中空玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測試分析

楊 寧 劉 曄 左文遠

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

20世紀90年代以來,我國發(fā)展迅速,重心也從農(nóng)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)到工業(yè).但隨著工業(yè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了能源消耗過大甚至逐漸短缺以及環(huán)境日益破壞等不可忽視的問題,如:目前備受關(guān)注的環(huán)境問題 — 霧霾,它不僅破壞人類的生活環(huán)境,而且會在毫無察覺時侵入人體.盡管目前尚無法從源頭上根本解決霧霾問題,但為確保社會可持續(xù)發(fā)展,共識的措施之一是通過減少能源消耗去緩解其導(dǎo)致的環(huán)境污染問題.在能源消耗中建筑耗能占有很大比重,而建筑能耗中通過建筑外圍護結(jié)構(gòu)損失的能耗所占比重最大,外圍護結(jié)構(gòu)中的外窗是建筑物的眼睛,外圍護結(jié)構(gòu)的能耗大多是通過外窗消耗的.因此,選用合適的中空玻璃外窗能起到較好的節(jié)能作用.

1 國內(nèi)玻璃窗與國外玻璃窗技術(shù)發(fā)展

改革開放前我國的經(jīng)濟發(fā)展比較落后,導(dǎo)致建筑節(jié)能一直沒能很好地發(fā)展.但隨著國家經(jīng)濟技術(shù)水平的提高,建筑節(jié)能逐漸被提到議事日程上來,成為國家發(fā)展的重中之重,在建筑設(shè)計中,玻璃被大量采用,出現(xiàn)許多新型玻璃.隨著建筑物玻璃的廣泛普及,技術(shù)不成熟的問題逐漸顯現(xiàn)出來,大量建筑物成為“耗能大戶”,造成了資源浪費和環(huán)境污染.德國全境除了歷史遺留下的古跡和教堂之外都在使用中空玻璃,無論大城市還是小城鎮(zhèn),無論新建筑還是老房屋,只要是在用建筑物基本都使用節(jié)能窗[1],與之相比我國門窗在附加功能的設(shè)計上,玻璃附件的研發(fā)上與德國有較大差距,我國有大量建筑,其中城市的建筑節(jié)能窗還沒普及,城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村中的建筑窗戶更是多數(shù)都僅具有開閉通擋風(fēng)及采光的基本功能.隨著經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展,我國應(yīng)更注重門窗功能的集成,一般傳統(tǒng)上使用木質(zhì)硬質(zhì)葉片百葉窗,集遮陽、通風(fēng)、擋風(fēng)、保溫和防盜功能于一體,該百葉窗的最大優(yōu)點就是開窗通風(fēng)時可以遮陽.盡管我國在節(jié)能窗的研發(fā)、設(shè)計等技術(shù)方面同樣也達到世界領(lǐng)先水平,但并沒有真正普及應(yīng)用到建筑物中.

2 中空玻璃組成

中空玻璃通常由兩及以上片玻璃組成,玻璃板是用內(nèi)部充滿高效分子篩吸收干燥劑的鋁框間隔出一定厚度空間,邊部用高強度密封膠粘合成的玻璃組件,而玻璃板可以是白玻璃,鍍膜玻璃,二次加工玻璃如鋼化玻璃或夾層玻璃等[2].對于玻璃間填充氣體,必須為干燥氣體,可以是空氣或者其他稀有氣體如氪氣、氬氣和六氟化硫.氪氣和氬氣是為了隔熱,六氟化硫是為了隔音.間隔條的材質(zhì)也是窗戶保溫的重要條件,間隔條在兩玻璃板之間,分離兩玻璃板,四周用密封劑封邊,阻止水分進入造成內(nèi)部結(jié)露使中空玻璃失效.間隔條分為暖邊間隔條和冷邊間隔條,現(xiàn)在我們使用最多的是鋁制間隔條,不利于中空玻璃隔熱性能的提升,而且在外層玻璃外表面溫度較低時容易導(dǎo)致內(nèi)層玻璃邊緣處結(jié)露.一般情況下,普通中空玻璃的傳熱系數(shù)為3.5W/(m2·℃)以上,但若采用超級間隔條可有效降低其傳熱系數(shù),通?？山?.6W/(m2·℃)[3].

