雙層玻璃水介質(zhì)下的熱傳遞性能實(shí)驗(yàn)研究

龍姝豪 周亞素

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

外窗作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫隔熱最薄弱的部分[1]，其能耗約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的50%[2]。對于日照持續(xù)時(shí)間較長的夏熱地區(qū)建筑，需要外窗對太陽輻射熱有持續(xù)阻隔效應(yīng)。為此，有學(xué)者針對相變玻璃[3-4]、氣凝膠玻璃[5-7]做了相應(yīng)研究，但這兩者都存在成本高、制備復(fù)雜，且需犧牲外窗采光性能，增加照明能耗的問題。

太陽輻射能量中近紅外輻射NIR（0.7～2.5 μm）接近50%[8]，從圖1[9]水的透射光譜特性可知它能透過絕大部分可見光，且對近紅外輻射的透射率比較小。利用水膜隔熱機(jī)理計(jì)算，10 mm 水膜的平均消光系數(shù)約為30 mm-1[10]。針對水介質(zhì)雙層玻璃已有相關(guān)研究[11-12]，但主要集中在理論計(jì)算，沒有實(shí)驗(yàn)支撐。

圖1 水的透射光譜特性

本文通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，研究實(shí)際氣候下，雙層玻璃在水介質(zhì)下相對于傳統(tǒng)雙層中空玻璃的玻璃系統(tǒng)的熱傳遞性能，及對于太陽輻射熱的阻隔效應(yīng)，從而對其相對于傳統(tǒng)中空玻璃的節(jié)能效果進(jìn)行比較。

1 雙層玻璃傳熱分析及實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 雙層玻璃系統(tǒng)傳熱分析

如圖1 所示，太陽光照射到窗玻璃表面后，一部分被反射掉不會成為房間的得熱。一部分直接透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，全部成為房間得熱量。還有一部分被玻璃吸收，這其中一部分將以長波輻射和對流方式傳入室內(nèi)，另一部分則以長波輻射和對流方式散至室外。被玻璃吸收后傳入室內(nèi)的這部分太陽輻射量，可以作為透過玻璃的太陽輻射的一部分，計(jì)入房間的輻射得熱中。因此雙層玻璃系統(tǒng)太陽得熱量將主要由兩部分組成：一部分是直接透過的太陽輻射。另一部分是由玻璃系統(tǒng)吸收的太陽輻射通過導(dǎo)熱、對流、輻射方式向室內(nèi)傳遞的部分，那么室內(nèi)總得熱量由式（1）計(jì)算可得出。

自然對流換熱系數(shù)[13]：

等效輻射換熱系數(shù)[13]：

式中：q 為室內(nèi)得熱量，W/m2；hci為內(nèi)層玻璃內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hri為內(nèi)層玻璃內(nèi)表面等效輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；t 為玻璃系統(tǒng)內(nèi)壁面溫度，K；ti為室內(nèi)空氣溫度，K；W 為室內(nèi)風(fēng)速，m/s；I 為直接透過玻璃系統(tǒng)的太陽總輻射，W/m2。σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε 為玻璃輻射發(fā)射率0.84。

圖1 太陽輻射對雙層玻璃作用過程

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

1.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

國外的Grimmer 學(xué)者等指出，小型測試箱對于建筑物的熱建模是非常有用的工具[14]。國內(nèi)浙江大學(xué)鄭蕓等人曾采用實(shí)驗(yàn)小室對太陽輻射下雙層玻璃幕墻進(jìn)行能耗研究[15]。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文也采用小型測試箱，對水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)和傳統(tǒng)中空玻璃系統(tǒng)的熱傳遞性能和節(jié)能情況進(jìn)行對比研究。

實(shí)驗(yàn)采用6 mm+15 mm+6 mm，大小為500 mm×500 mm 的雙層中空玻璃及中間介質(zhì)為水的雙層玻璃系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試箱則用30 mm 聚苯板拼裝而成，為了保護(hù)聚苯板在實(shí)驗(yàn)過程中不被損壞，在聚苯板外用不銹鋼板固定，起到保護(hù)作用，最外層再覆蓋5 mm 鋁箔保溫棉，測試箱尺寸大小為570 mm×535 mm×570 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)放置在東華大學(xué)紡織學(xué)院樓頂，全天接受實(shí)際氣候下的太陽輻射。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)主要測量參數(shù)及實(shí)驗(yàn)儀器

