雙層玻璃水介質下的熱傳遞性能實驗研究

龍姝豪 周亞素

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

外窗作為圍護結構中保溫隔熱最薄弱的部分[1]，其能耗約占圍護結構總能耗的50%[2]。對于日照持續時間較長的夏熱地區建筑，需要外窗對太陽輻射熱有持續阻隔效應。為此，有學者針對相變玻璃[3-4]、氣凝膠玻璃[5-7]做了相應研究，但這兩者都存在成本高、制備復雜，且需犧牲外窗采光性能，增加照明能耗的問題。

太陽輻射能量中近紅外輻射NIR（0.7～2.5 μm）接近50%[8]，從圖1[9]水的透射光譜特性可知它能透過絕大部分可見光，且對近紅外輻射的透射率比較小。利用水膜隔熱機理計算，10 mm 水膜的平均消光系數約為30 mm-1[10]。針對水介質雙層玻璃已有相關研究[11-12]，但主要集中在理論計算，沒有實驗支撐。

圖1 水的透射光譜特性

本文通過搭建實驗平臺，研究實際氣候下，雙層玻璃在水介質下相對于傳統雙層中空玻璃的玻璃系統的熱傳遞性能，及對于太陽輻射熱的阻隔效應，從而對其相對于傳統中空玻璃的節能效果進行比較。

1 雙層玻璃傳熱分析及實驗介紹

1.1 雙層玻璃系統傳熱分析

如圖1 所示，太陽光照射到窗玻璃表面后，一部分被反射掉不會成為房間的得熱。一部分直接透過玻璃進入室內，全部成為房間得熱量。還有一部分被玻璃吸收，這其中一部分將以長波輻射和對流方式傳入室內，另一部分則以長波輻射和對流方式散至室外。被玻璃吸收后傳入室內的這部分太陽輻射量，可以作為透過玻璃的太陽輻射的一部分，計入房間的輻射得熱中。因此雙層玻璃系統太陽得熱量將主要由兩部分組成：一部分是直接透過的太陽輻射。另一部分是由玻璃系統吸收的太陽輻射通過導熱、對流、輻射方式向室內傳遞的部分，那么室內總得熱量由式（1）計算可得出。

自然對流換熱系數[13]：

等效輻射換熱系數[13]：

式中：q 為室內得熱量，W/m2；hci為內層玻璃內表面對流換熱系數，W/(m2·K)；hri為內層玻璃內表面等效輻射換熱系數，W/(m2·K)；t 為玻璃系統內壁面溫度，K；ti為室內空氣溫度，K；W 為室內風速，m/s；I 為直接透過玻璃系統的太陽總輻射，W/m2。σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε 為玻璃輻射發射率0.84。

圖1 太陽輻射對雙層玻璃作用過程

1.2 實驗裝置介紹

1.2.1 實驗系統介紹

國外的Grimmer 學者等指出，小型測試箱對于建筑物的熱建模是非常有用的工具[14]。國內浙江大學鄭蕓等人曾采用實驗小室對太陽輻射下雙層玻璃幕墻進行能耗研究[15]。由于實驗條件限制，本文也采用小型測試箱，對水介質雙層玻璃系統和傳統中空玻璃系統的熱傳遞性能和節能情況進行對比研究。

實驗采用6 mm+15 mm+6 mm，大小為500 mm×500 mm 的雙層中空玻璃及中間介質為水的雙層玻璃系統。實驗測試箱則用30 mm 聚苯板拼裝而成，為了保護聚苯板在實驗過程中不被損壞，在聚苯板外用不銹鋼板固定，起到保護作用，最外層再覆蓋5 mm 鋁箔保溫棉，測試箱尺寸大小為570 mm×535 mm×570 mm。實驗時放置在東華大學紡織學院樓頂，全天接受實際氣候下的太陽輻射。

1.2.2 實驗主要測量參數及實驗儀器

由于實際的室外天氣溫度和太陽輻射強度是動態變化的，而玻璃窗動態傳熱性能主要受室外空氣溫度和垂直面太陽輻射強度等氣象參數影響，因此實驗需選取夏季晴天或多云工況實際測量室外的空氣溫度及南向垂直面太陽輻射強度，并測量雙層玻璃中間介質和內外壁面的溫度變化情況。根據上述需要測量記錄的參數和實驗精度的要求，選擇表1 的測量儀表和數據記錄儀器。使用Keithley 2701型數據采集儀，采集溫度數據，數據采樣時間間隔為1 min，全天24 h 不間斷記錄。實驗數據收集于2016 年6 月份到8 月份。

