紅外熱像技術(shù)在門窗幕墻保溫性能檢測(cè)中的應(yīng)用

劉正權(quán)

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

我國(guó)的建筑能耗占社會(huì)總能耗的近三分之一，能源利用效率低、單位建筑能耗高是我國(guó)建筑耗能的主要特點(diǎn)。作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，門窗幕墻的節(jié)能性能對(duì)建筑物整體的節(jié)能效果有著至關(guān)重要的影響，我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對(duì)門窗幕墻的節(jié)能性能也都提出了要求[1~2]。門窗幕墻的保溫性能是體現(xiàn)其節(jié)能效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而傳熱系數(shù)和抗結(jié)露因子又是表征保溫性能的主要單值指標(biāo)。國(guó)標(biāo)GB/T 8484-2008中給出了門窗幕墻傳熱系數(shù)和抗結(jié)露因子的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法，即采用標(biāo)定熱箱法測(cè)試門窗幕墻在特定環(huán)境條件下的傳熱系數(shù)和抗結(jié)露因子[3]，但這種方法只能得到有限的試件表面溫度數(shù)據(jù)，難以全面反映門窗幕墻在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下的溫度分布情況，無(wú)法得出試件熱測(cè)表面溫度，而這一指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)確衡量試件的抗結(jié)露性能、設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)以及門窗幕墻熱工模擬軟件的輔助開發(fā)等尤為重要。

紅外成像是一種利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡來(lái)探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射能量的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段，將能量分布反映到紅外探測(cè)器的光敏組件上，從而獲得與被測(cè)物體表面熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖。紅外成像技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)快速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在材料缺陷檢測(cè)與評(píng)價(jià)、建筑節(jié)能評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。利用紅外熱像儀通過(guò)對(duì)建筑物或建筑構(gòu)件表面的溫度分布狀況進(jìn)行檢測(cè)），可以分析建筑物的結(jié)構(gòu)和熱工缺陷（圖1，為建筑的加固和節(jié)能改造提供參考依據(jù)[4~5]。Brent等人利用紅外成像技術(shù)研究了幾種不同結(jié)構(gòu)的中空玻璃在美國(guó)保溫測(cè)試環(huán)境條件下的溫度分布情況[6~7]，然而對(duì)于真空玻璃以及不同材質(zhì)的窗框表面溫度分布還未見(jiàn)有研究。本文利用紅外熱像技術(shù)研究了幾種常用的門窗幕墻玻璃及窗框材料在我國(guó)保溫性能測(cè)試環(huán)境條件下熱側(cè)表面溫度的分布情況，分析結(jié)果可為門窗幕墻的保溫性能評(píng)價(jià)和節(jié)能設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

圖1 建筑物紅外熱像熱工缺陷檢測(cè)

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為實(shí)現(xiàn)試件處于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，且保證試件兩側(cè)的環(huán)境變量的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)采用圖2所示的一套裝置。實(shí)驗(yàn)裝置包含一個(gè)熱箱和一個(gè)冷箱，分別配備輔助加熱器用于保證箱體內(nèi)的空氣溫度保持穩(wěn)定。熱箱內(nèi)距試件1.8m處安裝一臺(tái)紅外熱像儀，熱像儀鏡頭中心與試件中心在一條水平線上，熱像儀的分辨率為0.05℃。

圖2 測(cè)試裝置

紅外測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克輻射定律，根據(jù)該定律可知被測(cè)物體的真實(shí)的溫度除與輻射常數(shù)、輻射的波長(zhǎng)、輻射率等因素有關(guān)外，它的測(cè)試精度還與環(huán)境溫度、距離、環(huán)境濕度、背景噪聲等因素有關(guān)[8-10]。所以，需要精確輸入被測(cè)物體的輻射率、環(huán)境溫度、大氣溫度等參數(shù)才能得到被測(cè)物體的精確溫度。然而，這些參數(shù)往往難以精確得出，這就對(duì)紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確度產(chǎn)生很大的影響。為了解決紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確度，本文采用高精度Pt100測(cè)溫與紅外測(cè)溫進(jìn)行比對(duì)，因?yàn)楦呔萈t100鉑電阻測(cè)試不受各種參數(shù)的影響即在被測(cè)試件的表面粘貼若干個(gè)測(cè)溫鉑電阻，根據(jù)鉑電阻測(cè)得的溫度調(diào)整紅外熱像儀的測(cè)試參數(shù)，直到紅外熱像顯示的溫度與鉑電阻顯示的溫度一致為止。

利用FLIR QuickReport軟件可以對(duì)拍攝的紅外熱像圖進(jìn)行分析，可以得到每一點(diǎn)的溫度、每一區(qū)域的最高、最低和平均溫度值等溫度分布情況。

