浅析防护热板法导热系数测定中的影响因素

■ 李青山 LI Qingshan

0 引言

随着经济的发展，人们对房屋使用舒适度的要求越来越高，空调地暖等改善生活环境的设备越来越多，造成建筑物能耗逐年增加；而越来越严格的环境保护政策，又要求降低能耗，减少污染。在这种情况下建筑节能经过几个阶段的发展，已经是当前工程建设中的重中之重，民用建筑也好，工业建筑也罢，都有相关的节能设计标准对节能保温指标进行了规定性要求，最主要指标之一就是对材料的导热系数的要求。导热系数过大的材料不能满足节能效果的要求。因此，导热系数的检测也是节能材料必不可少的一项检测。

1 导热系数概述

导热系数是一个通常的叫法，它体现的是材料单位厚度、单位温差条件下通过的热流量，反映的是材料的热传递性能。理论上的检测过程是一个复杂的动态过程，包含热传导、对流和辐射传热的过程，不仅跟材料本身的特性有关，也跟热传递中有效热流量的测定、试样的厚度、传热计量面积等关键数据有关。现有检测方法的基本原理就是通过简化这一过程，计算热流量、厚度和传递热的面积等基本参数，以此来确定导热系数[1、2]。

2 导热系数测定过程中的影响因素

本文导热系数的检测主要针对采用防护热板法测量的材料，仪器采用国产单板平板导热仪。其导热系数计算的基本公式简化为：

λ＝（f1f2qd）/A（T1-T2）

式中，λ—导热系数，W/（mK）；

f1—仪器校正系数；

f2—仪器修正系数；

q—消耗功率，W；

d—试件厚度，m；

A—热计量面积，本次所用仪器为0.0225m2；

T1—热板温度，一般设35℃；

T2—冷板温度，一般设15℃。

从式中不难看出，除热计量面积外，公式中其余几个变量的变化都会对最终结果产生影响。下面就从如下几个方面谈谈影响导热系数检测。

2.1 试样

试样材料的种类决定了材料的特性，其疏松程度、孔隙率、含水率等均会对导热系数的检测产生影响。

2.1.1 材料含水率的影响

材料中的含水率对导热系数检测有很大的影响，含水率越大，测定的导热系数越大。含水率过大时，严重的情况下会使仪器超负荷运转而损坏仪器设备。但这类错误一般不会发生。

对于此类影响，需要根据不同的材料类别进行处理。节能保温材料按其材料性质可分为有机类、无机类及组合型。其中，有机类保温材料一般以模塑聚苯板（EPS板）、挤塑聚苯板（XPS板）、聚氨酯等为代表；无机类保温板以岩棉板/岩棉带、泡沫玻璃板、发泡水泥板、无机保温砂浆等为代表；组合型兼有无机材料与有机材料复合的性质，较典型的有模塑板/挤塑板复合石膏板、内填充岩棉板饰面板。组合板一般需要去除饰面板进行检测。这里主要选取前两类材料讨论。

EPS板和XPS板的性质一般比较稳定，吸水率不高，除非确定被水浸湿过需要烘干，一般只需要状态调节即可。调节方法是在环境温度（23±2）℃、相对湿度（50±10）%条件下，放置16h以上即可。

岩棉板、泡沫玻璃板、发泡水泥板、无机保温砂浆则因含水量不确定，建议在不影响材料性质的温度下将材料烘至恒重后，再在前面所述的温湿度条件下放至常温后检测。

2.1.2 试样的疏松程度、孔隙率的影响

这主要与材料的类别有关。测量时，对试样压紧压实，里面的空气层被挤压，造成导热系数偏大的结果。因此，检测时规定了预压力不超过2.5kPa，按照一般试样面积300mm×300mm计算，施加的力值为225N。这个预压力对于疏松类材料的厚度测量也会产生很大的影响。

2.1.3 试样的厚度

从前面的简化公式看出，试样的厚度是计算导热系数的一个基本参数，一般厚度25～35mm比较合适。当试样太薄（＜20mm）时，因冷热板很难达到热稳定，造成热流量偏大，故导致测量结果不准确。当试样的厚度超过仪器所能安装的最大厚度时，需要将试样切薄并打磨平整，打磨一般平整度在2%以内可以满足。试样安装要求一定的压紧力，可以排除试样表面的轻微不平整和空气层的影响。待试样安装在设备中之后，再进行厚度测量。

2.2 仪器设备对检测结果的影响

2.2.1 冷热板温度的控制

一般材料的导热系数性能指标平均温度为25℃。为实现这一平均温度，可有多种设置方案设置冷、热板温度，表1列举了3种典型的设置方案。其主要影响在于冷、热板温度的稳定，直接影响到热功率的计算。一般检测选用的是第2组（热板温度35.0℃、冷板温度15.0℃），主要是因为这两个温度均与室温差别不大，即加热和制冷均不需要太大的功率就能实现；第1组的热（40.0℃）、冷（10.0℃）板温度设置虽使传热更显著，但增加了需要提供给热板和冷板的能量消耗；而第3组30.0℃和20.0℃的温度设置则因为温差不够大，使得热流量不够明显，均造成测试结果不准确。

表1 3种典型的冷、热板温度设置方案

仪器开始使用时，会有一个修正系数f2，代表这个设备有多少有效的功率会被计算成导热系数消耗的功率。有些设备会明确提供出来，有些会设置在仪器内部软件中。随着设备使用年限的增加，设备自身由于制冷压缩机老化，冷却液缺少等问题，都会使得仪器在计算导热系数时，将设备所消耗的电能转化成热流功率，使得导热系数计算值偏大。

对这个问题的处理方法是：定期对设备进行期间核查。期间核查就是用标准样品对设备进行标定，得到校正系数f1。当f1在0.95～1.05之间，说明设备的各个部分工作正常；当超出这个范围时，说明设备有部分已经老化，不能维持出厂时的状态，需要维护保养。

2.3 检测环境对导热系数测定的影响

检测环境的影响主要取决于温湿度影响。研究表明，当环境温度在25℃左右时，检测结果最准确；高于30℃时，导热系数的检测结果会偏小；低于18℃时，检测结果会偏大。最主要的影响还是在于对冷热板温度稳定性的影响，主要是对热板消耗产生的功率计量的影响：当环境温度过高时，对热板输出的功率减小，对冷板温度的影响没有对热板温度影响的大，造成导热系数计算时的功率偏小，导热系数值相应偏小；当温度过低时，热板为了达到设定的温度时，输出功率就会增大，造成导热系数检测值偏大。

3 结语

综上所述，通过对导热系数日常检测中问题的探讨，简化了导热系数的组成因素。在日常检测中，需根据材料的性质，选择合适的预处理，控制实验进行时的环境条件，注意仪器设备的日常维护保养，才能准确的测定导热系数，得到可靠的检测数据。