CN101113964A - 建筑物围护结构透明部分热特性测量装置 - Google Patents

建筑物围护结构透明部分热特性测量装置 Download PDF

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鹿院卫
马重芳
戴自祝
张旭
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本发明是建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，属于建筑节能领域。本装置主要包括有用于贴在建筑物墙体(2)上的透明围护结构(1)内表面的、导热系数为0～400W/(m□K)的吸热装置(3)、设置在透明围护结构(1)外面的太阳辐射测量装置(6)和用于测量室内、外温差的测温装置。吸热装置(3)能够与透明围护结构(1)围成一空腔，位于吸热装置(3)室内侧的外表面上黏贴有热流计(5)。吸热装置(3)的内表面进行了“黑化”处理，外表面进行了“白化”处理。利用该装置可实现建筑物围护结构透明部分的传热系数K和太阳得热系数SHGC的现场测量，进而对通过建筑物围护结构透明部分的能量损失进行定量分析。

Description

建筑物围护结构透明部分热特性测量装置
技术领域
建筑物围护结构透明部分热特性测量装置属于建筑节能领域，主要是利用该装置实现建筑物围护结构透明部分传热系数及太阳得热系数的测量，以实现对建筑物围护结构透明部分能量损失的定量评价，为建筑节能凭价提供现场测量评价依据。
背景技术
建筑物围护结构透明部分是建筑物的重要组成部分，除满足人们采光、通风、日照、视野等方面的需求外，同时作为建筑外围护结构的开口部位，是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感部位，是墙体热损失的5～6倍。
透过建筑物围护结构透明部分的能量损失方式主要有3种：传导、对流和辐射。对流传热主要表现为中空玻璃中间气体层的流动以及透明部分与非透明部分缝隙间气体的渗漏，对于对流传热，通过安装工艺的改进一般可以有效减少空气对流引起的热损失。而对于室内外温度差引起的传导热损失及太阳辐射引起的热损则伴随整个建筑物的使用过程，成为建筑物能耗的主要组成部分。夏季透过围护结构透明部分进入建筑物的热量占空调冷负荷的一大部分，而冬季由于围护结构透明部分本身的传热系数比墙体大，透过透明部分散失到外部环境中的热量对采暖负荷具有重要影响。据统计，建筑物围护结构透明部分长期使用能耗约占整个建筑长期使用能耗的50％以上，因此通过建筑物围护结构透明部分的能量损失日益受到人们广泛关注。
通过建筑物围护结构透明部分的能量损失包括通过玻璃的能量损失和通过用于固定透明部分骨架的能量损失之和。近年来，随着铝合金隔热断桥、塑钢、玻璃钢窗框等新型骨架材料的出现，骨架材料的保温隔热性能有了很大提高，通过固定透明部分骨架的热损失得到了有效降低，而占整个围护结构透明部分面积70％～85％的玻璃的节能仍令人担忧。为了降低建筑物能耗，尤其通过玻璃的能量损失，我国提出了一系列建筑节能设计标准，对建筑物不同围护结构的设计做了详细的规定，以达到降低建筑能耗的目的。为了实施我国的“可持续发展战略”，达到2010年全国建筑总能耗节能50％的目标，建设部2006年提出“居住建筑节能检验标准”征求意见稿，旨在检验评价我国新建建筑和既有改造建筑是否真正具有建筑物节能设计标准所要求的热工性能和能耗指标。该征求意见稿中对建筑物不同围护结构的性能检验方法做了详细的规定，但是，由于围护结构透明部分传热机理的复杂性，该标准中没有对透明部分的热性能参数测量方法作出任何规定，可见对于建筑物围护结构透明部分的节能检测目前还没有有效的现场测量方法，有必要开发新的有效的测量装置，以实现建筑物围护结构透明部分的节能评价。