3 試件和實(shí)驗(yàn)條件

3.1 玻璃

單片玻璃、夾層玻璃、中空玻璃、低輻射（Low-E）玻璃、雙中空玻璃和真空玻璃及其組合是目前門窗幕墻常用的玻璃種類。表1列出了本文實(shí)驗(yàn)所需的7種玻璃，玻璃尺寸均為600mm×900mm，2#~6#玻璃的空腔均填充空氣，其中4#中空玻璃采用Swiggle暖邊密封系統(tǒng)，其余中空玻璃均采用普通鋁間隔條，6#和7#Low-E玻璃的輻射率為0.06。

表1 玻璃試件

表2 窗框試件

3.2 窗框

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的窗框材料有未增塑聚氯乙烯（PVC-U）、斷橋鋁合金、實(shí)木、鋁木復(fù)合、鋁塑復(fù)合等（表2），不同的窗框材料對(duì)門窗幕墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保溫性能等有著不同程度的影響[5]。本文窗框試件形式均采用固定框，試件尺寸以能夠正常安裝下600mm×900mm的玻璃為準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)采用30mm厚擠塑板代替玻璃面板。

3.3 實(shí)驗(yàn)條件

熱箱空氣溫度設(shè)定為20℃，冷箱空氣溫度設(shè)定為-20℃，熱箱內(nèi)空氣為自然對(duì)流，冷箱試件表面平均風(fēng)速為3.0m/s，即試件外表面對(duì)流換熱系數(shù)為16W/(m2·K)。環(huán)境溫度采用空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)冷、熱箱和環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值后，監(jiān)控各控溫點(diǎn)溫度，使冷、熱箱和環(huán)境空氣溫度維持穩(wěn)定，當(dāng)溫度波動(dòng)不大于0.1 ℃時(shí)視為達(dá)到穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 單片玻璃、中空玻璃、雙中空玻璃溫度分布

圖3為1#、2#和6#玻 璃的熱側(cè)表面溫度分布情況。其中，左圖為玻璃沿水平中心線的溫度分布曲線，右圖為玻璃沿垂直中心線的溫度分布曲線。從圖中可以看出，5mm單片浮法玻璃（1#）的熱側(cè)中心點(diǎn)的表面溫度最低，約-4℃；5mm+9A+5mm中空玻璃（2#）熱側(cè)中心點(diǎn)的表面溫度次之，約7.3℃；5 m m+9 A+5 m m+9 A+5 m m雙層中空玻璃（6#）熱側(cè)中心點(diǎn)的表面溫度最高，約12℃。

圖3 單層玻璃、中空玻璃、雙中空玻璃熱側(cè)表面溫度分布

4.2 不同間隔條中空玻璃溫度分布

圖4為3#和4#玻璃熱側(cè)表面溫度分布情況。中空玻璃厚度均為5mm+12A+5mm，填充空氣，不同的是3#中空玻璃采用普通鋁間隔條，而4#中空玻璃采用的是Swiggle暖邊間隔條。從圖中可以看出，二者熱側(cè)表面的中心溫度大致相同，約8.4℃左右，但是采用暖邊間隔條的中空玻璃熱側(cè)邊部溫度要比采用鋁間隔條的高3℃~5℃左右，這是由于Swiggle暖邊間隔條的導(dǎo)熱系數(shù)要比鋁間隔條的導(dǎo)熱系數(shù)低3倍左右。這樣的差距體現(xiàn)在中空玻璃中就表現(xiàn)為Swiggle暖邊密封系統(tǒng)比傳統(tǒng)鋁間隔條中空玻璃邊部熱傳導(dǎo)率減少75%。玻璃熱側(cè)表面溫度的提高可以減低玻璃結(jié)露的可能，減少了露水對(duì)窗框和陽(yáng)臺(tái)的腐蝕、污染，提高門窗使用壽命和使用舒適度。

圖4 中空玻璃（鋁間隔條和暖邊隔條）熱側(cè)表面溫度分布

4.3 Low-E真空玻璃和Low-E中空玻璃溫度分布

圖5為5#和7#玻璃的熱側(cè)表面溫度分布情況。從圖中可以看出，low-E中空玻璃（5#）熱側(cè)表面的中心溫度約為12.5℃，比相同結(jié)構(gòu)的普通中空玻璃（2#）熱側(cè)表面的中心溫度高5℃左右，而真空玻璃（7#）熱側(cè)表面的中心溫度可達(dá)18.1℃左右，接近熱箱內(nèi)環(huán)境溫度，比Low-E中空玻璃（5#）的表面溫度高5.6℃左右，比普通中空玻璃（2#）表面溫度要高10℃以上。由于真空玻璃的邊部一般采用低熔點(diǎn)玻璃料熔封，所以，邊部的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于玻璃的中心溫度，溫差最大可達(dá)12℃。此外，兩片玻璃之間微小的支撐物一般采用金屬，支撐處的溫度比周圍溫度高0.5℃左右。所以，降低真空玻璃邊部和支撐物的熱導(dǎo)以及增大支撐物間距對(duì)于提高真空玻璃的保溫性能具有重要意義。

