李 揚(yáng)，潘清林，唐維學(xué)

1.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083；2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650

鋁合金建筑隔熱型材的設(shè)計(jì)是利用斷橋隔熱原理，在2塊鋁合金中間以復(fù)合的方式添加熱傳導(dǎo)系數(shù)較小的非金屬材料，以達(dá)到減少熱量傳遞及保溫節(jié)能的目的.國內(nèi)外隔熱型材產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)對隔熱型材的力學(xué)性能、表面性能及使用性能等進(jìn)行了規(guī)定[1-3].當(dāng)前隔熱型材的熱性能越來越成為關(guān)注的焦點(diǎn)，但在我國的隔熱型材熱性能標(biāo)準(zhǔn)體系中尚未建立檢測方法，目前主要依靠計(jì)算機(jī)模擬的方式進(jìn)行理論計(jì)算，建立準(zhǔn)確、可靠的熱性能實(shí)測方法勢在必行.

本文通過對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)展開研究，設(shè)計(jì)了隔熱型材熱性能(傳熱系數(shù))的實(shí)驗(yàn)方案，提出了隔熱型材傳熱系數(shù)的測定方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)原理

材料的熱性能指標(biāo)較多，在建筑業(yè)中通常采用傳熱系數(shù)K(單位為W/m2·K)作為隔熱型材熱性能的評價(jià)指標(biāo)[4].

測定傳熱系數(shù)的主要設(shè)備為熱箱.熱箱的基本原理：模仿試件兩邊為溫度均勻的流體，將試件放置在已知環(huán)境溫度的熱室和冷室之間，在穩(wěn)態(tài)下測量空氣溫度、試件表面溫度及輸入熱室的功率，從而計(jì)算出試件的傳熱系數(shù)[5].門窗或框架傳熱系數(shù)的測定即運(yùn)用此原理[6-8].鋁合金隔熱型材是組成門窗的主要材料，其傳熱系數(shù)的測定也運(yùn)用此原理.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 熱 箱

熱箱分為標(biāo)定熱箱和防護(hù)熱箱，在我國檢測門窗、幕墻及墻體的熱性能，主要采用標(biāo)定熱箱.圖1為本次研究所采用的標(biāo)定熱箱的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 熱箱結(jié)構(gòu)示意圖

1-熱箱外壁；2-熱室；3-冷室；4-試件框；5-試件；6-熱室加熱裝置；7-冷室制冷裝置；8-冷室擋風(fēng)板；9-冷室氣流調(diào)節(jié)扇；10-感溫元件

Fig.1Structure of hot box

1-ektexine of worm side；2-worm side；3-cold side；4-aperture；5-specimen；6-heater；7-refrigerator；8-windshield；9-air speed adjuster；10-temperature sensors

2.2 測定對象和試件安裝方式

測定對象為鋁合金隔熱型材，不包含附件，不模擬實(shí)際安裝間隙，僅將隔熱型材作為復(fù)合材料，而測定其熱性能.試樣形式及安裝方式見圖2.本次研究用導(dǎo)熱系數(shù)為0.028 W/m·K的均質(zhì)材料作為標(biāo)定板和輔助絕熱材料，同時(shí)還提出添加輔助裝置(活動塊)來調(diào)整試件框的大小.

圖2 試樣形式及安裝方式示意圖

1-試件框；2-輔助隔熱材料；3-型材隔熱材料；4-型材金屬部件；5-密封部位；6-熱室；7-冷室

Fig.2Sample form and installation method

1-aperture；2-infill insulation；3-thermal barrier materials；4-metal profiles；5-adhesive position；6-worm side；7-cold side

2.3 對流條件、標(biāo)定程序及實(shí)驗(yàn)程序

2.3.1 對流條件

通過調(diào)整冷室的氣流速度，使標(biāo)定板表面熱阻達(dá)到預(yù)定值(0.17 m2·K/W)，標(biāo)定板的總表面熱阻Rs,t按下式計(jì)算：

(1)

式(1)中：Δθn,ca為標(biāo)定板兩邊的環(huán)境溫差，K；Δθs,ca為標(biāo)定板兩邊的表面溫差，K；qca為穿過標(biāo)定板的熱流密度，W/m2.

2.3.2 標(biāo)定程序

對于標(biāo)定熱箱，需要標(biāo)定的參數(shù)為熱箱外壁熱流系數(shù)M1及試件框熱流系數(shù)M2，其單位均為W/K.

標(biāo)定程序：變換環(huán)境溫度進(jìn)行3次標(biāo)定測試，通過標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行兩次計(jì)算，兩次計(jì)算結(jié)果的平均值為所需標(biāo)定的參數(shù).即用第1次和第2次的標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)M1值，再用第2次和第3次標(biāo)定的數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)M1值，取二次計(jì)算的平均值作為M1的值.同理，計(jì)算M2的值.標(biāo)定參數(shù)分別按下式計(jì)算：

(2)

式(2)中：Qn1，Qn2分別為第一次和第二次變換環(huán)境溫度時(shí)熱室的加熱功率，W；Δθn1，Δθn2分別為第一次和第二次變換環(huán)境溫度時(shí)熱室外壁內(nèi)外表面溫差，K.

