第二节　建筑材料检测热流计法

热流计法是采用国际上流行的热流计检测导热系数和热阻方法，也是目前建筑节能检测领域常用的一种方法。这种测试方法简便，快捷，重复性好，非常适用于型材等金属材料传热方面的研究和开发，也可用于塑料、橡胶、石墨、保温材料等测试。热流计法的检测方法及装置、试样的要求等应符合国家现行标准《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定　热流计法》（GB/T 10295—2008）中的规定。

一、热流计法的基本原理

热流计是建筑能耗测定中常用仪表，该方法采用热流计及温度传感器测量通过构件的热流值和表面温度，通过计算得出其热阻和传热系数。其检测基本原理为：在被测部位布置热流计，在热流计周围的内外表面布置热电偶，通过导线把所测试的各部分连接起来，将测试信号直接输入计算机，通过计算机数据处理，可打印出热流值及温度读数。

采用热流计法的检测过程表明：当热流和冷板在恒定温度的稳定状态下，热流计装置在热流传感器中心测量部分和试件中心部分，可以建立类似于无限大平壁中存在的单向稳定热流。假定测量时具有稳定的热流密度为q、平均温度为T_m、温差为ΔT。用标准试件测得的热流量为Q_s、被测试件热流量为Q_u，则标准试件的热阻R_s和被测试件的热阻R_u的比值，可用式（4-8）表示：

R_u/R_s=Q_s/Q_u　　        （4-8）

　　如果满足能够确定材料导热系数的条件，且试件的厚度d为已知，则可以计算出试件的导热系数。

由于装置存在着侧向热量损失，实际上不可能在试件和热流传感器的整个面积上建立一维热流，因此在测试时要特别注意通过试件热流传感器边缘的热损失。边缘热损失与试件的材料和尺寸以及装置的构造等有关。所以，要注意标准试件与被测试件的热性能和几何尺寸（厚度）的差别，以及防护热板装置测定标准试件与用标准试件标定热流计装置时温度边界条件对标定的影响。

二、热流计法的测试装置

热流计装置的典型布置如图4-2所示。装置由加热单元、一个（或两个）热流传感器、一块（或两块）试件和冷却单元组成。

图4-2（a）为单试件不对称装置，热流传感器可以面对任一单元放置；图4-2（b）为单试件双热流传感器对称装置；图4-2（c）为双试件对称装置，其中两块试件应当基本相同，并由同一样品制备；图4-2（d）和图4-2（e）为双向装置，即在加热单元的另一侧面另加传感器，这样则与冷却单元构成双向装置。

图中的S、S'、S″为试件；U'、U″为冷却和加热器；H'、H″为热流传感器。加热单元和冷却单元以及热流传感器的工作表面（与试件接触的表面）的平面度应优于0.025%，并处理到在工作温度下的总半球辐射率应大于0.8。

（一）加热单元和冷却单元

为确保材料导热系数测量的准确性，加热单元和冷却单元的工作表面上温度不均匀性应小于试件温差的1%。如果热流传感器直接与加热单元或冷却单元工作表面接触，并且热流传感器对沿表面的温差敏感，则温度均匀性要求更高，应保证热流密度测量误差小于0.5%，可用在两块金属板中放置均匀比功率的电热丝，或者在板中能以恒温流体来达到，也可采取二者相结合的方法。冷却单元等温面尺寸至少要和加热单元的工作表面一样大，冷却单元可以与加热单元相同。

在测定过程中，工作表面温度的波动或漂移，不应超过试件温差的0.5%。热流传感器由于表面温度波动引起的输出波动应小于±2.0%，必要时可在热传感器与加热或冷却单元的工作表面间插入绝热材料作为阻尼。

（二）热流传感器的要求

热流传感器是测量热传递（热流密度或热通量）的基本工具，是构成热流计的最关键器件。热流传感器是利用在具有确定热阻的板材上产生温差，来测量通过它本身的热流密度的装置。

热流传感器主要由芯板、表面温差检测器、表面温度传感器和起保护及热阻尼作用的盖板组成。也可利用金属板（箔）作为均温板，以改善或简化测量，但是不应设置在会使热流传感器输出受影响的地方。

热流传感器的芯板应使用不吸湿的、热匀质的、各向同性的、长期稳定和可压缩性很小的硬质材料制作。在使用温度下以及正常的装卸后，材料的性质不应发生有影响其特性的变化。软木复合物、硬橡胶、塑料、陶瓷、酚醛层压板和环氧或硅脂填充的玻璃纤维织品等均可用于制作芯板。芯板的两个表面应平行，以保证热流均匀垂直于表面。

