雙中空玻璃間距設計方案優化的研究

杜思樂，李 蕊，王忠林

(東北林業大學土木工程學院，哈爾濱150040)

東北地區處于我國的高緯度地區，冬天氣溫極低，室內外溫差很大，為了滿足居民冬天的生活要求，需要對建筑物進行良好的保溫設計。其中，窗戶的保溫性能是建筑物保溫性能中很重要的環節。而窗戶的組成中玻璃的設計尤為重要，是窗戶保溫性能的關鍵環節。

建筑門窗是建筑外圍護結構保溫性能最薄弱的部位，它的長期使用能耗約占整個建筑物長期使用能耗的50%，因此，提高門窗保溫性能是降低建筑物長期使用能耗的重要途徑。窗戶的保溫性能不但明顯地影響建筑物的采暖能耗，而且對室內熱環境、舒適感以及室內的衛生狀況也有明顯的影響。如果窗戶的保溫質量不佳，通過窗戶的傳熱熱損失和通過窗戶縫隙的空氣滲透熱損失就會顯著增加，進而引起采暖能耗顯著增加。

目前廣泛使用的中空玻璃是一種隔熱、隔音、美觀適用、并可降低建筑物自重的新型建筑材料。本項目旨在對雙中空玻璃間距的設計方案進行研究，力求得出能夠使保溫性能達到較高水平的優化間距方案，并進行實驗驗證，為今后東北地區建筑物窗戶保溫設計提供一定的科學參考。

1 實驗方案

玻璃窗戶的保溫性能由傳熱系數K值直接反應，傳熱系數越低，說明散熱越少，窗戶的保溫性能越好。因此本實驗主要探究在現有技術條件下使傳熱系數最小的玻璃間距組合。

通過擬定漸變擬定的間距組合，進行傳熱系數測定的實驗，繪制間距組合與傳熱系數的變化圖像，根據圖像研究間距組合與才傳熱系數之間的關系，提出滿足較優保溫性能的最優間距組合，完成研究。

在探究組合的研究過后，研究δ1，δ2的朝向問題，即玻璃安裝的過程中的安置方向問題，研究不同朝向對窗戶保溫性能的影響。在確定最后間距組合后，進一步探索最優朝向，使窗戶的保溫性能進一步提升，對建筑建設過程中窗戶的安裝問題提供依據。

根據以往的實驗數據得知，雙玻間距在10 mm以下時，間距和熱阻幾乎成直線關系;當雙玻間距在10 mm～30 mm時，間距和熱阻的關系成曲線;當間距超過30 mm時，由于對流與輻射熱交換的綜合作用，使空氣層的熱阻增加十分緩慢。

設計應根據熱阻的需要和框材的經濟尺度，適當確定玻璃的間距，一般不宜小于9 mm［1］。目前市面上廣泛使用的兩玻玻璃窗戶，有塑料窗，木窗，鋁合金窗，鋁塑復合窗，傳熱系數均在2.4～2.5 W·m－2·K－1，質量稍差的高達2.8 W·m－2·K－1，再加上冬季供暖等方面條件的誤差，普通居民生活環境肯定沒有實驗室的優良條件，這一系數在實際中肯定還會更高。我們也對校園內學生寢室進行了走訪，測定了室內溫度，有的地方室內溫度只有15℃，不難得出大多數熱量由窗戶散失，造成供暖更大的壓力和資源更多的浪費。

窗戶玻璃由單玻變成雙玻或三玻，玻璃保溫性能會明顯提高。這并不是玻璃熱阻起作用，而是玻璃間的空氣層是熱阻增加的主要原因，因為靜止的空氣其傳熱系數比任何材料都要低［2］。

因此，順應玻璃窗戶技術發展水平的提高，為更好的提高門窗的保溫性能，可制作三玻玻璃窗戶。根據密閉空氣層的熱阻與空氣層厚度的關系，研究滿足較優的保溫性能的凈間距厚度，并且研究玻璃不同間距的朝向問題，完成此項目的研究。

