建筑玻璃光学热工性能现场检测技术研究

王丽娟，马 扬，苑 静

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500；2、北京奥博泰科技有限公司 北京100070）

0 引言

“发展绿色建筑，推进建筑节能减排”是我国城市建设工作中的重要内容［1］。门窗、玻璃幕墙是建筑围护结构的薄弱环节，其热工性能是影响建筑节能效果的重要因素之一［2］。对于已经安装在建筑工程中的门窗和玻璃幕墙的光学热工性能指标，业内一直没有找到方便快捷并且准确的检测方法进行评价。

门窗、玻璃幕墙是绿色建筑全生命期中建设流程上的质量控制重点环节，其热工性能主要是由玻璃和框决定。所以，只要能够精确检测玻璃的光学热工性能，以及门窗、玻璃幕墙的节点构造，就能利用现行行业标准《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程：JGJ/T 151—2008》精确快速地确定门窗、玻璃幕墙的热工性能［3-4］。

为了解决建筑工程中门窗和玻璃幕墙的热工性能现场检验难题，国内的一些企业和科研机构经过努力，研制出了节能玻璃的现场检测仪器系统，形成了可靠的方法。同时，现场测量标准已经完成报批，相关检测仪器的计量校准规范也已制定［5-6］。这些方法使用的仪器基本实现了无损检测，对新建和既有的工程都是适用的，并已经成功应用于多项工程中。研究建筑玻璃光学热工性能现场检测技术，为规范和统一建筑门窗、玻璃幕墙的热工性能现场检测方法提供途径，也为《建筑门窗玻璃幕墙热工性能现场检测规程：T/CECS 811—2021》的编制提供技术支撑。与此同时，该研究还有利于门窗和玻璃幕墙的性能提升，保证建筑质量和节能效果，推动建筑节能和绿色建筑的发展。

1 现场检测原理

玻璃的光学热工参数包括：可见光透射比、可见光反射比、遮阳系数或太阳得热系数、传热系数、含惰性气体的气体间层惰性气体含量和镀膜玻璃的半球辐射率［7-9］。目前实验室常用的检测设备主要是分光光度计和红外光谱测量仪，现场检测设备是建筑玻璃现场用光热综合参数测试仪。

建筑玻璃的光学热工性能现场测试，需先测试各层玻璃及间隔层厚度、光谱透射比、光谱反射比、膜面校正辐射率、间隔层惰性气体体积浓度等基础参数。各光学热工参数由基础参数按照《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：GB/T 2680—94》［7］和文献［3］计算获得，玻璃光热参数计算及采用标准如图1所示。

图1 光学热工参数计算及采用标准示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Way to Determinate Optical Parameters and Associating Criterion

2 现场检测技术研究

2.1 玻璃系统厚度检测

中空玻璃气体间隔层受环境温度影响，会出现热胀冷缩的现象，从而影响玻璃系统构造的厚度。为防止厚度受温度影响产生变化，需要在靠近边角的位置进行厚度测量。玻璃系统构造厚度应按下列方法进行测量［10］：

⑴采用的激光测厚仪或超声波测厚仪分辨率不大于0.5 mm；

⑵在玻璃四角选取4个测点，分别测量玻璃系统的构造厚度、每层玻璃厚度和气体间层厚度，且测点的位置应距离玻璃边部50～120 mm，如图2所示；

图2 玻璃构造厚度测量的测点位置Fig.2 Locations of the Configuration Thickness of Glazing System

⑶取4个测点各厚度参数测量结果的算术平均值作为玻璃系统构造的厚度检测值，用于工程验收中的尺寸核验及玻璃系统的热工参数计算，且测量结果应修约到0.1 mm；

⑷当玻璃结构为异形时，可在各边分别选取距边顶点50～120 mm之间的测点进行测量，且测点数量不少于3个；

⑸当玻璃尺寸小到无法按照测点位置要求选出3个测点时，可选中间区域任一测点进行测量。

玻璃系统平均厚度是被测玻璃在实际使用环境条件下的厚度。采用此厚度值计算获得的热工参数，适用于节能评估，检验被测玻璃的热工参数是否满足节能要求。平均厚度会影响传热系数的计算。因此，对于冬季有较高节能要求的地区，应在冬季典型气候条件下测量平均厚度。采用等面积均分的方式来划分检测区域可以保证检测结果的准确。玻璃系统平均厚度的测量应符合下列规定［10］：

⑴平均厚度应根据工程节能性能评估的要求，在当地典型气候条件下进行测量；

⑵当玻璃为矩形时，应先在各边进行均等划分，且划分后的各分区域的边长不得大于500 mm；再分别在各个分区域的中点处测量玻璃系统的总厚度、每层玻璃厚度和气体间层厚度（见图3）。

图3 矩形玻璃均分区域的测点位置Fig.3 Locations of Rectangular Glass Measured in Each Section

⑶矩形玻璃系统平均厚度应按⑴式计算，当各分区域面积相等时可按⑵式计算：

式中：d平均为最终玻璃系统平均厚度测量值（mm）；Se、Sf、Sg、Sh、Si、Sj分别为各分区域面积（mm2）；de、df、dg、dh、di、dj分别为各分区域测得厚度（mm）；S为总面积（mm2）；n为分区域数量；d（i）为第i个分区域测得的厚度（mm）。

