（材料学专业论文）不同气候条件下建筑外窗性能变化检测技术研究.pdf

摘要 摘要 外窗是建筑围护结构的重要组成部分，性能优劣直接关系到居住的舒适度 和建筑的节能降耗。建筑外窗的使用环境是一个多气候因素反复作用的气候环 境，这种情况下外窗性能往往会变差甚至破坏，不同气候条件下建筑外窗性能 变化检测技术可有效检测出外窗存在的质量缺陷，可为外窗产品质量的提高提 供依据。外窗是建筑节能的重点，窗框又占外窗能耗的1 5 3 0 ，建立窗框保 温性能检测技术对于窗框断面设计和改进、外窗的保温节能具有重要意义。 课题来源于国家“十一五”科技支撑计划的重点项目“典型地区用建筑外窗 系统研究开发”。本文研究并建立了不同气候条件下建筑外窗性能变化检测方法 和建筑外窗窗框保温性能检测方法，提出了相应检测设备的设计原理及方法， 并对安装完成的检测设备进行了性能标定：测量了目前常见的外窗产品的性能， 并对结果进行了分析。 对不同气候条件下建筑外窗性能变化及窗框保温性能检测技术进行了系统 研究，得出的主要结果为：1 ) 研究并建立了不同气候条件下建筑外窗性能变化 检测方法，即试件一侧保持室内气候条件不变，另一侧进行室外冬夏气候循环 作用。对试件的外观变化、渗漏情况、结露与否以及变形等性能进行同步观察 与检测，以期发现试件存在的缺陷。2 ) 根据检测方法的要求，进行了检测设备 的功能系统设计。该检测设备主要由温度调控系统、湿度调控系统、淋雨系统、 红外辐射系统和室内环境空间等几部分组成。3 ) 对研制的设备进行了功能参数 标定。结果表明，该设备基本符合检测方法要求，可进行下一步试验。4 ) 对常 见的两类外窗进行了寒冷地区气候条件试验。外窗在该气候条件作用下出现了 渗漏、玻璃炸裂、结露等现象，说明不同气候条件下建筑外窗性能变化检测技 术可有效检测出外窗试件潜在的缺陷，对产品质量的监督及改进具有重要意义。 5 ) 设计了建筑外窗窗框保温性能检测方法，研制并标定了相应的检测设备。多 次验证性试验和比对性试验表明，该设备具有较高的准确度。6 ) 对应用较多的 两类外窗窗框产品进行了检测试验，并进行了理论计算。测试与计算结果具有 较高的一致性，说明该检测技术具有较高可靠性。 本文建立的不同气候条件下建筑外窗| 生能变化检测技术与建筑外窗窗框保 温性能检测技术，可有效检测建筑外窗在材料、结构设计及安装过程中存在的 潜在缺陷，对建筑外窗窗框型材进行保温设计及保温性能质量监督检测，从而 对提高我国建筑外窗质量及规范我，国建筑外窗市场具有重要意义。 关键词建筑外窗：气候条件；窗框；保温：检测技术 a b s t r a c t a bs t r a c t w i n d o w sw e r ei m p o r t a n tp a r ti nb u i l d i n ge n c l o s u r e ，w h o s ep e r f o r m a n c e sr e l a t e t o l i v i n g c o n d i t i o n sa n de n e r g ys a v i n g t h ea c t u a le n v i r o n m e n to fw i n d o w s c o n t a i n e dm u l t i p l ec l i m a t i cf a c t o r sr e p e a t e d l ya c t e d ，a n dw i n d o w sp e r f o r m a n c e s m a yb ed e t e r i o r a t eo re v e nd e s t r o y e d t e s tm e t h o do fw i n d o w sb e t w e e nd i f f e r e n t c l i m a t e sc o u l de f f e c t i v e l yd e t e c tp o t e n t i a ld e f e c t so fw i n d o w s ，a n dc o u l dp r o v i d e i m p r o v e m e n ta n dg u a r a n t e eo fp r o d u c tq u a l i t y w i n d o ww a st h ef o c u so fb u i l d i n g e n e r g ys a v i n g ，a n d w i n d o wf r a m e sa c c o u n t e df o r15 t o3 0 o fe n e r g y c o n s u m p t i o no fa l lo fw i n d o w s t e s tm e t h o do nt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fw i n d o w s f r a m e sc o u l di m p r o v et h ed e s i g no fc r o s s s e c t i o no fw i n d o w sf r a m e s ，a n dh a dg r e a t s i