（免費下載）GB/T 13475-2008 絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質的測定 標定和防護熱箱法
1 概述
1.1 范圍
本標準規(guī)定了裝置的設計原理及測定建筑構件和工業(yè)用的類似構件的試驗室穩(wěn)態(tài)傳熱性質應滿足的最低要求。由于各種要求的變化(尤其是尺寸方面)，因此不能限定一個特殊設計的裝置和將操作條件規(guī)定在較小的范圍。
本標準給出了裝置，測量技術和必需報告的數(shù)據(jù)的描述。
本標準不適用于測定特殊構件，如窗，此時需要附加程序，本標準不包括這些程序。
本標準也不考慮濕遷移(或重分布)對熱流測量的影響，但在裝置的設計和操作時應予考慮，因為濕遷移可能影響試驗結果的準確度和確切性。
本標準可測量的熱性質是傳熱系數(shù)和熱阻，規(guī)定了兩種可供選擇的方法：標定熱箱法和防護熱箱法。這兩種方法都適用于垂直試件(如墻體)以及水平試件(如天花板和樓板)。裝置能夠足夠的大，以便研究原尺寸的構件。
本標準適用于在試驗室測量大尺寸的非均質的試件。也適用于測定均質試件，這是進行標定和驗證所必需的。
按照本標準規(guī)定的方法測量均質試件時，經(jīng)驗表明，通常能夠達到的準確度是±5％。然而，對于每一個單獨裝置的準確度，應使用熱傳導的均質標準試件，在該裝置覆蓋的測量范圍內進行評定。對于非均質試件準確度的評定則更為復雜，并且還包含對特殊類型的被測的非均質試件中的熱流機理分析。這類分析已超出本標準的范圍。
本標準不適用于試驗過程中有穿過試件的傳質現(xiàn)象的測量。
1.2 規(guī)范性引用文件
下列文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內容)或修訂版均不適用于本標準，然而，鼓勵根據(jù)本標準達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標準。
ISO 7345：1987 絕熱材料――物理量和定義
1.4 符號和單位
本標準所用符號及其單位如下：
i 內部，通常為熱側
e 外部，通常為冷側
s 表面
n 環(huán)境
λ 導熱系數(shù) [W／(mK)]
R 熱阻 [(m2K)／W]
U 傳熱系數(shù) [W／(m2K)]
h 表面換熱系數(shù) [W／(m2K)]
Ф 熱流量 [W]
ФP 加熱或冷卻的總輸入功率 [w]
Ф1 通過試件的熱流量 [W]
Ф2 平行于試件的不平衡熱流量 [W]
Ф3 通過計量箱壁的熱流量 [W]
Ф4 迂回熱損，繞過試件側面的熱流量 [W]
Ф5 周邊熱損，在試件邊界平行于試件的熱流量 [W]
A 垂直于熱流的面積 [m2]
q 熱流密度 [W／m2]
d 試件厚度 [m]
Ta 空氣溫度 [K]
Tr 平均輻射溫度 [K]
Tn 環(huán)境溫度 [K]
Ts 表面溫度 [K]
R=A(Tsi―Tse／Ф1
Rs=1／h
Rsi=A(Tni―Tsi)／Ф1
Rse=A(Tse―Tne)／Ф1
Ru=1／U
U=Ф1／A(Tni―Tne)
Ф1=ФP―Ф3―Ф2 [對于防護熱箱]
Ф1=ФP―Ф3―Ф4 [對于標定熱箱]
注1：雖然對于不透明、均質的、板狀試件能用λ=d／R。關系式得到導熱系數(shù)，但本方法不直接測量導熱系數(shù)。
2 裝置設備
2.1 概述
如1.1中提到的，規(guī)定一個裝置的設計細節(jié)是不實際的，因此，本章只給出了必須遵循的要求以及必須考慮的內容。
圖1和圖2顯示的是被測試件的典型布置型式和裝置的主要組成部分；圖4及圖5顯示的是可供選擇的布置型式。也可以使用可完成相同目的的其他布置。圖1中箱壁和圖2中框架對通過試件的傳熱的影響取決于箱壁或框架的形狀和材質、試件的厚度和熱阻、以及溫差和空氣速度等試驗條件。裝置的設計和構造應該適合于被測試件的預期類型和預期的試驗條件。
