CN101813651A - 一种建筑材料蓄热性能的测试方法及测试仪 - Google Patents

Abstract

一种建筑材料蓄热性能的测试方法及测试仪，主要包括保温桶、环境仓、D/A转换器、A/D转换器、温度传感器、电量传感器及计算机。温度传感器分别布置在保温桶内和环境仓内，用于测量材料温度、环境仓温度及保温桶内、外壁温度；计算机通过电量传感器及D/A转换器控制加热棒加热功率；温度信号通过温度传感器及A/D转换器，由计算机进行监测和记录。计算机程序可通过加热及放热过程的温度曲线，计算出材料蓄热性能。本发明针对现有的建筑材料尤其是建筑相变材料研究中对材料蓄热性能测试方法不足的情况，简便、快捷地测试出材料在某一温度区间变化时的蓄热性能，具有检测精度高、可靠性强、成本较低等特点，同时可实现测试过程的自动化。

Description

一种建筑材料蓄热性能的测试方法及测试仪

技术领域

本发明一种建筑材料蓄热性能测试仪，其涉及一种建筑材料的蓄热性能的测试，即测量材料在发生温度变化中所吸收/散发的热量，属于测量装置。

背景技术

建筑材料的蓄热性能的研究对降低建筑能耗及提高建筑舒适度等方面有积极的作用。尤其在昼夜温差大的地区，应用蓄热量大的相变材料对可在保证建筑舒适度的情况下大幅降低能耗。在普通建筑材料中加入大蓄热量的相变材料，可提高建筑维护结构的热容，增加建筑物热惯性。在温度较高的白天相变材料溶解吸热，减少传递到室内的热量，使室内温度维持在相对较低的范围。而夜间室外温度降低，相变材料凝固，向室内放出热量，使室内温度维持在相对较高的范围。因此室内温度可长时间保持在一个舒适的区间内，并且无需增加能耗。大蓄热量相变材料应用于建筑中可以在不增加能耗的条件下提高建筑舒适度，能达到降低建筑能耗、减少污染物排放的作用，在建筑行业中的应有有着良好的前景。

目前对材料蓄热性能的研究正广泛的进行着，也制造出了很多建筑用相变材料等大蓄热量材料。但对建筑材料蓄热性能尤其是建筑用相变材料相变热测试的手段缺乏，使得行业内没有一个统一的标准和规范，限制了整个建筑相变材料产业的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、有效的测试建筑材料蓄热能力以及建筑用相变材料相变热的方法。

本发明的技术方案如下：

一种建筑材料蓄热性能测试仪，其特征在于：所述测试仪含有环境仓、带有桶盖的保温桶、温度传感器、A/D转换器、电量传感器、D/A转换器和计算机；所述的保温桶设置在环境仓内，保温桶内设有加热棒和用于放置被测材料的支架，加热棒的加热功率由电量传感器采集后传入计算机，计算机通过D/A转换器调节加热棒的加热功率；所述的温度传感器采用多个，分别布置在保温桶内和环境仓内，用于测量材料温度、环境仓温度及保温桶内、外壁温度，所述的A/D转换器将温度传感器采集到的模拟电信号转换为数字信号传入计算机。

本发明的技术方案还在于：用于测量材料温度的温度传感器采用两个，插入被测材料中；用于测量保温桶内壁温度的温度传感器采用四个，均匀布置在保温桶的内壁上；用于测量保温桶外壁的温度传感器采用四个，且分布于与内壁温度传感器测点相对应的外壁上；用于测量环境仓温度的温度传感器采用两个，悬于环境仓中。

本发明提供的一种建筑材料蓄热性能的测试方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)漏热系数k的测定：

将保温桶内加热棒按某一固定功率加热，记录内、外壁温度值，得到内外壁温差变化曲线，待内外壁温差稳定后，用下述公式(1)得出系统漏热系数k；

$k=\frac{w_1}{{\mathrm{\ΔT}}_0}---\left(1\right)$

式中k：漏热系数，单位为W/℃

w₁：测漏热系数时桶内加热功率，单位为W

ΔT₀：测漏热系数时保温桶内外壁温差，单位为℃

2)标准漏热曲线的测定：将保温桶加热至内外壁温差为30～50℃，作为温差初始值，保持内外壁温差稳定于初始值至少30分钟，然后停止加热，记录温差由初始值降至0～3℃的变化曲线，将该变化曲线作为标准漏热曲线；

3)被测材料漏热曲线的测定：将被测材料放置于保温桶内的支架上，按照步骤2)所述的标准漏热曲线的测定方式得到被测材料的漏热曲线，同时记录被测材料的温度变化曲线；

4)实际漏热量的计算：从被测材料的温度变化曲线中确定计算起止时间t_b1，t_b2，从被测材料的漏热曲线中找出该起止时间对应的内外壁温差ΔT₁，ΔT₂，如图3在被测材料漏热曲线上用下述公式(2)计算实际漏热量

