（环境工程专业论文）夏热冬暖地区门窗性能检测方法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 目前，夏热冬暖地区玻璃幕墙的应用日益广泛，玻璃幕墙以成为城市光环境 与热环境的重要影响因素，同时玻璃幕墙对建筑物的室内光热环境和总体能耗影 响较大，直接影响到建筑耗能的c 0 2 减排。因此，为了改善城市光环境，减少 建筑能耗，控制c 0 2 排放，必须知道现实使用情况下玻璃幕墙的热工性能，以 便为正确的设计、应用玻璃幕墙提供依据。建筑外窗保温性能分级及其检钡| 方 法g b 8 4 8 4 1 9 8 7 规定窗户传热系数检测在模拟严寒地区冬季条件下进行的，与 夏热冬暖地区的实际使用情况有较大差别；并且对于夏热冬暖地区至关重要的幕 墙遮阳性能还没有检测方法。为此我们对现场检测玻璃幕墙传热系数和遮阳系数 进行了试验研究。提出了玻璃幕墙传热系数和遮阳系数现场检测的方法及相应的 检测设备。 通过对玻璃幕墙在太阳辐射条件下的得热过程进行分析，将其分为两个相对 独立的得热过程：直接透过的辐射得热与玻璃系统吸收辐射向室内二次放热；并 且确定了与这两个过程相关的检测参数：幕墙玻璃系统对太阳辐射的透过率，吸 收率及向内热流分数。在玻璃幕墙得热过程分析的基础上，分别建立了基于稳态 传热的传热系数现场检测方法和采用与普通透明玻璃幕墙对比的遮阳系数检测 方法。 在检测方法的基础上确定了检测仪器，建立了玻璃幕墙热工性能检测实验 室，对结构复杂的通道式幕墙的热工性能进行了检测。传热系数的检测结果具有 相当的精度，检测结果的不确定度在1 0 以内，与在相同边界条件下的软件模拟 值相吻合。遮阳系数是整个检测的难点，经过多次试验后，采用以玻璃幕墙为控 制体，直接测量太阳辐射得热量，同时解决了计量箱体不平衡和数据不同步两个 问题。检测结果合理可信，能够反映幕墙在不同时段对太阳辐射的阻隔情况，全 天的平均遮阳系数与光线入射角度为4 5 度左右时的遮阳系数相同，与文献 4 5 1 中以太阳直射辐射入射角度4 5 度时的玻璃光学性能作为计算遮阳系数依据的结 论相吻合。本检测方法能反映玻璃幕墙在现实使用条件下的热工性能，为分析城 市光热环境和建筑热环境，实旖建筑节能，减排c 0 2 提供了必须的基本数据， 达到了研究的目的。 关键词：玻璃幕墙，现场检测，传热系数，遮阳系数 重庆大学硕士学位论文中文摘要 a b s t r a c t a st h ep r e v a l e n c eu s eo fg l a s sc u r t a i nw a l li nh o ts u m m e ra n dw a r n lw i n t e ra r e a , 9 1 a s sc u r t a i nw a l li sb e c o m i n gag r e a ti m p o r t a n tf a c t o rt ot h ec i t yv i s u a lc o m f o r ta n d t h e r m a le n v i r o n m e n t a l s o ，g l a s sc u r t a i nw a l ls h o w sg r e a ti m p o r t a n c et ot h ei n d o o r e n v i r o n m e n ta n db u i l d i n ge n e r g yc o n s u n l e ，w h i c hi nt u r nd r e c t l ya f f e c tt h ed i s c h a r g e o fc 0 2 s o ，i no r d e rt oi m p r o v ee i t yv i s u a l c o m f o r t ，r e d u c eb u i l d i n ge n e l g y c o n s u m p d o na n dc o n t r o lt h ed i s c h a r g eo fc 0 2 ，i ti sn e c e s s a r yt ok n o wi t so n s i t t h e r m a lp e r f o r m a n c ei nt h er e a le n v i r o n m e n t s o 懿t oo f f e rn e c e s s a r yd a t at od e s i g n a n da p p l i c a t i o no fw i n d o wc u r t a i nw a l l t r a d i t i o n a l l y , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s m e a s u r e di nt h el a b o r a t o r yu n d e rt h ee s t i m a ：t e x le x t r e m e l yc o l dw i n t e re n v i r o n m e n t c o n d i t i o no fw i n t e rc o l da r e ai na c c o r d a n c ew i t l lg r a d u a t