2.2 設計要求
裝置的尺寸應與預期的用途相匹配，須考慮以下因素：
――計量面積必須足夠大，使試驗面積具有代表性。對于有模數(shù)的構件，計量面積應精確地為模數(shù)的整倍數(shù)；
――由于在計量區(qū)域的邊緣不能維持一維熱流，因此計量面積與計量區(qū)域的周長之比對兩種型式熱箱的測試準確度都會有影響。這些在計量區(qū)域邊緣的誤差熱流作為計量熱流的一部分而被測量，并且它將隨著計量面積的減少而增加；
――防護熱箱中，由于表面系數(shù)和計量區(qū)域外圍附近的空氣溫度的不均勻性導致不平衡熱流Ф2；
――防護熱箱中，相當數(shù)量的熱量通過計量箱的鼻錐進入試件。鼻錐的密封材料的有限厚度導致了偏離一維熱流；
――邊緣絕熱材料和邊緣的邊界條件都會影響防護熱箱的周邊熱損Ф5，在標定熱箱中，則影響迂回熱損Ф4。
由于試件在靠近計量區(qū)域邊緣的非均質性，使所有這些問題變得更為復雜。
總的來說，計量箱的尺寸決定了裝置其他組成部分的最小尺寸。計量箱的深度不應超過保持預期的邊界條件(要求的邊界層厚度等)和布置設備所需要的尺寸。
所有與試件表面進行熱輻射交換的表面的輻射率可以是高的也可以是低的。大多數(shù)建筑和工業(yè)部件的典型的實際應用情況是高輻射率(0.8或更高)。
低輻射率環(huán)境需要一個更大的對流成分，例如更高的氣流速度，以達到常規(guī)的表面換熱系數(shù)。這使表面系數(shù)分布狀態(tài)發(fā)生實質性的改變，它能提供更好的溫度均勻性，但是這種情況能產(chǎn)生一種完全不同于真實用途的虛假熱品質。尤其是它不適合于具有透氣性表面的試件。
2.4 防護箱
在防護熱箱里，計量箱位于防護箱的內部。防護箱的作用是在計量箱周圍建立適當?shù)目諝鉁囟群捅砻鎿Q熱系數(shù)，使流過計量箱壁的熱流Ф3。及試件表面從計量區(qū)到防護區(qū)的不平衡熱流Ф2最小。
計量面積大小、防護面積大小和邊緣絕熱材料之間的關系應滿足：當測試最大預期熱阻和厚度的均質試件時，由周邊熱損Ф5引起的在試件熱流量的誤差應該小于計量熱流Ф1的0.5％。ISO 8302有定量計算這個誤差的程序。
防護箱內壁的輻射率、加熱器屏蔽和溫度穩(wěn)定性等要求原則上與計量箱相同。溫度均勻性應滿足不平衡誤差小于通過試件計量區(qū)的熱流的0.5％的要求。
為避免防護箱中的空氣停滯不動，通常需要安裝循環(huán)風扇。
2.5 試件框架
標定熱箱裝置中，由于側面迂回熱損，使得試件框架是一個重要的部件，為了測定的準確度，應將側面迂回熱損保持在最小值。在承載能力(即支承試件)與高熱阻的之間有一個折衷辦法，朝向試件的面應為低傳熱性能。
典型的防護熱箱裝置中，不用試件框架，邊緣絕熱材料可將側向熱流減到最小。如果使用試件框架，應按2.4的要求，使側向熱流減到最小。
2.6 冷箱
在標定熱箱裝置中，冷箱的尺寸取決于計量箱的尺寸；在防護熱箱裝置中，冷箱的尺寸取決于防護箱的尺寸?？刹捎萌鐖D1，圖2，圖4和圖5所示的布置。
箱壁的構造應減少制冷設備的載荷并防止結露。箱體的內表面的輻射應與要求的輻射換熱一致。關于輻射率、加熱器的熱輻射屏蔽、溫度穩(wěn)定性和溫度均勻性的要求原則上與計量箱相同。
制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的出口處經(jīng)常設置電阻加熱器，以精確調節(jié)冷箱溫度。如同計量箱一節(jié)提到的，為使箱內空氣均勻分布，可設置導流屏。建議氣流方向與自然對流方向相同。電機、風扇、蒸發(fā)器和加熱器應進行輻射屏蔽。
空氣速度應可以調節(jié)，以滿足測試需要的表面換熱系數(shù)，并應測量流速。對于建筑構件在模擬自然條件時，風速一般為0.1 m／s～10 m／s。
2.8 測量儀器
溫差測量的準確度應是試件冷、熱箱兩側空氣溫差的±1％，建議由測量儀表增加的不確定性不大于0.05 K。絕對溫度的測量準確度為兩側空氣溫差的±5％。
