CN102879424A - 相变建筑保温材料热工性能的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在建筑物上使用的相变建筑保温材料热工性能的测试方法，将模拟试验箱箱体分为热室和冷室，热室和冷室间用相变储能建筑材料待测试件隔断，热室和冷室内装有发热和制冷装置；热室内待测试件中央位置上粘贴上热流计，热流计上下边各粘贴热电阻，冷室内对应热室内热流计位置粘贴热电阻，热流计和热电阻与无纸记录仪联接；开启发热和制冷装置，待冷室温度降至采暖期室外平均气温，模拟试验箱的热室温度达到18℃，自动记录处于热室和冷室中的试件两侧温度和热流密度，求出相变储能材料层的热阻后，按热工学规定的传热系数的关系计算尺相变储能建筑材料试件的节能效果。
Description
技术领域
本发明属于建筑物墙体用相变储能保温材料热工性能测试技术领域，具体涉及一种在建筑物上使用的相变建筑保温材料热工性能的测试方法。
背景技术
随着我国经济的发展，能源短缺问题日益突出，建筑取暖耗费浪费严重，
建筑节能已成为一个重要课题。我国建筑能耗占社会总能耗的30%～40%左右，是能源消耗增长最快的领域，北方采暖地区建筑能耗占全国城镇建筑用能的40%左右。严寒和寒冷地区采暖期热量透过墙体散失是能耗高的一个主要原因。所以建筑物围护结构节能成为广泛采用的节能措施。
我国自上世纪90年代初实施建筑节能至今，建筑节能采用保温隔热为主，沿袭欧洲的方法，采用以聚苯乙烯、聚氨酯泡沫板等高分子有机材料。这些有机保温材料自身存在着易燃烧、易老化、与墙体材料结合性能差等自身缺陷。目前市场上已有的泡沫保温板材，是以塑料、橡胶等有机高分子材料为基材制成的泡沫保温板材。比如：挤塑板、聚丙烯泡沫板、聚苯板和聚氨酯板等，这种泡沫保温板材的基材来源是石油化工产品，不仅要耗费大量的能源、造成原料资源短缺、综合算账是耗能而不是节能，而且制作工艺复杂，成本高，且存在着不可克服的自然缺陷：不耐高温、易燃烧、抗老化差、释放有毒有害物质等。同时，这些保温板材还存在着蓄热系数小，不能实现热能的吸收、储存和释放的功能。
为开拓更广泛的建筑节能技术，国家工信部在《新型建筑材料工业“十二五”发展规划》中将“相变材料”列为“新型建筑材料产品发展重点”。近年来，相变储能节能材料受到了建材行业的重视，不少企业着手研发符合建筑节能需要的相变储能材料，并向社会推广应用。市场上陆续出现了具有良好的储能特性，并能有效改善环境温度的相变储能保温材料，特别是其内所含的相变材料，在设定的相变温度范围外能发生固态和液态的相变。当环境温度升高时，该相变材料将由固态向液态转变，并伴随吸收储存大量的热能；反之，环境温度降低时，该相变材料将由液态向固态转变，并向环境释放潜热，由此自然对室内环境的温度进行双向调节，起到优良的节能保温作用。
在推广应用过程中为使其性能检测方法与现行的隔热材料检测方法接轨，提出了缺乏科学理论支持的“当量导热系数”概念和检测方法。该方法因缺乏科学理论支撑，受到了建筑节能技术领域的质疑。使用相变保温材料中如何准确测试出相变保温材料的热阻是一个难题，而热阻又是衡量保温材料的一个重要指标数据，在现有技术中，对于普通保温材料的热阻测试，如所述的挤塑板、聚丙烯泡沫板、聚苯板和聚氨酯泡沫板等，这类材料是在稳定性能状态下进行测试，所以直接用热流计就能测试出材料的热阻，但对于非稳定状态下的相变保温材料的热阻测试，由于相变保温材料是随温度的变化而变化，既有吸热也有放热，到目前为止，还没有一种够准确测试相变保温材料热阻的测试方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种便于在非稳定状态下对相变保温材料的热流量及热阻进行测试并且测试数据准确的相变建筑保温材料热工性能的测试方法。