由于實(shí)際的室外天氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度是動(dòng)態(tài)變化的，而玻璃窗動(dòng)態(tài)傳熱性能主要受室外空氣溫度和垂直面太陽輻射強(qiáng)度等氣象參數(shù)影響，因此實(shí)驗(yàn)需選取夏季晴天或多云工況實(shí)際測量室外的空氣溫度及南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度，并測量雙層玻璃中間介質(zhì)和內(nèi)外壁面的溫度變化情況。根據(jù)上述需要測量記錄的參數(shù)和實(shí)驗(yàn)精度的要求，選擇表1 的測量儀表和數(shù)據(jù)記錄儀器。使用Keithley 2701型數(shù)據(jù)采集儀，采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為1 min，全天24 h 不間斷記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集于2016 年6 月份到8 月份。

表1 實(shí)驗(yàn)儀表及傳感器主要參數(shù)

室內(nèi)外空氣溫度和中間介質(zhì)溫度都由Pt100 鉑電阻（其中測量壁面溫度采用貼壁式鉑電阻）連接數(shù)據(jù)采集儀測得，測點(diǎn)布置如圖3 所示。南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度由Solar-1 太陽能輻射測量儀系統(tǒng)直接測得。而HFM-215 多通道熱流儀的兩個(gè)傳感器由上海圖新電子科技有限公司重新標(biāo)定之后，可以直接測得室內(nèi)的得熱量。

圖3 玻璃系統(tǒng)溫度測點(diǎn)布置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取與分析

選取晴天和多云兩種典型工況，通過對實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的處理，分析兩種玻璃系統(tǒng)熱傳遞性能和輻射透過性能的差異，最終比較其室內(nèi)得熱總量。

熱傳遞性能：通過測量兩種玻璃系統(tǒng)各層壁面的溫度及中間介質(zhì)溫度，對比分析水介質(zhì)雙層玻璃和中空玻璃的熱傳遞的差異，并通過多通道熱流儀測量得到夏季全天通過水介質(zhì)雙層玻璃和中空玻璃的得熱量，得出水介質(zhì)雙層玻璃的能效性能與節(jié)能潛力，并由式（4）可計(jì)算出水介質(zhì)雙層玻璃相對中空玻璃的節(jié)能率。

式中：ηe表示節(jié)能率；Qa表示中空玻璃系統(tǒng)室內(nèi)總得熱量；Qw表示水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)室內(nèi)總得熱量。

輻射透過性能：通過式（1）～（3）計(jì)算出通過水介質(zhì)雙層玻璃和中空玻璃的太陽輻射直接透射量，由于早上以前及晚上以后太陽高度角小，儀器測量誤差較大，因此只計(jì)算白天7:00-18:00 的直接透射量，并可由式（5）計(jì)算出雙層玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下相對于空氣介質(zhì)室內(nèi)太陽總輻射強(qiáng)度的減少率。

式中：ηr表示輻射透過減少率；Ia表示中空玻璃系統(tǒng)室內(nèi)太陽輻射透過強(qiáng)度；Iw表示水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)室內(nèi)太陽輻射透過強(qiáng)度。

2 水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)與雙層中空玻璃系統(tǒng)熱性能對比

2.1 雙層玻璃系統(tǒng)中間介質(zhì)溫度對比

圖4 所示為兩種玻璃系統(tǒng)中間介質(zhì)溫度變化情況，由圖可以看出，6:00～17:00 水溫比空氣溫度低0.64～6.2 ℃，18:00～1:00 水溫比空氣的溫度高0.01～0.67 ℃。在6:00～17:00 這個(gè)時(shí)間段，不論晴天和多云工況，都是空氣介質(zhì)溫度迅速升高，晴天工況下與水介質(zhì)的差值在11:00 點(diǎn)左右達(dá)到最高，為6.2 ℃?？諝饨橘|(zhì)溫度峰值為48.57 ℃，出現(xiàn)在12:00 點(diǎn)左右，升溫幅度為20.13 ℃。水介質(zhì)的溫度峰值為44.48 ℃，出現(xiàn)在14:00 點(diǎn)左右，升溫幅度為16.55 ℃，18:00 點(diǎn)或19:00 點(diǎn)水溫開始高于空氣溫度。這是因?yàn)?，水的熱容量比空氣的熱容量大，?:00～14:00 太陽輻射較強(qiáng)的情況下，吸收相同的熱量，水溫上升比空氣升溫速度慢。14:00 點(diǎn)左右水溫達(dá)到峰值，此時(shí)水的顯熱蓄熱能力已經(jīng)達(dá)到極限，之后水介質(zhì)將作為內(nèi)熱源，將熱量以輻射和導(dǎo)熱等形式散發(fā)出去，而空氣介質(zhì)基本不吸收太陽輻射且相對熱容量小，溫度下降比水更快，因此17:00 以后，室外太陽輻射強(qiáng)度很小，且天空有效溫度低，水溫略高于空氣溫度。