i o na n dt e s tm e t h o df o r t h e r m a l i n s u l a t i n gp r o p e r t i e so fw i n d o w s ( g b 8 4 8 4 - 1 9 8 矽t h i s e s t i m a t e d e n v i r o n m e mc o n d i t i o ni sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h er e a le n v i r o n m e n ti nt h es u n d e rh o t w i n t e rw a r ma r e a a n dt h e t e s t i n gm e t h o do fs h a d i n ga b i l i t y , a n t h e ri m p o r t a n t p a r a m e t e r , e s p e c i a l l yt ot h es u n l e rh o t w i n t e rw s r l na r e a , i ss t n ll e f tb l a n k f o rt h i s p u r p o s e ，w eb r i n g f o r w a r dt h ef i e l d t e s t i n gm e t h o df o rg l a s sc l l r t a mw a l la n d c o r r e s p o n d i n gt e s t i n ge q u i p m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ea n a l y s i so fw i n d o wc u r t a i nw a l l sh e a tg a i n , p r o c e s s ，a n ds e p a r a t e st h i s p r o c e s si n t ot w or e l a t i v e l yu n r e l a t e dp r o c e s s ：d i r e c ts o l a r r a d i a t i o nt h r o u g ht h eg l a s sa n dg l a s sa b s o r b e ds o l a rr a d i a t i o nt h a tf l o wi n t ot h er o o m ； a n dt h er e l i e dp a r a m e t e r sa r ca l s oi d e n t i f i e d ：s o l a rt r a n s m i t t a n c e ，s o l a ra b s o r p t i o n so f t h ew i n d o wc u r t a i nw a l la n di t si n w a r df l o wf i a e t i o ma sam s u i to fa b o v ea n a l y s i s ， t h eo n - s i tt e s t i n gm e t h o d ，b a s e do ns t e a d ys t a t eh e a tl 工：a n s f e r , f o rt h e r m a lc o e f f 丘c i e n t a n dt h eo n - s i tt e s t i n gm e t h o d b a s e do nt h ec o m p a r i s o nw i 也s t a n d a r dt r a n s p a r e n tg l a s s f o rs h a d i n gc o e f f i c i e n ta r ee s t a b l i s h e d t h e l a bf o r t e s t i n gw i n d o wc u r t a i nw a l l s t h e r m a lp r o p e r t i e sw a sf o u n d e di n a c c o r d a n c ew i t ht h et e s t i n gm e t h o d a n dt h et e s t i n go fw i n d o wc u r t a i nw a l lw i t h t h e r m a lt u n n e l ，w h i c hi sc o m p l e xi ns t r u c t u r e ，w a sa l s oc a r r i e do u ti no r d e rt ov e r i f y t h et e s t i n gm e t h o d t h eo n t c o m e so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h er e s u l to ft h e r m a l c o e f f i c i e n ti sc o m p a r a b l et ot