建筑外门窗保温性能检测装置校准方法的研究

王桓 建筑材料工业技术监督研究中心

1 前言

本文阐述了通过使用经过传热系数溯源标定的《中空玻璃传热系数标准参比板》标准样品，实现对竖向建筑外门窗保温性能检测装置（以下简称检测装置）的计量性能的校准。

2 检测装置工作原理和典型结构

在国标GB/T 8484—2020《建筑外门窗保温性能检测方法》中，明确规定了基于标定热箱法原理的建筑门窗保温性能检测装置的技术要求，外门窗传热系数用K或者用U来表示，单位W/(m2·K)。

2.1 工作原理

基于稳态传热原理，采用标定热箱法检测建筑外门窗传热系数，检测装置的门窗试件一侧为热箱，模拟采暖建筑冬季室内气候条件（19°C~21°C），另一侧为冷箱，模拟冬季室外气温（−19°C~−21°C）和气流速度（3.0m/s±0.2m/s）。在对试件缝隙进行密封处理，保持和稳定试件两侧各自的空气温度、气流速度和热辐射的条件下，测量热箱中加热器的发热量，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，即为检测门窗试件的传热系数。

2.2 检测装置组成

检测装置主要由热箱、冷箱、试件框、填充板和环境空间五部分组成，见示意图1。

3 检测装置校准方法的研究

3.1 外门窗传热系数的研究

门窗系统的材料组合决定门窗的保温性能，门窗最主要的材料是型材和玻璃，这也是影响保温性能最重要的两个部分。现在满足节能要求的建筑门窗最基本的配置是“中空玻璃+隔热型材”，其中玻璃大约占据整个门窗面积的80%~90%，所以玻璃隔热保温性能的优劣直接影响门窗的保温性能。

节能型门窗的配置从单层玻璃发展成中空玻璃，而玻璃的品种、空气层的厚度和气体种类对中空玻璃传热系数的影响也是很明显的，提高门窗保温性能、降低传热系数的方法有：（1）选择透光率更低的Low−E膜进行镀膜或者从单面镀膜变成双面镀膜，降低辐射造成的热量损失；（2）在中空玻璃中间的气体层填充惰性气体比如氩气Ar，降低气体流动造成的热量传递；（3）改变玻璃结构：使用双层玻璃（中空玻璃）或多层玻璃（多玻多腔），多重阻隔空气流动，减小热量损失。同时，使用高性能的粘结胶，将两片玻璃和内含干燥剂的暖边条粘结，制成高效能的隔热玻璃；（4）真空玻璃也是提高保温性能的途径之一；（5）选配低导热系数是复合型材。

3.2 热箱外壁热流系数，试件框热流系数标定的研究

检测装置中热箱外壁热流系数M1，试件框热流系数M2，在测试实际应用中，由于这两个系数没有一个定值，每个设备都不一样，允许误差限制也没有统一规定，这两个参数难以确定是检测装置的技术难题。

标准中用到的主要标准器（标准试件），要求如下：应使用材质均匀，不透气、内部无空气层、热性能稳定的材料制作。宜采用经过长期存放、厚度为50mm±2mm左右的聚苯乙烯泡沫塑料板，其密度为20kg/m3~22kg/m3，通常尺寸为宽1800mm，高1800mm，这么大的标准试件目前无法整块溯源，平常采用的溯源方法是切割下300mm×300mm的标准块，拿到导热系数测定仪上测定导热系数，该系数作为整块标准试件的导热系数。

由于聚苯乙烯泡沫塑料板属于保温材料，其导热系数在0.04W/（m·K）左右，与门窗导热系数不在一个数量级，因此系统存在比较大的误差，因此在校准时很难标定出热箱外壁热流系数M1、试件框热流系数M2。因此，我们探讨选择另外一种相对法来校准检测装置。

3.4 外门窗传热系数范围

3.4.1 我国五大建筑热工气候分区及对外门窗的热工要求

建筑热工设计分区是根据建筑热工设计的要求进行气候分区。所依据的气候要素是空气温度，以最冷月（即1月）和最热月（即7月）平均温度作为分区主要指标，以累年日平均温度不大于5℃和不小于25℃的天数作为辅助指标，将全国划分为5个区，即：严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区。

