红外热像技术在门窗幕墙保温性能检测中的应用

刘正权

（中国建筑材料科学研究总院，中国建筑材料检验认证中心有限公司，北京 100024）

1 前言

我国的建筑能耗占社会总能耗的近三分之一，能源利用效率低、单位建筑能耗高是我国建筑耗能的主要特点。作为建筑的外围护结构，门窗幕墙的节能性能对建筑物整体的节能效果有着至关重要的影响，我国建筑节能设计标准和规范中对门窗幕墙的节能性能也都提出了要求[1~2]。门窗幕墙的保温性能是体现其节能效果的一项重要指标，而传热系数和抗结露因子又是表征保温性能的主要单值指标。国标GB/T 8484-2008中给出了门窗幕墙传热系数和抗结露因子的实验室检测方法，即采用标定热箱法测试门窗幕墙在特定环境条件下的传热系数和抗结露因子[3]，但这种方法只能得到有限的试件表面温度数据，难以全面反映门窗幕墙在稳态传热条件下的温度分布情况，无法得出试件热测表面温度，而这一指标对准确衡量试件的抗结露性能、设计方案评价以及门窗幕墙热工模拟软件的辅助开发等尤为重要。

红外成像是一种利用红外探测器和光学成像物镜来探测目标物体的红外辐射能量的无损检测技术，通过光电转换、信号处理等手段，将能量分布反映到红外探测器的光敏组件上，从而获得与被测物体表面热分布场相对应的红外热像图。红外成像技术具有非接触、远距离、实时快速测量等优点，在材料缺陷检测与评价、建筑节能评价等领域得到了广泛的应用。利用红外热像仪通过对建筑物或建筑构件表面的温度分布状况进行检测），可以分析建筑物的结构和热工缺陷（图1，为建筑的加固和节能改造提供参考依据[4~5]。Brent等人利用红外成像技术研究了几种不同结构的中空玻璃在美国保温测试环境条件下的温度分布情况[6~7]，然而对于真空玻璃以及不同材质的窗框表面温度分布还未见有研究。本文利用红外热像技术研究了几种常用的门窗幕墙玻璃及窗框材料在我国保温性能测试环境条件下热侧表面温度的分布情况，分析结果可为门窗幕墙的保温性能评价和节能设计提供重要的参考依据。

图1 建筑物红外热像热工缺陷检测

2 实验装置

为实现试件处于一个稳态的传热过程，且保证试件两侧的环境变量的稳定，实验采用图2所示的一套装置。实验装置包含一个热箱和一个冷箱，分别配备辅助加热器用于保证箱体内的空气温度保持稳定。热箱内距试件1.8m处安装一台红外热像仪，热像仪镜头中心与试件中心在一条水平线上，热像仪的分辨率为0.05℃。

图2 测试装置

红外测温技术的理论基础是普朗克辐射定律，根据该定律可知被测物体的真实的温度除与辐射常数、辐射的波长、辐射率等因素有关外，它的测试精度还与环境温度、距离、环境湿度、背景噪声等因素有关[8-10]。所以，需要精确输入被测物体的辐射率、环境温度、大气温度等参数才能得到被测物体的精确温度。然而，这些参数往往难以精确得出，这就对红外测温的准确度产生很大的影响。为了解决红外测温的准确度，本文采用高精度Pt100测温与红外测温进行比对，因为高精度Pt100铂电阻测试不受各种参数的影响即在被测试件的表面粘贴若干个测温铂电阻，根据铂电阻测得的温度调整红外热像仪的测试参数，直到红外热像显示的温度与铂电阻显示的温度一致为止。

