中空玻璃結構優(yōu)化及節(jié)能性研究

陳德敏，劉瑩惠，湯 凱，陸 彪

(安徽工業(yè)大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

世界各國建筑能耗占總能耗的40%～60%[1-4]，我國2017年建筑運行的總商品能耗為9.63億t標準煤，約占全國能源消費總量的21%[5]。因此，在全球能源供應緊張的今天，建筑節(jié)能成為可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[6]。建筑能耗的影響因素有朝向、體形系數(shù)、外圍護結構，其中建筑透明外圍護結構是建筑節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)。在夏熱冬冷地區(qū)，較低的外窗傳熱系數(shù)可降低建筑能耗，傳熱系數(shù)減小0.1W/(m2·K)，建筑總能耗可降低0.05%[7]。Low-E中空玻璃與普通3mm厚的透明白玻璃相比，應用在我國南北方建筑中，其全年空調能耗可降低20%～30%[8]，所以研究玻璃的保溫性能是降低能源消耗量的途徑之一。在夏季炎熱地區(qū)，實測得不同朝向外窗透過Low-E中空玻璃和普通中空玻璃的室內平均太陽輻射得熱量分別是透過單層玻璃的0.37，0.85倍[9]，說明Low-E中空玻璃具有良好的保溫隔熱性能。

Low-E中空玻璃的保溫隔熱性能常用傳熱系數(shù)表示，傳熱系數(shù)越小，熱阻越大，說明保溫性能越好。傳熱系數(shù)的影響因素有玻璃厚度、中空氣體層厚度、Low-E膜位置和表面發(fā)射率、填充氣體種類[10-13]，其中中空氣體層厚度、填充氣體種類及Low-E膜表面發(fā)射率對傳熱系數(shù)影響顯著，玻璃厚度對傳熱系數(shù)影響不明顯。

已有研究內容大多僅研究了某單一因素對中空玻璃傳熱系數(shù)的影響，而沒有考慮多因素交互作用時對其的綜合影響。本文應用響應曲面法研究中空氣體層厚度、稀有氣體氬氣充入量及Low-E膜表面發(fā)射率對中空玻璃傳熱系數(shù)的綜合影響，并將優(yōu)化的玻璃結構應用到辦公建筑房間，計算房間的全年能耗，與普通中空玻璃(6mm+12mm空氣+6mm)結構房間的全年能耗進行對比，得到優(yōu)化玻璃的節(jié)能效果。

1 雙層中空玻璃數(shù)值模型

1.1 傳熱系數(shù)計算數(shù)值模型

根據傳熱學原理，中空玻璃傳熱過程包括室外環(huán)境與玻璃外表面的對流傳熱和輻射傳熱、玻璃系統(tǒng)內部的玻璃材料導熱及中空氣體層氣體對流傳熱和輻射傳熱、室內環(huán)境與玻璃內表面的對流傳熱和輻射傳熱3部分。

本文計算的雙層中空玻璃系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙層中空玻璃系統(tǒng)

穩(wěn)定狀態(tài)下傳熱系數(shù)U值計算公式為：

(1)

式中：U為中空玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)(W/(m2·K))；hout為室外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))；ht為中空玻璃傳熱系數(shù)，包括玻璃材料和氣體層傳熱(W/(m2·K))；hin為室內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))。

初始溫度計算時，假設玻璃系統(tǒng)各表面溫度按梯度恒定變化。各玻璃層表面溫度為[14]：

(2)

式中：Ti為第i層玻璃表面溫度(K)；Tout為室外環(huán)境溫度(K)；Tin為室內環(huán)境溫度(K)；si為第i層玻璃到室外環(huán)境側玻璃表面的距離(m)；di為第i層玻璃材料層的厚度(m)；dgas為氣層厚度(m)。

其中，室外玻璃表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、中空玻璃傳熱系數(shù)和室內玻璃表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算公式為：

(3)

(4)

(5)

