中空玻璃夾層厚度對傳熱系數(shù)的影響研究

汪天尖 蘇世標 徐海娟 劉 明 李榮宗

（廣東省職業(yè)病防治院（廣東省職業(yè)衛(wèi)生檢測中心） 廣東廣州 510300）

1 緒論

北方地區(qū)特別是東北地區(qū)冬季時間漫長、室外氣溫低、室內(nèi)外溫差較大，建筑維護結(jié)構(gòu)熱負荷普遍偏大。窗戶是建筑結(jié)構(gòu)的重要部分之一，研究指出：東北嚴寒地區(qū)建筑外窗是建筑圍護結(jié)構(gòu)總能耗的重要組成部分，約占比可達到維護結(jié)構(gòu)的熱負荷的49%[1]。

增強建筑外窗保溫隔熱性能、降低的傳熱系數(shù)，是減少建筑圍護結(jié)構(gòu)熱損失的重要措施之一。目前市場上玻璃的導熱系數(shù)一般在0.75～1.00W/（m·K），單層外窗的傳熱系數(shù)一般均在3.0W/（m2·K），由于其散熱量大、隔音效果差等原因，單層玻璃外窗已經(jīng)不能滿足生活以及建筑節(jié)能的要求。近些年來，中空雙層建筑外窗逐漸替代單層玻璃外窗成為市場主流，該種外窗的中空玻璃中間為氣體填充層，兩側(cè)為玻璃層。由于填充氣體的導熱系數(shù)很小，對流換熱量小，所以中空玻璃外窗可大大減少外窗的傳熱系數(shù)，降低建筑物的能耗。

本位依托相關模擬軟件，對市場上常見的建筑外窗中空玻璃夾層厚度進行模擬研究計算：探討不同夾層厚度下窗戶整體傳熱系數(shù)的變化情況，從而找到最佳的厚度指導實踐生產(chǎn)實踐。

《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》[2]明確規(guī)定：不同體形系數(shù)、樓層的建筑物，外傳的傳熱系數(shù)有相應得推薦值。

表1 嚴寒B區(qū)外窗圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

目前，許多科研院所和學校普遍認為中空玻璃大多數(shù)夾層厚度為12mm時，外窗的保溫效果最佳[3]，但是對于中空玻璃夾層厚度的最佳傳熱理論解，學術界仍沒有定論。一般認為外窗的傳熱系數(shù)與玻璃本身的導熱系數(shù)、中空夾層的厚度、夾層氣體種類、夾層氣體輻射、夾層冷熱壁溫差等有關系。

2 中空玻璃傳熱系數(shù)K計算方法

熱系數(shù)K是衡量中空玻璃熱工性能指標主要之一，《傳熱學》理論指出：傳熱系數(shù)指的是單位時間內(nèi)單位面積在單位溫差條件下所傳遞的熱量。對于北方地區(qū)，傳熱系數(shù)是外窗重要的熱工參數(shù)，它決定了外窗的能耗大小，研究其大小具有重要意義。中空雙層外窗的傳熱系數(shù)一般K由七部分組成，分別是室外氣體與玻璃壁面的對流換熱，外層玻璃的導熱、外層玻璃與氣體夾層的對流換熱、夾層壁面的輻射換熱、內(nèi)側(cè)玻璃與夾層氣體的對流換熱、內(nèi)側(cè)玻璃的導熱和內(nèi)側(cè)玻璃與室內(nèi)氣體的對流換熱。

R——中空玻璃的熱阻，（m2·K）/W；

δ1——中空玻璃的外層玻璃厚度，m；

δ2——中空玻璃的內(nèi)層玻璃厚度，m；

λa——中空玻璃的內(nèi)層玻璃導熱系數(shù)，W/（m·K）；

λb——中空玻璃的外層玻璃導熱系數(shù)，W/（m·K）；

h1——中空玻璃的外層對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

h2——中空玻璃的內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

h3——中空玻璃夾層氣體復合對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

中空玻璃夾層的復合對流換熱系數(shù)一般包括兩種，主要指夾層冷熱壁面輻射對流換熱系數(shù)和氣體對流換熱系數(shù)。

h3=h4+h5

h3——中空玻璃夾層氣體復合對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

h4——中空玻璃的夾層輻射流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

h5——中空玻璃的夾層氣體對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.1 中空玻璃的夾層輻射流換熱系數(shù)h4

