節(jié)能窗傳熱性能試驗(yàn)研究

王 卓，楊 寧，王曉紅，徐秀靈，王 雪

1吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118 2大連理工大學(xué),大連 116024 3吉林市生態(tài)環(huán)境局，吉林 132002 4吉林建筑大學(xué)圖書館，長(zhǎng)春 130118

0 引言

在我國(guó)能源消費(fèi)領(lǐng)域中建筑能耗高達(dá)27.6 %[1], 其中建筑門窗作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能中的薄弱環(huán)節(jié),其能耗占到圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的50 %左右[2].玻璃窗戶的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段:第1階段是單玻窗,只具備窗戶的最基本的透明性及遮風(fēng)擋雨的作用,保溫性能較差;第2階段是中空玻璃窗,根據(jù)玻璃層數(shù)的不同可劃分為兩玻窗、三玻窗以及四玻窗.在玻璃夾層內(nèi)可填充干燥(稀有)氣體或抽取夾層內(nèi)空氣制成真空玻璃窗,均可相應(yīng)降低窗戶的傳熱系數(shù),提高其保溫性能;第3階段是鍍膜玻璃,鍍膜玻璃是在玻璃的表面鍍上一層金屬或者金屬氧化物的薄膜,使玻璃對(duì)可見光具有較高的反射能力.就窗框而言,鋁窗框是以往應(yīng)用較多的型材,但由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高、熱量傳遞過(guò)快故逐漸被取代.聚氯乙烯因其導(dǎo)熱系數(shù)較低且價(jià)格低廉得到廣泛用.

以往的研究中,Rubin課題組于1982年建立了玻璃傳熱計(jì)算模型和太陽(yáng)光性能計(jì)算模型,隨后開發(fā)出了計(jì)算程序[3].目前,已開發(fā)了多種模擬軟件,包括外窗熱工性能模擬軟件Window和Therm,以及玻璃光學(xué)性能模擬軟件Optics,并收集了各大廠家玻璃產(chǎn)品的性能參數(shù),建立了玻璃性能數(shù)據(jù)庫(kù)NFRC[4-5].Dariush Arasteh等[6]人采用Therm進(jìn)行門窗模擬,通過(guò)更換保溫性能優(yōu)異的材料,設(shè)計(jì)保溫性能更加突出的節(jié)能門窗,并提出零能耗門窗的概念.Gan[7]利用CFD模擬分析了多層外窗的傳熱情況,并得出整窗的傳熱系數(shù)以及玻璃表面對(duì)流換熱隨室內(nèi)外玻璃表面溫差的變化情況.徐春濤[8]利用Therm對(duì)塑料窗熱工性能進(jìn)行了模擬,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)外窗中玻璃間隔條處容易形成冷橋,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相比較誤差較小.Muneer等[9]人研究了玻璃之間夾層的對(duì)流以及換熱情況,并在之后沖入稀有氣體分析窗戶的節(jié)能情況.Griffith等[10]人采用紅外熱像法測(cè)試了3種不同類型外窗的表面溫度,并結(jié)合相應(yīng)軟件分析了表面溫度的分布情況.但是,在雙玻窗的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)措施減少整窗的傳熱系數(shù)的研究較少,故本文以雙玻窗為基礎(chǔ),在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上利用紅外熱像法與數(shù)值模擬相結(jié)合,通過(guò)尋找不同類型外窗的熱工缺陷,對(duì)熱工缺陷部位提出優(yōu)化方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

1 塑鋼雙玻窗實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在門窗的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面,我國(guó)有《建筑外門窗保溫性能分級(jí)及其檢測(cè)方法》(GB/T8484-2008)[11],《建筑玻璃可見光透射比、太陽(yáng)光直接透射比、太陽(yáng)能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測(cè)定》(GB/T2680-1994)[12]等.根據(jù)檢測(cè)原理的不同,外窗的傳熱系數(shù)測(cè)定可以分為穩(wěn)態(tài)傳熱法與非穩(wěn)態(tài)傳熱法.非穩(wěn)態(tài)傳熱法是在溫度和濕度難以控制的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)使用,由于存在熱惰性,所以測(cè)量存在偏差.穩(wěn)態(tài)傳熱是在溫度、濕度可控的穩(wěn)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行,使傳熱過(guò)程達(dá)到高度平衡.由于對(duì)環(huán)境條件的要求過(guò)高,所以穩(wěn)態(tài)傳熱法一般用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè).

