中空玻璃传热系数现场测试技术浅析
2020-12-14李学玲
【摘要】 本文介绍了一种采用一维非稳态传热法现场测试中空玻璃传热系数的测试技术,并从测试装置的原理,测试装置的构造、测试的原始记录及传热系数的计算等几方面进行阐述。
【关键词】 中空玻璃;传热系数;现场;测试技术
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2020.05.013
Analysis of Field Test Technology for Heat Transfer Coefficient of Insulating Glass
LI Xue-ling
(Shenyang Ziweiheng Testing Equipment Co.,Ltd,Shenyang 110114,China)
Abstract: This paper introduces a testing technique for measuring the heat transfer coefficient of insulating glass by one-dimensional unsteady heat transfer method,and expounds the principle of the test device,the structure of the test device,the original record of the test and the calculation of the heat transfer coefficient.
Key words: insulating glass;heat transfer coefficient;field;testing technology
随着建筑节能的逐步深化,带Low-E鍍膜的双玻、三玻中空玻璃被大量用于绿色建筑、被动房、既有建筑的节能改造等门窗及幕墙产品中,由于其加工工艺复杂,生产成本较普通玻璃高出很多,导致建筑市场中鱼目混珠、以次充好的案例频频出现,难以保证建筑质量和建材行业的健康发展。
目前我国的国家标准、行业标准、地方标准中都没有涉及中空玻璃传热系数现场检测的方法及设备,更无适用于工程现场中空玻璃传热性能的测试评定方法。如何快速、准确、直观的鉴别Low-E 中空玻璃,并能够相对准确检测中空玻璃的传热系数就成为业内面临的实际问题。
1 概述
1.1 范围
本方法所述,旨在提供了采用一维非稳态传热法的现场测定装置测定建筑用中空玻璃传热系数方法的原理,装置的构造、测试的原始记录及传热系数的计算。本方法适用于建筑门窗、幕墙用中空玻璃传热系数的测定,不适用于非采光材料的测定;适用于由平板玻璃(包括压花,浇筑玻璃),镀膜玻璃或其他材料构成的平型双层或多层中空玻璃,不适用于外片是透明远红外材料构成的中空玻璃。
1.2 原理
本文提供了表面热源法建筑用中空玻璃传热系数的一维非稳态传热方式的现场测定方法。本方法旨在中空玻璃试件的室内侧表面,现场建立一恒定的热源场,由此测量并记录产生在试件两表面非稳态传热过程的相关参数(热源功率、温差、温度、响应时间)。通过对系列建筑常用的不同组合形式试件进行测试得出的大量参数而建立的相应数学模型,经与JGJ/T 151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》的模拟计算进行比较和修正,可现场测得中空玻璃试件的传热系数值。
1.3 应用与局限性
1.3.1 应用
目前,我国建筑节能设计中引用的中空玻璃传热系数值,一般是按照JGJ/T 151中的模拟计算方法得到的。由于检测原理不同,按本文之方法一(表面热源法)测得的中空玻璃的传热系数值为现场环境条件下的实测值,它受试件两表面测试初始温度和加热停止时的最高温度共同影响,这个实测值虽然能较好的反映被测试件在现场环境条件下的绝热情况,但与JGJ/T 151中规定的标准条件下的经模拟得到作为节能设计参数的数值会存在一定偏差,故本测定方法针对表面热源法提出了标准修正系数的概念,将试验室经过大量积累得到的标准修正系数,用于对现场实测值进行有效修正,经大量对比试验证明通过修正后的实测值,可以有效反映出标准边界条件下被测中空玻璃的传热系数。
1.3.2 局限性
表面热源法,原理上属于非稳态下的功率测试法,经科学、有效的修正,可得出精度较高(5%~10%)的测试结果。但它在实际应用中受以下条件所局限。
