建筑外门窗保温性能检测装置的校准方法

李亚飞 张爱亮 杨伟浩 林 芳 刁阳春 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

建筑节能在我国节能减排中占有相当重要的比例，而建筑门窗是建筑外围护结构中热工性能最薄弱的环节，通过门、窗等建筑外围护结构的能耗，在整个建筑物能耗中占有相当可观的比例[1]。近年来，探索节能型住宅的趋势方兴未艾，对建筑外门窗保温性能的评价则是其中的重要环节。如何对建筑外门窗的保温性能进行分级评价，相关部门在原有基础上[2-3]进行整合，制定了现行国标GB/T 8484-2008《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》，该标准为建筑外门窗保温性能分级评价的主要依据。

但是，随着越来越多的第三方检测机构对建筑外门窗保温性能检测业务的开展，如何解决这些检测装置的量值溯源，已成为迫在眉睫的问题。目前国内的溯源现状为：使用者多采取将检测装置的传感器拆卸后溯源至相关校准机构的方法，但因建筑外门窗保温性能检测装置是一种闭环控制系统，该溯源方式只能说明传感器本身的量值情况，并不能真实反映检测装置的整体性能和量值可靠性。因此只有在该装置正常使用时，采用相应的技术手段，通过现场实时校准的方法，才能达到对该装置整体性能有效考量的目的。

本文立足建筑门窗保温性能检测装置校准方法的研究，旨在为该检测系统的量值溯源提供可靠的方法依据。

1 检测装置基本原理

图1 检测装置示意图

建筑外门窗的保温性能包括两个技术指标：传热系数和抗结露因子[4-5]。而建筑外门窗保温性能检测装置主要是基于稳定传热（传热系数）和传热传质（抗结露因子）原理，采用标定热箱法[6]检测建筑外门窗的保温性能，其结构如图1所示。试件一侧为热箱，模拟采暖建筑冬季室内气候条件（抗结露因子检测要同时控制相对湿度不大于20%RH），另一侧为冷箱，模拟冬季室外气候条件。在此基础上，两种不同保温性能的检测原理可归纳如下：

在对试件缝隙进行密封处理，试件两侧各自保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射条件下，测量热箱中电暖气的发热量，减去通过热箱外壁和试件框的热损失，除以试件面积与两侧空气温差的乘积，即可计算出试件的传热系数K值。

在稳定传热状态下，测量冷热箱空气平均温度和试件热侧表面温度，计算试件的抗结露因子。抗结露因子是由试件框表面温度的加权值或玻璃的平均温度与冷箱空气温度（tc）的差值除以热箱空气温度（th）与冷箱空气温度（tc）的差值计算得到，再乘以100后，取所得的两个数值中较低的一个值。

2 校准项目

在对建筑外门窗的保温性能进行检测时，检测条件是检测效果优劣的必要条件，它的稳定性可以直观反映检测装置的整体性能。除此之外，还有热箱外壁和试件框的热流系数、填充板面积及导热率等也是保温性能的重要影响因素。其中填充板面积因为设计要求，比较固定，而导热率则只要填充板材料选定，也是作为常数直接参与计算。由此不难看出，检测条件和热流系数等是检测装置整体性能最主要的表现形式。根据标准中对检测条件的要求和热流系数的标定过程（主要过程量为功率、温度等）可进一步得出：建筑外门窗保温性能检测装置中，主要性能参数为温度、加热功率、风速和湿度，它们是本文需重点关注的量值溯源对象。其中，温度是检测装置校准的重点，包括冷热箱空气平均温度及波动幅度、热箱外壁内外表面和试件框冷热两侧表面面积加权平均值之差等；在抗结露因子检测中，要求热箱空气相对湿度不大于20%；加热功率就是热箱中加热装置为维持空气温度所产生的功率；风速也是冷箱中模拟冬季室外环境的一个参数。这些项目都是保温性能的重要组成部分，做好这些量值的校准工作至关重要。

GB/T 8484-2008对检测条件明确要求：传热系数检测中，热箱空气平均温度设定范围为19～21℃，冷箱空气平均温度设定范围为-19～-21℃，试件冷侧表面的平均风速为（3.0±0.2）m/s；抗结露因子检测中，要求热箱空气平均温度设定为（20±0.5）℃，冷箱空气平均温度设定为（-20±0.5）℃，试件冷侧表面的平均风速为（3.0±0.2）m/s等。