本文利用JTMC-24建筑外門窗保溫性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)是以穩(wěn)態(tài)傳熱原理為基礎(chǔ)的標(biāo)定熱箱法.實(shí)驗(yàn)臺(tái)的一側(cè)為熱箱,模擬夏季空調(diào)室外環(huán)境或冬季供熱室內(nèi)環(huán)境;另一側(cè)為冷箱,模擬夏季空調(diào)室內(nèi)環(huán)境或冬季室外環(huán)境.在對(duì)窗框與試件框、窗框與填充板、填充板與試件框之間做嚴(yán)格密封的基礎(chǔ)上,維持冷熱室恒定的溫濕度、氣流速度、輻射等條件,通過(guò)計(jì)量加熱器的加熱功率及熱箱外壁、試件框、填充板的熱損失,自動(dòng)計(jì)算外窗的平均傳熱系數(shù).

外窗平均傳熱系數(shù)計(jì)算公式:

(1)

式中,K為實(shí)驗(yàn)外窗的平均傳熱系數(shù),W/(m2·K);Q為實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)加熱裝置的電功率,W;M1為熱箱壁的熱流系數(shù),W/K;Δθ1為熱室內(nèi)外表面溫差,K;M2為試件框的熱流系數(shù),W/K;Δθ2為試件框兩側(cè)表面溫差,K;S為填充板的面積,m2;k′為填充板的平均傳熱系數(shù),W/(m2·K);Δθ3為填充板兩側(cè)表面溫差,K;A為按試件外緣尺寸計(jì)算的試件面積,m2;ΔT為冷熱室空氣溫差,K.

1.1.1 試驗(yàn)裝置組成

試驗(yàn)裝置主要由熱室、冷室、試件框熱室溫控系統(tǒng)、冷室溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和報(bào)告生成部分組成,如圖1～圖2所示.

圖1 試驗(yàn)裝置的平面、側(cè)面圖Fig.1 Plane and side drawings of test apparatus

圖2 JTMC檢測(cè)試驗(yàn)裝置Fig.2 Test apparatus for JTMC detection

檢測(cè)試驗(yàn)裝置冷、熱室外壁選用100 mm厚聚氨酯夾芯板,試件框部分因需要較高的保溫性能,故采用300 mm厚的聚氨酯夾芯板,其表面發(fā)射率為ε=0.9.

熱室為2 430 mm × 2 730 mm(寬×高),進(jìn)深為2 000 mm的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)有加熱裝置、除濕裝置和傳感器,可控制室內(nèi)的溫濕度.冷室通過(guò)安裝在其上方的制冷系統(tǒng)降溫,同時(shí)配備加熱裝置,使冷室內(nèi)的溫度恒定,并利用強(qiáng)風(fēng)板和風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流,以使在試件表面形成由上至下的均勻氣流,其流速為3 m/s.

試驗(yàn)裝置的測(cè)溫系統(tǒng)采用鉑電阻Pt 1000作為溫度傳感器,根據(jù)試驗(yàn)要求,共設(shè)置200個(gè)高精度測(cè)溫點(diǎn),以此測(cè)量試驗(yàn)室內(nèi)空氣、冷熱室內(nèi)空氣、熱室內(nèi)外壁面、試件框內(nèi)外側(cè)面和填充材料冷熱表面等處的溫度.

1.1.2 試驗(yàn)平臺(tái)主要性能參數(shù)

檢測(cè)平臺(tái)主要性能參數(shù)見表1.

表1 檢測(cè)平臺(tái)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the test platform

1.2 塑鋼雙玻窗傳熱系數(shù)

塑鋼雙玻璃尺寸為1 700 mm×1 600 mm×60 mm,窗框型材采用硬質(zhì)聚氯乙烯,中空玻璃規(guī)格為5 mm+12 mm+5 mm,玻璃間填充干燥空氣,單片玻璃為普通白玻,窗框扇及其他密封材料采用改性PVC密封膠條,待測(cè)試件安裝區(qū)洞口總面積為3.17 m2,塑鋼外窗面積為2.72 m2,洞口填料面積為0.45 m2,填充材料選取50 mm厚的聚苯乙烯泡沫板,傳熱系數(shù)K=0.76 W/(m2·K).

經(jīng)5次試驗(yàn)檢測(cè),塑鋼雙玻窗的平均傳熱系數(shù)為K=2.2 W/(m2·K),與數(shù)值模擬結(jié)果K=1.71 W/(m2·K)比較接近,但存在一定偏差.測(cè)量后采用紅外熱像儀檢測(cè)熱工缺陷部位,紅外熱像儀為Tesco 890-1手持式熱成像儀,它是通過(guò)非接觸式測(cè)量顯示被測(cè)構(gòu)件表面的溫度分布,其主要性能參數(shù)見表2.