1.热电堆的要求

热电堆是一种温度测量元件，由两个或多个热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势是互相叠加的，主要用于测量小的温差或平均温度。热电堆应采用灵敏和稳定的温差检测器测量芯板上的微小温差。常用多接点的热电堆，其类型如图4-3所示。

热电堆的热电势e与流过芯板的热流密度q有关，q=f·e，其中f称为标定常数。它与温度有关，在一定程度上还与热流密度有关。热电堆的导线直径为0.2mm。建议用产生热电势高、导热系数低的热电元件。

如果热流不是垂直通过热流传感器的主表面，热流传感器的主表面上就有温度梯度。这种情况应避免用图4-3所示的热接点布置，它对沿垂直和平行于热流传感器主表面的温差都非常敏感。必须采取措施防止输出导线的热流对输出的影响。

当热流传感器输出小于200μV时，必须采取相应的特殊技术，消除导线、测量线路和热流传感器本体中附加热电势对测量的影响。

温差检测器应均匀分布在热流传感器最中心区域，其面积为整个表面积的10%～40%，或者集中布置在不小于10%的区域内，并且这个区域在热流传感器中心的40%范围内。

2.表面板的要求

热流传感器的两个表面应予以覆盖。表面板的厚度在满足防止温差检测器导线分流的前提下应当尽量减薄。正确设计的热流传感器，在试件的导热系数大幅度变化时，其灵敏度应与试件的导热系数无关。表面板亦可起到阻尼作用减少温度波动。表面板应采用与芯板类似的材料，用黏合或易熔材料等方法粘贴到芯板上。

3.表面温度传感器

表面温度传感器为专用的表面温度计，即应测量热流传感器试件一侧表面的平面温度。80μm的铜箔能平均热流传感器计量区域的表面温度，箔片应该超出该区域大约等于热流传感器的厚度。箔片也能够作为铜-康铜热电偶的一部分或者用于安装铂电阻。热电偶的直径应不大于0.2mm，康铜丝焊在箔片中心，而铜线应焊在靠近边缘的某一点，焊接后应清除热电偶丝焊接的焊锡球，以保证表面的平整。

（三）其他测量装置的要求

其他测量装置包括很多，主要有装置的温度、试件上的温差、温度传感器、电气测量系统、厚度的测量、机械装置、边缘绝热和边缘热损失等。

1.装置的温度测量

测量加热单元和冷却单元（或过流传感器）工作表面间的温度差应当准确到±1.0%。

加热单元和冷却单元工作表面间温度，可采用永久性安装在槽内或直接安装在工作表面之下的热电偶测量。当采用双试件对称测量时，置于加热单元和冷却单元工作表面上的温度传感器可用差动连接。此时温度传感器必须与板电气绝缘，建议绝缘电阻应大于1MΩ。

每一表面上温度传感器的数量应不小于10A^0.5个或2个（取其中大值），A为计量单元的面积，单位为平方米。如热电偶经常更换或经常标定，对于面积小于0.04m²的板，每个面上只用一个热电偶，但对新建立的装置至少需要两支热电偶。

2.试件上的温差

（1）对于热阻大于0.5m²·K/W、且表面能够很好贴合到工作表面的软质试件，通常采用固定在加热单元和冷却单元或热流传感器表面上的温度传感器进行测量。

（2）硬质试件由于受工作表面与试件之间的接触热阻的影响，需要采用特殊的方法测量。已证实可用于硬试件的一种方法是在试件和工作表面之间插入适当的均匀材料的薄片，然后用装在试件表面上或埋入试件表面的热电偶来测定试件温差，均匀布置的热电偶数量参见装置的温度测量。此种方法也可与试件和工作表面间插入低热阻材料的薄片结合使用。

3.温度传感器

温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。使用热电偶作为温度传感器时，装在加热单元和冷却单元表面上的热电偶直径应不大于0.6mm，小尺寸的装置应不大于0.2mm。装在试件表面或埋入试件表面的热电偶直径应小于0.2mm。热电偶应采用经过标定的偶线制成。

