建筑外門窗保溫性能檢測裝置校準方法的研究

王桓 建筑材料工業(yè)技術監(jiān)督研究中心

1 前言

本文闡述了通過使用經(jīng)過傳熱系數(shù)溯源標定的《中空玻璃傳熱系數(shù)標準參比板》標準樣品，實現(xiàn)對豎向建筑外門窗保溫性能檢測裝置（以下簡稱檢測裝置）的計量性能的校準。

2 檢測裝置工作原理和典型結構

在國標GB/T 8484—2020《建筑外門窗保溫性能檢測方法》中，明確規(guī)定了基于標定熱箱法原理的建筑門窗保溫性能檢測裝置的技術要求，外門窗傳熱系數(shù)用K或者用U來表示，單位W/(m2·K)。

2.1 工作原理

基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，采用標定熱箱法檢測建筑外門窗傳熱系數(shù)，檢測裝置的門窗試件一側為熱箱，模擬采暖建筑冬季室內氣候條件（19°C~21°C），另一側為冷箱，模擬冬季室外氣溫（?19°C~?21°C）和氣流速度（3.0m/s±0.2m/s）。在對試件縫隙進行密封處理，保持和穩(wěn)定試件兩側各自的空氣溫度、氣流速度和熱輻射的條件下，測量熱箱中加熱器的發(fā)熱量，減去通過熱箱外壁和試件框的熱損失，除以試件面積與兩側空氣溫差的乘積，即為檢測門窗試件的傳熱系數(shù)。

2.2 檢測裝置組成

檢測裝置主要由熱箱、冷箱、試件框、填充板和環(huán)境空間五部分組成，見示意圖1。

3 檢測裝置校準方法的研究

3.1 外門窗傳熱系數(shù)的研究

門窗系統(tǒng)的材料組合決定門窗的保溫性能，門窗最主要的材料是型材和玻璃，這也是影響保溫性能最重要的兩個部分。現(xiàn)在滿足節(jié)能要求的建筑門窗最基本的配置是“中空玻璃+隔熱型材”，其中玻璃大約占據(jù)整個門窗面積的80%~90%，所以玻璃隔熱保溫性能的優(yōu)劣直接影響門窗的保溫性能。

節(jié)能型門窗的配置從單層玻璃發(fā)展成中空玻璃，而玻璃的品種、空氣層的厚度和氣體種類對中空玻璃傳熱系數(shù)的影響也是很明顯的，提高門窗保溫性能、降低傳熱系數(shù)的方法有：（1）選擇透光率更低的Low?E膜進行鍍膜或者從單面鍍膜變成雙面鍍膜，降低輻射造成的熱量損失；（2）在中空玻璃中間的氣體層填充惰性氣體比如氬氣Ar，降低氣體流動造成的熱量傳遞；（3）改變玻璃結構：使用雙層玻璃（中空玻璃）或多層玻璃（多玻多腔），多重阻隔空氣流動，減小熱量損失。同時，使用高性能的粘結膠，將兩片玻璃和內含干燥劑的暖邊條粘結，制成高效能的隔熱玻璃；（4）真空玻璃也是提高保溫性能的途徑之一；（5）選配低導熱系數(shù)是復合型材。

3.2 熱箱外壁熱流系數(shù)，試件框熱流系數(shù)標定的研究

檢測裝置中熱箱外壁熱流系數(shù)M1，試件框熱流系數(shù)M2，在測試實際應用中，由于這兩個系數(shù)沒有一個定值，每個設備都不一樣，允許誤差限制也沒有統(tǒng)一規(guī)定，這兩個參數(shù)難以確定是檢測裝置的技術難題。

標準中用到的主要標準器（標準試件），要求如下：應使用材質均勻，不透氣、內部無空氣層、熱性能穩(wěn)定的材料制作。宜采用經(jīng)過長期存放、厚度為50mm±2mm左右的聚苯乙烯泡沫塑料板，其密度為20kg/m3~22kg/m3，通常尺寸為寬1800mm，高1800mm，這么大的標準試件目前無法整塊溯源，平常采用的溯源方法是切割下300mm×300mm的標準塊，拿到導熱系數(shù)測定儀上測定導熱系數(shù)，該系數(shù)作為整塊標準試件的導熱系數(shù)。

由于聚苯乙烯泡沫塑料板屬于保溫材料，其導熱系數(shù)在0.04W/（m·K）左右，與門窗導熱系數(shù)不在一個數(shù)量級，因此系統(tǒng)存在比較大的誤差，因此在校準時很難標定出熱箱外壁熱流系數(shù)M1、試件框熱流系數(shù)M2。因此，我們探討選擇另外一種相對法來校準檢測裝置。

3.4 外門窗傳熱系數(shù)范圍

3.4.1 我國五大建筑熱工氣候分區(qū)及對外門窗的熱工要求

建筑熱工設計分區(qū)是根據(jù)建筑熱工設計的要求進行氣候分區(qū)。所依據(jù)的氣候要素是空氣溫度，以最冷月（即1月）和最熱月（即7月）平均溫度作為分區(qū)主要指標，以累年日平均溫度不大于5℃和不小于25℃的天數(shù)作為輔助指標，將全國劃分為5個區(qū)，即：嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)。

