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目前,我国建筑能耗(其中包括建造能耗和使用能耗)约为全国能源总耗量的1/4,就建筑使用能耗而言,主要体现在冬季保温和夏季降温,建筑外围护结构的四大部件(门窗幕墙、墙体、屋顶、地面)中,门窗幕墙的传热系数最大,是建筑保温、隔热最薄弱环节,据统计,门窗幕墙的能耗要占围护结构总能耗的1/2。在冬季采暖或空调的条件下,单玻窗所要损失的能耗量要占总的供热负荷的30%～50%,夏季因太阳的辐射而透过单层玻璃窗的热量造成室内空调冷量的损失,约占空调负荷的20～30%,可以看出增强门窗幕墙的保温隔热性能,是减小建筑能耗,改善室内生活环境的重要部分。
造成门窗能量损失的因素有三方面:门窗窗框及玻璃本身的传热与空气对流造成的能量损失;门窗缝隙使室内外空气流通造成的能量损失;辐射热透过玻璃及框料造成的能量损失。门窗的传热面积，玻璃占75%左右，所以，要控制整个门窗的K值，玻璃是关键。
2 K值的计算
在门窗的传导与对流传热过程中,传热系数K值是衡量传热量大小的一个重要指标,所谓传热系数是在稳定传热的条件下,维护结构两侧空气温差1K,1h内通过1㎡面积传递的热量,单位(W/㎡.K)。与导热系数的概念不同,所谓导热系数λ是在稳定传热的条件下, 1m厚的物体两侧表面温差为1℃,1h内通过1㎡面积传递的热量,单位(W/m.K)。两者的概念是有区别的,不要混淆。
K=1/R0 (2-1)
K—— 传热系数(W/㎡·K)
R0 ——总热阻 (㎡·K/W)
R0=Ri +∑R +Re (2-2)
Ri——内表面换热阻(㎡·K/W)
R——材料层热阻(㎡·K/W)
Re——外表面换热阻(㎡·K/W)
R=δ/λ (2-3)
δ——材料厚度(m)
λ——导热系数(W/m·K)
Ri=1/αi
αi ——内表面换热系数(W/㎡·K) 玻璃取αi =8 W/㎡.K
Ri=1/8=0.125 ㎡·K/W
Re=1/αe
αe——外表面换热系数(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 气体间层的热阻(R’)确定
3.1 数学模型
气体间层的热阻大小,取决于间层两个界面之间的厚度和之间的辐射换热强度，对流换热在间层总的传热量中,也占有一定的比例。对流换热的强度,与间层的厚度,间层的设置方向及形状、密封性等因素有关。
R’=1/hs
hs-气体间层的导热率
hs=hg+hr
hg-气体间层气体的导热系数
hr-气体间层辐射导热系数
hr=4σ(1/ε1+1/ε2-1)-1·Tm3
ε1ε2 间隙层两表面在平均绝对温度Tm下的校正发射率
σ斯蒂芬-波尔斯曼常数
hg=Nuλ/s
Nu=A(Gr·Pr)n
常数
Gr-格拉晓夫准数
Pr-普朗特准数
N-幂指数
Gr=(9.81s3ΔTρ2)/Tmμ
Pr=μ·c/λ
ΔT-气体间层前后玻璃表面的温度差，K
ρ-气体密度
μ-气体的动态粘度
c-气体的比热
气体间层的传热是一个很复杂的过程，根据上面公式，也只能对气体间层小于16mm 的热阻计算比较准确，随着气体间层的增大，对流换热会增强，计算起来比较复杂，可直接按下表热阻计算。
3.2 空气间层的热阻
表1 空气间层的热阻(R’)
|
位置热流状态
|
冬季状态
|
夏季状态
|
||||||||||
|
间层百度δ（cm）
|
间层厚度δ（cm）
|
|||||||||||
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5以上
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4～5
|
6以上
|
|
|
热流向下
|
0.103
|
0.138
|
0.172
|
0.181
|
0.189
|
0.198
|
0.095
|
0.12
|
0.146
|
0.155
|
0.163
|
0.146
|
|
热流向上
|
0.103
|
0.138
|
0.155
|
0.163
|
0.172
|
0.172
|
0.086
|
0.112
|
0.129
|
0.129
|
0.129
|
0.129
|
|
垂直空气间层
|
0.103
|
0.138
|
0.163
|
0.172
|
0.181
|
0.086
|
0.086
|
0.12
|
0.138
|
0.138
|
0.146
|
0.146
|
气体间层当量导热系数计算:
λ’=δ/R’ (2-4)
R’—气体间层热阻(㎡.K/W),按(表2)查得
δ—气体间层厚度(m)
λ’—气体间层当量导热系数(W/m.K)
