中空玻璃傳熱系數(shù)影響因素研究

樓建文

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

0 引言

中空玻璃一般是由兩到三片玻璃組成，中間用間隔框架隔開(kāi)，周邊使用高強(qiáng)度、高氣密性復(fù)合粘結(jié)劑密封，充入干燥空氣或惰性氣體，并且填入少量干燥劑保持填充氣干燥而制得。相對(duì)于單片玻璃，中空玻璃具有良好的保溫性能、隔聲性能等特點(diǎn)。目前，中空玻璃廣泛應(yīng)用于建筑工程的門(mén)窗、幕墻、采光頂棚等部位，既起到增加采光面積的作用，又具有良好的節(jié)能效應(yīng)。

傳熱系數(shù)是門(mén)窗、幕墻的一個(gè)重要節(jié)能參數(shù)指標(biāo)，中空玻璃作為門(mén)窗、幕墻中的透光材料，其傳熱系數(shù)的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)門(mén)窗、幕墻的傳熱系數(shù)起到至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)影響中空玻璃的各種因素進(jìn)行分析研究，找出其中重要的影響因素，為門(mén)窗幕墻相關(guān)企業(yè)及節(jié)能設(shè)計(jì)單位選用中空玻璃提供參考。

1 中空玻璃傳熱系數(shù)影響因素分析

1.1 填充氣體的厚度

玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)是1.0W/(m·K)，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是0.027W/(m·K)，因?yàn)榭諝饩哂辛己玫谋馗魺嵝Ч?，有空氣層的中空玻璃相?duì)于單片玻璃也有空氣良好的保溫隔熱效果的特性。表1為一組中空玻璃的傳熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，中空玻璃兩面均采用6mm普通透明玻璃，填充氣體為空氣，空氣層的厚度分別是常用的6mm、9mm和12mm。

表1 不同空氣層厚度中空玻璃的傳熱系數(shù)

從表1分析可知，空氣層厚度從6mm增加到9mm，中空玻璃的傳熱系降低了6%?？諝鈱雍穸葟?mm增加到12mm，中空玻璃的傳熱系數(shù)降低了7%?？梢?jiàn)，中空玻璃填充氣體的厚度越大，中空玻璃的傳熱系數(shù)越低，中空玻璃的保溫性能也越好。但是，空氣層也不能無(wú)限增大，隨著厚度增大，對(duì)流越強(qiáng)，熱阻減少，傳熱系數(shù)會(huì)增大。如(6+24A+6)mm厚普通透明中空玻璃，其傳熱系數(shù)為2.7W/(m·K)，對(duì)比(6+12A+6)mm厚普通透明中空玻璃，其提升幅度已經(jīng)甚微。

1.2 填充氣體的類型

中空玻璃內(nèi)部充填的氣體，一般采用空氣或其他惰性氣體。因?yàn)闅鍤猥@取比較容易，制造成本相比其他惰性氣體低廉，空氣更易于制取，因此空氣、氬氣是作為中空玻璃最常見(jiàn)的填充氣體并得以廣泛應(yīng)用。氬氣的熱導(dǎo)率優(yōu)于空氣的熱導(dǎo)率，理論上同條件下的中空玻璃，填充氬氣的傳熱系數(shù)優(yōu)于填充空氣的傳熱系數(shù)。表2為一組中空玻璃的傳熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，中空玻璃兩面均采用6mm普通透明玻璃，填充氣體為氬氣，氬氣層厚分別為常用的6mm、9mm和12mm。

表2 不同氬氣層厚度中空玻璃的傳熱系數(shù)

從表1～表2比較分析可知，(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換為氬氣后，其傳熱系數(shù)分別降低了6%、7%和7%。因此，同條件下用使用氬氣作為填充氣體的中空玻璃，其保溫性能優(yōu)于使用空氣作為填充氣體的中空玻璃。

