建筑外門窗保溫性能檢測裝置校準方法的研究

王桓 建筑材料工業技術監督研究中心

1 前言

本文闡述了通過使用經過傳熱系數溯源標定的《中空玻璃傳熱系數標準參比板》標準樣品，實現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，外門窗傳熱系數用K或者用U來表示，單位W/(m2·K)。

2.1 工作原理

基于穩態傳熱原理，采用標定熱箱法檢測建筑外門窗傳熱系數，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。

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 外門窗傳熱系數的研究

門窗系統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。現在滿足節能要求的建筑門窗最基本的配置是“中空玻璃+隔熱型材”，其中玻璃大約占據整個門窗面積的80%~90%，所以玻璃隔熱保溫性能的優劣直接影響門窗的保溫性能。

節能型門窗的配置從單層玻璃發展成中空玻璃，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的影響也是很明顯的，提高門窗保溫性能、降低傳熱系數的方法有：（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）選配低導熱系數是復合型材。

3.2 熱箱外壁熱流系數，試件框熱流系數標定的研究

檢測裝置中熱箱外壁熱流系數M1，試件框熱流系數M2，在測試實際應用中，由于這兩個系數沒有一個定值，每個設備都不一樣，允許誤差限制也沒有統一規定，這兩個參數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、熱性能穩定的材料制作。宜采用經過長期存放、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，拿到導熱系數測定儀上測定導熱系數，該系數作為整塊標準試件的導熱系數。

由于聚苯乙烯泡沫塑料板屬于保溫材料，其導熱系數在0.04W/（m·K）左右，與門窗導熱系數不在一個數量級，因此系統存在比較大的誤差，因此在校準時很難標定出熱箱外壁熱流系數M1、試件框熱流系數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 外門窗傳熱系數范圍

3.4.1 我國五大建筑熱工氣候分區及對外門窗的熱工要求

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

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

3.4.2 各氣候區典型門窗熱工要求

（1）嚴寒地區

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

表1 黑龍江省門窗K和SHGC限值

（2）寒冷地區

DB 11/891—2020北京市《居住建筑節能設計標準》。

京津冀住房和城鄉建設部門在《京津冀區域協同工程建設標準框架合作協議》下，聯合啟動了《京津冀區域協同工程建設標準》制定工作，至此“京津冀”建筑工程標準實現一體化發展。

表2 寒冷地區（京津冀）門窗K和SHGC限值

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

（3）夏熱冬冷地區

該地區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K和太陽得熱系數SHGC的權衡和要求比較復雜。

——DGJ 08?205—2015上海市《居住建筑節能設計標準》。

表3 夏熱冬冷地區（上海）門窗K限值

——DBJ 13?62—2019《福建省居住建筑節能設計標準》，依據建筑體型系數和平均窗墻比的不同，用加權平均傳熱系數和加權平均綜合太陽得熱系數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K≤2.5W/(m2·K)~3.0W/(m2·K)，加權平均綜合太陽得熱系數≤0.3~0.8。

——DBJ 43/001—2017《湖南省居住建筑節能設計標準》。

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《四川省居住建筑節能設計標準》中僅列出了四川省夏熱冬冷地區門窗熱工性能要求，四川的其它地方見規范。

（4）夏熱冬暖地區

表4 夏熱冬冷地區（湖南）門窗K和SHGC限值

表5 夏熱冬冷地區（四川）門窗K和SHGC限值

DBJ/T 15?133——2018《廣東省居住建筑節能設計標準》。

JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》。

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

居住建筑外窗的平均傳熱系數和平均綜合遮陽系數應滿足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（廣東）外窗熱工性能限值

（5）溫和地區

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

表7 溫和地區外窗K和SHGCC限值

3.5 預知外門窗傳熱系數的范圍

不同種類的系統門窗傳熱系數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，據此對K值的檢測結果的范圍有個基本的判定。常見節能建筑門窗傳熱系數的范圍見表8。

表8 常見型材和玻璃配置下節能平開窗傳熱系數參考值①

3.6 經過溯源的中空玻璃標準樣品傳熱系數范圍

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值選擇最接近的經過溯源的中空玻璃傳熱系數標準樣品。

表9 中空玻璃傳熱系數標準樣品

3.7 校準原理

檢測裝置校準基于穩態傳熱原理，在GB/T 8484—2020《建筑外門窗保溫性能檢測方法》規定相同的試驗條件下，通過使用經過傳熱系數溯源標定的《中空玻璃傳熱系數標準參比板》標準樣品，實現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K和中空玻璃的傳熱系數K屬于一個數量級，并且大多數情況下，建筑外門窗保溫性能的傳熱系數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技術監督研究中心已標定的《中空玻璃傳熱系數標準參比板》標準樣品來校準試驗裝置，傳熱系數數據可靠、試驗便捷。

4 計量特性

計量特性包含門窗傳熱系數的示值誤差和重復性誤差。

4.1 示值誤差

門窗傳熱系數K值示值誤差≤8%（或應不超過檢測裝置制造商規定的技術指標）。

4.2 重復性誤差

門窗傳熱系數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定的技術指標）。

5 校準

5.1 環境條件

環境溫度：（20~25）℃；濕度≤50%RH。

5.2 校準用標準器具

中空玻璃傳熱系數標準板，一套4塊相同的樣品，尺寸800mm×800mm，樣品經過計量溯源標定，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。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定后，測得試件的傳熱系數K。

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

6 數據處理

6.1 傳熱系數示值誤差

根據中空玻璃傳熱系數標準板證書上的標準值傳熱系數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示值，W/(m2·K)；

K0——標準樣品的標準傳熱系數值，W/(m2·K)。

6.2 傳熱系數重復性誤差

將中空玻璃傳熱系數標準板取出重新裝夾，重復進行傳熱系數的測量，記錄被檢測量裝置的第二次平均傳熱系數測量值。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示值，W/（m2·K）；

K2——測量裝置第二次測得的平均傳熱系數示值，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）、傳熱系數示值誤差和重復性誤差，如有必要給出下次校準的日期。