"掃描二維碼，關(guān)注協(xié)會(huì)動(dòng)態(tài)"
目前,我國(guó)建筑能耗(其中包括建造能耗和使用能耗)約為全國(guó)能源總耗量的1/4,就建筑使用能耗而言,主要體現(xiàn)在冬季保溫和夏季降溫,建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的四大部件(門窗幕墻、墻體、屋頂、地面)中,門窗幕墻的傳熱系數(shù)最大,是建筑保溫、隔熱最薄弱環(huán)節(jié),據(jù)統(tǒng)計(jì),門窗幕墻的能耗要占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的1/2。在冬季采暖或空調(diào)的條件下,單玻窗所要損失的能耗量要占總的供熱負(fù)荷的30%～50%,夏季因太陽(yáng)的輻射而透過單層玻璃窗的熱量造成室內(nèi)空調(diào)冷量的損失,約占空調(diào)負(fù)荷的20～30%,可以看出增強(qiáng)門窗幕墻的保溫隔熱性能,是減小建筑能耗,改善室內(nèi)生活環(huán)境的重要部分。
造成門窗能量損失的因素有三方面:門窗窗框及玻璃本身的傳熱與空氣對(duì)流造成的能量損失;門窗縫隙使室內(nèi)外空氣流通造成的能量損失;輻射熱透過玻璃及框料造成的能量損失。門窗的傳熱面積，玻璃占75%左右，所以，要控制整個(gè)門窗的K值，玻璃是關(guān)鍵。
2 K值的計(jì)算
在門窗的傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱過程中,傳熱系數(shù)K值是衡量傳熱量大小的一個(gè)重要指標(biāo),所謂傳熱系數(shù)是在穩(wěn)定傳熱的條件下,維護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差1K,1h內(nèi)通過1㎡面積傳遞的熱量,單位(W/㎡.K)。與導(dǎo)熱系數(shù)的概念不同,所謂導(dǎo)熱系數(shù)λ是在穩(wěn)定傳熱的條件下, 1m厚的物體兩側(cè)表面溫差為1℃,1h內(nèi)通過1㎡面積傳遞的熱量,單位(W/m.K)。兩者的概念是有區(qū)別的,不要混淆。
K=1/R0 (2-1)
K—— 傳熱系數(shù)(W/㎡·K)
R0 ——總熱阻 (㎡·K/W)
R0=Ri +∑R +Re (2-2)
Ri——內(nèi)表面換熱阻(㎡·K/W)
R——材料層熱阻(㎡·K/W)
Re——外表面換熱阻(㎡·K/W)
R=δ/λ (2-3)
δ——材料厚度(m)
λ——導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)
Ri=1/αi
αi ——內(nèi)表面換熱系數(shù)(W/㎡·K) 玻璃取αi =8 W/㎡.K
Ri=1/8=0.125 ㎡·K/W
Re=1/αe
αe——外表面換熱系數(shù)(W/㎡·K)
夏季取αe=19 W/㎡·K
冬季取αe=23 W/㎡·K
夏季: Re=1/19=0.053 ㎡.K/W
冬季: Re=1/23=0.043 ㎡·K/W
3 氣體間層的熱阻(R’)確定
3.1 數(shù)學(xué)模型
氣體間層的熱阻大小,取決于間層兩個(gè)界面之間的厚度和之間的輻射換熱強(qiáng)度，對(duì)流換熱在間層總的傳熱量中,也占有一定的比例。對(duì)流換熱的強(qiáng)度,與間層的厚度,間層的設(shè)置方向及形狀、密封性等因素有關(guān)。
R’=1/hs
hs-氣體間層的導(dǎo)熱率
hs=hg+hr
hg-氣體間層氣體的導(dǎo)熱系數(shù)
hr-氣體間層輻射導(dǎo)熱系數(shù)
hr=4σ(1/ε1+1/ε2-1)-1·Tm3
ε1ε2 間隙層兩表面在平均絕對(duì)溫度Tm下的校正發(fā)射率
σ斯蒂芬-波爾斯曼常數(shù)
hg=Nuλ/s
Nu=A(Gr·Pr)n
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)
