建筑門窗玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場測試分析

齊海英

摘要：目前，我國建筑門窗保溫性能只能在實驗室通過基于穩(wěn)定傳熱原理的標定熱箱法測定。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，測量熱箱中電暖氣的發(fā)熱量，減去通過熱箱外壁、試件窗框和填充板的熱損失，除以試件面積與兩側空氣溫差的乘積，得到外窗件的傳熱系數(shù)K值。相關的ISO標準也是采用熱箱法，熱箱法受設備限制難以在現(xiàn)場測試中大量推廣使用。

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

1建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法

根據(jù)我國建筑的國家標準，建筑門窗玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場測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檢測方法》的發(fā)布，進一步規(guī)范了建筑外門窗隔熱性能的檢測技術，對推動節(jié)能技術的發(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、特征頻率下的仿真計算結果，采用5.3版本的COMSOL仿真軟件，在玻璃幕墻上模擬選取5個以上的冷源和熱源，并設置溫差間隔為10°，仿真計算玻璃幕墻在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，擴展生成非常便捷的APP應用，并且能夠設置多物理場，在多物理場的條件下進行模擬計算分析;可根據(jù)需求，分析各種動畫的輸出、曲線、數(shù)據(jù)、圖片等;還可以根據(jù)網(wǎng)格的粗細程度進行粗略或者精細的計算.

2測試儀器及測試過程

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

3幾何模型的建立與設置

3.1幾何模型的建立

設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置

3.2.1流場設置

設置風速為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)側熱通量分別選取100、500、1000、2000、3000、4000W/m2，玻璃幕墻的外側熱通量分別選取400、800、1300、2300、3300、4300W/m2，并在其中加入陽光輻射影響因素.

3.2.2邊界設定

仿真模型可以調節(jié)溫度、幕墻材料以及幾何尺寸、太陽輻射照度、環(huán)境絕對壓力、環(huán)境相對濕度.整個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

為使計算精準，將設置好的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選用物理場控制網(wǎng)格超細化，這雖然增加了運算時間，但計算出的結果更為準確.

4仿真結果與分析

4.1玻璃幕墻在不同溫度冷熱源下的熱傳導

1）取玻璃幕墻外側溫度為264.15K（-9℃），內(nèi)側溫度為270.15K（-3℃），陽光輻射設為1000W/m2，當設置內(nèi)外差溫度為6℃，保持太陽輻射值在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）取玻璃幕墻外側溫度為272.15K（-1℃），內(nèi)側溫度為280.15K（7℃）.陽光輻射設為2000W/m2，當設置內(nèi)外差溫度為8℃，保持太陽輻射值在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）取玻璃幕墻外側溫度為284.15K（11℃），內(nèi)側溫度為289.15K（16℃）.陽光輻射設為2400W/m2，當設置內(nèi)外差溫度為5℃，且內(nèi)外溫度提升20℃，保持太陽輻射值在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）玻璃幕墻外側溫度為293.15K（20℃），內(nèi)側溫度為299.15K（26℃），陽光輻射設為2400W/m2，此時，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，當設置內(nèi)外差溫度為5℃，保持太陽輻射值在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.取玻璃幕墻外側溫度為304.15K（31℃），內(nèi)側溫度為308.15K（35℃），陽光輻射設為2800W/m2，當設置內(nèi)外差溫度為4℃，保持太陽輻射值在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溫度為313.15K（40℃），內(nèi)側溫度為318.15K（45℃），陽光輻射設為3000W/m2，當設置內(nèi)外差溫度為5℃，保持太陽輻射值在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.

結語

綜上所述，通過建筑門窗玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場測試的基本原理及方法，并進行了現(xiàn)場測試實驗研究，得出如下結論：（1）建筑門窗玻璃幕墻的傳熱系數(shù)目前只有實驗室測試方法，現(xiàn)場測試方法研究欠缺;（2）建筑門窗玻璃幕墻為輕質薄壁構件，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)時間點幾乎與室外空氣溫度曲線基本一致，因而可認為任一時間點均為“準穩(wěn)態(tài)”。綜上所述，可見，不管在什么樣的情況下，玻璃幕墻的傳熱過程都與玻璃幕墻兩側的溫度差有關，由溫度較高的一側向溫度較低的一側傳熱，且接近玻璃幕墻溫度較低的一側等溫線較為分散，接近溫度高的一側的等溫線較為緊密.建議在玻璃幕墻的設置過程中，盡量減少兩側之間的溫度差，并且根據(jù)太陽輻射的情況，選擇耐熱的玻璃材質，以有效降低能源損失，增加實用性，拓展應用度理論研究和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)均表明建筑門窗玻璃幕墻的傳熱系數(shù)可基于“準穩(wěn)態(tài)”原理現(xiàn)場測試得到且準確性和穩(wěn)定性較高，對建筑門窗和玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場測試方法的深入研究具有重要意義。

參考文獻：

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[3]?翟亞平.外門窗（或玻璃幕墻）選擇對建筑節(jié)能設計的影響[J].中國建設信息化，2018（21）：74-75.

（作者單位：華納工程咨詢（北京）有限公司）