中空玻璃外窗对室内光热环境影响

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摘要：我国是显著的季风气候，大部分地区都处于季风区域，夏季盛行东南和西南季风，冬季是西北季风，特点就是夏季炎热，冬季阴冷。最突出的表现就是夏季时间长，太阳的辐射强度比较大，所以这些地区的窗户应该侧重于夏季的隔热上，然后兼顾冬天的保温。由于中空玻璃具有良好的保温隔热、降低冷辐射等性能，现已经成为广大用户首先考虑的节能产品。除了隔热保温这些特性之外，中空玻璃还可以降低建筑物的自重，在建筑上有着很强的适用性，和其他的能耗玻璃比起来，中空玻璃的优势更加的显而易见，所以中空玻璃是作为建筑外窗较好的材料之一。

关键词：中空玻璃；外窗；光热影响

中图分类号： S718.51 文献标识码： A

中空玻璃又称隔热玻璃，是由两片或者多片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘结密封，使玻璃夹层之间形成有干燥气体空间，所以被称为中空玻璃。建筑外窗可以说是建筑护结构的开口部分，和墙体、屋面都是属于建筑物的围护结构。不过，和墙体屋面比起来，外窗属于薄壁轻质的构件，也是建筑保温、隔热和隔声的薄弱环节。因为外窗不仅有与其他的围护结构共有的温差传热问题，还有外窗缝隙的空气的渗透传热，尤其是通过玻璃的太阳辐射传热问题[1]。随着人们生活水平和生活质量的提高，室内舒适性的问题已经受到越来越多的重视，中空玻璃未来的发展空间将会有很大前景。

一、中空玻璃概述

1、中空玻璃保温隔热原理

中空玻璃的隔热性是指在夏季减少室外热量通过其传入室内，在我国的南方地区突出表现在减少太阳能辐射上。中空玻璃的隔热性能主要是中空玻璃内的气体夹层起着热绝缘的作用，使玻璃两侧表面的温差可以达到10℃。因为夹层内的气体处以一个封闭空间，不会产生对流，并且即使是空气的导热系数0.028W/(m・K)，最后也只能是玻璃的导热系数0.77W/(m・K)的1/27，所以对流传热和传导在中空玻璃的能量传递中只占了很小的比例[2]。而且这一作用还随着玻璃表面的风速和辐射而变化，中空玻璃就是利用气体夹层热阻较大，形成不产生对流空气的夹层，这样一来室内外的热量交换就大大的降低，隔热效果非常显著。

中空玻璃的保温性能是指在寒冷的冬季减少室内热量通过其传出室外，热阻越小，玻璃的保温性能就越好。这只要在玻璃上镀上一层低辐射膜，就可以使其辐射发射率降到0.1，如果在中空玻璃的两个侧表面分别镀上遮阳膜和低辐射膜，那么你就可以住在冬暖夏凉的屋子里了。

二、中空玻璃热工性能的计算

1、中空玻璃空气夹层的传热分析

理论上来说，通过空气夹层的传热量由三部分组成，分别是：空气分子的导热，空气夹层冷热壁面之间的热辐射转换和自然对流的热交换。在稳定的情况下，通过空气夹层的热流密度可以表示为：

q=hs*ΔT＝ha＋hc＋hr*ΔT

式中：q――热流密度，W/m2

ΔT――空气夹层两侧表面的温度，℃

hs――空气夹层的当量换热系数，W/(m2・K)

ha――空气夹层内的当量导热换热系数，W/(m2・K)

hc――空气夹层内的当量对流换热系数，W/(m2・K)

hr――空气夹层内的当量辐射换热系数，W/(m2・K)