h a to fal a b o r a t o r yh o tb o x 1 1 1 es y s t e mu n c e r t a i n t yl e v e l i sb e l o w1 0 a n dt h er e s u l ti sw e l li na c c o r d a n c ew i t ht h es i m u l a t e dr e s u nu n d e rt h e s a m eb o u n d a r yc o n d i t i o n s h a d i n gc o e f f i c i e n ti st h en o d u so f t h et e s t i n g a f t e rq u i e ta l o to fe x p e r i m e n t a lt e s t i n g ，w eb e g i nt od e f i n et h ew i n d o wc u r t a i nw a l li t s e l fa st h e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 c o n t r o ly o l u m e ，a n dd i r e c tm e a s u r et h es o l a rh e a tg a i n t h i sm e t h o ds o l v e st h e p r o b l e m so f u n c e r t a i n t yo f s y s t e ma n dp o o rs i m u l t a n e i t yo f d a t a t h et e s t i a gr e s u l ti s r e a s o n a b l ea n db e l i e v a b l e ，a n dc a p a b l eo fr e f l e c t i n gg l a s sc u r t a i nw a l l sa b i a t yt o b l o c kt h es o l a rr a d i a t i o na td i f f e r e n tt i m ed u r i n gt h ed a y t i m e t h es h a d i n gc o e f f i c i e n t a v e r a g eo v e rt h ew h o l ed a yi se q u a lt ot h ev a l u em e a s u r e dw h e nt h es o l a rr a d i a t i o n i n c i d e n ta n g l ea t4 5 - - 6 0d e g r e e t h i sc o n c l u s i o ni si na c c o r d a n c ew i t ht h er e m a r ki n t h er e f e r e n c ed o c u m e n t 4 5 】t h a tt h ec a l c u l a t i o no f s h a d i n gc o e f f i c i e n ts h o u l db a s eo n t h eo p t i e a ld a t aw h e nt h ei n c i d e n ta n g l ei sa r o u n d4 5d e g r e e t h i st e s t i n gm e t h o ：a p r o v e dt ob ea c e l 2 r a t ea n dc a p a b l eo fr e f l e c t i n gg l a s sc u r t f l i nw a l l so n - s i tt h e r m a l p e r f o r m a n c e ，c a np r o v i d en e c e s s a r yb a s i cd a t af o ra n a l y z i n gt h ec i t yv i s u a l a n d t h e r m a le n v i r o n m e n t , a n dr e d u c et h ed i s c h a r g eo f c 0 2 k e y w o r d s ：w i n d o wc u r t a i nw a l l ，o n - s i tt e s t i n g , t h e r m a lt r a n s m i t t a n c e ， s h a d i n ge o e t t i c i e n t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着社会经济的发展，我国城市建设正在加快，城市环境是城市建设必须重 视的重大问题。现代城市普遍采用的玻璃幕墙对城市的光，热环境造成的重大影 响，同时也对建筑的能耗，建筑内部热环境的舒适性产生显著影响。积极推进城 市光热环境研究和建筑节能，有利于改善人民生活和工作环境，保证国民经济持 续稳定发展。