$Q={\∫}_{t_{b1}}^{t_{b2}}k{\mathrm{\ΔT}}_b\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

式中Q：内外壁温差由ΔT₁变为ΔT₂时的实际漏热量，单位为kJ

t_b1：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差计算初始时间，单位为s

t_b2：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差计算结束时间，单位为s

ΔT_b：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差值，单位为℃

5)标准漏热量的计算：从标准漏热曲线中根据ΔT₁，ΔT₂找出标准漏热曲线的计算起止时间t_a1，t_a2，在标准漏热曲线上用下述公式(3)计算标准漏热量

$Q_0={\∫}_{t_{a1}}^{t_{a2}}\mathrm{k\Δ}{T}_a\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

式中Q₀：内壁外温差由ΔT₁变为ΔT₂时的标准漏热量，单位为kJ

t_a1：标准漏热曲线上保温桶内外壁温差计算初始时间，单位为s

t_a2：标准漏热曲线上保温桶内外壁温差计算结束时间，单位为s

ΔT_a：标准放热曲线上保温桶内外壁温差值，单位为℃

6)材料蓄热量计算：材料蓄热量Q₁，由实际漏热量Q和标准漏热量Q₀由下述公式(4)计算得到

Q₁＝Q-Q₀                    (4)

7)材料非相变段热容c计算：

$c=\frac{Q_1}{m\·{\mathrm{\ΔT}}_C}---\left(5\right)$

式中c：材料非相变段热容，kJ/kg·℃

m：材料质量，单位为kg

ΔT_c：在t_b1和t_b2期间材料温度的变化值，单位为℃

8)相变材料的相变潜热q_pcm：

$q_{\mathrm{pcm}}=\frac{Q_1}{m}---\left(6\right)$

式中q_pcm：相变潜热，单位为kJ/kg

上述步骤由计算机自动记录曲线及计算。

本发明具有以下有点及突出性效果：①本发明可准确地测试建筑相变材料的相变蓄热量以及测试建筑材料在非相变段的热容；②实验过程自动控制，无需监控，计算机自动保存数据并绘制曲线；③操作界面简单；④本设备自带环境控制系统，可为内保温桶提供恒温外环境。

附图说明

图1为本建筑材料蓄热性能测试仪的结构原理示意图。

图2为控制系统的电路原理框图。

图3为被测材料温度变化曲线及被测材料漏热曲线。

图中标号如下：1-保温桶；2-保温桶盖；3-加热棒；4-支架；5-温度传感器；6-A/D转换器；7-电量传感器；8-D/A转换器；9-计算机；10-环境仓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、具体结构和实施作进一步说明。

图1为本建筑材料蓄热性能测试仪的结构原理示意图，所述测试仪含有环境仓10、带有桶盖2的保温桶1、温度传感器5、A/D转换器6、电量传感器7、D/A转换器8和计算机9。保温桶设置在环境仓10内，环境仓10中包含一组制冷系统及电加热系统，在环境仓所需控制温度低于仪器外环境温度时，由制冷系统间断运行调节环境桶温度至所需；在环境仓10所需控制温度高于仪器外环境温度时，调节其中电加热系统加热量调节仓内温度至设定值，通过测量环境温度来判断是否进行加热/制冷。保温桶内设有加热棒3和用于放置被测材料的支架4，加热棒的加热功率由电量传感器7采集后传入计算机9，计算机通过D/A转换器8调节加热棒的加热功率；所述的温度传感器采用多个，分别布置在保温桶内和环境仓内，用于测量材料温度、环境仓温度及保温桶内、外壁温度，所述的A/D转换器将温度传感器采集到的模拟电信号转换为数字信号传入计算机。

用于测量材料温度的温度传感器采用两个，插入被测材料中；用于测量保温桶内壁温度的温度传感器5采用四个，均匀布置在保温桶的内壁上；用于测量保温桶外壁的温度传感器采用四个，且分布于与内壁温度传感器测点相对应的外壁上；用于测量环境仓温度的温度传感器采用两个，悬于环境仓中。所有温度计通过信号线与A/D转换器6相连，将模拟电信号转换为数字信号采集并记录入计算机9。

