基于表面平均温度的建筑门窗保温性能测试方法研究

万成龙; 单波; 胡乃冬; 张素丽; 王俊洋; 王洪涛 【期刊名称】《《新型建筑材料》》 【年(卷),期】2019(046)009 【总页数】4页(P105-108)

【关键词】表面平均温度; 建筑门窗; 保温性能; 传热系数 【作 者】万成龙; 单波; 胡乃冬; 张素丽; 王俊洋; 王洪涛 【作者单位】中国建筑科学研究院有限公司 北京 100013 【正文语种】中 文 【中图分类】TU111.4 0 引 言

门窗是建筑围护结构节能的最薄弱环节，其保温性能的准确测试对于建筑节能工作推进具有重要意义。研究表明[1]，通过门窗玻璃的建筑能耗约占建筑能耗的28%。保温性能是衡量门窗能耗水平的重要指标，以传热系数K 值表征。目前，国内建筑门窗保温性能测试是在实验室通过基于稳定传热原理的标定热箱法测定[2]。把门窗试件放在热箱和冷箱中间，热箱模拟供暖建筑冬季室内温度条件，冷箱模拟冬季室外气候条件。测量热箱中电暖气的发热功率，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，得到建筑门窗的传热系数K 值。

国际上主要依据ISO 12567-1：2010《窗和门的热工性能-热箱法测定传热系数 第一部分：窗和门》采用标定或防护热箱法测量门窗试样的传热系数[3]。传热系数的测定包括2 个步骤：首先，测试至少2 个已知导热系数的标准板，从而计算出标准板的表面换热系数，修正后得到标准的表面换热系数；其次，在相同的环境下测试门窗试件的传热系数，将实测结果修正至标准表面换热系数条件下的传热系数，即门窗的传热系数。

以上方法是测算通过门窗试件的热功率来计算得到，因此可称为基于热功率的建筑门窗保温性能测试方法。而传热学理论和门窗保温性能测试实践均表明，门窗的保温性能与热箱侧门窗的表面平均温度密切相关[4]。在同一测试条件下，相同或相近配置门窗构件的热侧表面平均温度几乎一致。以门窗玻璃面板为例，按GB/T 8484—2008《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》规定测试时，普通中空玻璃热箱侧表面平均温度为7～8 ℃，Low-E 中空玻璃热箱侧表面平均温度为12～13 ℃，相应的普通中空玻璃和Low-E 中空玻璃的传热系数分别约为2.6 W/（m2·K）和1.7 W/（m2·K）。因此，本研究试图通过门窗传热系数和热箱侧表面平均温度的关系，提出一种基于门窗试件表面平均温度的测算门窗传热系数的方法。

本文结合传热学原理，推导了在确定的冷热箱温度条件下热箱侧表面平均温度与传热系数的关系，研究了门窗保温性能测试过程中标准板标定和门窗试件测试中基于热箱侧表面温度的传热系数测算方法，并与基于热功率的传统方法进行对比。结果表明，基于热箱侧表面平均温度的测算方法为门窗保温性能的测试提供了一种校验方法和新的测试思路。 1 基本原理

当两侧温度和换热条件一定时，试件的内表面温度与传热系数的关系见式（1）[5]：

式中：hi——试件热箱侧表面换热系数，W/（m2·K）； tin——热箱空气温度，℃；

θin——试件热箱侧表面平均温度，℃； tout——冷箱空气温度，℃。

由式（1）可知，玻璃或窗框试件的传热系数可由冷热箱空气温度、热箱侧表面平均温度和热箱侧表面换热系数计算得到。热箱侧内表面换热系数可通过标准板多次标定测试得到或者取理论值，理论值一般取8 W/（m2·K）[6]。表面换热系数取理论值时与实际工况有一定差异，会导致结果存在一定误差。 门窗整体的传热系数K 值可通过式（2）计算得到[6]：