我国城乡建筑建造和使用中的能耗，已占全国总能耗的近2 5 ，也 是我国c 0 2 排放量增长的一个重要因素。随着经济发展，人民生活质量要求的提 高，这一比例将呈稳步上升的趋势【l “。 影响建筑能耗最直接的因素是建筑围护结构保温隔热性能的优劣，而围护结 构热工性能最薄弱的环节是窗户。随着新型墙体材料和外墙保温技术的广泛应用， 其它围护结构保温隔热能力已有较大提高，窗户的这个缺陷日益明显【5 】。单玻钢 窗的传热系数k 为6 4 w ( m 2 k ) 左右，约为2 4 锄砖墙的3 倍，也就是其单位面 积的传热损失约为2 4 锄砖墙的3 倍：双玻p v c 塑料窗的传热系数k 为2 5 3 5 w ( m 2 k ) ，也远大于墙体的传热系数。在建筑能耗方面，铝、钢、塑窗散热量平均 占建筑外围护结构总散热量的4 9 3 。窗户面积的大小及其保温隔热性能，对采 暖和空调能耗有很大的影响。因此提高窗户的保温隔热性能并加以合理使用。 是提高建筑外围护结构节能指标的有效途径【6 “j 。 新型的幕墙在带给人们高科技、高品位享受的同时，也带来一些新的问题，其 中最引人关注的是光污染问题，主要体现再两个方面：首先，方向性很强的反射 光造成城市的视觉污染。矗立在交通繁忙道路旁或十字路口上的一幢幢玻璃幕墙 大厦，就像一大块十米宽、近百米高的巨大镜予，在太阳光下熠熠闪光，并对交 通情况和红绿灯进行反射，反射光进入高速行驶的汽车内，在瞬间会遮住司机的 视野，严重地危害行人和司机的视觉功能。其次，幕墙将阳光反射到相邻建筑中， 强烈的刺目光线最易破坏室内原有的良好气氛，也使室温平均升高4 6 ，空调 能耗大幅增长，影响人们的正常居住使用p “】。所以，国家环保局每年都接到全国 各地对光污染的投诉多起，引起了国家有关部门的重视。广州市有关建筑主管部 门对玻璃幕墙的使用做出了详细的规定：禁止在幕墙工程中使用蒸发镀膜和普通 化学工艺生产的镀膜玻璃。镀膜玻璃的可见光反射比控制在0 3 范围内，城市主 干道，立交桥，高架桥两侧建筑2 0 m 以下，其它路段建筑物高度1 0 m 以下的玻璃幕 墙要采用反射比0 1 2 的低反射玻璃。光污染虽然危害很大，但只要采取适当措施 还是可以预防的。我们要从城市规划、环境设计、建筑材料等方面综合解决这个 重庆大学硕士学位论文l 绪论 问题。 对于建筑外窗，与节能有关的性能指标主要有保温性能、隔熟性能和空气渗透 性能，但在与建筑节能有关的现行国家标准建筑外窗保温性能分级及其检测方 法( g b 8 4 8 4 ) 和建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法( g b 7 1 0 7 ) 中，仅 对窗户的传热系数和空气渗透量这两项指标做出了规定，检测的结果也只能评价 门窗的保温性能。与建筑光学相关的性能指标主要有可见光透过率，反射率和在 夏热冬暖和夏热冬冷地区应着重考虑的窗户遮阳系数。夏热冬暖地区居住建筑节 能设计标准首先提出适于夏热冬暖地区居住建筑节能要求的门窗性能指标，该 标准着重于门窗的隔热性能的评价，甚至在夏热冬暖地区的南区不限制门窗的传 热系数，只对遮阳系数做出了规定。针对玻璃幕墙的光污染问题，相应的评价参 数除了反射率外还有幕墙的色差和影像畸变，其评价过程多是通过现场目铡，检 测过程中主观因素过多。 所以，要全面认定评价门窗的对环境的影响程度和节能性能，还必须研究制 定门窗隔热性能、太阳得热性能分级标准及相应的检测方法标准。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题来源于建设部科技攻关项目“节能玻璃幕墙热工性能检测方法”，项目 编号0 3 2 1 1 9 ，研究目的就是研究适用于夏热冬暖地区的门窗热工性能检测方法， 以便判定该门窗产品是否适合夏热冬暖地区的建筑，对建筑物与周边光热环境的 关系进行评估。为城市光热环境研究和门窗产品的标识认定提供检测方法和基础 数据，从而促进夏热冬暖地区城市光热环境的改善和建筑节能的发展，推动门窗 产品的标识和认定的实现。 1 3 国内外玻璃幕墙检测方法的发展及研究现状 1 3 1 国外研究现状 北美地区的门窗性能研究和检测方法包括了保温和隔热性能，特别是在有遮阳情况下复 杂门窗的隔热性能检测处于世界领先水平。北美的纬度，多样的气候条件都于我国相似，因 此其检测方法对我国很有借鉴意义。 1 3 1 1 基于太阳辐射模拟的检测方法 ( 1 ) 检测设备 此项目由加拿大标准及评价组织( s t a n d a r d sa n dr a t i n go r g a n i z a t i o n si n c a n a d a ) 发起，由加拿大自然资源协会( n a t u r a l r e s o u r c e sc a n a d a ) 资助的。目 的在于在评价能耗的层面上建立标准的门窗检测方法。原型检测设备于1 9 8 9 年3 月在加拿大国家太阳能实验室( c a n a d i a n n a t i o n a ls o l a r t e s t f a c i l i t y ，n s t f ) 建成， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 这台原型设备可检测建筑门窗的太阳得热系数和“白天”的传熟系数。在此基础上 原型设备不断改进，环境气流模拟系统和能应用于商业等级的热流计量箱替代了 原有设备。