测试仪的控制系统采用力控控制软件编程，用户可直接通过计算机界面进行控制操作及监控计算。

具体测试方法如下：

1)漏热系数k的测定：

将保温桶内加热棒按某一固定功率加热，记录内、外壁温度值，得到内外壁温差变化曲线，待内外壁温差稳定后，用下述公式(1)得出系统漏热系数k；

$k=\frac{w_1}{{\mathrm{\ΔT}}_0}---\left(1\right)$

式中k：漏热系数，单位为W/℃

w₁：测漏热系数时桶内加热功率，单位为W

ΔT₀：测漏热系数时保温桶内外壁温差，单位为℃

2)标准漏热曲线的测定：将保温桶加热至内外壁温差为30～50℃，作为温差初始值，保持内外壁温差稳定于初始值至少30分钟，然后停止加热，记录温差由初始值降至0～3℃的变化曲线，将该变化曲线作为标准漏热曲线；

3)被测材料漏热曲线的测定：将材料放置于保温桶内的支架上，按照步骤2)所述的标准漏热曲线的测定方式得到被测材料的漏热曲线，同时记录被测材料的温度变化曲线；

4)实际漏热量的计算：从被测材料的温度变化曲线中确定计算起止时间t_b1，t_b2，从被测材料的漏热曲线中找出该时间对应的内外壁温差ΔT₁，ΔT₂，在被测材料漏热曲线上用下述公式(2)计算实际漏热量

$Q={\∫}_{t_{b1}}^{t_{b2}}k{\mathrm{\ΔT}}_b\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

式中Q：内外壁温差由ΔT₁变为ΔT₂时的实际漏热量，单位为kJ

t_b1：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差计算初始时间，单位为s

t_b2：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差计算结束时间，单位为s

ΔT_b：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差值，单位为℃

5)标准漏热量的计算：从标准漏热曲线中根据ΔT₁，ΔT₂找出标准漏热曲线的计算起止时间t_a1，t_a2，在标准漏热曲线上用下述公式(3)计算标准漏热量

$Q_0={\∫}_{t_{a1}}^{t_{a2}}\mathrm{k\Δ}{T}_a\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

式中Q₁：内壁外温差由ΔT₁变为ΔT₂时的标准漏热量，单位为kJ

t_a1：标准漏热曲线上保温桶内外壁温差计算初始时间，单位为s

t_a2：标准漏热曲线上保温桶内外壁温差计算结束时间，单位为s

ΔT_a：标准放热曲线上保温桶内外壁温差值，单位为℃

6)材料蓄热量计算：材料蓄热量Q₁，由实际漏热量Q和标准漏热量Q₀由下述公式(4)计算得到

Q₁＝Q-Q₀                        (4)

7)材料非相变段热容c计算：

$c=\frac{Q_1}{m\·{\mathrm{\ΔT}}_C}---\left(5\right)$

式中c：材料非相变段热容，单位为kJ/kg·℃

m：材料质量，单位为kg

ΔT_c：在t_b1和t_b2期间材料温度的变化值，单位为℃

8)相变材料的相变潜热q_pcm：

$q_{\mathrm{pcm}}=\frac{Q_1}{m}---\left(6\right)$

式中q_pcm：相变潜热，单位为kJ/kg

上述步骤由计算机自动记录曲线及计算。

下面举出一个具体的实施例：

1)、计算得到漏热系数：在计算机介面上设置保温桶内加热棒以15w固定功率加热，记录内、外壁温度变化曲线，待内外壁温差稳定后，用加热功率除以内外壁温差，即得出系统漏热系数k；

2、获得标准漏热曲线：标准漏热曲线是指在保温桶内没有测试材料时系统的漏热曲线，测试方法是将没有材料的保温桶加热至内外壁温差40℃，然后关闭加热，保持环境仓内温度恒定，记录温差由40℃降至2℃的变化曲线，记做标准漏热曲线；

3、被测材料的放热曲线

将称重过的被测材料放置于保温桶内支架14上，将测材料温度的温度传感器5插入材料中。由计算机控制加热功率对保温桶内进行加热。待加热过程完成后，关闭电源，使系统在温度恒定的环境(由环境仓控制)中放热。此时，系统总的放热量包括材料的蓄热量和系统热容，待放热过程结束后，保持内外壁温差稳定于初始值至少30分钟(内外壁温差恒定，材料温度接近环境温度，认为放热结束)，读取数据及曲线图；

4、数据处理

用含被测材料的漏热曲线与标准漏热曲线做对比，计算得出材料漏热量。计算时，在实际材料温度曲线上找出需测量的温度起始点T_C1，T_C2，记录该点时间T₁，T₂。在实际漏热曲线上找出该时刻的内壁外温差值ΔT_b1，ΔT_b2，由式(4)可得出系统实际漏热值Q。同时在标准漏热曲线上找内壁外温差值等于ΔT_b1，ΔT_b2的两点ΔT_a1，ΔT_a2，在标准漏热曲线上由式(2)可算出相应的标准漏热值Q₀，因此由公式(3)可得出材料放热量为Q₁。被测材料非相变段，则材料热容c可由式(5)计算；被测材料相变段的相变蓄热量Q_pcm，可由式(6)直接得到。

