中空玻璃导热系数测试分析

杨 宁 刘 晔 左文远

(吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118)

0 引言

20世纪90年代以来,我国发展迅速,重心也从农业逐渐转到工业.但随着工业的快速发展,出现了能源消耗过大甚至逐渐短缺以及环境日益破坏等不可忽视的问题,如:目前备受关注的环境问题 — 雾霾,它不仅破坏人类的生活环境,而且会在毫无察觉时侵入人体.尽管目前尚无法从源头上根本解决雾霾问题,但为确保社会可持续发展,共识的措施之一是通过减少能源消耗去缓解其导致的环境污染问题.在能源消耗中建筑耗能占有很大比重,而建筑能耗中通过建筑外围护结构损失的能耗所占比重最大,外围护结构中的外窗是建筑物的眼睛,外围护结构的能耗大多是通过外窗消耗的.因此,选用合适的中空玻璃外窗能起到较好的节能作用.

1 国内玻璃窗与国外玻璃窗技术发展

改革开放前我国的经济发展比较落后,导致建筑节能一直没能很好地发展.但随着国家经济技术水平的提高,建筑节能逐渐被提到议事日程上来,成为国家发展的重中之重,在建筑设计中,玻璃被大量采用,出现许多新型玻璃.随着建筑物玻璃的广泛普及,技术不成熟的问题逐渐显现出来,大量建筑物成为“耗能大户”,造成了资源浪费和环境污染.德国全境除了历史遗留下的古迹和教堂之外都在使用中空玻璃,无论大城市还是小城镇,无论新建筑还是老房屋,只要是在用建筑物基本都使用节能窗[1],与之相比我国门窗在附加功能的设计上,玻璃附件的研发上与德国有较大差距,我国有大量建筑,其中城市的建筑节能窗还没普及,城镇乡村中的建筑窗户更是多数都仅具有开闭通挡风及采光的基本功能.随着经济技术的不断发展,我国应更注重门窗功能的集成,一般传统上使用木质硬质叶片百叶窗,集遮阳、通风、挡风、保温和防盗功能于一体,该百叶窗的最大优点就是开窗通风时可以遮阳.尽管我国在节能窗的研发、设计等技术方面同样也达到世界领先水平,但并没有真正普及应用到建筑物中.

2 中空玻璃组成

中空玻璃通常由两及以上片玻璃组成,玻璃板是用内部充满高效分子筛吸收干燥剂的铝框间隔出一定厚度空间,边部用高强度密封胶粘合成的玻璃组件,而玻璃板可以是白玻璃,镀膜玻璃,二次加工玻璃如钢化玻璃或夹层玻璃等[2].对于玻璃间填充气体,必须为干燥气体,可以是空气或者其他稀有气体如氪气、氩气和六氟化硫.氪气和氩气是为了隔热,六氟化硫是为了隔音.间隔条的材质也是窗户保温的重要条件,间隔条在两玻璃板之间,分离两玻璃板,四周用密封剂封边,阻止水分进入造成内部结露使中空玻璃失效.间隔条分为暖边间隔条和冷边间隔条,现在我们使用最多的是铝制间隔条,不利于中空玻璃隔热性能的提升,而且在外层玻璃外表面温度较低时容易导致内层玻璃边缘处结露.一般情况下,普通中空玻璃的传热系数为3.5W/(m2·℃)以上,但若采用超级间隔条可有效降低其传热系数,通常可降0.6W/(m2·℃)[3].

3 影响中空玻璃传热的因素

在中空玻璃传热过程中,玻璃两侧温度高的流体和温度低的流体均与相接触的玻璃表面发生对流和辐射换热,热量传到空气层发生导热和辐射,也可能发生热对流[4].若想减小玻璃的传热,应设法减少导热、热对流和辐射.

影响中空玻璃传热效果的主要因素有两个:一是遮阳系数Sc,它表征玻璃遮挡阳光能力的大小即指穿过玻璃实际进入室内的太阳辐射与投射到玻璃上的太阳辐射的相对大小,Sc值越小,说明玻璃遮阳能力越大;二是传热系数K,它表征单位温差下单位面积在单位时间内传热能力的大小,K值越小,说明隔热性能越好.因此,若想减少传热,应设法减小遮阳系数Sc和传热系数K.

3.1 传热系数影响因素

3.1.1 间隔层厚度

气体间隔层的厚度与热阻有很大的关系,我们需要选用合理的间隔层厚度,在密封胶,间隔条材质都相同的情况下,气体间隔层厚度增大时,气体间传热热阻增大,传热系数减小,但当中间层达到一定厚度时,中间层厚度增加,传热阻力增长率很小,传热系数不会显著变化.因为当玻璃层厚度增加到一定程度时,间隔层中的气体在温差的作用下会发生对流换热,从而减小玻璃间隔层增厚对它的影响[5].

