室外温度及风速对中空玻璃传热的影响分析

程励辉

(1. 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东 广州 510500;2. 广东省建设工程质量安全检测总站有限公司,广东 广州 510500)

门窗及其玻璃系统是建筑围护结构保温的薄弱部分,其中玻璃面积占比最大,行业学者围绕其传热性能作了大量的研究。惠存、王东旭等人[1-4]在产品设计条件下就中空玻璃的空腔厚度、气体类型、镀膜类型等内在结构要素对其传热性能的影响作了深入研究。李会平、陈德敏[4-5]研究了中空玻璃的最佳空腔厚度、镀膜面位置等中空玻璃结构优化方法。王厚华、黄春勇[6-7]围绕非镀膜中空玻璃空气层的对流传热及壁面温差的影响展开讨论。孙丁、张甜甜[8-9]讨论了封闭空腔对流换热在整体传热过程的主导作用。Karolis B[10]等人研究了中空玻璃传热系数随室外温度的变化,阐述了中空玻璃传热系数随室外温度的变化量。然而,室外温度及风速对中空玻璃传热系数的影响及其机理尚未有系统性的研究,不同工程环境条件下其传热性能与产品设计条件下的基准值的偏离特征仍需进一步阐明。本文将重点研究温度、风速对中空玻璃传热性能的影响,量化温度和风速变化对不同中空玻璃传热系数的影响,并分析影响的差异和原因,同时采用四分位法阐述不同工程环境条件下传热系数的偏离特征,为优化中空玻璃产品设计和选用提供参考和依据。

1 典型中空玻璃配置及室外环境条件

选取普通、单银镀膜、双银镀膜中空玻璃,其靠近室外的玻璃朝空腔侧表面辐射率分别为0.84、0.10、0.04, 空腔厚度依次取6、9、12、16、18、20 mm,玻璃厚度均为6 mm。模拟计算中室内温度为20 ℃、对流换热系数为3.6 W·m-2·K-1[11]。产品设计条件的室外温度为-20 ℃、室外风速为3 m·s-1。依据《民用建筑热工设计规范[12]对冬季室外热工计算温度取值的要求,考虑到中空玻璃是轻质围护结构,本文涉及的118个典型工程环境条件的室外温度取自《民用建筑热工设计规范》[12]附录A的累年最低日平均温度。风速数据取自建筑气象参数标准[13]参数表的冬季平均风速。以福州为例,其室外环境温度取值3.3 ℃、风速取值2.7 m·s-1。不同镀膜类型、空腔厚度及环境条件组合构成2 142个样品,采用《热工计算规程》[6]的热平衡方程法计算以上中空玻璃样本的传热系数、空腔热阻、空腔对流换热系数、辐射换热系数,结果与粤建科MQMC软件计算结果一致。

2 室外环境条件对中空玻璃传热系数的影响

2.1 室外风速对传热系数的影响

选取典型中空玻璃在宝鸡、邢台、阜阳、日照、青岛地区工程环境条件下的计算结果,分析室外风速对中空玻璃传热的影响,以上5个地区的室外温度为(-8.5±0.5)℃,室外风速分别为 1.0、1.9、2.9、3.5、5.7 m·s-1。

按镀膜类型分组,不同类型中空玻璃传热系数随室外风速变化如图1所示。风速由1.0升高至5.7 m·s-1,中空玻璃传热系数随之增大,空腔厚度越小的中空玻璃传热系数增量越大。普通中空玻璃传热系数增量最大,空腔厚度6、9、12、20 mm的普通中空玻璃的传热系数分别增大0.439、0.368、0.335、0.353 W·m-2·K-1。单银、双银镀膜中空玻璃传热系数增量比同等空腔厚度普通中空玻璃略小,分别为0.285、0.192、0.159、0.197 W·m-2·K-1和0.267、0.174、0.142、0.181 W·m-2·K-1。

图1 中空玻璃传热系数随室外风速变化趋势Fig.1 Variation trend of heat transfer coefficient of insulating glass with outdoor wind speed