(3)

式(3)中：Qc1，Qc2分別為第一次和第二次變換冷室溫度時(shí)熱室的加熱功率，W；Λca為標(biāo)定板的熱導(dǎo)率，W/(m2·K)；Δθca1，Δθca2分別為第一次和第二次變換冷室溫度時(shí)標(biāo)定板熱邊和冷邊的溫差，K；Aca為測試平面上標(biāo)定板的面積，m2；Δθc1，Δθc2分別為第一次和第二次變換冷室溫度時(shí)試件框熱邊和冷邊的溫差，K.

2.3.3 實(shí)驗(yàn)程序

設(shè)定冷熱室溫差ΔT≈40 K(熱室溫度為20 ℃，冷室溫度為-20 ℃)，試樣長度為950±5 mm，安裝和密封方式按圖2，其他測試步驟按照EN12412-2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的進(jìn)行.

試樣的傳熱系數(shù)K，用下式計(jì)算：

(4)

式(4)中：Φin為經(jīng)過校正的向熱邊輸入的熱量，W；Δθek為熱室外壁內(nèi)外表面面積加權(quán)平均溫差，K；Δθsur為試件框熱邊和冷邊表面面積加權(quán)平均溫差，K；Λfi為輔助隔熱材料的熱導(dǎo)率，W/(m2·K)；Δθs,fi為輔助隔熱材料兩邊表面的溫差，K；Afi為測試平面上輔助隔熱材料的投影面積，m2；Af為試樣總的有效投影面積，m2；Δθn為測試時(shí)系統(tǒng)兩邊的空氣溫差，K.

3 結(jié)果及討論

基于ANSYS的二維熱流模擬軟件Therm6.2進(jìn)行計(jì)算機(jī)熱流模擬計(jì)算，邊界條件列于表1，計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的傳熱系數(shù)Kf按下面公式計(jì)算.

表1 計(jì)算機(jī)模擬邊界條件Table 1 Boundary conditions of computer simulation

(5)

式(5)中：L2D為二維耦合因子，W/(m·K)；λP為填充板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；lP為填充板寬度，m；lf為型材寬度，m.

兩家實(shí)驗(yàn)室分別對相同型號的隔熱型材進(jìn)行了傳熱系數(shù)實(shí)測，實(shí)測數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)對比結(jié)果列于表2.

表2傳熱系數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)對比

Table2Contrastofthermaltransmittancebetweenmeasuredvalueandcomputersimulation

試樣編號傳熱系數(shù)K/(W·m-2·K-1)實(shí)驗(yàn)室1實(shí)驗(yàn)室2計(jì)算機(jī)模擬13.33.43.0523.83.83.4534.64.43.85

由表2可知：不同實(shí)驗(yàn)室采用本文方法測定時(shí)，數(shù)據(jù)偏差小、可比性好；實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)值均比計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值略大.這是由于計(jì)算機(jī)模擬中考慮的各種影響因素和參數(shù)均為理想狀態(tài)，實(shí)測時(shí)不可能達(dá)到.另外，隔熱型材在組裝門窗結(jié)構(gòu)時(shí)，影響因素也較復(fù)雜，本文的方法基于實(shí)測，其檢測數(shù)據(jù)能更直觀地反映隔熱型材的熱性能.

在不同環(huán)境條件下，對相同型號隔熱型材的傳熱系數(shù)進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表3.

表3不同時(shí)期傳熱系數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)對比

Table3Contrastofmeasuredvalueofthermaltransmittanceatdifferentperiod

試樣編號傳熱系數(shù)K/(W·m-2·K-1)冬季(環(huán)境溫度5 ℃)夏季(環(huán)境溫度25 ℃)A2.22.1B3.33.4C3.94.0

標(biāo)定熱箱與外環(huán)境存在的熱交換對測定結(jié)果是有影響的，不同外環(huán)境下的檢測結(jié)果反映了標(biāo)定參數(shù)的適應(yīng)性.表3數(shù)據(jù)表明，熱箱法對環(huán)境變化的適應(yīng)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性好.分析認(rèn)為，本方法采用的表面熱阻設(shè)定對流條件及獨(dú)立標(biāo)定熱流系數(shù)的方式，有利于實(shí)驗(yàn)的可操控性及檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.

4 結(jié) 論

(1)熱箱法是將隔熱型材作為復(fù)合材料測定其熱性能，傳熱系數(shù)指標(biāo)反映的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝體現(xiàn)出來的隔熱型材的熱性能.

(2)實(shí)測值較計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值略大，是由于計(jì)算機(jī)模擬中設(shè)置的參數(shù)均為理想狀態(tài).

(3)不同實(shí)驗(yàn)室和不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差均較小，表明熱箱法具有較好的復(fù)現(xiàn)性和可比性.

(4)使用熱箱法進(jìn)行隔熱型材傳熱系數(shù)的測定，結(jié)果準(zhǔn)確有效，可實(shí)際應(yīng)用.

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