3.3 中空玻璃间层用氩气填充时的热阻(R’)确定
表2 中空玻璃间层用氩气填充时的热阻(R’)
|
位置热流状态
|
冬季状态
|
夏季状态
|
||||||||||
|
间层百度δ（cm）
|
间层厚度δ（cm）
|
|||||||||||
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5以上
|
0.5
|
1
|
2
|
3
|
4～5
|
6以上
|
|
|
垂直空气间层
|
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值的计算,玻璃种类对K值的影响
4.1玻璃K值的计算
众所周知,玻璃在铝合金门窗中占的面积量最大,玻璃的传热,是整个门窗传热的决定因素,所以要想使铝合金门窗的传热达到满意的效果,必须对玻璃种类加一控制。下面列举几种玻璃K值的计算事例,对玻璃K值进行比较并说明:
中空玻璃K值计算:(以6+9+6双白中空玻璃为例)
中空玻璃K值计算:(以6+9+6双白中空玻璃为例)
求出中空玻璃的总热阻 R0
R0=Ri +∑R +Re R0= Ri +R1+R’+R2 +Re
R1——内片玻璃热阻(㎡·K/W)
R2——外片玻璃热阻(㎡·K/W)
R’ ——气体间层热阻(㎡·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—导热系数(W/m.K) 查表1知:玻璃的导热系数为0.76(W/m·K)
R1=R2=0.006/0.76=0.00789㎡·K/W
玻璃的总热阻 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双白中空玻璃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
相同的计算方法,不同种类中空玻璃的K值列表如下:
|
序号
|
玻璃类型
|
夏季K值(W/㎡.K)
|
冬季K值(W/㎡.K)
|
|
1
|
6+6+6双白中空
|
3.53
|
3.45
|
|
2
|
6+9+6双白中空
|
3.2
|
3.1
|
|
3
|
6+12+6双白中空
|
3.1
|
3.06
|
|
4
|
6+6+6双白中空(充氩气)
|
3.2
|
3.1
|
|
5
|
6+9+6双白中空(充氩气)
|
2.96
|
2.9
|
|
6
|
6+12+6双白中空(充氩气)
|
2.9
|
2.8
|
4.2玻璃种类对K值的影响
4.2.1 中空玻璃间层,除了充空气外,还可以充填状态稳定的惰性气体,(例如氩气、氪气等)会不同程度的提高中空玻璃的隔热保温性能，这是因为惰性气体的导热系数比空气低，(空气的导热系数为0.024W/m.K,氩气的导热系数为 0.016 W/m.K, 氪气的导热系数为0.0087W/m.K)。同时惰性气体的密度、比热、及动态黏度也对保温效果起到一定的作用。目前,应用较多的惰性气体是氩气, 这是因为氩气在空气中的含量比较丰富,提取比较容易，成本也较低。
4.2.2 中空玻璃的传热系数,随着中空玻璃间层的增大而减小,保温隔热的效果越好,但是气体间层的变化与气体热阻的变化并不成正比。通过气体热阻 (R’)与间层厚度(H)曲线就可反映此问题:
4.2.3 气体间层在1.6cm以下时,空气的热阻夏季由0.086～0.134㎡·K/W,差值为0.048 ㎡·K/W,冬季由0.103～0.154 ㎡·K/W,差值为0.051 ㎡·K/W。气体间层在1.6cm以上时,空气的热阻夏季由0.134～0.146㎡·K/W,差值为0.012 ㎡·K/W,冬季由0.152～0.181 ㎡·K/W,差值为0.027㎡·K/W。比较中发现,气体间层1.6cm以上时,热阻的变化微乎其微,相反间层越大,空气更多的参与对流作用,会使热阻减小,氩气填充的间层也如此。所以,气体间层越大,隔热保温效果并不是越好,最理想的厚度为1.6cm以下。
4.3 特殊中空玻璃K值计算:
随着建筑业的发展,建筑节能标准的不断提高,普通的中空玻璃已不能满足建筑节能的要求,需要一些新的中空玻璃产品代替。下面举例说明几种产品的隔热保温情况:
4.3.1 三层中空玻璃及K值计算(以5+6+5+6+5白玻中空玻璃为例)
求出中空玻璃的总热阻 R0
R0=Ri +∑R +Re R0= Ri +3R1+2R’ +Re
R1—玻璃热阻(㎡.K/W)
R’—气体间层热阻(㎡·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—导热系数(W/m·K) 查表1知:玻璃的导热系数为0.76(W/m·K)