圖4 雙層玻璃系統(tǒng)中間介質(zhì)溫度對比

多云工況時(shí)，水與空氣溫度差值為5.6 ℃，空氣溫度峰值為45.88 ℃，升溫幅度為18.29 ℃，水溫峰值為41.64 ℃升溫幅度為14.55 ℃，均低于晴天工況。這是因?yàn)槎嘣乒r時(shí)全天的太陽輻射強(qiáng)度相對較小，水吸收的輻射熱也相對較少。

2.2 雙層玻璃系統(tǒng)外壁面溫度對比

圖5 所示為兩種玻璃系統(tǒng)外層玻璃外壁面在晴天和多云兩種工況的溫度變化情況?？梢钥闯觯橘|(zhì)雙層玻璃的外壁面溫度，晴天工況下，在7:00～11:00低于中空玻璃0.23～2.0 ℃，其余時(shí)間高于中空玻璃0.5～2.91 ℃。這是因?yàn)?:00～11:00 太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，如前所述，中間介質(zhì)為水時(shí)，玻璃和水傳熱溫差大，且水的熱容量大則玻璃系統(tǒng)吸收的輻射熱量大部分用來給水加溫。而中空玻璃中間介質(zhì)為空氣，則吸收的熱量大部分用來使玻璃升溫。剛開始的時(shí)候，雙層中空玻璃的外壁面溫度較高，而之后水介質(zhì)作為內(nèi)熱源以輻射和導(dǎo)熱的形式將熱量傳送到玻璃系統(tǒng)，而室外空氣溫度相對室內(nèi)較低，且室外風(fēng)速較大，水與外壁面的傳熱溫差較大，綜合傳熱系數(shù)也較大，則水介質(zhì)的外壁面溫度將持續(xù)上升，高于中空玻璃外壁面溫度。

圖5 雙層玻璃系統(tǒng)外壁面溫度對比

多云工況下，水介質(zhì)雙層玻璃的外壁面溫度，在7:00～11:00 低于中空玻璃外壁面溫度0.17～0.98 ℃，其余時(shí)間高于中空玻璃0.19～2.77 ℃。二者差值均低于晴天工況，仍是因?yàn)槎嘣乒r時(shí)全天室外的太陽輻射強(qiáng)度相對較小。

2.3 雙層玻璃系統(tǒng)內(nèi)壁面溫度對比

圖6 為兩種玻璃系統(tǒng)內(nèi)層玻璃內(nèi)壁面在晴天和多云兩種工況的溫度。晴天工況下，6:00～17:00 雙層玻璃在水介質(zhì)下的內(nèi)壁面溫度比傳統(tǒng)中空玻璃內(nèi)壁面溫度低0.1～5.79 ℃，在6:00 以前及17:00 以后比中空玻璃內(nèi)壁面溫度高0.06～1.29 ℃。雙層中空玻璃內(nèi)壁面溫度在12:00 左右達(dá)到峰值50.83 ℃，雙層玻璃在水介質(zhì)下的峰值溫度為46.38 ℃，出現(xiàn)在14:00，峰值溫度較雙層中空玻璃低4.45 ℃，且峰值出現(xiàn)時(shí)間延緩2 h。這是因?yàn)槿缜八觯鳛橹虚g介質(zhì)的溫度在6:00～17:00 要低于空氣介質(zhì)溫度，且二者差值可達(dá)6.2 ℃。而中空玻璃中間介質(zhì)為空氣，吸收的熱量大部分用來使玻璃升溫。又6:00 以前及17:00 以后，水溫開始略高于空氣介質(zhì)溫度，作為內(nèi)熱源散發(fā)熱量，相應(yīng)水介質(zhì)的內(nèi)壁面溫度開始略高于中空玻璃內(nèi)壁面溫度。