式中：ws為玻璃表面附近室外風速(m/s)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取5.67×10-8W/(m2·K)；εf,1為室外側玻璃前表面發(fā)射率；Tf,1為室外側玻璃前表面溫度(K)；Nu為努塞爾數(shù)，由軟件中的經驗公式計算得到；kgas為氣體導熱系數(shù)(W/(m·K))；di為第i層玻璃材料層的厚度(m)；ri為第i層玻璃材料的熱阻(W/(m·K))；K為空氣導熱系數(shù)(W/(m·K))；H為玻璃系統(tǒng)高度(m)；εb,2為室內側玻璃背面表面的發(fā)射率；Tb,2為室內側玻璃背面表面溫度(K)。

由數(shù)值模型可知，影響雙層中空玻璃傳熱系數(shù)的因素有：①環(huán)境因素 包括玻璃表面附近室外風速、室外環(huán)境溫度和室內環(huán)境溫度；②材料性能 包括玻璃表面的發(fā)射率、玻璃材料的熱阻和氣體導熱系數(shù)；③結構參數(shù) 包括玻璃材料層厚度和玻璃系統(tǒng)高度。綜合已有研究成果，本文主要研究中空氣體層厚度、稀有氣體氬氣充入量及Low-E膜表面發(fā)射率對中空玻璃傳熱系數(shù)的影響。

1.2 邊界條件

根據GB/T 8484—2020《建筑外門窗保溫性能檢測方法》[15]，基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，采用標定熱箱法檢測建筑外門窗傳熱系數(shù)，冷箱空氣平均溫度設定為-21～-19℃，熱箱空氣平均溫度設定為19～21℃。本文中空玻璃傳熱系數(shù)的計算邊界條件為室外空氣溫度-18℃，室內空氣溫度21℃，室外對流換熱系數(shù)16W/(m2·K)。

1.3 傳熱系數(shù)數(shù)值模型驗證

為驗證模擬計算結果的準確性，以文獻[10]中空玻璃結構參數(shù)進行模擬計算，如圖2所示。采用厚6mm的白玻璃，表面發(fā)射率均為0.84，中空層氣體為空氣。對比結果如圖3所示，2組數(shù)據的最大相對誤差為6.4%，平均誤差為3.2%，說明模擬計算結果與驗證的數(shù)值模型吻合較好，本文的模擬計算可用于中空玻璃傳熱系數(shù)計算。

2 響應曲面試驗設計

BBD(Box-Behnken Design)是一種常用的響應曲面優(yōu)化法，常用于2～5個因素的非線性影響研究，該方法試驗次數(shù)少，優(yōu)化求解的最優(yōu)解在取值范圍內[16]。本文采用該響應曲面優(yōu)化法對中空玻璃結構進行優(yōu)化。

根據已有研究和實際生產工藝的限制，氣體層厚度為10～16mm，稀有氣體氬氣充入量為90%～100%，Low-E膜表面發(fā)射率為0.02～0.06。

利用Design-Expert8.0.5軟件中Box-Behnken試驗設計方法進行試驗方案設計。中空玻璃結構由2片厚6mm的玻璃片和中間氣體層構成，Low-E膜鍍膜位置參考文獻[17-18]選最佳鍍膜位置為外玻璃片與氣層接觸側。以中空氣體層厚度X1、稀有氣體氬氣充入量X2和Low-E膜表面發(fā)射率X3為變量，每個因素取3個水平，以(-1，0，1)進行編碼，其中“-1”表示低水平，“0”表示中心點，“1”表示高水平，以U值為響應值(用Y表示)。響應曲面試驗因素及水平如表1所示。

表1 響應曲面試驗因素及水平

3 響應曲面法試驗結果與分析

3.1 試驗結果

將各因素和水平輸入響應曲面設計軟件，得到17組試驗設計計算參數(shù)值，用WINDOW計算出試驗設計表各因素取值結果，如表2所示。

表2 試驗設計參數(shù)與響應值計算結果

用Design-Expert8.0.5軟件對表2中的試驗結果進行多元回歸方程擬合，得到中空玻璃U值模型Y的擬合回歸方程：

Y=2.333-0.115X1-0.004X2+4.631X3+1×10-4X1X2-0.025X1X3+

(6)

