防护热板法检测绝热材料导热系数的影响因素及误差分析

龚洪秀

（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108）

1 导热系数及检测方法

导热系数是评判保温隔热材料保温性能的重要指标，也是保温材料进场复验的一个重要参数。影响材料导热系数的主要因素包括：材料成分、含湿量、平均温度、热经历等。其中平均温度对导热系数的影响较为明显，在材料没有明显变形时，压缩荷载对材料导热系数基本没有影响。同时，环境因素也会对导热系数产生不同程度的影响。

导热系数的检测方法可分为稳态热流法和动态热流法两种，对比常用的检测方法，其中防护热板法的准确性较高，并且可实时查看导热系数检测过程的曲线和数据记录。目前，我国保温材料相关标准对导热系数的检测方法有明确规定，稳态热流法由于仪器简单、操作方便、结果可靠，已被广泛应用。稳态热流法中的防护热板法用于检测绝热材料的导热系数，其实验误差主要来源于仪器设备本身测量精度、接触热阻、不平衡和边缘热损失、不对称条件等。实验过程中，如果两块试件厚度差别小于2%，试件尺寸完全覆盖加热单元，冷面温差小于2%时，不对称条件引起的误差可忽略不计。而防护热板法是假定理想的一维稳态热传递，并且冷热板表面与试件接触良好，接触面两侧温度相同。但在实际检测过程中存在以下问题：

（1）由于试件边缘的热损失，存在热流量误差。

（2）隔缝两侧的温差不为0，存在不平衡热损失。

（3）由于试件与冷、热板不完全接触，存在接触热阻，接触面两侧的温度有差异。这些问题会导致检测结果与真实值存在偏差。因此，需要对防护热板法检测绝热材料导热系数的影响因素及实验误差进行分析，以便为相关检测工作提供参考。

2 防护热板法检测绝热材料导热系数的原理

防护热板法是在稳态条件下，在具有平行表面的均匀板状试件内，建立类似于两个平行的温度均匀的平面为界的无限大平板中存在一维的均匀热流密度。导热系数按公式（1）计算：

式中：Φ——加热单元计量部分的平均加热功率，W；

T1——试件热面温度平均值，K；

T2——试件冷面温度平均值，K；

Α ——计量面积，m2；

d——试件平均厚度，m。

3 防护热板法检测绝热材料导热系数的影响因素

检测过程中，导热系数检测结果会受很多因素影响，主要有以下几个方面：

（1）检测人员的影响，体现在整个检测过程，如对标准的理解、样品的前期处理、仪器设备的操作、数据的处理等。

（2）冷热板的温差。

（3）试件厚度。

3.1 检测人员的影响

在任何检测项目中，检测人员都是关键的影响因素。为了得到准确的检测结果，检测人员需充分了解检测对象、标准规范及仪器设备，并具备良好的检测技能。检测过程中，样品的状态调节和平整度这两个方面极易被忽视。

（1）样品的状态调节。水的导热能力要比空气强，水的导热系数约为0.581W/(m·K)，比静态空气的导热系数大20多倍，所以，样品含湿量越大，导热系数越大。在实际检测过程中，很多检测人员对标准规范不熟悉，样品的状态调节环境不符合标准，没有在实验室内进行状态调节就直接进行材料导热系数的检测，导致试验结果不准确。因此，样品的状态调节应按照被测试件的产品标准进行。例如：XPS应在温度为23℃±2℃，相对湿度为50%±5%的环境条件下调节16h；蒸压加气混凝土砌块是检测干态的导热系数，其状态调节可以与干密度的干燥过程相同，采用电热鼓风干燥箱，先用60℃±5℃烘24h，再用80℃±5℃烘24h，最后用105℃±5℃烘至恒重。由于蒸压加气混凝土砌块在空气中具有较强的吸湿性，所以，干燥后应及时放入装置内进行试验。保温砂浆应在105℃±5℃的电热鼓风干燥箱内烘至恒重，干燥后及时放入装置内进行试验。

（2）样品平整度。如果检测人员没有测量试件表面的平整度就直接进行试验，可能导致检测结果不准确。试验过程中，刚性材料试件的不平整度应在试件厚度的2%以内，避免由于试件不平整，使试件与加热板不能完全接触而产生接触热阻，导致检测结果出现误差。因此，当平整度不符合标准时，应用磨砂纸进行磨平。对于半软质材料，如XPS，其平行度误差应满足相关标准要求。