Gr=(9.81s3ΔTρ2)/Tmμ
Pr=μ·c/λ
ΔT-氣體間層前后玻璃表面的溫度差，K
ρ-氣體密度
μ-氣體的動(dòng)態(tài)粘度
c-氣體的比熱
氣體間層的傳熱是一個(gè)很復(fù)雜的過程，根據(jù)上面公式，也只能對(duì)氣體間層小于16mm 的熱阻計(jì)算比較準(zhǔn)確，隨著氣體間層的增大，對(duì)流換熱會(huì)增強(qiáng)，計(jì)算起來比較復(fù)雜，可直接按下表熱阻計(jì)算。
3.2 空氣間層的熱阻
表1 空氣間層的熱阻(R’)
|
位置熱流狀態(tài)
|
冬季狀態(tài)
|
夏季狀態(tài)
|
||||||||||
|
間層百度δ（cm）
|
間層厚度δ（cm）
|
|||||||||||
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5以上
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4～5
|
6以上
|
|
|
熱流向下
|
0.103
|
0.138
|
0.172
|
0.181
|
0.189
|
0.198
|
0.095
|
0.12
|
0.146
|
0.155
|
0.163
|
0.146
|
|
熱流向上
|
0.103
|
0.138
|
0.155
|
0.163
|
0.172
|
0.172
|
0.086
|
0.112
|
0.129
|
0.129
|
0.129
|
0.129
|
|
垂直空氣間層
|
0.103
|
0.138
|
0.163
|
0.172
|
0.181
|
0.086
|
0.086
|
0.12
|
0.138
|
0.138
|
0.146
|
0.146
|
氣體間層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算:
λ’=δ/R’ (2-4)
R’—氣體間層熱阻(㎡.K/W),按(表2)查得
δ—氣體間層厚度(m)
λ’—氣體間層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K)
3.3 中空玻璃間層用氬氣填充時(shí)的熱阻(R’)確定
表2 中空玻璃間層用氬氣填充時(shí)的熱阻(R’)
|
位置熱流狀態(tài)
|
冬季狀態(tài)
|
夏季狀態(tài)
|
||||||||||
|
間層百度δ（cm）
|
間層厚度δ（cm）
|
|||||||||||
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5以上
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4～5
|
6以上
|
|
|
垂直空氣間層
|
0.133
|
0.168
|
0.190
|
0.198
|
0.206
|
0.206
|
0.114
|
0.150
|
0.168
|
0.168
|
0.175
|
0.175
|
4 玻璃K值的計(jì)算,玻璃種類對(duì)K值的影響
4.1玻璃K值的計(jì)算
眾所周知,玻璃在鋁合金門窗中占的面積量最大,玻璃的傳熱,是整個(gè)門窗傳熱的決定因素,所以要想使鋁合金門窗的傳熱達(dá)到滿意的效果,必須對(duì)玻璃種類加一控制。下面列舉幾種玻璃K值的計(jì)算事例,對(duì)玻璃K值進(jìn)行比較并說明:
中空玻璃K值計(jì)算:(以6+9+6雙白中空玻璃為例)
中空玻璃K值計(jì)算:(以6+9+6雙白中空玻璃為例)
求出中空玻璃的總熱阻 R0
R0=Ri +∑R +Re R0= Ri +R1+R’+R2 +Re
R1——內(nèi)片玻璃熱阻(㎡·K/W)
R2——外片玻璃熱阻(㎡·K/W)
R’ ——氣體間層熱阻(㎡·K/W)
已知: Ri=0.125 ㎡·K/W
夏季: Re=0.053 ㎡·K/W
冬季: Re=0.043 ㎡·K/W
R’ 查表1 得:
夏季: R’=0.117 ㎡·K/W
冬季: R’=0.135 ㎡·K/W