3 影響中空玻璃傳熱的因素

在中空玻璃傳熱過程中,玻璃兩側(cè)溫度高的流體和溫度低的流體均與相接觸的玻璃表面發(fā)生對流和輻射換熱,熱量傳到空氣層發(fā)生導(dǎo)熱和輻射,也可能發(fā)生熱對流[4].若想減小玻璃的傳熱,應(yīng)設(shè)法減少導(dǎo)熱、熱對流和輻射.

影響中空玻璃傳熱效果的主要因素有兩個:一是遮陽系數(shù)Sc,它表征玻璃遮擋陽光能力的大小即指穿過玻璃實際進入室內(nèi)的太陽輻射與投射到玻璃上的太陽輻射的相對大小,Sc值越小,說明玻璃遮陽能力越大;二是傳熱系數(shù)K,它表征單位溫差下單位面積在單位時間內(nèi)傳熱能力的大小,K值越小,說明隔熱性能越好.因此,若想減少傳熱,應(yīng)設(shè)法減小遮陽系數(shù)Sc和傳熱系數(shù)K.

3.1 傳熱系數(shù)影響因素

3.1.1 間隔層厚度

氣體間隔層的厚度與熱阻有很大的關(guān)系,我們需要選用合理的間隔層厚度,在密封膠,間隔條材質(zhì)都相同的情況下,氣體間隔層厚度增大時,氣體間傳熱熱阻增大,傳熱系數(shù)減小,但當(dāng)中間層達到一定厚度時,中間層厚度增加,傳熱阻力增長率很小,傳熱系數(shù)不會顯著變化.因為當(dāng)玻璃層厚度增加到一定程度時,間隔層中的氣體在溫差的作用下會發(fā)生對流換熱,從而減小玻璃間隔層增厚對它的影響[5].

3.1.2 間隔條材質(zhì)

中空玻璃間隔條材質(zhì)對玻璃的傳熱系數(shù)有一定影響,以往大多采用鋁條,雖然具有質(zhì)量輕、價格便宜等特點,但導(dǎo)熱系數(shù)大,會明顯增大中空玻璃邊部的導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)致冬天氣溫度降低時會使玻璃出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象.所以超級間隔條逐步發(fā)展,它具有熱固,彈性及微孔結(jié)構(gòu),內(nèi)含分子篩,降低露點速度快,同時具有易剪切、抗風(fēng)壓能力強、壽命長等優(yōu)點[6].間隔條的密封性一定要好,可以有效阻止空氣的進入,防止在玻璃內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露或者結(jié)霜的現(xiàn)象.

3.1.3 低輻射膜

實際中應(yīng)采用低輻射玻璃,以降低由溫差引起的傳熱.目前,多采用LOW-E(Low emissivity coated glass)玻璃,LOW-E中空玻璃對0.3μm～2.5μm的太陽能輻射具有60%以上的透過率,白天來自室外輻射能量可大部分透過玻璃進入室內(nèi),但夜晚和陰雨天氣,來自室內(nèi)物體的熱輻射約有50%以上被其反射回室內(nèi),僅有少于15%的熱輻射被其吸收后通過再輻射和對流散失,故可有效地阻止室內(nèi)的熱量向室外散失.低輻射膜玻璃的原理是通過降低玻璃表面的輻射率來達到降低玻璃的傳熱系數(shù)的目的.雖然低輻射玻璃的價格會較普通白玻高,但它的節(jié)能屬性不僅在幾年后會獲得收益,節(jié)約的能源還會給國家?guī)砭薮蟮囊嫣?