式中：Kg、Kf——分别为玻璃和框的传热系数，W/（m2·K）； Ag、Af、At——分别为玻璃、框和整窗的面积，m2； Ψ——框和玻璃之间的线传热系数，W/（m·K）； lΨ——玻璃边缘长度，m。

框和玻璃之间的线传热系数Ψ 值目前还无法测量，可采用门窗热工模拟软件的计算结果。采用暖边间隔条的普通中空玻璃线传热系数可取0.05 W/（m·K），采用铝间隔条时线传热系数可取0.07 W/（m·K）[5]。 2 标准板标定试验结果与分析

门窗保温性能标定试验是通过采用已知传热系数的标准板在不同温度条件下的传热量，联合求解热箱壁热流系数M1和试件框热流系数M2 的过程[2]。

本次标定试验采用符合ISO 12567-1：2010 要求的材料制作，分别为20 mm 和60 mm 厚的2 块，由玻璃和EPS 板组成。20 mm 厚的标准板由12 mm 的芯层材料和均为4 mm 的玻璃面层组成，60 mm 厚的标准板由52 mm 的芯层材料和均为4 mm 的玻璃面层组成。芯层材料密度为28 kg/m3、导热系数0.03 W/

（m·K）的发泡聚苯乙烯（EPS）板[3]。

在标定试验过程中，标准板的传热系数一般通过平板导热仪按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》测得。但同时标准板的传热系数也可通过理论计算、标定热箱法测得。理论计算是采用传热学公式根据材料的导热系数、厚度和表面换热系数计算得到传热系数[4]，标定热箱法是按照GB/T 8484—2008 测得。

按式（1）采用基于热箱侧表面平均温度的方法测得标准板传热系数，并将该结果与理论计算结果、平板导热仪法和标定热箱法的测试结果进行了比较分析。 2.1 标准板传热系数测算 2.1.1 基于表面平均温度法的测算

采用表面平均温度法测试时需要测试冷热箱空气温度、热箱侧表面平均温度和热箱侧表面换热系数。冷热箱空气温度、热箱侧表面平均温度可以直接测试得到，而热箱侧表面换热系数需要通过标定得到，可按ISO 12567-1：2010 进行。本次标定试验结果表明，20 mm 标准板热箱侧换热系数为6.10 W/（m2·K），60 mm 标准板热箱侧换热系数为8.22 W/（m2·K）。

标准板的传热系数可通过公式（1）按基于表面平均温度的方法测得，测算结果见表1。

表1 基于表面平均温度法的标准板传热系数测算结果试 件 热温箱度空/℃气冷温箱度空/℃气标箱温准侧度板表/℃热面/[传 测W（/热 算m系 结·2数果K）]/[传W平（/热均m系 ·2值数K）]1 20.00 0.02 18.32 0.51 60 mm 2 20.00 10.18 19.08 0.570.52 3 19.99 -9.99 17.62 0.48 1 19.99 -9.88 13.95 1.66 20 mm 2 20.00 0.03 15.79 1.731.70 3 20.00 9.53 17.82 1.71

由表1 可知，用内表面温度法测算得到20 mm 和60 mm标准板的传热系数分别为1.70 W/（m2·K）和0.52 W/（m2·K）。

2.1.2 理论计算

标准板的传热系数可按式（3）计算[4]。

式中：λ——导热系数，玻璃和EPS 板分别取1、0.03 W/（m·K）； d——试件厚度，m；

hi——标准板热箱侧表面换热系数，取8 W/（m2·K）； he——标准板冷箱侧表面换热系数，取23 W/（m2·K）。

由式（3）可知，20 mm 和60 mm 标准板的传热系数计算结果分别为1.74、0.53 W/（m2·K）。 2.1.3 平板导热仪法测试

按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》采用平板导热仪测试导热系数并计算得到传热系数[3]。20 mm 和60 mm 标准板的传热系数测算结果分别为1.68、0.53 W/（m2·K）。 2.1.4 标定热箱法测试