利用紅外熱像儀,采集生成紅外熱像圖,并通過(guò)Tesco-IR軟件分析圖像,如圖3～圖4所示.

圖3 塑鋼雙玻窗紅外熱像圖Fig.3 Infrared thermal image of a double glass plastic steel window

圖4 塑鋼雙玻窗溫度分布直方圖Fig.4 Temperature distribution histogram of a double glass plastic steel window

表2 Tesco 890-1主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of Tesco 890-1

其中圖4是處理后的整窗溫度分布直方圖.由圖4可知,tmin=-2.4 ℃,tmax=18.8 ℃,tavg=7.0 ℃,整窗溫度主要集中在5 ℃ ～ 14 ℃之間,整窗溫度分布的平均值低于熱室溫度.

2 塑鋼雙玻窗的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)再測(cè)試

2.1 塑鋼雙玻窗外側(cè)加貼玻璃

2.1.1 塑鋼雙層窗外側(cè)加貼普通玻璃

根據(jù)模擬與熱紅外圖結(jié)果顯示,整窗系統(tǒng)中玻璃膠條部分和玻璃區(qū)域溫度較低.采取在塑鋼雙玻窗外表面加貼玻璃的措施,其主要原因是:

(1) 增加空氣層數(shù)量,從而增加熱阻,減少空氣層中溫差傳熱.

(2) 外側(cè)貼平板玻璃可以起到密封和保溫的作用,從而減少冷風(fēng)滲透.

具體做法為將5 mm厚的普通平板玻璃通過(guò)聚氨酯泡沫膠貼在塑鋼雙玻窗框扇可開啟側(cè),邊緣使用2 mm～3 mm厚的硅酮耐候密封膠密封,其增加的空氣層厚度為20 mm,圖5是改進(jìn)后的玻璃.經(jīng)5次試驗(yàn),測(cè)得在外面加貼普通玻璃改進(jìn)后的塑鋼雙玻窗傳熱系數(shù)K=2.02 W/(m2·K),較塑鋼雙玻窗傳熱系數(shù)降低了11.7 %.

圖5 外側(cè)貼普通玻璃Fig.5 Common glass on the outside 圖6 外側(cè)貼鍍膜玻璃Fig.6 Coated glass on the outside 圖7 塑鋼雙層四玻窗Fig.7 A double-layer four-glassplastic steel window

2.1.2 塑鋼雙玻窗外側(cè)加貼鍍膜玻璃

低輻射膜玻璃的原理是通過(guò)降低玻璃表面的輻射率來(lái)達(dá)到降低玻璃傳熱系數(shù)的目的,故加貼鍍膜玻璃是在加貼普通玻璃的基礎(chǔ)上降低透過(guò)外窗的輻射換熱量.具體做法是將5 mm厚的鍍膜玻璃通過(guò)聚氨酯泡沫膠直接外貼在塑鋼雙玻窗可開啟側(cè),邊緣處用2 mm ～ 3 mm厚的硅酮耐候密封膠密封,其新增空氣層厚度為20 mm.經(jīng)過(guò)5次試驗(yàn)測(cè)試,其平均傳熱系數(shù)K=1.94 W/(m2·K),其傳熱系數(shù)較普通塑鋼雙玻窗降低了15.2 %,此法有效地降低了整窗傳熱系數(shù).如圖6所示.

2.2 塑鋼雙玻窗外側(cè)加貼雙玻窗

試驗(yàn)測(cè)試的塑鋼雙層四玻窗由塑鋼雙玻窗組合而成,其尺寸為1 700 mm×1 600 mm×300 mm,雙層窗框型材采用鋼襯硬質(zhì)聚氯乙烯,玻璃為普通白玻,框扇及其他區(qū)域密封材料采用改性PVC密封膠條,單層窗框玻璃系統(tǒng)為5 mm+12 mm+5 mm,空氣夾層填充氣體為干燥空氣,如圖7所示.

經(jīng)5次試驗(yàn)測(cè)試,塑鋼雙玻窗的平均傳熱系數(shù)K=1.24 W/(m2·K),較在塑鋼雙玻窗外側(cè)加貼普通玻璃和鍍膜玻璃分別降低了36 %和38.6 %,可見,塑鋼雙層窗節(jié)能效果最佳.

由圖8～圖9可知,tmin=9.8 ℃,tmax=21.5 ℃,tavg=15.6 ℃,整窗溫度主要集中在13 ℃～18 ℃之間,整窗溫度較塑鋼雙玻窗有很大提升.

