理機，用于控制熱側和冷側溫度，計量箱有加熱裝置，用于平衡從熱側傳遞到冷側的熱量。計量箱自身是一個熱流計，用于測量熱側和計量箱之間細微的熱傳遞量。計量箱內有可測量計算輻射量的擋流板，有提供對流用的加熱箱和風扇（模擬空調器）。冷側也有測量計算輻射量的擋流板和用于對流的吹風機。通過設定調節熱側、計量箱和冷側的溫度和調節風機轉速等，使三者的熱流在一段時間內趨于穩定和平衡。

利用已標定的各種材料的熱導率、半球發射率等參數，校準得到計量箱、隔墻板等生成的相關系數，實時測量出加熱箱發熱量、計量箱傳熱量、通過測量空氣和擋板表面等溫度計算得到冷熱側輻射熱量、對流熱量和隔板的漏熱量等，用于反算出通過被測件的熱流量，并生成被測件的傳熱系數等數據。

由于環境性能試驗室使用冷熱量平衡的測試原理，采用測量精度高的電功率、熱流計和熱電偶陣列等測量方法；并采用校準產生的數據，通過回歸算法生成的系數來測算出各種條件下的熱傳遞量，避免了被測件形狀、材料不一對測試結果造成的影響。由于不需要直接測量被測件的任何數據，減少了引入的誤差。由于采用了熱室作為計量箱包含計量箱的方法，并且也計算輻射量，因此歐標美標的試驗室會比國標的測量精度要求高。

主要技術參數：

1）滿足歐標、美標和國標的測試軟硬件設計要求。

2）房間環境控制指標：熱側溫度范圍10～42℃，控制精度±0.1℃；風速范圍0～0.2m/s。冷側溫度范圍：-22～32℃，控制精度±0.1℃；風速范圍1.5～8 m/s,可調，各點風速最大偏差5%。

3）可測試0.1mV級電勢差的高精計量箱式熱流計。

4）半球發射率0.84、測試溫度0.1℃級的高精標準測試件。

5）可測試各種門、窗、玻璃、板材、天花、墻體、金屬、電器等部件或整體構件，測試構件最大規格：3M×2.2M。

6）理順歐美標準測算流程和公式，補缺檢漏使標準切實可用。

7）實現熱輻射這個間接熱傳遞量的測定方法和計算。

2 試驗室設計

2.1 試驗室結構（見圖1）

2.2 計量箱式熱流計（見圖2）

圖1 試驗室結構圖

計量箱箱體在做歐美標準測試時是作為熱流計使用的，做國標測試時是作為熱室使用的。這里熱流計是一個非標產品，計量箱的5個面都是熱流計，是所有試驗中時刻用到的重要熱流測量設備，并且需要長期確保高精確度。熱電堆式熱流計比較適合該試驗室。根據熱電堆的原理，需要將一根熱電偶的銅極和另一根熱電偶的康銅極接起來形成一個節點，N根熱電偶這樣串聯后，將節點依次布置于計量箱內外面。在校準試驗時，設定計量箱和熱側的3個溫度差，用計量箱加熱管的發熱量減去通過整塊中隔墻傳熱量（中隔墻材料熱阻已標定），就得出了通過計量箱5個面的熱流值。通過測得熱電堆的電壓差，與熱流值對應，采用線性回歸算法得到熱流值和熱電堆電壓差的擬合曲線，提供給標準板校準試驗和樣品試驗調用。

2.3 校準板（見圖3）

作為歐美標準在校準時使用的標準測試件，其材料的制作均勻性、加工精度、傳感器的質量、布置及安裝工藝，會直接影響到校準數據的合理性和被測樣品試驗時的數據可靠性，是測算精度的重要保證。

標準測試件的制作首先是將夾心的PU材料在加工廠進行平整的切割，然后在選取標準間隔的位置貼上黃銅片，再使用凝膠將0.3毫米等級的優質熱電偶線貼在黃銅片上，將線引出。再送到加工廠將兩片4毫米有機玻璃壓實安裝在PU材料上。邊緣上膠密封。同時制作了兩快標準測試件，一塊加上有機玻璃20毫米厚，一塊是60毫米厚。另外做一塊小樣送檢測機構檢測半球發射率。

