（免费下载）GB/T 13475-2008 绝热稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法
1 概述
1.1 范围
本标准规定了装置的设计原理及测定建筑构件和工业用的类似构件的试验室稳态传热性质应满足的最低要求。由于各种要求的变化(尤其是尺寸方面)，因此不能限定一个特殊设计的装置和将操作条件规定在较小的范围。
本标准给出了装置，测量技术和必需报告的数据的描述。
本标准不适用于测定特殊构件，如窗，此时需要附加程序，本标准不包括这些程序。
本标准也不考虑湿迁移(或重分布)对热流测量的影响，但在装置的设计和操作时应予考虑，因为湿迁移可能影响试验结果的准确度和确切性。
本标准可测量的热性质是传热系数和热阻，规定了两种可供选择的方法：标定热箱法和防护热箱法。这两种方法都适用于垂直试件(如墙体)以及水平试件(如天花板和楼板)。装置能够足够的大，以便研究原尺寸的构件。
本标准适用于在试验室测量大尺寸的非均质的试件。也适用于测定均质试件，这是进行标定和验证所必需的。
按照本标准规定的方法测量均质试件时，经验表明，通常能够达到的准确度是±5％。然而，对于每一个单独装置的准确度，应使用热传导的均质标准试件，在该装置覆盖的测量范围内进行评定。对于非均质试件准确度的评定则更为复杂，并且还包含对特殊类型的被测的非均质试件中的热流机理分析。这类分析已超出本标准的范围。
本标准不适用于试验过程中有穿过试件的传质现象的测量。
1.2 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
ISO 7345：1987 绝热材料――物理量和定义
1.4 符号和单位
本标准所用符号及其单位如下：
i 内部，通常为热侧
e 外部，通常为冷侧
s 表面
n 环境
λ 导热系数 [W／(mK)]
R 热阻 [(m2K)／W]
U 传热系数 [W／(m2K)]
h 表面换热系数 [W／(m2K)]
Ф 热流量 [W]
ФP 加热或冷却的总输入功率 [w]
Ф1 通过试件的热流量 [W]
Ф2 平行于试件的不平衡热流量 [W]
Ф3 通过计量箱壁的热流量 [W]
Ф4 迂回热损，绕过试件侧面的热流量 [W]
Ф5 周边热损，在试件边界平行于试件的热流量 [W]
A 垂直于热流的面积 [m2]
q 热流密度 [W／m2]
d 试件厚度 [m]
Ta 空气温度 [K]
Tr 平均辐射温度 [K]
Tn 环境温度 [K]
Ts 表面温度 [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 [对于防护热箱]
Ф1=ФP―Ф3―Ф4 [对于标定热箱]
注1：虽然对于不透明、均质的、板状试件能用λ=d／R。关系式得到导热系数，但本方法不直接测量导热系数。
2 装置设备
2.1 概述
如1.1中提到的，规定一个装置的设计细节是不实际的，因此，本章只给出了必须遵循的要求以及必须考虑的内容。
图1和图2显示的是被测试件的典型布置型式和装置的主要组成部分；图4及图5显示的是可供选择的布置型式。也可以使用可完成相同目的的其他布置。图1中箱壁和图2中框架对通过试件的传热的影响取决于箱壁或框架的形状和材质、试件的厚度和热阻、以及温差和空气速度等试验条件。装置的设计和构造应该适合于被测试件的预期类型和预期的试验条件。
2.2 设计要求
装置的尺寸应与预期的用途相匹配，须考虑以下因素：
――计量面积必须足够大，使试验面积具有代表性。对于有模数的构件，计量面积应精确地为模数的整倍数；
――由于在计量区域的边缘不能维持一维热流，因此计量面积与计量区域的周长之比对两种型式热箱的测试准确度都会有影响。这些在计量区域边缘的误差热流作为计量热流的一部分而被测量，并且它将随着计量面积的减少而增加；
――防护热箱中，由于表面系数和计量区域外围附近的空气温度的不均匀性导致不平衡热流Ф2；
――防护热箱中，相当数量的热量通过计量箱的鼻锥进入试件。鼻锥的密封材料的有限厚度导致了偏离一维热流；
――边缘绝热材料和边缘的边界条件都会影响防护热箱的周边热损Ф5，在标定热箱中，则影响迂回热损Ф4。
由于试件在靠近计量区域边缘的非均质性，使所有这些问题变得更为复杂。
总的来说，计量箱的尺寸决定了装置其他组成部分的最小尺寸。计量箱的深度不应超过保持预期的边界条件(要求的边界层厚度等)和布置设备所需要的尺寸。