平衡熱電堆的輸出功率、加熱器及風扇等的輸入功率的測量準確度，應滿足由于測量儀表的準確度引起的試件熱流量Ф1的附加測量誤差小于1.5％(參看在2.3.2結尾有關風扇功率的測試要求)。
3 測量步驟
3.1 概述
測試人員有必要熟悉前面章節(jié)的內容。由于測試目的多樣，因此測試程序也有意較為概括。
對于特殊試件，應該確定測試方法是否適用的，是否其他方法更好，例如防護熱板法，熱流計法，或是計算。根據(jù)對試件的檢查和分析，試驗性地評估其熱性能值的可能范圍。也應該評估可獲得的精確度，并且可獲得的精確度應該與試驗的目的有關系。
3.2 試件的狀態(tài)調節(jié)
對熱流受到濕氣影響的試件，應記錄狀態(tài)調節(jié)情況。當有意義的時候，應記錄試件在測試前后的質量，或者應在試驗前后鉆取芯樣。
3.3 試件的選擇與安裝
試件應選用或制成有代表性的。對非均質試件應作如下考慮。對于防護熱箱法，決定檢測不平衡(空氣到空氣或空氣到表面)的最精確的方法。當靠近計量區(qū)域周圍的表面溫度很均勻時，檢測試件表面不平衡和評價流過箱體的熱流Ф2。是最精確的方案。當靠近計量區(qū)周圍出現(xiàn)不均勻性時，唯一可能的解決方案是空氣到空氣的平衡，那么，不平衡熱流Ф2。則是一個未知的誤差源。防護熱箱法中，如有可能，應將熱橋對稱地布置在計量區(qū)域和防護區(qū)域之間的分界線上，這樣，熱橋面積的一半在計量箱內，另一半在防護箱內。
如果試件是有模數(shù)的，計量箱的尺寸應是模數(shù)的適當?shù)谋稊?shù)。計量箱的周邊應同模數(shù)線外周重合或在模數(shù)線之間的中間位置。
如果不能滿足這些要求，只好將計量箱放在不同位置做多次試驗，并且要非常謹慎地考慮這些結果，如果適用，可輔以溫度、熱流的測量和計算。
標定熱箱法中，應考慮試件邊緣的熱橋對側面迂回傳熱的影響。就像上面提到的，可能有必要將計量箱放在不同位置做多次試驗，在這種情況下，標定熱箱法意味著代表建筑物不同部分的不同試件。
試件安裝時周邊應密封，不讓空氣或濕分從邊緣進入試件，也不從熱的一側傳到冷的一側，反之亦然。
試件邊緣應該絕熱，使Ф5減少到符合準確度的要求。
應考慮是否需要密封試件的每個表面，以避免空氣滲透進試件以及是否需要控制熱側的空氣露點。
在防護熱箱法中，應該考慮試件中是否有要求用隔板將其分隔的連續(xù)空腔以及是否應在計量箱周邊將高導熱系數(shù)的飾面切斷。
如果試件表面不平整，在與計量箱周邊密封接觸的區(qū)域，可能需要用砂漿、嵌縫材料或其他適當?shù)牟牧咸钇?，確保計量箱與防護箱之間的氣密性。
如果試件尺寸小于計量箱所要求的試件尺寸，將試件安裝在遮蔽板內，例如將試件嵌入一個墻內。
在遮蔽板和試件之間的邊界區(qū)域中熱流不是單向的；選擇與試件相同熱阻及厚度的遮蔽板，能夠將此個問題減到最小。在一些實例中，這是不可能的，比如在窗的測試中。在這種情況下，當遮蔽板的熱阻不同于安裝窗戶的墻體時，在窗框中的熱流線與它們最終使用時不同，將難以預料其準確度。為了比較與解釋試驗結果，這些試件安裝問題需要試件安裝的規(guī)則，這超出了本標準的范圍。
3.4 測試條件
測試條件的選擇應考慮最終的使用條件和對準確度的影響。試驗平均溫度和溫差都影響測試結果。通常建筑應用中平均溫度一般在10℃～20℃，最小溫差為20℃。根據(jù)試驗目的調節(jié)熱、冷側的空氣速度。調節(jié)溫度控制器使Ф2或Ф3之一或二者盡可能小或等于0。見ISO 8302中不平衡的敘述。
3.5 測量周期
對于穩(wěn)態(tài)法試驗，達到穩(wěn)態(tài)所要求的時間取決于試件的熱阻和熱容量、表面系數(shù)、試件中存在的傳質或濕氣的重分布、設備的自動控制器的類型和性能等因素。由于這些因素的變化，所以不可能給出一個單一的穩(wěn)態(tài)評判標準。
