模擬環(huán)境傳熱性能試驗(yàn)室的研制

袁志堅(jiān)，林信賢，劉旭，毛海蓮

（中國(guó)電器科學(xué)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(nèi)室外環(huán)境的各種部件或整體構(gòu)件的關(guān)鍵性指標(biāo)，作為人工環(huán)境及自然環(huán)境節(jié)能的一部分，隨著節(jié)能減排在全球各地的重視程度越來(lái)越高，各地對(duì)部件和整體構(gòu)件的環(huán)境傳熱性能要求也是逐年提高。部分整體構(gòu)件，如門、窗等的傳熱性能分級(jí)已經(jīng)成為了歐美地區(qū)的市場(chǎng)的準(zhǔn)入要求，也成為了產(chǎn)生價(jià)格差的重要性能指標(biāo)。為有效地測(cè)定部件或整體構(gòu)件的傳熱性能，國(guó)外已經(jīng)有檢測(cè)公司及部分生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始建造試驗(yàn)設(shè)備來(lái)研究部件或整體構(gòu)件的傳熱性能。環(huán)境傳熱性能試驗(yàn)室是能夠檢測(cè)整體構(gòu)件或部件傳熱性能試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，其綜合了環(huán)境控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一種新型的高科技試驗(yàn)裝備。

本文介紹了能同時(shí)滿足歐標(biāo)、美標(biāo)和國(guó)標(biāo)檢測(cè)需要的環(huán)境傳熱性能試驗(yàn)室的主要技術(shù)特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)室原理及技術(shù)指標(biāo)

模擬環(huán)境傳熱性能試驗(yàn)室是由隔成熱側(cè)和冷側(cè)兩個(gè)測(cè)試間組成的試驗(yàn)室，配空調(diào)控制機(jī)組分別模擬構(gòu)件的室內(nèi)和室外所處環(huán)境。室內(nèi)側(cè)有一緊扣中隔墻和被測(cè)件的計(jì)量箱，作為熱流計(jì)使用。

室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)都有空氣處理機(jī)，用于控制熱側(cè)和冷側(cè)溫度，計(jì)量箱有加熱裝置，用于平衡從熱側(cè)傳遞到冷側(cè)的熱量。計(jì)量箱自身是一個(gè)熱流計(jì)，用于測(cè)量熱側(cè)和計(jì)量箱之間細(xì)微的熱傳遞量。計(jì)量箱內(nèi)有可測(cè)量計(jì)算輻射量的擋流板，有提供對(duì)流用的加熱箱和風(fēng)扇（模擬空調(diào)器）。冷側(cè)也有測(cè)量計(jì)算輻射量的擋流板和用于對(duì)流的吹風(fēng)機(jī)。通過(guò)設(shè)定調(diào)節(jié)熱側(cè)、計(jì)量箱和冷側(cè)的溫度和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，使三者的熱流在一段時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定和平衡。

利用已標(biāo)定的各種材料的熱導(dǎo)率、半球發(fā)射率等參數(shù)，校準(zhǔn)得到計(jì)量箱、隔墻板等生成的相關(guān)系數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量出加熱箱發(fā)熱量、計(jì)量箱傳熱量、通過(guò)測(cè)量空氣和擋板表面等溫度計(jì)算得到冷熱側(cè)輻射熱量、對(duì)流熱量和隔板的漏熱量等，用于反算出通過(guò)被測(cè)件的熱流量，并生成被測(cè)件的傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)。

由于環(huán)境性能試驗(yàn)室使用冷熱量平衡的測(cè)試原理，采用測(cè)量精度高的電功率、熱流計(jì)和熱電偶陣列等測(cè)量方法；并采用校準(zhǔn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸算法生成的系數(shù)來(lái)測(cè)算出各種條件下的熱傳遞量，避免了被測(cè)件形狀、材料不一對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響。由于不需要直接測(cè)量被測(cè)件的任何數(shù)據(jù)，減少了引入的誤差。由于采用了熱室作為計(jì)量箱包含計(jì)量箱的方法，并且也計(jì)算輻射量，因此歐標(biāo)美標(biāo)的試驗(yàn)室會(huì)比國(guó)標(biāo)的測(cè)量精度要求高。

