雙中空玻璃間距設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的研究

杜思樂(lè)，李 蕊，王忠林

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040)

東北地區(qū)處于我國(guó)的高緯度地區(qū)，冬天氣溫極低，室內(nèi)外溫差很大，為了滿足居民冬天的生活要求，需要對(duì)建筑物進(jìn)行良好的保溫設(shè)計(jì)。其中，窗戶的保溫性能是建筑物保溫性能中很重要的環(huán)節(jié)。而窗戶的組成中玻璃的設(shè)計(jì)尤為重要，是窗戶保溫性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

建筑門窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能最薄弱的部位，它的長(zhǎng)期使用能耗約占整個(gè)建筑物長(zhǎng)期使用能耗的50%，因此，提高門窗保溫性能是降低建筑物長(zhǎng)期使用能耗的重要途徑。窗戶的保溫性能不但明顯地影響建筑物的采暖能耗，而且對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境、舒適感以及室內(nèi)的衛(wèi)生狀況也有明顯的影響。如果窗戶的保溫質(zhì)量不佳，通過(guò)窗戶的傳熱熱損失和通過(guò)窗戶縫隙的空氣滲透熱損失就會(huì)顯著增加，進(jìn)而引起采暖能耗顯著增加。

目前廣泛使用的中空玻璃是一種隔熱、隔音、美觀適用、并可降低建筑物自重的新型建筑材料。本項(xiàng)目旨在對(duì)雙中空玻璃間距的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，力求得出能夠使保溫性能達(dá)到較高水平的優(yōu)化間距方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為今后東北地區(qū)建筑物窗戶保溫設(shè)計(jì)提供一定的科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

玻璃窗戶的保溫性能由傳熱系數(shù)K值直接反應(yīng)，傳熱系數(shù)越低，說(shuō)明散熱越少，窗戶的保溫性能越好。因此本實(shí)驗(yàn)主要探究在現(xiàn)有技術(shù)條件下使傳熱系數(shù)最小的玻璃間距組合。

通過(guò)擬定漸變擬定的間距組合，進(jìn)行傳熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，繪制間距組合與傳熱系數(shù)的變化圖像，根據(jù)圖像研究間距組合與才傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，提出滿足較優(yōu)保溫性能的最優(yōu)間距組合，完成研究。

在探究組合的研究過(guò)后，研究δ1，δ2的朝向問(wèn)題，即玻璃安裝的過(guò)程中的安置方向問(wèn)題，研究不同朝向?qū)Υ皯舯匦阅艿挠绊?。在確定最后間距組合后，進(jìn)一步探索最優(yōu)朝向，使窗戶的保溫性能進(jìn)一步提升，對(duì)建筑建設(shè)過(guò)程中窗戶的安裝問(wèn)題提供依據(jù)。

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，雙玻間距在10 mm以下時(shí)，間距和熱阻幾乎成直線關(guān)系;當(dāng)雙玻間距在10 mm～30 mm時(shí)，間距和熱阻的關(guān)系成曲線;當(dāng)間距超過(guò)30 mm時(shí)，由于對(duì)流與輻射熱交換的綜合作用，使空氣層的熱阻增加十分緩慢。

設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)熱阻的需要和框材的經(jīng)濟(jì)尺度，適當(dāng)確定玻璃的間距，一般不宜小于9 mm［1］。目前市面上廣泛使用的兩玻玻璃窗戶，有塑料窗，木窗，鋁合金窗，鋁塑復(fù)合窗，傳熱系數(shù)均在2.4～2.5 W·m－2·K－1，質(zhì)量稍差的高達(dá)2.8 W·m－2·K－1，再加上冬季供暖等方面條件的誤差，普通居民生活環(huán)境肯定沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)良條件，這一系數(shù)在實(shí)際中肯定還會(huì)更高。我們也對(duì)校園內(nèi)學(xué)生寢室進(jìn)行了走訪，測(cè)定了室內(nèi)溫度，有的地方室內(nèi)溫度只有15℃，不難得出大多數(shù)熱量由窗戶散失，造成供暖更大的壓力和資源更多的浪費(fèi)。

窗戶玻璃由單玻變成雙?；蛉＃ＡП匦阅軙?huì)明顯提高。這并不是玻璃熱阻起作用，而是玻璃間的空氣層是熱阻增加的主要原因，因?yàn)殪o止的空氣其傳熱系數(shù)比任何材料都要低［2］。