所有与试件表面进行热辐射交换的表面的辐射率可以是高的也可以是低的。大多数建筑和工业部件的典型的实际应用情况是高辐射率(0.8或更高)。
低辐射率环境需要一个更大的对流成分，例如更高的气流速度，以达到常规的表面换热系数。这使表面系数分布状态发生实质性的改变，它能提供更好的温度均匀性，但是这种情况能产生一种完全不同于真实用途的虚假热品质。尤其是它不适合于具有透气性表面的试件。
2.4 防护箱
在防护热箱里，计量箱位于防护箱的内部。防护箱的作用是在计量箱周围建立适当的空气温度和表面换热系数，使流过计量箱壁的热流Ф3。及试件表面从计量区到防护区的不平衡热流Ф2最小。
计量面积大小、防护面积大小和边缘绝热材料之间的关系应满足：当测试最大预期热阻和厚度的均质试件时，由周边热损Ф5引起的在试件热流量的误差应该小于计量热流Ф1的0.5％。ISO 8302有定量计算这个误差的程序。
防护箱内壁的辐射率、加热器屏蔽和温度稳定性等要求原则上与计量箱相同。温度均匀性应满足不平衡误差小于通过试件计量区的热流的0.5％的要求。
为避免防护箱中的空气停滞不动，通常需要安装循环风扇。
2.5 试件框架
标定热箱装置中，由于侧面迂回热损，使得试件框架是一个重要的部件，为了测定的准确度，应将侧面迂回热损保持在最小值。在承载能力(即支承试件)与高热阻的之间有一个折衷办法，朝向试件的面应为低传热性能。
典型的防护热箱装置中，不用试件框架，边缘绝热材料可将侧向热流减到最小。如果使用试件框架，应按2.4的要求，使侧向热流减到最小。
2.6 冷箱
在标定热箱装置中，冷箱的尺寸取决于计量箱的尺寸；在防护热箱装置中，冷箱的尺寸取决于防护箱的尺寸。可采用如图1，图2，图4和图5所示的布置。
箱壁的构造应减少制冷设备的载荷并防止结露。箱体的内表面的辐射应与要求的辐射换热一致。关于辐射率、加热器的热辐射屏蔽、温度稳定性和温度均匀性的要求原则上与计量箱相同。
制冷系统蒸发器的出口处经常设置电阻加热器，以精确调节冷箱温度。如同计量箱一节提到的，为使箱内空气均匀分布，可设置导流屏。建议气流方向与自然对流方向相同。电机、风扇、蒸发器和加热器应进行辐射屏蔽。
空气速度应可以调节，以满足测试需要的表面换热系数，并应测量流速。对于建筑构件在模拟自然条件时，风速一般为0.1 m／s～10 m／s。
2.8 测量仪器
温差测量的准确度应是试件冷、热箱两侧空气温差的±1％，建议由测量仪表增加的不确定性不大于0.05 K。绝对温度的测量准确度为两侧空气温差的±5％。
平衡热电堆的输出功率、加热器及风扇等的输入功率的测量准确度，应满足由于测量仪表的准确度引起的试件热流量Ф1的附加测量误差小于1.5％(参看在2.3.2结尾有关风扇功率的测试要求)。
3 测量步骤
3.1 概述
测试人员有必要熟悉前面章节的内容。由于测试目的多样，因此测试程序也有意较为概括。
对于特殊试件，应该确定测试方法是否适用的，是否其他方法更好，例如防护热板法，热流计法，或是计算。根据对试件的检查和分析，试验性地评估其热性能值的可能范围。也应该评估可获得的精确度，并且可获得的精确度应该与试验的目的有关系。
3.2 试件的状态调节
对热流受到湿气影响的试件，应记录状态调节情况。当有意义的时候，应记录试件在测试前后的质量，或者应在试验前后钻取芯样。
3.3 试件的选择与安装
试件应选用或制成有代表性的。对非均质试件应作如下考虑。对于防护热箱法，决定检测不平衡(空气到空气或空气到表面)的最精确的方法。当靠近计量区域周围的表面温度很均匀时，检测试件表面不平衡和评价流过箱体的热流Ф2。是最精确的方案。当靠近计量区周围出现不均匀性时，唯一可能的解决方案是空气到空气的平衡，那么，不平衡热流Ф2。则是一个未知的误差源。防护热箱法中，如有可能，应将热桥对称地布置在计量区域和防护区域之间的分界线上，这样，热桥面积的一半在计量箱内，另一半在防护箱内。
如果试件是有模数的，计量箱的尺寸应是模数的适当的倍数。计量箱的周边应同模数线外周重合或在模数线之间的中间位置。
如果不能满足这些要求，只好将计量箱放在不同位置做多次试验，并且要非常谨慎地考虑这些结果，如果适用，可辅以温度、热流的测量和计算。
标定热箱法中，应考虑试件边缘的热桥对侧面迂回传热的影响。就像上面提到的，可能有必要将计量箱放在不同位置做多次试验，在这种情况下，标定热箱法意味着代表建筑物不同部分的不同试件。
