中空玻璃傳熱系數實驗與研究

徐清浩

(山西大學工程學院，山西太原030024)

0 引言

中空玻璃是由2片或多片平板玻璃組成，中間用邊框隔開，充入干燥氣體，四周邊部用膠結、焊接或熔接密封.其主要性能是隔熱、保溫，同時還具有隔音效果.中空玻璃的節能效果直接關系到建筑物的能耗.隨著社會的發展，現代建筑越來越追求良好的視覺效果.玻璃幕墻和門窗作為建筑裝飾不可缺少的一部分，在建筑中被大面積使用.已成為建筑圍護結構的重要組成部分，其性能的好壞在很大程度上決定建筑的圍護結構性能的好壞，直接影響建筑節能的效果.而玻璃幕墻、門窗的70—90%的面積為玻璃，玻璃的熱工性能對幕墻、門窗有直接影響.例如門窗中通過玻璃的熱損失占門窗總熱損失的2/3左右，可見，玻璃的熱工性能對門窗、幕墻總體熱工性能有決定性的影響對真空玻璃的傳熱性能進行分析研究，可進一步改進中空玻璃的性能，減少傳熱途徑.現以實際工程中應用的中空玻璃為基礎，對中空玻璃傳熱途徑和傳熱性能進行分析.

1 中空玻璃節能原理

當太陽光到達玻璃板上時，大約85%透射過去，7%反射掉，8%被吸收.玻璃的透射、反射、吸收的量取決于入射光的波長.可見光區域(波長0.39～0.77μm)幾乎沒有被吸收，近紅外波段(波長大于3μm)及波長在0.30～0.32μm的紫外波段也沒有被吸收，到了波長小于0.35μm及中紅外以后，則玻璃吸收急劇增加.夏天陽光透過玻璃窗直接射入室內，其中短波長光線和中遠紅外被吸收，轉換為長波長的熱輻射，使室內溫度升高;冬天，室內熱量通過對流和輻射傳到玻璃上，然后通過傳導、對流和輻射傳到室外，玻璃起了散熱作用.由于玻璃的傳熱系數較大，這種熱量吸收或散失非常大.所以，普通單層平板玻璃本身幾乎沒有隔熱能力，決定其隔熱性能的主要是玻璃內表面的空氣層的熱絕緣作用.這一作用又隨玻璃表面的風速和玻璃表面的輻射能而變化.中空玻璃正是利用空氣熱絕緣作用較大，特別是其形成不產生對流的中間空氣層，這樣室內和室外相互之間的能量交換就大大降低，可獲得顯著的隔熱效果.

2 影響中空玻璃隔熱性能的主要因素

2.1 氣體間層的厚度

氣體間層的厚度影響對流換熱的強度.對流換熱是氣體與玻璃表面接觸的傳熱過程，其熱絕緣作用主要取決于兩層玻璃與氣體間層相接觸的界面上的邊界層厚度.當間層厚度小于4mm時，熱表面附近的上升氣流與冷表面附近的下沉氣流相互干擾，此時氣體流速雖小，但形成的局部環流使流區變小，即邊界層變薄，氣體間層的熱絕緣作用就小.但雙層中空玻璃的熱絕緣作用并不是隨氣體間層的厚度的增加而無限地增加.當氣體間層的厚度增加到一定程度時，因上升氣流與下沉氣流幾乎不再互相干擾，其熱絕緣作用就不再隨氣體間層厚度的增加而增大.

2.2 氣體間層中氣體的種類與濕度

不同的氣體，其導熱系數不同，而氣體的濕度不同，其導熱系數也不相同.隨著氣體中含水量的增加，導熱系數會增加，亦即氣體間層內熱絕緣作用降低.所以，間隔層中一般要采用干燥氣體.

2.3 玻璃的熱透率

在通過間層的總傳熱量中，輻射傳熱占主導地位，約占2/3.因此，為了提高玻璃的隔熱性，應盡量減少間層的輻射換熱量.

2.4 玻璃的平面尺寸

加大中空玻璃的平面尺寸，可減少單位面積的熱損失.