1 9 9 2 年夏天经过改进的检测设备通过标定后正式投入运行【m 1 4 1 。 这套检测设备的室外环境模拟系统可以将恒定湿度的空气( 风速可在o 3 n g s 间调节) 以垂直于试件表面方式均匀的送入检测热箱，太阳辐射模拟仪的光线以固 定的入射角照射试件。太阳辐射模拟仪由独特的单源氨气弧光灯构成，可模拟 1 5 0 1 1 0 0 w m 2 的太阳辐射。在热室内装备了朝向试件的太阳能吸收板。太阳能 吸收板可通过与其相连的水循环系统精确测量由热室带出或带入的热量。 ( 2 ) 检测方法 门窗性能检测在内部热箱的热量平衡基础上进行。检测的过程分为两个不同 的阶段：试验确定试件的性能因子和根据试验结果计算试件的s h g c 和传热系数。 通过试件进入的净热量，q 。n ，是太阳能吸收板吸收的热量，q l b 。，与通过热 箱壁和试件周围壁面的热传导热量，q 。q 。，的总和减去通过使用泵，风机消耗 的电量，p i 吣。 纰= 如+ 瓯+ 一k( 1 1 ) 定义门窗的性能因子，t l 。其定义式为： i = 篆 ( 1 2 ) 4 ，g ” a f 一试件面积，m 2 ；、 g 一投射到试件表面的辐射能量，w m 2 。 定义s h g c 为f ，传热系数为u f 。门窗的性能因子，t 1 ，由在不同气象条件 下的试验结果线性回归确定。在性能因子的确定过程中g 在2 0 0 1 0 0 0 w m 2 问取 值。为了减小测量误差，试件两侧的温差恒定为a t f = 4 0 c 。回归方程的形式为： r = f - q 。吾 r ， ( 1 3 ) s h g c 为回归曲线和a t g o = o 的截距值，传热系数为回归曲线的斜率。通过 大量数据的回归可得到或接近a t g g = 0 时的情况。此时s h g c 为： s h g c = r ，= f( 1 4 ) 【手“) 为了尽快的达到这种工况。设定热箱内外壁面两侧的温差尽量接近于零，辐 射量设定在7 8 3w m 2 。当只测定s h g c 时就大大的减少了试验工况的种类，节 约了测定时间。 1 3 1 2 劳伦斯伯克利国家试验室的门窗现场检测方法( m o w i r n 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 劳伦斯伯克利国家试验室的检测设备 以劳伦斯伯克利国家试验室为中心，在各种相关组织( a s h r g a ，n f r c ) 及门窗生产厂家的共同努力下开发了系列的检测设备口】。 m o w i t t 由两个并排的保温热流检测箱组成，能同时检测两个门窗在真实的室 外条件下的性能。他能在门窗实际的使用环境下逐时的测量通过窗户的净热流。 净热流的测量基于每个热流计量箱在短时间内的热平衡。为了精确测量热流和保 持热流计量箱内的空气温度恒定，每个热流计量箱内都装备了电加热器，水一空 气换热器和大面积整体式内表面热流计。同时精确测量各种附属设备的耗能量( 如 风机) 。整个检测设备是可移动的，可以放置到任何地点，调整到任何朝向，这就 能在门窗真实的使用情况下检测其性能。此检测设备能直接检澳4 太阳辐射得热， 能确定多种门窗及其遮阳组合的遮阳性能。此检测设备有2 0 0 个数据采集通道，每 隔几秒采集一次数据，能很好的测量各时段的空调负荷。目前此设备设置在r e n o ， n e v a d a ，被用于验证计算模型和比较各种门窗节能措旌的节能效果。 检测过程中各种相应的仪器测量一系列的内部和外部参数：一个隔绝辐射的 温度传感器阵列测量内部的空气温度；一个呼吸式温度传感器装备在通风塔上测 量室外空气温度；个标准的风帽式风速计测量室外自由流动的气流速度和方向； 一个自动跟踪式太阳能辐射表和水平放置的日射强度计分别测量光束和总水平太 阳辐射强度。竖直放置在窗户上方的日射强度计和地面辐射强度计分别测量投射 在窗户上的竖直方向上的辐射强度( 包括地面反射) 和长波红外辐射( 由天空和 地面发射出的) 。设定在两个窗户间的特制的传感器测量夜间有效表面换热系数。 ( 2 ) 检测方法 a ) “夜晚”传热系数的检测【b 1 9 】 为了避免一些众所周知的测量误差，测量时段选在太平洋标准时间的午夜到 日出。此处“日出”定义为投射在玻璃上的日射强度在日射强度计上的读数出现正值 时。由于天空散射的原因，此处定义的日出比太阳出现在地平线上的时刻要早。 m o w i t t 的基本测量参数是净热流量，w 如) ，在此t n = t o + n t 。w 是第n 个时 间段测量热流量在t n 一1 到t n 时间段的平均值。时间段t 的长度虽可变化，但通常设定 在1 0 分钟。基本测量参数净热流量每间隔5 秒记录一次，每个时段f 的，w “) ，约 是1 2 0 个测量值平均值。与此相同方法得到室内的空气温度，目) ；室外空气温度， t 0 ( t n ) 及其他辅助参数，如太阳辐射强度，风速，风向等。两个热流计量箱的w 和 温度数据是分别记录和采集的。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 w 实际上是透过没有被大面积热流计覆盖的热流计量箱内表面的热流量f 1 9 】， 因此需要做相应的修正。第一个方面是透过门窗周围壁面的热流和侧壁热传导的 热量损失。