中空玻璃傳熱系數影響因素研究

樓建文

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

中空玻璃一般是由兩到三片玻璃組成，中間用間隔框架隔開，周邊使用高強度、高氣密性復合粘結劑密封，充入干燥空氣或惰性氣體，并且填入少量干燥劑保持填充氣干燥而制得。相對于單片玻璃，中空玻璃具有良好的保溫性能、隔聲性能等特點。目前，中空玻璃廣泛應用于建筑工程的門窗、幕墻、采光頂棚等部位，既起到增加采光面積的作用，又具有良好的節能效應。

傳熱系數是門窗、幕墻的一個重要節能參數指標，中空玻璃作為門窗、幕墻中的透光材料，其傳熱系數的優劣對整個門窗、幕墻的傳熱系數起到至關重要的作用。本文通過對影響中空玻璃的各種因素進行分析研究，找出其中重要的影響因素，為門窗幕墻相關企業及節能設計單位選用中空玻璃提供參考。

1 中空玻璃傳熱系數影響因素分析

1.1 填充氣體的厚度

玻璃的導熱系數是1.0W/(m·K)，而空氣的導熱系數是0.027W/(m·K)，因為空氣具有良好的保溫隔熱效果，有空氣層的中空玻璃相對于單片玻璃也有空氣良好的保溫隔熱效果的特性。表1為一組中空玻璃的傳熱系數試驗數據，中空玻璃兩面均采用6mm普通透明玻璃，填充氣體為空氣，空氣層的厚度分別是常用的6mm、9mm和12mm。

表1 不同空氣層厚度中空玻璃的傳熱系數

從表1分析可知，空氣層厚度從6mm增加到9mm，中空玻璃的傳熱系降低了6%。空氣層厚度從9mm增加到12mm，中空玻璃的傳熱系數降低了7%。可見，中空玻璃填充氣體的厚度越大，中空玻璃的傳熱系數越低，中空玻璃的保溫性能也越好。但是，空氣層也不能無限增大，隨著厚度增大，對流越強，熱阻減少，傳熱系數會增大。如(6+24A+6)mm厚普通透明中空玻璃，其傳熱系數為2.7W/(m·K)，對比(6+12A+6)mm厚普通透明中空玻璃，其提升幅度已經甚微。

1.2 填充氣體的類型

中空玻璃內部充填的氣體，一般采用空氣或其他惰性氣體。因為氬氣獲取比較容易，制造成本相比其他惰性氣體低廉，空氣更易于制取，因此空氣、氬氣是作為中空玻璃最常見的填充氣體并得以廣泛應用。氬氣的熱導率優于空氣的熱導率，理論上同條件下的中空玻璃，填充氬氣的傳熱系數優于填充空氣的傳熱系數。表2為一組中空玻璃的傳熱系數試驗數據，中空玻璃兩面均采用6mm普通透明玻璃，填充氣體為氬氣，氬氣層厚分別為常用的6mm、9mm和12mm。

表2 不同氬氣層厚度中空玻璃的傳熱系數

從表1～表2比較分析可知，(6+6A+6)mm、(6+9A+6)mm和(6+12A+6)mm厚普通透明中空玻璃的填充更換為氬氣后，其傳熱系數分別降低了6%、7%和7%。因此，同條件下用使用氬氣作為填充氣體的中空玻璃，其保溫性能優于使用空氣作為填充氣體的中空玻璃。

1.3 玻璃的厚度

物體厚度的增加，必然會增加其的熱阻。同樣，玻璃厚度的增加，其熱阻也隨之增加，整片中空玻璃的傳熱系數就降低了。(6+12A+6)mm和(12+12A+12)mm厚普通透明中空玻璃的傳熱系數分別為2.8W/(m2·K)和2.7W/(m2·K)。從數據中可以看出，組成中空玻璃的兩面玻璃厚度從6mm提升到12mm，中空玻璃傳熱系數約降低了7%。常用組成中空玻璃的玻璃厚度有5mm、6mm、8mm、10mm等，12mm的規格較少用到。可見，雖然增加厚度可以提升中空玻璃保溫性能，降低中空玻璃傳熱系數，但改善效果有限。因此，玻璃的厚度不是影響中空玻璃傳熱系數的主要因素。

1.4 組成中空玻璃的玻璃類別

目前建筑工程上使用的玻璃大部分是由兩片玻璃組成，一面采用普通透明玻璃，另一面根據節能需求選擇不同類別的玻璃，常見的有普通透明玻璃、Low-E鍍膜玻璃、陽光在線控制鍍膜玻璃(熱反射鍍膜玻璃)、著色玻璃(吸熱玻璃)等。表3、表4分別為一組中空玻璃的傳熱系數與輻射率的參考值，中空玻璃一面采用6mm普通透明玻璃，填充氣體為空氣，空氣層厚度為12mm，另外一面分別采用6mm不同類別玻璃。

表3 (6+12A+6)mm厚中空玻璃一面采用普通透明玻璃、另一面采用不同類別玻璃的傳熱系數

表4 (6+12A+6)mm厚中空玻璃一面采用普通透明玻璃、另一面采用不同類別玻璃的輻射率

從表3～表4數據分析可知：

(1)各色系的著色玻璃的輻射率和普通玻璃近乎相同，當玻璃的厚度一樣時，著色玻璃中空玻璃和普通透明中空玻璃的傳熱系數基本一致。

(2)對于不同類別的玻璃，其輻射率和傳熱系數大小有直接關系，玻璃的輻射率越小，對遠紅外線的反射率越高，玻璃的傳熱系數也會越小。鍍膜玻璃的輻射率小于普通玻璃，因此采用鍍膜玻璃組成的中空玻璃其傳熱系數也優于普通透明中空玻璃。