3 校准方法

据上所述，传统溯源传感器的方法和现场条件的校准方法出入较大，现场条件下如何进行？首先是校准依据的选择，门窗保温性能检测装置作为一种大型综合性的测试设备，由于使用至今时间较短，结构比较复杂，短期内难有针对性的计量校准规范出台。而在GB/T 8484-2008中，对检测项目及检测方法都有明确规定，比如“温度点的布控、环境条件的具体要求”等，这些都可以作为门窗保温性能检测装置的校准依据。在此基础上，对不同品牌（沈阳紫微、沈阳微特、中国建科院等）的保温性能检测装置又进行了大量的实验探索，据此总结出建筑外门窗保温性能检测装置较为符合实际使用要求的校准方法。

3.1 校准设备

铜 —— 康铜热电偶，测量不确定度应不大于0.25 K，铜、康铜引线长度5 m左右；热球风速仪测量上限不低于3 m/s；功率计可以是钳形的或接入式的，准确度等级不得低于0.5级，且应根据被测值大小可转换量程，使仪表示值处于满量程的70%以上；湿度计的测量准确度应不低于3%。

3.2 校准点的布控

根据国标中各测试探头的布控要求，将不同项目的校准仪器紧靠对应的测试探头安放：铜——康铜热电偶应放置在冷热室的不同温度测点处、热式风速仪放置在冷箱空气温度测点处、数字功率计可以放置于电控箱中加热器的引线端子处或将其串入加热器的导线中、数字湿度仪可固定于热箱的中心部位，如图2所示。

图2 校准布点

图2中A～F为热箱中的8个温度校准点，分两层均匀布局；I～Q为冷箱中9个温度校准点，在与试件安装洞口对应的面积上均匀布局，同时这9个点也是风速的校准点，应与原有传感器探头接近；甲点是热箱中上下两层的中心温度点，乙为冷箱温度校准平面的中心温度点，同时也是湿度的校准点，这两个中心点，主要作用是计算冷热箱的波动度。理论上来说，各校准仪器应在装置启动前布点，待系统稳定（稳定时间一般为2 h，不同品牌略有不同）——即冷热箱的空气平均温度每小时变化的绝对值与标准条件相比不大于±0.3℃时，在一定时间间隔（一般5 min）进行数据采集，共采集6次。但在具体操作中，个别项目如“风速”，因校准仪器的原因（热式风速仪无法提前放入），还不能提前布控，只能在系统稳定后，计量人员进入箱体内部实施校准。因此，在进一步的研究中，可以考虑应用多点外置式的风速校准仪器、功率校准仪器及其校准位置的确定等。

4 数据处理

4.1 算术平均值

温度、风速、湿度和功率都涉及算术平均值的计算（因计算方法相同，仅以温度为例说明）。门窗保温性能检测装置在稳态下，共测试30 min，获取6组数据（每5 min测试一次），获得所有温度值的平均即为算术平均值（冷热箱温度值分别计算）。

4.2 波动度

涉及波动度的只有温度一项。门窗保温性能检测装置在稳态下，工作空间中心点温度随时间的变化量，即中心点在30 min内（每5 min测试一次）实测最高温度与最低温度之差的一半，冠以“±”号。

式中：Δtf— 温度波动度，℃；

tmax— 中心点n次测量中的最高温度，℃；

tmin— 中心点n次测量中的最低温度，℃

5 结语

建筑外门窗保温性能检测装置是近年出现的一种非标仪器。本文阐述的校准方法，可以弥补传统溯源方法的不足，更加真实反映设备的性能，保证了量值的一致性，具有一定的参考价值。但因现场一些不确定因素影响，如“系统稳定时间的长短、风速和功率校准方法的粗放性”等，会对校准结果及不确定度的评定产生一定的影响，还有待进一步的完善。

[1]刘权仪. 门窗节能在建筑节能当中的重要性与探索[J]. 新型建材与建筑装饰, 2009(09)： 184-185.

[2]建设部建筑制品与构配件产品标准化技术委员会. GB/T 8484-2002[S]. 北京： 中国标准出版社, 2004.

[3]建设部建筑制品与设备标准化技术委员会. GB/T 16729-1997[S].北京： 中国标准出版社, 1997.

[4]住房和城乡建设部建筑制品与构配件产品标准化技术委员会.GB/T 8484-2008[S]. 北京： 中国标准出版社, 2009.

[5]刘月莉. 《建筑外门窗保温性能分级及检测方法》解读[J]. 工程质量, 2009(8)： 38-40.

[6]全国绝热材料标准化技术委员会. GB/T 13475-2008[S]. 北京： 中国标准出版社, 2008.