建筑保温材料及构件热工性能的检测方法

1、2011.06.16中国建筑科学研究院（建筑物理研究所）（国家建筑节能质量监督检验中心）（国家建筑工程质量监督检验中心）建筑保温材料及构件热工性能的检测方法 近年来，建筑节能工作在我国的发展十分迅速，建筑节能形势也越来越好。但据统计，全国节能建筑发展水平仍然参差不齐，建筑用能浪费仍相当严重，节能潜力还未充分发挥。全国每年新建城乡建筑的建筑中80%以上是高耗能建筑。相同条件下，我国建筑平均使用能耗远远高于发达国家；同时伴随着村镇建筑用能的逐步提高，我国的建筑节能工作任重而道远。 要实现建筑物本体节能（相对建筑系统节能），离不开建筑保温材料及其构件。 为了指导建筑节能设计，提供确切可靠的建筑材料热

2、物理性能数据，同时为了有效监督建筑节能施工，确保最终建筑体的节能可靠性，因此对建筑材料及其构件进行准确的节能检测非常重要。 针对日益广泛的建筑节能检测工作，本文主要介绍与之相关的主要国家标准和行业标准，把其中比较常用、比较关键的问题讨论一下。通过相互交流与磋商，把与建筑节能检测相关的一些基本问题阐述清楚，为更好地开展节能检测做一些力所能及的工作。建筑节能材料常用术语及定义：导热系数（） W/（mK） 在稳态条件下，1m厚物体，两侧表面温差为1k，1s内通过1m2面积传过的热量。 导热系数值越小，材料的绝热（保温）性能越好。热阻（R ） m2K/W 在稳定状态下，与热流方向垂直的物体两表面温度差

3、除以热流密度。 对于均质材料层，热阻R值可由厚度和导热系数计算 R=/ 对于非均质墙体构造（如空心砌块墙体、复合墙体），热阻R值取决于具体构造。传热阻（RO） （m2K）/W 传热系数的倒数；数值上为物体两侧环境温度差除以热流密度。 传热阻 RO=Ri+R+Re （举例）在计算外墙传热阻时，取Ri=0.11，Re=0.04传热系数（K） W/（m2K） 稳态条件下，围护结构两侧空气温差为1K，1s内通过1 m2面积传递的热量。 传热系数K K=1/RO 建筑本体节能（相对系统节能）检测中最重要的两个参数 材料的导热系数 围护结构的传热系数 本文通过结合相关标准的方法对以上两个参数的测量做一些基

4、础性的讨论。一、材料的导热系数测量相关标准 GB/T 10294-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法 通过计量被测试件的两侧温度和热侧的加热功率，从而获得材料的导热系数。 GB/T 10295-2008 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法 通过计量被测试件的两侧温度和通过试件的热流密度，从而获得材料的导热系数。 本文以防护热板法（ GB/T 10294方法）中的单试件法为例来重点介绍，然后将双平板法、热流计法与单平板法的不同之处做简略的介绍。 首先介绍一下仪器设备的原理，示意图如下： 仪器重点： 试件两侧温度计量准确； 试件热侧加热功率计量准确； 试件温度和侧向护热

5、板、背向护热板要保持高度一致。 事实上，为了达到上述目的，对仪器的要求是方方面面的，如：测试元件的精度、测温点的布置、控制系统的灵活，甚至包括仪器的机械加工精度等等，这些都会对仪器的测量结果产生影响。 对于仪器开发人员来说，如何提高仪器自身的测量精度是研究的重点。 但对于节能检测人员来说，仪器的内部因素不是关注的重点，如何更好地使用仪器设备则才是重要的关注点。测试达到平衡的判断（1）一般凭经验确定测量间隔。对于泡沫塑料等轻质试件可取30分钟，对于较厚重试件取1小时。（2）当连续四组读数给出的热阻值的差别不超过1%，并且不是单调地朝一个方向改变时即表示达到稳定状态。使用过程的一些基本注意事项 （

6、1）试件冷热面温度差的设定要按照相关标准或其他规定 进行，对于普通绝热材料，不宜将冷热面温差设定在10K以下，极端情况也不应低于5K，否则不易保持测试的准确 性。 （2）对于软质保温材料，在保证夹紧的同时还要避免过度压缩试件，防止改变试件的热工性能而影响测量结果。 （3）对于硬质材料，要避免仪器的冷热板与试件之间产生空气间隙，采用导热良好的膏体材料排出缝隙间的空气是一个好办法。 （4）对于常规材料，应在实验结束前对其测量结果做一个基本判断（其中，密度是一个重要参考因素），如果出现意外结果，则应及时查找各方面原因。 （5）对于非常规材料，应在实验前根据材料的密度，以及与其相似材料的一些性能等参数

