中空玻璃夹层厚度对传热系数的影响研究

汪天尖 苏世标 徐海娟 刘 明 李荣宗

（广东省职业病防治院（广东省职业卫生检测中心） 广东广州 510300）

1 绪论

北方地区特别是东北地区冬季时间漫长、室外气温低、室内外温差较大，建筑维护结构热负荷普遍偏大。窗户是建筑结构的重要部分之一，研究指出：东北严寒地区建筑外窗是建筑围护结构总能耗的重要组成部分，约占比可达到维护结构的热负荷的49%[1]。

增强建筑外窗保温隔热性能、降低的传热系数，是减少建筑围护结构热损失的重要措施之一。目前市场上玻璃的导热系数一般在0.75～1.00W/（m·K），单层外窗的传热系数一般均在3.0W/（m2·K），由于其散热量大、隔音效果差等原因，单层玻璃外窗已经不能满足生活以及建筑节能的要求。近些年来，中空双层建筑外窗逐渐替代单层玻璃外窗成为市场主流，该种外窗的中空玻璃中间为气体填充层，两侧为玻璃层。由于填充气体的导热系数很小，对流换热量小，所以中空玻璃外窗可大大减少外窗的传热系数，降低建筑物的能耗。

本位依托相关模拟软件，对市场上常见的建筑外窗中空玻璃夹层厚度进行模拟研究计算：探讨不同夹层厚度下窗户整体传热系数的变化情况，从而找到最佳的厚度指导实践生产实践。

《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[2]明确规定：不同体形系数、楼层的建筑物，外传的传热系数有相应得推荐值。

表1 严寒B区外窗围护结构热工性能参数

目前，许多科研院所和学校普遍认为中空玻璃大多数夹层厚度为12mm时，外窗的保温效果最佳[3]，但是对于中空玻璃夹层厚度的最佳传热理论解，学术界仍没有定论。一般认为外窗的传热系数与玻璃本身的导热系数、中空夹层的厚度、夹层气体种类、夹层气体辐射、夹层冷热壁温差等有关系。

2 中空玻璃传热系数K计算方法

热系数K是衡量中空玻璃热工性能指标主要之一，《传热学》理论指出：传热系数指的是单位时间内单位面积在单位温差条件下所传递的热量。对于北方地区，传热系数是外窗重要的热工参数，它决定了外窗的能耗大小，研究其大小具有重要意义。中空双层外窗的传热系数一般K由七部分组成，分别是室外气体与玻璃壁面的对流换热，外层玻璃的导热、外层玻璃与气体夹层的对流换热、夹层壁面的辐射换热、内侧玻璃与夹层气体的对流换热、内侧玻璃的导热和内侧玻璃与室内气体的对流换热。

R——中空玻璃的热阻，（m2·K）/W；

δ1——中空玻璃的外层玻璃厚度，m；

δ2——中空玻璃的内层玻璃厚度，m；

λa——中空玻璃的内层玻璃导热系数，W/（m·K）；

λb——中空玻璃的外层玻璃导热系数，W/（m·K）；

h1——中空玻璃的外层对流换热系数，W/（m2·K）；

h2——中空玻璃的内侧对流换热系数，W/（m2·K）；

h3——中空玻璃夹层气体复合对流换热系数，W/（m2·K）。

中空玻璃夹层的复合对流换热系数一般包括两种，主要指夹层冷热壁面辐射对流换热系数和气体对流换热系数。

h3=h4+h5

h3——中空玻璃夹层气体复合对流换热系数，W/（m2·K）；

h4——中空玻璃的夹层辐射流换热系数，W/（m2·K）；

h5——中空玻璃的夹层气体对流换热系数，W/（m2·K）。

2.1 中空玻璃的夹层辐射流换热系数h4

只要两个物体表面存在温差就会有辐射换热，在此我们把辐射换热写成对流换热的形式得到下式：

εb——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，通常取5.67×10-8W/（m2·K4）；

ε1——中空玻璃热壁表面发射率；

ε2——中空玻璃冷壁表面发射率；

T1′——中空玻璃夹层热壁开尔文温度，K；

T2——中空玻璃夹层冷壁开尔文温度，K。

2.2 中空玻璃夹层气体对流换热表面传热系数h5

对于中空玻璃夹层属于封闭、狭小空间的对流换热范畴，目前学术界仍然没有详细的计算公式，大部分公式均为实验经验公式。本文采用其中一种较为普遍的经验公式。

气体对流换热传热系数：

式中：

δ——为气体夹层厚度，m；

λ——为气体导热系数，W/（m·K）。

努谢尔特数和瑞利数一般也是由经验公式确定，公式如下：

Nu=ARan

其中：

g——为重力加速度，m2/s；

α——为体积膨胀系数，α=1/Tm，1/K；

Tm——为玻璃的平均温度，Tm=（T1′+T2）/2，K；

T1′、T2——分别为中空玻璃夹层热、冷壁面温度，K；

ΔT——为冷、热壁面温差，K；

a——为气体热扩散率，m2/s；

v——为气体的运动粘性系数，m2/s。

当Nu<1，Nu取为1。垂直条件下，A=0.035，n=0.38；水平条件下，A=0.16，n=0.28；倾斜条件下 45℃，A=0.10，n=0.31。

3 国内外窗传热系数计算参数设置

国内外窗传热系数计算与国外外窗传热系数计算方法略有不同，国内现行的标准为《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》，规定如下：设计或评价门窗、玻璃幕墙定型产品的热工性能时，室内外表面的对流换热系数应根据标准规范选取[4]。