建筑熱工設計分區(qū)是為使民用建筑熱工設計與地區(qū)氣候相適應，保證室內基本的熱環(huán)境要求，符合國家節(jié)約能源的方針，提高效益。

3.4.2 各氣候區(qū)典型門窗熱工要求

（1）嚴寒地區(qū)

DB 23/1270—2019《黑龍江省居住建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定根據(jù)窗墻比和樓層數(shù)，建筑外窗的傳熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC有所不同。

表1 黑龍江省門窗K和SHGC限值

（2）寒冷地區(qū)

DB 11/891—2020北京市《居住建筑節(jié)能設計標準》。

京津冀住房和城鄉(xiāng)建設部門在《京津冀區(qū)域協(xié)同工程建設標準框架合作協(xié)議》下，聯(lián)合啟動了《京津冀區(qū)域協(xié)同工程建設標準》制定工作，至此“京津冀”建筑工程標準實現(xiàn)一體化發(fā)展。

表2 寒冷地區(qū)（京津冀）門窗K和SHGC限值

外窗綜合太陽得熱系數(shù)SHGCc=SHGC×SD，SD為外遮陽裝置的遮陽系數(shù)，可按現(xiàn)行國家標準GB 50176《民用建筑熱工設計規(guī)范》的規(guī)定計算確定。

（3）夏熱冬冷地區(qū)

該地區(qū)不僅要考慮門窗冬季的保溫性能，更要考慮夏季的隔熱性能，因此對于傳熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC的權衡和要求比較復雜。

——DGJ 08?205—2015上海市《居住建筑節(jié)能設計標準》。

表3 夏熱冬冷地區(qū)（上海）門窗K限值

——DBJ 13?62—2019《福建省居住建筑節(jié)能設計標準》，依據(jù)建筑體型系數(shù)和平均窗墻比的不同，用加權平均傳熱系數(shù)和加權平均綜合太陽得熱系數(shù)限值的方式對建筑門窗的熱工性能進行了限制，外窗加權平均傳熱系數(shù)K≤2.5W/(m2·K)~3.0W/(m2·K)，加權平均綜合太陽得熱系數(shù)≤0.3~0.8。

——DBJ 43/001—2017《湖南省居住建筑節(jié)能設計標準》。

另外，居住空間的東、西向外窗應設置活動外遮陽裝置；窗墻比≥0.45時，居住空間的外窗均應設置活動外遮陽裝置。

——DB 51/5027—2019《四川省居住建筑節(jié)能設計標準》中僅列出了四川省夏熱冬冷地區(qū)門窗熱工性能要求，四川的其它地方見規(guī)范。

（4）夏熱冬暖地區(qū)

表4 夏熱冬冷地區(qū)（湖南）門窗K和SHGC限值

表5 夏熱冬冷地區(qū)（四川）門窗K和SHGC限值

DBJ/T 15?133——2018《廣東省居住建筑節(jié)能設計標準》。

JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》。

DBJ 15?50—2006《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》廣東省實施細則。

居住建筑外窗的平均傳熱系數(shù)和平均綜合遮陽系數(shù)應滿足JGJ 75中強制條文4.0.8條要求。建筑的臥室、書房、起居室等主要房間的窗地面積比小于0.20時，外窗玻璃可見光透射比不應小于0.40。

表6 夏熱冬暖地區(qū)（廣東）外窗熱工性能限值

（5）溫和地區(qū)

按JGJ 475—2019《溫和地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》執(zhí)行。當外窗為凸窗時，凸窗的傳熱系數(shù)限值應比表7規(guī)定提高一檔，樓梯間、外走廊的門窗的傳熱系數(shù)可不按表7執(zhí)行。溫和A區(qū)南向封閉陽臺內側外窗的遮陽系數(shù)不作要求，但封閉陽臺透光部分的綜合遮陽系數(shù)在冬季應≥0.50。

表7 溫和地區(qū)外窗K和SHGCC限值

3.5 預知外門窗傳熱系數(shù)的范圍

不同種類的系統(tǒng)門窗傳熱系數(shù)K值范圍是不同的，檢測前對門窗框材質和玻璃的材質加以了解，據(jù)此對K值的檢測結果的范圍有個基本的判定。常見節(jié)能建筑門窗傳熱系數(shù)的范圍見表8。

表8 常見型材和玻璃配置下節(jié)能平開窗傳熱系數(shù)參考值①

3.6 經(jīng)過溯源的中空玻璃標準樣品傳熱系數(shù)范圍

檢測裝置的門窗試樣，通過3.5研判出已預知的或者門窗廠家提供的門窗傳熱系數(shù)K值，試驗中，用標定的玻璃標準樣品選擇表9對應K值，兩者K值選擇最接近的經(jīng)過溯源的中空玻璃傳熱系數(shù)標準樣品。

