多層玻璃窗應用于嚴寒地區(qū)宿舍的實測與模擬分析

汪秋剛， 李 靖， 額熱艾汗， 任玉成

(石河子大學 水利建筑工程學院/給水排水工程系，新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832002)

0 引言

空氣夾層被廣泛應用于現(xiàn)代建筑圍護結(jié)構中，如構造多層外門、多玻窗、通風窗、中空復合外墻、雙層幕墻、Trombe墻、太陽能煙囪、通風光伏墻等[1]。外窗熱損失在建筑能耗中的比例一直高居不下，多層玻璃窗結(jié)構無論是冬季保溫，還是夏季隔熱都被廣泛認為具有較大的節(jié)能潛力[2-3]，在多層窗結(jié)構中，包含一層或多層的封閉空氣夾層，利用空氣的低導熱系數(shù)增強整體保溫性能；多層窗玻璃材質(zhì)及厚度、空氣夾層厚度、高寬比、溫差都對傳熱系數(shù)都有很大的影響，學者們在這方面已經(jīng)做了大量的工作[4-5]。

目前的研究基本上是對窗戶單獨的分析，因此，本文選取位于嚴寒地區(qū)的新疆石河子大學一有正常人為活動的單人宿舍，供暖初期在雙層窗不同打開方式下進行了實測，分析了雙層窗對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。此外，利用數(shù)值模擬軟件構造了多種類型的窗戶，并進行了分析。

1 實測及分析

1.1 測試對象及方法

測試對象位于石河子大學建于2000年的宿舍樓，該樓窗戶全部采用兩層鋼框玻璃窗夾空氣腔的結(jié)構，散熱器采暖，測試宿舍結(jié)構示意圖如圖1所示。

圖1 宿舍結(jié)構及測點示意圖

1—前墻測點；2—左墻測點；3—屋頂測點；4—散熱器測點；5—地面測點；6—右墻測點；7—室內(nèi)測點；8—左側(cè)外窗；9—左側(cè)內(nèi)窗；10—右側(cè)外窗；11—右側(cè)內(nèi)窗；12—窗內(nèi)玻璃測點；13—空腔內(nèi)測點

測試宿舍位于頂層，進深5 700 mm，寬3 000 mm，高3 100 mm，南向開窗，尺寸為1 740 mm×1 740 mm，空氣夾層厚度為150 mm，其上布置四扇可獨立打開的窗戶。

測點布置參考《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[6]，各壁面度傳感器布置在被測壁面中心，散熱器溫度傳感器布置在肋片上，室內(nèi)環(huán)境測點在宿舍中心，距地面1.4 m處，窗戶空腔夾層溫度傳感器布置在中心，所有的溫度傳感器以鋁箔紙覆蓋，以減小周圍壁面對其的輻射影響；此外還在室內(nèi)測點及空腔內(nèi)測點布置了微風儀；溫濕度一體變送器用來測量室內(nèi)相對濕度，置于室內(nèi)環(huán)境測點，實測圖如圖2[7-8]。

圖2 室內(nèi)熱環(huán)境實測圖

溫度傳感器采用的是三線制、A級精度的PT100；空氣流速的測量采用的是SNW-F3熱線式室內(nèi)微風傳感器，量程0～5 m/s，測量精度0.2%FS，分辨率為0.05 m/s；溫濕度變送器的型號是壁掛式的MIK-3TH；數(shù)據(jù)通過NHR-8700B藍屏無紙記錄儀自動采集。

在供暖初期，2017年10月28日～11月12日對雙層窗在不同打開方式下室內(nèi)熱環(huán)境進行了實測，具體參數(shù)包括室內(nèi)溫濕度，室外環(huán)境溫度，散熱器及各維護結(jié)構內(nèi)壁面溫度，同時采集室內(nèi)及雙層窗空腔氣流速度；數(shù)據(jù)每5 min鐘自動保存一次。窗戶打開方式整體分為封閉和通風兩種形式，封閉環(huán)境有三種情況：10月28號8點40～31日8點40，窗戶完全關閉；10月31日8點40～11月2日8點40，開啟外側(cè)兩扇窗戶；11月2日8點40～5日9點40，開啟內(nèi)側(cè)兩扇窗戶。通風時具體情況為：11月5日9點40～8日9點40，開啟左邊外窗和右邊內(nèi)窗；8日9點40～10日0點，四扇窗戶全部打開；10日0點～12日9點，開啟右邊兩扇窗。

