模拟环境传热性能试验室的研制

袁志坚，林信贤，刘旭，毛海莲

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

前言

传热性能是衡量各种间隔室内室外环境的各种部件或整体构件的关键性指标，作为人工环境及自然环境节能的一部分，随着节能减排在全球各地的重视程度越来越高，各地对部件和整体构件的环境传热性能要求也是逐年提高。部分整体构件，如门、窗等的传热性能分级已经成为了欧美地区的市场的准入要求，也成为了产生价格差的重要性能指标。为有效地测定部件或整体构件的传热性能，国外已经有检测公司及部分生产企业开始建造试验设备来研究部件或整体构件的传热性能。环境传热性能试验室是能够检测整体构件或部件传热性能试验的关键设备，其综合了环境控制技术、自动控制技术、检测分析技术和计算机技术，是一种新型的高科技试验装备。

本文介绍了能同时满足欧标、美标和国标检测需要的环境传热性能试验室的主要技术特点。

1 试验室原理及技术指标

模拟环境传热性能试验室是由隔成热侧和冷侧两个测试间组成的试验室，配空调控制机组分别模拟构件的室内和室外所处环境。室内侧有一紧扣中隔墙和被测件的计量箱，作为热流计使用。

室内侧和室外侧都有空气处理机，用于控制热侧和冷侧温度，计量箱有加热装置，用于平衡从热侧传递到冷侧的热量。计量箱自身是一个热流计，用于测量热侧和计量箱之间细微的热传递量。计量箱内有可测量计算辐射量的挡流板，有提供对流用的加热箱和风扇（模拟空调器）。冷侧也有测量计算辐射量的挡流板和用于对流的吹风机。通过设定调节热侧、计量箱和冷侧的温度和调节风机转速等，使三者的热流在一段时间内趋于稳定和平衡。

利用已标定的各种材料的热导率、半球发射率等参数，校准得到计量箱、隔墙板等生成的相关系数，实时测量出加热箱发热量、计量箱传热量、通过测量空气和挡板表面等温度计算得到冷热侧辐射热量、对流热量和隔板的漏热量等，用于反算出通过被测件的热流量，并生成被测件的传热系数等数据。

由于环境性能试验室使用冷热量平衡的测试原理，采用测量精度高的电功率、热流计和热电偶阵列等测量方法；并采用校准产生的数据，通过回归算法生成的系数来测算出各种条件下的热传递量，避免了被测件形状、材料不一对测试结果造成的影响。由于不需要直接测量被测件的任何数据，减少了引入的误差。由于采用了热室作为计量箱包含计量箱的方法，并且也计算辐射量，因此欧标美标的试验室会比国标的测量精度要求高。

主要技术参数：

1）满足欧标、美标和国标的测试软硬件设计要求。

2）房间环境控制指标：热侧温度范围10～42℃，控制精度±0.1℃；风速范围0～0.2m/s。冷侧温度范围：-22～32℃，控制精度±0.1℃；风速范围1.5～8 m/s,可调，各点风速最大偏差5%。

3）可测试0.1mV级电势差的高精计量箱式热流计。

4）半球发射率0.84、测试温度0.1℃级的高精标准测试件。

5）可测试各种门、窗、玻璃、板材、天花、墙体、金属、电器等部件或整体构件，测试构件最大规格：3M×2.2M。

6）理顺欧美标准测算流程和公式，补缺检漏使标准切实可用。

7）实现热辐射这个间接热传递量的测定方法和计算。

2 试验室设计

2.1 试验室结构（见图1）

2.2 计量箱式热流计（见图2）

图1 试验室结构图

计量箱箱体在做欧美标准测试时是作为热流计使用的，做国标测试时是作为热室使用的。这里热流计是一个非标产品，计量箱的5个面都是热流计，是所有试验中时刻用到的重要热流测量设备，并且需要长期确保高精确度。热电堆式热流计比较适合该试验室。根据热电堆的原理，需要将一根热电偶的铜极和另一根热电偶的康铜极接起来形成一个节点，N根热电偶这样串联后，将节点依次布置于计量箱内外面。在校准试验时，设定计量箱和热侧的3个温度差，用计量箱加热管的发热量减去通过整块中隔墙传热量（中隔墙材料热阻已标定），就得出了通过计量箱5个面的热流值。通过测得热电堆的电压差，与热流值对应，采用线性回归算法得到热流值和热电堆电压差的拟合曲线，提供给标准板校准试验和样品试验调用。