因此，順應(yīng)玻璃窗戶技術(shù)發(fā)展水平的提高，為更好的提高門窗的保溫性能，可制作三玻玻璃窗戶。根據(jù)密閉空氣層的熱阻與空氣層厚度的關(guān)系，研究滿足較優(yōu)的保溫性能的凈間距厚度，并且研究玻璃不同間距的朝向問(wèn)題，完成此項(xiàng)目的研究。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)空氣流動(dòng)、玻璃厚度等因素對(duì)玻璃窗戶傳熱系數(shù)的影響，等分的間距能夠達(dá)到最好的保溫效果［3］。若兩個(gè)間距一個(gè)過(guò)大一個(gè)過(guò)小，根據(jù)雙玻玻璃K值變化趨勢(shì)可知，過(guò)大的間距承擔(dān)了大部分的保溫任務(wù)，但玻璃間距過(guò)大時(shí)傳熱系數(shù)并不會(huì)大幅減小，減幅會(huì)越來(lái)越小，因此過(guò)大的間距只能是一種浪費(fèi)，而過(guò)小的間距對(duì)保溫效果敏感性太大，稍微一點(diǎn)間距增加就會(huì)引起傳熱系數(shù)大幅度的降低，因此不宜采用過(guò)小的間距，過(guò)大或過(guò)小的間距最終都會(huì)導(dǎo)致保溫性能的惡化［4］，因此假設(shè)等分的間距使窗戶傳熱系數(shù)達(dá)到最低。

調(diào)研得知，目前市場(chǎng)上廣泛通用的為3 mm+3 mm，6 mm+6 mm，9 mm+9 mm以及12 mm+12 mm規(guī)格的三玻玻璃窗戶。較小間距的玻璃窗戶主要用于衛(wèi)生間等輔助房間較小的洞口，而較大間距的玻璃窗戶主要用于客廳，臥室等對(duì)保暖要求很高的主要房間的較大洞口。

同時(shí)，筆者對(duì)黑龍江省旱地科學(xué)研究院進(jìn)行了調(diào)研，實(shí)際參與了傳熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，獲取了部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通用的這幾種規(guī)格的三玻玻璃窗戶，以12 mm+12 mm導(dǎo)熱系數(shù)最低，主要材質(zhì)為塑料窗的導(dǎo)熱系數(shù)為1.7～1.8 W·m－2·K－1，三玻木窗:1.7～1.8 W·m－2·K－1，鋁塑復(fù)合三玻:2.0～2.1 W·m－2·K－1。

市場(chǎng)上通用的是等間距組合的三玻玻璃窗戶，那么不等間距的呢?

因?yàn)椴Ａчg距在10 mm以前時(shí)傳熱系數(shù)呈直線遞減，因此排除3 mm可能的組合，它并不能發(fā)揮靜止空氣導(dǎo)熱系數(shù)很低的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)考慮過(guò)薄的三玻玻璃窗戶也會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)接近兩玻，根據(jù)12 mm+12 mm擬定了幾組組合:6 mm+18 mm，9 mm+15 mm，并對(duì)這兩組間距組合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)與假設(shè)基本吻合。6 mm+18 mm間距組合傳熱系數(shù)為2.2 W·m－2·K－1，9 mm+15 mm 組合傳熱系數(shù)為2.0 W·m－2·K－1。

將之與12 mm+12 mm規(guī)格的三玻玻璃窗戶進(jìn)行傳熱系數(shù)比較，不難看出12 mm+12 mm組合的三玻玻璃窗戶傳熱系數(shù)在這些組合里最低，因此可以得出目前最優(yōu)的間距組合為該等分間距組合。

設(shè)想寬的間距組合，比如15 mm+15 mm，但是根據(jù)目前熱阻的需要、技術(shù)水平和框材的經(jīng)濟(jì)尺寸，總計(jì)間距組合為24 mm，15 mm+15 mm這樣的間距組合甚至更高的間距組合不符合經(jīng)濟(jì)原理，因?yàn)樵谀壳暗募夹g(shù)水平下這會(huì)導(dǎo)致窗戶框架制作成本突然陡增，因此排除這樣的可能。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)調(diào)研，實(shí)驗(yàn)，分析，數(shù)據(jù)整理，得出間距組合為12 mm+12 mm的三玻玻璃窗戶為目前最經(jīng)濟(jì)最保溫的間距組合。這樣的窗戶應(yīng)該廣泛使用與各種建筑的大型洞口，以替換傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于它的兩玻玻璃窗戶或者其他間距組合的三玻玻璃窗戶。

對(duì)保溫性能要求沒(méi)有客廳，臥室等主要房間高的衛(wèi)生間，儲(chǔ)物間，廚房，樓道等輔助房間，可以采用9 mm+9 mm或者更低的間距組合。它們雖然沒(méi)有12 mm+12 mm間距保溫，但這些房間對(duì)保溫的要求本來(lái)就沒(méi)有主要房間高，這樣的間距可以滿足這些輔助房間的保溫要求，而且高于兩玻玻璃窗戶的保溫性能，更加經(jīng)濟(jì)。

［1］魯大學(xué).中空玻璃節(jié)能特性的影響因素分析［J］.墻材革新與建筑節(jié)能，.2004(5):41－45.

［2］徐正東，趙俊石，張雙保.玻璃纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用單板層積材熱壓工藝研究［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012，40(5):37－40.

［3］郝 曼.中空玻璃節(jié)能性能影響因素分析［J］.門窗，2010(6):22－24.

［4］李會(huì)平，費(fèi) 辰.Low－E中空玻璃最佳氣體間隔層厚度的研究［J］.玻璃與搪瓷，2010(5):4 －8.