圖6 雙層玻璃系統(tǒng)內(nèi)壁面溫度對比

多云工況下，4:00～17:00 雙層玻璃在水介質(zhì)下的內(nèi)壁面溫度比傳統(tǒng)中空玻璃內(nèi)壁面溫度低0.015～4.85 ℃，在4:00 以前，以及17:00 以后比中空玻璃內(nèi)壁面溫度高0.012～0.9 ℃。雙層中空玻璃內(nèi)壁面溫度在13:00 左右達(dá)到峰值47.98 ℃，雙層玻璃在水介質(zhì)下的峰值溫度為43.88 ℃，出現(xiàn)在13:33，峰值溫度較雙層中空玻璃低4.1 ℃，且峰值出現(xiàn)時(shí)間延緩約0.5 h。這是由于多云工況時(shí)，室外太陽輻射弱，水吸收的太陽輻射熱少，加之水介質(zhì)雙層玻璃室內(nèi)空氣溫度略低于中空玻璃室內(nèi)空氣溫度，導(dǎo)致白天水介質(zhì)雙層玻璃內(nèi)壁面溫度略低于雙層中空玻璃內(nèi)壁面溫度。

綜合比較圖5 和圖6，可以看出內(nèi)壁面溫度比外壁面溫度高0.02～8.46 ℃，是因?yàn)闇y試箱內(nèi)部為封閉空間，幾乎測量不出風(fēng)速，且室內(nèi)空氣溫度較高，與玻璃內(nèi)壁面溫度較為接近，二者傳熱溫差小，對流換熱系數(shù)也很小。而室外空氣溫度相對室內(nèi)較低，玻璃外壁面與其傳熱溫差較大，且對流換熱系數(shù)較大，所以熱量以對流換熱形式傳到室外的部分較多，外壁面溫度也相對內(nèi)壁面溫度較低。

2.4 不同太陽輻射強(qiáng)度下水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)隔熱性能對比

圖7 所示，為兩種玻璃系統(tǒng)室內(nèi)溫度逐時(shí)變化情況，在晴天和多云兩種工況下，兩種玻璃系統(tǒng)室內(nèi)溫度變化趨勢基本相同。其中雙層玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下室內(nèi)空氣溫度明顯低于中空玻璃。晴天工況下，前者峰值溫度為47.48 ℃，后者峰值溫度為52.31 ℃。多云工況下，前者峰值溫度為46.09 ℃，后者峰值溫度為49.33 ℃。

圖7 雙層玻璃系統(tǒng)室內(nèi)空氣溫度對比

圖8 雙層玻璃系統(tǒng)隔熱性能對比

圖8 所示，可以直觀地看出兩種玻璃系統(tǒng)與室外的溫差情況，晴天工況下，在7:00～18:00 雙層玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下室內(nèi)相對于室外的溫差最高為12.16 ℃，而雙層中空玻璃室內(nèi)相對室外的溫差最高為16.99 ℃，且水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)相對于中空玻璃系統(tǒng)的室內(nèi)溫度低，溫差最多可達(dá)4.84 ℃。這主要是因?yàn)槿缜拔乃觯男顭崮芰ο鄬諝廨^強(qiáng)，且對于太陽輻射有一定的吸收作用。6:00 以前及18:00 以后雙層中空玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下相對于空氣介質(zhì)的室內(nèi)溫度略高。

多云工況下，水介質(zhì)雙層玻璃系統(tǒng)相對于中空玻璃系統(tǒng)的室內(nèi)溫度低，溫差最多可達(dá)3.38 ℃。這是因?yàn)槎嘣乒r下，太陽輻射強(qiáng)度較弱，水對于輻射熱的吸收作用沒有那么明顯，相應(yīng)使得玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下的隔熱性能不如晴天工況。

3 水介質(zhì)雙層玻璃與雙層中空玻璃節(jié)能情況對比

3.1 雙層玻璃系統(tǒng)太陽輻射透過量對比

圖9 所示為雙層玻璃系統(tǒng)在晴天和多云兩種工況下，南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度變化情況，可以測量到的數(shù)據(jù)集中在6:00～18:00。由圖可以看出，晴天工況下，在8:00～15:00 這個(gè)時(shí)間段，南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度基本在160～350 W/m2，最高峰為352.3 W/m2，日累計(jì)輻射達(dá)6.775 MJ/m2。多云工況下，在8:00～15:00 這個(gè)時(shí)間段，南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度大多在100～250W/m2，最高峰為299.6 W/m2，日累計(jì)輻射達(dá)5.204 MJ/m2。

