室外溫度及風速對中空玻璃傳熱的影響分析

程勵輝

(1. 廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510500;2. 廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司,廣東 廣州 510500)

門窗及其玻璃系統是建筑圍護結構保溫的薄弱部分,其中玻璃面積占比最大,行業學者圍繞其傳熱性能作了大量的研究。惠存、王東旭等人[1-4]在產品設計條件下就中空玻璃的空腔厚度、氣體類型、鍍膜類型等內在結構要素對其傳熱性能的影響作了深入研究。李會平、陳德敏[4-5]研究了中空玻璃的最佳空腔厚度、鍍膜面位置等中空玻璃結構優化方法。王厚華、黃春勇[6-7]圍繞非鍍膜中空玻璃空氣層的對流傳熱及壁面溫差的影響展開討論。孫丁、張甜甜[8-9]討論了封閉空腔對流換熱在整體傳熱過程的主導作用。Karolis B[10]等人研究了中空玻璃傳熱系數隨室外溫度的變化,闡述了中空玻璃傳熱系數隨室外溫度的變化量。然而,室外溫度及風速對中空玻璃傳熱系數的影響及其機理尚未有系統性的研究,不同工程環境條件下其傳熱性能與產品設計條件下的基準值的偏離特征仍需進一步闡明。本文將重點研究溫度、風速對中空玻璃傳熱性能的影響,量化溫度和風速變化對不同中空玻璃傳熱系數的影響,并分析影響的差異和原因,同時采用四分位法闡述不同工程環境條件下傳熱系數的偏離特征,為優化中空玻璃產品設計和選用提供參考和依據。

1 典型中空玻璃配置及室外環境條件

選取普通、單銀鍍膜、雙銀鍍膜中空玻璃,其靠近室外的玻璃朝空腔側表面輻射率分別為0.84、0.10、0.04, 空腔厚度依次取6、9、12、16、18、20 mm,玻璃厚度均為6 mm。模擬計算中室內溫度為20 ℃、對流換熱系數為3.6 W·m-2·K-1[11]。產品設計條件的室外溫度為-20 ℃、室外風速為3 m·s-1。依據《民用建筑熱工設計規范[12]對冬季室外熱工計算溫度取值的要求,考慮到中空玻璃是輕質圍護結構,本文涉及的118個典型工程環境條件的室外溫度取自《民用建筑熱工設計規范》[12]附錄A的累年最低日平均溫度。風速數據取自建筑氣象參數標準[13]參數表的冬季平均風速。以福州為例,其室外環境溫度取值3.3 ℃、風速取值2.7 m·s-1。不同鍍膜類型、空腔厚度及環境條件組合構成2 142個樣品,采用《熱工計算規程》[6]的熱平衡方程法計算以上中空玻璃樣本的傳熱系數、空腔熱阻、空腔對流換熱系數、輻射換熱系數,結果與粵建科MQMC軟件計算結果一致。

2 室外環境條件對中空玻璃傳熱系數的影響

2.1 室外風速對傳熱系數的影響

選取典型中空玻璃在寶雞、邢臺、阜陽、日照、青島地區工程環境條件下的計算結果,分析室外風速對中空玻璃傳熱的影響,以上5個地區的室外溫度為(-8.5±0.5)℃,室外風速分別為 1.0、1.9、2.9、3.5、5.7 m·s-1。

按鍍膜類型分組,不同類型中空玻璃傳熱系數隨室外風速變化如圖1所示。風速由1.0升高至5.7 m·s-1,中空玻璃傳熱系數隨之增大,空腔厚度越小的中空玻璃傳熱系數增量越大。普通中空玻璃傳熱系數增量最大,空腔厚度6、9、12、20 mm的普通中空玻璃的傳熱系數分別增大0.439、0.368、0.335、0.353 W·m-2·K-1。單銀、雙銀鍍膜中空玻璃傳熱系數增量比同等空腔厚度普通中空玻璃略小,分別為0.285、0.192、0.159、0.197 W·m-2·K-1和0.267、0.174、0.142、0.181 W·m-2·K-1。

圖1 中空玻璃傳熱系數隨室外風速變化趨勢Fig.1 Variation trend of heat transfer coefficient of insulating glass with outdoor wind speed