穩(wěn)態(tài)要求的一個例子是：在達到接近穩(wěn)定后，來自兩個至少為3 h的測量周期的ФP和T的測量值及R或U的計算值，其偏差小于1％，并且結果不是單方向變化。對于高熱阻或高質量或者兩者具備的試件，這個最低要求可能不充分，應延長試驗時間。
3.7 檢測報告
檢測報告應包含以下信息：
a)所有背離本標準的聲明和清單；
b) 如果適用，試驗室的標識及其地址、試驗日期和試驗者；
c) 測試裝備的信息，尺寸及內表面輻射率；
d) 試件的標志和描述，包括傳感器的位置；
e) 試件狀態(tài)調節(jié)程序，試件試驗前后的質量、含濕量及其測定程序；
f) 試件方位及傳熱的方向；
g) 熱、冷側的平均氣流速度和方向；
h) 總輸入功率和通過試件的凈傳熱。
按3.6.1規(guī)定確定的熱阻R的試驗報告，還應包括i)～p)項的信息。
注2：i)～m)項中報告的數(shù)值是在初始瞬態(tài)期后所有讀數(shù)或測量周期的平均值。
i) 熱側、冷側的空氣溫度；
j) 熱側、冷側的表面溫度；
k) 熱側、冷側表面溫度的面積加權平均值；
l) 計算的熱阻和為計算傳熱系數(shù)，取自建筑規(guī)范的表面換熱系數(shù)常用值；
m) 不確定度；
n) 試驗持續(xù)時間；
o) 附加測量，例如，作為試件一部分的材料的含濕量情況；
p) 與試驗有關的其他信息，例如，試驗結果同3.1中的初始估計值有明顯或不能解釋的偏差，試件的檢查結果和對偏差的可能解釋。
按3.6.2中規(guī)定確定的傳熱系數(shù)U的試驗報告，還應包括q)～w)的信息。
注3：q)～w)項中報告的數(shù)值是在初始瞬態(tài)期后所有讀數(shù)或測量周期的平均值。
q) 熱側、冷側的空氣溫度；
r) 熱側、冷側計算的環(huán)境溫度；
s) 由均質試件計算的傳熱系數(shù)和表面換熱系數(shù)；
t) 估計的準確度；
u) 試驗持續(xù)時間；
v) 附加測量，如，作為試件一部分的材料的導熱系數(shù)和含濕量測量情況；
w) 與測量有關的其他信息，如，試驗結果同3.1中的初始估計值有明顯或不能解釋的偏差，試件的檢查結果和對偏差的可能解釋。
附錄A (規(guī)范性附錄)表面換熱及環(huán)境溫度
A.1 環(huán)境溫度
試件任何一個側面的熱平衡方程可寫成：
式中：
――單位面積的熱流量，單位為瓦每平方米(w／m2)；
T'r――所有與試件進行輻射換熱表面的平均的輻射平均溫度，單位為開爾文或攝氏度(K或℃)；
Ta――鄰近試件的空氣溫度，單位為開爾文或攝氏度(K或℃)；
Ts――試件的表面溫度，單位為開爾文或攝氏度(K或℃)；
ε――輻射率；
hr――輻射換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文[W／(m2K)]；
hc――對流換熱系數(shù)，單位為瓦每平方米開爾文[W／(m2K)]。
為便于確定傳至表面的熱流，將空氣溫度和輻射溫度適當?shù)募訖?，合并成一個單一的符號――環(huán)境溫度Tn。可寫為：
這里Rs是表面熱阻，用式(A.3)和式(A.4)代入，式(A.2)與式(A.1)相等：
與
通常用兩個箱子的環(huán)境溫度之差來確定傳熱系數(shù)，而式(A.2)是用于確定表面熱阻。
然而，實際上熱箱和冷箱中T'r和Ta經(jīng)常都是很接近的，特別在試件熱阻遠大于表面熱阻，或者使用強迫對流時，此時hc比εhr大得多。在這些情況下，根據(jù)試件兩側的空氣溫度來確定傳熱系數(shù)是充分的，這里，對于所考慮的裝置和采用的測試條件來說，已確定產(chǎn)生的誤差可忽略不計。
確定試件的熱阻，僅需表面平均溫度。
A.2 環(huán)境溫度的計算
如εhc及hc值已知，并已測得T'r，及Ta值時，可用式(A.3)計算環(huán)境溫度。
如果靠近試件表面設有平行的導流屏，它的平均溫度可取為T'r，并且
