中空玻璃夾層厚度對傳熱系數的影響研究

汪天尖 蘇世標 徐海娟 劉 明 李榮宗

（廣東省職業病防治院（廣東省職業衛生檢測中心） 廣東廣州 510300）

1 緒論

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

增強建筑外窗保溫隔熱性能、降低的傳熱系數，是減少建筑圍護結構熱損失的重要措施之一。目前市場上玻璃的導熱系數一般在0.75～1.00W/（m·K），單層外窗的傳熱系數一般均在3.0W/（m2·K），由于其散熱量大、隔音效果差等原因，單層玻璃外窗已經不能滿足生活以及建筑節能的要求。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，兩側為玻璃層。由于填充氣體的導熱系數很小，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，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的變化情況，從而找到最佳的厚度指導實踐生產實踐。

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

表1 嚴寒B區外窗圍護結構熱工性能參數

目前，許多科研院所和學校普遍認為中空玻璃大多數夾層厚度為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與玻璃本身的導熱系數、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K計算方法

熱系數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：傳熱系數指的是單位時間內單位面積在單位溫差條件下所傳遞的熱量。對于北方地區，傳熱系數是外窗重要的熱工參數，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、內側玻璃與夾層氣體的對流換熱、內側玻璃的導熱和內側玻璃與室內氣體的對流換熱。

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——中空玻璃的內層玻璃厚度，m；

λa——中空玻璃的內層玻璃導熱系數，W/（m·K）；

λb——中空玻璃的外層玻璃導熱系數，W/（m·K）；

h1——中空玻璃的外層對流換熱系數，W/（m2·K）；

h2——中空玻璃的內側對流換熱系數，W/（m2·K）；

h3——中空玻璃夾層氣體復合對流換熱系數，W/（m2·K）。

中空玻璃夾層的復合對流換熱系數一般包括兩種，主要指夾層冷熱壁面輻射對流換熱系數和氣體對流換熱系數。

h3=h4+h5

h3——中空玻璃夾層氣體復合對流換熱系數，W/（m2·K）；

h4——中空玻璃的夾層輻射流換熱系數，W/（m2·K）；

h5——中空玻璃的夾層氣體對流換熱系數，W/（m2·K）。

2.1 中空玻璃的夾層輻射流換熱系數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，通常取5.67×10-8W/（m2·K4）；

ε1——中空玻璃熱壁表面發射率；

ε2——中空玻璃冷壁表面發射率；

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傳熱系數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驗公式。本文采用其中一種較為普遍的經驗公式。

氣體對流換熱傳熱系數：

式中：

δ——為氣體夾層厚度，m；

λ——為氣體導熱系數，W/（m·K）。

努謝爾特數和瑞利數一般也是由經驗公式確定，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，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，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 國內外窗傳熱系數計算參數設置

國內外窗傳熱系數計算與國外外窗傳熱系數計算方法略有不同，國內現行的標準為《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》，規定如下：設計或評價門窗、玻璃幕墻定型產品的熱工性能時，室內外表面的對流換熱系數應根據標準規范選取[4]。

3.1 冬季計算標準條件

室內空氣溫度Tin=20℃；室外空氣溫度Tout=-20℃；室內對流換熱溫度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

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

室內對流換熱溫度hc，out=16W/（m2·K）；室內平均輻射溫度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

針對東北嚴寒地區冬季熱負荷較大的情況，外窗傳熱系數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，計算方便等優點。

4.2 軟件參數設置

（1）室內外條件設置

東北地區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

本次內外均選用玻璃庫中編號為1577.具體參數詳見表2。

表2 玻璃參數表

5 模擬結果分析

5.1 模擬實驗結果

5.2 數據整理分析

對數據進行分析處理如圖2。

通過以上分析可以得出以下結論：

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

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

表3 夾層厚度與傳熱系數的大小

圖2 夾層厚度與中空玻璃的傳熱系數關系

（3）當夾層厚度較小時，夾層內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，由填充氣體流態由湍流向層流過渡，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仍有較大的變化量。

6 結論

通過本文的模擬實驗可得出如下結論：

（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較大導致外窗散熱量較大，從而導致節能性差，夾層厚度過大，雖然對其傳熱系數影響不大，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在合理范圍內，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，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熱系數的影響也比較大。

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

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

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

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

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