4 測量儀器

圖1 JTRG-III型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀正視圖Fig.1 Front view of JTRG-III thermal conductivity tester

測量使用JTRG-III導(dǎo)熱系數(shù)測試儀(見圖1).此儀器采用最新的電子制冷技術(shù),無壓縮機及制冷劑,無污染,免于維護,同時制冷控溫精度更高.采用智能化儀表采集冷熱板溫度、熱流,自動計算熱阻和導(dǎo)熱系數(shù),并生成時間和導(dǎo)熱系數(shù)曲線儀.并且很容易操作,只需設(shè)定好冷熱板溫度,儀器智能控溫測量,實時采集數(shù)據(jù).導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的溫度精度為±0.2℃,導(dǎo)熱系數(shù)的測試范圍為0.02W/(m·℃)～0.8W/(m·℃).

5 玻璃試件測試結(jié)果分析

實驗用中空玻璃試件由玻璃、空氣夾層和透明膠片組合而成,不同組合詳見表1、圖2、圖3和圖4.實驗測試過程中的周圍環(huán)境空氣溫度為20℃,中空玻璃試件中的玻璃導(dǎo)熱系數(shù)為 1.09W/(m·℃)、空氣導(dǎo)熱系數(shù)為 0.024W/(m·℃)和透明膠片導(dǎo)熱系數(shù)為 0.2W/(m·℃).

表1 中空玻璃試件的指標(biāo)參數(shù)Table 1 Index parameters of the insulating glass specimen

本實驗測得不同組合、不同厚度中空玻璃試件的表觀導(dǎo)熱系數(shù),盡管表觀導(dǎo)熱系數(shù)能反映中空玻璃試件本身的熱物性,但傳熱系數(shù)更能直觀反映中空玻璃試件在建筑物中應(yīng)用狀態(tài)下的傳熱過程,因為傳熱系數(shù)還考慮了周圍空氣環(huán)境對中空玻璃外表面的熱對流、導(dǎo)熱影響以及太陽、周圍物體對中空玻璃外表面的輻射影響,故需按下式將中空玻璃試件的表觀導(dǎo)熱系數(shù)換算成傳熱系數(shù)k:

式中,h1為中空玻璃試件內(nèi)層玻璃外表面的對流換熱系數(shù),W/(m2·℃),按h1=8.7W/(m2·℃)定值計取[7];h2為中空玻璃試件外層玻璃外表面的對流換熱系數(shù),W/(m2·℃),按h2=23W/(m2·℃)定值計取[7];δ為試件的厚度,m;λ為中空玻璃試件的表觀導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃).結(jié)果見表1.因式(1)中的h1,h2按定值計取,故從表1中的表觀導(dǎo)熱熱阻Rλ值和傳熱熱阻Rk值隨厚度δ值的變化來看,Rλ和Rk隨δ的變化規(guī)律相似.

圖2 中空玻璃俯視圖Fig.2 Top view of insulating glass

圖3 中空玻璃正視圖Fig.3 Front view of insulating glass

圖4 中空玻璃結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Insulating glass structure

通過本實驗測試,可獲知:

(1) 中空玻璃并不是厚度越厚,熱阻就越大,隔熱效果就越好,結(jié)果表明:在本實驗條件下,當(dāng)中空玻璃試件厚度為0.048 4m時,其表觀導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/(m·℃)和傳熱系數(shù)為1.007 2W/(m2·℃),均達最小,相應(yīng)的表觀導(dǎo)熱熱阻為0.834 5(m2·℃)/W、傳熱熱阻0.992 9(m2·℃)/W,則均達最大.

(2) 在兩層玻璃之間添夾透明膠片,可增大熱阻,削弱傳熱.

6 結(jié)語

通過本實驗可知,添加透明膠片可有效削弱中空玻璃試件的傳熱.由于透明膠片具有抗老化、造價低以及質(zhì)量輕且工藝簡單等特點,因此,在中空玻璃內(nèi)放置多層透明膠片不會出現(xiàn)過重現(xiàn)象,進而不會產(chǎn)生隨透明膠片層數(shù)的增加而帶來的額外荷載.加入透明膠片,既可增大熱阻又可改善中空玻璃的隔音效果,如將這種中空玻璃窗用于實際生活中,不僅可提高人們在室內(nèi)的舒適感,而且還可有效降低建筑耗能.