7、做参考，粗估材料的导热系数，从而设定合理的温度范围，有利于缩短测量过程并得到更为准确的测量结果。 （6）仪器的冷热板表面不宜覆盖其他材料（一般是促进冷热板与试件的接触）；如果采用这种方式，应做好与之相关的校准工作。 （7）试件热阻不能太小。 其中，标准建议要大于0.1（m2K）/W。 潜台词：试件不能太薄；试件的导热系数不能太大。 注意问题：同时试件不能太厚，否则在有限的测量尺寸下，试件越厚会导致测量温度场偏离一维稳态传热的程度越大，而一维稳态传热是测试的理论基础，必须得到保证才能确保测量的准确性。（8）试件厚度对测量有较大影响，对于300mm300mm尺寸的设备，比较理想的试件厚度为20 m

8、m30mm，一般不要超过10 mm50mm的范围。 （9）不应对所有的材料都用统一的夹紧力。一般说 来，试件越不平所需的夹紧力应越大，试件越硬所需的夹紧力越大。（10）设备测量区的防护罩对试件的测量影响大小因不同测试温度条件和不同试件而不同，建议不要放弃防护罩的使用。（11）测试时设备的大环境温度尽量保持稳定。 双试件（平板法）设备与单试件（平板法）设备的对比 双试件法设备简单说来，就是采用在主加热板的两侧各设置一块相同试样，进行材料导热系数测试的方法。 与单平板法设备相比，两者的区别在于： 首先，由于双试件设备采用了两块试件，这就使得双试件设备避免使用了单试件设备中主加热板背后的背护热板背护

9、热板，从而避免了主加热板向背护热板的传热问题，从这个角度看有利于提高设备的测量精度。 其次，双试件设备所使用的两块试件必须完全一致（理论上），否则可能会引起主加热板向双侧的传热不均而导致测量结果产生偏差。 实际中，无论是试件的厚度还是试件的均匀性，两块试件不可能做的完全一致，从这个角度看双试件设备不利于提高设备测量精度。 防护热板法（平板法）设备与热流计法设备的对比 热流计法设备采用GB/T 10295-2008标准，因为它不精确计量热量（功率）参数，所以它是一种相对法设备。设备所使用的热流计是经过系数标定的，因此测量的准确性与热流计的标定准确性有着决定性的关系。 热流计设备原理图（双热流计）

10、 示意图如下所示： 注意事项： 热流计法导热仪的准确性与设备所使用的热流计系数标定有很大关系。通常来说，热流计法导热仪是利用标准件进行标定的，在仪器的使用范围内，应该针对不同热流密度（绝热材料一般为低热流密度，非绝热材料一般为高热流密度）进行至少两种热流情况进行标定，不能仅仅进行一次标定就用来测量多类型材料，尤其是测量与标准件性能差别过大的材料一定要慎重，否则测量结果可能会产生巨大误差。 以某次能力验证为例来说明（当然检测机构使用的为平板法和热流计法两种设备，但很多设备都是以标准板标定为基础的）： 参加能力验证的检测机构共36家，由于各检测机构都采用的是玻璃棉或聚苯板等类的软质、低导热系数的材

11、料做为标准件，因此各检测机构的聚苯板导热系数能力验证整体结果比较理想，而丙烯酸树脂板导热系数能力验证整体结果非常差。检测结果偏差柱状图如下所示： 说明：其中有的检测机构没有能测出丙烯酸树脂板的导热系数 热流计法导热仪与防护热板法设备相比，其特点在于： 首先，由于热流计法设备不计量功率（热量）因此不存在主加热板与护热板之间传热问题，设备构造相对简单。 其次，热流计法设备中，一般与被测试件接触的都是热流计，而单平板法设备中，与被测试件接触的是冷热板（一般是金属材料）。金属材料的导热性能一般远好于普通材料，因此从设定温度的角度来说，热流计法导热仪设定温度与试验最终温度水平之间差异较大，设定时需要一定

12、的测试经验，或者在测试过程中调整。 第三，由于采用了热流计测量原理，因此测量所需达到平衡的稳定时间理论上要短于平板法设备。二、围护结构传热系数测量相关标准 1、 门窗传热系数测试 2 、 非透明围护结构传热系数测试2.1 门窗传热系数测试 主要标准GB/T 8484-2008建筑外门窗保温性能分级及检测方法 注：门窗传热系数不宜现场测量注：门窗传热系数不宜现场测量 测试原理： 门窗传热系数测量基于一维稳态传热原理，在试件两侧的箱体（热箱和冷箱）内，分别建立所需的温度、风速和辐射条件，达到稳定状态后，测量热箱和冷箱空气温度、试件框相关温度、热箱内外表面温差及输入到热箱的功率，就可计算出试件的传热