3 中空玻璃傳熱系數實驗研究

在現場取回1×1m的中空玻璃試件，由于時間與儀器間存在尺寸差異，在安裝試件過程中，爭取最大限度的密封.試件安裝時首先采用兩層雙面膠條密封邊緣，然后再對所有的空隙均用硅酮耐候密封膠密封密封，以確保無縫隙存在.然后安裝熱流計片和小銅片，在安裝前先檢查熱流計片和小銅片是否與熱電偶線焊接良好，安裝熱流計片時先在熱流計片上涂抹一層白凡士林，然后再與玻璃接觸，以保證熱流計片與玻璃之間無氣體存在，然后用膠帶在外面密封，以保證凡士林受熱后熱流計片不致因重力而滑落.1m2的玻璃上熱流計片測點取3個，排列均勻分布;安裝小銅片前盡量把小銅片整平，讓其與玻璃接觸時中見盡量不要有空隙.采用101膠對其進行粘接，熱、冷箱熱箱均為三個，由于熱流計片貼在熱箱玻璃上，所以熱流箱中小銅片片應貼在熱流計片旁邊，而冷箱的三個小銅片貼在熱箱中熱流計片位置相對應的中心(具體安裝位置見圖1(熱箱中有熱流計片1、2、3和小銅片 1、2、3;冷箱中為小銅片 4、5、6)).接線時應與熱流計片和小銅片編號一致，應記清楚那根線對應的是哪個位置的熱流計片或小銅片，以便實驗過程中出現為題可以迅速找出是哪出了問題以及時解決.熱流計片和小銅片安裝好并接好線后，開啟電源，準備開機.開機前還應把所有儀器位置能動的盡量調整在一起，方便控制.冷箱電源開開后，壓縮機是開一個，冷箱溫度設置為3℃;熱箱開開后，溫度設置在24℃，這樣就可以使溫度穩定后玻璃兩面溫差控制在15℃以上.所有儀器打開后，等待溫度穩定，由于冷箱壓縮機要每3個小時換一次，但考慮到兩個壓縮機功率有所差別對實驗結果的影響，再換壓縮機時應先使另一個打開，兩個同時開開一分鐘左右后再關這個壓縮機，盡量將影響減小到最小.

溫度穩定后，打開電腦運行JTRG－Ⅱ建筑熱工溫度與熱流巡回自動測試系統，導出數據后開始計算.計算結果如下:

(1)此次玻璃為北京北玻安全玻璃有限公司生產的8+15A+8(mm)中空玻璃(見表1)

表1

2010－09－05傳熱系數走勢圖(如圖2):

2010－09－07傳熱系數走勢圖(如圖3):

(2)此次玻璃為北京北玻安全玻璃有限公司生產的6+15A+6(mm)中空玻璃(見表2)

表2

2010－11－13傳熱系數走勢圖(如圖4):

2010－11－15傳熱系數走勢圖(如圖5):

4 實驗過程中的問題及解決情況

在第一次實驗過程中，遇到了一些問題，比如玻璃安裝時應盡量密封不留空隙、熱流計片和小銅片貼時應注意密封與玻璃間不能有空氣存在、接線注意不要連線等等，但其中有兩個問題最為關鍵:

(1)兩個壓縮機功率不同對試驗數據的影響.

冷箱要靠壓縮機控制溫度，但是由于試驗持續時間長，不能只靠一臺壓縮機工作來維持，需要兩臺交替工作，但兩臺壓縮機功率有些差別，導致數據影響很大，從實驗數據可以看出，每當數據發生突變時對應的時間就是換壓縮機的時間，對于這樣的問題，提出了以下解決方案:在剛開機工作時，由于此時的溫度還不穩定，得出的數據不作為實驗數據計算，而且這時的壓縮機工作負荷較大，所以按照正常每三個小時換一次，但換時應先將另一臺壓縮機開開，兩臺同時工作1min左右時，在管理掉原先工作的壓縮機，盡量減小對數據的影響;當溫度穩定下來后，盡量不要再去換壓縮機，可減少對數據的影響.

(2)三個測試點的溫度偏差.

從實驗數據看出，2點、3點溫度基本上相同，5點、6點溫度基本上相同，但1點溫度比2、3點普遍低1℃左右，4溫度比5、6點普遍低1℃左右，此處的熱流計也比另外兩處偏低一些，通過對所有數據分析，初步得出:中空玻璃中心的傳熱系數比旁邊偏小些.

在第二次試驗時，我們為避免第一次實驗中遇到的問題，按照提出的解決方案進行了改變.得出了第二組數據.從實驗數據可發現，在溫度穩定后不再換壓縮機的情況下，得出的數據在數值上沒有突變，可以得出壓縮機的改變多數據影響較大.但也不難發現上述的問題1依然存在，這也證實了上面得出的那個初步結論是正確的，即:中空玻璃中心的傳熱系數比旁邊偏小些，也就是說中心的保溫性能要比旁邊好.

5 結語

通過這次對中空玻璃傳熱系數的研究，對中空玻璃傳熱系數有了很大認識，更加理解了中空玻璃傳熱系數的測定原理等等.這次的研究，得出了一些結論，中空玻璃每個位置的傳熱系數各不相同，其中心的傳熱系數略小于旁邊，保溫性能比旁邊要好.而且還認識到中空玻璃傳熱系數于其中間加層厚度有關，與其單片玻璃本身厚度關系不大.

［1］中空玻璃的節能研究，劉縉，吳武偉，曹欽存，2003

［2］JGJ/T 151－2008.建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程