R1=R2=δ/λ δ—材料厚度(m)
λ—導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K) 查表1知:玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.76(W/m·K)
R1=R2=0.006/0.76=0.00789㎡·K/W
玻璃的總熱阻 夏季:R0 =0.125+0.00789+0.117+0.00789+0.053=0.311㎡·K/W
冬季:R0 =0.125+0.00789+0.135+0.00789+0.043=0.319㎡·K/W
6+9+6雙白中空玻璃K值: K=1/R0
夏季:K=1/0.311=3.2 W/㎡·K
冬季:K=1/0.319=3.1 W/㎡·K
相同的計(jì)算方法,不同種類中空玻璃的K值列表如下:
|
序號(hào)
|
玻璃類型
|
夏季K值(W/㎡.K)
|
冬季K值(W/㎡.K)
|
|
1
|
6+6+6雙白中空
|
3.53
|
3.45
|
|
2
|
6+9+6雙白中空
|
3.2
|
3.1
|
|
3
|
6+12+6雙白中空
|
3.1
|
3.06
|
|
4
|
6+6+6雙白中空(充氬氣)
|
3.2
|
3.1
|
|
5
|
6+9+6雙白中空(充氬氣)
|
2.96
|
2.9
|
|
6
|
6+12+6雙白中空(充氬氣)
|
2.9
|
2.8
|
4.2玻璃種類對(duì)K值的影響
4.2.1 中空玻璃間層,除了充空氣外,還可以充填狀態(tài)穩(wěn)定的惰性氣體,(例如氬氣、氪氣等)會(huì)不同程度的提高中空玻璃的隔熱保溫性能，這是因?yàn)槎栊詺怏w的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣低，(空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.024W/m.K,氬氣的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.016 W/m.K, 氪氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0087W/m.K)。同時(shí)惰性氣體的密度、比熱、及動(dòng)態(tài)黏度也對(duì)保溫效果起到一定的作用。目前,應(yīng)用較多的惰性氣體是氬氣, 這是因?yàn)闅鍤庠诳諝庵械暮勘容^豐富,提取比較容易，成本也較低。
4.2.2 中空玻璃的傳熱系數(shù),隨著中空玻璃間層的增大而減小,保溫隔熱的效果越好,但是氣體間層的變化與氣體熱阻的變化并不成正比。通過氣體熱阻 (R’)與間層厚度(H)曲線就可反映此問題:
4.2.3 氣體間層在1.6cm以下時(shí),空氣的熱阻夏季由0.086～0.134㎡·K/W,差值為0.048 ㎡·K/W,冬季由0.103～0.154 ㎡·K/W,差值為0.051 ㎡·K/W。氣體間層在1.6cm以上時(shí),空氣的熱阻夏季由0.134～0.146㎡·K/W,差值為0.012 ㎡·K/W,冬季由0.152～0.181 ㎡·K/W,差值為0.027㎡·K/W。比較中發(fā)現(xiàn),氣體間層1.6cm以上時(shí),熱阻的變化微乎其微,相反間層越大,空氣更多的參與對(duì)流作用,會(huì)使熱阻減小,氬氣填充的間層也如此。所以,氣體間層越大,隔熱保溫效果并不是越好,最理想的厚度為1.6cm以下。
4.3 特殊中空玻璃K值計(jì)算:
隨著建筑業(yè)的發(fā)展,建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,普通的中空玻璃已不能滿足建筑節(jié)能的要求,需要一些新的中空玻璃產(chǎn)品代替。下面舉例說明幾種產(chǎn)品的隔熱保溫情況:
4.3.1 三層中空玻璃及K值計(jì)算(以5+6+5+6+5白玻中空玻璃為例)
求出中空玻璃的總熱阻 R0
R0=Ri +∑R +Re R0= Ri +3R1+2R’ +Re
R1—玻璃熱阻(㎡.K/W)
