宝泰隔热条小课堂—如何现场测试门窗幕墙K值？

如何现场测试门窗幕墙K值？笔者基于温度和K值关系提出了一种门窗幕墙K值现场测试方法，试验表明该方法具有较高准确性；该方法目前仍属于研究性质，对于深入研究具有一定参考价值。不妥之处敬请指正！

1、引言

建筑门窗和玻璃幕墙是建筑围护结构节能最薄弱环节，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，外窗热工性能是围护结构节能的重点。

目前我国门窗幕墙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，原理和过程见以下视频，热箱法受设备限制难以在现场测试中大量推广应用。

现场准确而又便捷地测得门窗玻璃幕墙传热系数对我国新建建筑门窗玻璃幕墙保温性能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。

2、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，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。

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

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，可由下式得到：

式中：

Kt——整窗或玻璃幕墙传热系数，W/(m2·K)；

At——整窗或玻璃幕墙面积，m2；

Kg——窗或幕墙玻璃的传热系数，W/(m2·K)；

Ag——窗或幕墙玻璃面积，m2；

Kf——窗或幕墙框的传热系数，W/(m2·K)；

Af——窗或幕墙框面积，m2；

Ψ——窗或幕墙框和玻璃之间的线传热系数，W/(m·K)；

lΨ——玻璃边缘长度，m。

整窗或幕墙面积At、玻璃面积Ag、窗或幕墙框面积Af、玻璃边缘长度lΨ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2。室内空气温度为t1，玻璃内表面温度θg1，内表面换热系数h1，玻璃外表面温度θg2，外表面换热系数h2，室外空气温度为t2。

图2 传热过程

则玻璃的传热系数可由下列三种方式得到：

(1) 通过测试玻璃内外表面温度θg1、θg2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8W/(m2·K)，外表面换热系数h2可取为16W/(m2·K)。

(2) 通过测试室内外空气温度t1、t2和玻璃内表面温度θg1，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、t2和热流密度q由传热系数Kg定义式(6)得到，可称为“传热系数法”，即：

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、t2受到一定程度的影响，因而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也可按上述三种方法测算得到。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

由于窗框和玻璃之间的线传热系数Ψ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的软件模拟得到。

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。

3、测试仪器及测试过程

测试采用自主开发的温度和热流数据采集仪，设备及现场测试过程见图3。

图3 测试仪器设备及现场测试过程

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5~4500W/m2；Pt1000铂电阻测温基本误差小于±0.1℃，热流计基本误差为±2W/m2。

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两个热流计，室内外距外窗表面约150~300mm各布置两个空气温度传感器。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。

4、现场测试实例及分析

研究共对三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

图4 现场测试样件分格尺寸

对该78系列内平开铝木复合(铝包木)窗，取某天凌晨0:00~5:30时间段，间隔30min取一组数据，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30min取一组数据，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2h取一组数据，共取12组数据。现场测试数据及结果见表5。

由表3、表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；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；但由于该测试方法受室外侧气流影响较大，从而导致结果波动较大。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2h取一组数据，连取两天共12组数据。

5、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”，给出了相应计算公式，并分析了优缺点及适用范围；

(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。