1.2 測試結(jié)果與分析

從圖3可以看出，窗戶封閉時室內(nèi)溫度波動較小，每日在15點左右達到最大值，平均溫度21.4 ℃，最低為20.4 ℃，最高為23.6 ℃。室內(nèi)相對濕度平均值為39.3%RH，最低為27.1%RH，最大為51.6%RH，波動較大，其波動趨勢與室內(nèi)氣溫的變化相反，查詢活動記錄，發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象(降雨)和人為因素(洗漱)都能引起相對濕度大幅度的變化。期間散熱器平均溫度31 ℃，環(huán)境平均溫度為10.3 ℃，室內(nèi)、外平均溫差10.1 ℃。

圖4為三種不同通方式下，熱環(huán)境相關參數(shù)情況?？梢钥闯觯覂?nèi)溫度出現(xiàn)了較大的波動，室內(nèi)平風均溫度為19.2 ℃，最大為24 ℃，最低時降到了15.2 ℃，僅開啟兩扇窗戶時波動不明顯，窗戶全開時室內(nèi)溫度波幅達到了6 ℃。室內(nèi)相對濕度平均值為33.1%RH，最低為28.4%RH，最大為39.2%。期間散熱器平均溫度29.2 ℃，環(huán)境平均溫度為8.1 ℃，最大達到了18.7 ℃，室內(nèi)、外平均溫差11.1 ℃。

圖3 封閉時熱環(huán)境相關參數(shù)逐時曲線

圖4 通風時熱環(huán)境相關參數(shù)逐時曲線

房間周圍壁面與人體之間產(chǎn)生的輻射換熱對人體的冷熱感覺影響很大，較低的壁面溫度會對人體產(chǎn)生吹風感，令人感覺不舒適[9-10]。圖5和圖6分別為封閉和通風下，室內(nèi)各壁面溫度變化情況。封閉時，屋頂壁面平均溫度為19.4 ℃，地面平均溫度為22.2 ℃，玻璃窗內(nèi)壁最低溫度13.2 ℃，最高溫度為39.2 ℃；通風時，屋頂壁面平均溫度為18.2 ℃，最低時降到了15.7 ℃，地面平均溫度為20 ℃，最低為16.8 ℃，玻璃窗內(nèi)壁最低溫度12.9 ℃，最高溫度為38 ℃?？梢钥闯觯鞅诿鏈囟日w變化趨勢是一致的，玻璃窗壁溫波動最大，除玻璃壁外，屋頂始終是溫度最低的地面，前墻次之，地面擁有最高的壁面溫度。

對室內(nèi)空氣流速的監(jiān)測結(jié)果顯示，無論窗戶封閉時還是通風條件下，室內(nèi)空氣流速不會超過0.1 m/s，主要是測試期間門一直處于關閉狀態(tài)。

圖5 封閉時時圍護結(jié)構壁溫逐時曲線

圖6 通風時圍護結(jié)構壁溫逐時曲線

為進一步比較不同模式下通過各主要散熱面的熱量損失，對封閉時的散熱量進行了分析，基于如下幾個假設：

(1)室內(nèi)空氣與壁面的對流換熱方式為大空間自然對流模式；

(2)各圍護結(jié)構主要散熱面溫度均勻且為測點值；

(3)室內(nèi)溫度場均勻且為測點值。

玻璃窗及墻壁被視為豎平板，定性溫度采取流體和壁面的平均值，特征長度取窗及墻高，屋頂被當做冷面向下的水平板來處理，地面當做熱面向上的水平板來近似，特征長度采取當量長度，由式(2)得到，對流實驗關聯(lián)式為式(1)，所求得的Num為壁面的平均值[11]。

(1)

(2)

式中，

(3)

(4)

則，

(5)

散熱量，

Q=hAΔt

(6)

式(1)～(6)中Nu為壁面的努塞爾數(shù)；Gr為判斷自然對流狀態(tài)格拉曉夫數(shù)；Pr為定性溫度下流體的普朗特數(shù)；L為水平板當量特征長度，m；Ap為平板換熱面積，m2；P為平板周長，m；αV為體積膨脹系數(shù)，1/K；Δt為換熱溫差，℃；ν為流體的運動粘度，m2/s；h為壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；λ為定性溫度下額流體導熱系數(shù)，W/(m·K)；l為特征長度，m；Q為換熱量，W。