2.2 室外环境温度对传热系数的影响

选取典型中空玻璃在大庆、营口、潍坊、池州、厦门地区工程环境条件下的计算结果,讨论室外温度对中空玻璃传热的影响,以上5个地区的室外风速均为3.5 m·s-1,室外温度分别为-33.4、-23.3、-12.0、-3.5、6.3 ℃。

不同中空玻璃按照镀膜类型分组,其传热系数随室外温度变化如图2所示。由图2(a)可见,空腔厚度6、9、12 mm的普通中空玻璃传热系数随室外温度升高而增大,受影响较大,室外温度由-33.4升高至6.3 ℃,传热系数增量分别为0.292、0.210、0.218 W·m-2·K-1。空腔厚度20 mm的普通中空玻璃传热系数随室外温度升高而轻微降低,变化幅值仅为-0.016 W·m-2·K-1。

图2 中空玻璃传热系数随室外环境温度变化趋势Fig.2 Variation trend of heat transfer coefficient of insulating glass with outdoor temperature

如图2(b)(c)所示,室外温度由-33.4升高至6.3 ℃,空腔厚度较小的镀膜中空玻璃传热系数随之增大。空腔厚度6、9 mm的单银、双银中空玻璃的传热系数增量分别是 0.167、0.109 W·m-2·K-1和0.149、0.080 W·m-2·K-1。空腔厚度较大的镀膜中空玻璃的传热系数显著降低,空腔越大,室外温度对传热系数影响越强烈,传热系数下降显著。空腔厚度12、20 mm的单银、双银中空玻璃传热系数下降量分别为-0.101、-0.482 W·m-2·K-1和-0.156、-0.552 W·m-2·K-1。

2.3 室外环境温度对传热系数影响的微观分析

2.3.1 不同镀膜类型中空玻璃的空腔主要换热形式

选取空腔厚度为9、12 mm的双银中空玻璃及空腔厚度12 mm的普通中空玻璃在大庆、营口、潍坊、池州、厦门地区工程环境条件下的空腔换热系数,对比分析空腔对流换热、辐射换热占比及变化趋势。如图3(a)所示,普通中空玻璃空腔换热以辐射换热为主,辐射换热系数随室外环境温度升高而增大,空腔传热总体呈现升高趋势;镀膜中空玻璃空腔换热以对流换热为主,对流换热系数随室外环境温度升高而降低,而辐射换热系数变化量可忽略不计,空腔传热总体呈现降低趋势。可见,不同镀膜类型中空玻璃空腔的换热形式存在差异,这导致传热系数随室外环境温度变化趋势不同。

如图3(b)所示,对比不同空腔厚度的双银中空玻璃空腔换热系数,空腔传热均以对流换热为主,但 9 mm 厚空腔对流换热强度随室外环境温度升高而增强,而12 mm 厚空腔的对流换热强度却随室外环境温度升高而减弱。

2.3.2 镀膜中空玻璃不同厚度空腔的当量导热系数

选取空腔厚度 9、12 mm 的双银镀膜中空玻璃样本的空腔努塞尔数,其随室外温度变化趋势如图4,空腔努塞尔数随室外环境温度升高而降低,表明空腔对流换热强度随室外温度升高而减弱,且不同厚度空腔的对流换热强度受室外温度影响的程度存在差异,12 mm 厚空腔的内部对流强度随室外温度的影响更强烈。采用一阶近似表示努塞尔数Nu(T):

图4 不同厚度空腔努塞尔数随室外环境温度变化对比Fig.4 Comparison of Nusselt number of cavities with different thicknesses with outdoor temperature changes

Nu(T)=γ+δ·T

(1)

式中,T为绝对温度, K; 引入实算数据可得9 mm厚空腔系数γ=1.291 4、δ=-0.001 0 ,12 mm厚空腔的系数γ=3.087 5、δ=-0.007 4。

空腔内空气的当量导热系数随温度变化率:

(2)

式中,空气导热系数λ(T)=a+b·T,W·m-1·K-1;a=2.873×10-3、b=7.760×10-5。将努塞尔数的一阶近似表达式代入式(2)简化后可得:

(3)