表1 實驗儀表及傳感器主要參數

室內外空氣溫度和中間介質溫度都由Pt100 鉑電阻（其中測量壁面溫度采用貼壁式鉑電阻）連接數據采集儀測得，測點布置如圖3 所示。南向垂直面太陽輻射強度由Solar-1 太陽能輻射測量儀系統直接測得。而HFM-215 多通道熱流儀的兩個傳感器由上海圖新電子科技有限公司重新標定之后，可以直接測得室內的得熱量。

圖3 玻璃系統溫度測點布置圖

1.3 實驗數據選取與分析

選取晴天和多云兩種典型工況，通過對實驗測量數據的處理，分析兩種玻璃系統熱傳遞性能和輻射透過性能的差異，最終比較其室內得熱總量。

熱傳遞性能：通過測量兩種玻璃系統各層壁面的溫度及中間介質溫度，對比分析水介質雙層玻璃和中空玻璃的熱傳遞的差異，并通過多通道熱流儀測量得到夏季全天通過水介質雙層玻璃和中空玻璃的得熱量，得出水介質雙層玻璃的能效性能與節能潛力，并由式（4）可計算出水介質雙層玻璃相對中空玻璃的節能率。

式中：ηe表示節能率；Qa表示中空玻璃系統室內總得熱量；Qw表示水介質雙層玻璃系統室內總得熱量。

輻射透過性能：通過式（1）～（3）計算出通過水介質雙層玻璃和中空玻璃的太陽輻射直接透射量，由于早上以前及晚上以后太陽高度角小，儀器測量誤差較大，因此只計算白天7:00-18:00 的直接透射量，并可由式（5）計算出雙層玻璃系統在水介質下相對于空氣介質室內太陽總輻射強度的減少率。

式中：ηr表示輻射透過減少率；Ia表示中空玻璃系統室內太陽輻射透過強度；Iw表示水介質雙層玻璃系統室內太陽輻射透過強度。

2 水介質雙層玻璃系統與雙層中空玻璃系統熱性能對比

2.1 雙層玻璃系統中間介質溫度對比

圖4 所示為兩種玻璃系統中間介質溫度變化情況，由圖可以看出，6:00～17:00 水溫比空氣溫度低0.64～6.2 ℃，18:00～1:00 水溫比空氣的溫度高0.01～0.67 ℃。在6:00～17:00 這個時間段，不論晴天和多云工況，都是空氣介質溫度迅速升高，晴天工況下與水介質的差值在11:00 點左右達到最高，為6.2 ℃。空氣介質溫度峰值為48.57 ℃，出現在12:00 點左右，升溫幅度為20.13 ℃。水介質的溫度峰值為44.48 ℃，出現在14:00 點左右，升溫幅度為16.55 ℃，18:00 點或19:00 點水溫開始高于空氣溫度。這是因為，水的熱容量比空氣的熱容量大，在8:00～14:00 太陽輻射較強的情況下，吸收相同的熱量，水溫上升比空氣升溫速度慢。14:00 點左右水溫達到峰值，此時水的顯熱蓄熱能力已經達到極限，之后水介質將作為內熱源，將熱量以輻射和導熱等形式散發出去，而空氣介質基本不吸收太陽輻射且相對熱容量小，溫度下降比水更快，因此17:00 以后，室外太陽輻射強度很小，且天空有效溫度低，水溫略高于空氣溫度。

圖4 雙層玻璃系統中間介質溫度對比

多云工況時，水與空氣溫度差值為5.6 ℃，空氣溫度峰值為45.88 ℃，升溫幅度為18.29 ℃，水溫峰值為41.64 ℃升溫幅度為14.55 ℃，均低于晴天工況。這是因為多云工況時全天的太陽輻射強度相對較小，水吸收的輻射熱也相對較少。

2.2 雙層玻璃系統外壁面溫度對比

圖5 所示為兩種玻璃系統外層玻璃外壁面在晴天和多云兩種工況的溫度變化情況。可以看出，水介質雙層玻璃的外壁面溫度，晴天工況下，在7:00～11:00低于中空玻璃0.23～2.0 ℃，其余時間高于中空玻璃0.5～2.91 ℃。這是因為7:00～11:00 太陽輻射較強時，如前所述，中間介質為水時，玻璃和水傳熱溫差大，且水的熱容量大則玻璃系統吸收的輻射熱量大部分用來給水加溫。而中空玻璃中間介質為空氣，則吸收的熱量大部分用來使玻璃升溫。剛開始的時候，雙層中空玻璃的外壁面溫度較高，而之后水介質作為內熱源以輻射和導熱的形式將熱量傳送到玻璃系統，而室外空氣溫度相對室內較低，且室外風速較大，水與外壁面的傳熱溫差較大，綜合傳熱系數也較大，則水介質的外壁面溫度將持續上升，高于中空玻璃外壁面溫度。