式中：X1X2為中空氣體層厚度和氬氣充入量的交互作用；X1X3為中空氣體層厚度和Low-E膜表面發(fā)射率的交互作用；X2X3為氬氣充入量和Low-E膜表面發(fā)射率的交互作用。

回歸方程的多元相關系數(shù)R2值為0.999 7，模型Y的R2值接近1，說明該模型的擬合度高。

3.2 方差分析

進一步對回歸方程進行方差分析，分析各影響因素對響應值影響的顯著性，結果如表3所示。

表3 響應值的回歸方差分析

3.3 響應曲面分析與優(yōu)化

在響應面模型和方差分析的基礎上，進一步分析各因素交互作用對U值的影響，響應面的曲面程度和等高線的形狀可反映各因素對中空玻璃U值的影響程度。等高線形狀越接近橢圓表明因素間的交互作用對中空玻璃U值的影響越強。

3.3.1氣體層厚度與氬氣充入量對U值的交互影響

Low-E膜表面發(fā)射率為0.04時，氣體層厚度與氬氣充入量對U值的交互影響如圖4所示。

圖4 氣體層厚度與氬氣充入量對U值的交互影響

由圖4可知，氣體層厚度為12.3～13.3mm，氬氣充入量為99.8%～100%時，U值最低。當氬氣充入量為90%時，隨著氣體層厚度增加，U值先減小后增大，且在90%～100%的每個固定氬氣充入量下，U值隨氣體層厚度的增加呈先減小后增大趨勢。產生這種現(xiàn)象的原因是當其他因素為定值時，中空氣體層厚度增加，氣體層傳熱系數(shù)減小，玻璃整體傳熱系數(shù)減小，當氣體層厚度增大到一定值后，氣體層厚度繼續(xù)增大，導熱熱阻增大，但氣體層對流傳熱效果增強，對流傳熱作用明顯[17-18]，氣體傳熱系數(shù)增大，玻璃整體傳熱系數(shù)增大，所以U值隨氣體層厚度的增大呈先減小后增大趨勢。當氣體層厚度為10mm時，隨著氬氣充入量增大，U值減小，且在10～16mm 的每個固定氣體層厚度下，U值隨氬氣充入量的增大而減小。產生這種現(xiàn)象的原因是當其他因素為定值時，稀有氣體的充入量增大，稀有氣體可減弱導熱效果，所以U值隨氣體層中充入稀有氣體的量增大而減小。氣體層厚度與氬氣充入量的交互作用對U值的影響較大。

3.3.2氣體層厚度與Low-E膜表面發(fā)射率對U值的交互影響

氬氣充入量為95%時，氣體層厚度與Low-E膜表面發(fā)射率對U值的交互影響如圖5所示。

由圖5可知，氣體層厚度為11.2～14.2mm，Low-E膜表面發(fā)射率為0.020～0.024時，U值最低。氣體層厚度為10mm時，隨著Low-E膜表面發(fā)射率增大，U值增大，且在10～16mm的每個固定氣體層厚度下，U值隨Low-E膜表面發(fā)射率的增大而增大。產生這種現(xiàn)象的原因是在當其他因素為定值時，Low-E膜表面發(fā)射率減小，U值減小，低輻射薄膜的表面發(fā)射率越低，對太陽輻射傳熱的阻隔能力越大，玻璃整體的傳熱系數(shù)減小，所以U值隨著Low-E膜表面發(fā)射率的減小而減小。氣體層厚度與Low-E膜表面發(fā)射率的交互作用對U值的影響較大。