13、系数。 设备原理图如下所示：1热箱 2-冷箱 3-试件框 4-电暖气 5-试件 6-隔风板7-风机 8-蒸发器 9-加热器 10-环境空间 11-空调器 12-冷冻机 设备重点： 试件冷热侧表面温度务必要保证一定的均匀性； 试件冷侧表面的平均风速控制在3.0m/s； 热侧空气温度波幅小于0.1K； 设备标定： 对于一台门窗传热系数测定设备来说，为了保证测量的准确性，除了要做好设备生产环节的工作以外，更为重要的是把设备标定准确，这对测量结果是有决定性的。 设备的标定是基于热平衡方程原理（如公式1），目的是计量未来检测过程中通过试件之外区域的各处热量。 （公式1） 032211dSMMQb通过热箱

14、体的传热量通过试件框的传热量通过填堵保温材料的热量热箱内热源的发热量标定过程如下： 第一步：取一定厚度并已知导热系数的材料填满设备的试件区；目的是在一定工况下能够准确计量通过此区域的热量 第二步：把冷热箱控制在某一工况下（如热箱空气温度控制在20，冷箱空气温度控制在-10 ），并保持稳定，将所得到的参数带入公式1； 第三步：把冷热箱控制在另一工况下（如热箱空气温度控制在18，冷箱空气温度控制在-20 ），并保持稳定，将所得到的参数带入公式1； 第四步：根据前两个步骤，得到关于M1和M2 的二元一次方程组，由此可以求得设备的标定系数M1和M2 。测试达到平衡的判断： 当温度达到设定值后，逐时记录

15、的热箱相关温度变化不大于0.1K，冷箱相关温度变化不大于0.3K，并且温度和温差的变化不是单向变化。 此外，经验对测试是否达到平衡和检测结果初评是有重要作用的，因此检测人员对各类典型窗户的传热系数范围应该有一个大致的了解，建筑外窗的传热系数范围如下表所示：建筑外窗保温性能检测结果一览表外窗类型中空玻璃空气间层厚度 (mm)传热系数W/（m2K）中空玻璃断热铝合金窗12 mm2.62.89mm2.83.8中空玻璃PVC窗12 mm2.12.39 mm2.42.7中空玻璃木窗9-15 mm1.82.7LOW-E中空玻璃PVC窗12mm1.42.0LOW-E中空玻璃玻璃钢窗12mm1.52.2 使用

16、过程的一些基本注意事项 （1）不可按比例缩小或放大目标门窗进行测试，否则将得不到目标门窗的传热系数； （2）试件框的表面温度布置要有代表性，数量要足够多； （3）热箱中尽量选择热容性好的加热器，这样更容易保证热箱中空气温度波动不会过大； （4）填堵面积不足区域的保温材料（如聚苯乙烯泡沫塑料等）必须是经过一定陈化时间的稳定材料； （5）当并联使用热电偶时，务必保证各并联热电偶的引线长度基本一致，否则平均温度的测量会出现偏差；2.2非透明围护结构传热系数测试2.2.1 试验室测量试验室测量主要标准：GB/T134752008绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法 2.2.2 现场测量现场测量主要标

17、准：JGJ/T 132-2009 居住建筑节能检测标准 2.2.1 试验室测量试验室测量 试验室测量采用防护热箱法或标定热箱法，其中防护热箱法和标定热箱法示意图如下所示：防护热箱法原理图标定热箱法原理图 设备重点： 热箱（或计量区）试件面积不能小于1m2； 试件冷热箱要保证温度场的均匀性，一般靠风扇来实现； 试件冷热箱必须设置防辐射隔板； 热侧空气温度波幅小于0.1K； 防护热箱和标定热箱的关系： 从表面来看，防护热箱法由于在计量箱的外面还套有防护箱，因此设备对计量区的热保护更为有效，但也因此使得设备相对复杂，设备的体积相对庞大。 从本质上来看，防护热箱和标定热箱是一致的。如果标定热箱所处的房