圖8 塑鋼雙層四玻窗紅外熱像Fig.8 Infrared thermal image of a double-layer four-glass plastic steel window

圖9 塑鋼雙層四玻窗溫度分布直方圖Fig.9 Temperature distribution histogram of a double-layer four-glass plastic steel window

2.3 冷熱側(cè)加貼塑料薄膜的塑鋼四玻窗

由圖8還可看出,外窗密封區(qū)域的冷橋傳熱在保溫性能得到提升后有較大改善.因此考慮冷風(fēng)滲透對(duì)其影響,在塑鋼四玻窗冷熱側(cè)同時(shí)加貼透明塑料玻璃,如圖10所示.薄膜厚度為0.1 mm,由于薄膜厚度很小,故因薄膜產(chǎn)生的導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射可忽略不計(jì).經(jīng)5次試驗(yàn)測(cè)試,貼薄膜的塑鋼四玻窗平均傳熱系數(shù)K=1.24 W/(m2·K),測(cè)試結(jié)果如圖11所示.圖11顯示,外側(cè)加貼塑料薄膜對(duì)傳熱效果影響不大.

圖10 冷熱側(cè)加貼塑料薄膜的塑鋼四玻窗Fig.10 Four-glass plastic steel window with plastic film on hot and cold sides

圖11 節(jié)能窗傳熱系數(shù)Fig.11 Heat transfer coefficient of energy-saving window

3 窗戶節(jié)能性分析

通過(guò)Window模擬分析了空氣層厚度及單片玻璃厚度對(duì)傳熱系數(shù)的影響,從結(jié)果可以看出,增加玻璃厚度以及空氣層厚度可以降低傳熱系數(shù).但是,過(guò)度增加空氣層厚度會(huì)使空氣在空氣層內(nèi)發(fā)生熱對(duì)流,增加傳熱,故空氣層厚度在15 mm～20 mm為最佳.同時(shí),玻璃片厚度不易過(guò)大,若過(guò)大會(huì)使建筑物的荷載過(guò)大,故3 mm～6 mm為玻璃最佳厚度.Therm模擬結(jié)果顯示,熱側(cè)密封區(qū) - 玻璃間隔條 - 冷側(cè)密封區(qū)形成比較集中的熱流,這是造成室內(nèi)側(cè)密封條溫度低的原因.此外,玻璃系統(tǒng)溫度較低是需要重點(diǎn)改進(jìn)的部位.在試驗(yàn)測(cè)試部分測(cè)試了塑鋼雙玻窗的傳熱系數(shù),并通過(guò)紅外熱像儀分析了其溫度分布,玻璃系統(tǒng)是需要重點(diǎn)改善區(qū)域.采用在外側(cè)加貼玻璃形成空腔,減少對(duì)流換熱;加貼鍍膜玻璃,同時(shí)減少對(duì)流與輻射換熱.所以,要想降低整窗傳熱系數(shù),玻璃系統(tǒng)是關(guān)鍵因素,減少玻璃系統(tǒng)的對(duì)流與輻射換熱是減少傳熱的主要途徑.而窗框型材與玻璃密封區(qū)域產(chǎn)生的冷橋與冷風(fēng)滲透需要加強(qiáng)密封.

4 未來(lái)與展望

窗戶是圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要組成部分,也是能源消耗的關(guān)鍵部位.若想降低建筑耗能,窗戶是不可忽視的關(guān)鍵因素.窗戶的構(gòu)成在過(guò)去的幾年中也發(fā)生了較大的改變,從木質(zhì)單玻窗發(fā)展到塑鋼中空雙玻窗、三玻窗以及塑鋼、木質(zhì)真空玻璃窗.解決窗戶節(jié)能問(wèn)題主要是降低整窗傳熱系數(shù),傳熱過(guò)程包括對(duì)流、傳導(dǎo)與輻射,增加空氣層個(gè)數(shù)與厚度以減少對(duì)流傳熱,在玻璃上鍍膜可以減少輻射傳熱.這兩種方法是中空玻璃較少傳熱降低傳熱系數(shù)的關(guān)鍵因素.對(duì)于真空玻璃,玻璃間為真空層沒(méi)有空氣的對(duì)流與傳導(dǎo),在目前的建筑中,多數(shù)應(yīng)用的還是塑鋼雙玻窗,傳熱系數(shù)大概在2.7 W/(m2·K)左右[13],并且存在冷風(fēng)滲透.在未來(lái)的發(fā)展中,真空玻璃應(yīng)廣泛應(yīng)用于建筑中,而如何降低造價(jià),是需要解決的主要問(wèn)題.