建筑門窗玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

齊海英

摘要：目前，我國(guó)建筑門窗保溫性能只能在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)基于穩(wěn)定傳熱原理的標(biāo)定熱箱法測(cè)定。熱箱模擬采暖建筑冬季室內(nèi)氣候條件，冷箱模擬冬季室外氣候條件，測(cè)量熱箱中電暖氣的發(fā)熱量，減去通過(guò)熱箱外壁、試件窗框和填充板的熱損失，除以試件面積與兩側(cè)空氣溫差的乘積，得到外窗件的傳熱系數(shù)K值。相關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn)也是采用熱箱法，熱箱法受設(shè)備限制難以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中大量推廣使用。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能;玻璃幕墻;傳熱系數(shù);溫度差

引言

為了提高玻璃幕墻的應(yīng)用傳播度，基于COMSOL大型仿真軟件平臺(tái)，在虛擬玻璃幕墻上選取5個(gè)以上的冷熱源，并設(shè)置溫差間隔為10℃左右，仿真計(jì)算玻璃幕墻在6種不同溫度下的傳熱形式.研究結(jié)果表明，在任何情況下，玻璃幕墻的傳熱過(guò)程都與玻璃幕墻兩側(cè)的溫度差有關(guān)，均由溫度較高的一側(cè)向溫度較低的一側(cè)傳熱，且接近玻璃幕墻溫度較低的一側(cè)等溫線較為分散，接近溫度高的一側(cè)的等溫線較為緊密.建議在玻璃幕墻的設(shè)置過(guò)程中，盡量減少兩側(cè)之間的溫度差，并且根據(jù)太陽(yáng)輻射的情況，選擇耐熱的玻璃材質(zhì).

1建筑外門窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法

根據(jù)我國(guó)建筑的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建筑門窗玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法主要用于分類和檢查建筑物外門窗的隔熱性能方面.《建筑外門窗保溫性能及分級(jí)檢測(cè)方法》的發(fā)布，進(jìn)一步規(guī)范了建筑外門窗隔熱性能的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)推動(dòng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展起到了積極的作用.為研究不同狀態(tài)下，如穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、熱擾動(dòng)、特征頻率下的仿真計(jì)算結(jié)果，采用5.3版本的COMSOL仿真軟件，在玻璃幕墻上模擬選取5個(gè)以上的冷源和熱源，并設(shè)置溫差間隔為10°，仿真計(jì)算玻璃幕墻在6種不同溫度下的傳熱形式.COMSOL軟件內(nèi)部放置CAD建模工具，可以直接在軟件中執(zhí)行3D和2D建模，擴(kuò)展生成非常便捷的APP應(yīng)用，并且能夠設(shè)置多物理場(chǎng)，在多物理場(chǎng)的條件下進(jìn)行模擬計(jì)算分析;可根據(jù)需求，分析各種動(dòng)畫的輸出、曲線、數(shù)據(jù)、圖片等;還可以根據(jù)網(wǎng)格的粗細(xì)程度進(jìn)行粗略或者精細(xì)的計(jì)算.

2測(cè)試儀器及測(cè)試過(guò)程

設(shè)備主要由64路溫度熱流巡回檢測(cè)儀組成，配備6片熱流計(jì)片和48個(gè)Pt1000鉑電阻溫度傳感器。測(cè)溫范圍為-100.00～+100.00℃，熱流范圍為5～4500W/m2;Pt1000鉑電阻測(cè)溫基本誤差小于±0.1℃，熱流計(jì)基本誤差為±2W/m2?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程主要是布置溫度傳感器和熱流計(jì)，然后采集儀自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)。為提高測(cè)試準(zhǔn)確度，玻璃表面按面積平均分布6個(gè)溫度傳感器，玻璃、橫框和豎框表面分別布置2個(gè)熱流計(jì)，室內(nèi)外距外窗表面約150～300mm各布置2個(gè)空氣溫度傳感器。數(shù)據(jù)處理時(shí)，各組數(shù)據(jù)取平均值。窗橫豎框節(jié)點(diǎn)基本一致，重力方向會(huì)引起傳熱系數(shù)微小差異，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)予以忽略;幕墻橫豎框型材差異較大，測(cè)試時(shí)進(jìn)行區(qū)分。

3幾何模型的建立與設(shè)置

3.1幾何模型的建立

設(shè)置單塊玻璃幾何尺寸為寬1.3m，厚度0.008m，高1.8m，玻璃幕墻總長(zhǎng)度13m，高36m，玻璃幕墻邊界采用的材料為硅玻璃，室外溫度和室內(nèi)溫度既是熱源也是冷源.

3.2幾何模型邊界條件的設(shè)置

3.2.1流場(chǎng)設(shè)置

設(shè)置風(fēng)速為0m/s，環(huán)境溫度293.15K（20℃），玻璃幕墻選用材料為玻璃.玻璃幕墻內(nèi)側(cè)熱通量分別選取100、500、1000、2000、3000、4000W/m2，玻璃幕墻的外側(cè)熱通量分別選取400、800、1300、2300、3300、4300W/m2，并在其中加入陽(yáng)光輻射影響因素.