a)需要进行标准边界条件(平均温度和温差)和仪器标定系数的双重修正;b)由于标准边界条件的修正,需要对所有不同组合形式试件进行大量的逐一测试数据的积累,而目前本文仅对建筑常用的几种组合形式试件进行了实际的测试比对,因此体现了本方法的基础修正系数的局限性。
2 装置
2.1 技术要求
2.1.1 结构组成
中空玻璃传热系数现场测定装置应由加热面测试箱、接收面测试箱、测控箱及辅助夹具组成(见图1)。
a)加热面测试箱的箱体是由绝热材料制成的盒状箱体。内部安装有加热单元、试件表面温度传感器;b)接收面测试箱的箱体是由绝热材料制成的盒状箱体。内部安装有试件表面温度传感器;c)测控箱一般为便携式轻质箱体,内部主要由测控系统、电气系统、数据采集显示和存储系统组成;d)辅助夹具用于将加热面测试箱和接收面测试箱固定于试件两表面,并实现可靠密封。
2.1.2 装置的技术要求
2.1.2.1 加热面和接收面测试箱
a)箱体宜采用热阻不小于3.0 (m2·K)/W的保温材料和具有足够强度的防护材料复合而成,其内腔尺寸应不小于加热单元的外边缘尺寸,能够最大程度地减少加热单元热量的损失,同时最大程度减少室外环境条件对检测的影响;b)加热单元应为纯阻性元件,且单位面积的发热量应尽量相同。主加热表面尺寸宜为200 mm×200 mm;c)温度传感器宜采用响应时间≤1s的表面感温元件,可通过数据采集系统实时显示并记录温度数据,精度应优于0.2 K,分辨率不低于0.02 K。
2.1.2.2 测控箱
a)测控系统应能控制加热单元的加热元件提供满足本文不同试验过程所要求的恒功率的热源,且保证加热温度和加热功率不大于100 ℃和80 W;b)数据采集系统用于实时采集并记录温度、功率、时间等参数,采样时间间隔宜可调整,最小采样时间间隔不宜大于10 s,计时精度应不低于0.1 s;c)测控箱应设计用于加热功率校准的外接端子;d)软件系统应按照本文的数据处理要求,自动生成原始记录和计算测试结果。
2.1.2.3 辅助夹具
设计应能够使加热面和接收面测试箱与中空玻璃两侧表面完全贴合,并保证在测试的全过程中牢固可靠。
2.1.3 中空玻璃传热系数现场测定装置的安装
a)加热面和接收面的试件表面温度测点应尽量对称布置在被测中空玻璃几何中心区域的同一法线上,并与玻璃表面紧密接触;b)加热面和接收面测试箱的壁面外沿距中空玻璃边界的距离应不小于20 mm,且应彼此对齐,并与被测中空玻璃表面完全贴合;c)辅助夹具应能使加热面和接收面测试箱牢固贴合于被测中空玻璃两侧表面。
2.2 标定与保养
2.2.1 装置的标定的程序操作
a)标定用的中空玻璃宜选用:5 mm普通透明玻璃+12 A+5 mm普通透明玻璃;b)标定用的试件应为两块尽可能相同的边长为800 mm的正方形平型中空玻璃,按GB/T 22476的方法测得标定用中空玻璃的传热系数;c)标定修正系数应按下列公式计算。
[δB=(1-(1he+1hi)U)U′(1-(1he+1hi)U′)U]
[λ=δBλ′=dU′(1-(1he+1hi)U′)U]
式中:[δB]——标定修正系数,为有效导热系数λ的修正系数;[U′]、[λ′]——分别为按GB/T 22476的方法测得标定用中空玻璃的传热系数值,W/(m2·K)和内部导热系数值,W/(m·K);[U]、[λ]——分别为按本文所述的表面热源法检测的标定用中空玻璃的传热系数实测值,W/(m2·K)和有效导热系数值,W/(m·K)。d)标定修正系数[δB]宜每两年进行一次标定,功率、温度和时间传感器宜每年进行一次校准。
2.2.2 加热功率校准
a)将该测定装置的加热面测试箱与测控箱连接,将校准功率的仪表接入该测定装置的相应端子。启动被校测定装置的加热单元,并调整至测试使用时的相应直流功率,进行校准。功率校核过程的功率波动范围为±0.5 W;b)温度校准范围为-20~100 ℃,精度为0.2 ℃;c)时间校准范围为0~1800 s,精度为0.1 s。
3 测定条件
3.1 环境条件
中空玻璃传热系数现场测定的环境条件应符合下列要求:a)测定时室内为自然对流,室外风速宜小于3 m/s,且应避开气温剧烈变化的天气;b)测定时,室外环境温度应在-20~40 ℃,环境湿度不应大于75%;c)被测区域的内外表面应避免阳光直射。
3.2 试件条件