主要技術(shù)參數(shù)：

1）滿足歐標(biāo)、美標(biāo)和國(guó)標(biāo)的測(cè)試軟硬件設(shè)計(jì)要求。

2）房間環(huán)境控制指標(biāo)：熱側(cè)溫度范圍10～42℃，控制精度±0.1℃；風(fēng)速范圍0～0.2m/s。冷側(cè)溫度范圍：-22～32℃，控制精度±0.1℃；風(fēng)速范圍1.5～8 m/s,可調(diào)，各點(diǎn)風(fēng)速最大偏差5%。

3）可測(cè)試0.1mV級(jí)電勢(shì)差的高精計(jì)量箱式熱流計(jì)。

4）半球發(fā)射率0.84、測(cè)試溫度0.1℃級(jí)的高精標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件。

5）可測(cè)試各種門、窗、玻璃、板材、天花、墻體、金屬、電器等部件或整體構(gòu)件，測(cè)試構(gòu)件最大規(guī)格：3M×2.2M。

6）理順歐美標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算流程和公式，補(bǔ)缺檢漏使標(biāo)準(zhǔn)切實(shí)可用。

7）實(shí)現(xiàn)熱輻射這個(gè)間接熱傳遞量的測(cè)定方法和計(jì)算。

2 試驗(yàn)室設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）

2.2 計(jì)量箱式熱流計(jì)（見(jiàn)圖2）

圖1 試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)圖

計(jì)量箱箱體在做歐美標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)是作為熱流計(jì)使用的，做國(guó)標(biāo)測(cè)試時(shí)是作為熱室使用的。這里熱流計(jì)是一個(gè)非標(biāo)產(chǎn)品，計(jì)量箱的5個(gè)面都是熱流計(jì)，是所有試驗(yàn)中時(shí)刻用到的重要熱流測(cè)量設(shè)備，并且需要長(zhǎng)期確保高精確度。熱電堆式熱流計(jì)比較適合該試驗(yàn)室。根據(jù)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(lái)形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，N根熱電偶這樣串聯(lián)后，將節(jié)點(diǎn)依次布置于計(jì)量箱內(nèi)外面。在校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定計(jì)量箱和熱側(cè)的3個(gè)溫度差，用計(jì)量箱加熱管的發(fā)熱量減去通過(guò)整塊中隔墻傳熱量（中隔墻材料熱阻已標(biāo)定），就得出了通過(guò)計(jì)量箱5個(gè)面的熱流值。通過(guò)測(cè)得熱電堆的電壓差，與熱流值對(duì)應(yīng)，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(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn)試驗(yàn)和樣品試驗(yàn)調(diào)用。

2.3 校準(zhǔn)板（見(jiàn)圖3）

作為歐美標(biāo)準(zhǔn)在校準(zhǔn)時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件，其材料的制作均勻性、加工精度、傳感器的質(zhì)量、布置及安裝工藝，會(huì)直接影響到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的合理性和被測(cè)樣品試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)可靠性，是測(cè)算精度的重要保證。

標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件的制作首先是將夾心的PU材料在加工廠進(jìn)行平整的切割，然后在選取標(biāo)準(zhǔn)間隔的位置貼上黃銅片，再使用凝膠將0.3毫米等級(jí)的優(yōu)質(zhì)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(jī)玻璃壓實(shí)安裝在PU材料上。邊緣上膠密封。同時(shí)制作了兩快標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件，一塊加上有機(jī)玻璃20毫米厚，一塊是60毫米厚。另外做一塊小樣送檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)半球發(fā)射率。

2.4 傳熱面的對(duì)流控制

傳熱面的對(duì)流風(fēng)速和均勻性會(huì)直接影響熱流的穩(wěn)定性、各計(jì)算測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。采用技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)：

1）吹風(fēng)機(jī)是可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)基礎(chǔ)風(fēng)速的。

2）檔流板和測(cè)試樣品的距離是要做成可調(diào)節(jié)的。

3）吹風(fēng)裝置增加送風(fēng)箱和出風(fēng)擴(kuò)散孔板（見(jiàn)圖4）。

3 測(cè)試與計(jì)算分析

3.1 理順標(biāo)準(zhǔn)

