楊 寧 劉 曄 左文遠(yuǎn)

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來,我國發(fā)展迅速,重心也從農(nóng)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)到工業(yè).但隨著工業(yè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了能源消耗過大甚至逐漸短缺以及環(huán)境日益破壞等不可忽視的問題,如:目前備受關(guān)注的環(huán)境問題 — 霧霾,它不僅破壞人類的生活環(huán)境,而且會(huì)在毫無察覺時(shí)侵入人體.盡管目前尚無法從源頭上根本解決霧霾問題,但為確保社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,共識(shí)的措施之一是通過減少能源消耗去緩解其導(dǎo)致的環(huán)境污染問題.在能源消耗中建筑耗能占有很大比重,而建筑能耗中通過建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的能耗所占比重最大,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的外窗是建筑物的眼睛,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗大多是通過外窗消耗的.因此,選用合適的中空玻璃外窗能起到較好的節(jié)能作用.

1 國內(nèi)玻璃窗與國外玻璃窗技術(shù)發(fā)展

改革開放前我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較落后,導(dǎo)致建筑節(jié)能一直沒能很好地發(fā)展.但隨著國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的提高,建筑節(jié)能逐漸被提到議事日程上來,成為國家發(fā)展的重中之重,在建筑設(shè)計(jì)中,玻璃被大量采用,出現(xiàn)許多新型玻璃.隨著建筑物玻璃的廣泛普及,技術(shù)不成熟的問題逐漸顯現(xiàn)出來,大量建筑物成為“耗能大戶”,造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染.德國全境除了歷史遺留下的古跡和教堂之外都在使用中空玻璃,無論大城市還是小城鎮(zhèn),無論新建筑還是老房屋,只要是在用建筑物基本都使用節(jié)能窗[1],與之相比我國門窗在附加功能的設(shè)計(jì)上,玻璃附件的研發(fā)上與德國有較大差距,我國有大量建筑,其中城市的建筑節(jié)能窗還沒普及,城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村中的建筑窗戶更是多數(shù)都僅具有開閉通擋風(fēng)及采光的基本功能.隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國應(yīng)更注重門窗功能的集成,一般傳統(tǒng)上使用木質(zhì)硬質(zhì)葉片百葉窗,集遮陽、通風(fēng)、擋風(fēng)、保溫和防盜功能于一體,該百葉窗的最大優(yōu)點(diǎn)就是開窗通風(fēng)時(shí)可以遮陽.盡管我國在節(jié)能窗的研發(fā)、設(shè)計(jì)等技術(shù)方面同樣也達(dá)到世界領(lǐng)先水平,但并沒有真正普及應(yīng)用到建筑物中.

2 中空玻璃組成

中空玻璃通常由兩及以上片玻璃組成,玻璃板是用內(nèi)部充滿高效分子篩吸收干燥劑的鋁框間隔出一定厚度空間,邊部用高強(qiáng)度密封膠粘合成的玻璃組件,而玻璃板可以是白玻璃,鍍膜玻璃,二次加工玻璃如鋼化玻璃或夾層玻璃等[2].對(duì)于玻璃間填充氣體,必須為干燥氣體,可以是空氣或者其他稀有氣體如氪氣、氬氣和六氟化硫.氪氣和氬氣是為了隔熱,六氟化硫是為了隔音.間隔條的材質(zhì)也是窗戶保溫的重要條件,間隔條在兩玻璃板之間,分離兩玻璃板,四周用密封劑封邊,阻止水分進(jìn)入造成內(nèi)部結(jié)露使中空玻璃失效.間隔條分為暖邊間隔條和冷邊間隔條,現(xiàn)在我們使用最多的是鋁制間隔條,不利于中空玻璃隔熱性能的提升,而且在外層玻璃外表面溫度較低時(shí)容易導(dǎo)致內(nèi)層玻璃邊緣處結(jié)露.一般情況下,普通中空玻璃的傳熱系數(shù)為3.5W/(m2·℃)以上,但若采用超級(jí)間隔條可有效降低其傳熱系數(shù),通?？山?.6W/(m2·℃)[3].