表9 中空玻璃傳熱系數(shù)標準樣品

3.7 校準原理

檢測裝置校準基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，在GB/T 8484—2020《建筑外門窗保溫性能檢測方法》規(guī)定相同的試驗條件下，通過使用經(jīng)過傳熱系數(shù)溯源標定的《中空玻璃傳熱系數(shù)標準參比板》標準樣品，實現(xiàn)對豎向建筑外門窗的保溫性能檢測裝置（以下簡稱檢測裝置）的K值的校準。

通常，建筑外門窗保溫性能的傳熱系數(shù)K和中空玻璃的傳熱系數(shù)K屬于一個數(shù)量級，并且大多數(shù)情況下，建筑外門窗保溫性能的傳熱系數(shù)K和門窗用80%面積的中空玻璃的K值非常接近，因此本試驗模型采用中空玻璃傳熱系數(shù)標準板，4塊相同的樣品模擬窗戶的帶開啟扇的實際工程應用情況，尺寸800mm×800mm，試驗時拼接成一塊1600mm×1600mm正方形的中空玻璃作為洞口的試件，填充材料選用和圖1中洞口墻材質和厚度相同。

本實驗基于建筑材料工業(yè)技術監(jiān)督研究中心已標定的《中空玻璃傳熱系數(shù)標準參比板》標準樣品來校準試驗裝置，傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)可靠、試驗便捷。

4 計量特性

計量特性包含門窗傳熱系數(shù)的示值誤差和重復性誤差。

4.1 示值誤差

門窗傳熱系數(shù)K值示值誤差≤8%（或應不超過檢測裝置制造商規(guī)定的技術指標）。

4.2 重復性誤差

門窗傳熱系數(shù)K值重復性應不超過示值誤差絕對值的≤2.5%（或應不超過檢測裝置制造商規(guī)定的技術指標）。

5 校準

5.1 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：（20~25）℃；濕度≤50%RH。

5.2 校準用標準器具

中空玻璃傳熱系數(shù)標準板，一套4塊相同的樣品，尺寸800mm×800mm，樣品經(jīng)過計量溯源標定，工作溫度范圍?25℃~50℃，濕度10RH%~60RH%。

整窗K值大于1.8W/(m2·K）時，選擇雙白玻中空玻璃標準樣品校準。

整窗K值不大于1.8W/(m2·K）時，選擇三白玻中空玻璃標準樣品校準。

5.3 校準準備

5.3.1 外觀檢查

目測法檢查并記錄檢測裝置的標志：名稱、型號規(guī)格、器具編號和制造商等，以及是否有影響計量特性的缺陷。

5.3.2 功能性檢查

檢測裝置在說明書額定工作條件下，檢查其顯示功能，檢查軟件運行，機械控制是否正常。

5.3.3 填充板填充滿足圖1中填充板和試件框，準備出相同材質和厚度的填充板。

5.4 校準步驟

校準前先將中空玻璃傳熱系數(shù)標準板按使用要求進行清潔預處理，拼接在一起成一塊1600mm×1600mm正方形的中空玻璃，固定在圖1的7樣品處，玻璃縫隙用50mm膠帶雙面密封。用5.3.3的填充板填充中空玻璃洞口的空隙處并密封。

運行檢測裝置，檢查并按照GB/T 8484—2020設置試驗的參數(shù)。設置冷箱溫度?20℃，熱箱溫度20℃，檢查溫度波動度和平均風速都在標準要求范圍內。檢測裝置的傳熱過程達到穩(wěn)定后，測得試件的傳熱系數(shù)K。

根據(jù)檢測裝置說明書和中空玻璃傳熱系數(shù)標準板證書上的標準值，設置完成檢測裝置的修正系數(shù)。

6 數(shù)據(jù)處理

6.1 傳熱系數(shù)示值誤差

根據(jù)中空玻璃傳熱系數(shù)標準板證書上的標準值傳熱系數(shù)λ0，測量裝置的示值誤差用以公式（1）計算：

式中：

δ——測量裝置的示值誤差，%；

K——測量裝置測得的試件傳熱系數(shù)示值，W/(m2·K)；

K0——標準樣品的標準傳熱系數(shù)值，W/(m2·K)。

6.2 傳熱系數(shù)重復性誤差

將中空玻璃傳熱系數(shù)標準板取出重新裝夾，重復進行傳熱系數(shù)的測量，記錄被檢測量裝置的第二次平均傳熱系數(shù)測量值。重復性按公式（2）計算：

式中：

δS——測量裝置的重復性，%；

K1——測量裝置第一次測得的平均傳熱系數(shù)示值，W/（m2·K）；

K2——測量裝置第二次測得的平均傳熱系數(shù)示值，W/（m2·K）。

6.3 校準結果表達

測量裝置校準記錄或證書，內容至少包含：測量裝置型號、生產(chǎn)出廠日期及編號、校準用準樣品名稱（標準值）、試驗冷箱和熱箱溫度、試件熱側表面溫度和平均風速（結露和結霜情況）、傳熱系數(shù)示值誤差和重復性誤差，如有必要給出下次校準的日期。