１ 前言
目前,我國建筑能耗(其中包括建造能耗和使用能耗)約為全國能源總耗量的1/4,就建筑使用能耗而言,主要體現(xiàn)在冬季保溫和夏季降溫,建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的四大部件(門窗幕墻、墻體、屋頂、地面)中,門窗幕墻的傳熱系數(shù)最大,是建筑保溫、隔熱最薄弱環(huán)節(jié),據(jù)統(tǒng)計,門窗幕墻的能耗要占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的1/2。在冬季采暖或空調(diào)的條件下,單玻窗所要損失的能耗量要占總的供熱負(fù)荷的30%～50%,夏季因太陽的輻射而透過單層玻璃窗的熱量造成室內(nèi)空調(diào)冷量的損失,約占空調(diào)負(fù)荷的20～30%,可以看出增強(qiáng)門窗幕墻的保溫隔熱性能,是減小建筑能耗,改善室內(nèi)生活環(huán)境的重要部分。
造成門窗能量損失的因素有三方面:門窗窗框及玻璃本身的傳熱與空氣對流造成的能量損失;門窗縫隙使室內(nèi)外空氣流通造成的能量損失;輻射熱透過玻璃及框料造成的能量損失。門窗的傳熱面積，玻璃占75%左右，所以，要控制整個門窗的K值，玻璃是關(guān)鍵。
2 K值的計算
在門窗的傳導(dǎo)與對流傳熱過程中,傳熱系數(shù)K值是衡量傳熱量大小的一個重要指標(biāo),所謂傳熱系數(shù)是在穩(wěn)定傳熱的條件下,維護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差1K,1h內(nèi)通過1㎡面積傳遞的熱量,單位(W/㎡.K)。與導(dǎo)熱系數(shù)的概念不同,所謂導(dǎo)熱系數(shù)λ是在穩(wěn)定傳熱的條件下, 1m厚的物體兩側(cè)表面溫差為1℃,1h內(nèi)通過1㎡面積傳遞的熱量,單位(W/m.K)。兩者的概念是有區(qū)別的,不要混淆。
K=1/R0 (2-1)
K—— 傳熱系數(shù)(W/㎡·K)
R0 ——總熱阻 (㎡·K/W)
R0=Ri +∑R +Re (2-2)
Ri——內(nèi)表面換熱阻(㎡·K/W)
R——材料層熱阻(㎡·K/W)
Re——外表面換熱阻(㎡·K/W)
R=δ/λ (2-3)
δ——材料厚度(m)
λ——導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)
Ri=1/αi
αi ——內(nèi)表面換熱系數(shù)(W/㎡·K) 玻璃取αi =8 W/㎡.K
Ri=1/8=0.125 ㎡·K/W
Re=1/αe
αe——外表面換熱系數(shù)(W/㎡·K)
夏季取αe=19 W/㎡·K
冬季取αe=23 W/㎡·K
夏季: Re=1/19=0.053 ㎡.K/W
冬季: Re=1/23=0.043 ㎡·K/W
3 氣體間層的熱阻(R’)確定
3.1 數(shù)學(xué)模型
氣體間層的熱阻大小,取決于間層兩個界面之間的厚度和之間的輻射換熱強(qiáng)度，對流換熱在間層總的傳熱量中,也占有一定的比例。對流換熱的強(qiáng)度,與間層的厚度,間層的設(shè)置方向及形狀、密封性等因素有關(guān)。
R’=1/hs
hs-氣體間層的導(dǎo)熱率
hs=hg+hr
hg-氣體間層氣體的導(dǎo)熱系數(shù)
hr-氣體間層輻射導(dǎo)熱系數(shù)
hr=4σ(1/ε1+1/ε2-1)-1·Tm3
ε1ε2 間隙層兩表面在平均絕對溫度Tm下的校正發(fā)射率
σ斯蒂芬-波爾斯曼常數(shù)
hg=Nuλ/s
Nu=A(Gr·Pr)n
常數(shù)
Gr-格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)
Pr-普朗特準(zhǔn)數(shù)
N-冪指數(shù)
Gr=(9.81s3ΔTρ2)/Tmμ
Pr=μ·c/λ
ΔT-氣體間層前后玻璃表面的溫度差，K
ρ-氣體密度
μ-氣體的動態(tài)粘度
c-氣體的比熱
氣體間層的傳熱是一個很復(fù)雜的過程，根據(jù)上面公式，也只能對氣體間層小于16mm 的熱阻計算比較準(zhǔn)確，隨著氣體間層的增大，對流換熱會增強(qiáng)，計算起來比較復(fù)雜，可直接按下表熱阻計算。
3.2 空氣間層的熱阻
表1 空氣間層的熱阻(R’)
|
位置熱流狀態(tài) |
冬季狀態(tài) |
夏季狀態(tài) |
|
間層百度δ（cm） |
間層厚度δ（cm） |
|
0.5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5以上 |
0.5 |
1 |
2 |
3 |
4～5 |
6以上 |
|
熱流向下 |
0.103 |
0.138 |
0.172 |
0.181 |
0.189 |
0.198 |
0.095 |
0.12 |
0.146 |
0.155 |
0.163 |
0.146 |
|
熱流向上 |
0.103 |
0.138 |
0.155 |
0.163 |
0.172 |
0.172 |
0.086 |
0.112 |
0.129 |
0.129 |
0.129 |
0.129 |
|
垂直空氣間層 |
0.103 |
0.138 |
0.163 |
0.172 |
0.181 |
0.086 |
0.086 |
0.12 |
0.138 |
0.138 |
0.146 |
0.146 |
氣體間層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)計算:
λ’=δ/R’ (2-4)
R’—氣體間層熱阻(㎡.K/W),按(表2)查得
δ—氣體間層厚度(m)
λ’—氣體間層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K)
3.3 中空玻璃間層用氬氣填充時的熱阻(R’)確定
表2 中空玻璃間層用氬氣填充時的熱阻(R’)
|
位置熱流狀態(tài) |
冬季狀態(tài) |
夏季狀態(tài) |
|
間層百度δ（cm） |
間層厚度δ（cm） |
|
0.5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5以上 |
0.5 |
1 |
2 |
3 |
4～5 |
6以上 |
|
垂直空氣間層 |
0.133 |
0.168 |
0.190 |
0.198 |
0.206 |
0.206 |
0.114 |
0.150 |
0.168 |
0.168 |
0.175 |
0.175 |
4 玻璃K值的計算,玻璃種類對K值的影響
4.1玻璃K值的計算
眾所周知,玻璃在鋁合金門窗中占的面積量最大,玻璃的傳熱,是整個門窗傳熱的決定因素,所以要想使鋁合金門窗的傳熱達(dá)到滿意的效果,必須對玻璃種類加一控制。下面列舉幾種玻璃K值的計算事例,對玻璃K值進(jìn)行比較并說明:
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