3 影響中空玻璃傳熱的因素

在中空玻璃傳熱過程中,玻璃兩側(cè)溫度高的流體和溫度低的流體均與相接觸的玻璃表面發(fā)生對(duì)流和輻射換熱,熱量傳到空氣層發(fā)生導(dǎo)熱和輻射,也可能發(fā)生熱對(duì)流[4].若想減小玻璃的傳熱,應(yīng)設(shè)法減少導(dǎo)熱、熱對(duì)流和輻射.

影響中空玻璃傳熱效果的主要因素有兩個(gè):一是遮陽系數(shù)Sc,它表征玻璃遮擋陽光能力的大小即指穿過玻璃實(shí)際進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射與投射到玻璃上的太陽輻射的相對(duì)大小,Sc值越小,說明玻璃遮陽能力越大;二是傳熱系數(shù)K,它表征單位溫差下單位面積在單位時(shí)間內(nèi)傳熱能力的大小,K值越小,說明隔熱性能越好.因此,若想減少傳熱,應(yīng)設(shè)法減小遮陽系數(shù)Sc和傳熱系數(shù)K.

3.1 傳熱系數(shù)影響因素

3.1.1 間隔層厚度

氣體間隔層的厚度與熱阻有很大的關(guān)系,我們需要選用合理的間隔層厚度,在密封膠,間隔條材質(zhì)都相同的情況下,氣體間隔層厚度增大時(shí),氣體間傳熱熱阻增大,傳熱系數(shù)減小,但當(dāng)中間層達(dá)到一定厚度時(shí),中間層厚度增加,傳熱阻力增長(zhǎng)率很小,傳熱系數(shù)不會(huì)顯著變化.因?yàn)楫?dāng)玻璃層厚度增加到一定程度時(shí),間隔層中的氣體在溫差的作用下會(huì)發(fā)生對(duì)流換熱,從而減小玻璃間隔層增厚對(duì)它的影響[5].

3.1.2 間隔條材質(zhì)

中空玻璃間隔條材質(zhì)對(duì)玻璃的傳熱系數(shù)有一定影響,以往大多采用鋁條,雖然具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜等特點(diǎn),但導(dǎo)熱系數(shù)大,會(huì)明顯增大中空玻璃邊部的導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)致冬天氣溫度降低時(shí)會(huì)使玻璃出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象.所以超級(jí)間隔條逐步發(fā)展,它具有熱固,彈性及微孔結(jié)構(gòu),內(nèi)含分子篩,降低露點(diǎn)速度快,同時(shí)具有易剪切、抗風(fēng)壓能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6].間隔條的密封性一定要好,可以有效阻止空氣的進(jìn)入,防止在玻璃內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露或者結(jié)霜的現(xiàn)象.

3.1.3 低輻射膜

實(shí)際中應(yīng)采用低輻射玻璃,以降低由溫差引起的傳熱.目前,多采用LOW-E(Low emissivity coated glass)玻璃,LOW-E中空玻璃對(duì)0.3μm～2.5μm的太陽能輻射具有60%以上的透過率,白天來自室外輻射能量可大部分透過玻璃進(jìn)入室內(nèi),但夜晚和陰雨天氣,來自室內(nèi)物體的熱輻射約有50%以上被其反射回室內(nèi),僅有少于15%的熱輻射被其吸收后通過再輻射和對(duì)流散失,故可有效地阻止室內(nèi)的熱量向室外散失.低輻射膜玻璃的原理是通過降低玻璃表面的輻射率來達(dá)到降低玻璃的傳熱系數(shù)的目的.雖然低輻射玻璃的價(jià)格會(huì)較普通白玻高,但它的節(jié)能屬性不僅在幾年后會(huì)獲得收益,節(jié)約的能源還會(huì)給國家?guī)砭薮蟮囊嫣?

