多層玻璃窗應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)宿舍的實測

摘 要：選取北疆地區(qū)一典型雙層玻璃窗宿舍為實測對象，供暖初期在雙層窗不同打開方式下進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測試。數(shù)據(jù)顯示，該宿舍熱工性能良好，封閉環(huán)境下室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定，室內(nèi)平均溫度維持在21℃左右，相對濕度在27%RH到50%RH之間，室內(nèi)空氣流速在0.1m/s以內(nèi)；通風(fēng)形式下室內(nèi)溫度波動幅度較大。對維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量分析發(fā)現(xiàn)通過屋頂?shù)纳崃孔畲螅ㄟ^窗戶的散熱量在22%到35%之間。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)熱環(huán)境；多層玻璃窗；實測；保溫性能

空氣夾層被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，如構(gòu)造多玻窗、通風(fēng)窗、中空復(fù)合外墻、雙層幕墻等。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(gòu)無論是冬季保溫，還是夏季隔熱都被廣泛認(rèn)為具有較大的節(jié)能潛力，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(xué)者們在這方面已經(jīng)做了大量的工作。

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(yán)寒地區(qū)的北疆某大學(xué)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(jìn)行了實測，分析了雙層窗對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 實測及分析

1.1 測試對象及方法

測試對象位于北疆某大學(xué)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(gòu)，散熱器采暖，測試宿舍位于頂層，進(jìn)深5700mm，寬3000mm，高3100mm，南向開窗，尺寸為1740mm×1740mm，空氣夾層厚度為150mm，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(biāo)準(zhǔn)》，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1.4m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(fēng)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。

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(fēng)傳感器，量程0～5m/s，測量精度0.2%FS，分辨率為0.05m/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(lán)屏無紙記錄儀自動采集。

在供暖初期，2017年10月28日至11月12日對雙層窗在不同打開方式下室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)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分鐘自動保存一次。窗戶打開方式整體分為封閉和通風(fēng)兩種形式，封閉環(huán)境有三種情況：10月28號8點40至31日8點40，窗戶完全關(guān)閉；10月31日8點40至11月2日8點40，開啟外側(cè)兩扇窗戶；11月2日8點40至5日9點40，開啟內(nèi)側(cè)兩扇窗戶。通風(fēng)時具體情況為：11月5日9點40至8日9點40，開啟左邊外窗和右邊內(nèi)窗；8日9點40至10日0點，四扇窗戶全部打開；10日0點至12日9點，開啟右邊兩扇窗。

1.2 測試結(jié)果與分析

從圖1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(dá)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2為三種不同通風(fēng)方式下，熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)情況。可以看出，室內(nèi)溫度出現(xiàn)了較大的波動，室內(nèi)平均溫度為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(dá)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(dá)到了18.7℃，室內(nèi)、外平均溫差11.1℃。

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(fēng)感，令人感覺不舒適。圖3和圖4分別為封閉和通風(fēng)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(fēng)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℃。可以看出，各壁面溫度整體變化趨勢是一致的，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(fēng)條件下，室內(nèi)空氣流速不會超過0.1m/s，主要是測試期間門一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

為進(jìn)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(jìn)行了分析，基于如下幾個假設(shè)：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；各圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要散熱面溫度均勻且為測點值；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(dāng)做冷面向下的水平板來處理，地面當(dāng)做熱面向上的水平板來近似，特征長度采取當(dāng)量長度，對流實驗關(guān)聯(lián)式參考葛新石譯的《傳熱和傳質(zhì)基本原理（第六版）》。

對封閉環(huán)境下晚上10點至次日早上8點之間各維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量進(jìn)行了分析。結(jié)果如圖5，窗戶夜間散熱情況與室外氣溫有相反的變化趨勢，四扇窗戶全部關(guān)閉時，通過窗戶及前墻的散熱量是相當(dāng)?shù)模ㄟ^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(dāng)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 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到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(dá)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(hù)結(jié)構(gòu)的熱量進(jìn)行分析，窗戶完全關(guān)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。

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作者簡介：

汪秋剛（1991- ），男，碩士，研究方向：能源利用與室內(nèi)熱環(huán)境。

基金項目：石河子大學(xué)自主資助項目（ZZZC201605）