3.1 冬季计算标准条件

室内空气温度Tin=20℃；室外空气温度Tout=-20℃；室内对流换热温度hc，in=3.6W/（m2·K）；

室外平均辐射温度温度Trm，in=16W/（m2·K）；室内平均辐射温度Trm，in=Tin；

室外平均辐射温度Trm，out=Tout；太阳辐射照度Is=300W/m2。

3.2 夏季标准计算条件

室内空气温度Tin=25℃；室外空气温度Tout=30℃；室内对流换热温度hc，in=2.5W/（m2·K）；

室内对流换热温度hc，out=16W/（m2·K）；室内平均辐射温度Trm，in=Tin；

室外平均辐射温度Trm，out=Tout；太阳辐射照度Is=500W/m2。

3.3 计算条件设定

针对东北严寒地区冬季热负荷较大的情况，外窗传热系数计算一般以冬季条件为主，夏季一般不作考虑。

4 Window软件外窗模拟

本文建立常用的中空玻璃模型，通过不同夹层厚度的设置得到不同的传热系数通过分析比较得到其的相关关系得到最佳的夹层厚度。

就在他们要用担架把我抬向某个地方的时候，我奋力地从那担架上滚落下来。此时此刻，我的第一愿望是快快快！我要尽量地快些到那个黑乎乎的矿井底下。我放心不下。我要找到小六子啊。

4.1 Window软件介绍

Window是美国劳伦斯伯克利国家实验室是研发的专门用于门窗热工模拟的软件之一，它具有操作简单，自定义功能强，计算方便等优点。

4.2 软件参数设置

（1）室内外条件设置

东北地区门窗计算以冬季为主，夏季为辅。本文在window模拟软件中计算环境，满足冬季计算标准。

图1 软件界面截图

（2）中空玻璃外场夹层厚度设置

本文以 2mm为单位步长，分别为 2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm。

（3）玻璃材料设置

本次内外均选用玻璃库中编号为1577.具体参数详见表2。

表2 玻璃参数表

5 模拟结果分析

5.1 模拟实验结果

5.2 数据整理分析

对数据进行分析处理如图2。

通过以上分析可以得出以下结论：

（1）夹层厚度在2～14mm时，夹层厚度增大，中空玻璃传热系数越小。这是因为夹层厚度越大填充气体的导热热阻越大。在封闭空间内由于热壁、冷壁的热作用，填充气体会出现对流换热现象，冷侧气体下沉，热侧气体上升，气体形成环状流动，厚度越小对流现象越严重。

（2）夹层厚度在15mm以后，中空玻璃的传热系数随夹层厚度的增加呈现整体平稳的趋势。这是因为当夹层厚度达到一定值厚，填充气体很难形成环状流动，对流换热区域稳定，中空玻璃传热系数趋于稳定。

表3 夹层厚度与传热系数的大小

图2 夹层厚度与中空玻璃的传热系数关系

（3）当夹层厚度较小时，夹层内气体的流体的对流换热影响比重比较大。随着夹层厚度的增加，由填充气体流态由湍流向层流过渡，紊流换热量大，而层流换热量小，所以此时夹层厚度变化较小，中空玻璃的传热系数仍有较大的变化量。

6 结论

通过本文的模拟实验可得出如下结论：

（1）夹层厚度直接影响了填充气体的热传递大小，因此夹层厚度对中空玻璃的传热系数大小有重要影响作用。

（2）夹层厚度不宜过大或过小。夹层厚度过小则中空玻璃的传热系数较大导致外窗散热量较大，从而导致节能性差，夹层厚度过大，虽然对其传热系数影响不大，但是会带来其他不利因素，比如玻璃的密封不实，外框制作、安装维修难度增加等。

（3）夹层厚度应在14～18mm之间最佳，这样既能保证中空玻璃的传热系数在合理范围内，又能保证窗框、密封条等的制作安装。

（4）降低外窗的传热系数，需要综合考虑，不能只考虑一种因素。本文只考虑了夹层的厚度，窗框、密封胶、密封条等因素对外窗产热系数的影响也比较大。

严寒地区外窗耗热量所占的比重比较大，降低其传热系数具有重要意义。目前市场上的外窗传热系数普遍比较大，新型节能外窗的研发刻不容缓。

[1]周佩杰.被动式居住建筑与节能门窗[J].中国建筑金属结构，2015（4）：70～77.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26－2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]马扬，杨仕超，石民祥.中空玻璃的热工性能研究[J].中国建筑金属结构，2009（5）：27～32.

[4]《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T151-2008）[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.