本发明的目的所采取的技术方案是：
一种相变建筑保温材料热工性能的测试方法，该测试方法是按下述步骤进行：
步骤1：制备相变储能建筑材料应用环境条件下的模拟试验箱，将模拟试验箱箱体分为热室和冷室两部分，模拟试验箱的热室和冷室两部分之间用相变储能建筑材料的待测试件隔断，该隔断与模拟试验箱内壁之间为密封连接关系；在模拟试验箱的热室和冷室内分别安装有能够模拟相变储能建筑材料所应用地区室内外温度的由温度调控器控制的发热和制冷装置；
步骤2：在模拟试验箱的热室内的待测试件的中央位置上粘贴上符合JG/T3016《建筑用热流计》标准要求的热流计，在热流计上下边各粘贴一个Pt100热电阻，在模拟试验箱的冷室内对应热室内热流计位置，在待测试件上粘贴一个Pt100热电阻，热流计和Pt100热电阻用信号线与无纸记录仪联接；
步骤3：将整个模拟试验箱密封后，开启模拟试验箱的热室和冷室的发热和制冷装置的制冷和加热电源，待模拟试验箱的冷室温度降至某严寒、寒冷地区的采暖期室外平均气温，模拟试验箱的热室温度达到18℃时，开启无纸记录仪电源，以3～5min记录一次，自动记录处于模拟试验箱的热室和冷室中的试件两侧温度和热流密度，连续测试96h；
步骤4：按严寒或寒冷地区采暖期集中供暖站间歇式供暖时间规律，使模拟试验箱的热室温度在12℃～18℃的范围内周期性变化；
步骤5：相变储能节能材料热工性能计算：
R=
式中：R——相变储能材料层的热阻 （㎡.K）/W；
T内——试件热面温度的第j次测量值，该值为建筑物室内温度，采
暖地区JGJ-2010规定为18℃；
T外——试件冷面温度第j次测量值，严寒或寒冷地区某地采暖期平
均温度，查JGJ26-2010表A.0.1-1；
qj——热流密度第j次测量值；
求出热阻R后，按热工学规定的传热系数K=
的关系计算尺相变储能建筑材料试件的节能效果。
本发明具有如下积极效果：
1.本发明模拟了自然气温，可在夏季进行相变储能材料性能的测试，克服了GB/T23483-2009标准只能在每年最冷月份进行测试的不足。
2.本发明模拟了严寒或寒冷地区采暖期的供暖规律，由于相变材料在供暖时段吸热熔融，在停止供暖时段室温降低条件下放热凝固，属于非稳态状况，而现行的导热系数检测仪（GB/T10294、GB/T10295、GB/T10297）和绝热稳态传热性质测定仪（GB/T13475）都是在冷热面温度恒定的条件下测试的，不适应于相变储能材料热工性能的检测。该办法为相变储能材料性能测试提供了方法。
3.本发明利用传热学R=
这一基本定律，具有科学理论支撑。
4.本发明测试出的数据可与现行的热工计算方法接轨，现行建筑保温热工计算方法执行GB50176-93（民用建筑热工设计规范）标准规定：
①单一材料层的热阻计算按：R=
（GB50176 附2.1）
R——材料层的热阻 （㎡.K/W）
δ——材料层的厚度 （m）
λ——材料层的导热系数 （W/m.K）
②多次围护结构的热阻计算按：R=R1+R2+……Rn （GB50176 附2.2）
③围护结构的传热计算按：R0=Ri+R+Re （GB50176 附2.4）
由于相变储能材料内部温度在不断变化，不能用GB/T10294等标准规定方法测其导热系数λ，就无法按R=
求其热阻R，用本发明的方法直接测量出R，就能与GB50176标准接轨。