3.2 冷热板温差的影响

为研究冷热板温差对导热系数检测的影响，以20mm厚的XPS为例，冷热板平均温度设定为25℃，冷热板温差分别为15℃、18℃、20℃、22℃、25℃，冷热板温差对XPS导热系数检测结果的影响如图1所示。

图1 冷热板温差对XPS导热系数检测结果的影响

由图1得出，冷热板温差在15℃～25℃范围内，XPS的导热系数随着温差增大而增大，温差在15℃～22℃范围内，导热系数检测结果的变化相对较小。这可能是因为温差较大的情况下，其不平衡和边缘热损失误差增大，不能准确预测导热系数的检测结果。因此，建议XPS在15℃～22℃的温差范围内进行检测，以提高导热系数检测结果的准确性和重现性。对于未规定检测温差范围的材料，建议检测人员研究其冷热板温差对材料导热系数检测结果的影响，并制定作业指导书。

3.3 试件厚度的影响

热传导是材料特定的性质，导热系数的大小与试件厚度无关，但在导热系数检测过程中，试件厚度可能会影响检测结果。为了研究试件厚度对导热系数检测的影响，以XPS为例，冷板设定为15℃，热板设定为35℃，厚度分别为30mm、25mm、20mm、15mm、10mm，试件厚度对XPS导热系数检测结果的影响如图2所示。

图2 试件厚度对XPS导热系数检测结果的影响

由图2得出，样品厚度在10～30mm范围内，XPS的导热系数随着厚度增大而增大，这主要是因为随着样品的增厚，不平衡热损失和侧面热损失增加，导致检测结果偏大。因此，在检测过程中，应严格按照相关标准规范和仪器设备要求控制试件厚度。如果没有相关标准规范，样品厚度建议控制在15～25mm。

4 误差分析

当温度、湿度不变的情况下，导热系数是材料的固有属性，其不随着试件厚度的变化而变化。均质材料的热阻与其厚度成正比，与其导热系数成反比。可以通过改变试件厚度来分析实验误差，并通过测得的导热系数计算热阻，不同厚度试件热阻如图3所示。

图3 不同厚度试件的热阻

由图3得出，XPS的热阻与试件厚度呈线性关系，与理论相符，线性回归公式为：y = 0 .0283x+ 0.0326，相关系数R2为0.998 6，公式的截距为0.032 6，该部分为检测过程中的附加热阻，可作为检测误差考虑。通过检测的导热系数计算出的热阻是包含了附加热阻的总热阻。对热阻进行修正，再通过修正后的热阻计算材料的导热系数修正值，计算公式如下：

式中：RTotal--通过检测导热系数计算得到的热阻，（m2·K）/W；

R'--热阻的修正值，（m2·K）/W；

R0--附加热阻即系统误差，（m2·K）/W；

λ'--导热系数的修正值，W/（m·K）。

XPS导热系数的实测值和修正值对比如图4所示。

由图4得出，随着检测试件厚度增大，实验误差减小，误差最大值达到10.5%，实测导热系数变化幅度为4.9%，修正后的导热系数变化幅度为3.4%，其检测精度有所提高，实验误差的影响不容忽视。当热冷板温差固定不变，试件厚度增大，不平衡和边缘热损失误差也增大，而实验误差随着试件厚度增大而减小。这一现象说明检测试件较薄时，接触热阻对检测结果的影响占主导地位，接触热阻的影响随着厚度增大而减小。综上所述，增大试件厚度，有利于实验误差的减小。

图4 XPS导热系数的实测值和修正值对比

5 结语

防护热板法检测绝热材料导热系数的主要影响因素有：检测人员、冷热板温差、试件厚度。其中检测人员应熟悉相关标准规范，严格按照规范、文件进行检测工作。在进行冷热板温差对导热系数影响的检测过程中，不仅要按照标准规范进行检测，还应研究冷热板温差对导热系数检测结果的影响，并制定作业指导书，当温差对产品检测结果影响较大时，应在检测报告注明检测温差。试件厚度对导热系数的检测结果影响比较明显，当试件厚度超过标准或仪器设备要求时，应对其进行加工，试件厚度建议控制在15～25mm。通过实验误差分析，发现实验误差随着厚度的增大而增大，误差的最大值达到10.5%，因此，需要通过扣除附加热阻，对检测结果进行修正，修正后导热系数的变化幅度为3.4%，较修正前减少了1.5%，其检测精度有所提高。综上所述，通过对防护热板法检测绝热材料导热系数的影响因素及实验误差进行分析，为相关检测工作提供参考。