圖9 雙層玻璃系統(tǒng)南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度對比

圖10 為雙層玻璃系統(tǒng)在晴天和多云兩種工況下，水介質(zhì)相比空氣介質(zhì)對太陽輻射透過量的減少率。由圖10 可以看出，晴天工況下，水介質(zhì)相比空氣介質(zhì)對太陽輻射透過量減少率為9.62%～24.44%，多云工況下為7.42%～17.95%。這是因?yàn)?，如前言所述，水的光譜特性使其可以吸收幾乎所有紅外輻射，而紅外輻射占太陽光能量的將近50%[8]，且水膜的隔熱機(jī)理表明，0～80°入射角范圍內(nèi)，水膜吸收太陽輻射的能力隨著其厚度增加而增加，50 mm 的水膜吸收比在78%左右[10]。因此15 mm 厚的水介質(zhì)相比空氣介質(zhì)對于太陽輻射有較強(qiáng)的吸收能力，可以阻擋一部分太陽輻射透過玻璃系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)。

圖10 不同工況下雙層玻璃在水介質(zhì)下相比空氣介質(zhì)對太陽輻射透過量的減少率

所以雙層玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下相對于空氣介質(zhì)，室內(nèi)的輻射透過量會減少。而晴天工況相對于多云工況減少率略大。這是因?yàn)榍缣旃r下，全天的南向垂直面太陽輻射強(qiáng)度較大，水可以吸收更多的輻射熱，對太陽輻射的阻擋作用更加明顯。

3.2 雙層玻璃系統(tǒng)室內(nèi)逐時(shí)得熱量對比

圖11 所示為雙層玻璃系統(tǒng)室內(nèi)逐時(shí)得熱量情況，在太陽輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，且內(nèi)壁面溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，室內(nèi)總得熱量為太陽輻射透過量減去室內(nèi)向室外的二次對流換熱量和二次輻射換熱量。而無太陽輻射時(shí)，室外溫度開始下降，當(dāng)內(nèi)壁面溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，室內(nèi)得熱量為二次對流換熱量和輻射換熱量之和。由圖11 可以看出，晴天工況下，透過水介質(zhì)雙層玻璃的室內(nèi)總得熱量為678.57 Wh/m2，節(jié)能率為40.79%。多云工況下，透過水介質(zhì)雙層玻璃的室內(nèi)總得熱量為549.26 Wh/m2，節(jié)能率為19.06%。而且，雙層玻璃在水介質(zhì)下的峰值得熱量明顯低于雙層中空玻璃，相應(yīng)可以減小空調(diào)裝機(jī)負(fù)荷。

這是因?yàn)橛蓤D6 可以看出，晴天工況雙層玻璃在水介質(zhì)下內(nèi)壁面溫度與室內(nèi)溫度的差值更大，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于內(nèi)壁面溫度時(shí)，室內(nèi)向室外的二次對流和輻射換熱量相較中空玻璃要多。且由前可知，雙層玻璃在水介質(zhì)下的太陽輻射直接透過率比中空玻璃小，且晴天工況下太陽輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，雙層玻璃在水介質(zhì)下的輻射透過量的減少率更多。結(jié)合前文分析可知，水介質(zhì)可以阻擋一些太陽輻射，并增加雙層玻璃系統(tǒng)的熱慣性，降低室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)減少室內(nèi)總得熱量，減少能源峰值需求的目標(biāo)。

圖11 雙層玻璃系統(tǒng)室內(nèi)逐時(shí)得熱量對比

4 結(jié)論

本文在上海地區(qū)夏季實(shí)際氣候條件下搭建雙層玻璃系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試平臺。通過實(shí)驗(yàn)測試，對比研究了雙層玻璃在水和空氣兩種介質(zhì)下的熱性能和太陽輻射透過性能等差異，在實(shí)際氣候條件下，實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

1）雙層玻璃在水介質(zhì)下相對于雙層中空玻璃的中間介質(zhì)空氣升溫更慢，內(nèi)壁面溫度更低，且晴天工況相較多云工況差值更明顯。

2）同一氣候條件，雙層玻璃在水介質(zhì)下，6:00～17:00 室內(nèi)溫度低于中空玻璃對照組，晴天工況溫差可達(dá)0.5～4.83 ℃，多云工況溫差可達(dá)0.49～3.38 ℃。

3）雙層玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下，相對傳統(tǒng)中空玻璃對太陽輻射透過量的減少率晴天工況可達(dá)9.62%～24.44%，多云工況可達(dá)7.42%～17.95%。

4)雙層玻璃系統(tǒng)在水介質(zhì)下相對傳統(tǒng)中空玻璃的室內(nèi)總得熱量更小，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而差距更大，其節(jié)能率即室內(nèi)總得熱量減少率，晴天工況可達(dá)40.79%，多云工況為19.06%。