现场测定传热系数的中空玻璃试件应符合下列要求:a)中空玻璃表面应干燥、清洁、无污渍和油渍;b)中空玻璃表面波形弯曲度应符合相关标准要求,弓形时应不超过0.3%,波形时应不超过0.2%。
3.3 委托要求
中空玻璃传热系数现场测定时,委托单位宜提供下列资料:a)建设单位、设计单位、监理单位、施工单位名称;b)工程名称、建筑外立面图,节能设计表,门窗表、建筑门窗节能性能标识证书、建筑门窗传热系数测评报告及模拟计算报告;c)中空玻璃设计值:中空玻璃传热系数、玻璃厚度、空气间隔层厚度、Low-E膜面位置、玻璃内外表面辐射率、惰性气体含量。
3.4 测点要求
试件上测区、测点布置及测点数应符合下列规定:a)测点应布置在被测中空玻璃几何中心区域;b)每个试件至少检测1个测点;c)被测定的中空玻璃表面应干燥、清洁、平整。
4 测定程序
试验前,将中空玻璃传热系数现场测定装置的加热面和接收面测试箱(含加热单元、温度传感器)按图1所示安装于被测试件两侧,调整两侧测试箱并对齐,同时用辅助夹具将两侧测试箱牢固可靠地贴合于试件两侧表面。
设定适宜的试件接收面过余温度和停止加热后的测试时间:其取值应综合考虑玻璃形式、厚度、低辐射Low-E膜面位置及数量以及整体试验效率等多种因素。为使测定结果避免出现明显偏差,故列出了以下经验所得的双玻和三玻中空玻璃设定的接收面过余温度与停止加热后的测试时间,供试验时参考:a)双玻中空玻璃时,设置的接收面过余温度一般为2 K,停止加热后的测试时间设置为2倍的加热时间;b)三玻中空玻璃时,设置的接收面过余温度一般为1 K,停止加热后的测试时间设置为1倍的加热时间。
测定装置安装完毕后,当试件两侧表面的初始温度在5 min内的变化均≤0.1 ℃,且试件两侧表面温差变化≤0.2 ℃时,可认为达到稳定初始状态。
稳定初始状态满足后,可开始测定。启动恒功率控制系统,在整个测试的加热过程中,将与试件加热面紧密相贴合的加热单元的功率始终恒定在设定值40(±0.5) W:a)启动加热的同时开始计时,之后接续记录试件加热面和接收面的温度,当试件接收面达到设定的过余温度时,立即停止加热;b)测试过程中,从上述开始计时始,装置的数据采集系统应以不超过10 s的采样时间间隔,采集记录加热功率Q、加热面的溫度TR、持续时间tR,接收面的温度TJ、持续时间tJ等测试参数,直至加热停止后的测试时间达到设定值时,整个测试终止。c)测试终止后,为避免过热烫伤,应待接收面的温度TJ达到安全温度(≤45 ℃)时方可关机,并小心拆除测定装置的加热面和接收面测试箱,妥善放置。
测试终止后,装置的自控系统应保留上述过程参数的原始记录,并按照本文之5.1的数据处理方法,计算试件现场测得的传热系数U1X。之后将此U1X按本文2.2.1装置标定修正系数的要求进行修正后,得出现场传热系数UB的结果值。
最后,按相应方法修正成冬季标准边界条件下的传热系数U1。
5 数据处理
5.1 符号
U1X——表面热源法现场测得的传热系数W/(m2·K);U′——标定用中空玻璃的传热系数W/(m2·K);UB——表面热源法测试中,经仪器标定系数修正后的传热系数W/(m2·K);U1——表面热源法测试中,修正为冬季标准边界条件下的传热系数W/(m2·K);δB——表面热源法测试中,标定修正系数,为有效导热系数λ的修正系数;δX——表面热源法测试中的标准修正系数。
5.2 表面熱源法
表面热源法中空玻璃传热系数现场测定的各参数值应按下列方法计算:
5.2.1 现场传热系数计算
将测试参数按照下列公式计算出被测玻璃的传热系数。
1)过程参数
a)y2的确定
函数B(y)的自变量,按[B(y)=θ2τ1θ1τ2]公式计算,根据计算所得的B(Y)值,查表1,求得y2值。
b)导温系数[α(m2/h)]
[α=d24τ2?y2]
c)有效导热系数[λ[W/(m?K)]]
[λ=q?α?(τ3-τ3-τ2)θ3?π]
d)加热单元加热功率密度[q(W/m2)]
[q=Q/S]
式中:d——中空玻璃总厚度(m);Q——加热单元加热功率(W);S——加热面积(m2);τ1——升温时间(h),指计时开始至关闭热源之间的时间;τ2——测试过程中,加热停止时的时间(h),本文中τ1=τ2;τ3——停止加热后的测试时间(h);θ1——加热面加热停止时的过余温度(K);θ2——接收面加热停止时的过余温度(K);θ3——到达测试时间τ3(h)时加热面的过余温度(K)。
