全鋼化真空玻璃傳熱系數(shù)和傳熱指標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)分析

趙驍真，胡東方，江春偉

(1.河南科技大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.洛陽蘭迪玻璃機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球性能源與環(huán)境問題日益加劇，建筑能耗飛速增長，大批新建建筑呈跨越式增長，我國對能源需求的總量將會更大，低碳環(huán)保、節(jié)能減排已開始成為各個國家的選擇[1]。以節(jié)能技術(shù)發(fā)展帶動能源節(jié)約，使其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中真正起到“第一能源”的作用，是我國未來發(fā)展的大趨勢[2]，而建筑節(jié)能又是節(jié)能減排的重要內(nèi)容之一，在建筑被動節(jié)能方面，窗戶的保溫性能是最低的，降低玻璃的傳熱尤為重要[3]。因此，降低能耗負(fù)荷，在更大程度上減少建筑自身能耗是我國建筑節(jié)能技術(shù)目前所需要考慮的，這在很大程度上對建筑外窗的傳熱系數(shù)(U值)提出了更高的要求[3]。

全鋼化真空玻璃是將鋼化玻璃和真空玻璃技術(shù)相結(jié)合，是一種新型的節(jié)能型玻璃，其安全性、保溫性、隔聲性、節(jié)能性、防結(jié)露結(jié)霜性等綜合性能優(yōu)勢明顯，使其在節(jié)能建筑領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間[5]。美國康寧等公司投入較大的人力和資金對隔熱玻璃的配方進(jìn)行研發(fā)[7]；于鳳嬌[8]等對高速列車上的中空玻璃進(jìn)行了傳熱模擬研究；許威[9]主要通過輻射、支撐物等對真空玻璃的傳熱進(jìn)行了分析；繆宏[10]、張瑞宏[11]等對真空玻璃的傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究；劉暢[12]對鋼化真空玻璃進(jìn)行模塊化分析，綜合考慮了多參數(shù)對其服役性能的影響；趙偉同[13]定量分析了支撐物不同參數(shù)對玻璃導(dǎo)熱系數(shù)影響的程度。然而，對全鋼化真空玻璃傳熱性能的綜合研究仍鮮見報道。分析全鋼化真空玻璃的傳熱指標(biāo)，確定在諸多影響因素中的主要和次要指標(biāo)，合理對其進(jìn)行優(yōu)化，是降低全鋼化真空玻璃U值，進(jìn)一步提高其節(jié)能性亟需解決的問題。

在鋼化真空玻璃的傳熱相關(guān)度分析中，因其影響因素具有多樣性和復(fù)雜性，而傳統(tǒng)的分析方法又有一定的局限性，難以準(zhǔn)確判斷某一指標(biāo)參數(shù)對全鋼化真空玻璃整體單元傳熱的影響程度。灰色系統(tǒng)理論[14]側(cè)重解決“小樣本”、“乏信息”等不確定性問題，著重研究“外延明確，內(nèi)涵不明確”的對象，為解決上述問題提供了有效的途徑，通過對事物動態(tài)參數(shù)的分析，得出影響全鋼化真空玻璃傳熱的主要指標(biāo)。

1 全鋼化真空玻璃的結(jié)構(gòu)

全鋼化真空玻璃是一種新型節(jié)能型透明保溫材料，是一種兩片鋼化玻璃間抽真空的結(jié)構(gòu)件[14]。兩片鋼化玻璃之間由高度為0.3～0.5 mm的支撐物呈一定方式排列隔開，四周使用金屬或玻璃焊料進(jìn)行低溫封接，其中一片鋼化玻璃上留有抽氣口且內(nèi)層有Low-E膜鍍層，抽氣后用蓋片將抽氣口封住形成真空腔，真空度小于10-2Pa?；窘Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 鋼化真空玻璃基本結(jié)構(gòu)示意圖(不按比例)

2 全鋼化真空玻璃傳熱機(jī)理

全鋼化真空玻璃中心區(qū)域的熱導(dǎo)主要由殘余氣體熱導(dǎo)、輻射熱導(dǎo)、支撐物熱導(dǎo)組成，可表示為

C真空=C氣體+C輻射+C支撐柱

(1)

鋼化真空玻璃中心腔體的傳熱系數(shù)可用下式表示

(2)

式中R內(nèi)、R外——鋼化玻璃內(nèi)、外表面換熱阻;

R1、R2——內(nèi)、外玻璃板熱阻。

考慮到整個鋼化真空玻璃單元的熱導(dǎo)，不僅僅是中心腔體區(qū)域的熱導(dǎo)，邊緣密封部分對其也有一定的影響，即整單元的傳熱系數(shù)表示為

(3)

式中L——邊緣密封部分的總長;

A——鋼化真空玻璃的面積;