g n i f i c a n c et ob u i l d i n ge n e r g y s a v i n g t h et h e m es o u r c e df r o ms c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a li t e mo f n a t i o n a l “e l e v e n t h f i v e y e f p l a n “t h es y s t e m a t i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw i n d o w si nt y p i c a l a r e a s ”i nt h i sp a p e r , t e s tm e t h o do fw i n d o w sb e t w e e nd i f f e r e n tc l i m a t e sa n dt h e r m a l p e r f o r m a n c eo fw i n d o w sf r a m e sw a se s t a b l i s h e d ，a n dd e s i g np r i n c i p l ea n dm e t h o d s o fc o r r e s p o n d i n gt e s te q u i p m e n t sw e r ep r o v i d e d t h ee q u i p m e n t s p e r f o r m a n c e s w e r ec a l i b r a t e d ，a n dc u r r e n tw i n d o w sw e r et e s t e d ，a n dt h er e s u l t sw e r ea n a l y z e d m a i nr e s u l t so fr e s e a r c ho nt e s tm e t h o do fw i n d o w sb e t w e e nd i f f e r e n tc l i m a t e s a n dt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fw i n d o w sf r a m e sw e r ea sf o l l o w s ：1 ) t e s tm e t h o do f w i n d o w sb e t w e e nd i f f e r e n tc l i m a t e sw a ss t u d i e da n ds e tu p i n d o o rc l i m a t e c o n d i t i o n sw e r em a i n t a i n e dw h e no u t d o o rc l i m a t ec o n d i t i o n sw e r ec h a n g e di n d i f f e r e n ta r e a sa n dd i f f e r e n ts e a s o n s a p p e a r a n c e ，l e a k a g e ，c o n d e n s a t i o n a n d d e f o r m a t i o no fs p e c i m e n sw e r eo b s e r v e da n dt e s t e d ，t oi d e n t i f yd e f e c t so fw i n d o w s 2 ) a c c o r d i n gt o t e s tm e t h o d ，d e s i g no nf u n c t i o n ss y s t e m so ft e s te q u i p m e n tw a s c a r r i e do u t t h ee q u i p m e n tw a sc o m p o s e do ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o l s y s t e m ，r a i ns y s t e m ，i n f r a r e d r a d i a t i o na n di n d o o re n v i r o n m e n to fs p a c e 3 ) f o u n c t i o n so ft h ee q u i p m e n tw e r ec a l i b r a t e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e e q u i p m e n tw a si nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ft e s tm e t h o da n dt h et e s tc o u l dc a r r y o u t 4 1t o ww i n d o w sw e r et e