利用FLIR QuickReport软件可以对拍摄的红外热像图进行分析，可以得到每一点的温度、每一区域的最高、最低和平均温度值等温度分布情况。

3 试件和实验条件

3.1 玻璃

单片玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、低辐射（Low-E）玻璃、双中空玻璃和真空玻璃及其组合是目前门窗幕墙常用的玻璃种类。表1列出了本文实验所需的7种玻璃，玻璃尺寸均为600mm×900mm，2#~6#玻璃的空腔均填充空气，其中4#中空玻璃采用Swiggle暖边密封系统，其余中空玻璃均采用普通铝间隔条，6#和7#Low-E玻璃的辐射率为0.06。

表1 玻璃试件

表2 窗框试件

3.2 窗框

目前市场上常见的窗框材料有未增塑聚氯乙烯（PVC-U）、断桥铝合金、实木、铝木复合、铝塑复合等（表2），不同的窗框材料对门窗幕墙的结构强度、保温性能等有着不同程度的影响[5]。本文窗框试件形式均采用固定框，试件尺寸以能够正常安装下600mm×900mm的玻璃为准，实验采用30mm厚挤塑板代替玻璃面板。

3.3 实验条件

热箱空气温度设定为20℃，冷箱空气温度设定为-20℃，热箱内空气为自然对流，冷箱试件表面平均风速为3.0m/s，即试件外表面对流换热系数为16W/(m2·K)。环境温度采用空调进行调节。当冷、热箱和环境温度达到设定值后，监控各控温点温度，使冷、热箱和环境空气温度维持稳定，当温度波动不大于0.1 ℃时视为达到稳定。

4 实验结果

4.1 单片玻璃、中空玻璃、双中空玻璃温度分布

图3为1#、2#和6#玻 璃的热侧表面温度分布情况。其中，左图为玻璃沿水平中心线的温度分布曲线，右图为玻璃沿垂直中心线的温度分布曲线。从图中可以看出，5mm单片浮法玻璃（1#）的热侧中心点的表面温度最低，约-4℃；5mm+9A+5mm中空玻璃（2#）热侧中心点的表面温度次之，约7.3℃；5 m m+9 A+5 m m+9 A+5 m m双层中空玻璃（6#）热侧中心点的表面温度最高，约12℃。

图3 单层玻璃、中空玻璃、双中空玻璃热侧表面温度分布

4.2 不同间隔条中空玻璃温度分布

图4为3#和4#玻璃热侧表面温度分布情况。中空玻璃厚度均为5mm+12A+5mm，填充空气，不同的是3#中空玻璃采用普通铝间隔条，而4#中空玻璃采用的是Swiggle暖边间隔条。从图中可以看出，二者热侧表面的中心温度大致相同，约8.4℃左右，但是采用暖边间隔条的中空玻璃热侧边部温度要比采用铝间隔条的高3℃~5℃左右，这是由于Swiggle暖边间隔条的导热系数要比铝间隔条的导热系数低3倍左右。这样的差距体现在中空玻璃中就表现为Swiggle暖边密封系统比传统铝间隔条中空玻璃边部热传导率减少75%。玻璃热侧表面温度的提高可以减低玻璃结露的可能，减少了露水对窗框和阳台的腐蚀、污染，提高门窗使用寿命和使用舒适度。

图4 中空玻璃（铝间隔条和暖边隔条）热侧表面温度分布

4.3 Low-E真空玻璃和Low-E中空玻璃温度分布

图5为5#和7#玻璃的热侧表面温度分布情况。从图中可以看出，low-E中空玻璃（5#）热侧表面的中心温度约为12.5℃，比相同结构的普通中空玻璃（2#）热侧表面的中心温度高5℃左右，而真空玻璃（7#）热侧表面的中心温度可达18.1℃左右，接近热箱内环境温度，比Low-E中空玻璃（5#）的表面温度高5.6℃左右，比普通中空玻璃（2#）表面温度要高10℃以上。由于真空玻璃的边部一般采用低熔点玻璃料熔封，所以，边部的温度要远远低于玻璃的中心温度，温差最大可达12℃。此外，两片玻璃之间微小的支撑物一般采用金属，支撑处的温度比周围温度高0.5℃左右。所以，降低真空玻璃边部和支撑物的热导以及增大支撑物间距对于提高真空玻璃的保温性能具有重要意义。

