中空玻璃传热系数实验与研究

徐清浩

(山西大学工程学院，山西太原030024)

0 引言

中空玻璃是由2片或多片平板玻璃组成，中间用边框隔开，充入干燥气体，四周边部用胶结、焊接或熔接密封.其主要性能是隔热、保温，同时还具有隔音效果.中空玻璃的节能效果直接关系到建筑物的能耗.随着社会的发展，现代建筑越来越追求良好的视觉效果.玻璃幕墙和门窗作为建筑装饰不可缺少的一部分，在建筑中被大面积使用.已成为建筑围护结构的重要组成部分，其性能的好坏在很大程度上决定建筑的围护结构性能的好坏，直接影响建筑节能的效果.而玻璃幕墙、门窗的70—90%的面积为玻璃，玻璃的热工性能对幕墙、门窗有直接影响.例如门窗中通过玻璃的热损失占门窗总热损失的2/3左右，可见，玻璃的热工性能对门窗、幕墙总体热工性能有决定性的影响对真空玻璃的传热性能进行分析研究，可进一步改进中空玻璃的性能，减少传热途径.现以实际工程中应用的中空玻璃为基础，对中空玻璃传热途径和传热性能进行分析.

1 中空玻璃节能原理

当太阳光到达玻璃板上时，大约85%透射过去，7%反射掉，8%被吸收.玻璃的透射、反射、吸收的量取决于入射光的波长.可见光区域(波长0.39～0.77μm)几乎没有被吸收，近红外波段(波长大于3μm)及波长在0.30～0.32μm的紫外波段也没有被吸收，到了波长小于0.35μm及中红外以后，则玻璃吸收急剧增加.夏天阳光透过玻璃窗直接射入室内，其中短波长光线和中远红外被吸收，转换为长波长的热辐射，使室内温度升高;冬天，室内热量通过对流和辐射传到玻璃上，然后通过传导、对流和辐射传到室外，玻璃起了散热作用.由于玻璃的传热系数较大，这种热量吸收或散失非常大.所以，普通单层平板玻璃本身几乎没有隔热能力，决定其隔热性能的主要是玻璃内表面的空气层的热绝缘作用.这一作用又随玻璃表面的风速和玻璃表面的辐射能而变化.中空玻璃正是利用空气热绝缘作用较大，特别是其形成不产生对流的中间空气层，这样室内和室外相互之间的能量交换就大大降低，可获得显著的隔热效果.

2 影响中空玻璃隔热性能的主要因素

2.1 气体间层的厚度

气体间层的厚度影响对流换热的强度.对流换热是气体与玻璃表面接触的传热过程，其热绝缘作用主要取决于两层玻璃与气体间层相接触的界面上的边界层厚度.当间层厚度小于4mm时，热表面附近的上升气流与冷表面附近的下沉气流相互干扰，此时气体流速虽小，但形成的局部环流使流区变小，即边界层变薄，气体间层的热绝缘作用就小.但双层中空玻璃的热绝缘作用并不是随气体间层的厚度的增加而无限地增加.当气体间层的厚度增加到一定程度时，因上升气流与下沉气流几乎不再互相干扰，其热绝缘作用就不再随气体间层厚度的增加而增大.

2.2 气体间层中气体的种类与湿度

不同的气体，其导热系数不同，而气体的湿度不同，其导热系数也不相同.随着气体中含水量的增加，导热系数会增加，亦即气体间层内热绝缘作用降低.所以，间隔层中一般要采用干燥气体.

2.3 玻璃的热透率

在通过间层的总传热量中，辐射传热占主导地位，约占2/3.因此，为了提高玻璃的隔热性，应尽量减少间层的辐射换热量.

2.4 玻璃的平面尺寸

加大中空玻璃的平面尺寸，可减少单位面积的热损失.