s t e db e t w e e nc l i m a t e s o fc o l da r e a ，a n dt h e p h e n o m e n o n so fl e a k a g e ，g l a s sc r a c k s ，c o n d e n s a t i o ne m e r g e d ，s h o w nt h a tt h et e s t m e t h o dc o u l dr e f l e c tp o t e n t i a ld e f e - c t so fw i n d o w sa n dt h et e s tm e t h o dh a dg r e a t s i g n n i f i c a n c et oq u a l i t ys u p e r v i s i o na n di m p r o v e m e n t 5 ) t e s tm e t h o do nt h e r m a l p e r f o r m a n c eo fw i n d o w sf r a m e sw a sd e s i g n e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gt e s te q u i p m e n t i i i w a sd e v e l o p e da n dc a l i b r a t e d c o n f i r m a t o r yt e s t sa n dc o m p a r a t i v et e s t s i n d i c a t e d t h a tt h ee q u i p m e n th a da h i g ha c c u r a c y 6 ) t e s t sa n dc a l c u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tf o r t w ot y p e so fw i n d o w sf l a m e s ，a n dr e s u l t so ft e s t sa n dc a l c u l a t i o n s h a dah i g h c o n s i s t e n c yw i t hh i g hr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t e s tt e c h n o l o g yo fw i n d o w s b e h a v i o u rb e t w e e n d i f r e r e mc l i m a t e s a n dw i n d o w sf l a m e s t h e r m a lp e r f o r m a n c ei s e s t a b l i s h e d ，w h i c hc a ne f i e c t i v e l v r e f l e c t p o t e n t i a ld e f e c t so nw i n d o w sa n di m p r o v et h e d e s i g na n dt h e n n a l p e r f o r m a n c eo fw i n d o w sf l a m e s t h et e s tt e c h n o l o g yh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et o q u a l i t ys u p e r v i s i o no fw i n d o w sm a r k e t ，a n dc a ni m p r o v ep e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n s a n db u i l d i n ge n e r g y s a v i n g k e y w o r d s w i n d o w s ，c l i m a t e s ，w i n d o w sf r a m e s ，t h e r m a lt r a n s m i t t a n c e ，t e s t m e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲雄导师虢丛丝蹶 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 外窗是建筑围护结构的重要组成部分，性能优劣直接关系到居住的舒适度 和建筑的节能降耗。随着我国城市化建设的不断推进，建筑外窗市场稳步增加， 但是我国建筑外窗市场仍存在种种问题。为规范我国的建筑外窗市场，提高人 民的居住舒适度和建筑的节能降耗，有必要进一步研究完善建筑外窗的检测技 术。 1 1 1不同气候条件下建筑外窗性能变化检测技术的提出 我国建筑门窗市场需求庞大，行业前景广阔。据不完全统计【l j ，到2 0 2 0 年， 我国新增城镇民用建筑面积总量将达到1 0 0 1 5 0 亿m 2 ，共新增加约7 0 亿m 2 以上需要采暖的民用建筑，约1 0 亿m 2 的大型公共建筑。