圖7 夜間室內(nèi)外溫度及維護結(jié)構傳熱情況

對封閉環(huán)境下晚上10點～次日早上8點之間各維護結(jié)構的傳熱量進行了分析。結(jié)果如圖7，窗戶夜間散熱情況與室外氣溫有相反的變化趨勢，4扇窗戶全部關閉時，通過窗戶及前墻的散熱量是相當?shù)?，通過屋頂?shù)臒崃繐p失最大，占到了總散熱量的68%左右，約為窗戶散熱量的4倍，通過地面樓板的得熱量與總散熱量相比，在22%左右。開啟外側(cè)兩扇窗戶時，通過窗戶的散熱量有明顯的增加，占到了總散熱量的27%左右，前墻的散熱量占13%左右，通過地面樓板的得熱量與總散熱量相比，仍為22%左右。當內(nèi)側(cè)兩扇窗戶打開時，通過窗戶的散熱量占到了35%左右，屋頂仍然是熱損失最大的地方。

2 多層窗模擬

帶有空氣夾層的窗戶，自然對流是空腔內(nèi)熱傳遞的主要方式，影響傳熱速率的因素有很多，與結(jié)構相關的主要是夾層的高寬比。因此，在ANSYS Fluent平臺下對不同類型窗戶的傳熱性能進行了分析，為便于描述，窗戶在豎直方向上分為單框、雙框及三框，水平方向上分為單層、雙層及三層(空氣腔層數(shù))，即目前實驗對象的窗戶結(jié)構可以稱之為單框單層窗戶。為深入了解窗厚δ的影響，在不同δ下，模擬了假想的純導熱狀態(tài)，并與實際自然對流做了比較。

2.1 窗戶物理模型

根據(jù)自然對流特性，將窗戶簡化成二維模型，為了保證現(xiàn)有的采光面積，高度始終為1 740 mm，改變窗厚δ、窗戶空腔層數(shù)及框數(shù)來進行分析，窗框采用鋁合金材料，對于雙層及三層窗內(nèi)部玻璃為3 mm。

壁面邊界條件給的是第一類邊界條件，高、低溫壁面溫度分別恒定為293 K、273 K，上下壁端部絕熱，流體密度采用incompressible-idea-gas，其密度由式(7)確定，湍流模型選用RNG k-e模型。采用非定常計算，計算域初始溫度同低溫側(cè)，為273 K，非穩(wěn)態(tài)計算的迭代步長時間用式(8)估計；定性溫度取平均值。利用ICEM CFD對空氣夾層進行網(wǎng)格剖分，采取非均勻網(wǎng)格節(jié)點，壁面處加密，壓力插值方案選擇PRESTO！格式，壓力-速度耦合方程用SIMPLE算法，動量、能量方程選用二階迎風格式。

(7)

(8)

式中：ρ0為操作密度；Pop為操作壓力；M為介質(zhì)摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為熱力學溫度，K；L為特征長度，對封閉腔傳熱取夾層厚度δ，m；β為流體體脹系數(shù)，1/K；g為重力加速度，取9.8 m/s2；ΔT為換熱溫差。

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 窗戶封閉夾層流場特性

圖8是不同窗戶在穩(wěn)態(tài)時的溫度云圖，從左到右依次是純導熱狀態(tài)，單框單、雙及三層窗，雙框單、雙及三層窗，三框單、雙及三層窗?？梢钥闯?，窗戶的分層，使得整個二維溫度場在橫向形成了高、低溫分段，封閉腔自然對流等溫線整體表現(xiàn)出“三段式”特點，即兩側(cè)靠近壁面區(qū)域，等溫線接近于豎直，遠離壁面區(qū)域，等溫線接近于水平，且高寬比越小，這種特點越明顯，高寬比越大，等溫線越接近于一條傾斜的直線；純導熱狀態(tài)的等溫線是等間距的與豎壁平行的直線，溫度梯度垂直等溫線，沿水平方向。圖9顯示了δ為150mm的單框單層窗870mm處沿厚度方向溫度及速度的變化，可以看出，溫度的變化僅發(fā)生在緊靠兩側(cè)壁面的區(qū)域內(nèi)，遠離壁面的區(qū)域水平方向的溫度梯度為零，即該區(qū)域內(nèi)沒有水平方向的熱量傳遞；速度曲線呈“M”形，在邊界層內(nèi)具有最大的速度梯度，根據(jù)傳熱學知識，在貼壁無滑移邊界條件下，熱量只能以導熱的方式穿過這個流體層；因此，整個腔體的傳熱過程為：高溫側(cè)壁面通過邊界層以導熱的方式將熱量傳遞給上升的熱流體，流體在低溫側(cè)受到冷卻而下降，空氣以環(huán)流的方式在高溫側(cè)和低溫側(cè)間流動換熱。