2.4 傳熱面的對流控制

傳熱面的對流風速和均勻性會直接影響熱流的穩定性、各計算測點的準確性。采用技術主要有以下幾點：

1）吹風機是可以通過變頻器調節基礎風速的。

2）檔流板和測試樣品的距離是要做成可調節的。

3）吹風裝置增加送風箱和出風擴散孔板（見圖4）。

3 測試與計算分析

3.1 理順標準

排除歐、美標計算量中設有的干擾項和隱藏點，在歐盟和美國標準中有不少測試和計算公式存在不合理的情況，畢竟離開歐盟或美國的本土還未建設過相對應標準的門窗傳熱性能試驗室，或許是一種技術保護。理順標準的工作我們采取了先用Excel強大的計算功能來演算公式，Excel表內嵌了很多函數，其中包括了各種回歸算法，雖然沒有公開的代碼，但起碼可以在Excel中調用。同時Excel表格清晰明了，更改方便，適合進行公式演算。在Excel將公式都演算合理了，再編寫程序，并且按照合理流程展開校準與測試。

3.2 計算分析（見圖5）

相對于國標，歐標和美標對熱傳遞有著較高的保真要求，畢竟熱傳遞是包括對流和輻射兩個方面的，所以歐標和美標有對熱輻射進行計算。

圖3 校準板和試驗整體構件樣品

圖4 多級可調風閥后端的送風箱

計算部分，例如歐標引入了一個環境溫度的概念，冷熱側的環境溫度由對流溫度、對流分數、輻射溫度和輻射分數組成。

以上公式來源：EN ISO 12567 1-2000標準公式（7）

通過標準測試件，還引入了一個表面傳熱系數的概念，分別由標準測試件向檔流板和向中隔墻（中隔墻與標準測試件的各個安裝邊框）熱傳遞系數hcb和hcp，可通過標準測試件表面溫度和檔流板或中隔墻的表面溫度求出，進而再求出輻射系數hr。并通過冷熱室多個溫差的標準測試件試驗得出對流分數與熱流的關系、標準熱阻與熱流的關系、中隔墻熱阻與中隔墻溫度的關系等。在樣品試驗中可以通過查表法和當時的檔流板與空氣溫度，得出輻射溫度、對流分數和輻射分數。最后通過總熱流與通過剩余中隔墻的熱流之差算出經過樣品的熱流，再通過一定的換算測算出樣品的標準傳熱系數。

4 結語

從國外現況及發展趨勢看，目前針對節能的要求日趨嚴格，構件的傳熱性能直接影響車輛或建筑物內相應的各類機電設備的能源損耗情況，針對構件的環境傳熱性能的研發和節能新材料的研制將會日漸增多。而國內之前并未有建造適合歐美標準的試驗室。

圖5 軟件歐標標準板校準試驗窗體

該技術已成功應用于一家外資質量服務公司的試驗室中，主要用作出口門窗產品的環境傳熱性能測試。從使用效果看，試驗室提供了環境傳熱性能測試所需的硬件和軟件平臺，能同時滿足國標、歐標、美標的測試標準要求，為企業研發或檢定新型節能型環境設備提供了重要的作用。

[1] GB/T 8484-2008, 建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法[S].

[2] EN ISO 8990-1994, Thermal insulation - Determination of steady - state thermal transmission properties - Calibrated and guarded hot box[S].

[3] EN ISO 12567-1:2000, Thermal performance of windows and doors - Determination of thermal transmittance by hot box method[S].

[4] ASTM C 1199-2009, Standard Test Method for Measuring the Steady-State Thermal Transmittance of Fenestration Systems Using Hot Box Methods[S].

[5] ASTM C 1363-2005, Standard Test Method for Thermal Performance of Building Materials and Envelope Assemblies by Means of a Hot Box Apparatus[S].

[6] NFRC 102-2010, Measuring the Steady-State Thermal Transmittance of Fenestration Systems[S].