1、建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试研究 万成龙 潘振 王洪涛 单波 阎强 王昭君 中国建筑科学研究院 摘 要： 建筑门窗玻璃幕墙是建筑围护结构节能最薄弱部位, 其传热系数目前只能在实验室通过热箱法测定, 在现场准确、快捷地测试该值对于建筑的节能评估改造具有重要意义。在现场测试门窗幕墙内外空气温度和表面温度的基础上, 推导出了基于“准稳态”测试原理和“热阻法”、“表面温度法”、“传热系数法”3 种传热系数现场测试方法, 现场测试值与实验室检测值的较高一致性表明了该现场测试方法的准确性, 连续测试数据与平均值的较小偏差表明了该测试方法的稳定性。研究结果表明, 建筑门窗玻璃幕墙传热系数可通过该方法在现
2、场准确、快捷地测试得到。关键词： 建筑门窗; 玻璃幕墙; 围护结构; 传热系数; 现场测试; 建筑节能; 评估; 改造; 作者简介：万成龙 (1983) , 男, 河南人, 硕士研究生, 高级工程师, 研究方向:建筑门窗幕墙节能 (wan_) 。收稿日期：2017-03-16基金：“十三五”国家重点研发计划课题“门窗系统节能性能提升技术研究” (2016YFC0700806) Field Test Methods on Thermal Transmittance of Windows, Doors and Glass Curtain WallsWAN Cheng-long PAN Zhen W
3、ANG Hong-tao SHAN Bo YAN Qiang WANG Zhao-jun China Academy of Building Research; Abstract： Windows, doors and glass curtain walls are the weakest and crucial energy-saving component of building envelope. According to the calculation, the heat loss of the windows and doors accounts for 40% 50% of the
4、 enclosure structure, which accounts for about 1/4 of the building energy consumption. At present, insulation of windows and doors is obtained only through the calibration hot box method for the determination of stability based on the heat transfer principle in the laboratory in China.There is no fi
5、eld test method for the heat transfer coefficient of windows, doors and glass curtain walls, which are main structural parts, the heat transfer coefficient of domestic envelope field test mainly concentrated in the wall. The accurate and convenient measurement of the heat transfer coefficient of the
6、 windows, doors and glass curtain walls has important value for the detection and identification of the thermal insulation performance of the new windows, doors and glass curtain walls and the energy-saving diagnosis of the existing windows, doors and glass curtain walls. Based on the calculation fo
7、rmula of heat transfer coefficient of external windows and doors and glass curtain walls, combined with the principle of heat transfer, the field test method of heat transfer coefficient for windows, doors and glass curtain walls is deduced, the verification analysis is carried out. Windows, doors a
8、nd glass curtain walls are light thin-walled members; their thermal inertia is small, the peak value of the indoor air temperature, the inner surface temperature curve of glass and the window frame changing with time, which is almost consistent with the outdoor air temperature curve, so it can be co