4 測(cè)量?jī)x器

圖1 JTRG-III型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀正視圖Fig.1 Front view of JTRG-III thermal conductivity tester

測(cè)量使用JTRG-III導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀(見圖1).此儀器采用最新的電子制冷技術(shù),無壓縮機(jī)及制冷劑,無污染,免于維護(hù),同時(shí)制冷控溫精度更高.采用智能化儀表采集冷熱板溫度、熱流,自動(dòng)計(jì)算熱阻和導(dǎo)熱系數(shù),并生成時(shí)間和導(dǎo)熱系數(shù)曲線儀.并且很容易操作,只需設(shè)定好冷熱板溫度,儀器智能控溫測(cè)量,實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù).導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的溫度精度為±0.2℃,導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試范圍為0.02W/(m·℃)～0.8W/(m·℃).

5 玻璃試件測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)用中空玻璃試件由玻璃、空氣夾層和透明膠片組合而成,不同組合詳見表1、圖2、圖3和圖4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中的周圍環(huán)境空氣溫度為20℃,中空玻璃試件中的玻璃導(dǎo)熱系數(shù)為 1.09W/(m·℃)、空氣導(dǎo)熱系數(shù)為 0.024W/(m·℃)和透明膠片導(dǎo)熱系數(shù)為 0.2W/(m·℃).

表1 中空玻璃試件的指標(biāo)參數(shù)Table 1 Index parameters of the insulating glass specimen

本實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同組合、不同厚度中空玻璃試件的表觀導(dǎo)熱系數(shù),盡管表觀導(dǎo)熱系數(shù)能反映中空玻璃試件本身的熱物性,但傳熱系數(shù)更能直觀反映中空玻璃試件在建筑物中應(yīng)用狀態(tài)下的傳熱過程,因?yàn)閭鳠嵯禂?shù)還考慮了周圍空氣環(huán)境對(duì)中空玻璃外表面的熱對(duì)流、導(dǎo)熱影響以及太陽、周圍物體對(duì)中空玻璃外表面的輻射影響,故需按下式將中空玻璃試件的表觀導(dǎo)熱系數(shù)換算成傳熱系數(shù)k:

式中,h1為中空玻璃試件內(nèi)層玻璃外表面的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃),按h1=8.7W/(m2·℃)定值計(jì)取[7];h2為中空玻璃試件外層玻璃外表面的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃),按h2=23W/(m2·℃)定值計(jì)取[7];δ為試件的厚度,m;λ為中空玻璃試件的表觀導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃).結(jié)果見表1.因式(1)中的h1,h2按定值計(jì)取,故從表1中的表觀導(dǎo)熱熱阻Rλ值和傳熱熱阻Rk值隨厚度δ值的變化來看,Rλ和Rk隨δ的變化規(guī)律相似.

圖2 中空玻璃俯視圖Fig.2 Top view of insulating glass

圖3 中空玻璃正視圖Fig.3 Front view of insulating glass

圖4 中空玻璃結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Insulating glass structure

通過本實(shí)驗(yàn)測(cè)試,可獲知:

(1) 中空玻璃并不是厚度越厚,熱阻就越大,隔熱效果就越好,結(jié)果表明:在本實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)中空玻璃試件厚度為0.048 4m時(shí),其表觀導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/(m·℃)和傳熱系數(shù)為1.007 2W/(m2·℃),均達(dá)最小,相應(yīng)的表觀導(dǎo)熱熱阻為0.834 5(m2·℃)/W、傳熱熱阻0.992 9(m2·℃)/W,則均達(dá)最大.

(2) 在兩層玻璃之間添夾透明膠片,可增大熱阻,削弱傳熱.

6 結(jié)語

通過本實(shí)驗(yàn)可知,添加透明膠片可有效削弱中空玻璃試件的傳熱.由于透明膠片具有抗老化、造價(jià)低以及質(zhì)量輕且工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),因此,在中空玻璃內(nèi)放置多層透明膠片不會(huì)出現(xiàn)過重現(xiàn)象,進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生隨透明膠片層數(shù)的增加而帶來的額外荷載.加入透明膠片,既可增大熱阻又可改善中空玻璃的隔音效果,如將這種中空玻璃窗用于實(shí)際生活中,不僅可提高人們?cè)谑覂?nèi)的舒適感,而且還可有效降低建筑耗能.