ψ——鋼化真空玻璃邊緣密封部分的線性傳熱系數(shù)。

由于真空腔體內(nèi)真空度小于10-2Pa，殘余氣體熱導(dǎo)極小，約為0.007 89 W/(m2·K),對玻璃整體傳熱系數(shù)的影響可以忽略不計；根據(jù)JGJ_T 151-2008計算玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)時，應(yīng)采用簡單的模擬環(huán)境條件，僅考慮室內(nèi)外溫度，沒有太陽輻射，故不對輻射熱導(dǎo)進(jìn)行評價?，F(xiàn)主要評價支撐物參數(shù)和邊緣密封部分參數(shù)對鋼化真空玻璃傳熱系數(shù)的相關(guān)程度。

3 灰關(guān)聯(lián)分析

在鋼化真空玻璃的傳熱性能研究中，與玻璃傳熱相關(guān)的因素具有多樣性和復(fù)雜性，因樣本數(shù)據(jù)有限，且部分指標(biāo)關(guān)系復(fù)雜，無法對傳熱指標(biāo)和玻璃傳熱系數(shù)做出定量分析，難以有效判斷某一因素對鋼化真空玻璃整體單元傳熱的影響程度。引入灰色系統(tǒng)理論，依據(jù)影響鋼化真空玻璃傳熱性能指標(biāo)，建立品質(zhì)評價的指標(biāo)體系，對鋼化真空玻璃的傳熱進(jìn)行綜合評價，得到客觀、準(zhǔn)確的評價結(jié)果，可為后期玻璃的節(jié)能優(yōu)化提供可行性參考方案。

3.1 傳熱指標(biāo)依據(jù)

全鋼化真空玻璃的邊緣密封部分對其整體單元熱導(dǎo)有一定的影響，由公式(3)可知，影響全鋼化真空玻璃邊緣密封部分傳熱的因素有：邊緣密封部分總長、鋼化真空玻璃的面積、鋼化真空玻璃邊緣密封部分的線性傳熱系數(shù)。

全鋼化真空玻璃在外部為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的情況下，為保障服役過程中的可靠性，真空腔體的兩個內(nèi)表面之間由支撐物呈一定的布放方式排列隔開。支撐物越大，則與鋼化玻璃的接觸面積越大。其熱導(dǎo)可由公式(4)計算

(4)

式中r——支撐物和玻璃接觸區(qū)域的半徑/m；

h——支撐物高度/m；

d——支撐物布放間距/m；

U玻——玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m2·K)-1，約為1；

U支撐物——支撐物材料導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2 確定影響傳熱性能的指標(biāo)

根據(jù)洛陽蘭迪機(jī)器實際調(diào)研，確定了9個影響傳熱的指標(biāo)，分別是：支撐物和玻璃接觸區(qū)域的半徑、支撐物高度、支撐物布放間距、支撐物材料的選擇、支撐物的排布方式、支撐物的形狀、邊緣密封部分總長、鋼化真空玻璃的面積、邊緣密封部分材料。傳熱性能指標(biāo)及指標(biāo)參數(shù)如表1所示，其中指標(biāo)參數(shù)內(nèi)容根據(jù)不同的設(shè)計需求而略有差異。

為方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理，將評定指標(biāo)劃分為10個等級并做出如下規(guī)定：當(dāng)評定系數(shù)a取10，判定為極優(yōu)影響因素；a取8～9時，歸為優(yōu)等影響因素；a取6～8時，歸為良好影響因素；a取4～6時，歸為較差影響因素；a取1～4時，為極差影響因素?；谏鲜?個面膜性能指標(biāo)，依次進(jìn)行虛擬樣機(jī)性能測試，將評定系數(shù)結(jié)果組成系統(tǒng)特征行為指標(biāo)序列

X0={8,6,7,8,9,7,7,5,7}

3.3 評定數(shù)據(jù)樣本的確定及關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)鋼化真空玻璃的主要性能、尺寸參數(shù)、環(huán)境要求等，從蘭迪機(jī)器已有的大量鋼化真空玻璃數(shù)據(jù)樣本中，隨機(jī)抽取12套根據(jù)不同設(shè)計思路所建立的虛擬試驗樣機(jī)。根據(jù)評定規(guī)則，分別對12套試驗樣機(jī)進(jìn)行保溫性指標(biāo)的評定試驗，得出12組不同結(jié)果的行為指標(biāo)序列

X1={8.3,6.5,7.1,8.0,9.2,7.2,7.4,4.9,7.3}

X2={7.8,6.2,6.9,8.3,9.0,7.4,7.4,4.7,7.2}

X3={7.7,6.2,7.5,8.1,8.8,7.3,7.5,5.1,6.9}

X4={8.5,6.4,7.3,7.9,9.2,6.8,6.8,5.2,7.4}

X5={8.2,6.4,6.8,8.5,9.3,7.2,7.7,5.4,7.5}

X6={7.5,5.7,7.4,8.3,8.8,7.5,6.7,5.5,7.2}

X7={8.1,6.6,7.2,7.9,9.1,6.7,7.3,4.9，7.5}

X8={8.4,6.5,7.3,8.2,9.3,7.1,7.4,5.3,7.1}

X9={8.3,6.2,7.5,8.1,8.8,7.2,7.3,5.5,7.6}

X10={8.5,6.2,7.3,7.9,9.2,7.1,6.7,5.2,7.7}

X11={7.8,6.3,7.5,8.0,9.3,6.8,7.5,5.4,7.5}

X12={8.2,6.5,7.4,8.2,9.1,7.0,6.6,5.5,7.6}

將12組指標(biāo)的評定數(shù)據(jù)根據(jù)求差公式(11)進(jìn)行求差化處理

Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|

(5)