9、nsidered at anytime is “quasi steady”. The paper deduces the heat transfer coefficient of building windows, doors and glass curtain walls field test of“resistance”, “internal surface temperature method ” and “heat transfer coefficient method ”, the calculation formula, and analyzes its advantages, d
10、isadvantages and applicability. The test adopts a temperature heat flow data acquisition instrument, which is mainly composed of 64 temperature heat flow itinerant detectors. It is equipped with six pieces of heat flow meter and 48 Pt1000 platinum resistance temperature sensors. The field test proce
11、ss is mainly to arrange the temperature sensor and heat flow meter, and then the acquisition instrument automatically collects and records the data. In order to improve the testing accuracy, six temperature sensors are evenly installed on the glass surface by area. Two heat flow meters are fixed on
12、the surface of the glass, the horizontal frame and the vertical frame, respectively, about 150 mm to 300 mm from the window surfaces. Field tests of the external window or curtain wall of three projects are carried out. The actual test results show that the field test value is consistent with the la
13、boratory test value, and the stability is high, which can fully meet the requirements of field testing.Theoretical study and field test data show that the door, window and glass curtain walls heat transfer coefficient based on the quasi steady state principle and field test has a high accuracy and s
14、tability, it is important to further study on site testing method for heat transfer coefficient of doors, windows and glass curtain wall.Keyword： windows and doors; glass curtain wall; envelope; thermal transmittance; field test; building energy efficiency; evaluation; retrofitting; Received： 2017-0
15、3-160 引言建筑门窗和玻璃幕墙是建筑围护结构节能最薄弱的环节, 是建筑节能的关键构件。据测算, 通过门窗的热损失占到围护结构的 40%50%, 约占建筑能耗的1/4。因此, 外窗的热工性能是围护结构节能的重点。目前, 我国建筑门窗保温性能只能在实验室通过基于稳定传热原理的标定热箱法测定1。热箱模拟采暖建筑冬季室内气候条件, 冷箱模拟冬季室外气候条件, 测量热箱中电暖气的发热量, 减去通过热箱外壁、试件窗框和填充板的热损失, 除以试件面积与两侧空气温差的乘积, 得到外窗件的传热系数 K 值。相关的ISO 标准也是采用热箱法2, 日本标准采用标定热箱法或防护热箱法, 一般要求采用标定热箱法3。