R’—氣體間層熱阻(㎡·K/W)
已知: Ri=0.125 ㎡·K/W
夏季: Re=0.053 ㎡·K/W
冬季: Re=0.043 ㎡·K/W
R’ 查表2 得:
夏季: R’=0.093 ㎡·K/W
冬季: R’=0.11 ㎡·K/W
R1=δ/λ
δ—材料厚度(m)
λ—導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K) 查表1知:玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.76(W/m·K)
R1=R2=0.005/0.76=0.0066㎡·K/W
玻璃的總熱阻 夏季:R0 =0.125+0.0066X3+0.093X2+0.053
=0.384㎡·K/W
冬季:R0 =0.125+0.0066X3+0.11X2+0.043
=0.408㎡·K/W
中空玻璃K值: K=1/R0
夏季:K=1/0.384=2.6 W/㎡·K
冬季:K=1/0.409=2.4 W/㎡·K
相同的計(jì)算方法,不同種類三層中空玻璃的K值列表如下:
|
序號(hào)
|
玻璃類型
|
夏季K值(W/㎡·K)
|
冬季K值(W/㎡·K)
|
|
1
|
5+6+5+6+5白玻中空
|
2.6
|
2.4
|
|
2
|
5+9+5+9+5白玻中空
|
2.3
|
2.2
|
|
3
|
5+12+5+12+5白玻中空
|
2.25
|
2.11
|
|
4
|
5+6+5+6+5白玻中空(充氬氣)
|
2.27
|
2.14
|
|
5
|
5+9+5+9+5白玻中空(充氬氣)
|
2.07
|
1.96
|
4.3.2 通過中空玻璃K值計(jì)算可以得出如下結(jié)論:
a.三層中空玻璃的K值與普通中空玻璃K值比較,有大幅度降低,這是由于中空玻璃多個(gè)氣體間層所決定的,在很大程度上提高了中空玻璃的保溫隔熱性能。
b.三層中空玻璃與普通中空玻璃比較,因重量增加,厚度增大,使得門窗框料的型狀結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生很大的變化。同時(shí),對(duì)門窗的配件(角碼、鉸鏈、等)提出了很高的要求，這樣就造成成本的增加。因此, 三層中空玻璃在現(xiàn)階段很少被采用。
c.染色玻璃及鍍膜玻璃組成的中空玻璃
染色玻璃又叫吸熱玻璃,它是通過本體著色來增大陽(yáng)光熱量的吸收,減小陽(yáng)光熱量的透過,由于室外對(duì)流的原因,吸收的陽(yáng)光熱量會(huì)被帶走一部分,從而減小了太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi)的程度,但其對(duì)遠(yuǎn)紅外線的控制與普通白玻璃相同,輻射率為:0.837。所以,在條件相同的情況下,組成中空玻璃的K值與普通白玻璃組成的K值相同。
d.鍍膜玻璃又叫熱反射玻璃,它在波長(zhǎng)0.4μm～0.7μm的范圍內(nèi)有良好的透明度,對(duì)波長(zhǎng)小于0.4μm的紫外光及波長(zhǎng)在0.7～2.5μm的紅外線有很高的反射率,而陽(yáng)光輻射熱量有97%都集中在波長(zhǎng)為0.3μm～2.5μm的范圍內(nèi),所以對(duì)太陽(yáng)輻射熱有良好的反射作用,但對(duì)遠(yuǎn)紅外熱輻射沒有明顯的反射作用, 所以,在條件相同的情況下,組成中空玻璃的K值與普通白玻璃組成的K值相近。
4.3.2 3Low-E玻璃及組成的中空玻璃
a.Low-E玻璃又叫低輻射鍍膜玻璃,它對(duì)波長(zhǎng)0.3μm～2.5μm范圍的太陽(yáng)輻射熱有60%的透過率,對(duì)4.5μm～25μm的遠(yuǎn)紅外線有很高的反射效果,可以將室內(nèi)傳遞過來的80%遠(yuǎn)紅外輻射熱反射回去,又可以將太陽(yáng)輻射熱很好的進(jìn)入室內(nèi),因此具有單向閥的作用。