1.3 玻璃的厚度

物體厚度的增加，必然會(huì)增加其的熱阻。同樣，玻璃厚度的增加，其熱阻也隨之增加，整片中空玻璃的傳熱系數(shù)就降低了。(6+12A+6)mm和(12+12A+12)mm厚普通透明中空玻璃的傳熱系數(shù)分別為2.8W/(m2·K)和2.7W/(m2·K)。從數(shù)據(jù)中可以看出，組成中空玻璃的兩面玻璃厚度從6mm提升到12mm，中空玻璃傳熱系數(shù)約降低了7%。常用組成中空玻璃的玻璃厚度有5mm、6mm、8mm、10mm等，12mm的規(guī)格較少用到?？梢?jiàn)，雖然增加厚度可以提升中空玻璃保溫性能，降低中空玻璃傳熱系數(shù)，但改善效果有限。因此，玻璃的厚度不是影響中空玻璃傳熱系數(shù)的主要因素。

1.4 組成中空玻璃的玻璃類別

目前建筑工程上使用的玻璃大部分是由兩片玻璃組成，一面采用普通透明玻璃，另一面根據(jù)節(jié)能需求選擇不同類別的玻璃，常見(jiàn)的有普通透明玻璃、Low-E鍍膜玻璃、陽(yáng)光在線控制鍍膜玻璃(熱反射鍍膜玻璃)、著色玻璃(吸熱玻璃)等。表3、表4分別為一組中空玻璃的傳熱系數(shù)與輻射率的參考值，中空玻璃一面采用6mm普通透明玻璃，填充氣體為空氣，空氣層厚度為12mm，另外一面分別采用6mm不同類別玻璃。

表3 (6+12A+6)mm厚中空玻璃一面采用普通透明玻璃、另一面采用不同類別玻璃的傳熱系數(shù)

表4 (6+12A+6)mm厚中空玻璃一面采用普通透明玻璃、另一面采用不同類別玻璃的輻射率

從表3～表4數(shù)據(jù)分析可知：

(1)各色系的著色玻璃的輻射率和普通玻璃近乎相同，當(dāng)玻璃的厚度一樣時(shí)，著色玻璃中空玻璃和普通透明中空玻璃的傳熱系數(shù)基本一致。

(2)對(duì)于不同類別的玻璃，其輻射率和傳熱系數(shù)大小有直接關(guān)系，玻璃的輻射率越小，對(duì)遠(yuǎn)紅外線的反射率越高，玻璃的傳熱系數(shù)也會(huì)越小。鍍膜玻璃的輻射率小于普通玻璃，因此采用鍍膜玻璃組成的中空玻璃其傳熱系數(shù)也優(yōu)于普通透明中空玻璃。

(3)高透光陽(yáng)光控制鍍膜中空玻璃對(duì)比同規(guī)格的普通透明中空玻璃，其傳熱系數(shù)雖有改善，但是改善幅度不是太大。

(4)一般情況下，中透光鍍膜玻璃優(yōu)于高透光鍍膜玻璃，單銀Low-E鍍膜玻璃優(yōu)于普通Low-E鍍膜玻璃，雙銀Low-E鍍膜玻璃優(yōu)于單銀Low-E鍍膜玻璃。

由此可見(jiàn)，采用不同玻璃類別的中空玻璃，其傳熱系數(shù)差異非常大。因此，選擇什么類別的玻璃組成中空玻璃，是決定其傳熱系數(shù)優(yōu)劣的重要因素。

1.5 間隔條的類型

中空玻璃邊部密封一般采用鋁隔條，鋁隔條質(zhì)量較輕，且處理后表面光滑美觀，能在兩片玻璃中間形成有效的支撐。但是，鋁隔條容易導(dǎo)熱，會(huì)導(dǎo)致中空玻璃的邊部傳熱系數(shù)增大。當(dāng)在嚴(yán)寒天氣時(shí)，中空玻璃邊部容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著中空玻璃暖邊技術(shù)的發(fā)展，尤其是超級(jí)間隔條的應(yīng)用，有效地降低了中空玻璃邊部的傳熱系數(shù)。超級(jí)間隔條是一種不含金屬、具有微孔結(jié)構(gòu)的彈性硅酮材料，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁隔條，其導(dǎo)熱系數(shù)約為鋁隔條的1/950。因此，相較于鋁隔條，能有效降低中空玻璃邊部的傳熱系數(shù)。超級(jí)間隔條還具有彈性記憶功能，采用超級(jí)間隔條作為間隔條，可減少中空玻璃的應(yīng)力，降低中空玻璃運(yùn)輸、安裝過(guò)程中的炸裂風(fēng)險(xiǎn)。