圖5 Low-E真空玻璃、Low-E中空玻璃熱側(cè)表面溫度分布

4.4 窗框

圖6為六種窗框的紅外熱像圖，從圖中可以看出鋁塑鋁和斷橋鋁合金窗框的溫度較低，尤其是玻璃扣條四周，這部分也是門窗最容易發(fā)生結(jié)露的部位；實(shí)木和塑鋼窗框的紅外熱像圖顏色最淺，即溫度最高；鋁木復(fù)合窗框位于二者之間。

圖6 窗框紅外熱像圖

圖7為六種窗框熱側(cè)可視面中心線最小溫度、最大溫度和平均溫度。從圖中可以看出，斷橋鋁合金窗框的表面溫度最低，窗框可視面中心線的最低溫度約9.2℃、最高溫度約10.2℃；鋁塑鋁復(fù)合窗框的最低溫度約為10.8℃，最高溫度為11.2℃；實(shí)木窗框的溫度最高，表面溫度可達(dá)16.9℃，其次是塑鋼窗框（含鋼襯），約16.4℃；鋁塑復(fù)合窗框的表面溫度位于中間，在12.2℃~14.5℃之間。

圖7 不同材質(zhì)窗框熱側(cè)表面溫度

5 結(jié)論

本文利用紅外熱像技術(shù)研究了不同結(jié)構(gòu)的玻璃和窗框熱側(cè)表面溫度分布情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）Low-E真空玻璃熱側(cè)中心溫度最高，其次是雙中空玻璃、Low-E中空玻璃、普通中空玻璃，單片浮法玻璃熱側(cè)中心溫度最低；

（2）采用鋁間隔條的中空玻璃和采用Swiggle暖邊間隔條的中空玻璃熱側(cè)中心點(diǎn)的溫度幾乎相等，但是采用暖邊間隔條的中空玻璃邊部的溫度要比采用鋁間隔條的中空玻璃高3℃~5℃左右；

（3）真空玻璃的邊部具有較低的溫度，比中心溫度低10℃以上；

（4）真空玻璃支撐物處的溫度比周圍溫度低約0.5℃。

玻璃及窗框表面溫度對(duì)門窗幕墻結(jié)露與否影響甚大，也影響使用者的居住舒適度。過(guò)低的溫度使得玻璃室內(nèi)側(cè)附近的空氣溫度下降，冷空氣下沉，加劇空氣對(duì)流，這樣靠近門窗幕墻時(shí)就會(huì)感覺(jué)到冷；如果玻璃室內(nèi)側(cè)溫度過(guò)高，則玻璃向室內(nèi)產(chǎn)生的二次輻射就會(huì)增加，影響空調(diào)制冷能耗和居住舒適度。采用紅外熱像技術(shù)可以準(zhǔn)確且全面的得出被測(cè)物體的溫度分布情況，為門窗幕墻的保溫性能檢測(cè)以及節(jié)能設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)提供了一種新的技術(shù)。

[1] GB 50189-2005. 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2006.

[2] GB 50411-2007. 建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007.

[3] GB/T 8484-2008. 建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法[S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[4] 劉正權(quán). 建筑幕墻檢測(cè)[M]. 北京： 中國(guó)計(jì)量出版社, 2007.

[5] 劉正權(quán). 門窗幕墻及其材料檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社, 2008.

[6] Brent T G, Daniel T, et al. Surface Temperatures of Insulated Glazing Units： Infrared Thermography Laboratory Measurements [J]. ASHRAE Transactions, 1996, 102(2).

[7] Brent T G, Fred B, et al. Issues Associated with the Use of Infrared Thermography for Experimental Testing of Insulated Systems [A]. Proceedings of the Thermal Performance of the Exterior of Buildings VI Conference[C], 1995.

[8] 孫曉剛,李云紅. 紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 激光與紅外, 2008, 38(2)：101-104.

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[10] 楊立, 寇蔚等. 熱像儀測(cè)量物體表面輻射率及誤差分析[J]. 激光與紅外, 2002, 32 (1) ： 43-45.