据保守估算，目前我 国每年仅城镇的民用建筑的门窗需求量就高达2 亿m 2 。因此，在相当长的时间 内，建筑市场对门窗的需求也将稳步增加。 目前，我国建筑外窗的研发及推广应用工作中存在诸多问题【2 j 。就外窗本 身而言，型材的质量、窗户的密闭性、五金件的配套性、开启方式的合理性以 及玻璃的保温性能等方面差异较大，经常出现各种问题：外窗产品研究推广滞 后于建筑节能工作，节能窗比例偏低；型材厂与门窗厂联系不够，产品研发技 术力量不足，研发体系不够完善；外窗的设计、制作、安装和施工验收缺乏系 统性：恶劣的市场环境导致低价竞争，劣质产品时有产生等。 我国现行的外窗检测标准不完善是造成上述种种问题的原因之一。我国现 行的建筑外窗检测标准体系，主要由水密、气密、抗风压、保温、隔声、采光 六大检测标准构成，针对的是建筑外窗的这六项性能指标。这些检测标准的制 定和实施，在相当长的一段时期内，对提高我国建筑外窗产品的质量以及规范 我国建筑外窗市场起到了重要作用。 随着建筑外窗市场的不断发展，国内外相关检测技术的不断进步，上述标 准渐渐显现出在外窗性能评价方面的局限性与不完整性pj 。其局限性有三：其 一，这六大标准都是对外窗在单一气候条件下对单一性能的检测方法，没有考 虑到外窗在综合气候条件下性能变化对外窗性能的影响。外窗的实际使用环境 是各种因素综合作用的环境，环境多因素共同作用对建筑外窗性能的影响与单 一因素的影响是有差别的：其二，现行标准是对外窗在单一气候条件单一作用 过程下的性能变化作出检测，没有考虑到实际使用时气候条件反复作用过程中 外窗的性能是否符合要求；其三，现行标准没有考虑到外窗的温差应力变形， 北京工业大学t 学硕十学位论文 尤其是温差反复作用时建筑外窗玻璃会反复变形，这种应力变形会导致材料的 热疲劳，与其它因素引起的应力叠加，还可能导致玻璃的损坏。 事实上，外窗实际使用环境是各种气候因素综合作用的环境。单一性能达 标的外窗在多种气候条件作用下往往会产生各种各样的问题【4 j 。比如，室内外 温差过大会使外窗型材及玻璃变形增大，尤其在寒冷地区冬季室内外温差达 4 0 或更高时更为明显，再加上风压产生的变形，往往导致建筑外窗中空玻璃 的密封性能变差，甚至出现玻璃内表面结露；夏季在太阳光强烈的辐射下，外 窗室外侧表面温度可比空气温度高出达三四十度，与室内温差更大，此时产生 较大应力变形，而夏季往往会有突然的淋雨，使外窗表面急剧降温，往往会导 致玻璃出现炸裂，或者使外窗的气密性变差：在湿度较高地区，木窗型材会产 生形变，性能达标的外窗也往往在启闭性能、气密性能等方面出现各种问题， 而不能够达到预期的使用效果或寿命。因此，为更好地反映建筑外窗在实际使 用过程中的性能变化情况，得到对外窗性能更合理的评价，就需要提出一个更 为合理的检测方法。 不同气候条件下建筑外窗性能变化检测技术，就是在考虑建筑外窗在综合 气候因素反复作用过程前后以及在综合气候因素作用过程中建筑外窗性能的变 化情况的基础上提出的。 1 1 2 建筑外窗窗框保温性能检测技术的提出 建筑外窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位。尽管建筑外窗的面积 一般只占到建筑外围护结构面积的1 3 1 5 ，但能耗所占比例很大，尤其在北方， 其能耗可为采暖能耗的一半垆j 。热量主要经由外窗玻璃、窗框和边缘结合部分 散失，其中通过窗框散失的热量可根据所占窗洞的面积比例来估量，该比例约 为1 5 3 0 【6 j ，因而整窗热工性能的重要指标之一就是窗框的热工性能。 建筑外窗窗框保温性能的评价方法有计算、模拟、检测等方法。理论计算 和软件模拟结果能起到一定参考作用，可指导窗框的设计与评价；然而，外窗 窗框的实际节能情况还是需要通过实验进行测定。目前我国还没有窗框传热系 数检测方法，建立相应的检测技术对指导产品设计，检验产品质量就十分必要。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于国家“十一五”科技支撑计划的重点项目“环境友好型建筑材 料与产品研究开发”，是其子课题“典型地区用建筑外窗系统研究开发”的组成部 分之一，为项目提供基础研究技术支持。 本课题针对节能型外窗的性能要求，研究外窗在各种气候因素作用下的性 能变化及窗框的传热性能，拟建立适合于我国的建筑外窗检测技术和相应的检 测设备，对指导我国外窗的设计、制作、安装、施工验收、延长使用寿命、改 第1 章绪论 _i i，iii，、，i，iiii。皇i 善居住的舒适度以及建筑的节能降耗等有重要意义。同时该课题的研究结果也 将对我国制订相关的标准起到一定的参考作用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1不同气候条件下建筑外窗性能变化检测技术 不同气候条件下建筑外窗性能变化，即建筑外窗在综合气候因素下以及在 综合气候因素作用过程中性能的变化。欧美已有相关检测技术的研究，并制定 了相应标准；国内尚无此方面的系统研究。 1 3 1 1 欧美研究现状 ( 1 ) 欧洲研究现状。