⑷当玻璃为三角形时，应先连接各边中点，将玻璃划分为4个分区域，再测量各分区域中点处玻璃总厚度、每层玻璃厚度和气体间层厚度（见图4）。每个分区域的边长不得大于500 mm，否则应继续对每个区域做中点连线的划分，直到每个分区域的边长不大于500 mm。

图4 三角形玻璃均分区域测点位置Fig.4 Locations of Triangular Glass Measured in Each Section

⑸三角形玻璃系统平均厚度应按下式计算：

式中：d平均为最终玻璃系统平均厚度测量值（mm）；Sk、Sl、Sm、Sm分别为各分区域面积（mm2）；dk、dl、dm、dnj分别为各分区域测得厚度（mm）；S为总面积（mm2）。

⑹各分区域检测结果应按面积进行加权平均，并将加权平均值作为玻璃系统平均厚度的检测值。

2.2 中空玻璃惰性气体含量检测

中空玻璃惰性气体含量为现场环境下的惰性气体含量。受环境温度和安装角度影响，惰性气体在空气间层内的分布不均匀，故需均匀选取测量点，求其平均值，作为表征中空玻璃气体含量的参数。目前用于现场无损检测中空玻璃惰性气体含量的方法有两种：等离子体发射光谱法和可调谐半导体激光吸收光谱法。中空玻璃惰性气体含量检测应符合下列规定［10］：

⑴应在玻璃两侧分别均匀选取5个测点，测点应距玻璃边部100 mm，如图5所示；

图5 中空玻璃惰性气体含量测点位置Fig.5 Locations of Inert Gas Concentration in Hollow Glass

⑵应取10个测点检测结果的平均值作为惰性气体含量的检测值。

2.3 半球辐射率检测

工程验收和节能评估的热工参数计算，都会用到膜面位置和膜面半球辐射率值。为防止被测玻璃边部金属材料影响辐射率测量仪的正常使用，通常需在距玻璃边部距离不小于100 mm的位置进行测量。玻璃系统膜面位置及其半球辐射率检测应符合下列规定［10］：

⑴测点应远离玻璃边部，且距离不小于100 mm，测点数量不少于3个；

⑵被测玻璃的膜面半球辐射率检测值应取各测点处检测结果的平均值。

2.4 现场检测步骤

对于检测仪器能够现场检测的玻璃系统，其光学热工参数现场检测应按下列步骤进行［10］：

⑴根据抽样方案确定被测玻璃，然后划定被测区域并进行清洁。被测区域宜选择玻璃的中心位置；

⑵按上述测量方法，测量玻璃系统的构造参数，包括各层玻璃厚度、各层气体间层厚度、膜面位置、膜面半球辐射率、惰性气体含量，并记录于仪器测试软件；

⑶将测试探头分别置于被测玻璃两侧（见图6），依次进行光谱透射比、室外侧光谱反射比和室内侧光谱反射比测试；

图6 测试示意图Fig.6 Schematic Layout of Measurement

⑷仪器测试软件对测试数据进行采集和计算，输出测量结果，并记录测试数据，记录数据应包括可见光透射比、可见光反射比、遮阳系数或太阳得热系数和传热系数。

3 比对试验

为了验证现场测试方法的有效性，本次研究选取6家实验室测试与现场测试做比对［11-12］，参加现场与实验室比对测试的单位信息如表1所示。

表1 参加比对测试单位及测试设备Tab.1 List of the Institutions and Equipment in Measurement

比对试验用样品共计18件，样品具体信息如表2所示。其中，单银中空玻璃、双银中空玻璃和三银中空玻璃各6件。单银、双银和三银中空玻璃各一件为1组，分别分配给6家测试单位。其中有5组样品中单银、双银和三银中空玻璃分别为同一批次同一工艺的玻璃样品。为了增加比对情况的多样性，第6家单位采用了与5组样品不同工艺制备的中空玻璃。

表2 比对用样品信息Tab.2 Information of the Comparative Samples

将各实验室测试数据与现场检测测试数据进行比对，太阳能总透射比与传热系数数据分布分别如图7、图8所示，各参数差值汇总如表3所示。综合数据分析，现场检测与各实验室检测测值偏差最大数据分布如下：可见光透射比为1.4%；可见光反射比为1.2%；太阳光直接透射比为1.0%；太阳光直接反射比为1.8%；太阳能总透射比为0.015；传热系数为0.048。

表3 各测试单位实验室与现场比对测试差值Tab.3 Difference of the Measured Results from the Lab and Field

图7 现场与实验室太阳能总透射比比对数据分布Fig.7 Results of the Solar Factor as Measured from the Lab and Field

图8 现场与实验室传热系数比对数据分布Fig.8 Results of the Thermal Transmittance as Measured from the Lab and Field

4 结论

在现有现场检测仪器基础上，研究玻璃光学热工性能现场检测方法，并将应用这一方法的检测数据与6家实验室检测数据比对，发现现场检测与各实验室检测测值偏差最大的数据均在误差范围，其中，可见光透射比偏差为1.4%、可见光反射比偏差为1.2%、太阳光直接透射比偏差为1.0%、太阳光直接反射比偏差为1.8%、太阳能总透射比偏差为0.015、传热系数偏差为0.048。该方法成功应用于《建筑门窗玻璃幕墙热工性能现场检测规程：T/CECS 811—2021》［10］，为节能改造决策提供科学数据支持，推动我国节能减排工作。