第二个方面是由于室内的空气温度，t i ，变化，引起的热流计量箱蓄热 量。经过修正后的透过试件的净热流量表示为： 形( ) = ( f 。) 一m 【以) 一e 以) 卜c = 孑以) ( 1 5 ) m 一门窗周围壁面的有效传热系数，w m 2 k ： d t i d t - - 室内温度随时间的变化率。 m 通过对周围壁面的二维有限元数值模拟计算得到，计算中忽略了墙角处的三 维热传导作用。虽然热流计量箱的大部分面积都被热流计覆盖，但仍会有蓄热现 象，因此在测定试件性能前要确定热流计量箱的热惰性。热惰性的测定方法如下： 将试件安装位置的开口加装一套大面积热流计并密封加遮挡，控制室内的空气温 度缓慢的上升或下降，由热流的变化以及测量的d t x d t 确定在公式( 1 5 ) 中的每个 热流计量箱的c 值。 在第1 1 个时段的平均传热系数表示为： u ( t 2 = 丽 ( 1 _ 6 ) a t 一试传的面积，m 2 ； 通过多个时段数据( 通常要超过一个星期) 的平均值可求得稳态的传热系数。 b ) s h g c 的测量 2 0 - - z 2 为了建立可靠的在真实使用情况下门窗s h g c 检测方法，劳伦斯伯克利国家试 验室首先研究了新的s h g c 计算方法：分层分析法和光热分离法。 在此计算方法中通常意义的s h g c 的定义被延伸到多层复杂的门窗系统，f ( f 代表定义延伸后的s h g c ) 依赖于两个确定光线入射的角度( 0 ，o ) 。入射角，e ， 表示入射光线与玻璃平面法线方向的夹角。特定方位角，m ，表示当门窗系统的某 部分有特定的角度时，入射光线与其特定角度的夹角，例如百叶窗帘的叶片角度 和入射光线的夹角。定义延伸后的s h g c 可由如下公式表示： f ( 0 ，妒) = ( 口，) + ，如( 护，庐) ( 1 7 ) t 髓一门窗的太阳辐射总透过率，w m 2 ； n i 一第i 层向内热流和其总热流的比值，称为向内热流分数； a n 一第i 层的外表面吸收率。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 公式( 1 7 ) 中t m ，a 6 是依赖于波长，反射率等性质的纯光学特性，它们和 温度无关。向内热流分数，n i ，代表最终进入室内环境的第i 层吸收的太阳能占 第i 层吸收的太阳能的百分数。它依赖于门窗的几何特性，温度及其他和传热相 关的变量，但它和材料的短波特性( 如颜色，反射率) 无关。基于以上分析s h g c 的测定采用两种策略：( 1 ) 光热分离：n i 和各层的光学特性无关，因此可用计 量热流的方法一次性测定某种具有特定几何特点的门窗。综合n i 测定值和h ， a n 就能求得有相同几何特点不同光学特性的门窗的s h g c 。( 2 ) 分层分析法： t m ，a 丘通过单独测定每层的光学特性确定。 1 ) 各层双向光学特性的测定口】 图l - 1自动跟踪式的辐射，光度测量仪 f i 9 1 1 t h ea u t o m a t i ct r a c kp h o t o m e t e r 为了测量各层的太阳光学特性，采用了大尺度的自动辐射强度计光度计，如 图1 1 所示。此检测仪有位置固定的光源，试件固定在一个可水平或竖直方向上旋 转的平面上，水平向上旋转可设定入射角，e ；竖直方向上旋转可设定入射特定方 位角，。传感器设置在半圆的支撑臂上，支撑臂可绕通过仪器中心的竖轴旋转， 可设定测试方位角， r ：传感器可延半圆的支撑臂上下移动，可设定测试纬度角， b 。此标定过的仪器测量从不同角度射出的前半球或后半球辐射。这种测试根据试 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 件层的对称性以不同的入射角多次重复。测定层在不同入射角度下测定双向透过 率和反射率，同时记录辐射计的数据( 3 5 0 n m 2 2 0 0 n m ) 和光度计的数据。 向内热流分数的测定【2 3 叫l 向内热流分数的测定在m o w i t t 中进行，两个相同的试件并排安装在两个热流 计量箱上，一个作为试验组，另一个作为对比组。在试验组中，所要测定的试件 层用电加热，同时计量耗电量，p 。此种方法可模拟该层微小的辐射吸收量的增加。 如果加载在该层上的电量，p ，中有n i 部分进入了室内，则进入室内的热流会相应 的增加n ip 。进入室内的热流是可以精确测量的，p 是已知的，因此在一定的范围 内变化p ( 3 0 5 0 w ，当检测外遮阳时p 要相应的增大) ，并计量向内热流：就可直 接测得n i 。 在两个热流计量箱都被严格密封，并达到平衡状态后开始采集数据。先在p = 0 的情况下测定，经过几天或一周时间，再把p 设定在3 0 w 5 0 w 测试相同的时间， 随后再次设定p = o 测试相同的时间，整个过程中其他参数保持固定。测试结果和 理论预测值相比较，最终确定n i 。理论预测的净热流，w c 吣，可表示为： w r h 0 ) = ( u a ) r o ( f ) 一正( 0 】+ b q ) x s ( f ) + f p ( 1 8 ) 公式( 1 8 ) 中t o ( t ) ，t 1 ( t ) ，i s ( t ) 分别为在t 时刻通过测量得到的室外，室内空气 温度和竖直面上的太阳辐射强度。