圖5 雙層玻璃系統外壁面溫度對比

多云工況下，水介質雙層玻璃的外壁面溫度，在7:00～11:00 低于中空玻璃外壁面溫度0.17～0.98 ℃，其余時間高于中空玻璃0.19～2.77 ℃。二者差值均低于晴天工況，仍是因為多云工況時全天室外的太陽輻射強度相對較小。

2.3 雙層玻璃系統內壁面溫度對比

圖6 為兩種玻璃系統內層玻璃內壁面在晴天和多云兩種工況的溫度。晴天工況下，6:00～17:00 雙層玻璃在水介質下的內壁面溫度比傳統中空玻璃內壁面溫度低0.1～5.79 ℃，在6:00 以前及17:00 以后比中空玻璃內壁面溫度高0.06～1.29 ℃。雙層中空玻璃內壁面溫度在12:00 左右達到峰值50.83 ℃，雙層玻璃在水介質下的峰值溫度為46.38 ℃，出現在14:00，峰值溫度較雙層中空玻璃低4.45 ℃，且峰值出現時間延緩2 h。這是因為如前所述，水作為中間介質的溫度在6:00～17:00 要低于空氣介質溫度，且二者差值可達6.2 ℃。而中空玻璃中間介質為空氣，吸收的熱量大部分用來使玻璃升溫。又6:00 以前及17:00 以后，水溫開始略高于空氣介質溫度，作為內熱源散發熱量，相應水介質的內壁面溫度開始略高于中空玻璃內壁面溫度。

圖6 雙層玻璃系統內壁面溫度對比

多云工況下，4:00～17:00 雙層玻璃在水介質下的內壁面溫度比傳統中空玻璃內壁面溫度低0.015～4.85 ℃，在4:00 以前，以及17:00 以后比中空玻璃內壁面溫度高0.012～0.9 ℃。雙層中空玻璃內壁面溫度在13:00 左右達到峰值47.98 ℃，雙層玻璃在水介質下的峰值溫度為43.88 ℃，出現在13:33，峰值溫度較雙層中空玻璃低4.1 ℃，且峰值出現時間延緩約0.5 h。這是由于多云工況時，室外太陽輻射弱，水吸收的太陽輻射熱少，加之水介質雙層玻璃室內空氣溫度略低于中空玻璃室內空氣溫度，導致白天水介質雙層玻璃內壁面溫度略低于雙層中空玻璃內壁面溫度。

綜合比較圖5 和圖6，可以看出內壁面溫度比外壁面溫度高0.02～8.46 ℃，是因為測試箱內部為封閉空間，幾乎測量不出風速，且室內空氣溫度較高，與玻璃內壁面溫度較為接近，二者傳熱溫差小，對流換熱系數也很小。而室外空氣溫度相對室內較低，玻璃外壁面與其傳熱溫差較大，且對流換熱系數較大，所以熱量以對流換熱形式傳到室外的部分較多，外壁面溫度也相對內壁面溫度較低。

2.4 不同太陽輻射強度下水介質雙層玻璃系統隔熱性能對比

圖7 所示，為兩種玻璃系統室內溫度逐時變化情況，在晴天和多云兩種工況下，兩種玻璃系統室內溫度變化趨勢基本相同。其中雙層玻璃系統在水介質下室內空氣溫度明顯低于中空玻璃。晴天工況下，前者峰值溫度為47.48 ℃，后者峰值溫度為52.31 ℃。多云工況下，前者峰值溫度為46.09 ℃，后者峰值溫度為49.33 ℃。

圖7 雙層玻璃系統室內空氣溫度對比

圖8 雙層玻璃系統隔熱性能對比

圖8 所示，可以直觀地看出兩種玻璃系統與室外的溫差情況，晴天工況下，在7:00～18:00 雙層玻璃系統在水介質下室內相對于室外的溫差最高為12.16 ℃，而雙層中空玻璃室內相對室外的溫差最高為16.99 ℃，且水介質雙層玻璃系統相對于中空玻璃系統的室內溫度低，溫差最多可達4.84 ℃。這主要是因為如前文所述，水的蓄熱能力相對空氣較強，且對于太陽輻射有一定的吸收作用。6:00 以前及18:00 以后雙層中空玻璃系統在水介質下相對于空氣介質的室內溫度略高。

多云工況下，水介質雙層玻璃系統相對于中空玻璃系統的室內溫度低，溫差最多可達3.38 ℃。這是因為多云工況下，太陽輻射強度較弱，水對于輻射熱的吸收作用沒有那么明顯，相應使得玻璃系統在水介質下的隔熱性能不如晴天工況。