3 中空玻璃传热系数实验研究

在现场取回1×1m的中空玻璃试件，由于时间与仪器间存在尺寸差异，在安装试件过程中，争取最大限度的密封.试件安装时首先采用两层双面胶条密封边缘，然后再对所有的空隙均用硅酮耐候密封胶密封密封，以确保无缝隙存在.然后安装热流计片和小铜片，在安装前先检查热流计片和小铜片是否与热电偶线焊接良好，安装热流计片时先在热流计片上涂抹一层白凡士林，然后再与玻璃接触，以保证热流计片与玻璃之间无气体存在，然后用胶带在外面密封，以保证凡士林受热后热流计片不致因重力而滑落.1m2的玻璃上热流计片测点取3个，排列均匀分布;安装小铜片前尽量把小铜片整平，让其与玻璃接触时中见尽量不要有空隙.采用101胶对其进行粘接，热、冷箱热箱均为三个，由于热流计片贴在热箱玻璃上，所以热流箱中小铜片片应贴在热流计片旁边，而冷箱的三个小铜片贴在热箱中热流计片位置相对应的中心(具体安装位置见图1(热箱中有热流计片1、2、3和小铜片 1、2、3;冷箱中为小铜片 4、5、6)).接线时应与热流计片和小铜片编号一致，应记清楚那根线对应的是哪个位置的热流计片或小铜片，以便实验过程中出现为题可以迅速找出是哪出了问题以及时解决.热流计片和小铜片安装好并接好线后，开启电源，准备开机.开机前还应把所有仪器位置能动的尽量调整在一起，方便控制.冷箱电源开开后，压缩机是开一个，冷箱温度设置为3℃;热箱开开后，温度设置在24℃，这样就可以使温度稳定后玻璃两面温差控制在15℃以上.所有仪器打开后，等待温度稳定，由于冷箱压缩机要每3个小时换一次，但考虑到两个压缩机功率有所差别对实验结果的影响，再换压缩机时应先使另一个打开，两个同时开开一分钟左右后再关这个压缩机，尽量将影响减小到最小.

温度稳定后，打开电脑运行JTRG－Ⅱ建筑热工温度与热流巡回自动测试系统，导出数据后开始计算.计算结果如下:

(1)此次玻璃为北京北玻安全玻璃有限公司生产的8+15A+8(mm)中空玻璃(见表1)

表1

2010－09－05传热系数走势图(如图2):

2010－09－07传热系数走势图(如图3):

(2)此次玻璃为北京北玻安全玻璃有限公司生产的6+15A+6(mm)中空玻璃(见表2)

表2

2010－11－13传热系数走势图(如图4):

2010－11－15传热系数走势图(如图5):

4 实验过程中的问题及解决情况

在第一次实验过程中，遇到了一些问题，比如玻璃安装时应尽量密封不留空隙、热流计片和小铜片贴时应注意密封与玻璃间不能有空气存在、接线注意不要连线等等，但其中有两个问题最为关键:

(1)两个压缩机功率不同对试验数据的影响.

冷箱要靠压缩机控制温度，但是由于试验持续时间长，不能只靠一台压缩机工作来维持，需要两台交替工作，但两台压缩机功率有些差别，导致数据影响很大，从实验数据可以看出，每当数据发生突变时对应的时间就是换压缩机的时间，对于这样的问题，提出了以下解决方案:在刚开机工作时，由于此时的温度还不稳定，得出的数据不作为实验数据计算，而且这时的压缩机工作负荷较大，所以按照正常每三个小时换一次，但换时应先将另一台压缩机开开，两台同时工作1min左右时，在管理掉原先工作的压缩机，尽量减小对数据的影响;当温度稳定下来后，尽量不要再去换压缩机，可减少对数据的影响.

(2)三个测试点的温度偏差.

从实验数据看出，2点、3点温度基本上相同，5点、6点温度基本上相同，但1点温度比2、3点普遍低1℃左右，4温度比5、6点普遍低1℃左右，此处的热流计也比另外两处偏低一些，通过对所有数据分析，初步得出:中空玻璃中心的传热系数比旁边偏小些.

在第二次试验时，我们为避免第一次实验中遇到的问题，按照提出的解决方案进行了改变.得出了第二组数据.从实验数据可发现，在温度稳定后不再换压缩机的情况下，得出的数据在数值上没有突变，可以得出压缩机的改变多数据影响较大.但也不难发现上述的问题1依然存在，这也证实了上面得出的那个初步结论是正确的，即:中空玻璃中心的传热系数比旁边偏小些，也就是说中心的保温性能要比旁边好.

5 结语

通过这次对中空玻璃传热系数的研究，对中空玻璃传热系数有了很大认识，更加理解了中空玻璃传热系数的测定原理等等.这次的研究，得出了一些结论，中空玻璃每个位置的传热系数各不相同，其中心的传热系数略小于旁边，保温性能比旁边要好.而且还认识到中空玻璃传热系数于其中间加层厚度有关，与其单片玻璃本身厚度关系不大.

［1］中空玻璃的节能研究，刘缙，吴武伟，曹钦存，2003

［2］JGJ/T 151－2008.建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程