3 工程环境条件下中空玻璃传热系数偏离特征

3.1 传热系数偏离的幅值特征

分别选取上述典型中空玻璃在产品设计、工程环境条件下的传热系数,并以产品设计条件下的传热系数为基准值,计算不同工程环境条件下传热系数正负偏差,以玻璃类型、空腔厚度及偏差的正负性质为分组条件、以四分位法统计分析传热系数偏差特征。将传热系数偏差的统计结果与基准值叠加,如图5所示,空腔厚度不超过12 mm时,普通中空玻璃正负偏差上四分位点的偏离幅值基本一致,均值分别为0.13、-0.14;空腔厚度超过12 mm时,正偏差的偏离程度大大减少,上四分位点所在处偏离幅值为0.06,负偏差的程度高于正偏差,上四分位点幅值为-0.15。单银、双银中空玻璃传热系数偏离规律基本一致,当空腔厚度不超过12 mm时,正负偏离程度基本相同且低于普通中空玻璃,上四分位点偏离幅值均值分别为0.08、-0.09;当空腔厚度超过12 mm后,偏离幅值升高,正偏离上四分位点的偏离幅值均值为0.12,负偏离上四分位点的偏离幅值均值为-0.30, 负偏离幅值大于正偏离幅值且随空气层厚度增加而增大。

图5 不同工程地区室外环境条件下中空玻璃传热系数基准值及偏离幅度Fig.5 Reference value and deviation range of heat transfer coefficient of insulating glass under outdoor environmental conditions in different engineering areas

如图5(b)(c)所示,对比单银、双银中空玻璃传热系数基准值差异及不同室外环境条件引起的偏离,室外环境条件对传热系数的影响在某些情况下大于镀膜类型本身的差异,且空腔厚度较大时表现更显著。当双银中空玻璃空腔厚度较大时,应特别注意工程地区室外环境特征,避免项目中的中空玻璃实际传热系数大于设计值而产生不利影响。

3.2 传热系数偏离的样本数量分布特征

如图6所示,在118 种工程环境条件下,中空玻璃传热系数出现负偏离的情况多于正偏离,镀膜中空玻璃表现更显著。当镀膜中空玻璃空腔厚度大于9 mm 时,传热系数出现负偏离的样本数量均值为92个,占比77.9%。普通中空玻璃空腔厚度大于12 mm 时,传热系数出现负偏离的数量随空腔厚度增大而逐渐增多,样本数量均值为81个,占比68.6%。正负偏离幅值、样本数量两方面均表明,中空玻璃传热系数出现负偏离较为显著和常见。

图6 典型中空玻璃在118种工程环境条件下偏离的样品数量分布Fig.6 Sample distribution of positive and negative deviation of typical insulating glass in 118 engineering environment conditions

4 结论

1)中空玻璃传热系数随室外风速升高而增大,普通中空玻璃传热系数受风速影响程度高于镀膜中空玻璃;空腔厚度越小,其传热系数随风速变化越显著。

2)不同类型中空玻璃传热系数受室外环境温度影响的趋势和程度存在较大差异,镀膜类型及空腔厚度决定了空腔的主要换热方式和受温度影响的程度。

3)普通中空玻璃空腔传热以辐射换热为主。空腔厚度小于20 mm时,传热系数随室外环境温度升高而增大;空腔厚度达20 mm时,传热系数随室外温度升高而降低,但降低程度极小,可忽略不计。

4)镀膜中空玻璃空腔传热以对流换热为主。空腔厚度不超过 9 mm时,空腔气体当量导热系数随室外温度升高而增大,因而传热系数随室外环境温度升高而增大;空腔厚度大于9 mm时,空腔气体当量导热系数随室外温度升高而降低,导致传热系数随室外温度升高而降低,且空腔越大,下降越显著。

5)以产品设计条件下的传热系数为基准,118种工程环境条件下,中空玻璃传热系数出现负偏离更为显著和普遍,在空腔厚度大的镀膜中空玻璃中更突出。普通中空玻璃正负偏离幅值基本一致,且偏离幅值较小,镀膜中空玻璃负偏离幅值大于正偏离。