排除歐、美標(biāo)計(jì)算量中設(shè)有的干擾項(xiàng)和隱藏點(diǎn)，在歐盟和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中有不少測(cè)試和計(jì)算公式存在不合理的情況，畢竟離開(kāi)歐盟或美國(guó)的本土還未建設(shè)過(guò)相對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的門窗傳熱性能試驗(yàn)室，或許是一種技術(shù)保護(hù)。理順標(biāo)準(zhǔn)的工作我們采取了先用Excel強(qiáng)大的計(jì)算功能來(lái)演算公式，Excel表內(nèi)嵌了很多函數(shù)，其中包括了各種回歸算法，雖然沒(méi)有公開(kāi)的代碼，但起碼可以在Excel中調(diào)用。同時(shí)Excel表格清晰明了，更改方便，適合進(jìn)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(kāi)校準(zhǔn)與測(cè)試。

3.2 計(jì)算分析（見(jiàn)圖5）

相對(duì)于國(guó)標(biāo)，歐標(biāo)和美標(biāo)對(duì)熱傳遞有著較高的保真要求，畢竟熱傳遞是包括對(duì)流和輻射兩個(gè)方面的，所以歐標(biāo)和美標(biāo)有對(duì)熱輻射進(jìn)行計(jì)算。

圖3 校準(zhǔn)板和試驗(yàn)整體構(gòu)件樣品

圖4 多級(jí)可調(diào)風(fēng)閥后端的送風(fēng)箱

計(jì)算部分，例如歐標(biāo)引入了一個(gè)環(huán)境溫度的概念，冷熱側(cè)的環(huán)境溫度由對(duì)流溫度、對(duì)流分?jǐn)?shù)、輻射溫度和輻射分?jǐn)?shù)組成。

以上公式來(lái)源：EN ISO 12567 1-2000標(biāo)準(zhǔn)公式（7）

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件，還引入了一個(gè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的概念，分別由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件向檔流板和向中隔墻（中隔墻與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件的各個(gè)安裝邊框）熱傳遞系數(shù)hcb和hcp，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件表面溫度和檔流板或中隔墻的表面溫度求出，進(jìn)而再求出輻射系數(shù)hr。并通過(guò)冷熱室多個(gè)溫差的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試件試驗(yàn)得出對(duì)流分?jǐn)?shù)與熱流的關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)熱阻與熱流的關(guān)系、中隔墻熱阻與中隔墻溫度的關(guān)系等。在樣品試驗(yàn)中可以通過(guò)查表法和當(dāng)時(shí)的檔流板與空氣溫度，得出輻射溫度、對(duì)流分?jǐn)?shù)和輻射分?jǐn)?shù)。最后通過(guò)總熱流與通過(guò)剩余中隔墻的熱流之差算出經(jīng)過(guò)樣品的熱流，再通過(guò)一定的換算測(cè)算出樣品的標(biāo)準(zhǔn)傳熱系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)外現(xiàn)況及發(fā)展趨勢(shì)看，目前針對(duì)節(jié)能的要求日趨嚴(yán)格，構(gòu)件的傳熱性能直接影響車輛或建筑物內(nèi)相應(yīng)的各類機(jī)電設(shè)備的能源損耗情況，針對(duì)構(gòu)件的環(huán)境傳熱性能的研發(fā)和節(jié)能新材料的研制將會(huì)日漸增多。而國(guó)內(nèi)之前并未有建造適合歐美標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)室。

圖5 軟件歐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn)試驗(yàn)窗體

該技術(shù)已成功應(yīng)用于一家外資質(zhì)量服務(wù)公司的試驗(yàn)室中，主要用作出口門窗產(chǎn)品的環(huán)境傳熱性能測(cè)試。從使用效果看，試驗(yàn)室提供了環(huán)境傳熱性能測(cè)試所需的硬件和軟件平臺(tái)，能同時(shí)滿足國(guó)標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，為企業(yè)研發(fā)或檢定新型節(jié)能型環(huán)境設(shè)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(jí)及檢測(cè)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].