④现行《居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010，JGJ134-2010标准中均对建筑物外墙、屋面部位规定了传热系数限值，则由传热学原理K=
，
式中：K——围护结构的传热系数 （W/㎡.K）
Ri——围护结构的内表面换热阻
R0——围护结构的总热阻 （㎡.K/W）
Re——围护结构外表面换热阻 （㎡.K/W）
测出了保温层R，查出墙体构造其它各层热阻，即能算出设计的围护结构的传热系数K是否符合标准规定。
具体测试实例：辽宁省建科院、沈阳建筑大学和信阳天意节能技术有限公司联合于2012年5月23日～7月23日期间利用本发明方法对相变无机复合材料进行对比试验，测试出不同企业生产的相变储能节能材料的性能。见附件：
（YY为空白试验，ZZZ-PCM、NY-PCM分别表示两家企业的相变储能材料）
附件：
相变无机复合材试验结果及分析
一、 相变无机复合材料保温试验结果
二、 试验墙体构造
构造1
双孔空心混凝土砌块砌筑厚190mm试件，冷面粘贴厚80mm水泥发泡板,玻纤网薄抹灰面层，热面抹保温浆料厚25mm；
构造2
双孔空心混凝土砌块砌筑厚190mm试件，冷面粘贴厚80mm水泥发泡板薄抹灰面层，热面抹相变（ZZZ- PCM）复合保温浆料厚25mm；
构造3
双孔空心混凝土砌块砌筑试件厚190mm，冷面粘贴厚80mm水泥发泡板薄抹灰面层，热面抹相变（NY- PCM）复合保温浆料厚25mm。
三、 试验结果分析
1. 相变复合材料在建筑保温工程中具有良好的节能效果。试验室的模拟测试结果表明，能够较大幅度降低外围护墙体的传热量。内抹NY- PCM 相变复合保温浆料厚25mm（浆料焓值50kJ/m2 、相变温度18～19℃）平均传热系数比内抹复合保温浆料厚25mm减少0.217 W/m2·K；
2. 相变母料焓值、相变温度对传热系数和表面温度影响。ZZZ- PCM保温浆料构造墙体的传热系数0.635 W/m2·K， NY- PCM保温浆料构造墙体的传热系数0.403 W/m2·K，它比ZZZ- PCM保温浆料构造墙体小0.232 W/m2·K；NY- PCM保温浆料构造墙体的表面温度23.2℃，它比ZZZ- PCM保温浆料构造墙体高1.3℃。根据传热学计算原理围护结构表面温差每增加1℃传热量约减少10％左右。因此，相变复合浆料焓值和相变温度必须严格控制；
3. NY- PCM保温浆料构造墙体升、恒、降温段的平均传热系数0.440 W/m2·K与同类构造的外墙相比降低32.9％节能效果显著。
具体实施方式
实施例1、一种相变建筑保温材料热工性能的测试方法，该测试方法是按下述步骤进行：
步骤1：制备相变储能建筑材料应用环境条件下的模拟试验箱，将模拟试验箱箱体分为热室和冷室两部分，模拟试验箱的热室和冷室两部分之间用相变储能建筑材料的待测试件隔断，该隔断与模拟试验箱内壁之间为密封连接关系；在模拟试验箱的热室和冷室内分别安装有能够模拟相变储能建筑材料所应用地区室内外温度的由温度调控器控制的发热和制冷装置；
步骤2：在待测试件上安装热流计和热电阻：将安装有热流计和热电阻的待测试件置于一个模拟自然气候的冷热箱体内。具体为在模拟试验箱的热室内的待测试件的中央位置上粘贴上符合JG/T3016《建筑用热流计》标准要求的热流计，在热流计上下边各粘贴一个Pt100热电阻，在模拟试验箱的冷室内对应热室内热流计位置，在待测试件上粘贴一个Pt100热电阻，热流计和Pt100热电阻用信号线与无纸记录仪联接；在箱体一侧的热室内通过电加热装置对待测试件加热；箱体另一侧的冷室内通过制冷装置的制冷压缩机对待测试件进行冷却；