欧洲在2 0 0 0 年提出了建筑外窗在不同气候条件下的性 能变化检测标准【7 j ，该标准属预备稿；同年，英国、德国等也提出了相同版本 的标准预备稿【8 9 】。该标准之所以作为预备稿提出，是因为还需要相关的试验来 验证。此后，该标准一直没有更新版本。 该测试标准基于以下基本原理：当建筑外窗试件两侧承受不同的气候作用 时，气候作用带来的湿气凝聚和蒸发扩散可能会导致外窗材料的破坏，或者由 不同气候作用带来的变形导致外窗基本功能( 如启闭力、气密性等) 的变差甚至 丧失。该标准的测试方法可用于检测外窗材料、外窗设计和生产中潜在的缺陷。 ( 2 ) 美国研究现状。美国十多年前已经开始这方面的研究，并制定了相关标 准考察建筑外窗高温差作用下的性能改变【lo j ；2 0 0 5 年又提出了温差循环作用下 的建筑外窗的性能检测标准l l 。 事实上，美国的温差循环作用下建筑外窗性能检测标准与上述欧洲标准在 检测方法上颇为相似，如考虑的主要气候因素、气候条件作用方式等。二者也 有差别，如气候循环作用的次数等。 1 3 1 2 国内研究现状 目前，国内这方面的系统研究尚属空白。中国建筑科学研究院建筑环境与 节能研究院已在进行相关工作【3 】。除了对欧美相关研究进行持续关注外，已在 设计相关检测方法，研发相关检测设备，进行了部分试验。 1 3 2 建筑外窗窗框保温性能检测技术研究 建筑外窗窗框保温性能的评价，国内外目前主要存在三种方法：理论计算、 软件模拟和实际测量。 ( 1 ) 理论计算。国外已有计算标准【l2 1 3 】；国内尚无独立的外窗及窗框传热系 数的计算标准，实际使用中主要参考国外标准或利用业内一些相对较成熟的计 算方法，如采用简化模型进行计算【1 4 j ；在该课题进行的同时，中华人民共和国 住房和城乡建设部于2 0 0 8 年发布了建筑门窗玻璃幕墙热工计算的行业标准 1 5 】， 于2 0 0 9 年5 月1 日起实施。 北京工业大学工学硕七学位论文 ( 2 ) 软件模拟。目前，国内外应用较多的窗框热工性能模拟软件主要有t h e r m 和f l i x o ，分别是美国能源部劳伦斯伯克n n 家实验室 1 6 1 和瑞士i n f o m i n d 公司【1 7 】 研究开发的。我国建设部标准定额研究所负责的建筑门窗节能性能标识实验室 采用的是美国能源部的t h e r m 软件【l 引。这两个软件是建立在国外计算标准基础 上的，只是软件更加便于应用；这两个软件虽然基于同标准，但二者采用的 计算模型是不同，所以得到的结果也有不同【1 9 1 。 ( 3 ) 实际测量。理论计算和软件模拟结果能起到一定的参考作用，可指导窗 框的设计；然而，外窗窗框的实际节能情况还需要通过试验进行测定。 欧洲己制订相关标准【2 ，采用热箱法测量，可供国内相关研究参考。 国内目前尚无此类强制性检测标准。中国建筑科学研究院建筑环境与节能 研究院已在进行相关研究【2 l j ：在课题进行的同时，中华人民共和国质量监督检 验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2 0 0 8 年联合发布了新版建筑外门 窗保温性能分级及检测方法标准1 2 2 1 ，将建筑外窗窗框传热系数检测方法作为了 资料性附录列出。 1 4 建筑外窗气候环境及传热过程分析 外窗作为建筑的重要组成部分，承担着沟通与隔绝室内外这两方面互相矛 盾的任务。 外窗作为沟通与分隔室内外环境的重要建筑构件，承受着室内外环境的反 复作用。与建筑外窗密切有关的外部气候要素有太阳辐射、气温、空气湿度、 降水等，随着季节和地区不同这些气候要素变动较大；相对而言，与建筑外窗 密切相关的室内环境要素有空气湿度、空气湿度等，随季节和地区的波动相对 较小。 下面对建筑外窗所处室内外环境及建筑外窗传热过程作一简单分析。 1 4 1 建筑外窗室内外环境参数 ( 1 ) 室外环境参数。室外环境参数主要包括太阳辐射、空气温度、空气湿度、 降水等。 太阳辐射。太阳辐射是地球上热量的基本来源，是决定气候的主要因素， 也是建筑外部最主要的气候条件之一。 太阳辐射热量的大小用辐射照度来表示。它是指l m 2 黑体表面在太阳辐射 下所获得的辐射能通量。在地球大气层外，太阳与地球的年平均距离处，与太 阳光线垂直的表面上的太阳辐射照度为i o = 1 3 5 3 w m 2 ，被称为太阳常数【2 引。 太阳的总辐射能中，转化为热能的主要是可见光和红外线。其中4 5 6 来 自波长在o 3 8 0 7 6 t m 范围内的可见光，4 5 2 来自于波长0 7 6 3 0 9 m 的近红 外线，7 来自于波长0 3 8 9 m 以下的紫外线，2 2 来自于波长在3 o i t m 以上的 第1 章绪论 长波红外线( 远红外线) 。 大气层对太阳辐射具有削弱作用，最终达到地面的太阳辐射能主要是可见 光和近红外线部分，即波长为0 3 2 - - , 2 5 “m 部分的射线。 空气温度。室外空气温度一般是指距地面1 5 m 高、背阴处的空气温度【2 4 | 。 地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。影响地面附近气温的因素主要 有入射到地面上的太阳辐射量、地面的覆盖面、大气的对流作用。 空气湿度。