18、间温度控制水平很高，可以保证标定热箱内外温度达到完全一致。那么在这种情况下，标定热箱事实上就与防护热箱十分类似了。 由于防护热箱法和标定热箱法的关系，本文以标定热箱法为例，说明在测试试件热阻过程中所应注意的一些问题。 设备示意图如下所示：测试达到平衡的判断： 当温度达到设定值后，逐时记录的冷热箱相关温度，6h内根据测试数据所计算的试件热阻变化不大于1%，并且温度和温差的变化不是单向变化。 （说明）讨论到这里也可以看到：几乎所有依靠稳态传热原理进行的试验，其建立温度场到实现热平衡的时间一般都比较长。因此试验人员如果对测试对象的热工性能有基本了解的话，对缩短实验过程可能是有很大帮助的。 设备标定：

19、 与门窗检测设备一样，标定热箱法设备的系数标定是也是基于热平衡原理（公式2），目的也是计量检测过程中通过试件之外区域的各处热量。 公式2 第一步：取一定厚度并已知导热系数的材料填满设备的试件区(保证Q1为可计算) ； 第二步：把热箱的内外空气温度控制在同一温度（热箱内外最大温差不大于0.1K）并保持稳定，这时认为通过热箱壁的传热量为0（Q3=0）。这样就可以计算出通过试件框的传热量Q4，进而计算出试件框的标定系数。431QQQQp 第三步：选择热箱内外空气温度存在温差的工况，通过已知的试件框标定系数（ Q4 就可计算出来），然后通过Qp和Q1就可以计算出Q3，由Q3和热箱的内外温差就可以计算出

20、箱体的标定系数。 有了试件框的标定系数和箱体的标定系数，就可以计算任何工况下，通过被测试件的热量Q1，进而可以计算出试件的热阻和传热系数。 使用过程的一些基本注意事项 （1）热箱中风扇功率和加热功率计量准确； （2）测量试件的表面温度要选择有代表性的区域，尤其是均匀性差的试件； （3）试件的各组成部分要尽量按比例模拟实际工程使用情况，特别是结构性热桥部分的比例； （4）测定试件时要尽量调整热箱内外空气温度，使内外温度相差不大，避免出现热箱内外空气温度差过大的现象； （5）对于不同设备，可测热阻范围是一定的，因此对于热阻特别大或特别小的试件，测量要非常慎重，尤其是热阻特别大的试件； （6）一般设

21、备测量直接得到的都是构件的热阻，若计算传热系数应考虑构件的使用条件，比如外墙和内隔墙的表面换热系数数值是有所区别的； 2.2.2 现场非透明围护结构热阻、传热系数现场非透明围护结构热阻、传热系数测量测量 主要采用标准：主要采用标准： JGJ/T 132-2009 居住建筑节能检测标准 方法：方法： 热流计法 现场传热系数的关键测试仪器包括： 温度传感器（热电偶、铂电阻等） 热流传感器（热流计） 温度、热流自记录设备（温度热流巡回检测仪等） 通常，温度传感器的准确性由计量部门检定；而热流传感器通常则通过标定的办法。 热流传感器的标定如下所述：热流传感器的标定 常用热流传感器是由大量热电偶组成的热

22、电偶堆。 随着使用周期的延长和自身老化等方面的影响，热流传感器可能会产生变形或损坏，热流系数也随之改变，一般情况下，热流传感器系数每年至少标定一次。 标定热流传感器的仪器一般要符合GB/T 10294绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法 或GB/T 10295 绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法的相关规定。 若测量仪器精度不高或精度不能确定的情况下，建议采用GB/T 10294法，并选择用标准试件进行标定的方法。 注：标定热流传感器应根据未来应用的范围，至少针对注：标定热流传感器应根据未来应用的范围，至少针对高热流状态和低热流状态进行两次标定。高热流状态和低热流状态进行两次标定

23、。 标定原理图如下： 热流计标定系数C1如下： 传热系数现场测试： （1）概念：测试的是主体部位传热系数，不代表整体平均传热系数。 （2）理论基础：一维稳态传热。 （3）测量理想时间：最冷月(容易形成最大测量温差)，且应避开气温剧烈变化的天气 （4）测点位置的选择：宜用红外热像技术协助确定，测点应避免靠近热桥、裂缝和有空气渗漏的部位，不要受加热、制冷装置和风扇的直接影响。被测区域的外表面要避免雨雪侵袭和阳光直射。 原则上，测点位置距离热桥位置（梁、柱、楼板及窗台等）越远越好，但对于实际墙体，总是受现场条件的限制，墙体不可能无限大。 经过大量模拟计算和实际工程检测，对于大部分墙体，测点与窗口的距