按照GB/T 8484—2008 采用传统的基于热功率法测算传热系数。选用宽2 m、高2 m 的标准板，填充板面积为5 m2，热箱壁热流系数M1=21.20 W/K，试件框热流系数M2=1.37 W/K。20 mm 和60 mm 两种规格标准板各做3 组试验，结果如表2所示。

表2 采用基于热功率的标定热箱法的标准板传热系数测试结果试 件 功/W率 热温箱度空/℃气 冷温箱度空/℃气 热温箱度外/℃壁热温箱度内/℃壁侧试温件度框/热℃侧试温件度框/冷℃侧填温充度板/热℃侧填温充度板/冷℃/[传W（/热m系2·数K）]值传/热[W系（/数m2·平K均）]1 79.4 20.00 0.02 20.19 20.58 19.89 0.41 20.10 0.42 0.63 60 mm 2 46.0 20.00 10.18 20.06 19.85 19.88 10.42 20.13 10.51 0.590.59 3 122.7 19.99 -9.99 20.29 20.27 19.81 -9.44 19.96 -9.55 0.55

1 259.8 19.99 -9.88 20.79 20.75 20.28 -9.19 20.13 -9.44 1.69 20 mm 2 174.0 20.00 0.03 20.58 20.78 20.20 0.48 20.16 0.39 1.761.70 3 84.4 20.00 9.53 20.36 20.81 20.14 10.01 20.16 0.39 1.65

由表2 可以看出，采用标定热箱法测得60 mm 和20 mm标准板的传热系数分别为0.59、1.70 W/（m2·K）。 2.2 标准板传热系数测算结果分析

采用基于内表面平均温度测算法、理论计算、平板导热仪测试法和基于热功率的标定热箱法测得的标准板传热系数测试结果比较分析见表3。

表3 标准板传热系数测算结果比较分析注：差比=[（结果-平均值）/平均值]×100%。试件/[内 测W（表/算m面 结2·平 果K）均]温度差/%法比 /[测W（/算m理 结2·论 果K）计]算 差/% 比/[测W平 （/算m板 结2·导 果K）热]仪法差/% 比 基/[于 测W（/热 算m功 结2·率 果K）的]标定热差箱/%比法 传/热[W系（/数m·2平K均）]值20 mm 1.70 -0.6 1.74 1.8 1.68 -1.8 1.70 -0.6 1.71 60 mm 0.52 -3.7 0.53 -1.9 0.53 -1.9 0.59 9.3 0.54

由表3 可见，20 mm 标准板采用基于表面平均温度方法测得的传热系数结果与平均值相比，偏差为0.01 W/（m2·K），差比为0.6%；60 mm 标准板采用基于表面平均温度方法测得传热系数结果与平均值相比，偏差为0.02 W/（m2·K），差比为3.7%。标准板传热系数测算结果比较分析表明，基于表面平均温度法测得的标准板传热系数具有较高的准确性，证明了建筑门窗保温性能标定过程中可采用基于表面平均温度的方法测算标准板的传热系数。 3 门窗试件测试结果及分析

针对实验室实测的18 组建筑门窗试件，采用基于内表面平均温度法和传统的基于热功率法测算传热系数结果，并进行对比分析，试验数据和测算结果见表4。 由表4 可知，基于表面平均温度法测得的门窗试件传热系数与传统的基于热功率

法的测试结果具有较高一致性。18组试件中14 组结果差值在±0.1 W/（m2·K）以内；3 组结果差值在±0.2 W/（m2·K）以内，1 组结果差值在±0.3 W/（m2·K）以内。由于传统的基于热功率的标定热箱测试方法存在的仪器误差、人为误差，可认为基于表面平均温度的建筑门窗传热系数测试方法准确度较高。