1.6 中空玻璃的使用環(huán)境

根據(jù)GB/T 22476-2008《中空玻璃穩(wěn)態(tài)U值(傳熱系數(shù))的計(jì)算及測(cè)定》要求，中空玻璃垂直使用時(shí)，努爾賽準(zhǔn)數(shù)算式中常數(shù)A=0.035，冪n=0.038；中空玻璃水平使用時(shí)，努爾賽準(zhǔn)數(shù)算式中常數(shù)A=0.016，冪n=0.028；中空玻璃45°傾斜使用時(shí)，努爾賽準(zhǔn)數(shù)算式中常數(shù)A=0.010，冪n=0.031[1]。中空玻璃放置角度不同，常數(shù)A和冪n的取值也不一樣。從公式(1)和公式(2)可知，常數(shù)A和冪n的取值會(huì)影響氣體換熱系數(shù)Hg，從而改變中空玻璃的傳熱系數(shù)大小。而隨著中空玻璃大量廣泛應(yīng)用，實(shí)際使用過(guò)程中放置角度也各不相同，其傳熱系數(shù)也會(huì)隨之改變。此外，室外環(huán)境如風(fēng)速等也會(huì)影響中空玻璃實(shí)際傳熱系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)一般都將室內(nèi)表面的對(duì)流換熱設(shè)置為自然對(duì)流狀態(tài)，室外表面風(fēng)速在3～5m/s左右的強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)。但中空玻璃安裝到高層建筑時(shí)，玻璃外表面的風(fēng)速將會(huì)隨著高度的增加而增大，使玻璃外表面的換熱能力加強(qiáng)，中空玻璃的實(shí)際傳熱系數(shù)會(huì)略有增大。

Hg=Nu·η/S

(1)

式中：Hg——?dú)怏w換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Nu——努爾賽準(zhǔn)數(shù)；

η——?dú)怏w導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

S——?dú)怏w間隔層的厚度，m；

Nu=A(Gr·Pr)n

(2)

式中：A——常數(shù)；

Gr—格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)；

Pr—普朗特準(zhǔn)數(shù)；

n——冪指數(shù)。

1.7 Low-E鍍膜玻璃膜面位置

采用Low-E鍍膜玻璃組成中空玻璃，其中一面Low-E鍍膜玻璃，另一面采用普通透明玻璃，Low-E鍍膜玻璃的膜面位置可能出現(xiàn)在如圖1所示的1面～4面。但是由于Low-E鍍膜玻璃膜層脆弱，不宜長(zhǎng)期暴露在室外，因此，Low-E鍍膜玻璃的膜面位置一般只能放置在2面和3面。取兩組(6+12A+6)mm厚Low-E鍍膜中空玻璃進(jìn)行試驗(yàn)，其中一組的Low-E鍍膜玻璃的膜面位置在2面，另一組的Low-E鍍膜玻璃的膜面位置在3面，其傳熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果均為1.8W/(m2·K)?？梢?jiàn)，Low-E鍍膜玻璃的膜面無(wú)論處于2面還是3面，對(duì)其傳熱系數(shù)均無(wú)影響。

圖1 中空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

但是，當(dāng)Low-E鍍膜玻璃的膜面處于2面時(shí)，玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)較低，能遮擋更多的太陽(yáng)輻射進(jìn)入，適于南方冬季不供暖的氣候條件。當(dāng)Low-E鍍膜玻璃的膜面處于3面時(shí)，玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)較高，能讓更多的太陽(yáng)輻射進(jìn)入，適于北方冬季供暖的氣候條件。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，影響中空玻璃傳熱系數(shù)的主要因素為：組成中空玻璃的玻璃類別、填充氣體的厚度和填充氣體的類型。影響中空玻璃傳熱系數(shù)的次要因素為：玻璃的厚度。對(duì)于不同類別玻璃組成的中空玻璃，玻璃的輻射率不同是造成其傳熱系數(shù)不同的主要因素。此外，間隔條的類型會(huì)影響中空玻璃邊部的傳熱系數(shù)，在中空玻璃實(shí)際使用中，玻璃的放置角度、室外風(fēng)速等也會(huì)影響到中空玻璃的實(shí)際傳熱系數(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GB/T 22476-2008 中空玻璃穩(wěn)態(tài)U值(傳熱系數(shù))的計(jì)算及測(cè)定[S]．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)社，2008．