將上述12組求差序列計入下列求差矩陣B中

從矩陣B中可篩選出每列的最大值Δmax和最小值Δmin，即12組指標(biāo)中與設(shè)計指標(biāo)最為接近的樣本數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算，由公式(6)可求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)γ

(6)

下面選擇合適的灰色關(guān)聯(lián)度分析的分辨系數(shù)，通過計算進(jìn)行取值：

Δv為所有差值絕對值的平均值，即

進(jìn)而可以求得

當(dāng)Δmax>3Δv時，ρ的取值范圍為εv≤ρ≤1.5εv；反之，1.5εv<ρ≤2εv。

因Δmax=0.7<3Δv=0.994 5，取ρ=1.6εv=0.757 6。

對求差序列B進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度求解，得到縱向灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)序列

γ01={0.705 4 0.827 2 0.705 4 0.544 8 0.827 2 0.544 8 1.000 0 0.614 8 0.705 4 0.544 8 0.827 2 0.827 2}T

γ02={0.658 6 1.000 0 1.000 0 0.743 2 0.743 2 0.852 7 0.743 2 0.658 6 1.000 0 1.000 0 0.852 7 0.658 6}Τ

γ03={1.000 0 1.000 0 0.544 8 0.705 4 0.827 2 0.614 8 0.827 2 0.705 4 0.544 8 0.705 4 0.544 8 0.614 8}Τ

γ04={1.000 0 0.558 0 0.791 1 0.791 1 0.431 0 0.558 0 0.791 1 0.654 5 0.791 1 0.791 1 1.000 0 0.654 5}Τ

γ05={0.531 9 1.000 0 0.531 9 0.531 9 0.431 1 0.531 9 0.694 5 0.431 1 0.531 9 0.531 9 0.431 1 0.694 5}Τ

γ06={0.654 5 0.486 4 0.678 8 0.654 5 0.654 5 0.431 0 0.678 8 0.791 1 0.654 5 0.791 1 0.654 5 1.000 0}Τ

γ07={0.785 0 0.785 0 0.708 8 1.000 0 0.593 6 0.878 0 0.878 0 0.785 0 0.878 0 0.878 0 0.708 8 0.785 0}Τ

γ08={1.000 0 0.705 4 1.000 0 0.827 2 0.614 8 0.544 8 1.000 0 0.705 4 0.544 8 0.827 2 0.614 8 0.544 8}Τ

γ09={0.759 1 0.863 1 1.000 0 0.677 5 0.611 8 0.863 1 0.611 8 1.000 0 0.557 6 0.512 3 0.611 8 0.557 6}Τ

對以上9個傳熱性能指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度求平均值，并依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小進(jìn)行排序，如表2所示。

表2 玻璃傳熱性能各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度是反映各個傳熱指標(biāo)與玻璃傳熱系數(shù)的相關(guān)程度，灰色關(guān)聯(lián)度越大，傳熱指標(biāo)和玻璃傳熱系數(shù)的相關(guān)性就越大，對玻璃的傳熱貢獻(xiàn)也越大。由表2結(jié)果可知，全鋼化真空玻璃的傳熱性能參數(shù)指標(biāo)對其傳熱系數(shù)影響最大的是支撐物的排布方式。

4 結(jié)論

(1)灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明支撐物的排布方式，可以通過改變支撐物的數(shù)量，進(jìn)而改變支撐物的排布方式，達(dá)到降低支撐物熱導(dǎo)，進(jìn)而達(dá)到降低全鋼化真空玻璃傳熱系數(shù)的目的。

(2)邊緣密封部分影響其傳熱系數(shù)的主要因素是：鋼化真空玻璃的面積。理論上來看，適當(dāng)增大鋼化真空玻璃的面積，可以有效降低邊緣密封部分的傳熱系數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化提高全鋼化真空玻璃的節(jié)能性；而實際加工應(yīng)用中，因大部分門窗尺寸已固定，隨之也確定了玻璃的相關(guān)尺寸。因此，通過改變玻璃的面積來達(dá)到節(jié)能優(yōu)化的效果，此優(yōu)化方案沒有實際應(yīng)用意義。

(3)對全鋼化真空玻璃傳熱系數(shù)影響程度較高的前五個指標(biāo)中支撐物的指標(biāo)占據(jù)4/5，關(guān)聯(lián)度較高。可以通過改變支撐物不同指標(biāo)參數(shù)來降低玻璃的傳熱，提高其保溫節(jié)能性，并為后期的優(yōu)化方案提供可行性參考。