空气i、夹层的当量换热系数就等于其当量导热换热系数、当量对流换热系数、当量辐射换热系数之和，即

Hs=ha＋hc＋hr

2、空气夹层的热阻分析

一般条件下空中玻璃窗的传热还包括窗框的传热，但是因为窗框的导热系数远低于窗玻璃的导热系数，并且没有很好的计算方法，只能等待更深入的研究了。窗玻璃间的空气夹层在窗户传热热阻中所占的比例为47.7%~80.1%[3]，所以利用单框双玻璃能显著提高玻璃的保温性能，而中空玻璃的保温性能比双玻璃窗更好。

一般的空气夹层中辐射换热随空气的增大而增大，所以提高中空玻璃保温性能的另一条有效途径是设法降低空气夹层的热辐射换热量。

三、空气夹层传热阻的试验验证

中空玻璃的节能特性受多种因素的影响，比如中空玻璃的高度、厚度和玻璃两壁面温差等。对这些因素的分析，传统的实验做法是通过变化其中的一种因素来分别进行研究，但是这样并不能确定出这些因素那些是主要的，哪些又是次要的，而且也不能确定这些因素之间相互影响的关系[4]。

“正交试验法”是一种科学的安排与分析多因素的实验方法，应用它可以方便快捷的阐明中空玻璃热工性能和各因素之间的关系。

1、实验原理

本实验方案采用的是热水箱法，这里假设是一维传热，也就是说被测对象是空气夹层的一侧用热水箱的壁面温度模拟外界常壁温条件，另一侧则为相对稳定的室内环境条件，实验中热水箱内的水温要保持恒定，并且高于室内环境8℃左右，方便形成单项一维传热条件[5]。当热水箱内有可调加热器控制的家热量与通过空气夹层的传热量相平衡时，热水箱内的加热量就等于穿过空气夹层的热流量。

本实验的重点部分是当实验达到稳定状态之后，因为要检测通过空气夹层的热流量，所以要把别处的热损失进行删除。

2、实验结果

经过实验研究发现，如果想要减少在空气夹层内的传导和对流，可以在夹层内填充比一般空气粘滞度较高、热传导性能更低、化学稳定性良好并且对人体无害的惰性气体。考虑到经济成本的问题，最后实验测的充填氩气的玻璃最佳间距是10mm，充填氪气的中空玻璃的最佳间距是6mm，充填氙气中空玻璃的最佳间距是5mm。但是氩气在空气中比较容易分离，工业上也比较容易提取，价格便宜，应用的比较广泛。

但是影响中空玻璃热工性能的因素比较多，本文只是重点针对中空玻璃夹层的热传组尽享分析，对其他影响因素并没有做过多的考虑；而且在实验阶段，由于对水箱的散热损失的测量准备不足，实验结果误差较大，使得试验验证数值的可靠性显得不是很充分。

结束语：

我国已经颁布实施了各个地区的公共建筑节能设计标准和居住建筑节能设计标准，我国对中空玻璃的研究主要针对其节能原理、节能特性的影响因素和暖边技术，从工程实际出发，均对提高中空玻璃节能效果的途径进行了分析和研究。并建议广大用户在选择和使用中空玻璃时，应对原片玻璃的种类、空气夹层的厚度、空气夹层的层数和适用地区、使用部位等因素进行综合考虑，这样才能有效的提高中空玻璃的节能效果。

参考文献：

[1]涂逢祥.节能窗大发展的良好机遇[J].中国建筑金属结构,2010,06(05):87-88

[2]李世武,熊莉芳.封闭方腔自然对流换热的研究[J].工业加热,2011,08(03):63-64

[3]郭红,桑谦.中空玻璃节能特性的影响因素分析[J].中国建材科技,2010,04(02):56-57.

[4]李光正,李贵,张宁.封闭腔内自然对流数值方法研究[J].华中科技大学学报(城市科学版),2012,06(04):89-90.

[5]董韶峰,李荫堂,刘艳华.涡量―流函数法模拟不同高宽比和角度的腔内自然对流[J].低温与特气,2011,08(06):67-68.

作者简介：何立群（1979―），男，广西大学土木建筑工程学院工程师