b. Low-E玻璃分為兩種:一種是在線高溫?zé)峤獬练e法生產(chǎn)的Low-E玻璃,另一種是離線真空濺射法生產(chǎn)的Low-E玻璃。在線高溫?zé)峤獬练e法生產(chǎn)的Low-E玻璃優(yōu)點(diǎn)是:可以熱彎,鋼化,不需要在中空狀態(tài)下使用。其缺點(diǎn):熱學(xué)性能相對(duì)于離線真空濺射法生產(chǎn)的Low-E玻璃較差,大部分在線Low-E玻璃的輻射率在0.35～0.5之間,除非增加鍍膜的厚度,但鍍膜增厚會(huì)使玻璃的透明度非常差。離線真空濺射法生產(chǎn)的Low-E玻璃的最大優(yōu)點(diǎn)是:具有良好的遠(yuǎn)紅外反射能力,K值遠(yuǎn)比在線Low-E玻璃好, 其輻射率在0.08～0.15之間。缺點(diǎn)是:氧化銀的膜層比較脆弱,必須做成中空玻璃后才能使用,在未做成中空之前不能長(zhǎng)途運(yùn)輸。
c. 由Low-E玻璃組成的中空玻璃K值是隨著其輻射率的變化而變化的,這是因?yàn)檩椛渎实淖兓瘯?huì)直接影響到氣體間層熱阻的變化,通過下面列表比較就能發(fā)現(xiàn)其變化情況:
(表3) 不同輻射率的Low-E中空玻璃的氣體間層熱阻: (R’)
|
輻射率
|
冬季狀態(tài)
|
夏季狀態(tài)
|
||||||||||
|
間層百度δ（cm）
|
間層厚度δ（cm）
|
|||||||||||
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5以上
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4～5
|
6以上
|
|
|
0.08
|
0.243
|
0.417
|
0.517
|
0.495
|
0.479
|
0.468
|
0.227
|
0.377
|
0.615
|
0.589
|
0.56
|
0.55
|
|
0.15
|
0.236
|
0.385
|
0.466
|
0.448
|
0.435
|
0.430
|
0.215
|
0.338
|
0.507
|
0.490
|
0.470
|
0.463
|
|
0.35
|
0.164
|
0.270
|
0.320
|
0.308
|
0.301
|
0.299
|
0.139
|
0.217
|
0.301
|
0.294
|
0.285
|
0.282
|
|
0.5
|
0.150
|
0.238
|
0.276
|
0.268
|
0.262
|
0.258
|
0.125
|
0.185
|
0.244
|
0.239
|
0.233
|
0.230
|
d.氣體間層的熱阻值,隨著Low-E玻璃輻射率的增大而減小,使得Low-E中空玻璃的K值有大幅度的增加。
e.從表3可以看出Low-E中空玻璃間層的熱阻值,當(dāng)間層厚度 ≤1.6cm時(shí)間層的熱阻值R’隨著間層厚度的增加而增大,當(dāng)氣體間層厚度≥1.6cm時(shí),間層的熱阻值R’隨著間層厚度的增加而略有減小。
不同輻射率的Low-E中空玻璃K值比較:
|
輻射率
|
玻璃類型
|
夏季K值(W/㎡·K)
|
冬季K值(W/㎡·K)
|
|
0.08
|
6+12+6外Low-E內(nèi)白玻中空
|
1.7
|
1.7
|
|
0.15
|
6+12+6外Low-E內(nèi)白玻中空
|
1.8
|
1.8
|
|
0.35
|
6+12+6外Low-E內(nèi)白玻中空
|
2.2
|
2.3
|
|
0.5
|
6+12+6外Low-E內(nèi)白玻中空
|
2.3
|
2.6
|
5 總結(jié)
本文通過玻璃傳熱系數(shù)的計(jì)算,旨在了解玻璃傳熱的過程,加深門窗傳熱概念的理解,通過對(duì)傳熱系數(shù)的計(jì)算,可以了解門窗節(jié)能的發(fā)展方向,知道哪些環(huán)節(jié)是門窗節(jié)能的重要環(huán)節(jié),玻璃及型材哪些方面可以改進(jìn),改進(jìn)后的效果如何。同時(shí)，可以根據(jù)計(jì)算實(shí)例，簡(jiǎn)單計(jì)算玻璃的K值，為設(shè)計(jì)提供參考，本文僅供參考。