3.3.3氬氣充入量與Low-E膜表面發(fā)射率對U值的交互影響

氣體層厚度為13mm時，氬氣充入量與Low-E膜表面發(fā)射率對U值的交互影響如圖6所示。

圖6 氬氣充入量與Low-E膜表面發(fā)射率對U值的交互影響

由圖6可知，在氬氣充入量為95%～100%，Low-E膜表面發(fā)射率為0.020～0.024時，U值最低。在氬氣充入量為90%時，隨著Low-E膜表面發(fā)射率增大，U值增大，且在90%～100%每個固定的氬氣充入量下，U值隨Low-E膜表面發(fā)射率的增大而增大。當Low-E膜表面發(fā)射率為0.06時，隨著氬氣充入量的增加，U值緩慢減小，且在0.02～0.06每個固定的Low-E膜表面發(fā)射率下，中空玻璃的U值隨氬氣充入量的增加緩慢減小。氬氣充入量與Low-E膜表面發(fā)射率的交互作用對U值的影響不明顯。

由圖4～6所示等高線可知，圖4a比圖5a，6a更接近橢圓狀；從響應面可知，圖4b所示曲面坡度最大，圖5b次之，圖6b最小。這說明氣體層厚度與氬氣充入量的交互作用對U值的影響最大。

3.3.4中空玻璃結構優(yōu)化

通過軟件對試驗結果數(shù)據進行處理，在試驗因素的取值范圍內取響應值最小U值，得到最佳雙層中空玻璃結構為6mm+12.65mm氬氣+6mm，即雙層玻璃厚6mm，外層玻璃是表面發(fā)射率為0.02的Low-E玻璃，氣體層厚12.65mm，充入100%稀有氣體氬氣，內層玻璃為透明白玻璃，此條件下，預測的響應值中空玻璃U值為1.322W/(m2·K) 。

4 節(jié)能效果

4.1 建筑模型及參數(shù)設置

將優(yōu)化后的玻璃結構應用到某夏熱冬冷地區(qū)的辦公建筑房間中，進一步分析優(yōu)化玻璃結構的保溫隔熱性能及建筑房間全年綜合節(jié)能效果，辦公建筑房間如圖7所示，U屋面=0.23W/(m2·K)，U外墻= 0.46W/(m2·K)。

圖7 辦公建筑房間

建筑房間尺寸為4.5m×8m×3m，房間窗口設為南或北朝向單側開窗，窗墻比為0.7。外窗玻璃結構為普通中空玻璃結構時的U值為2.570W/(m2·K)， 為優(yōu)化結構中空玻璃時的U值為1.322W/(m2·K)， 其他建筑圍護結構熱工參數(shù)均相同。建筑圍護結構熱工參數(shù)設置滿足GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》[19]的要求，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.23W/(m2·K)，外墻傳熱系數(shù)為0.46W/(m2·K)。系統(tǒng)運行工況和設計參數(shù)按《公共建筑節(jié)能設計標準》[19]中辦公建筑特點設置，照明功率為9W/m2，電器設備功率為15W/m2，人均使用建筑面積為10m2，人均新風量為0.008m3/s，空調和供暖運行時間(僅工作日)為7:00—18:00，空調和供暖區(qū)域室內溫度設定為夏季26℃、冬季20℃，制冷期和采暖期分別為6月26日至9月7日及12月8日至次年2月11日[20]。本文重點研究外窗玻璃熱工性能，故采用理想空調系統(tǒng)。

該模型氣象參數(shù)為南京市的氣象數(shù)據，采用CSWD中國標準天氣數(shù)據，該辦公建筑房間外窗分別采用普通中空玻璃結構和本文優(yōu)化的玻璃結構，用EnergyPlus軟件進行能耗模擬計算分析。

4.2 能耗模擬計算結果與分析

辦公建筑房間的全年綜合能耗是室內辦公設備能耗、照明能耗、制冷能耗和供暖能耗的總和，計算公式如下：

E=Eeq+Eel+Ec+Eh

(7)

式中：E為全年綜合能耗(kW·h)；Eeq為全年辦公設備能耗(kW·h)；Eel為全年照明能耗(kW·h)；Ec為全年制冷能耗(kW·h)；Eh為全年供暖能耗(kW·h)。