Claims (3)

1.一种建筑材料蓄热性能测试仪，其特征在于：所述测试仪含有环境仓(10)、带有桶盖(2)的保温桶(1)、温度传感器(5)、A/D转换器(6)、电量传感器(7)、D/A转换器(8)和计算机(9)；所述的保温桶设置在环境仓内，保温桶内设有加热棒(3)和用于放置被测材料的支架(4)，加热棒的加热功率由电量传感器采集后传入计算机，计算机通过D/A转换器调节加热棒的加热功率；所述的温度传感器采用多个，分别布置在保温桶内和环境仓内，用于测量材料温度、环境仓温度及保温桶内、外壁温度，所述的A/D转换器将温度传感器采集到的模拟电信号转换为数字信号传入计算机。

2.按照权利要求1所述的建筑材料蓄热性能测试仪，其特征在于：用于测量材料温度的温度传感器采用两个，插入被测材料中；用于测量保温桶内壁温度的温度传感器采用四个，均匀布置在保温桶的内壁上；用于测量保温桶外壁温度传感器采用四个，且分布于与内壁温度传感器测点相对应的外壁上；用于测量环境仓温度的温度传感器采用两个，悬于环境仓中。

3.一种采用如权利要求1所述测试仪的建筑材料蓄热性能的测试方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)漏热系数k的测定：

将保温桶内加热棒按某一固定功率加热，记录内、外壁温度值，得到内外壁温差变化曲线，待内外壁温差稳定后，用下述公式(1)得出系统漏热系数k；

$k=\frac{w_1}{{\mathrm{\ΔT}}_0}---\left(1\right)$

式中k：漏热系数，单位为W/℃

w₁：测漏热系数时桶内加热功率，单位为W

ΔT₀：测漏热系数时保温桶内外壁温差，单位为℃

2)标准漏热曲线的测定：将保温桶加热至内外壁温差为30～50℃，作为温差初始值，保持内外壁温差稳定于初始值至少30分钟，然后停止加热，记录温差由初始值降至0～3℃的变化曲线，将该变化曲线作为标准漏热曲线；

3)被测材料漏热曲线的测定：将被测材料放置于保温桶内的支架上，按照步骤2)所述的标准漏热曲线的测定方式得到被测材料的漏热曲线，同时记录被测材料的温度变化曲线；

4)实际漏热量的计算：从被测材料的温度变化曲线中确定计算起止时间t_b1，t_b2，从被测材料的漏热曲线中找出该起止时间对应的内外壁温差ΔT₁，ΔT₂，在被测材料漏热曲线上用下述公式(2)计算实际漏热量：

$Q={\∫}_{t_{b1}}^{t_{b2}}{\mathrm{k\ΔT}}_b\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

式中Q：内外壁温差由ΔT₁变为ΔT₂时的实际漏热量，单位为kJ

t_b1：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差计算初始时间，单位为s

t_b2：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差计算结束时间，单位为s

ΔT_b：被测材料漏热曲线上保温桶内外壁温差值，单位为℃

5)标准漏热量的计算：从标准漏热曲线中根据ΔT₁，ΔT₂找出标准漏热曲线的计算起止时间t_a1，t_a2，在标准漏热曲线上用下述公式(3)计算标准漏热量

$Q_0={\∫}_{t_{a1}}^{t_{a2}}k{\mathrm{\ΔT}}_a\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

式中Q₀：内壁外温差由ΔT₁变为ΔT₂时的标准漏热量，单位为kJ

t_a1：标准漏热曲线上保温桶内外壁温差计算初始时间，单位为s

t_a2：标准漏热曲线上保温桶内外壁温差计算结束时间，单位为s

ΔT_a：标准放热曲线上保温桶内外壁温差值，单位为℃

6)被测材料蓄热量计算：材料蓄热量Q₁，由实际漏热量Q和标准漏热量Q₀由下述公式(4)计算得到

Q₁＝Q-Q₀                  (4)

7)被测材料非相变段热容c 计算：

$c=\frac{Q_1}{m\·{\mathrm{\ΔT}}_C}---\left(5\right)$

式中c：材料非相变段热容，kJ/kg·℃

m：材料质量，单位为kg

ΔT_c：在t_b1和t_b2期间材料温度的变化值，单位为℃

8)被测材料的相变潜热q_pcm：

$q_{\mathrm{pcm}}=\frac{Q_1}{m}---\left(6\right)$

式中q_pcm：相变潜热，单位为kJ/kg。

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