淺析防護熱板法導熱系數測定中的影響因素

■ 李青山 LI Qingshan

0 引言

隨著經濟的發展，人們對房屋使用舒適度的要求越來越高，空調地暖等改善生活環境的設備越來越多，造成建筑物能耗逐年增加；而越來越嚴格的環境保護政策，又要求降低能耗，減少污染。在這種情況下建筑節能經過幾個階段的發展，已經是當前工程建設中的重中之重，民用建筑也好，工業建筑也罷，都有相關的節能設計標準對節能保溫指標進行了規定性要求，最主要指標之一就是對材料的導熱系數的要求。導熱系數過大的材料不能滿足節能效果的要求。因此，導熱系數的檢測也是節能材料必不可少的一項檢測。

1 導熱系數概述

導熱系數是一個通常的叫法，它體現的是材料單位厚度、單位溫差條件下通過的熱流量，反映的是材料的熱傳遞性能。理論上的檢測過程是一個復雜的動態過程，包含熱傳導、對流和輻射傳熱的過程，不僅跟材料本身的特性有關，也跟熱傳遞中有效熱流量的測定、試樣的厚度、傳熱計量面積等關鍵數據有關?，F有檢測方法的基本原理就是通過簡化這一過程，計算熱流量、厚度和傳遞熱的面積等基本參數，以此來確定導熱系數[1、2]。

2 導熱系數測定過程中的影響因素

本文導熱系數的檢測主要針對采用防護熱板法測量的材料，儀器采用國產單板平板導熱儀。其導熱系數計算的基本公式簡化為：

λ＝（f1f2qd）/A（T1-T2）

式中，λ—導熱系數，W/（mK）；

f1—儀器校正系數；

f2—儀器修正系數；

q—消耗功率，W；

d—試件厚度，m；

A—熱計量面積，本次所用儀器為0.0225m2；

T1—熱板溫度，一般設35℃；

T2—冷板溫度，一般設15℃。

從式中不難看出，除熱計量面積外，公式中其余幾個變量的變化都會對最終結果產生影響。下面就從如下幾個方面談談影響導熱系數檢測。

2.1 試樣

試樣材料的種類決定了材料的特性，其疏松程度、孔隙率、含水率等均會對導熱系數的檢測產生影響。

2.1.1 材料含水率的影響

材料中的含水率對導熱系數檢測有很大的影響，含水率越大，測定的導熱系數越大。含水率過大時，嚴重的情況下會使儀器超負荷運轉而損壞儀器設備。但這類錯誤一般不會發生。

對于此類影響，需要根據不同的材料類別進行處理。節能保溫材料按其材料性質可分為有機類、無機類及組合型。其中，有機類保溫材料一般以模塑聚苯板（EPS板）、擠塑聚苯板（XPS板）、聚氨酯等為代表；無機類保溫板以巖棉板/巖棉帶、泡沫玻璃板、發泡水泥板、無機保溫砂漿等為代表；組合型兼有無機材料與有機材料復合的性質，較典型的有模塑板/擠塑板復合石膏板、內填充巖棉板飾面板。組合板一般需要去除飾面板進行檢測。這里主要選取前兩類材料討論。

EPS板和XPS板的性質一般比較穩定，吸水率不高，除非確定被水浸濕過需要烘干，一般只需要狀態調節即可。調節方法是在環境溫度（23±2）℃、相對濕度（50±10）%條件下，放置16h以上即可。

巖棉板、泡沫玻璃板、發泡水泥板、無機保溫砂漿則因含水量不確定，建議在不影響材料性質的溫度下將材料烘至恒重后，再在前面所述的溫濕度條件下放至常溫后檢測。

2.1.2 試樣的疏松程度、孔隙率的影響

這主要與材料的類別有關。測量時，對試樣壓緊壓實，里面的空氣層被擠壓，造成導熱系數偏大的結果。因此，檢測時規定了預壓力不超過2.5kPa，按照一般試樣面積300mm×300mm計算，施加的力值為225N。這個預壓力對于疏松類材料的厚度測量也會產生很大的影響。

2.1.3 試樣的厚度

從前面的簡化公式看出，試樣的厚度是計算導熱系數的一個基本參數，一般厚度25～35mm比較合適。當試樣太?。ǎ?0mm）時，因冷熱板很難達到熱穩定，造成熱流量偏大，故導致測量結果不準確。當試樣的厚度超過儀器所能安裝的最大厚度時，需要將試樣切薄并打磨平整，打磨一般平整度在2%以內可以滿足。試樣安裝要求一定的壓緊力，可以排除試樣表面的輕微不平整和空氣層的影響。待試樣安裝在設備中之后，再進行厚度測量。

2.2 儀器設備對檢測結果的影響

2.2.1 冷熱板溫度的控制

一般材料的導熱系數性能指標平均溫度為25℃。為實現這一平均溫度，可有多種設置方案設置冷、熱板溫度，表1列舉了3種典型的設置方案。其主要影響在于冷、熱板溫度的穩定，直接影響到熱功率的計算。一般檢測選用的是第2組（熱板溫度35.0℃、冷板溫度15.0℃），主要是因為這兩個溫度均與室溫差別不大，即加熱和制冷均不需要太大的功率就能實現；第1組的熱（40.0℃）、冷（10.0℃）板溫度設置雖使傳熱更顯著，但增加了需要提供給熱板和冷板的能量消耗；而第3組30.0℃和20.0℃的溫度設置則因為溫差不夠大，使得熱流量不夠明顯，均造成測試結果不準確。

表1 3種典型的冷、熱板溫度設置方案

儀器開始使用時，會有一個修正系數f2，代表這個設備有多少有效的功率會被計算成導熱系數消耗的功率。有些設備會明確提供出來，有些會設置在儀器內部軟件中。隨著設備使用年限的增加，設備自身由于制冷壓縮機老化，冷卻液缺少等問題，都會使得儀器在計算導熱系數時，將設備所消耗的電能轉化成熱流功率，使得導熱系數計算值偏大。

對這個問題的處理方法是：定期對設備進行期間核查。期間核查就是用標準樣品對設備進行標定，得到校正系數f1。當f1在0.95～1.05之間，說明設備的各個部分工作正常；當超出這個范圍時，說明設備有部分已經老化，不能維持出廠時的狀態，需要維護保養。

2.3 檢測環境對導熱系數測定的影響

檢測環境的影響主要取決于溫濕度影響。研究表明，當環境溫度在25℃左右時，檢測結果最準確；高于30℃時，導熱系數的檢測結果會偏??；低于18℃時，檢測結果會偏大。最主要的影響還是在于對冷熱板溫度穩定性的影響，主要是對熱板消耗產生的功率計量的影響：當環境溫度過高時，對熱板輸出的功率減小，對冷板溫度的影響沒有對熱板溫度影響的大，造成導熱系數計算時的功率偏小，導熱系數值相應偏?。划敎囟冗^低時，熱板為了達到設定的溫度時，輸出功率就會增大，造成導熱系數檢測值偏大。

3 結語

綜上所述，通過對導熱系數日常檢測中問題的探討，簡化了導熱系數的組成因素。在日常檢測中，需根據材料的性質，選擇合適的預處理，控制實驗進行時的環境條件，注意儀器設備的日常維護保養，才能準確的測定導熱系數，得到可靠的檢測數據。