24、离大于1.5倍墙厚，与墙角的距离大于1倍墙厚时，基本上可按一维传热考虑（可以满足工程检测需要）。 （5）检测温度条件： 检测期间室内空气温度应保持基本稳定，建议测试时室内空气温度的波动范围在2之内，推荐围护结构高温侧表面温度与低温侧表面温度满足下表。 注：其中注：其中K为设计值；为设计值；Th为测试期间高温侧表面平均温度；为测试期间高温侧表面平均温度；Ti为测试为测试期间低温侧表面平均温度期间低温侧表面平均温度 在检测过程中的任何时刻高温侧表面温度均不得等于或低于低温侧表面温度（动态分析法计算要求）。（6）温度传感器： 温度传感器连同不小于0.1m长引线应与被测表面接触紧密 ； 若并联使用温度

25、传感器（热电偶），必须保证各并联温度传感器的线路电阻完全一致； 在外界辐射影响较大且无法削弱的情况下，应采用适当方式将温度传感器触点的辐射率尽量与被测物体保持一致； 布置在围护结构外表面的温度传感器应做一定的防太阳辐射措施，坚决避免太阳直射温度传感器； 测量温度时要选择能代表平均水平的区域，尽可能采用多点测量取平均的办法；（7）热流传感器： 热流传感器本身的热阻要小（一般越薄越好）； 热流传感器必须紧紧贴在被测物体的表面，杜绝热流传感器与被测物体之间出现空气缝； 热流传感器与被测物体之间应采用导热性能好的粘结剂； 测量热阻过大或过小（相对具体热流传感器自身热阻）的对象，应对测量进行事先的评价，

26、确定测量方法可行以后再进行测量。 （8）检测原始数据处理：根据不同需要和条件，可采用算术平均法或动态分析法处理检测数据。 采用算术平均法进行数据分析时，应按下式计算围护结构的热阻：式中R围护结构的热阻；Tij围护结构内表面温度的第j次测量值；Toj围护结构外表面温度的第j次测量值；qj热流密度的第j次测量值。 对于轻型围护结构，宜使用夜间采集的数据计算围护结构的热阻。当经过连续四个夜间测量之后，相邻两次测量的计算结果相差不大于5%时即可结束测量； 对于重型围护结构应使用全天数据计算围护结构的热阻，且只有在下列条件得到满足时方可结束测量； 末次R计算值与24h之前的R计算值相差不大于5%； 检测

27、期间第一个INT(2DT/3)天内与最后一个同样长的天数内的R计算值相差不大于5%。 注：注： DT为检测持续天数，为检测持续天数，INT表示取整数部分。表示取整数部分。 采用动态分析法进行数据分析时，应采用按标准规定的方法编制的软件进行计算。 现场传热系数检验的误差简析： 由于现场检测的条件要比试验室检测恶劣很多，因此现场检测的最终结果与真实值之间会有较大的误差，而导致误差较大的原因非常多，现把这些误差的影响因素做一个讨论，希望能够在现场检测的过程中尽量避免或削弱这些影响。误差产生的因素（括号中的“大”“小”代表对结果的影响力度） 热流计和温度传感器的标定误差（小）； 数据采集系统的误差（小

28、）；一般说来传感器和数据采集系统经常在一起标定 由传感器与被测表面间热接触的轻微差别引起的随机误差 （小）； 热流计的存在引起的附加误差 （大、可能非常大）； 温度(尤其是室内温度)波动较大（大）； 构件厚重而检测持续时间又过短（大） ； 构件受到太阳辐射或其它强烈的热影响（非常大）； 根据以上分析，为减少测量误差可采用以下一些措施： 可以选择北向外墙或利用其他自然、人工遮挡的方式削弱室外测点受到辐射影响； 采用控制灵活、热容性好的加热设备，可以更容易保证室内温度较小的温度波动； 尽可能地提高室内温度，扩大室内外平均温差。 对于一些厚重墙体，尽量延长测量时间。 关于现场检测的一些零散经验：1、

29、动态分析法和算术平均法都是对测量数据的不同处理手段，相互之间并不能简单地说哪种方法更好，只是动态分析法对测试条件的要求相对弱一些。2、对于高导热性表面（如金属板等）的建筑构件不能简单地用热流计方法测量。3、对于墙面积过小的情况，传热偏离一维的状态较大，所以不能用热流计法测量。4、热流计法暂时只能用于测量主体部位的传热系数，不可测量热桥部位（梁、柱、窗台等）的传热系数，但热流计法可以用于定性判断热桥部位的传热。 现场检测由于存在的不确定性太多，所以可能会导致较大现场检测由于存在的不确定性太多，所以可能会导致较大的测量误差。为了说明这一偏差，通过一个典型检测来说的测量误差。为了说明这一偏差，通过一个典型检测来说明。明。 选择能够准确计算围护结构热阻的建筑来做现场检测，将检测结果和理论热阻做比较，这样的对