2 實驗過程及結果

根據空氣流動、玻璃厚度等因素對玻璃窗戶傳熱系數的影響，等分的間距能夠達到最好的保溫效果［3］。若兩個間距一個過大一個過小，根據雙玻玻璃K值變化趨勢可知，過大的間距承擔了大部分的保溫任務，但玻璃間距過大時傳熱系數并不會大幅減小，減幅會越來越小，因此過大的間距只能是一種浪費，而過小的間距對保溫效果敏感性太大，稍微一點間距增加就會引起傳熱系數大幅度的降低，因此不宜采用過小的間距，過大或過小的間距最終都會導致保溫性能的惡化［4］，因此假設等分的間距使窗戶傳熱系數達到最低。

調研得知，目前市場上廣泛通用的為3 mm+3 mm，6 mm+6 mm，9 mm+9 mm以及12 mm+12 mm規格的三玻玻璃窗戶。較小間距的玻璃窗戶主要用于衛生間等輔助房間較小的洞口，而較大間距的玻璃窗戶主要用于客廳，臥室等對保暖要求很高的主要房間的較大洞口。

同時，筆者對黑龍江省旱地科學研究院進行了調研，實際參與了傳熱系數測定的實驗，獲取了部分實驗數據，通用的這幾種規格的三玻玻璃窗戶，以12 mm+12 mm導熱系數最低，主要材質為塑料窗的導熱系數為1.7～1.8 W·m－2·K－1，三玻木窗:1.7～1.8 W·m－2·K－1，鋁塑復合三玻:2.0～2.1 W·m－2·K－1。

市場上通用的是等間距組合的三玻玻璃窗戶，那么不等間距的呢?

因為玻璃間距在10 mm以前時傳熱系數呈直線遞減，因此排除3 mm可能的組合，它并不能發揮靜止空氣導熱系數很低的優勢。同時考慮過薄的三玻玻璃窗戶也會使導熱系數接近兩玻，根據12 mm+12 mm擬定了幾組組合:6 mm+18 mm，9 mm+15 mm，并對這兩組間距組合進行了實驗。實驗與假設基本吻合。6 mm+18 mm間距組合傳熱系數為2.2 W·m－2·K－1，9 mm+15 mm 組合傳熱系數為2.0 W·m－2·K－1。

將之與12 mm+12 mm規格的三玻玻璃窗戶進行傳熱系數比較，不難看出12 mm+12 mm組合的三玻玻璃窗戶傳熱系數在這些組合里最低，因此可以得出目前最優的間距組合為該等分間距組合。

設想寬的間距組合，比如15 mm+15 mm，但是根據目前熱阻的需要、技術水平和框材的經濟尺寸，總計間距組合為24 mm，15 mm+15 mm這樣的間距組合甚至更高的間距組合不符合經濟原理，因為在目前的技術水平下這會導致窗戶框架制作成本突然陡增，因此排除這樣的可能。

3 結束語

根據調研，實驗，分析，數據整理，得出間距組合為12 mm+12 mm的三玻玻璃窗戶為目前最經濟最保溫的間距組合。這樣的窗戶應該廣泛使用與各種建筑的大型洞口，以替換傳熱系數遠低于它的兩玻玻璃窗戶或者其他間距組合的三玻玻璃窗戶。

對保溫性能要求沒有客廳，臥室等主要房間高的衛生間，儲物間，廚房，樓道等輔助房間，可以采用9 mm+9 mm或者更低的間距組合。它們雖然沒有12 mm+12 mm間距保溫，但這些房間對保溫的要求本來就沒有主要房間高，這樣的間距可以滿足這些輔助房間的保溫要求，而且高于兩玻玻璃窗戶的保溫性能，更加經濟。

［1］魯大學.中空玻璃節能特性的影響因素分析［J］.墻材革新與建筑節能，.2004(5):41－45.

［2］徐正東，趙俊石，張雙保.玻璃纖維增強結構用單板層積材熱壓工藝研究［J］.林業機械與木工設備，2012，40(5):37－40.

［3］郝 曼.中空玻璃節能性能影響因素分析［J］.門窗，2010(6):22－24.

［4］李會平，費 辰.Low－E中空玻璃最佳氣體間隔層厚度的研究［J］.玻璃與搪瓷，2010(5):4 －8.