图5 Low-E真空玻璃、Low-E中空玻璃热侧表面温度分布

4.4 窗框

图6为六种窗框的红外热像图，从图中可以看出铝塑铝和断桥铝合金窗框的温度较低，尤其是玻璃扣条四周，这部分也是门窗最容易发生结露的部位；实木和塑钢窗框的红外热像图颜色最浅，即温度最高；铝木复合窗框位于二者之间。

图6 窗框红外热像图

图7为六种窗框热侧可视面中心线最小温度、最大温度和平均温度。从图中可以看出，断桥铝合金窗框的表面温度最低，窗框可视面中心线的最低温度约9.2℃、最高温度约10.2℃；铝塑铝复合窗框的最低温度约为10.8℃，最高温度为11.2℃；实木窗框的温度最高，表面温度可达16.9℃，其次是塑钢窗框（含钢衬），约16.4℃；铝塑复合窗框的表面温度位于中间，在12.2℃~14.5℃之间。

图7 不同材质窗框热侧表面温度

5 结论

本文利用红外热像技术研究了不同结构的玻璃和窗框热侧表面温度分布情况，通过实验得出以下结论：

（1）Low-E真空玻璃热侧中心温度最高，其次是双中空玻璃、Low-E中空玻璃、普通中空玻璃，单片浮法玻璃热侧中心温度最低；

（2）采用铝间隔条的中空玻璃和采用Swiggle暖边间隔条的中空玻璃热侧中心点的温度几乎相等，但是采用暖边间隔条的中空玻璃边部的温度要比采用铝间隔条的中空玻璃高3℃~5℃左右；

（3）真空玻璃的边部具有较低的温度，比中心温度低10℃以上；

（4）真空玻璃支撑物处的温度比周围温度低约0.5℃。

玻璃及窗框表面温度对门窗幕墙结露与否影响甚大，也影响使用者的居住舒适度。过低的温度使得玻璃室内侧附近的空气温度下降，冷空气下沉，加剧空气对流，这样靠近门窗幕墙时就会感觉到冷；如果玻璃室内侧温度过高，则玻璃向室内产生的二次辐射就会增加，影响空调制冷能耗和居住舒适度。采用红外热像技术可以准确且全面的得出被测物体的温度分布情况，为门窗幕墙的保温性能检测以及节能设计方案评价提供了一种新的技术。

[1] GB 50189-2005. 公共建筑节能设计标准[S]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2006.

[2] GB 50411-2007. 建筑节能工程施工质量验收规范[S]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2007.

[3] GB/T 8484-2008. 建筑外门窗保温性能分级及检测方法[S]. 北京： 中国标准出版社, 2008.

[4] 刘正权. 建筑幕墙检测[M]. 北京： 中国计量出版社, 2007.

[5] 刘正权. 门窗幕墙及其材料检测技术[M]. 北京：中国计量出版社, 2008.

[6] Brent T G, Daniel T, et al. Surface Temperatures of Insulated Glazing Units： Infrared Thermography Laboratory Measurements [J]. ASHRAE Transactions, 1996, 102(2).

[7] Brent T G, Fred B, et al. Issues Associated with the Use of Infrared Thermography for Experimental Testing of Insulated Systems [A]. Proceedings of the Thermal Performance of the Exterior of Buildings VI Conference[C], 1995.

[8] 孙晓刚,李云红. 红外热像仪测温技术发展综述[J]. 激光与红外, 2008, 38(2)：101-104.

[9] 杨立. 红外热像仪测温计算与误差分析[J]. 红外技术, 1999, 21 (4) ： 20-24.

[10] 杨立, 寇蔚等. 热像仪测量物体表面辐射率及误差分析[J]. 激光与红外, 2002, 32 (1) ： 43-45.