3 水介質雙層玻璃與雙層中空玻璃節能情況對比

3.1 雙層玻璃系統太陽輻射透過量對比

圖9 所示為雙層玻璃系統在晴天和多云兩種工況下，南向垂直面太陽輻射強度變化情況，可以測量到的數據集中在6:00～18:00。由圖可以看出，晴天工況下，在8:00～15:00 這個時間段，南向垂直面太陽輻射強度基本在160～350 W/m2，最高峰為352.3 W/m2，日累計輻射達6.775 MJ/m2。多云工況下，在8:00～15:00 這個時間段，南向垂直面太陽輻射強度大多在100～250W/m2，最高峰為299.6 W/m2，日累計輻射達5.204 MJ/m2。

圖9 雙層玻璃系統南向垂直面太陽輻射強度對比

圖10 為雙層玻璃系統在晴天和多云兩種工況下，水介質相比空氣介質對太陽輻射透過量的減少率。由圖10 可以看出，晴天工況下，水介質相比空氣介質對太陽輻射透過量減少率為9.62%～24.44%，多云工況下為7.42%～17.95%。這是因為，如前言所述，水的光譜特性使其可以吸收幾乎所有紅外輻射，而紅外輻射占太陽光能量的將近50%[8]，且水膜的隔熱機理表明，0～80°入射角范圍內，水膜吸收太陽輻射的能力隨著其厚度增加而增加，50 mm 的水膜吸收比在78%左右[10]。因此15 mm 厚的水介質相比空氣介質對于太陽輻射有較強的吸收能力，可以阻擋一部分太陽輻射透過玻璃系統進入室內。

圖10 不同工況下雙層玻璃在水介質下相比空氣介質對太陽輻射透過量的減少率

所以雙層玻璃系統在水介質下相對于空氣介質，室內的輻射透過量會減少。而晴天工況相對于多云工況減少率略大。這是因為晴天工況下，全天的南向垂直面太陽輻射強度較大，水可以吸收更多的輻射熱，對太陽輻射的阻擋作用更加明顯。

3.2 雙層玻璃系統室內逐時得熱量對比

圖11 所示為雙層玻璃系統室內逐時得熱量情況，在太陽輻射強度較強，且內壁面溫度低于室內溫度時，室內總得熱量為太陽輻射透過量減去室內向室外的二次對流換熱量和二次輻射換熱量。而無太陽輻射時，室外溫度開始下降，當內壁面溫度高于室內溫度時，室內得熱量為二次對流換熱量和輻射換熱量之和。由圖11 可以看出，晴天工況下，透過水介質雙層玻璃的室內總得熱量為678.57 Wh/m2，節能率為40.79%。多云工況下，透過水介質雙層玻璃的室內總得熱量為549.26 Wh/m2，節能率為19.06%。而且，雙層玻璃在水介質下的峰值得熱量明顯低于雙層中空玻璃，相應可以減小空調裝機負荷。

這是因為由圖6 可以看出，晴天工況雙層玻璃在水介質下內壁面溫度與室內溫度的差值更大，當室內空氣溫度高于內壁面溫度時，室內向室外的二次對流和輻射換熱量相較中空玻璃要多。且由前可知，雙層玻璃在水介質下的太陽輻射直接透過率比中空玻璃小，且晴天工況下太陽輻射強度較強，雙層玻璃在水介質下的輻射透過量的減少率更多。結合前文分析可知，水介質可以阻擋一些太陽輻射，并增加雙層玻璃系統的熱慣性，降低室內溫度，實現減少室內總得熱量，減少能源峰值需求的目標。

圖11 雙層玻璃系統室內逐時得熱量對比

4 結論

本文在上海地區夏季實際氣候條件下搭建雙層玻璃系統實驗測試平臺。通過實驗測試，對比研究了雙層玻璃在水和空氣兩種介質下的熱性能和太陽輻射透過性能等差異，在實際氣候條件下，實驗研究得出以下結論：

1）雙層玻璃在水介質下相對于雙層中空玻璃的中間介質空氣升溫更慢，內壁面溫度更低，且晴天工況相較多云工況差值更明顯。

2）同一氣候條件，雙層玻璃在水介質下，6:00～17:00 室內溫度低于中空玻璃對照組，晴天工況溫差可達0.5～4.83 ℃，多云工況溫差可達0.49～3.38 ℃。

3）雙層玻璃系統在水介質下，相對傳統中空玻璃對太陽輻射透過量的減少率晴天工況可達9.62%～24.44%，多云工況可達7.42%～17.95%。

4)雙層玻璃系統在水介質下相對傳統中空玻璃的室內總得熱量更小，隨著太陽輻射強度的增強而差距更大，其節能率即室內總得熱量減少率，晴天工況可達40.79%，多云工況為19.06%。