围护结构透明部分的热工性能的评价包括反映透明部分本身隔热保温特性的综合传热系数K值和反映通过透明部分进入室内的太阳得热量系数SHGC。综合传热系数K反映窗结构本身和两侧空气边界层共同传递热量的能力，传热系数越大，在相同室内外温差下，进入或流出室内的热量越大；太阳得热系数SHGC则反映通过玻璃进入室内的太阳辐射量的大小。对于外窗传热系数的测量目前是采用热箱法，该方法国内外已纳入国家标准，将外窗的保温性能分为10级，级数越大，窗户保温性能越好。但该方法的实际测量是在实验室人工制造一个一维环境，将被测窗户安装在测试箱上，被测窗户内侧用热箱模拟室内条件，窗户外侧模拟室外自然条件。但由于实验室被检验的窗户往往与实际工程中具体应用的窗户差别较大，测量结果难以反映现场具体的实际情况。目前对于窗户太阳得热系数确定是通过参照不同玻璃的性能参数及当地的气候条件利用具体的专用软件通过数值计算得到的，而对于窗户得热系数的实际测量，还没有具体的实时测量方法。国外对于太阳得热系数的研究仍采用热箱法进行模拟，太阳辐射利用太阳辐射模拟设备产生，通过测量热箱内的热量、箱内外温度及太阳辐射的变化，求出窗户太阳得热系数。我国对窗户节能特性的研究则更少，目前可查到的相关文献也很有限，对窗户的评价基本上停留在单纯考虑窗户的传热系数K的静态模型，或者既考虑传热系数K(总热阻)又考虑太阳得热系数(SHGC)静态模型阶段；目前能够找到的唯一一篇关于整个窗户热特性的测量文献也是采用类似热箱法，室内部分利用热箱模拟室内环境，而室外则利用实际的环境条件进行测量，但测量误差较大，且热箱法设备庞大，操作复杂，难以搬运到现场进行实际的实时测量。对于如玻璃幕墙这样的透明围护结构薄弱环节，更是没有准确的测量装置，因此有必要开发新型的易于实现现场测量的围护结构透明部分热特性测量装置。
发明内容
本发明的目的在于提出一种实现建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，该装置可以同时测量玻璃的传热系数K和太阳得热系数SHGC(Solar HeatGain Coefficient)，从而对围护结构透明部分的热特性进行评价。
为达到上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。主要包括有用于贴在建筑物墙体2上的透明围护结构1内表面的、导热系数为0～400W/(m□K)的吸热装置3、设置在透明围护结构1外面的太阳辐射测量装置6和用于测量室内、外温差的测温装置，其中，吸热装置3能够与透明围护结构1围成一空腔15，位于吸热装置3室内侧的外表面上黏贴有热流计5。
所述的吸热装置3为半圆柱形壳体或半球形壳体或长方形壳体结构，若为半圆柱形壳体或半长方形壳体结构，则在吸热装置3的上下两个端面设置有绝热层4。
所述的吸热装置3的内表面涂有吸收率大于0.6的黑色材料，进行了“黑化”处理，将所有通过围护结构透明部分的热量全部吸收。位于室内侧的外表面涂有发射率小于1的白色材料，进行了“白化”处理，以降低吸热装置3与建筑物墙体2之间的辐射换热。
所述的吸热装置3由金属材料或非金属材料制成，吸热装置3的壁厚在1～100mm。
所述热流计5的位于室内侧的外表面上涂有发射率小于1的白色材料。
所述的太阳辐射测量装置6布置在距透明围护结构1外表面0～10m处。
所述的测量室内、外温差的测温装置为热电偶或为温度测量仪。
本发明的玻璃热特性现场测量装置的基本机理是，进入室内的净热量Q净包括室内外温度差引起的热传导Q传导和太阳辐射进入室内的辐射换热Q辐射，即：
Q净＝Q传导+Q辐射＝K·Δt+SHGC·G            (1)
式中，  G为投射到窗户玻璃上的平均太阳辐射热(w/m2)，K为玻璃传热系数(W/(m2·℃))，Δt为室内、外空气温差(℃)，SHGC为玻璃的太阳得热系数。