2.3 校准板（见图3）

作为欧美标准在校准时使用的标准测试件，其材料的制作均匀性、加工精度、传感器的质量、布置及安装工艺，会直接影响到校准数据的合理性和被测样品试验时的数据可靠性，是测算精度的重要保证。

标准测试件的制作首先是将夹心的PU材料在加工厂进行平整的切割，然后在选取标准间隔的位置贴上黄铜片，再使用凝胶将0.3毫米等级的优质热电偶线贴在黄铜片上，将线引出。再送到加工厂将两片4毫米有机玻璃压实安装在PU材料上。边缘上胶密封。同时制作了两快标准测试件，一块加上有机玻璃20毫米厚，一块是60毫米厚。另外做一块小样送检测机构检测半球发射率。

2.4 传热面的对流控制

传热面的对流风速和均匀性会直接影响热流的稳定性、各计算测点的准确性。采用技术主要有以下几点：

1）吹风机是可以通过变频器调节基础风速的。

2）档流板和测试样品的距离是要做成可调节的。

3）吹风装置增加送风箱和出风扩散孔板（见图4）。

3 测试与计算分析

3.1 理顺标准

排除欧、美标计算量中设有的干扰项和隐藏点，在欧盟和美国标准中有不少测试和计算公式存在不合理的情况，毕竟离开欧盟或美国的本土还未建设过相对应标准的门窗传热性能试验室，或许是一种技术保护。理顺标准的工作我们采取了先用Excel强大的计算功能来演算公式，Excel表内嵌了很多函数，其中包括了各种回归算法，虽然没有公开的代码，但起码可以在Excel中调用。同时Excel表格清晰明了，更改方便，适合进行公式演算。在Excel将公式都演算合理了，再编写程序，并且按照合理流程展开校准与测试。

3.2 计算分析（见图5）

相对于国标，欧标和美标对热传递有着较高的保真要求，毕竟热传递是包括对流和辐射两个方面的，所以欧标和美标有对热辐射进行计算。

图3 校准板和试验整体构件样品

图4 多级可调风阀后端的送风箱

计算部分，例如欧标引入了一个环境温度的概念，冷热侧的环境温度由对流温度、对流分数、辐射温度和辐射分数组成。

以上公式来源：EN ISO 12567 1-2000标准公式（7）

通过标准测试件，还引入了一个表面传热系数的概念，分别由标准测试件向档流板和向中隔墙（中隔墙与标准测试件的各个安装边框）热传递系数hcb和hcp，可通过标准测试件表面温度和档流板或中隔墙的表面温度求出，进而再求出辐射系数hr。并通过冷热室多个温差的标准测试件试验得出对流分数与热流的关系、标准热阻与热流的关系、中隔墙热阻与中隔墙温度的关系等。在样品试验中可以通过查表法和当时的档流板与空气温度，得出辐射温度、对流分数和辐射分数。最后通过总热流与通过剩余中隔墙的热流之差算出经过样品的热流，再通过一定的换算测算出样品的标准传热系数。

4 结语

从国外现况及发展趋势看，目前针对节能的要求日趋严格，构件的传热性能直接影响车辆或建筑物内相应的各类机电设备的能源损耗情况，针对构件的环境传热性能的研发和节能新材料的研制将会日渐增多。而国内之前并未有建造适合欧美标准的试验室。

图5 软件欧标标准板校准试验窗体

该技术已成功应用于一家外资质量服务公司的试验室中，主要用作出口门窗产品的环境传热性能测试。从使用效果看，试验室提供了环境传热性能测试所需的硬件和软件平台，能同时满足国标、欧标、美标的测试标准要求，为企业研发或检定新型节能型环境设备提供了重要的作用。

[1] GB/T 8484-2008, 建筑外门窗保温性能分级及检测方法[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].