( u a ) ，b ( t ) 和n i 根据实测数据由最4 , - 7 - 乘法拟合 得到。b ( t ) 是各层的s h g c 的乘积，依赖于时间，表示为： b ( r ) = 且 没有太阳直射窗表面时 易+ 垦c o s ( 0 ( t ) )有太阳直射窗表面时 b 1 ，b 2 ，b 3 为常数，8 ( t ) 是t 时刻的入射角。在拟合( u a ) ，n i 时只采用p = o 条件 下记录的数据，而且在拟合( u a ) 时只采用午夜到日出时段的数据。 3 ) m o w i t t 的检测结果与计算值的比较刚 从八十年代中期开始，以k l e m s j h 为核心的研究人员对不同形式的窗及其遮 阳组合进行了大量的实验研究。通过试验结果的分析发现m d w i t t 的检测值与计 算得到的s h g c 值有显著的一致性。差别较大的值出现在日出，日落和正午时分， 因为在这些时段太阳辐射相对于玻璃平面的入射角过大或过小，玻璃表面的透过 率和反射率发生了较大的变化，既是说在入射角大于6 0 度或小于3 0 度时玻璃表 面的实际透过率和反射率与理论计算时采用的在一定入射角范围内的平均值相差 较大。如在方位角为9 0 度，入射角在3 0 0 度变化时s h g c 变化缓慢( o 5 2 0 6 ) ， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 而此时玻璃正面透过率上升极快( o 1 5 o 4 ) ，窗帘的吸收率的降低也非常显著 ( 0 4 0 o 2 0 ) 。这也说明了s h g c 对角度的依赖性并不是由单一的参数决定的。 计算值和测量值都很好的反映了s h g c 对入射角度的依赖性。经过标准化后 的曲线在任何条件下的偏差都在1 0 以内。较大的偏差发生在曲线的两端：太阳 辐射强度较小，入射角度过大时会使数据可信度下降，这种情况多发生在日落时， 因为在计算中被忽略的窗和遮阳边缘会对s h g c 产生较大影响。 劳伦斯伯克利国家实验室的窗太阳得热率的检测及相关计算方法与当前最先 进的计算方法相一致。一旦相应的数据库建立起来，窗户的检测过程将会十分简 洁，方便，检测的重点由耗时的热流检测转向了快捷的光学性能检测，极大的缩 短检测过程。目前研究人员已经积累了很多不同结构的窗户的数据，基本上包含 了市场上常用的窗户种类。进一步的工作将重点研究如何准确，快捷的检测玻璃 对太阳光谱的光学性能。 以上所述的两种检测方法都可以达到相当的精度，能反映幕墙的真实性能。 由于设备过于复杂，我们还不能完全照搬其检测方法，但其光热分离和分层分析 的检测理论为我们提供了研究思路。 1 3 1 _ 3 美国门窗评价体系 近十年来各种新技术、新工艺的出现，为改善建筑室内外环境和降低窗户能耗 提供了基础，这也为建立一套合适的标准以评价、区分不同的产品提出r 迫切的要 求。为解决这一问题，美国根据北美的气候特点，建立了窗户年度能耗评价体系 ( w i n d o w a n n u a le n e r g yr a t i n gs y s t e m ) 5 2 5 】。 该评价体系自从1 9 9 5 年美国国家窗户评价委员会( n a 2 t i o n a lf e n e s t r a t i o n r a t i n gc o u n c i l ，n f p c ) 开始提出以来，经过一些改进，但其基本结构并未改变，即 为每一种窗户给出两个参数：供暖季h r 、制冷季c r 。该体系以单层住宅为模拟对 象，假设窗占建筑面积为1 5 ，窗户四面均布。通过对4 8 座美国城市、4 座加拿 大城市1 3 种窗型进行模拟计算。得出各自的h r 与c r 值，再拟合为适用于整个美 国的h r 、c l 涝程： h r = 4 1 7 6 4 8 x u 。+ 2 6 3 s h g c o 4 2 a l + 1 5 5 x u ：+ o 1 6 s h g c 2 c r = 7 1 6 一o 3 5 u 。+ 8 9 3 s h g c o 1 0 x a l + o 0 6 x u ：+ 0 1 7 s h g c 2 式中：s h g c 为太阳得热系数、u w 为整窗传熟系数和空气渗透率a l 。此评价体系 中的基础数据来源于劳伦斯伯克利国家实验室开发的一系列的门窗性能模拟软件 3 6 - 4 2 j ：w i n d o w ，t h e r m ，o p t i c 。o p t i c s 用于模拟玻璃及各种镀膜的光学性能， 结果包括对太阳光谱不同波段的双向透过率，吸收率和反射率。其内建的数据库 包含了各种厂家不同的产品。t h e r l v l 用于模拟窗户边框，分割和边缘玻璃的二维 重庆大学硕士学位论文1 绪论 传热。w l n d o w 用于计算窗户的整体传热性能和光学性能，可调用o p t i c s 和t h e r m 的数据库，在不同的边界条件下进行模拟。此套评价体系为用户根据本地的气候 条件、能源供给、供暖与制冷系统运行效率合理选择具有较高性价比的窗户提供 了依据。 