R1=R2=0.005/0.76=0.0066㎡·K/W
玻璃的总热阻 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
相同的计算方法,不同种类三层中空玻璃的K值列表如下:
|
序号
|
玻璃类型
|
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(充氩气)
|
2.27
|
2.14
|
|
5
|
5+9+5+9+5白玻中空(充氩气)
|
2.07
|
1.96
|
4.3.2 通过中空玻璃K值计算可以得出如下结论:
a.三层中空玻璃的K值与普通中空玻璃K值比较,有大幅度降低,这是由于中空玻璃多个气体间层所决定的,在很大程度上提高了中空玻璃的保温隔热性能。
b.三层中空玻璃与普通中空玻璃比较,因重量增加,厚度增大,使得门窗框料的型状结构尺寸发生很大的变化。同时,对门窗的配件(角码、铰链、等)提出了很高的要求，这样就造成成本的增加。因此, 三层中空玻璃在现阶段很少被采用。
c.染色玻璃及镀膜玻璃组成的中空玻璃
染色玻璃又叫吸热玻璃,它是通过本体着色来增大阳光热量的吸收,减小阳光热量的透过,由于室外对流的原因,吸收的阳光热量会被带走一部分,从而减小了太阳辐射热进入室内的程度,但其对远红外线的控制与普通白玻璃相同,辐射率为:0.837。所以,在条件相同的情况下,组成中空玻璃的K值与普通白玻璃组成的K值相同。
d.镀膜玻璃又叫热反射玻璃,它在波长0.4μm～0.7μm的范围内有良好的透明度,对波长小于0.4μm的紫外光及波长在0.7～2.5μm的红外线有很高的反射率,而阳光辐射热量有97%都集中在波长为0.3μm～2.5μm的范围内,所以对太阳辐射热有良好的反射作用,但对远红外热辐射没有明显的反射作用, 所以,在条件相同的情况下,组成中空玻璃的K值与普通白玻璃组成的K值相近。
4.3.2 3Low-E玻璃及组成的中空玻璃
a.Low-E玻璃又叫低辐射镀膜玻璃,它对波长0.3μm～2.5μm范围的太阳辐射热有60%的透过率,对4.5μm～25μm的远红外线有很高的反射效果,可以将室内传递过来的80%远红外辐射热反射回去,又可以将太阳辐射热很好的进入室内,因此具有单向阀的作用。
b. Low-E玻璃分为两种:一种是在线高温热解沉积法生产的Low-E玻璃,另一种是离线真空溅射法生产的Low-E玻璃。在线高温热解沉积法生产的Low-E玻璃优点是:可以热弯,钢化,不需要在中空状态下使用。其缺点:热学性能相对于离线真空溅射法生产的Low-E玻璃较差,大部分在线Low-E玻璃的辐射率在0.35～0.5之间,除非增加镀膜的厚度,但镀膜增厚会使玻璃的透明度非常差。离线真空溅射法生产的Low-E玻璃的最大优点是:具有良好的远红外反射能力,K值远比在线Low-E玻璃好, 其辐射率在0.08～0.15之间。缺点是:氧化银的膜层比较脆弱,必须做成中空玻璃后才能使用,在未做成中空之前不能长途运输。
c. 由Low-E玻璃组成的中空玻璃K值是随着其辐射率的变化而变化的,这是因为辐射率的变化会直接影响到气体间层热阻的变化,通过下面列表比较就能发现其变化情况:
(表3) 不同辐射率的Low-E中空玻璃的气体间层热阻: (R’)
|
辐射率
|
冬季状态
|
夏季状态
|
||||||||||
|
间层百度δ（cm）
|
间层厚度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.气体间层的热阻值,随着Low-E玻璃辐射率的增大而减小,使得Low-E中空玻璃的K值有大幅度的增加。
e.从表3可以看出Low-E中空玻璃间层的热阻值,当间层厚度 ≤1.6cm时间层的热阻值R’随着间层厚度的增加而增大,当气体间层厚度≥1.6cm时,间层的热阻值R’随着间层厚度的增加而略有减小。
不同辐射率的Low-E中空玻璃K值比较:
|
辐射率
|
玻璃类型
|
夏季K值(W/㎡·K)
|
冬季K值(W/㎡·K)
|
|
0.08
|
6+12+6外Low-E内白玻中空
|
1.7
|
1.7
|
|
0.15
|
6+12+6外Low-E内白玻中空
|
1.8
|
1.8
|
|
0.35
|
6+12+6外Low-E内白玻中空
|
2.2
|
2.3
|
|
0.5
|
6+12+6外Low-E内白玻中空
|
2.3
|
2.6
|
5 总结
本文通过玻璃传热系数的计算,旨在了解玻璃传热的过程,加深门窗传热概念的理解,通过对传热系数的计算,可以了解门窗节能的发展方向,知道哪些环节是门窗节能的重要环节,玻璃及型材哪些方面可以改进,改进后的效果如何。同时，可以根据计算实例，简单计算玻璃的K值，为设计提供参考，本文仅供参考。