(3)高透光陽光控制鍍膜中空玻璃對比同規格的普通透明中空玻璃，其傳熱系數雖有改善，但是改善幅度不是太大。

(4)一般情況下，中透光鍍膜玻璃優于高透光鍍膜玻璃，單銀Low-E鍍膜玻璃優于普通Low-E鍍膜玻璃，雙銀Low-E鍍膜玻璃優于單銀Low-E鍍膜玻璃。

由此可見，采用不同玻璃類別的中空玻璃，其傳熱系數差異非常大。因此，選擇什么類別的玻璃組成中空玻璃，是決定其傳熱系數優劣的重要因素。

1.5 間隔條的類型

中空玻璃邊部密封一般采用鋁隔條，鋁隔條質量較輕，且處理后表面光滑美觀，能在兩片玻璃中間形成有效的支撐。但是，鋁隔條容易導熱，會導致中空玻璃的邊部傳熱系數增大。當在嚴寒天氣時，中空玻璃邊部容易產生結露現象。近年來，隨著中空玻璃暖邊技術的發展，尤其是超級間隔條的應用，有效地降低了中空玻璃邊部的傳熱系數。超級間隔條是一種不含金屬、具有微孔結構的彈性硅酮材料，其導熱系數遠遠小于鋁隔條，其導熱系數約為鋁隔條的1/950。因此，相較于鋁隔條，能有效降低中空玻璃邊部的傳熱系數。超級間隔條還具有彈性記憶功能，采用超級間隔條作為間隔條，可減少中空玻璃的應力，降低中空玻璃運輸、安裝過程中的炸裂風險。

1.6 中空玻璃的使用環境

根據GB/T 22476-2008《中空玻璃穩態U值(傳熱系數)的計算及測定》要求，中空玻璃垂直使用時，努爾賽準數算式中常數A=0.035，冪n=0.038；中空玻璃水平使用時，努爾賽準數算式中常數A=0.016，冪n=0.028；中空玻璃45°傾斜使用時，努爾賽準數算式中常數A=0.010，冪n=0.031[1]。中空玻璃放置角度不同，常數A和冪n的取值也不一樣。從公式(1)和公式(2)可知，常數A和冪n的取值會影響氣體換熱系數Hg，從而改變中空玻璃的傳熱系數大小。而隨著中空玻璃大量廣泛應用，實際使用過程中放置角度也各不相同，其傳熱系數也會隨之改變。此外，室外環境如風速等也會影響中空玻璃實際傳熱系數。標準一般都將室內表面的對流換熱設置為自然對流狀態，室外表面風速在3～5m/s左右的強制對流狀態。但中空玻璃安裝到高層建筑時，玻璃外表面的風速將會隨著高度的增加而增大，使玻璃外表面的換熱能力加強，中空玻璃的實際傳熱系數會略有增大。

Hg=Nu·η/S

(1)

式中：Hg——氣體換熱系數，W/(m2·K)；

Nu——努爾賽準數；

η——氣體導熱系數，W/(m·K)；

S——氣體間隔層的厚度，m；

Nu=A(Gr·Pr)n

(2)

式中：A——常數；

Gr—格拉曉夫準數；

Pr—普朗特準數；

n——冪指數。

1.7 Low-E鍍膜玻璃膜面位置

采用Low-E鍍膜玻璃組成中空玻璃，其中一面Low-E鍍膜玻璃，另一面采用普通透明玻璃，Low-E鍍膜玻璃的膜面位置可能出現在如圖1所示的1面～4面。但是由于Low-E鍍膜玻璃膜層脆弱，不宜長期暴露在室外，因此，Low-E鍍膜玻璃的膜面位置一般只能放置在2面和3面。取兩組(6+12A+6)mm厚Low-E鍍膜中空玻璃進行試驗，其中一組的Low-E鍍膜玻璃的膜面位置在2面，另一組的Low-E鍍膜玻璃的膜面位置在3面，其傳熱系數試驗結果均為1.8W/(m2·K)。可見，Low-E鍍膜玻璃的膜面無論處于2面還是3面，對其傳熱系數均無影響。

圖1 中空玻璃結構示意圖

但是，當Low-E鍍膜玻璃的膜面處于2面時，玻璃的遮陽系數較低，能遮擋更多的太陽輻射進入，適于南方冬季不供暖的氣候條件。當Low-E鍍膜玻璃的膜面處于3面時，玻璃的遮陽系數較高，能讓更多的太陽輻射進入，適于北方冬季供暖的氣候條件。

2 結語

綜上所述，影響中空玻璃傳熱系數的主要因素為：組成中空玻璃的玻璃類別、填充氣體的厚度和填充氣體的類型。影響中空玻璃傳熱系數的次要因素為：玻璃的厚度。對于不同類別玻璃組成的中空玻璃，玻璃的輻射率不同是造成其傳熱系數不同的主要因素。此外，間隔條的類型會影響中空玻璃邊部的傳熱系數，在中空玻璃實際使用中，玻璃的放置角度、室外風速等也會影響到中空玻璃的實際傳熱系數。

參 考 文 獻

[1] GB/T 22476-2008 中空玻璃穩態U值(傳熱系數)的計算及測定[S]．北京:中國標準社，2008．