16、热箱法受设备限制难以在现场测试中大量推广使用。国内尚无针对建筑门窗玻璃幕墙传热系数的现场测试方法。国内围护结构传热系数测试主要集中在围护结构主体部位, 即墙体3。公共建筑节能检测标准中对透光围护结构传热系数的检测也仅提到了“当透明幕墙和采光顶的构造外表面无金属构件暴露时, 其传热系数可采用现场热流计法进行检测。”对应的条文说明中, 是参考外墙和屋面的检测方法4。建筑幕墙工程检测方法标准中也仅仅是提到按现行标准公共建筑节能检测标准规定的热流计法执行5。重庆大学李雨桐等人曾采用热箱-热流计法进行幕墙玻璃传热系数的现场测试, 并对测试误差和不确定度进行了分析研究6, 但未提出整窗或整幅幕墙传热系数的
17、现场测试方法;重庆大学唐鸣放等人提出了采用红外热像仪测量外窗表面平均温度的简易测试方法, 测试结果距平均值偏差较大7。可以看出, 目前国内并没有对建筑门窗玻璃幕墙传热系数的现场测试给出具体方法。现场准确而又便捷地测得建筑门窗玻璃幕墙的传热系数对我国新建建筑门窗玻璃幕墙保温性能的检测鉴定以及既有建筑门窗玻璃幕墙节能诊断评估具有重要价值。本文在外窗传热系数计算公式的基础上, 结合传热学原理, 推导出了建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试方法, 并进行了验证分析。1 测试原理及方法研究由于门窗为轻质薄壁构件, 热惰性很小, 因而, 可认为任一时间点均为“准稳态”, 可近似按稳态处理。连续监测结果也表明,
18、 室内侧空气温度、玻璃内表面温度和窗框内表面温度曲线的峰值出现时间点几乎与室外空气温度曲线峰值出现时间点一致, 见图 1。详细数据分析表明, 室内侧空气温度、玻璃内表面温度和窗框内表面温度曲线的峰值出现时间点略延迟, 且室外空气温度曲线受不稳定气流影响而更曲折。因此, 实际测试时可通过选取更多数据或选取曲线峰值处相对稳定的数据提高测试准确度。建筑门窗玻璃幕墙的保温性能由传热系数 K 值来表征, 可由公式 (1) 得到8:式中:K t为整窗或玻璃幕墙传热系数, W/ (mK) ;At为整窗或玻璃幕墙面积, m;Kg为窗或幕墙玻璃的传热系数, W/ (mK) ;Ag为窗或幕墙玻璃面积, m;Kf为
19、窗或幕墙框的传热系数, W/ (mK) ;图 1 内表面温度测点布置及室内外空气温度、内表面温度变化监测曲线 下载原图测点 9 为室内空气温度测点;测点 10 为室外空气温度测点Af为窗或幕墙框面积, m; 为窗或幕墙框和玻璃之间的线传热系数, W/ (mK) ;l 为玻璃边缘长度, m。由公式 (1) 可知, 要得到建筑门窗玻璃幕墙传热系数则需要确定以下参数: (1) 整窗或玻璃幕墙面积 At、玻璃面积 Ag、窗或幕墙框面积 Af、玻璃边缘长度 l ; (2) 玻璃传热系数 Kg值、窗或幕墙框的传热系数 Kf值和线传热系数 。整窗或玻璃幕墙面积 At、玻璃面积 Ag、窗或幕墙框面积 Af、玻
20、璃边缘长度 l 可通过测量有关几何尺寸确定。将中空玻璃作为整体考虑, 其典型传热过程见图 29-10。室内空气温度为 t1, 玻璃内表面温度为 g1, 内表面换热系数为 h1, 玻璃外表面温度为 g2, 外表面换热系数为 h2, 室外空气温度为 t2。图 2 传热过程 下载原图则玻璃的传热系数可由下列 3 种方式得到:(1) 通过测试玻璃内、外表面温度 g1、 g2和热流密度 q 按公式 (2) 计算玻璃热阻 Rg, 再由传热系数计算公式 (3) 计算得到, 可称为“热阻法”, 即:则, 玻璃的传热系数 Kg为:按此方法测试时, 内外表面换热系数可取为理论值, 玻璃的内表面换热系数 h1可取为
21、 8 W/ (mK) , 外表面换热系数 h2可取为 16 W/ (mK) 8。(2) 通过测试室内外空气温度 t1、t 2和玻璃内表面温度 g1, 先按公式 (4) 测算得到热流密度 q, 再由传热系数定义式 (5) 计算得到玻璃的传热系数 Kg。该方法热流密度由测得的室内空气温度、玻璃内表面温度和内表面换热系数测算得到。内表面换热系数可取理论值, 也可通过大量试验进一步确定。由于该方法除测试室内外空气温度外, 还需测试试件内表面温度, 故可称为“内表面温度法”。(3) 通过测试室内外空气温度 t1、t 2和热流密度 q 由传热系数 Kg的定义式 (6) 得到, 可称为“传热系数法”, 即:
22、该方法由于室内外气流状况在不断变化, 因而, 室内外空气温度 t1、t 2受到一定程度的影响, 需要测试足够长的时间才能得到较为准确的结果。同理, 窗框的传热系数 Kf也可按上述 3 种方法测算得到。需要指出的是, 框的内表面换热系数 h1取理论值时, 应按表 1 选取。表 1 几类常见窗框的内表面换热系数 h1 取值 下载原表 由于窗框和玻璃之间的线传热系数 值目前无法在现场测得, 可由符合国内建筑门窗玻璃幕墙热工计算标准8的软件模拟得到。一般来说, 中空玻璃采用暖边间隔条时线传热系数可取 0.05 W/ (mK) , 采用普通铝间隔条时线传热系数可取 0.07 W/ (mK) 。三种方法中
23、, “热阻法”由于采用了理论的内外表面换热系数, 且计算热阻时内外表面温差相对较大, 其结果更准确、更稳定;“内表面温度法”测试时, 热流采用室内空气温度、内表面温度和内表面换热系数测算得到, 由于内表面换热系数取理论值, 与实际会有一定差异, 结果会存在一定误差;“传热系数法”由于室内外空气温度受到不断变化的气流的影响, 结果虽然更符合实际, 但波动相对较大。在进行现场测试时, “热阻法”需要在室外试件表面布置较多的温度传感器, 中高层有一定的操作难度, 适用于底层便于室外操作的部位;“内表面温度法”仅需测试室内外空气温度和内表面温度, “传热系数法”需测试热流和室内外空气温度, 这两种方法
