中空玻璃传热系数影响因素研究

楼建文

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

0 引言

中空玻璃一般是由两到三片玻璃组成，中间用间隔框架隔开，周边使用高强度、高气密性复合粘结剂密封，充入干燥空气或惰性气体，并且填入少量干燥剂保持填充气干燥而制得。相对于单片玻璃，中空玻璃具有良好的保温性能、隔声性能等特点。目前，中空玻璃广泛应用于建筑工程的门窗、幕墙、采光顶棚等部位，既起到增加采光面积的作用，又具有良好的节能效应。

传热系数是门窗、幕墙的一个重要节能参数指标，中空玻璃作为门窗、幕墙中的透光材料，其传热系数的优劣对整个门窗、幕墙的传热系数起到至关重要的作用。本文通过对影响中空玻璃的各种因素进行分析研究，找出其中重要的影响因素，为门窗幕墙相关企业及节能设计单位选用中空玻璃提供参考。

1 中空玻璃传热系数影响因素分析

1.1 填充气体的厚度

玻璃的导热系数是1.0W/(m·K)，而空气的导热系数是0.027W/(m·K)，因为空气具有良好的保温隔热效果，有空气层的中空玻璃相对于单片玻璃也有空气良好的保温隔热效果的特性。表1为一组中空玻璃的传热系数试验数据，中空玻璃两面均采用6mm普通透明玻璃，填充气体为空气，空气层的厚度分别是常用的6mm、9mm和12mm。

表1 不同空气层厚度中空玻璃的传热系数

从表1分析可知，空气层厚度从6mm增加到9mm，中空玻璃的传热系降低了6%。空气层厚度从9mm增加到12mm，中空玻璃的传热系数降低了7%。可见，中空玻璃填充气体的厚度越大，中空玻璃的传热系数越低，中空玻璃的保温性能也越好。但是，空气层也不能无限增大，随着厚度增大，对流越强，热阻减少，传热系数会增大。如(6+24A+6)mm厚普通透明中空玻璃，其传热系数为2.7W/(m·K)，对比(6+12A+6)mm厚普通透明中空玻璃，其提升幅度已经甚微。

1.2 填充气体的类型

中空玻璃内部充填的气体，一般采用空气或其他惰性气体。因为氩气获取比较容易，制造成本相比其他惰性气体低廉，空气更易于制取，因此空气、氩气是作为中空玻璃最常见的填充气体并得以广泛应用。氩气的热导率优于空气的热导率，理论上同条件下的中空玻璃，填充氩气的传热系数优于填充空气的传热系数。表2为一组中空玻璃的传热系数试验数据，中空玻璃两面均采用6mm普通透明玻璃，填充气体为氩气，氩气层厚分别为常用的6mm、9mm和12mm。

表2 不同氩气层厚度中空玻璃的传热系数

从表1～表2比较分析可知，(6+6A+6)mm、(6+9A+6)mm和(6+12A+6)mm厚普通透明中空玻璃的填充更换为氩气后，其传热系数分别降低了6%、7%和7%。因此，同条件下用使用氩气作为填充气体的中空玻璃，其保温性能优于使用空气作为填充气体的中空玻璃。

1.3 玻璃的厚度

物体厚度的增加，必然会增加其的热阻。同样，玻璃厚度的增加，其热阻也随之增加，整片中空玻璃的传热系数就降低了。(6+12A+6)mm和(12+12A+12)mm厚普通透明中空玻璃的传热系数分别为2.8W/(m2·K)和2.7W/(m2·K)。从数据中可以看出，组成中空玻璃的两面玻璃厚度从6mm提升到12mm，中空玻璃传热系数约降低了7%。常用组成中空玻璃的玻璃厚度有5mm、6mm、8mm、10mm等，12mm的规格较少用到。可见，虽然增加厚度可以提升中空玻璃保温性能，降低中空玻璃传热系数，但改善效果有限。因此，玻璃的厚度不是影响中空玻璃传热系数的主要因素。

1.4 组成中空玻璃的玻璃类别

目前建筑工程上使用的玻璃大部分是由两片玻璃组成，一面采用普通透明玻璃，另一面根据节能需求选择不同类别的玻璃，常见的有普通透明玻璃、Low-E镀膜玻璃、阳光在线控制镀膜玻璃(热反射镀膜玻璃)、着色玻璃(吸热玻璃)等。表3、表4分别为一组中空玻璃的传热系数与辐射率的参考值，中空玻璃一面采用6mm普通透明玻璃，填充气体为空气，空气层厚度为12mm，另外一面分别采用6mm不同类别玻璃。

表3 (6+12A+6)mm厚中空玻璃一面采用普通透明玻璃、另一面采用不同类别玻璃的传热系数

表4 (6+12A+6)mm厚中空玻璃一面采用普通透明玻璃、另一面采用不同类别玻璃的辐射率

从表3～表4数据分析可知：

(1)各色系的着色玻璃的辐射率和普通玻璃近乎相同，当玻璃的厚度一样时，着色玻璃中空玻璃和普通透明中空玻璃的传热系数基本一致。

(2)对于不同类别的玻璃，其辐射率和传热系数大小有直接关系，玻璃的辐射率越小，对远红外线的反射率越高，玻璃的传热系数也会越小。镀膜玻璃的辐射率小于普通玻璃，因此采用镀膜玻璃组成的中空玻璃其传热系数也优于普通透明中空玻璃。