只要兩個物體表面存在溫差就會有輻射換熱，在此我們把輻射換熱寫成對流換熱的形式得到下式：

εb——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，通常取5.67×10-8W/（m2·K4）；

ε1——中空玻璃熱壁表面發(fā)射率；

ε2——中空玻璃冷壁表面發(fā)射率；

T1′——中空玻璃夾層熱壁開爾文溫度，K；

T2——中空玻璃夾層冷壁開爾文溫度，K。

2.2 中空玻璃夾層氣體對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h5

對于中空玻璃夾層屬于封閉、狹小空間的對流換熱范疇，目前學術界仍然沒有詳細的計算公式，大部分公式均為實驗經(jīng)驗公式。本文采用其中一種較為普遍的經(jīng)驗公式。

氣體對流換熱傳熱系數(shù)：

式中：

δ——為氣體夾層厚度，m；

λ——為氣體導熱系數(shù)，W/（m·K）。

努謝爾特數(shù)和瑞利數(shù)一般也是由經(jīng)驗公式確定，公式如下：

Nu=ARan

其中：

g——為重力加速度，m2/s；

α——為體積膨脹系數(shù)，α=1/Tm，1/K；

Tm——為玻璃的平均溫度，Tm=（T1′+T2）/2，K；

T1′、T2——分別為中空玻璃夾層熱、冷壁面溫度，K；

ΔT——為冷、熱壁面溫差，K；

a——為氣體熱擴散率，m2/s；

v——為氣體的運動粘性系數(shù)，m2/s。

當Nu<1，Nu取為1。垂直條件下，A=0.035，n=0.38；水平條件下，A=0.16，n=0.28；傾斜條件下 45℃，A=0.10，n=0.31。

3 國內(nèi)外窗傳熱系數(shù)計算參數(shù)設置

國內(nèi)外窗傳熱系數(shù)計算與國外外窗傳熱系數(shù)計算方法略有不同，國內(nèi)現(xiàn)行的標準為《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》，規(guī)定如下：設計或評價門窗、玻璃幕墻定型產(chǎn)品的熱工性能時，室內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)應根據(jù)標準規(guī)范選取[4]。

3.1 冬季計算標準條件

室內(nèi)空氣溫度Tin=20℃；室外空氣溫度Tout=-20℃；室內(nèi)對流換熱溫度hc，in=3.6W/（m2·K）；

室外平均輻射溫度溫度Trm，in=16W/（m2·K）；室內(nèi)平均輻射溫度Trm，in=Tin；

室外平均輻射溫度Trm，out=Tout；太陽輻射照度Is=300W/m2。

3.2 夏季標準計算條件

室內(nèi)空氣溫度Tin=25℃；室外空氣溫度Tout=30℃；室內(nèi)對流換熱溫度hc，in=2.5W/（m2·K）；

室內(nèi)對流換熱溫度hc，out=16W/（m2·K）；室內(nèi)平均輻射溫度Trm，in=Tin；

室外平均輻射溫度Trm，out=Tout；太陽輻射照度Is=500W/m2。

3.3 計算條件設定

針對東北嚴寒地區(qū)冬季熱負荷較大的情況，外窗傳熱系數(shù)計算一般以冬季條件為主，夏季一般不作考慮。

4 Window軟件外窗模擬

本文建立常用的中空玻璃模型，通過不同夾層厚度的設置得到不同的傳熱系數(shù)通過分析比較得到其的相關關系得到最佳的夾層厚度。

就在他們要用擔架把我抬向某個地方的時候，我奮力地從那擔架上滾落下來。此時此刻，我的第一愿望是快快快！我要盡量地快些到那個黑乎乎的礦井底下。我放心不下。我要找到小六子啊。

