建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试分析

齐海英

摘要：目前，我国建筑门窗保温性能只能在实验室通过基于稳定传热原理的标定热箱法测定。热箱模拟采暖建筑冬季室内气候条件，冷箱模拟冬季室外气候条件，测量热箱中电暖气的发热量，减去通过热箱外壁、试件窗框和填充板的热损失，除以试件面积与两侧空气温差的乘积，得到外窗件的传热系数K值。相关的ISO标准也是采用热箱法，热箱法受设备限制难以在现场测试中大量推广使用。

关键词：建筑节能;玻璃幕墙;传热系数;温度差

引言

为了提高玻璃幕墙的应用传播度，基于COMSOL大型仿真软件平台，在虚拟玻璃幕墙上选取5个以上的冷热源，并设置温差间隔为10℃左右，仿真计算玻璃幕墙在6种不同温度下的传热形式.研究结果表明，在任何情况下，玻璃幕墙的传热过程都与玻璃幕墙两侧的温度差有关，均由温度较高的一侧向温度较低的一侧传热，且接近玻璃幕墙温度较低的一侧等温线较为分散，接近温度高的一侧的等温线较为紧密.建议在玻璃幕墙的设置过程中，尽量减少两侧之间的温度差，并且根据太阳辐射的情况，选择耐热的玻璃材质.

1建筑外门窗保温性能分级及检测方法

根据我国建筑的国家标准，建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试方法主要用于分类和检查建筑物外门窗的隔热性能方面.《建筑外门窗保温性能及分级检测方法》的发布，进一步规范了建筑外门窗隔热性能的检测技术，对推动节能技术的发展起到了积极的作用.为研究不同状态下，如稳态、瞬态、热扰动、特征频率下的仿真计算结果，采用5.3版本的COMSOL仿真软件，在玻璃幕墙上模拟选取5个以上的冷源和热源，并设置温差间隔为10°，仿真计算玻璃幕墙在6种不同温度下的传热形式.COMSOL软件内部放置CAD建模工具，可以直接在软件中执行3D和2D建模，扩展生成非常便捷的APP应用，并且能够设置多物理场，在多物理场的条件下进行模拟计算分析;可根据需求，分析各种动画的输出、曲线、数据、图片等;还可以根据网格的粗细程度进行粗略或者精细的计算.

2测试仪器及测试过程

设备主要由64路温度热流巡回检测仪组成，配备6片热流计片和48个Pt1000铂电阻温度传感器。测温范围为-100.00～+100.00℃，热流范围为5～4500W/m2;Pt1000铂电阻测温基本误差小于±0.1℃，热流计基本误差为±2W/m2。现场测试过程主要是布置温度传感器和热流计，然后采集仪自动采集记录数据。为提高测试准确度，玻璃表面按面积平均分布6个温度传感器，玻璃、横框和竖框表面分别布置2个热流计，室内外距外窗表面约150～300mm各布置2个空气温度传感器。数据处理时，各组数据取平均值。窗横竖框节点基本一致，重力方向会引起传热系数微小差异，现场测试时予以忽略;幕墙横竖框型材差异较大，测试时进行区分。

3几何模型的建立与设置

3.1几何模型的建立

设置单块玻璃几何尺寸为宽1.3m，厚度0.008m，高1.8m，玻璃幕墙总长度13m，高36m，玻璃幕墙边界采用的材料为硅玻璃，室外温度和室内温度既是热源也是冷源.

3.2几何模型边界条件的设置

3.2.1流场设置

设置风速为0m/s，环境温度293.15K（20℃），玻璃幕墙选用材料为玻璃.玻璃幕墙内侧热通量分别选取100、500、1000、2000、3000、4000W/m2，玻璃幕墙的外侧热通量分别选取400、800、1300、2300、3300、4300W/m2，并在其中加入阳光辐射影响因素.

3.2.2边界设定

仿真模型可以调节温度、幕墙材料以及几何尺寸、太阳辐射照度、环境绝对压力、环境相对湿度.整个仿真模型采用固体传热，其边界为硅玻璃，气流不能穿越.