3.2.2邊界設(shè)定

仿真模型可以調(diào)節(jié)溫度、幕墻材料以及幾何尺寸、太陽(yáng)輻射照度、環(huán)境絕對(duì)壓力、環(huán)境相對(duì)濕度.整個(gè)仿真模型采用固體傳熱，其邊界為硅玻璃，氣流不能穿越.

3.2.3網(wǎng)格劃分

為使計(jì)算精準(zhǔn)，將設(shè)置好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格超細(xì)化，這雖然增加了運(yùn)算時(shí)間，但計(jì)算出的結(jié)果更為準(zhǔn)確.

4仿真結(jié)果與分析

4.1玻璃幕墻在不同溫度冷熱源下的熱傳導(dǎo)

1）取玻璃幕墻外側(cè)溫度為264.15K（-9℃），內(nèi)側(cè)溫度為270.15K（-3℃），陽(yáng)光輻射設(shè)為1000W/m2，當(dāng)設(shè)置內(nèi)外差溫度為6℃，保持太陽(yáng)輻射值在1000W/m2的情況下，玻璃幕墻等溫線的低溫區(qū)域面積較大，等溫線較為分散;高溫區(qū)域等溫線較為緊密，玻璃幕墻內(nèi)外溫度變化劇烈.2）取玻璃幕墻外側(cè)溫度為272.15K（-1℃），內(nèi)側(cè)溫度為280.15K（7℃）.陽(yáng)光輻射設(shè)為2000W/m2，當(dāng)設(shè)置內(nèi)外差溫度為8℃，保持太陽(yáng)輻射值在2000W/m2的情況下，玻璃幕墻等溫線的中溫區(qū)域面積較大，中低溫度等溫線分散，高溫度等溫線緊密.3）取玻璃幕墻外側(cè)溫度為284.15K（11℃），內(nèi)側(cè)溫度為289.15K（16℃）.陽(yáng)光輻射設(shè)為2400W/m2，當(dāng)設(shè)置內(nèi)外差溫度為5℃，且內(nèi)外溫度提升20℃，保持太陽(yáng)輻射值在2400W/m2的情況下，玻璃幕墻等溫線的中溫區(qū)域面積較大，玻璃幕墻內(nèi)外溫度變化平緩.4）玻璃幕墻外側(cè)溫度為293.15K（20℃），內(nèi)側(cè)溫度為299.15K（26℃），陽(yáng)光輻射設(shè)為2400W/m2，此時(shí)，玻璃幕墻溫度分布和等溫線分布如圖9～10所示.從圖9～10可以看出，當(dāng)設(shè)置內(nèi)外差溫度為5℃，保持太陽(yáng)輻射值在2600W/m2的情況下，玻璃幕墻等溫線的低溫區(qū)域面積較大，低溫等溫線分散，高溫等溫線緊密.取玻璃幕墻外側(cè)溫度為304.15K（31℃），內(nèi)側(cè)溫度為308.15K（35℃），陽(yáng)光輻射設(shè)為2800W/m2，當(dāng)設(shè)置內(nèi)外差溫度為4℃，保持太陽(yáng)輻射值在2800W/m2的情況下，玻璃幕墻等溫線的低溫區(qū)域面積較大，低溫等溫線分散，高溫等溫線緊密玻璃幕墻外側(cè)溫度為313.15K（40℃），內(nèi)側(cè)溫度為318.15K（45℃），陽(yáng)光輻射設(shè)為3000W/m2，當(dāng)設(shè)置內(nèi)外差溫度為5℃，保持太陽(yáng)輻射值在3000W/m2的情況下，玻璃幕墻等溫線的低溫區(qū)域面積較大，低溫等溫線分散，高溫等溫線緊密.

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)建筑門窗玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基本原理及方法，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：（1）建筑門窗玻璃幕墻的傳熱系數(shù)目前只有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法研究欠缺;（2）建筑門窗玻璃幕墻為輕質(zhì)薄壁構(gòu)件，熱惰性很小，其室內(nèi)空氣溫度、玻璃和窗框內(nèi)表面溫度曲線的峰值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)幾乎與室外空氣溫度曲線基本一致，因而可認(rèn)為任一時(shí)間點(diǎn)均為“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。綜上所述，可見(jiàn)，不管在什么樣的情況下，玻璃幕墻的傳熱過(guò)程都與玻璃幕墻兩側(cè)的溫度差有關(guān)，由溫度較高的一側(cè)向溫度較低的一側(cè)傳熱，且接近玻璃幕墻溫度較低的一側(cè)等溫線較為分散，接近溫度高的一側(cè)的等溫線較為緊密.建議在玻璃幕墻的設(shè)置過(guò)程中，盡量減少兩側(cè)之間的溫度差，并且根據(jù)太陽(yáng)輻射的情況，選擇耐熱的玻璃材質(zhì)，以有效降低能源損失，增加實(shí)用性，拓展應(yīng)用度理論研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)均表明建筑門窗玻璃幕墻的傳熱系數(shù)可基于“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”原理現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到且準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高，對(duì)建筑門窗和玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的深入研究具有重要意義。

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（作者單位：華納工程咨詢（北京）有限公司）