4.2.1南外窗節(jié)能效果

南外窗分別用普通中空玻璃和本文優(yōu)化玻璃時，各類年能耗模擬計算結果如圖8所示，通過建筑南外窗的得熱量和失熱量如圖9，10所示。

圖8 南窗建筑房間分項年能耗

圖9 通過南窗的得熱量

圖10 通過南窗的失熱量

由圖8可知，應用2種不同類型玻璃外窗的房間全年辦公設備和照明能耗值相等，制冷和供暖能耗值出現(xiàn)差異，采用優(yōu)化玻璃房間夏季制冷能耗比普通中空玻璃降低26%，冬季供暖能耗全年增加41%。由圖9，10可知，夏季通過優(yōu)化玻璃的得熱量比通過普通中空玻璃的得熱量少，室內冷負荷少，優(yōu)化玻璃房間空調制冷量比普通中空玻璃房間空調制冷量少，所以夏季可降低室內空調能耗；而冬季通過優(yōu)化玻璃的得熱量比普通中空玻璃的得熱量少，要維持室內相同室溫，需增加供暖能耗，所以優(yōu)化玻璃外窗房間供暖能耗比普通中空玻璃房間供暖能耗高。但從全年綜合能耗來看，采用優(yōu)化玻璃房間的全年綜合能耗比采用普通中空玻璃的房間降低3.5%。

4.2.2北外窗節(jié)能效果

北外窗分別用普通中空玻璃和本文優(yōu)化的玻璃時，各類年能耗模擬計算結果如圖11所示，通過建筑北外窗的得熱量和失熱量如圖12，13所示。

圖11 北窗建筑房間分項年能耗

圖12 通過北窗的得熱量

圖13 通過北窗的失熱量

由圖11可知，應用2種不同類型玻璃外窗的房間全年辦公設備和照明能耗值相等，制冷和供暖能耗值出現(xiàn)差異，采用優(yōu)化玻璃房間夏季制冷能耗比采用普通中空玻璃降低22.8%，冬季供暖能耗降低13.1%。由圖12，13可知，夏季通過優(yōu)化玻璃的得熱量比通過普通中空玻璃的得熱量少，同時比南窗相同房間的得熱量少，室內冷負荷少，優(yōu)化玻璃房間空調制冷量比普通中空玻璃房間空調制冷量少，所以夏季可降低室內空調能耗。冬季通過普通中空玻璃的得熱量少，失熱量多，而通過優(yōu)化玻璃得熱量和失熱量均少，同時比相同房間南窗的得熱量少，采用這2種不同玻璃類型外窗冬季供暖能耗都比南窗相同房間的高，且優(yōu)化玻璃外窗房間冬季供暖能耗比普通中空玻璃外窗房間的供暖能耗低。采用優(yōu)化玻璃房間全年綜合能耗比采用普通中空玻璃的降低6.3%。

綜上所述，本文優(yōu)化玻璃應用于辦公建筑房間，窗口朝南時全年綜合能耗可降低3.5%，窗口朝北時全年綜合能耗可降低6.3%，窗口朝北節(jié)能優(yōu)勢更明顯。

5 結語

1)氣層厚度與氬氣充入量的交互作用對中空玻璃U值的影響最大，氣層厚度與Low-E膜表面發(fā)射率的交互作用對中空玻璃U值的影響較大，氬氣充入量與Low-E膜表面發(fā)射率的交互作用對中空玻璃U值的影響不明顯。

2)應用響應曲面法優(yōu)化得到的最優(yōu)中空玻璃結構室內、外側玻璃厚6mm，中空氣體層厚12.65mm、稀有氣體氬氣充入量為100%、Low-E膜表面發(fā)射率為0.02時，U值為1.322W/(m2·K)。

3)夏熱冬冷地區(qū)建筑模型中采用優(yōu)化的玻璃結構能耗模擬結果表明，窗口朝南時，本文優(yōu)化玻璃結構相比于普通中空玻璃，辦公建筑房間全年綜合能耗可降低3.5%；而窗口朝北時，辦公建筑房間全年綜合能耗可降低6.3%。