其中ε1和ε2分別是導流屏與試件表面的輻射率。
對于涂無光澤黑漆的導流屏(ε1=0.97)，大多數(shù)建筑材料將給定ε=0.9，但應對每個試件單獨考慮。輻射換熱系數(shù)hr=4σT3m，這里σ是斯蒂芬常數(shù)[5.67x10-8 W／(m2K4)]，是適合的平均輻射絕對溫度，從以下可知:
或
如果除導流屏外，還有其他表面對試件直接輻射，則必須測量這些表面的溫度，并且用適當?shù)囊暯窍禂?shù)(或形狀因子)將它們合并得到T'r。
對流換熱系數(shù)hc與多個因素有關，如空氣-表面溫差、表面的粗糙度、空氣速度、熱流方向，因而不易預計。
對于垂直表面的自然對流，典型的hc=3.0 W／(m2K)。強迫對流時，hc遠大于3.0 W／(m2K)。
當hc值不確定時，可以根據(jù)式(A.1)、式(A.2)，消去hc得到：
這個表達式對于熱流傳人或傳出表面均是正確的。對傳人表面的熱流Ф的符號取正值(即熱面為正，冷面為負)。
使用式(A.4)需要知道試件平均表面溫度Ts。對于不均勻的試件，這可能是不知道的，此時，可用式(A.3)計算Tn，式(A.3)中的hc值可由另一個均勻試件的試驗中得到。
例如：
在一次傳熱系數(shù)實驗中，得到以下讀數(shù)：
輸入至計量箱的功率：Ф=31.8 W
計量面積：A=1.5 m2
則流經(jīng)試件單位面積的熱流量：Ф／A=21.2 W／m2
熱側溫度：
空氣平均溫度：Ta1=30.98℃
導流屏的平均溫度：T'r1=29.78℃
表面平均溫度：Ts1=27.60℃
因此：
和.hr=4×5.67×10-8×301.73=6.23 W／(m2K)
取ε=0.9，則εhr=5.61 W／(m2K)
hc值未知，用方程式(A.5)：
冷側溫度：
空氣平均溫度：Ta2=7.39℃
導流屏的平均溫度：T'r2=7.69℃
表面平均溫度：Ts2=8.75℃
因此：
Tm=281.3 K，所以用ε=0.9，得εhr=4.54，由方程式(A.5)得
所以：
表面熱阻為：
熱側，
冷側，
附錄B (資料性附錄)參考文獻
附錄B (資料性附錄)參考文獻
[1]ISO 8301：1991 絕熱 穩(wěn)態(tài)熱阻及相關特性的測定 熱流計法
[2]ISO 8302：1991 絕熱 穩(wěn)態(tài)熱阻及相關特性的測定 防護熱板法
[3]ISO 9251：1987 絕熱 傳熱狀態(tài)和材料特性 詞匯
[4]ISO 9288：1989 絕熱 輻射傳熱 物理量及定義
[5]ASTM C 236 用防護熱箱法測量建筑組件的穩(wěn)態(tài)熱性能試驗方法
[6]ASTM C 976 用標定熱箱法測量建筑組件的熱性能試驗方法
[7]BS 874：1973 絕熱性能的測定方法和絕熱術語定義
[8]Nordtest NT Building 119 用熱箱法測定熱阻
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[10]ASTM STP 789，ORLAND，R.D.，HOWANSKI，J.W.，DERDERIAN，G.D.and SHU，L.S. 防護熱箱設備試驗程序的發(fā)展
[11]ASTM STP 789，GOSS，W.P.and OLPAK，Ahmet 一種可旋轉的熱試驗設備的設計和標定
[12]ASTM STP 789，LAVINE，A.G，RUCKER，J.L.and WILKE 標定熱箱法的側面迂回損失的標定
[13]GUY and NIXON 防護熱箱法詳細驗證步驟
[14]ONEGA，R.J.and BURNS 側面迂回熱損失
附錄C (資料性附錄)補充說明
附錄C (資料性附錄)補充說明
ISO 7345中有關的術語已轉化在國家標準GB／T 4132―1996中，ISO 8301和ISO 8302已轉化為國家標準GB／T 10294和GB／T 10295，本標準使用者可參照使用。