试件安装时周边应密封，不让空气或湿分从边缘进入试件，也不从热的一侧传到冷的一侧，反之亦然。
试件边缘应该绝热，使Ф5减少到符合准确度的要求。
应考虑是否需要密封试件的每个表面，以避免空气渗透进试件以及是否需要控制热侧的空气露点。
在防护热箱法中，应该考虑试件中是否有要求用隔板将其分隔的连续空腔以及是否应在计量箱周边将高导热系数的饰面切断。
如果试件表面不平整，在与计量箱周边密封接触的区域，可能需要用砂浆、嵌缝材料或其他适当的材料填平，确保计量箱与防护箱之间的气密性。
如果试件尺寸小于计量箱所要求的试件尺寸，将试件安装在遮蔽板内，例如将试件嵌入一个墙内。
在遮蔽板和试件之间的边界区域中热流不是单向的；选择与试件相同热阻及厚度的遮蔽板，能够将此个问题减到最小。在一些实例中，这是不可能的，比如在窗的测试中。在这种情况下，当遮蔽板的热阻不同于安装窗户的墙体时，在窗框中的热流线与它们最终使用时不同，将难以预料其准确度。为了比较与解释试验结果，这些试件安装问题需要试件安装的规则，这超出了本标准的范围。
3.4 测试条件
测试条件的选择应考虑最终的使用条件和对准确度的影响。试验平均温度和温差都影响测试结果。通常建筑应用中平均温度一般在10℃～20℃，最小温差为20℃。根据试验目的调节热、冷侧的空气速度。调节温度控制器使Ф2或Ф3之一或二者尽可能小或等于0。见ISO 8302中不平衡的叙述。
3.5 测量周期
对于稳态法试验，达到稳态所要求的时间取决于试件的热阻和热容量、表面系数、试件中存在的传质或湿气的重分布、设备的自动控制器的类型和性能等因素。由于这些因素的变化，所以不可能给出一个单一的稳态评判标准。
稳态要求的一个例子是：在达到接近稳定后，来自两个至少为3 h的测量周期的ФP和T的测量值及R或U的计算值，其偏差小于1％，并且结果不是单方向变化。对于高热阻或高质量或者两者具备的试件，这个最低要求可能不充分，应延长试验时间。
3.7 检测报告
检测报告应包含以下信息：
a)所有背离本标准的声明和清单；
b) 如果适用，试验室的标识及其地址、试验日期和试验者；
c) 测试装备的信息，尺寸及内表面辐射率；
d) 试件的标志和描述，包括传感器的位置；
e) 试件状态调节程序，试件试验前后的质量、含湿量及其测定程序；
f) 试件方位及传热的方向；
g) 热、冷侧的平均气流速度和方向；
h) 总输入功率和通过试件的净传热。
按3.6.1规定确定的热阻R的试验报告，还应包括i)～p)项的信息。
注2：i)～m)项中报告的数值是在初始瞬态期后所有读数或测量周期的平均值。
i) 热侧、冷侧的空气温度；
j) 热侧、冷侧的表面温度；
k) 热侧、冷侧表面温度的面积加权平均值；
l) 计算的热阻和为计算传热系数，取自建筑规范的表面换热系数常用值；
m) 不确定度；
n) 试验持续时间；
o) 附加测量，例如，作为试件一部分的材料的含湿量情况；
p) 与试验有关的其他信息，例如，试验结果同3.1中的初始估计值有明显或不能解释的偏差，试件的检查结果和对偏差的可能解释。
按3.6.2中规定确定的传热系数U的试验报告，还应包括q)～w)的信息。
注3：q)～w)项中报告的数值是在初始瞬态期后所有读数或测量周期的平均值。
q) 热侧、冷侧的空气温度；
r) 热侧、冷侧计算的环境温度；
s) 由均质试件计算的传热系数和表面换热系数；
t) 估计的准确度；
u) 试验持续时间；
v) 附加测量，如，作为试件一部分的材料的导热系数和含湿量测量情况；
w) 与测量有关的其他信息，如，试验结果同3.1中的初始估计值有明显或不能解释的偏差，试件的检查结果和对偏差的可能解释。
附录A (规范性附录)表面换热及环境温度
A.1 环境温度
试件任何一个侧面的热平衡方程可写成：
式中：
――单位面积的热流量，单位为瓦每平方米(w／m2)；
T'r――所有与试件进行辐射换热表面的平均的辐射平均温度，单位为开尔文或摄氏度(K或℃)；
Ta――邻近试件的空气温度，单位为开尔文或摄氏度(K或℃)；
Ts――试件的表面温度，单位为开尔文或摄氏度(K或℃)；
ε――辐射率；
hr――辐射换热系数，单位为瓦每平方米开尔文[W／(m2K)]；
hc――对流换热系数，单位为瓦每平方米开尔文[W／(m2K)]。
为便于确定传至表面的热流，将空气温度和辐射温度适当的加权，合并成一个单一的符号――环境温度Tn。可写为：
这里Rs是表面热阻，用式(A.3)和式(A.4)代入，式(A.2)与式(A.1)相等：