2.2 室外環境溫度對傳熱系數的影響

選取典型中空玻璃在大慶、營口、濰坊、池州、廈門地區工程環境條件下的計算結果,討論室外溫度對中空玻璃傳熱的影響,以上5個地區的室外風速均為3.5 m·s-1,室外溫度分別為-33.4、-23.3、-12.0、-3.5、6.3 ℃。

不同中空玻璃按照鍍膜類型分組,其傳熱系數隨室外溫度變化如圖2所示。由圖2(a)可見,空腔厚度6、9、12 mm的普通中空玻璃傳熱系數隨室外溫度升高而增大,受影響較大,室外溫度由-33.4升高至6.3 ℃,傳熱系數增量分別為0.292、0.210、0.218 W·m-2·K-1。空腔厚度20 mm的普通中空玻璃傳熱系數隨室外溫度升高而輕微降低,變化幅值僅為-0.016 W·m-2·K-1。

圖2 中空玻璃傳熱系數隨室外環境溫度變化趨勢Fig.2 Variation trend of heat transfer coefficient of insulating glass with outdoor temperature

如圖2(b)(c)所示,室外溫度由-33.4升高至6.3 ℃,空腔厚度較小的鍍膜中空玻璃傳熱系數隨之增大。空腔厚度6、9 mm的單銀、雙銀中空玻璃的傳熱系數增量分別是 0.167、0.109 W·m-2·K-1和0.149、0.080 W·m-2·K-1。空腔厚度較大的鍍膜中空玻璃的傳熱系數顯著降低,空腔越大,室外溫度對傳熱系數影響越強烈,傳熱系數下降顯著。空腔厚度12、20 mm的單銀、雙銀中空玻璃傳熱系數下降量分別為-0.101、-0.482 W·m-2·K-1和-0.156、-0.552 W·m-2·K-1。

2.3 室外環境溫度對傳熱系數影響的微觀分析

2.3.1 不同鍍膜類型中空玻璃的空腔主要換熱形式

選取空腔厚度為9、12 mm的雙銀中空玻璃及空腔厚度12 mm的普通中空玻璃在大慶、營口、濰坊、池州、廈門地區工程環境條件下的空腔換熱系數,對比分析空腔對流換熱、輻射換熱占比及變化趨勢。如圖3(a)所示,普通中空玻璃空腔換熱以輻射換熱為主,輻射換熱系數隨室外環境溫度升高而增大,空腔傳熱總體呈現升高趨勢;鍍膜中空玻璃空腔換熱以對流換熱為主,對流換熱系數隨室外環境溫度升高而降低,而輻射換熱系數變化量可忽略不計,空腔傳熱總體呈現降低趨勢。可見,不同鍍膜類型中空玻璃空腔的換熱形式存在差異,這導致傳熱系數隨室外環境溫度變化趨勢不同。

如圖3(b)所示,對比不同空腔厚度的雙銀中空玻璃空腔換熱系數,空腔傳熱均以對流換熱為主,但 9 mm 厚空腔對流換熱強度隨室外環境溫度升高而增強,而12 mm 厚空腔的對流換熱強度卻隨室外環境溫度升高而減弱。

2.3.2 鍍膜中空玻璃不同厚度空腔的當量導熱系數

選取空腔厚度 9、12 mm 的雙銀鍍膜中空玻璃樣本的空腔努塞爾數,其隨室外溫度變化趨勢如圖4,空腔努塞爾數隨室外環境溫度升高而降低,表明空腔對流換熱強度隨室外溫度升高而減弱,且不同厚度空腔的對流換熱強度受室外溫度影響的程度存在差異,12 mm 厚空腔的內部對流強度隨室外溫度的影響更強烈。采用一階近似表示努塞爾數Nu(T):

圖4 不同厚度空腔努塞爾數隨室外環境溫度變化對比Fig.4 Comparison of Nusselt number of cavities with different thicknesses with outdoor temperature changes

Nu(T)=γ+δ·T

(1)

式中,T為絕對溫度, K; 引入實算數據可得9 mm厚空腔系數γ=1.291 4、δ=-0.001 0 ,12 mm厚空腔的系數γ=3.087 5、δ=-0.007 4。

空腔內空氣的當量導熱系數隨溫度變化率:

(2)

式中,空氣導熱系數λ(T)=a+b·T,W·m-1·K-1;a=2.873×10-3、b=7.760×10-5。將努塞爾數的一階近似表達式代入式(2)簡化后可得:

(3)