4.电气测量系统

装置的整个电气测量系统（包括计算电器）应当满足下列要求。

（1）灵敏度、线性、准确度和输入阻抗，应满足测量试件温差小于±0.5%，测量热电堆热电势的误差小于±0.6%。

（2）电气测量系统的灵敏度应高于温差检测器最小输出的0.15%。

（3）在温差检测器预期输出范围内，非线性误差应小于±0.10%。

（4）由于输入阻抗而引起的计数误差应小于±0.10%，一般情况大于1MΩ可满足要求。

（5）稳定性应满足在两次标定之间或者30天内（取大者）计数变化小于±0.2%的要求。

（6）在温差和热电堆的输出中，噪声电压的有效值应小于±0.1%的要求。

5.厚度的测量

测量厚度的误差应小于±0.5%。为确保厚度的测量精度，应当在测试的温度和压力条件下测量试件的厚度。使用电子式传感器时必须定期进行检查，检查间隔应小于1年。

6.机械装置

测量系统所用的框架应能在一个方向或几个方向固定装置，框架上应设置施加可重复的恒定紧力的机构，以保证良好的热接触或者在冷、热板表面间保证准确的间距。稳定的压紧力可用恒力弹簧、杠杆系统或恒重产生，对试件施加的压力一般不大于2.5kPa。测定易压缩的材料时，必须在加热单元和冷却单元的角或边缘上使用小截面的低导热系数的支柱限制试件的压缩。

7.边缘绝热和边缘热损失

热流计装置应该用边缘绝热材料、控制周围空气温度，或者同时使用两种方法来限制边缘损失的热量。尤其在测定平均温度与试验室空气温度有显著差异时，应当用外壳包围热流计装置，以保持箱内温度等于试件的平均温度。

边缘热损失：所有布置形式的边缘热损失灵敏度与热流传感器对沿表面温差的灵敏度有关。因此，只有用实验才能检查边缘热损失对测量热流密度的影响。单试件双热流传感器对称布置的装置，可以通过比较两个热流传感器的计数来估计边缘热损失的误差。边缘热损失的误差应小于±0.5%。

为了得到较小的边缘热损失误差，通过边缘的热流量应小于通过试件热流量的20%。

三、热流计法的测定过程

（一）热流计法的试件要求

1.试件的尺寸

根据装置的类型从每个样品中选择一块或两块试件，当需要两块试件时两块试件的厚度差应小于2.0%。

试件的尺寸应能完全覆盖加热单元和冷却单元及热流传感器的工作表面，并且应具有实际使用的厚度，或者大于可确定被测材料热性质的试件的最小厚度。

2.试件的制备

为了取得准确的测试结果，试件表面应当用适当的方法加工平整，使试件和工作表面之间能够紧密接触。对于硬质材料，试件的表面应该做得和与其接触的工作表面一样平整，并且在整个表面上不平整度应在试件厚度的±2.0%之内。

当试件用硬质材料制成，并且（或者）其热阻小于0.1m²·K/W时，应采用在试件上的热电偶测量试件的温差，试件的厚度应该取两侧热电偶中心之间垂直于试件表面的平均距离。

3.试件状态调节

在测定试件的质量之后，必须按被测材料的产品标准中规定或对试件合适的温度下，把试件放在干燥器中或者通风烘箱中调节到恒定的质量。热敏感材料不应暴露在会改变试件性质的温度下。如试件在给定的温度范围内使用，则应在这个温度范围的上限、空气流动控制的环境下，调节到恒定的质量。

如测量热性质所需要的时间比试件从实验室的空气中吸收显著水分所需要的时间短时（如混凝土试件等），建议在其干燥结束时，应当很快就把试件放入装置中，以防止它吸收水分。反之，如测量热性质所需要的时间比试件从实验室的空气中吸收显著水分所需要的时间长时（如低密度纤维材料或泡沫塑料等），建议把试件留在标准的实验室空气中继续调节，与实验室内的空气平衡。对于以上两种的中间情况（如高密度纤维材料）的调节过程，主要取决于操作者的经验。

把试件的质量调节至恒定状态后，试件应冷却并储存于封闭的干燥器或者封闭的部分抽真空的聚乙烯袋中，在正式试验之前将试件取出称重并立即放入装置中。

为了防止在测定过程中试件吸湿，可以将试件封闭在防水的封套中。如果采用的防水封套的热阻不可忽略，则应当单独测定封套的热阻。

（二）热流计法的测定过程

1.热流计法的质量测定

试件质量是计算其导热系数的主要参数，在进行试件质量测定时，应当选用合适的仪器进行测量，质量的误差不应超过±0.5%。试件测定完成后，应立即把试件放入装置内。

2.热流计法的厚度测定

试件测定时的厚度是指测定时测得的试件的厚度，或者为板和热流传感器间隙的尺寸，或者在装置之外利用能重现在测试时对试件施加压力的装置进行测量的厚度。

对于某些材料（如低密度纤维材料等），测量由计量区域所包围的部分试件的密度，可能比测量整个试件的密度更准确，这样可以得到比较正确的密度和热性质之间的关系。在可能的条件下测定时要注意监视厚度。