2)现场传热系数[U1X]
[U1X=1dλ+1he+1hi]
式中:hi——内表面换热系数,取值7.6 W/(m2[?]K);he——外表面换热系数,取值19.9 W/(m2[?]K);U1X——表面热源法测得的现场传热系数W/(m2[?]K)。
5.2.2 设备标定系数的修正
采用表面热源法现场检测中空玻璃传热系数时,其得出的U1X值应经测试设备本身按本文2.2.2条的标定系数的修正,按下列公式计算得出标定修正后的现场传热系数UB:
[UB=δB?U1X]
5.2.3 标准工况下传热系数的修正
将上述UB按下方法进行冬季标准边界条件下的传热系数修正,得出U1。由于仅提供了分度为5 K的温差ΔT和平均温度Tm的修正系数,因此在实际使用时需要按下述双因素内插法计算得出任意温差ΔT和平均温度Tm的修正系数δx,其步骤如下:
5.2.3.1 温差和平均温度
[ΔT=θ1-θ2]
[Tm=0.5(θ1+θ2)]
式中:ΔT——试件两侧表面温差(K);Tm——试件两侧表面平均温度(K);
5.2.3.2 插值基数
图2为截取了分度为5 K的某类中空玻璃传热系数标准修正系数表的示意图。
a)根据温差ΔT确定修正系数表中横坐标x轴的插值基数Txd和Txg。
1)温差下限为在横坐标x轴上的各取值Txn中,满足[Txn≥ΔT-5]的最小值,即:[Txd=min(Txn≥ΔT-5)];
2)温差上限为在横坐标x轴上的各取值Txn中,满足[Txn≤ΔT+5]的最大值,即:[Txg=max(Txn≥ΔT+5)]。
b)根据平均温度Tm确定修正系数表中纵坐标y轴的插值基数Tyd和Tyg。
1)平均温度下限为在纵坐标y轴上的各取值Tyn中,满足[Tyn≥Tm-5]的最小值,即:[Tyd=min(Tyn≥Tm-5)]
2)平均温度上限为在纵坐标y轴上的各取值Tyn中,满足最大值,即:[Tyg=max(Tyn≤Tm+5)]
5.2.3.3 标准工况修正系数δx的计算
a)双因素内插法的基理
图3和图4分别为采用本文所述的表面热源法,现场检测的某试件UB值时的实测温差ΔT和平均温度Tm的工况。
图中Tx1、Ty1,Tx2、Ty2,Tx3、Ty3分别为某试件UB值对应可能的三种实测工况;图中δdd,δdg,δgd,δgg分别为上述某一种实测工况计算所得的Txd、Tyd,Txd、Tyg,Txg、Tyd及Txg、Tyg四组插值基数在表中对应的四个标准工况修正系数δx的值。从两个图中可见,三种可能的实测工况对应的插值修正系数可能落在图3中的对角线δdd-δgg上,也可能落在图4中的对角线δdg-δgd上。因此,可应用勾股定理,得出以下两条双因素内插法的计算公式。
b)双因素内插法的计算公式
根据中空玻璃传热系数现场测试后的的实测温差ΔT和平均温度Tm的工况,参照图3和图4,判断其对应的标准工况修正系数δx最有可能落在对角线δdd-δgg和δdg-δgd的哪条上,应按下列公式计算求得δx。
1)对角线δdd-δgg上的δx
[δx=δdd-0.142511(δdd-δgg)(Tx-Txd)2+(Ty-Tyd)2]
2)对角线δdg-δgd上的δx
[δx=δgd-0.142511(δgd-δdg)(Tx-Txg)2+(Ty-Tyg)2]
式中:Tx、Ty——分别为采用本文所述的表面热源法,现场检测的某试件UB值时的实测温差ΔT和平均温度Tm。
5.2.3.4 冬季标准边界条件下传热系数的修正
通过温差Tm和平均温度ΔT,计算确定标准修正系数δx,应
按下列公式计算,将现场测得的传热系数UB修正为冬季标准边界条件下的传热系数值U1。
[U1=δx?UB]
6 结语
工程上在进行传热系数现场测定时,应用最为广泛的是以稳态法为原理的测定方法,特别像外墙、楼梯间隔墙这样的重型围护结构应用热流计法进行传热系数现场检测已然成为行业共识。而轻型围护结构特别是透光围护结构,如中空玻璃,由于其试件两表面受环境影响很大,想创造长时间稳态传热检测环境是较为困难的,因而成为工程围护结构传热系数检测领域的一块盲区。而本文是按照非稳态传热原理设计而成,它的最大特点是受环境影响小,测试时间短。
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【作者简介】
李学玲(1985-),女,学士,研究方向为建筑节能领域的设备检测。