3 工程環境條件下中空玻璃傳熱系數偏離特征

3.1 傳熱系數偏離的幅值特征

分別選取上述典型中空玻璃在產品設計、工程環境條件下的傳熱系數,并以產品設計條件下的傳熱系數為基準值,計算不同工程環境條件下傳熱系數正負偏差,以玻璃類型、空腔厚度及偏差的正負性質為分組條件、以四分位法統計分析傳熱系數偏差特征。將傳熱系數偏差的統計結果與基準值疊加,如圖5所示,空腔厚度不超過12 mm時,普通中空玻璃正負偏差上四分位點的偏離幅值基本一致,均值分別為0.13、-0.14;空腔厚度超過12 mm時,正偏差的偏離程度大大減少,上四分位點所在處偏離幅值為0.06,負偏差的程度高于正偏差,上四分位點幅值為-0.15。單銀、雙銀中空玻璃傳熱系數偏離規律基本一致,當空腔厚度不超過12 mm時,正負偏離程度基本相同且低于普通中空玻璃,上四分位點偏離幅值均值分別為0.08、-0.09;當空腔厚度超過12 mm后,偏離幅值升高,正偏離上四分位點的偏離幅值均值為0.12,負偏離上四分位點的偏離幅值均值為-0.30, 負偏離幅值大于正偏離幅值且隨空氣層厚度增加而增大。

圖5 不同工程地區室外環境條件下中空玻璃傳熱系數基準值及偏離幅度Fig.5 Reference value and deviation range of heat transfer coefficient of insulating glass under outdoor environmental conditions in different engineering areas

如圖5(b)(c)所示,對比單銀、雙銀中空玻璃傳熱系數基準值差異及不同室外環境條件引起的偏離,室外環境條件對傳熱系數的影響在某些情況下大于鍍膜類型本身的差異,且空腔厚度較大時表現更顯著。當雙銀中空玻璃空腔厚度較大時,應特別注意工程地區室外環境特征,避免項目中的中空玻璃實際傳熱系數大于設計值而產生不利影響。

3.2 傳熱系數偏離的樣本數量分布特征

如圖6所示,在118 種工程環境條件下,中空玻璃傳熱系數出現負偏離的情況多于正偏離,鍍膜中空玻璃表現更顯著。當鍍膜中空玻璃空腔厚度大于9 mm 時,傳熱系數出現負偏離的樣本數量均值為92個,占比77.9%。普通中空玻璃空腔厚度大于12 mm 時,傳熱系數出現負偏離的數量隨空腔厚度增大而逐漸增多,樣本數量均值為81個,占比68.6%。正負偏離幅值、樣本數量兩方面均表明,中空玻璃傳熱系數出現負偏離較為顯著和常見。

圖6 典型中空玻璃在118種工程環境條件下偏離的樣品數量分布Fig.6 Sample distribution of positive and negative deviation of typical insulating glass in 118 engineering environment conditions

4 結論

1)中空玻璃傳熱系數隨室外風速升高而增大,普通中空玻璃傳熱系數受風速影響程度高于鍍膜中空玻璃;空腔厚度越小,其傳熱系數隨風速變化越顯著。

2)不同類型中空玻璃傳熱系數受室外環境溫度影響的趨勢和程度存在較大差異,鍍膜類型及空腔厚度決定了空腔的主要換熱方式和受溫度影響的程度。

3)普通中空玻璃空腔傳熱以輻射換熱為主。空腔厚度小于20 mm時,傳熱系數隨室外環境溫度升高而增大;空腔厚度達20 mm時,傳熱系數隨室外溫度升高而降低,但降低程度極小,可忽略不計。

4)鍍膜中空玻璃空腔傳熱以對流換熱為主。空腔厚度不超過 9 mm時,空腔氣體當量導熱系數隨室外溫度升高而增大,因而傳熱系數隨室外環境溫度升高而增大;空腔厚度大于9 mm時,空腔氣體當量導熱系數隨室外溫度升高而降低,導致傳熱系數隨室外溫度升高而降低,且空腔越大,下降越顯著。

5)以產品設計條件下的傳熱系數為基準,118種工程環境條件下,中空玻璃傳熱系數出現負偏離更為顯著和普遍,在空腔厚度大的鍍膜中空玻璃中更突出。普通中空玻璃正負偏離幅值基本一致,且偏離幅值較小,鍍膜中空玻璃負偏離幅值大于正偏離。