表4 基于表面平均温度法和热功率法的门窗传热系数测算结果比较分析试 件 框窗比 热温箱度空/℃气 玻温璃度表/℃面 冷温箱度空/℃气温框度表/面℃线/[W传（/热m·系K）数]内表整面窗温传度热法系 数热/[功W率（/m法·2 K） 差]值82 系列内平开塑料窗 0.26 20.0 17.7 -20.0 15.1 0.05 0.83 0.78 -0.05 82 系列内平开塑料窗 0.25 20.0 16.2 -20.0 15.0 0.05 1.06 1.05 -0.01 95 系列内平开隔热铝合金窗 0.21 20.0 16.1 -20.0 14.3 0.05 1.10 0.99 -0.11 95 系列内平开隔热铝合金窗 0.22 20.0 17.3 -20.0 14.3 0.05 0.91 0.86 -0.05 59 系列内平开隔热铝合金窗 0.28 20.0 13.3 -20.0 10.0 0.05 1.76 1.81 0.05平开下悬铝木复合窗 0.35 20.0 12.6 -20.0 14.0 0.07 1.72 1.79 0.07内平开塑料窗 0.38 20.0 18.1 -20.0 16.2 0.05 0.76 0.74 -0.02 60 系列平开塑料窗 0.34 20.0 7.2 -20.0 12.7 0.07 2.53 2.48 -0.05 75 系列内平开隔热铝合金窗 0.37 20.0 14.4 -20.0 12.9 0.05 1.47 1.30 -0.17 65 系列外开隔热铝合金窗 0.22 20.0 12.0 -20.0 8.5 0.07 2.09 2.10 0.01 65 系列外开隔热铝合金窗 0.29 20.0 10.4 -20.0 4.4 0.07 2.61 2.70 0.09 55 系列外开隔热铝合金窗 0.42 20.0 8.3 -20.0 8.0 0.07 2.70 2.70 0.00平开铝木复合窗 0.40 20.0 16.3 -20.0 16.2 0.05 0.99 0.90 -0.09 190 高性能推拉门 0.30 20.0 17.0 -20.0 16.9 0.05 0.84 1.00 0.16智能垂直滑动窗 0.37 20.0 11.1 -20.0 10.8 0.05 2.04 1.80 -0.24 60 系列内平开隔热铝合金窗 0.24 20.0 13.2 -20.0 9.8 0.05 1.76 1.78 0.02 54 系列内平开隔热铝合金窗 0.33 20.0 11.3 -20.0 7.0 0.07 2.36 2.42 0.06 60 系列平开PVC 塑料窗 0.33 20.0 7.7 -20.0 12.6 0.07 2.48 2.42 -0.06

4 结 语

（1）传热学理论和门窗保温性能测试实践表明，在同一测试条件下，试件的热箱侧表面平均温度与其传热系数密切相关，为基于表面平均温度测算试件传热系数提供了理论基础。

（2）本文提出了基于内表面平均温度和传热系数的对应关系测算试件传热系数的方法，并研究了其在建筑门窗保温性能标定试验和试件测试过程中的应用。 （3）采用基于内表面平均温度测算法、理论计算、平板导热仪测试法和传统的基于热功率的标定热箱法测得的标准板传热系数结果分析表明，基于表面平均温度方法具有较高的准确性，证明了建筑门窗保温性能检测标定过程中可采用基于表面平均温度的方法测算标准板的传热系数。

（4）18 组门窗试件传热系数基于热功率的标定热箱法测试结果和基于表面平均温度法测算结果表明，基于表面平均温度的建筑门窗保温性能测试方法与传统的基于热功率法的标定热箱法具有较高一致性。

（5）结合传热学中试件表面平均温度与传热系数的关系，研究利用表面平均温度测算传热系数在门窗保温性能测试中的应用，提出了基于表面平均温度的传热系数测算方法，为建筑门窗保温性能的测试提供了一种结果校验方法和新的测试思路。

【相关文献】

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