建筑热工设计分区是为使民用建筑热工设计与地区气候相适应，保证室内基本的热环境要求，符合国家节约能源的方针，提高效益。

3.4.2 各气候区典型门窗热工要求

（1）严寒地区

DB 23/1270—2019《黑龙江省居住建筑节能设计标准》规定根据窗墙比和楼层数，建筑外窗的传热系数K和太阳得热系数SHGC有所不同。

表1 黑龙江省门窗K和SHGC限值

（2）寒冷地区

DB 11/891—2020北京市《居住建筑节能设计标准》。

京津冀住房和城乡建设部门在《京津冀区域协同工程建设标准框架合作协议》下，联合启动了《京津冀区域协同工程建设标准》制定工作，至此“京津冀”建筑工程标准实现一体化发展。

表2 寒冷地区（京津冀）门窗K和SHGC限值

外窗综合太阳得热系数SHGCc=SHGC×SD，SD为外遮阳装置的遮阳系数，可按现行国家标准GB 50176《民用建筑热工设计规范》的规定计算确定。

（3）夏热冬冷地区

该地区不仅要考虑门窗冬季的保温性能，更要考虑夏季的隔热性能，因此对于传热系数K和太阳得热系数SHGC的权衡和要求比较复杂。

——DGJ 08−205—2015上海市《居住建筑节能设计标准》。

表3 夏热冬冷地区（上海）门窗K限值

——DBJ 13−62—2019《福建省居住建筑节能设计标准》，依据建筑体型系数和平均窗墙比的不同，用加权平均传热系数和加权平均综合太阳得热系数限值的方式对建筑门窗的热工性能进行了限制，外窗加权平均传热系数K≤2.5W/(m2·K)~3.0W/(m2·K)，加权平均综合太阳得热系数≤0.3~0.8。

——DBJ 43/001—2017《湖南省居住建筑节能设计标准》。

另外，居住空间的东、西向外窗应设置活动外遮阳装置；窗墙比≥0.45时，居住空间的外窗均应设置活动外遮阳装置。

——DB 51/5027—2019《四川省居住建筑节能设计标准》中仅列出了四川省夏热冬冷地区门窗热工性能要求，四川的其它地方见规范。

（4）夏热冬暖地区

表4 夏热冬冷地区（湖南）门窗K和SHGC限值

表5 夏热冬冷地区（四川）门窗K和SHGC限值

DBJ/T 15−133——2018《广东省居住建筑节能设计标准》。

JGJ 75—2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》。

DBJ 15−50—2006《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》广东省实施细则。

居住建筑外窗的平均传热系数和平均综合遮阳系数应满足JGJ 75中强制条文4.0.8条要求。建筑的卧室、书房、起居室等主要房间的窗地面积比小于0.20时，外窗玻璃可见光透射比不应小于0.40。

表6 夏热冬暖地区（广东）外窗热工性能限值

（5）温和地区

按JGJ 475—2019《温和地区居住建筑节能设计标准》执行。当外窗为凸窗时，凸窗的传热系数限值应比表7规定提高一档，楼梯间、外走廊的门窗的传热系数可不按表7执行。温和A区南向封闭阳台内侧外窗的遮阳系数不作要求，但封闭阳台透光部分的综合遮阳系数在冬季应≥0.50。

表7 温和地区外窗K和SHGCC限值

3.5 预知外门窗传热系数的范围

不同种类的系统门窗传热系数K值范围是不同的，检测前对门窗框材质和玻璃的材质加以了解，据此对K值的检测结果的范围有个基本的判定。常见节能建筑门窗传热系数的范围见表8。

表8 常见型材和玻璃配置下节能平开窗传热系数参考值①

3.6 经过溯源的中空玻璃标准样品传热系数范围

检测装置的门窗试样，通过3.5研判出已预知的或者门窗厂家提供的门窗传热系数K值，试验中，用标定的玻璃标准样品选择表9对应K值，两者K值选择最接近的经过溯源的中空玻璃传热系数标准样品。