1 3 2 国内研究现状 在节能窗的测试标准方面，我国有建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方 法g b 7 1 0 7 8 6 ，建筑外窗保温性能分级及其检测方法g b 8 4 8 4 1 9 8 7 ，建筑玻 璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗 玻璃参数的测定g b t 2 6 8 0 1 9 9 4 等。 ( 1 ) 窗户保温性能检测 目前主要采用的方法是在实验室中进行的保护热箱法，外窗保温性能的测试 系统由热箱、冷箱、加热器、制冷机、对流风机、测温系统等组成。要求检测的 窗户安装在分隔冷热室的专用墙体构件内，计量箱内的温度和热室保持相同，尽 量使计量箱内外壁面的温差接近于零，这就意味着提供给计量箱的能量将主要通 过窗户和四周的高效保温材料围护体。精确地测量计量箱内的电加热器发出的热 量及其冷热侧边界层的温度，那么根据冷热侧的空气温度差和通过窗户的净热量 就可确定其保温性能，算出窗户的传热系数。 测试要求： 1 ) 温度设定条件：热箱1 8 - 2 0 c 、冷箱- 9 l l ( 单玻) 或一1 9 也l ( 中空) 2 ) 试件边界层风速：、窗户热表面为自然对流，窗户冷表面2 0 c m 处的风速约 为3 0 m s 。达到以上风速要求时，试件热侧内表面换热热阻r i - - 0 1 l m l k w ，试 件冷侧外表面换热热阻r e - o 0 4 m 2 k w 。该测试方法采用的是稳态传热的方式。 3 ) 保护热箱壁的热阻兰1 0n 1 2 k w 。 值得的一提的是国家建筑工程质量监督检验中心于2 0 0 1 年对国家会计学院 教学楼通风式节能环保幂墙保温性能的现场检测。检测依据采暖居住建筑节能 检测标准( j g j1 3 2 - 2 0 0 1 ) 和民用建筑节能设计标准( 采暖居住部分) 北京地 区实施细则( d b j 0 1 - 6 0 2 9 7 ) 。 所检测的教学楼位于北京市顺义区天竺镇，建筑面积1 4 0 0 0m l ，墙体为组合 幕墙。其幕墙构造分别为：北向幕墙由l o w - e 中空玻璃( 5 + 1 4 a + 5 ) 衄与复合 保温板( 8 m m 钙塑板+ 4 0 r a m 玻璃棉+ 铝塑复合板) 构成：南向幕墙是在北向幕墙 的基础上，外侧增加6 0 r a m 空气间层( 内设遮阳百页) 和6 m m 钢化透明玻璃组 成的通风式节能环保幕墙，幕墙最大标高1 6 m ，分隔为2 0 0 0 ( 宽) 1 0 5 0 ( 高) m m 。检测选择有代表性的房间和部位，布置了约5 0 个热电偶作为室内外空气温 度、幕墙内外表面温度和通风层内空气温度测点。并设置了9 块热流计测量南向 重庆大学硕士学位论文l 绪论 幕墙的热流量。同时，在室外布置了太阳辐射仪，测量太阳辐射强度。通过2 0 0 1 年1 2 月2 4 日以0 0 1 年1 2 月2 8 日的检测，测得幕墙的平均传热系数为1 0 w ( m k ) ， 幕墙透明部分的传热系数为1 1 4 w ( m * k ) ，不透明部分的传热系数为o 8 6 6 w ( m k ) a 次年8 月1 2 日到9 月9 日又对该幕墙进行了夏季热工性能检测，测试方法与 冬季检测相同，只是测量室内外空气温度、幕墙内外表面温度和通风层内空气温 度的热电偶增加到6 0 个，测量幕墙的热流量的热流计增加到1 7 块。此次钡 得幕 墙的有效传热系数为1 1w ( m k ) ，并且通过与点支式幕墙的对比，定性的肯定 了通风式节能环保幕墙的遮阳的效果。 此次检测对玻璃幕墙现场检测方法进行了有益的尝试，但检测方法较为粗糙， 采用了在玻璃壁面直接粘贴热流计板的方法，没有考虑到玻璃表面性质与热流计 板相差过大，玻璃表面粘贴热流计板后会改变其表面温度分布和长波辐射换热过 程。并且检测只限于传热系数，没有涉及遮阳系数。 ( 2 ) 玻璃光学性能的检测m l 玻璃关学性能的检测目前国内还只限于单片玻璃在实验室内的检测，检测标 准有建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线 透射比及有关窗玻璃参数的测定g b t 2 6 8 0 1 9 9 4 。除测试玻璃的反射、透射率 外，还可计算玻璃的可见光性能、太阳能特性、遮阳系数等。但该标准由于没有 确定有关参数的计算过程，因而还不能计算中空玻璃的和结构复杂窗户的传热系 数，中空玻璃的遮阳系数计算也有很大困难，还没有门窗整体光学性能的检测方 法。 1 4 本论文主要研究内容和解决的问题 本论文就是研究适用于夏热冬暖地区门窗热工性能现场检测原理及方法，为 城市光热环境和建筑能耗分析提供基础数据。目前，我国还没有这方面的研究成 果，国外虽有相关检测研究，但其方法很难照搬。m o w i t r 检测系统的设备过于 复杂，特别是光学检测设备实际上是将实验室单片玻璃检测设备放大，使之能适 应尺寸大的窗户。虽然m o w i t t 能达到相当的精度，但此高精度的检测系统的设 计目的是为了验证软件的计算值和对不同窗户进行分级评定，对于城市光热环境 改善和全年能耗分析来说如此高精度的检测系统并非必要。因此本课题在参考 m o 晰t t 检测方法的基础上建立适应于夏热冬暖地区，研究适用予城市光热环境 和建筑能耗分析的幕墙热工性能简易现场检测方法。 课题的难点体现在两个方面：一方面，在真实的使用环境中进行检测，室外 环境因素( 如太阳辐射，风速