空气湿度是指空气中的水蒸气的含量，一般以绝对湿度和相 对湿度表示瞄川。 绝对湿度，即每立方米湿空气中所含水蒸汽量，其单位为g m 3 ；相对湿度， 即在一定的温度和气压下空气中实际水蒸汽量与饱和水蒸汽量之比。在建筑工 程中，常用实际水蒸汽分压力与饱和水蒸汽分压力的比值的百分数来表示相对 湿度。 一天中绝对湿度比较稳定，而相对湿度有较大变化。有时即使绝对湿度接 近于不变，相对湿度的变化范围也可以很大，这是由于气温的日变化引起的。 相对湿度日变化趋势与气温日变化趋势相反。 降水。从大地蒸发出来的水进入大气层，经过凝结后又降到地面上的液 态或固态水分，称为降水。雨、雪、冰雹都属于降水现象【2 引。 降水性质包括降水量、降水时间和降水强度。降水量是指降落到地面的雨、 雪、冰雹等融化后，未经蒸发或渗透流失而积累在水平面上的水层厚度，以毫 米为单位；降水时间是指一次降水过程从开始到结束的时间，用小时或分来表 示；降水强度的是指单位时间内的降水量，降水强度的等级以2 4 小时的总量 ( m m ) 来划分：小于1 0 m m 的为小雨，中雨为1 0 2 5 m m ，大雨为2 5 5 0 m m ，暴 雨为5 0 1 0 0r f l l t l 。 影响降水分布的因素很复杂，主要有气温、大气环流、地形、海陆分布的 性质及洋流性质等。 ( 2 ) 室内环境参数。室内环境参数主要包括室内空气温度、室内空气湿度。 室内空气温度。室内气温是表征室内热环境的主要参数【2 4 1 。对一般民用 建筑，暗房间的使用要求而对房间温度有相应的规定：冬季室内温度一般应在 1 6 - - 2 2 ；夏季空调房间的气温多规定为2 4 - - 2 8 ，并以此作为计算温度。而室 内实际温度则由房间内得热和失热、围护结构内表面的温度及通风等因素构成 的热平衡决定。对一些有特殊要求的生产和实验房间，不但需要满足室温要求， 还需要使温度的波动值控制在一定范围之内。 室内空气湿度。空气湿度直接影响人体的蒸发散热，一般认为最适宜的 相对湿度应为5 0 0 0 , , , 6 0 【2 4 | 。在多数情况下，即气温在1 6 2 5 时，相对湿度在 3 0 0 0 , - 7 0 范围内变化，对人体的热感觉影响不大。但如果湿度过低( 低于3 0 ) 北京r 业大学工学硕士学位论文 则人会感到干燥、呼吸器官不适；湿度过高则影响正常排汗，尤其在夏季高温 时，如湿度过高( 高于7 0 ) 贝j j 汗液不易蒸发，最令人不舒适。 1 4 2 建筑外窗传热过程分析 ( 1 ) 热量传递的三种基本方式 导热。导热是基本的热量传递方式之一，即物体各部分之间不发生相对 位移，依靠分子，原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递【2 5 1 。 导热遵循f o u r i e r 定律，见公式( 1 1 ) ： q = - ) l z l 竽q ：一兄竽 ( 1 1 ) 0d 式中9 碟热量，w ； 彳一导热系数( 热导率) ，w ( m k ) ； 彳垂直于导热方向的截面积，m 2 ； 卜平壁两侧璧温之差，； 肛平壁厚度，m ； 口热流密度，w m 2 。 热阻是衡量导热能力大小的重要参数，热阻定义式为： d ：一以丝：一生：一丝( 1 - 2 ) 万 6 ( z a ) r 2 q ：2a0：一竺(1-3)-a = = 一一 2 6 | 九 则称尺a = 别( m ) 为热阻( t h e r m a lr e s i s t a n c e ) ，单位为( m 2 k ) w ：称r = 肌为单位面 积的热阻，单位为( m k ) w ；热阻的倒数称为热导( t h e r m a lc o n d u c t a n c e ) ，用人 表示，单位为w ( m 2 - k ) 。 对流。对流是指物体各部分之间发生相对位移，依靠流体的运动进行能 量传递方式，是一种基本的能量传递方式2 5 1 。 传热工程上涉及的问题往往不单纯是热对流，而是流体与固体壁的对流换 热。对流换热指流体与固体壁直接接触时的换热过程，是对流与导热联合作用 的传热过程，见图1 1 。 图1 1 对流换热 f i g u r e1 - 1 c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r 6 第1 章绪论 i i i ! ! 寰曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! ! ! 曼! 曼苎曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼曼皇苎曼皇曼皇曼曼! ! 曼曼曼皇曼曼曼曼! 皇! 璺 对流换热遵循牛顿冷却定律： a t = i o - t l ( 1 - 4 ) q = h a t( 1 5 ) q = q a = a h a t - 嵩 ( 1 - 6 ) 式中卜固体壁表面温度，； 卜流体温度，： 卜理表面与流体温度差，： b 对流换热系数，w ( m 2 k ) ； 么垂直于导热方向的截面积，m 2 ； 留热流密度，w m 2 ； 9 传热量，w 。 r = 面1 为对流传热热阻，单位为列w ；r = 去为单位面积上的对流换热 热阻，单位为( m 2 k ) w 。 