(3)高透光阳光控制镀膜中空玻璃对比同规格的普通透明中空玻璃，其传热系数虽有改善，但是改善幅度不是太大。

(4)一般情况下，中透光镀膜玻璃优于高透光镀膜玻璃，单银Low-E镀膜玻璃优于普通Low-E镀膜玻璃，双银Low-E镀膜玻璃优于单银Low-E镀膜玻璃。

由此可见，采用不同玻璃类别的中空玻璃，其传热系数差异非常大。因此，选择什么类别的玻璃组成中空玻璃，是决定其传热系数优劣的重要因素。

1.5 间隔条的类型

中空玻璃边部密封一般采用铝隔条，铝隔条质量较轻，且处理后表面光滑美观，能在两片玻璃中间形成有效的支撑。但是，铝隔条容易导热，会导致中空玻璃的边部传热系数增大。当在严寒天气时，中空玻璃边部容易产生结露现象。近年来，随着中空玻璃暖边技术的发展，尤其是超级间隔条的应用，有效地降低了中空玻璃边部的传热系数。超级间隔条是一种不含金属、具有微孔结构的弹性硅酮材料，其导热系数远远小于铝隔条，其导热系数约为铝隔条的1/950。因此，相较于铝隔条，能有效降低中空玻璃边部的传热系数。超级间隔条还具有弹性记忆功能，采用超级间隔条作为间隔条，可减少中空玻璃的应力，降低中空玻璃运输、安装过程中的炸裂风险。

1.6 中空玻璃的使用环境

根据GB/T 22476-2008《中空玻璃稳态U值(传热系数)的计算及测定》要求，中空玻璃垂直使用时，努尔赛准数算式中常数A=0.035，幂n=0.038；中空玻璃水平使用时，努尔赛准数算式中常数A=0.016，幂n=0.028；中空玻璃45°倾斜使用时，努尔赛准数算式中常数A=0.010，幂n=0.031[1]。中空玻璃放置角度不同，常数A和幂n的取值也不一样。从公式(1)和公式(2)可知，常数A和幂n的取值会影响气体换热系数Hg，从而改变中空玻璃的传热系数大小。而随着中空玻璃大量广泛应用，实际使用过程中放置角度也各不相同，其传热系数也会随之改变。此外，室外环境如风速等也会影响中空玻璃实际传热系数。标准一般都将室内表面的对流换热设置为自然对流状态，室外表面风速在3～5m/s左右的强制对流状态。但中空玻璃安装到高层建筑时，玻璃外表面的风速将会随着高度的增加而增大，使玻璃外表面的换热能力加强，中空玻璃的实际传热系数会略有增大。

Hg=Nu·η/S

(1)

式中：Hg——气体换热系数，W/(m2·K)；

Nu——努尔赛准数；

η——气体导热系数，W/(m·K)；

S——气体间隔层的厚度，m；

Nu=A(Gr·Pr)n

(2)

式中：A——常数；

Gr—格拉晓夫准数；

Pr—普朗特准数；

n——幂指数。

1.7 Low-E镀膜玻璃膜面位置

采用Low-E镀膜玻璃组成中空玻璃，其中一面Low-E镀膜玻璃，另一面采用普通透明玻璃，Low-E镀膜玻璃的膜面位置可能出现在如图1所示的1面～4面。但是由于Low-E镀膜玻璃膜层脆弱，不宜长期暴露在室外，因此，Low-E镀膜玻璃的膜面位置一般只能放置在2面和3面。取两组(6+12A+6)mm厚Low-E镀膜中空玻璃进行试验，其中一组的Low-E镀膜玻璃的膜面位置在2面，另一组的Low-E镀膜玻璃的膜面位置在3面，其传热系数试验结果均为1.8W/(m2·K)。可见，Low-E镀膜玻璃的膜面无论处于2面还是3面，对其传热系数均无影响。

图1 中空玻璃结构示意图

但是，当Low-E镀膜玻璃的膜面处于2面时，玻璃的遮阳系数较低，能遮挡更多的太阳辐射进入，适于南方冬季不供暖的气候条件。当Low-E镀膜玻璃的膜面处于3面时，玻璃的遮阳系数较高，能让更多的太阳辐射进入，适于北方冬季供暖的气候条件。

2 结语

综上所述，影响中空玻璃传热系数的主要因素为：组成中空玻璃的玻璃类别、填充气体的厚度和填充气体的类型。影响中空玻璃传热系数的次要因素为：玻璃的厚度。对于不同类别玻璃组成的中空玻璃，玻璃的辐射率不同是造成其传热系数不同的主要因素。此外，间隔条的类型会影响中空玻璃边部的传热系数，在中空玻璃实际使用中，玻璃的放置角度、室外风速等也会影响到中空玻璃的实际传热系数。

参 考 文 献

[1] GB/T 22476-2008 中空玻璃稳态U值(传热系数)的计算及测定[S]．北京:中国标准社，2008．