3.热流计法的温差选择

传热过程与试件上的温差有关，应当按照以下测定的目的选择相应的温差。

①按照材料产品标准的要求选择温差。

②按照所测试件或样品的使用条件选择温差。

③在测定温度和热性质关系时，温差要应尽可能低5～10℃。

④当要求试件中的传质现象最小时，按温差测量所需要的准确度选择最低的温差。

4.热流计法的环境条件

使用热流计进行检测时，应根据装置的类型和测定的温度，按要求施加边缘绝热和（或）环境的特殊条件。

周围环境温度控制系统中常设置制冷器，以维持封闭空气的露点温度至少比冷却单元的温度低5K，以防止出现冷凝和试件吸湿现象。

5.热流计法热流和温度测量

在测试过程中，要认真观察热流传感器平均温度和输出电势、试件平均温度以及温差，从而检查热平衡状态。

热流计装置达到热平衡所需要的时间，与试样的密度、比热容、厚度和热阻的乘积，以及装置的结构有密切的关系。许多测定的计数间隔可能只需要以上乘积的1/10，但在实际测试中要用试验对比确定。在缺少类似试件在相同仪器上测定的经验时，以等于以上乘积或300s（两者取大值）的时间间隔进行观察，直到5次计数所得到的热阻值相差在±1%之内，并且不在一个方向上单调变化为止。

在热流计达到平衡以后，测量试件热面和冷面的温度。在完成上述的观察后，立即测量试件的质量。当试件厚度不是由板的间隙确定时，建议在试验结束时要重复测量其厚度。

四、热流计法的结果计算

热流计法的结果计算，主要包括试件的密度和试件热性质，其中热性质又包括单试件布置和双试件布置形式。

（一）试件的密度计算

热流计法试件的密度，可按式（4-9）进行计算：

ρ=m/V　　        （4-9）

式中　ρ——测定时干试件的密度，kg/m³；

        m——干燥后试件的质量，kg；

        V——干燥后试件所占的体积，m³。

（二）试件热性质计算

1.单试件布置形式

（1）双热流传感器的不对称布置　试件的热阻可按式（4-10）进行计算：

R=ΔT/f·e　　        （4-10）

试件的导热系数可按式（4-11）进行计算：

λ=f·e·d/ΔT　　        （4-11）

式中　R——试件的热阻，m²·K/W；

        ΔT——试件热面和冷面的温度差，K或℃；

        f——热流传感器的标定系数，W/（m²·V）；

        e——热流传感器的输出，V；

        d——试件测定时的平均厚度，m。

（2）双热流传感器的对称布置　试件的热阻可按式（4-12）进行计算：

R=ΔT/0.5（f₁·e₁+ f₂·e₂）　　        （4-12）

试件的导热系数可按式（4-13）进行计算：

λ=0.5（f₁·e₁+ f₂·e₂）d/ΔT　　        （4-13）

式中　f₁——第一个热流传感器的标定系数，W/（m²·V）；

        e₁——第一个热流传感器的输出，V；

        f₂——第二个热流传感器的标定系数，W/（m²·V）；

        e₂——第二个热流传感器的输出，V；

其他符号的含义同上。

2.双试件布置形式

试件的总热阻可按式（4-14）进行计算：

R_t=（ΔT₁+ΔT₂）/f·e　　        （4-14）

　　试件的平均导热系数可按式（4-15）进行计算：

λ_平=0.5f·e（d₁/ΔT₁+d₂/ΔT₂）　　        （4-15）

式中　R_t——试件的总热阻，m²·K/W；

        λ_平——试件的平均导热系数，W/（m·K）；

        ΔT₁——第一块试件的热面和冷面的温度差，K或℃；

        ΔT₂——第二块试件的热面和冷面的温度差，K或℃；

        d₁——第一块试件测定时的平均厚度，m。

        d₂——第二块试件测定时的平均厚度，m。

五、热流计法的测试报告

热流计法的测试报告，是材料导热系数检测最重要的组成部分，是对材料测试过程的正确性进行检查，也是对检测试验的技术总结，测试报告主要应包括以下内容。

①材料的名称、标志和物理性能；

②试件的制备过程和方法；

③测定时试件的厚度，在双试件布置中为两块试件的总厚度，并分别注明由热、冷单元位置，确定或测量试件的实际厚度；

④状态调节的方法和温度；

⑤调节后材料的密度；

⑥测定时试件的平均温差及确定温差的方法；

⑦测定时的平均温度；

⑧试件的热流密度；

⑨试件的导热系数；

 所用热流计装置的类型、取向、热流传感器数量及位置、减少边缘热损失的方法和在测定时板周围的环境温度；

插入试件与装置面板之间的薄片材料或所用的防水封套及其热阻；

测试的日期和时间；

测试人员的签名等。