定义外窗玻璃热性能系数
Figure A20071011931800061
则：
Figure A20071011931800062
公式3中Q净/G与Δt/G成线性关系，斜率为K，截距为SHGC。这样通过热流计5测量得到Q净值，通过太阳辐射测量装置6测量得到G值，通过室内、外温差的测温装置测量得到透明装置两侧空气温度差Δt值，利用实验测量测得一系列Q净、G和Δt，按照公式(3)，以Δt/G为横坐标，以Q净/G为纵坐标，对实验数据进行线性回归即可求出K和SHGC。
实验证明，该装置可以实现任意建筑物围护结构透明部分的热特性测量，此处的围护结构透明部分热特性测量既包括传热系数的测量，也包括的太阳得热系数的测量。
附图说明
图1通过单层玻璃的热量传递示意图
图2建筑物围护结构透明部分热特性测量装置平面示意图
图3太阳辐射通过双层玻璃的热量传递示意图
图4建筑物围护结构透明部分热特性测量装置示意图
图5建筑物围护结构透明部分热特性测量装置示意图
图6建筑物围护结构透明部分热特性测量装置示意图
图中：1、透明围护结构，2、建筑物墙体，3、吸热装置，4、绝热层，5、热流计，6、太阳辐射测量装置，15、空腔。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例是针对含有透明围护结构1的建筑物墙体2实现透明围护结构热特性的测量，本实施例中的吸热装置3是由一导热系数为398W/(m□K)、壁面厚度为1mm的铜制成的半圆柱形壳体，在半圆柱形壳体的上下两个端面设置有绝热材料4进行绝缘，在半圆柱形壳体的外表面粘贴有热流计5，对通过半圆柱形壳体的热量进行测量。
本实施例应用的建筑物透明围护结构1为单层玻璃，通过单层玻璃的热量传递过程如图1所示，室外的太阳辐射8照射在玻璃1外表面时，一部分太阳辐射能量9通过透射进入室内，一部分太阳辐射能量10则被反射室外，另一部分太阳辐射能量11则被玻璃吸收，导致玻璃自身温度升高，玻璃温度升高后一部分能量13以导热和长波辐射的形式进入室内，另一部分能量12则以导热和长波辐射的形式传入室外，进入室内的太阳辐射能9和13形成室内得热。室内另外一部分得热量14则来自于因室内外的温度差以热传导的形式进入室内的热量。
测量时，将此测量装置中的半圆柱形壳体的侧端面粘附在透明围护结构1的位于室内侧的表面，则半圆柱形壳体与单层玻璃围成一空腔15，如图2所示。半圆柱壳体的内表面涂有黑色亚光漆进行了“黑化”处理，将所有通过玻璃进入室内的传导热量14和太阳辐射热9和13全部吸收，通过半圆柱壳体外表面上的热流计5进行测量得到进入室内的净热量Q净。为了降低半圆柱壳体与室内墙壁之间的辐射换热，在半圆柱壳体的外表面粘附白色铝箔，对其进行“白化”处理，同时在热流计5的外表面也进行了同样的“白化”处理，热流计5对进入室内的净热量Q净进行测量。在玻璃1的外表面10厘米处布置太阳辐射测量装置6对室外的不同时间段的太阳平均辐射G进行实时测量。而室内外空气温度则通过热电偶进行测量，得到室内外空气温差Δt，这样通过一系列的Q净、G和Δt测量值，即可按照公式(3)，以Δt/G为横坐标，以Q净/G为纵坐标，对实验数据进行线性回归，得到直线的斜率即为玻璃的传热系数K，而截距即为太阳得热系数SHGC。
实施例2：
本实施例中的装置与实施例1基本相同，只是吸热装置3为一端开口的长方形壳体结构。