4.1 Window軟件介紹

Window是美國勞倫斯伯克利國家實驗室是研發(fā)的專門用于門窗熱工模擬的軟件之一，它具有操作簡單，自定義功能強，計算方便等優(yōu)點。

4.2 軟件參數(shù)設置

（1）室內(nèi)外條件設置

東北地區(qū)門窗計算以冬季為主，夏季為輔。本文在window模擬軟件中計算環(huán)境，滿足冬季計算標準。

圖1 軟件界面截圖

（2）中空玻璃外場夾層厚度設置

本文以 2mm為單位步長，分別為 2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm。

（3）玻璃材料設置

本次內(nèi)外均選用玻璃庫中編號為1577.具體參數(shù)詳見表2。

表2 玻璃參數(shù)表

5 模擬結(jié)果分析

5.1 模擬實驗結(jié)果

5.2 數(shù)據(jù)整理分析

對數(shù)據(jù)進行分析處理如圖2。

通過以上分析可以得出以下結(jié)論：

（1）夾層厚度在2～14mm時，夾層厚度增大，中空玻璃傳熱系數(shù)越小。這是因為夾層厚度越大填充氣體的導熱熱阻越大。在封閉空間內(nèi)由于熱壁、冷壁的熱作用，填充氣體會出現(xiàn)對流換熱現(xiàn)象，冷側(cè)氣體下沉，熱側(cè)氣體上升，氣體形成環(huán)狀流動，厚度越小對流現(xiàn)象越嚴重。

（2）夾層厚度在15mm以后，中空玻璃的傳熱系數(shù)隨夾層厚度的增加呈現(xiàn)整體平穩(wěn)的趨勢。這是因為當夾層厚度達到一定值厚，填充氣體很難形成環(huán)狀流動，對流換熱區(qū)域穩(wěn)定，中空玻璃傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

表3 夾層厚度與傳熱系數(shù)的大小

圖2 夾層厚度與中空玻璃的傳熱系數(shù)關系

（3）當夾層厚度較小時，夾層內(nèi)氣體的流體的對流換熱影響比重比較大。隨著夾層厚度的增加，由填充氣體流態(tài)由湍流向?qū)恿鬟^渡，紊流換熱量大，而層流換熱量小，所以此時夾層厚度變化較小，中空玻璃的傳熱系數(shù)仍有較大的變化量。

6 結(jié)論

通過本文的模擬實驗可得出如下結(jié)論：

（1）夾層厚度直接影響了填充氣體的熱傳遞大小，因此夾層厚度對中空玻璃的傳熱系數(shù)大小有重要影響作用。

（2）夾層厚度不宜過大或過小。夾層厚度過小則中空玻璃的傳熱系數(shù)較大導致外窗散熱量較大，從而導致節(jié)能性差，夾層厚度過大，雖然對其傳熱系數(shù)影響不大，但是會帶來其他不利因素，比如玻璃的密封不實，外框制作、安裝維修難度增加等。

（3）夾層厚度應在14～18mm之間最佳，這樣既能保證中空玻璃的傳熱系數(shù)在合理范圍內(nèi)，又能保證窗框、密封條等的制作安裝。

（4）降低外窗的傳熱系數(shù)，需要綜合考慮，不能只考慮一種因素。本文只考慮了夾層的厚度，窗框、密封膠、密封條等因素對外窗產(chǎn)熱系數(shù)的影響也比較大。

嚴寒地區(qū)外窗耗熱量所占的比重比較大，降低其傳熱系數(shù)具有重要意義。目前市場上的外窗傳熱系數(shù)普遍比較大，新型節(jié)能外窗的研發(fā)刻不容緩。

[1]周佩杰.被動式居住建筑與節(jié)能門窗[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2015（4）：70～77.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ26－2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]馬揚，楊仕超，石民祥.中空玻璃的熱工性能研究[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2009（5）：27～32.

[4]《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》（JGJ/T151-2008）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.