辐射。辐射换热是依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线来进行热 量传递的方式，也是一种基本的热量传递方式 2 5 1 。 黑体是一种能吸收全部辐射能的理想物体，其辐射能力也最大。 辐射换热遵循s t e f e n - b o l t z m a n 定律。对于黑体，理论和实验验证，它的辐 射力历与表面热力学温度的4 次方成正比，即： e b = c r 6 t 4( 1 - 7 ) p = o - b t 4 a( 1 - 8 ) 或写作： 邑= c b ( 志) 4 ( 1 - 9 ) q = c 6 ( 而1 ) 4 4 ( 1 - 1 0 ) i u u 式中历黑体辐射力，w m 2 ； 妨一s t e f e n b o l t z m a n 常数，弼= 5 6 7 x i 0 一w ( m 2 k 4 ) ； c 6 一黑体辐射系数，c b = 5 6 7 w ( m 2k 4 ) ； 卜热力学温度，k 。 切实际物体的辐射力都低于同温度下黑体的辐射力，为： e = s o b t 4 ( 1 1 1 ) 北京一 业大掌工学坝士掌位论文 8 丁 色= 吒( 孟) 4 ( 1 - 1 2 ) 式中为实际物体表面发射率，也称黑度，其值处于0 - 1 之间。 两个无限大的平行平面间的热辐射是最简单的辐射换热问题，设它的两表 面的热力学温度分别为乃和乃，且t i t 2 ，则两表面间单位面积、单位时间辐 射换热热流密度的计算式是： 广1 1个1 q = c 1 2 1 孟) 4 一( 盖) 4i ( 1 - 1 3 ) 式中c l 。2 称1 和2 两表面间的系统辐射系数，它取决于辐射表面材料性质及状 态，其值在o 5 6 7 之间。 ( 2 ) 传热过程。工程中经常遇到两流体通过固体壁面的换热，即热量从壁一 侧的高温流体通过壁传给另一侧低温流体的过程，称为传热过程 2 5 】。 典型的两流体间的传热过程如图1 2 所示。设有一大平壁，面积为彳；它 的- - n 为温度r l 的热流体，另一侧为温度t 2 的冷流体：两侧对流换热表面传热 系数分别为h l 和h 2 ；壁面温度分别为臼1 和晓：壁的材料导热系数为兄，厚度为 占。又设传热工况不随时间变化，即各处温度及传热量不随时间改变，传热过程 处于稳态：壁的长和宽均远大于其厚度，可认为热流方向与壁面垂直。 o 图1 2 传热过程 f i g u r e1 - 2 h e a tt r a n s f e rp r o c e s s 热量由热流体以对流换热传给左壁，按公式( 1 5 ) ，其热流密度为： ( 1 1 4 ) 该热量又以导热方式通过壁，按公式( 1 3 ) ，有： g = 孝( 日一幺) ( 1 - 1 5 ) 它再由右侧以对流换热传给冷流体，按公式( 1 5 ) ，即： 第1 章绪论 q = ( ，2 幺)( 1 1 6 ) 在稳态情况下，以上三式的热流密度g 相等，因而将三式联立，消去日l 及 晓，整理后得该壁传热热流密度g 为： g2 1 广打( l 一2 ) = 七( 1 一f 2 ) ( 1 1 7 ) h l旯h 2 式中 k2 丁打 ( 1 1 8 ) h l 兄h 2 k 称为传热系数，它表明单位时间、单位壁面积上，冷热流体间每单位温度差 可传递的热量，单位为w ( m 2 - k ) 。传热系数，即k 值，能反映传热过程的强弱。 设r 为平壁单位面积传热热阻，则r = l k ，即： 尺= 去+ 妄+ j h ( 一- 9 ) 忍 旯 ， 、 7 单位为( m 2 k ) w 。可见，传热过程的热阻等于热流体、冷流体的换热热阻及壁 的导热热阻之和。热阻的大小与流体的性质、流动情况、壁的材料以及形状等 许多因素有关。 ( 3 ) 建筑外窗的传热过程及其理论分析。对一个建筑外窗产品而言，热量传 递主要由以下几种方式【16 】： 一是温差驱动的热传递。当室内外存在空气温差时，热量就会以传导、对 流和辐射共同作用的方式通过外窗进行传递。这种传递方式可以用传热系数， 即k 值来描述。 二是太阳得热。不管室外温度多高，太阳辐射能，包括直接辐射能和间接 辐射能，总可以透过外窗的玻璃系统进入室内而使建筑物内部得热。这种得热 方式的的热量可以用玻璃系统的太阳得热系数( s o l a rh e a tg a i nc o e f f i c i e n t ，简称 s h g c ) 来描述。 三是渗透传热。热量也会通过外窗系统的缝隙进行传递，主要是通过外窗 系统缝隙的空气交换来进行热传递的。这种传热方式与外窗两侧的空气压力( 来 自与温差和风速) 有关。 这里主要研究第一种热传递方式。对一个完整的外窗系统来说，其传热系 数是由玻璃系统，窗框以及玻璃边缘线性传热系数值三部分组成【2 6 】，见图1 3 ， 计算见公式( 1 2 0 ) ： 北京工业大学工学硕士学位论文 曼曼皇苎曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼蔓! 曼曼曼! ! ! 曼曼曼i i i 曼曼! 曼! 曼! ! ! ! 曼曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼曼蔓曼曼! 