24、在室外仅需测量空气温度, 可通过试件本身或附近的开启部位简单操作实现, 适用于中高层不便于室外操作的部位;“内表面温度法”避免了热流计本身带来的误差, 但带来了内表面换热系数理论值的误差, 由于无需测试热流, 故也可适用于非专业性的测试评估。2 测试仪器及测试过程测试采用自主开发的 R70B 数据采集仪, 设备及现场测试过程见图 3。设备主要由 64 路温度热流巡回检测仪组成, 配备 6 片热流计片和 48 个 Pt1000 铂电阻温度传感器。测温范围为-100.00+100.00, 热流范围为 54 500 W/m;Pt1000铂电阻测温基本误差小于0.1, 热流计基本误差为2 W/m。图
25、3 测试仪器设备及现场测试过程 下载原图现场测试过程主要是布置温度传感器和热流计, 然后采集仪自动采集记录数据。为提高测试准确度, 玻璃表面按面积平均分布 6 个温度传感器, 玻璃、横框和竖框表面分别布置 2 个热流计, 室内外距外窗表面约 150300 mm 各布置 2 个空气温度传感器。数据处理时, 各组数据取平均值。窗横竖框节点基本一致, 重力方向会引起传热系数微小差异, 现场测试时予以忽略;幕墙横竖框型材差异较大, 测试时进行区分。3 现场测试实例及分析研究共对 3 个工程的外窗或幕墙进行了现场测试, 试件基本信息见表 2, 分格尺寸见图 4。表 2 现场测试样窗 (幕墙) 基本信息
26、下载原表 对该 78 系列内平开铝木复合 (铝包木) 窗, 在某天凌晨 0:00-5:30 时间段, 间隔 30 min 采集一组数据, 共取 12 组数据。现场测试数据及结果见表 3。该 90 系列内平开塑料窗测试选取某天 22:00 至次日 4:00 时间段, 间隔 30 min采集一组数据, 共取 12 组数据。现场测试数据及结果见表 4。该铝合金中空玻璃幕墙测试取某两天 20:00 至次日 6:00 时间段, 间隔 2 h 采集一组数据, 共取 12 组数据。现场测试数据及结果见表 5。由表 3、4 可以看出, 该外窗传热系数测试结果与实验室测试结果基本一致, 证明了测试方法的准确性;
27、不同时刻测试结果与平均值的差比在 3%以内, 说明了该测试方法的稳定性。由表 5 可以看出, 该外窗传热系数测试结果平均值与实验室测试结果基本一致, 证明了该测试方法的可行性;但由于该测试方法直接测试玻璃和框的实际传热系数, 该值包含了实际的室内外表面换热系数, 而实际室内外表面换热系数会受到室内外气流的影响, 尤其是室外侧气流波动较大, 从而导致结果波动较大, 与平均值的差比最大在 6.5%左右。因此, 该方法需要足够的测试时间和数据才能得到较准确的结果, 所以该试验间隔 2 h 取一组数据, 连取 2 天共 12 组数据。图 4 现场测试样件分格尺寸 下载原图表 3 某 78 系列内平开铝
28、木复合 (铝包木) 窗传热系数现场测试结果 下载原表 表 4 某 90 系列内平开塑料窗传热系数现场测试结果 下载原表 表 5 某铝合金中空玻璃幕墙传热系数现场测试结果 下载原表 4 结论综上所述, 通过建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试的基本原理及方法, 并进行了现场测试实验研究, 得出如下结论:(1) 建筑门窗玻璃幕墙的传热系数目前只有实验室测试方法, 现场测试方法研究欠缺;(2) 建筑门窗玻璃幕墙为轻质薄壁构件, 热惰性很小, 其室内空气温度、玻璃和窗框内表面温度曲线的峰值出现时间点几乎与室外空气温度曲线基本一致, 因而可认为任一时间点均为“准稳态”;(3) 论文推导出了建筑门窗玻璃幕墙传
29、热系数现场测试的“热阻法”、“内表面温度法”和“传热系数法”, 给出了相应的计算公式, 并分析了其优缺点及适用范围;(4) 论文对推导出的“热阻法”、“内表面温度法”和“传热系数法”进行了实际测试验证, 结果表明现场测试值与实验室测试值具有较高一致性, 且稳定性较高, 可完全满足现场测试的需求。综上所述, 理论研究和现场测试数据均表明建筑门窗玻璃幕墙的传热系数可基于“准稳态”原理现场测试得到且准确性和稳定性较高, 对建筑门窗和玻璃幕墙传热系数现场测试方法的深入研究具有重要意义。参考文献1GB/T 84842008, 建筑外门窗保温性能分级及检测方法S.GB/T 8484-2008, Gradu
30、ation and test method for thermal insulating properties of doors and w indow sS. (in Chinese) 2ISO 125671, Thermal performance of windows and doors-determination of thermal transmittance by hot box method-Part 1:Complete w indow s and doorsS. 3JIS A4710:2004, 建具断熱性試験方法S. 4JGJ 1322009, 居住建筑节能检测标准S.JG
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