3.2.3网格划分

为使计算精准，将设置好的几何模型进行网格划分，网格划分选用物理场控制网格超细化，这虽然增加了运算时间，但计算出的结果更为准确.

4仿真结果与分析

4.1玻璃幕墙在不同温度冷热源下的热传导

1）取玻璃幕墙外侧温度为264.15K（-9℃），内侧温度为270.15K（-3℃），阳光辐射设为1000W/m2，当设置内外差温度为6℃，保持太阳辐射值在1000W/m2的情况下，玻璃幕墙等温线的低温区域面积较大，等温线较为分散;高温区域等温线较为紧密，玻璃幕墙内外温度变化剧烈.2）取玻璃幕墙外侧温度为272.15K（-1℃），内侧温度为280.15K（7℃）.阳光辐射设为2000W/m2，当设置内外差温度为8℃，保持太阳辐射值在2000W/m2的情况下，玻璃幕墙等温线的中温区域面积较大，中低温度等温线分散，高温度等温线紧密.3）取玻璃幕墙外侧温度为284.15K（11℃），内侧温度为289.15K（16℃）.阳光辐射设为2400W/m2，当设置内外差温度为5℃，且内外温度提升20℃，保持太阳辐射值在2400W/m2的情况下，玻璃幕墙等温线的中温区域面积较大，玻璃幕墙内外温度变化平缓.4）玻璃幕墙外侧温度为293.15K（20℃），内侧温度为299.15K（26℃），阳光辐射设为2400W/m2，此时，玻璃幕墙温度分布和等温线分布如图9～10所示.从图9～10可以看出，当设置内外差温度为5℃，保持太阳辐射值在2600W/m2的情况下，玻璃幕墙等温线的低温区域面积较大，低温等温线分散，高温等温线紧密.取玻璃幕墙外侧温度为304.15K（31℃），内侧温度为308.15K（35℃），阳光辐射设为2800W/m2，当设置内外差温度为4℃，保持太阳辐射值在2800W/m2的情况下，玻璃幕墙等温线的低温区域面积较大，低温等温线分散，高温等温线紧密玻璃幕墙外侧温度为313.15K（40℃），内侧温度为318.15K（45℃），阳光辐射设为3000W/m2，当设置内外差温度为5℃，保持太阳辐射值在3000W/m2的情况下，玻璃幕墙等温线的低温区域面积较大，低温等温线分散，高温等温线紧密.

结语

综上所述，通过建筑门窗玻璃幕墙传热系数现场测试的基本原理及方法，并进行了现场测试实验研究，得出如下结论：（1）建筑门窗玻璃幕墙的传热系数目前只有实验室测试方法，现场测试方法研究欠缺;（2）建筑门窗玻璃幕墙为轻质薄壁构件，热惰性很小，其室内空气温度、玻璃和窗框内表面温度曲线的峰值出现时间点几乎与室外空气温度曲线基本一致，因而可认为任一时间点均为“准稳态”。综上所述，可见，不管在什么样的情况下，玻璃幕墙的传热过程都与玻璃幕墙两侧的温度差有关，由温度较高的一侧向温度较低的一侧传热，且接近玻璃幕墙温度较低的一侧等温线较为分散，接近温度高的一侧的等温线较为紧密.建议在玻璃幕墙的设置过程中，尽量减少两侧之间的温度差，并且根据太阳辐射的情况，选择耐热的玻璃材质，以有效降低能源损失，增加实用性，拓展应用度理论研究和现场测试数据均表明建筑门窗玻璃幕墙的传热系数可基于“准稳态”原理现场测试得到且准确性和稳定性较高，对建筑门窗和玻璃幕墙传热系數现场测试方法的深入研究具有重要意义。

参考文献：

[1] 姜茸凡，王云仪.服装衣下空气层热传递性能研究进展[J].丝绸，2018，55（7）：41-47.

[2] 建筑玻璃幕墙光反射影响评价标准探讨[J]. 毛鹤群，李晓东.  上海船舶运输科学研究所学报. 2017（02）

[3] 翟亚平.外门窗（或玻璃幕墙）选择对建筑节能设计的影响[J].中国建设信息化，2018（21）：74-75.

（作者单位：华纳工程咨询（北京）有限公司）