步骤3：将整个模拟试验箱密封后，开启模拟试验箱的热室和冷室的电加热装置和制冷压缩机的加热和制冷电源，待模拟试验箱的冷室温度降至某严寒、寒冷地区的采暖期室外平均气温，模拟试验箱的热室温度达到18℃时，开启无纸记录仪电源，以3～5min记录一次，自动记录分处于模拟试验箱的热室和冷室中的试件两侧温度和热流密度，连续测试96h；通过待测试件上的热流计测出箱体热端及冷端温度，用无纸记录仪（数据采集仪）采集相关数据包括热流量，然后将记录的数据按照GB/T234832009标准上规定的的热阻和热流量的计算方法进行计算，求出相变材料的热阻（见步骤5）。
步骤4：按严寒或寒冷地区采暖期集中供暖站间歇式供暖时间规律，使模拟试验箱的热室温度在12℃～18℃的范围内周期性变化；
步骤5：相变储能节能材料热工性能计算：
R=
式中：R——相变储能材料层的热阻 （㎡.K）/W；
T内——试件热面温度的第j次测量值，该值为建筑物室内温度，采
暖地区JGJ-2010规定为18℃；
T外——试件冷面温度第j次测量值，严寒或寒冷地区某地采暖期平
均温度，查JGJ26-2010表A.0.1-1；
qj——热流密度第j次测量值；
求出热阻R后，按热工学规定的传热系数K=
的关系计算尺相变储能建筑材料试件的节能效果。
制备相变储能建筑材料应用环境条件下的模拟试验箱：室外试验箱体规格≥4m3，室内试验时箱体规格≥2m3；电加热装置和制冷压缩机是通过安装模拟相变储能建筑材料所应用地区的室内外温度调控器实现控制的，即箱体分为热室、冷室两部分，如在严寒、寒冷地区应用时，冷箱温度调整为该地区的取暖期间的室外温度，热箱内温度设定为国家标准规定的18℃。
Claims (1)
1.一种相变建筑保温材料热工性能的测试方法，其特征在于：该测试方法是按下述步骤进行：
步骤1：制备相变储能建筑材料应用环境条件下的模拟试验箱，将模拟试验箱箱体分为热室和冷室两部分，模拟试验箱的热室和冷室两部分之间用相变储能建筑材料的待测试件隔断，该隔断与模拟试验箱内壁之间为密封连接关系；在模拟试验箱的热室和冷室内分别安装有能够模拟相变储能建筑材料所应用地区室内外温度的由温度调控器控制的发热和制冷装置；
步骤2：在模拟试验箱的热室内的待测试件的中央位置上粘贴上符合JG/T3016《建筑用热流计》标准要求的热流计，在热流计上下边各粘贴一个Pt100热电阻，在模拟试验箱的冷室内对应热室内热流计位置，在待测试件上粘贴一个Pt100热电阻，热流计和Pt100热电阻用信号线与无纸记录仪联接；
步骤3：将整个模拟试验箱密封后，开启模拟试验箱的热室和冷室的发热和制冷装置的制冷和加热电源，待模拟试验箱的冷室温度降至某严寒、寒冷地区的采暖期室外平均气温，模拟试验箱的热室温度达到18℃时，开启无纸记录仪电源，以3～5min记录一次，自动记录处于模拟试验箱的热室和冷室中的试件两侧温度和热流密度，连续测试96h；
步骤4：按严寒或寒冷地区采暖期集中供暖站间歇式供暖时间规律，使模拟试验箱的热室温度在12℃～18℃的范围内周期性变化；
步骤5：相变储能节能材料热工性能计算：
R= 
式中：R——相变储能材料层的热阻 （㎡.K）/W；
T内——试件热面温度的第j次测量值，该值为建筑物室内温度，采
暖地区JGJ-2010规定为18℃；
T外——试件冷面温度第j次测量值，严寒或寒冷地区某地采暖期平
均温度，查JGJ26-2010表A.0.1-1；
qj——热流密度第j次测量值；
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