圖8 不同類型窗戶溫度云圖

圖9 高870 mm處的溫度及速度分布圖

2.2.2 傳熱系數(shù)h的變化

不同層數(shù)單框窗戶的傳熱系數(shù)h與δ的關系如圖10，δ在250 mm與45 mm之間時，各層窗戶的傳熱系數(shù)h基本保持不變，同厚單層窗的h最大，雙層窗次之，三層窗最小，即三層窗的保溫性能最好；繼續(xù)減小δ，各層窗戶的h都明顯地增加，雙層與三層窗間的h基本相同，仍小于單層窗的，當δ小于15 mm后，h急劇上升，單層、雙層及三層窗間的h趨于相同。

圖10 不同窗厚δ下的傳熱系數(shù)

各類窗戶空腔內(nèi)的最大速度如圖11，單層窗umax最大，三層窗最小，可見，正是窗戶的分層限制了窗內(nèi)自然對流的發(fā)展，從而減小了h，起到了更好的保溫作用。

圖11 不同窗厚δ下的流場最大速

假想純導熱狀態(tài)下的傳熱系數(shù)在一定程度上能夠反映一個對流傳熱問題中導熱依靠導熱傳遞的能量，以豎夾層Grδ來判斷自然對流的狀態(tài)，指出當Grδ≤2 860時，空腔內(nèi)部熱量依靠導熱，根據(jù)已知條件求得這個臨界δc為9.4 mm，與圖10及表1顯示了良好的一致性。當δ小于45 mm后，umax急劇下降，但整體h是增大的，結(jié)合圖10可以發(fā)現(xiàn)，這主要是由于隨著δ的減小導熱在對流傳熱中的作用越來越明顯，到δ為10 mm時，純導熱下h與δ單層窗幾乎相等。

進一步對雙框與三框不同層數(shù)、不同δ下的窗戶進行分析，發(fā)現(xiàn)框數(shù)對h的影響可以忽略，表1是雙框與三框不同窗戶的h值，對比發(fā)現(xiàn)，雙框與三框窗戶h隨δ及層數(shù)的變化規(guī)律與單框是相同的。對于雙框窗當δ為250、150、100、45、30、20、10 mm時，雙層窗h分別為單層窗的46%、47%、46%、45%、48%、66%、97%；當δ為250、150、100、45、30、15 mm時，三層窗h分別為單層窗的30%、30%、29%、32%、45%、83%。因此，根據(jù)以上分析，考慮到實際生產(chǎn)和使用方面的因素，厚為45 mm三層玻璃窗是最理想的窗戶類型。

表1 不同類型窗戶下的傳熱系數(shù)值

3 結(jié)論

(1)測試得知，封閉環(huán)境下該宿舍具有良好的熱工性能，供暖初期，環(huán)境溫度在0～20 ℃波動時，散熱器溫度保持在30 ℃左右時，就足以使得室內(nèi)平均溫度維持在21 ℃左右，日波動幅度不超過3 ℃，室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定。僅開啟兩扇窗戶時室內(nèi)溫度波動不明顯，窗戶全開時室內(nèi)溫度波幅達到了6 ℃。室內(nèi)相對濕度受自然因素和人為活動的影響，會出現(xiàn)較大的波動。

(2)窗戶封閉時對夜間通過各圍護結(jié)構的熱量進行分析，窗戶完全關閉時，通過窗戶的散熱量占22%左右，外側(cè)兩扇窗戶開啟時，其值增大為27%，開啟內(nèi)側(cè)兩扇窗戶時，窗戶散熱量占到了35%左右。

(3)對構造的窗戶在ANSYS Fluent下分析得到，多層窗在豎向的分段，即框數(shù)對傳熱系數(shù)的影響很小，可忽略不計，多層窗在橫向的分層，即空氣腔的層數(shù)對多層窗傳熱系數(shù)有成倍的影響，在所構造的窗戶類型中，三層窗具有最好的保溫性能。通過計算，若采取改進的三層窗結(jié)構，現(xiàn)有窗戶的散熱損失能減少60%以上，從而大大減少冬季的供暖能耗，實現(xiàn)節(jié)能。