表9 中空玻璃传热系数标准样品

3.7 校准原理

检测装置校准基于稳态传热原理，在GB/T 8484—2020《建筑外门窗保温性能检测方法》规定相同的试验条件下，通过使用经过传热系数溯源标定的《中空玻璃传热系数标准参比板》标准样品，实现对竖向建筑外门窗的保温性能检测装置（以下简称检测装置）的K值的校准。

通常，建筑外门窗保温性能的传热系数K和中空玻璃的传热系数K属于一个数量级，并且大多数情况下，建筑外门窗保温性能的传热系数K和门窗用80%面积的中空玻璃的K值非常接近，因此本试验模型采用中空玻璃传热系数标准板，4块相同的样品模拟窗户的带开启扇的实际工程应用情况，尺寸800mm×800mm，试验时拼接成一块1600mm×1600mm正方形的中空玻璃作为洞口的试件，填充材料选用和图1中洞口墙材质和厚度相同。

本实验基于建筑材料工业技术监督研究中心已标定的《中空玻璃传热系数标准参比板》标准样品来校准试验装置，传热系数数据可靠、试验便捷。

4 计量特性

计量特性包含门窗传热系数的示值误差和重复性误差。

4.1 示值误差

门窗传热系数K值示值误差≤8%（或应不超过检测装置制造商规定的技术指标）。

4.2 重复性误差

门窗传热系数K值重复性应不超过示值误差绝对值的≤2.5%（或应不超过检测装置制造商规定的技术指标）。

5 校准

5.1 环境条件

环境温度：（20~25）℃；湿度≤50%RH。

5.2 校准用标准器具

中空玻璃传热系数标准板，一套4块相同的样品，尺寸800mm×800mm，样品经过计量溯源标定，工作温度范围−25℃~50℃，湿度10RH%~60RH%。

整窗K值大于1.8W/(m2·K）时，选择双白玻中空玻璃标准样品校准。

整窗K值不大于1.8W/(m2·K）时，选择三白玻中空玻璃标准样品校准。

5.3 校准准备

5.3.1 外观检查

目测法检查并记录检测装置的标志：名称、型号规格、器具编号和制造商等，以及是否有影响计量特性的缺陷。

5.3.2 功能性检查

检测装置在说明书额定工作条件下，检查其显示功能，检查软件运行，机械控制是否正常。

5.3.3 填充板填充满足图1中填充板和试件框，准备出相同材质和厚度的填充板。

5.4 校准步骤

校准前先将中空玻璃传热系数标准板按使用要求进行清洁预处理，拼接在一起成一块1600mm×1600mm正方形的中空玻璃，固定在图1的7样品处，玻璃缝隙用50mm胶带双面密封。用5.3.3的填充板填充中空玻璃洞口的空隙处并密封。

运行检测装置，检查并按照GB/T 8484—2020设置试验的参数。设置冷箱温度−20℃，热箱温度20℃，检查温度波动度和平均风速都在标准要求范围内。检测装置的传热过程达到稳定后，测得试件的传热系数K。

根据检测装置说明书和中空玻璃传热系数标准板证书上的标准值，设置完成检测装置的修正系数。

6 数据处理

6.1 传热系数示值误差

根据中空玻璃传热系数标准板证书上的标准值传热系数λ0，测量装置的示值误差用以公式（1）计算：

式中：

δ——测量装置的示值误差，%；

K——测量装置测得的试件传热系数示值，W/(m2·K)；

K0——标准样品的标准传热系数值，W/(m2·K)。

6.2 传热系数重复性误差

将中空玻璃传热系数标准板取出重新装夹，重复进行传热系数的测量，记录被检测量装置的第二次平均传热系数测量值。重复性按公式（2）计算：

式中：

δS——测量装置的重复性，%；

K1——测量装置第一次测得的平均传热系数示值，W/（m2·K）；

K2——测量装置第二次测得的平均传热系数示值，W/（m2·K）。

6.3 校准结果表达

测量装置校准记录或证书，内容至少包含：测量装置型号、生产出厂日期及编号、校准用准样品名称（标准值）、试验冷箱和热箱温度、试件热侧表面温度和平均风速（结露和结霜情况）、传热系数示值误差和重复性误差，如有必要给出下次校准的日期。