3.1.2 间隔条材质

中空玻璃间隔条材质对玻璃的传热系数有一定影响,以往大多采用铝条,虽然具有质量轻、价格便宜等特点,但导热系数大,会明显增大中空玻璃边部的导热系数,导致冬天气温度降低时会使玻璃出现结霜的现象.所以超级间隔条逐步发展,它具有热固,弹性及微孔结构,内含分子筛,降低露点速度快,同时具有易剪切、抗风压能力强、寿命长等优点[6].间隔条的密封性一定要好,可以有效阻止空气的进入,防止在玻璃内部出现结露或者结霜的现象.

3.1.3 低辐射膜

实际中应采用低辐射玻璃,以降低由温差引起的传热.目前,多采用LOW-E(Low emissivity coated glass)玻璃,LOW-E中空玻璃对0.3μm～2.5μm的太阳能辐射具有60%以上的透过率,白天来自室外辐射能量可大部分透过玻璃进入室内,但夜晚和阴雨天气,来自室内物体的热辐射约有50%以上被其反射回室内,仅有少于15%的热辐射被其吸收后通过再辐射和对流散失,故可有效地阻止室内的热量向室外散失.低辐射膜玻璃的原理是通过降低玻璃表面的辐射率来达到降低玻璃的传热系数的目的.虽然低辐射玻璃的价格会较普通白玻高,但它的节能属性不仅在几年后会获得收益,节约的能源还会给国家带来巨大的益处.

4 测量仪器

图1 JTRG-III型导热系数测试仪正视图Fig.1 Front view of JTRG-III thermal conductivity tester

测量使用JTRG-III导热系数测试仪(见图1).此仪器采用最新的电子制冷技术,无压缩机及制冷剂,无污染,免于维护,同时制冷控温精度更高.采用智能化仪表采集冷热板温度、热流,自动计算热阻和导热系数,并生成时间和导热系数曲线仪.并且很容易操作,只需设定好冷热板温度,仪器智能控温测量,实时采集数据.导热系数测试仪的温度精度为±0.2℃,导热系数的测试范围为0.02W/(m·℃)～0.8W/(m·℃).

5 玻璃试件测试结果分析

实验用中空玻璃试件由玻璃、空气夹层和透明胶片组合而成,不同组合详见表1、图2、图3和图4.实验测试过程中的周围环境空气温度为20℃,中空玻璃试件中的玻璃导热系数为 1.09W/(m·℃)、空气导热系数为 0.024W/(m·℃)和透明胶片导热系数为 0.2W/(m·℃).

表1 中空玻璃试件的指标参数Table 1 Index parameters of the insulating glass specimen

本实验测得不同组合、不同厚度中空玻璃试件的表观导热系数,尽管表观导热系数能反映中空玻璃试件本身的热物性,但传热系数更能直观反映中空玻璃试件在建筑物中应用状态下的传热过程,因为传热系数还考虑了周围空气环境对中空玻璃外表面的热对流、导热影响以及太阳、周围物体对中空玻璃外表面的辐射影响,故需按下式将中空玻璃试件的表观导热系数换算成传热系数k:

式中,h1为中空玻璃试件内层玻璃外表面的对流换热系数,W/(m2·℃),按h1=8.7W/(m2·℃)定值计取[7];h2为中空玻璃试件外层玻璃外表面的对流换热系数,W/(m2·℃),按h2=23W/(m2·℃)定值计取[7];δ为试件的厚度,m;λ为中空玻璃试件的表观导热系数,W/(m·℃).结果见表1.因式(1)中的h1,h2按定值计取,故从表1中的表观导热热阻Rλ值和传热热阻Rk值随厚度δ值的变化来看,Rλ和Rk随δ的变化规律相似.

图2 中空玻璃俯视图Fig.2 Top view of insulating glass

图3 中空玻璃正视图Fig.3 Front view of insulating glass

图4 中空玻璃结构图Fig.4 Insulating glass structure

通过本实验测试,可获知:

(1) 中空玻璃并不是厚度越厚,热阻就越大,隔热效果就越好,结果表明:在本实验条件下,当中空玻璃试件厚度为0.048 4m时,其表观导热系数为0.058W/(m·℃)和传热系数为1.007 2W/(m2·℃),均达最小,相应的表观导热热阻为0.834 5(m2·℃)/W、传热热阻0.992 9(m2·℃)/W,则均达最大.

(2) 在两层玻璃之间添夹透明胶片,可增大热阻,削弱传热.

6 结语

通过本实验可知,添加透明胶片可有效削弱中空玻璃试件的传热.由于透明胶片具有抗老化、造价低以及质量轻且工艺简单等特点,因此,在中空玻璃内放置多层透明胶片不会出现过重现象,进而不会产生随透明胶片层数的增加而带来的额外荷载.加入透明胶片,既可增大热阻又可改善中空玻璃的隔音效果,如将这种中空玻璃窗用于实际生活中,不仅可提高人们在室内的舒适感,而且还可有效降低建筑耗能.