本实施例应用于的建筑物透明围护结构1为双层玻璃，如图3所示，太阳辐射通过双层玻璃的热量传递过程为，室外的太阳辐射8照射在双层玻璃1外表面时，一部分辐射能量9通过透射进入双层玻璃夹层，一部分辐射能量10则被反射室外，另一部分辐射能量11则被玻璃吸收，导致玻璃自身温度升高，玻璃温度升高后一部分能量13以导热和长波辐射的形式进入双层玻璃内腔，导致腔内温度的升高，另一部分能量12则以导热和长波辐射的形式进入室外。透射进入双层玻璃腔内的太阳辐射能9中的一部分能量16通过双层玻璃1的内层玻璃透射进入室内，形成房间得热，能量9中的另一部分能量1 7则由于反射进入双层玻璃腔内，能量9中的第三部分能量18则被玻璃吸收，导致玻璃温度升高，这部分能量以长波辐射和导热的形式19和20进入房间和双层玻璃1夹层空腔内。整个通过双层玻璃1的太阳辐射热可以简化为以透射形式进入室内的太阳辐射热16和以反射热量10的形式进入大气的热量之和，如图4所示，此处玻璃吸收太阳辐射后以长波辐射形式进入室内的辐射热计算进透射热16中，而玻璃1吸收太阳辐射后温度升高以导热的形式进入室内的热量则计入因室内外温度差以热传导的形式进入室内的热量14中，这样，进入室内的太阳辐射能16和传导热14形成室内得热。
测量时，将此测量装置中的长方形壳体的开口端的侧面粘附在双层玻璃的位于室内侧的表面，则长方形壳体与双层玻璃的内表面围成一空腔15。长方形壳体的内表面进行了“黑化”处理，将所有通过玻璃进入室内的传导热量14和太阳辐射热16全部吸收，通过粘贴在长方形壳体位于室内侧表面上的热流计5进行测量得到进入室内的净热量Q净。其他有关该双层玻璃的热特性测量过程同实施方案1，实验测量得出玻璃的传热系数K和太阳得热系数SHGC。
实施例3：
本实施例中的装置与实施例1基本相同，只是吸热装置3为有一个开口端的半球形壳体，如图5所示，用于将所有通过透明结构1进入室内的热量全部吸收并传入室内，其他实施过程同实施例1。
该装置同样可以应用到双层玻璃热特性的测量，如图6所示，该实施过程同实施例2。

Claims (7)

1.建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：主要包括有用于贴在建筑物墙体(2)上的透明围护结构(1)内表面的、导热系数为0～400W/(m□K)的吸热装置(3)、设置在透明围护结构(1)外面的太阳辐射测量装置(6)和用于测量室内、外温差的测温装置，其中，吸热装置(3)能够与透明围护结构(1)围成一空腔，位于吸热装置(3)室内侧的外表面上黏贴有热流计(5)。
2.根据权利要求1所述的建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：所述的吸热装置(3)为半圆柱形壳体或半球形壳体或长方形壳体结构，若为半圆柱形壳体或半长方形壳体结构，则在吸热装置(3)的上下两个端面设置有绝热层(4)。
3.根据权利要求1所述的建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：所述的吸热装置(3)的内表面涂有吸收率大于0.6的黑色材料，位于室内侧的外表面涂有发射率小于1的白色材料。
4.根据权利要求1所述的建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：所述的吸热装置(3)由金属材料或非金属材料制成，吸热装置(3)的壁厚在1～100mm。
5.根据权利要求1所述的建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：所述热流计(5)的位于室内侧的外表面上涂有发射率小于1的白色材料。
6.根据权利要求1所述的建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：所述的太阳辐射测量装置(6)布置在距透明围护结构1外表面0～10m处。
7.根据权利要求1所述的建筑物围护结构透明部分热特性测量装置，其特征在于：所述的测量室内、外温差的测温装置为热电偶或为温度测量仪。
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