与
通常用两个箱子的环境温度之差来确定传热系数，而式(A.2)是用于确定表面热阻。
然而，实际上热箱和冷箱中T'r和Ta经常都是很接近的，特别在试件热阻远大于表面热阻，或者使用强迫对流时，此时hc比εhr大得多。在这些情况下，根据试件两侧的空气温度来确定传热系数是充分的，这里，对于所考虑的装置和采用的测试条件来说，已确定产生的误差可忽略不计。
确定试件的热阻，仅需表面平均温度。
A.2 环境温度的计算
如εhc及hc值已知，并已测得T'r，及Ta值时，可用式(A.3)计算环境温度。
如果靠近试件表面设有平行的导流屏，它的平均温度可取为T'r，并且
其中ε1和ε2分别是导流屏与试件表面的辐射率。
对于涂无光泽黑漆的导流屏(ε1=0.97)，大多数建筑材料将给定ε=0.9，但应对每个试件单独考虑。辐射换热系数hr=4σT3m，这里σ是斯蒂芬常数[5.67x10-8 W／(m2K4)]，是适合的平均辐射绝对温度，从以下可知:
或
如果除导流屏外，还有其他表面对试件直接辐射，则必须测量这些表面的温度，并且用适当的视角系数(或形状因子)将它们合并得到T'r。
对流换热系数hc与多个因素有关，如空气-表面温差、表面的粗糙度、空气速度、热流方向，因而不易预计。
对于垂直表面的自然对流，典型的hc=3.0 W／(m2K)。强迫对流时，hc远大于3.0 W／(m2K)。
当hc值不确定时，可以根据式(A.1)、式(A.2)，消去hc得到：
这个表达式对于热流传人或传出表面均是正确的。对传人表面的热流Ф的符号取正值(即热面为正，冷面为负)。
使用式(A.4)需要知道试件平均表面温度Ts。对于不均匀的试件，这可能是不知道的，此时，可用式(A.3)计算Tn，式(A.3)中的hc值可由另一个均匀试件的试验中得到。
例如：
在一次传热系数实验中，得到以下读数：
输入至计量箱的功率：Ф=31.8 W
计量面积：A=1.5 m2
则流经试件单位面积的热流量：Ф／A=21.2 W／m2
热侧温度：
空气平均温度：Ta1=30.98℃
导流屏的平均温度：T'r1=29.78℃
表面平均温度：Ts1=27.60℃
因此：
和.hr=4×5.67×10-8×301.73=6.23 W／(m2K)
取ε=0.9，则εhr=5.61 W／(m2K)
hc值未知，用方程式(A.5)：
冷侧温度：
空气平均温度：Ta2=7.39℃
导流屏的平均温度：T'r2=7.69℃
表面平均温度：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：
表面热阻为：
热侧，
冷侧，
附录B (资料性附录)参考文献
附录B (资料性附录)参考文献
[1]ISO 8301：1991 绝热 稳态热阻及相关特性的测定 热流计法
[2]ISO 8302：1991 绝热 稳态热阻及相关特性的测定 防护热板法
[3]ISO 9251：1987 绝热 传热状态和材料特性 词汇
[4]ISO 9288：1989 绝热 辐射传热 物理量及定义
[5]ASTM C 236 用防护热箱法测量建筑组件的稳态热性能试验方法
[6]ASTM C 976 用标定热箱法测量建筑组件的热性能试验方法
[7]BS 874：1973 绝热性能的测定方法和绝热术语定义
[8]Nordtest NT Building 119 用热箱法测定热阻
[9]ASTM STP 554，MUMAW，J.R. 标定热箱法：测量大墙体热导率的有效方法
[10]ASTM STP 789，ORLAND，R.D.，HOWANSKI，J.W.，DERDERIAN，G.D.and SHU，L.S. 防护热箱设备试验程序的发展
[11]ASTM STP 789，GOSS，W.P.and OLPAK，Ahmet 一种可旋转的热试验设备的设计和标定
[12]ASTM STP 789，LAVINE，A.G，RUCKER，J.L.and WILKE 标定热箱法的侧面迂回损失的标定
[13]GUY and NIXON 防护热箱法详细验证步骤
[14]ONEGA，R.J.and BURNS 侧面迂回热损失
附录C (资料性附录)补充说明
附录C (资料性附录)补充说明
ISO 7345中有关的术语已转化在国家标准GB／T 4132―1996中，ISO 8301和ISO 8302已转化为国家标准GB／T 10294和GB／T 10295，本标准使用者可参照使用。