曼! 曼! 曼曼! 苎! 苎! ! ! ! ! 皇曼曼! ! 曼曼 图1 - 3 建筑外窗传热过程 f i g u r e1 - 3 h e a tt r a n s f e rt h r o u g hw i n d o w s k 。：竺生鼍坐些竺( 1 - 2 0 ) 以w 式中 k 一整窗的传热系数； 爵一窗框的传热系数； 一玻璃的传热系数； a ，_ 一整窗面积； 么r 窗框面积； 么广玻璃面积； 三r 间隔系统的周长； 瞿一中空玻璃边缘线性传热系数 1 5 课题研究内容及技术路线 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 不同气候条件下建筑外窗性能变化检测技术。不同气候条件下建筑外窗 性能变化检测技术研究，主要解决以下几个问题：不同气候条件下外窗性能 变化检测方法；不同气候条件下外窗性能变化检测设备；不同气候条件下 外窗性能变化检测试验；不同气候条件下外窗性能变化检测结果评价。 ( 2 ) 建筑外窗窗框的保温性能检测技术。建筑外窗窗框保温性能检测技术研 究，主要解决以下几个问题：建筑外窗窗框保温性能检测方法；建筑外窗 窗框保温性能检测设备；建筑外窗窗框保温性能检测试验；建筑外窗窗框 保温性能检测结果评价。 第1 章绪论 i i mi ii i 1 5 2 采取的技术路线 ( 1 ) 不同气候条件下外窗性能检测技术研究的技术路线。不同气候条件下外 窗性能检测技术研究路线如图( 1 4 ) 所示： 图1 4不同气候条件下外窗性能检测技术研究的技术路线 f i g u r e1 - 4 r e s e a r c hm e t h o do f w i n d o w s b e h a v i o u rt e s tt e c h n i q u ei nd i f f e r e n tc l i m a t e s 在对我国建筑外窗所处的气候条件进行研究的基础上，参考国内外相关的 检测方法，建立适合于我国的检测方法；根据建立的检测方法，设计检测设备 的各个系统功能，完成相应的设备的安装、调试和标定工作；利用该设备进行 检测，得到相应的检测结果；最后，可以利用软件模拟对相关结果给出一定的 解释。 ( 2 ) 建筑外窗窗框传热性能检测技术研究。建筑外窗窗框保温性能检测技术 研究路线如图1 5 所示。 图1 5 建筑外窗窗框传热性能检测技术研究的技术路线 f i g u r ei 一5r e s e a r c hm e t h o do ft h e r m a lp e r f o r m a n c et e s tt e c h n i q u eo fw i n d o w sf l a m e 在我国现有的检测标准和设备的基础上，建立适合于我国水平的窗框保温 性能检测方法；在建立的窗框保温性能检测方法的基础上，建立相应的检测设 备，并进行调试和标定工作；利用标定完成的设备进行检测，得到相关的检测 结果；将检测结果与软件模拟结果进行比较，得到相关结论。 第2 章不同气候条件下建筑外窗性能变化检测方法与设各研究 第2 章不同气候条件下建筑外窗性能变化 检测方法与设备研究 本章研究了我国不同气候条件下建筑外窗性能变化的检测方法，依此进行 了相应设备的功能系统设计，并对该设备的各项性能参数进行了标定，为检测试 验作了准备。 2 。1 不同气候条件下建筑外窗性能变化检测方法 不同气候条件下外窗性能变化检测方法，是基于外窗在实际使用过程中内外 侧所处的不同气候条件反复作用的情况下，性能发生的变化而作出的对外窗的评 价方法。该方法针对我国目前外窗检测方法存在的不足，结合我国的气候条件以 及欧美相关检测方法提出的。 2 1 1 欧美相关检测方法 不同气候条件下建筑外窗性能变化检测方法，是在借鉴国外先进方法的基础 上建立起来的。因此，首先对欧美相关检测方法进行了研究总结。 2 1 1 1 欧洲检测标准研究 欧洲在2 0 0 0 年提出了建筑外窗在不同气候条件下的性能变化检测方法的标 准预备稿；英国、德国同年也提出了自己的标准预备稿。 该标准的基本原理见图2 1 ：先对外窗试件性能进行检测：在外窗试件两侧 施加不同的气候条件，循环作用一定次数：在气候循环作用后，再对外窗性能进 行检测；最后根据两次检测结果，得出外窗在不同气候条件作用下的性能变化。 该标准所采用方法如下：将建筑外窗试件的一侧置于一定温湿度环境下( 相 当于室内侧，记为1 侧) ，试件另一侧( 相当于室外侧，记为2 侧) 设计为每1 2 个 小时为一个高低温循环，表2 1 列出了欧洲检测标准的气候条件：试验前先对试 件的相关性能进行检测记录，然后2 侧一面进行1 0 0 次高低温循环试验，欧洲检 测标准的气候作用方法见图2 - 2 ：对外窗的相关性能进行检测记录，将前后两次 结果进行比较给出评价结果。 图2 1 欧洲标准检测原理 f i g u r e2 - 1 t e s tp r i n c i p l ei ne u r o p e a ns a n d a r d 1 3 北京工业大学t 学硕：j 学位论文 表2 1 欧洲检测标准气候条件 t a b l e2 1 c l i m a t ec o n d i t i o n si